Decoding Case Comparisons in Organic Chemistry: Eye-Tracking Students’ Visual Behavior

Abstract

Reaction mechanisms commonly used in organic chemistry are a great challenge for students in terms of understanding the representation and inferring the appropriate chemical concepts. In order to support the process of identifying and selecting chemical concepts, purposefully designed case comparisons are widely used. While these tasks place great demands on students' problem-solving capabilities, it is unknown how learners distribute their attention on the complex and information-rich representations. Understanding students' visual decoding behavior when dealing with case comparisons could provide valuable insights into supporting students' problemsolving process. In this exploratory study, we employed eye-tracking methodology to observe beginner and advanced undergraduate chemistry students when working through case-comparison tasks. By establishing a novel eye-tracking measure, the fixation/transition ratio, distinct viewing behaviors could be observed. Results indicate significant differences between both status groups. Advanced students are overall faster in their decision-making and transition more frequently between the representations, indicating a higher selectivity for chemically relevant entities. Further, the results show a significant impact of the visual complexity of a representation on students' visual behavior. Implications for designing case comparisons and supporting students' decoding process are discussed.

Einfluss visueller Hilfen und räumlicher Fähigkeiten auf die graphische Interpretation von Vektorfeldern: Eine Eye-Tracking-Untersuchung

“…Die integrationsfördernde Wirkung von Hilfen ist in der Literatur bereits gut dokumentiert (Krejtz et al 2016;Holsanova et al 2009;Schmidt-Weigand et al 2010;Schüler 2017) und wurde kürzlich ebenfalls von Wang et al (2020) nachgewiesen. Eine höhere Anzahl Transitionen wurde auch im Kontext von chemischen Problemlöseaufgaben mit höherer Expertise in Verbindung gebracht (Rodemer et al 2020).…”

“…B. generell bei visuellen Aufgabenanforderungen (Gegenfurtner et al 2011) bzw. speziell bei repräsentationsbezogenen Aufgaben in der Chemie (Rodemer et al 2020). In der Literatur sind große Probleme von Studierenden bei dieser Aufgabe bekannt und die meisten Studierenden nahmen fälschlicherweise an, dass das gezeigte Vektorfeld ein Quellenfeld sei (Klein et al 2018b).…”

Connecting explanations to representations: benefits of highlighting techniques in tutorial videos on students’ learning in organic chemistry

“…to determine the reactivity based on commonalities and differences between the two cases (Graulich & Schween, 2018). When faced with this task format, beginner students have a significantly lower proportion of comparative eye-movements than advanced students (Rodemer et al, 2020). This finding indicates that case comparisons with visual highlights might support specifically students with low prior knowledge.…”

Trendbericht Chemiedidaktik 2021

“…Relative Fixierungsdauern (in Prozent der Gesamtdauer) auf die umrahmten Bereiche (AOI: Areas of interest). 73) Copyright 2020 American Chemical Society gen. Für kognitiv schwächere Schüler:innen deutet sich allerdings ein positiver Einfluss der digitalen Lernumgebung an. 86) Wie das Beispiel einer Online-Videobibliothek für das OC-Praktikum zeigte, hängt das Nutzungsverhalten digitaler Medien stark von Eigenschaften der Studierenden wie Geschlecht, Studiengang und Fähigkeitsselbstkonzept ab.…”

“…Wie sich dadurch ergab, zeigen fortgeschrittene Studierende ein eher vergleichendes Blickverhalten und lösten dadurch die Aufgaben schneller. 73) Besonders zu Beginn von organisch-chemischen Vorlesungen lässt sich demnach der Lernprozess unterstützen, indem die Einflussfaktoren auf unterschiedliche chemische Reaktionen an Beispielen identifiziert und besprochen werden. Eine solche explizitere Diskussion von Strategien fördert Abb.…”