Exploration Strategies for Discovery of Interactivity in Visualizations

We investigate how people discover the functionality of an interactive visualization that was designed for the general public. While interactive visualizations are increasingly available for public use, we still know little about how the general public discovers what they can do with these visualizations and what interactions are available. Developing a better understanding of this discovery process can help inform the design of visualizations for the general public, which in turn can help make data more accessible. To unpack this problem, we conducted a lab study in which participants were free to use their own methods to discover the functionality of a connected set of interactive visualizations of public energy data. We collected eye movement data and interaction logs as well as video and audio recordings. By analyzing this combined data, we extract exploration strategies that the participants employed to discover the functionality in these interactive visualizations. These exploration strategies illuminate possible design directions for improving the discoverability of a visualization's functionality

Doctor of Philosophy

dissertationUsing eye-tracking technology to capture the visual scanpaths of a sample of laypersons (N = 92), the current study employed a 2 (training condition: ABCDE vs. Ugly Duckling Sign) Ã- 2 (visual condition: photorealistic images vs. illustrations) factorial design to assess whether SSE training succeeds or fails in facilitating increases in sensitivity and specificity. Self-efficacy and perceived importance were tested as moderators, and eye-tracking fixation metrics as mediators, within the framework of Visual Skill Acquisition Theory (VSAT). For sensitivity, results indicated a significant main effect for visual condition, F(1,88) = 7.102, p = .009, wherein illustrations (M = .524, SD = .197) resulted in greater sensitivity than photos (M = .425, SD = .159, d = .55). For specificity, the main effect for training was not significant, F(1,88) = 2.120, p = .149; however, results indicated a significant main effect for visual condition, F(1,88) = 4.079, p = .046, wherein photos (M = .821, SD = .108) resulted in greater specificity than illustrations (M = .770, SD = .137, d = .41). The interaction for training Ã- visual condition, F(1,88) = 3.554, p = .063, was significant within a 90% confidence interval, such that those within the UDS Photo condition displayed greater specificity than all other combinations of training and visual condition. No significant moderated mediation manifested for sensitivity, but for specificity, the model was significant, r = .59, R2 = .34, F(9,82) = 4.7783, p =.001, with Percent of Time in Lookzone serving as a significant mediator, and both self-efficacy and visual condition significantly moderating the mediation. For those in the photo condition with very high self-efficacy, UDS increased specificity directly. For those in the photo condition with self-efficacy levels at the mean or lower, there was a conditional indirect effect through Percent of Time in Lookzoneâ€"which is to say that these individuals spent a larger amount of their viewing time on target (observing the atypical nevi)â€"and time on target is positively related to specificity. Findings suggest that existing SSE training techniques may be enhanced by maximizing visual processing efficiency

Meeting Eye To Eye : How Trained Designers And Typical Viewers See Design Pieces : And Their Implications For Contemporary Design Education

This study investigated and compared gaze patterns of typical viewers and trained designers to learn if there are differences in the gaze patterns between the two groups. Using eye tracking technology, participants were asked to interpret orally and in writing the effectiveness of the compositions of several advertisements and a company letterhead. The research data included the recorded gaze patterns of participants and the oral and written remarks of the viewers. The questions asked the participants to assess their responses to and appreciation of the compositions. This study shows that similar elements of design are of importance to experts and novices alike, but that experts viewed the art differently than novices.  M.A.Ed

Using Eye-Tracking and Molecular Modeling to Explore Students’ Strategies for Solving Organic Stereochemical Problems

Stereochemistry concepts are often some of the most difficult topics for students to grasp in the organic chemistry curriculum. Several factors may influence students’ abilities to solve stereochemistry problems, including their spatial abilities, strategy choice, and ability to use various types of spatial representations. A mixed-method study was conducted to investigate the role that these factors play when novice organic chemistry students solve stereochemistry problems. Eye-tracking methods were used in an attempt to capture cognitive processes of students while solving these problems. Additionally, three-dimensional molecular models and spatial ability measures were used to further analyze and characterize their strategies for solving these problems. Quantitative eye-tracking data revealed key insights into how organic chemistry students solve stereochemistry problems. Further, qualitative data indicated that strategy choice and representation type impact success on stereochemistry problems. Finally, results showed a significant relationship between spatial ability and performance in a first semester organic chemistry course. The findings of this study have several implications for how we teach chemistry. First, students who struggle with visuospatial tasks due to their inability to successfully apply holistic mental rotation strategies may benefit when they are taught to use analytic strategies. However, while analytic strategies may help students to arrive at the correct answer on stereochemical problems, they may do little to help students visualize the three-dimensional arrangement of atoms or the spatial relationships between molecules. Additionally, performance on stereochemical problems may be enhanced when students are allowed to use physical models, and when they are encouraged to search for key features of the molecule during the problem-solving process

PRONOEA - Professional vision of novice and expert teachers

A (prospective) teacher needs certain competencies to meet the multitasking requirements of teaching in a classroom, especially knowledge about proactive, effective classroom management and a good eye for everything that is happening in the classroom. Only by quickly recognizing relevant cues to potentially disruptive events can a teacher deal with them adequately. Yet the teacher must be able to block out events that are irrelevant to the lesson. Competence in professional vision, which links knowledge and action in teaching, involves two sub-processes: noticing, a basal process of perception that involves identifying relevant events, and reasoning, a process that builds on noticing and can be described as the ability to use knowledge about learning and teaching to derive adequate conclusions from what is seen. Most research on (prospective) teachers' professional vision based on subjective tests (e.g., video analysis, questionnaires, or interviews) has focused on the process of reasoning, whereas few studies have addressed the basal process of noticing, i.e., recognizing potential confounding events. Process-based methods such as eye tracking are particularly suitable for the direct and continuous recording of the basal process of perception. Eye tracking enables conclusions to be drawn about the cognitive perception processes of (prospective) teachers and integrates both spatial and temporal information on the allocation of attention. The methodological book chapter forthcoming in Teacher Professional Vision: Theoretical and Methodological Advances provides more detail on how eye tracking can be used and the challenges it presents. Eye-tracking studies in other domains have shown that novices and experts differ in their gaze behavior. Preliminary educational research regarding (novice) teachers also suggests that novice and expert teachers differ in their ability to detect potential classroom disruptions. The knowledge base underlying perception is better organized in experts and thus positively influences perception. Knowledge influencing professional vision is stored in so-called schemata and can be triggered and influenced by factors such as prior knowledge. For example, professional vision may vary depending on the schema activated or depend on a given task instruction focusing on a particular aspect of the material. Therefore, it can be assumed that professional vision can be positively influenced by training and feedback interventions. Although effective programs exist to train and support (prospective) teachers in the use of professional vision, they consume considerable time and resources. The aim of the thesis was to investigate teachers’ professional vision, especially in the area of classroom management, in two ways: implementing an online experiment within the framework of the restrictions on scientific activities due to the COVID-19 pandemic and using eye tracking as a process-based measurement method in a laboratory setting. I performed the work as follows. First, I conducted a systematic literature review to assess the state of the research on (prospective) teachers' professional vision based on process-based eye-tracking studies. For this purpose, I performed a literature search for the period from 1999 to 2019, identifying a total of 12 studies were identified. These studies were aggregated and integrated and showed relatively stable differences between experts and novices for most of the parameters investigated but used very heterogeneous methods and samples. Based on this, two empirical studies were designed to shed more light on the competence of professional vision. Study I, conducted online, examined the extent to which knowledge as an objective measure of expertise affects student teachers' professional vision. I assessed both noticing (the accuracy and velocity of the perception of potential classroom disruptions) and reasoning (the depth of analysis revealed by verbalizations related to detected disruptions). The results of Study I showed that expertise tested by an economical knowledge test as a performance-based criterion affects prospective teachers’ professional vision of (potential) teaching disruptions. The more knowledge the students had, the faster and more accurately they detected potential disturbances in the video vignettes (noticing). However, being more knowledgeable about pedagogical-psychological action did not lead to a deeper analysis (reasoning) of the events. In Study II I used eye tracking as a process-based method to assess whether the differences reported in previous studies in professional vision expertise between student teachers and experienced teachers in monitoring and/or disruption-specific gaze behavior (noticing) could be replicated. Contrary to our hypotheses, I could not replicate expertise differences in eye-tracking parameters in a quasi-randomized experiment. Parameters measuring classroom monitoring gaze behavior regarding the whole classroom scene and event-based gaze behavior (especially that related to potential or actual teaching disruptions) were similar in student teachers and experienced teachers. In both Study I and Study II, I investigated how effectively an economical, independent, task-specific instructional method could replicate the results of efficient but costly and resource-intensive training or feedback interventions. I hypothesized that minimal instructional support could positively influence novices' gaze behavior and thus possibly compensate for differences in expertise in professional vision. Study I found no effect of a minimal intervention on students' professional vision, whereas Study II—which used the process-based recording method of eye tracking—showed that specific instruction led to changes in gaze behavior in both students and experienced teachers. Novice and expert teachers exhibited more fixations, suggesting more effective scanning and monitoring behavior. Overall, the results show that reinforcing the teaching of knowledge about relevant aspects of classroom management at the university is important, as it helps novice teachers take their first steps in the process of teaching and learning, which are often perceived as particularly challenging (Study I). In addition, Study II shows that further studies and research projects are needed to determine the extent to which and, especially, under which conditions differences in expertise-dependent looking behavior in the classroom can be found. Only a plausible, theoretically based research landscape in which studies produce homogeneous results will permit the development of meaningful interventions for teacher education and training in the medium term and their establishment in the university learning setting.Lehrkräfte lehren tagtäglich Unterrichtsinhalte, agieren mit Schüler:innen und bemühen sich deren Lernerfolg zu maximieren. Dies ist jedoch nur bei möglichst störungsarmem Unterricht möglich. Gerade im Hinblick auf die Multitasking-Anforderungen sind vor allem angehende, unerfahrene Lehrkräfte schnell überfordert. Deswegen benötigt eine (angehende) Lehrkraft bestimmte Kompetenzen, insbesondere Wissen über proaktive, effektive Klassenführung und ein gutes Auge für alles, was in ihrem/seinem Klassenraum von statten geht. Denn nur durch ein schnelles Erkennen relevanter Hinweisreize, wie beispielsweise potenzielle Störereignisse, kann mit diesen adäquat umgegangen werden. Gleichzeitig muss eine Lehrkraft aber auch fähig sein, für den Unterrichtsverlauf irrelevante Ereignisse ausblenden zu können. Eben diese Kompetenz der professionellen Wahrnehmung, welche als Bindeglied zwischen dem Wissen und Handeln einer Lehrkraft angesehen wird, kann in zwei Teilprozesse untergliedert werden: Noticing, als basaler Wahrnehmungsprozess, bei dem es um das Identifizieren von relevanten Ereignissen geht, und Reasoning, als darauf aufbauender Prozess, der die Fähigkeit beschreibt, Wissen über Lernen und Unterrichten zu nutzen, um aus dem Gesehenen adäquate Schlussfolgerungen abzuleiten. Bisherige Forschung zur professionellen Wahrnehmung von (angehenden) Lehrkräften, die sich auf subjektive Testverfahren wie z. B. Videoanalyse, Fragebögen oder Interviews stützen, haben sich vor allem auf den Prozess des Reasonings konzentriert, während sich nur wenige Studien mit dem basalen Prozess des Noticings, d. h. dem Erkennen potenzieller Störereignisse, befasst haben. Für die direkte und kontinuierliche Erfassung des basalen Wahrnehmungsprozesses eignen sich besonders prozessbasierte Verfahren wie das Eye-Tracking. Diese Methode ermöglicht Rückschlüsse auf kognitive Wahrnehmungsprozesse der (angehenden) Lehrkräfte und integriert sowohl räumliche als auch zeitliche Informationen der Aufmerksamkeitsallokation. Aus der auf Eye-Tracking Studien basierenden Expertiseforschung in anderen Domänen weiß man, dass sich Noviz:innen und Expert:innen in ihrem Blickverhalten unterscheiden. Erste bildungswissenschaftliche Forschungsbefunde hinsichtlich (angehender) Lehrkräfte legen ebenfalls nahe, dass sich angehende und erfahrene Lehrkräfte in ihrer Fähigkeit unterscheiden, potenzielle Unterrichtsstörungen zu detektieren. Diese Annahme ist darauf zurückzuführen, dass die der Wahrnehmung zugrunde liegende Wissensbasis bei Expert:innen besser organisiert ist und so die Wahrnehmung positiv beeinflusst. Dieses die professionelle Wahrnehmung beeinflussende Wissen ist in sogenannten Schemata gespeichert und kann durch bestimmte Faktoren wie z. B. Vorwissen getriggert und beeinflusst werden. So kann die professionelle Wahrnehmung beispielsweise je nach aktiviertem Schema variieren oder auch von einer vorgegebenen, einen bestimmten Aspekt fokussierenden, Instruktion abhängen. Des Weiteren kann davon ausgegangen werden, dass die professionelle Wahrnehmung durch Interventionen positiv beeinflusst werden kann. So gibt es bereits effektive, aber gleichzeitig zeit– und ressourcenaufwendige Trainingsprogramme zur Schulung und Unterstützung professioneller Wahrnehmung für (angehende) Lehrkräfte. Ziel der Dissertation ist es, die professionelle Wahrnehmung von Lehrkräften, insbesondere im Bereich des Classroom Managements, mit prozessbasierten Messmethoden (Eye-Tracking) zu untersuchen. Dabei wurden mehrere Ziele verfolgt: Zuerst wurde der aktuelle Forschungstand zur professionellen Wahrnehmung von (angehenden) Lehrkräften basierend auf prozessbasierten Eye-Tracking Studien in einem systematischen Literaturreview aggregiert und integriert. Dafür wurde eine Literaturrecherche für den Zeitraum von 1999 bis 2019 durchgeführt. Insgesamt konnten dabei 12 Studien identifiziert werden, die relativ stabile Unterschiede zwischen Expert:innenen und Noviz:innen bei den meisten untersuchten Parametern, bei gleichzeitig sehr heterogener Methoden- und Stichprobenauswahl, aufweisen. Darauf aufbauend wurden zwei empirische Studien entwickelt, die dazu dienen sollten, den erst wenig erforschten Kompetenzbereich der professionellen Wahrnehmung näher zu beleuchten. Daher wurde in Studie I überprüft, inwieweit Aus der auf Eye-Tracking Studien basierenden Expertiseforschung in anderen Domänen weiß man, dass sich Noviz:innen und Expert:innen in ihrem Blickverhalten unterscheiden. Erste bildungswissenschaftliche Forschungsbefunde hinsichtlich (angehender) Lehrkräfte legen ebenfalls nahe, dass sich angehende und erfahrene Lehrkräfte in ihrer Fähigkeit unterscheiden, potenzielle Unterrichtsstörungen zu detektieren. Diese Annahme ist darauf zurückzuführen, dass die der Wahrnehmung zugrunde liegende Wissensbasis bei Expert:innen besser organisiert ist und so die Wahrnehmung positiv beeinflusst. Dieses die professionelle Wahrnehmung beeinflussende Wissen ist in sogenannten Schemata gespeichert und kann durch bestimmte Faktoren wie z. B. Vorwissen getriggert und beeinflusst werden. So kann die professionelle Wahrnehmung beispielsweise je nach aktiviertem Schema variieren oder auch von einer vorgegebenen, einen bestimmten Aspekt fokussierenden, Instruktion abhängen. Des Weiteren kann davon ausgegangen werden, dass die professionelle Wahrnehmung durch Interventionen positiv beeinflusst werden kann. So gibt es bereits effektive, aber gleichzeitig zeit– und ressourcenaufwendige Trainingsprogramme zur Schulung und Unterstützung professioneller Wahrnehmung für (angehende) Lehrkräfte. Ziel der Dissertation ist es, die professionelle Wahrnehmung von Lehrkräften, insbesondere im Bereich des Classroom Managements, mit prozessbasierten Messmethoden (Eye-Tracking) zu untersuchen. Dabei wurden mehrere Ziele verfolgt: Zuerst wurde der aktuelle Forschungstand zur professionellen Wahrnehmung von (angehenden) Lehrkräften basierend auf prozessbasierten Eye-Tracking Studien in einem systematischen Literaturreview aggregiert und integriert. Dafür wurde eine Literaturrecherche für den Zeitraum von 1999 bis 2019 durchgeführt. Insgesamt konnten dabei 12 Studien identifiziert werden, die relativ stabile Unterschiede zwischen Expert:innen und Noviz:innen bei den meisten untersuchten Parametern, bei gleichzeitig sehr heterogener Methoden- und Stichprobenauswahl, aufweisen. Darauf aufbauend wurden zwei empirische Studien entwickelt, die dazu dienen sollten, den erst wenig erforschten Kompetenzbereich der professionellen Wahrnehmung näher zu beleuchten. Daher wurde in Studie I überprüft, inwieweit Aus der auf Eye-Tracking Studien basierenden Expertiseforschung in anderen Domänen weiß man, dass sich Noviz:innen und Expert:innen in ihrem Blickverhalten unterscheiden. Erste bildungswissenschaftliche Forschungsbefunde hinsichtlich (angehender) Lehrkräfte legen ebenfalls nahe, dass sich angehende und erfahrene Lehrkräfte in ihrer Fähigkeit unterscheiden, potenzielle Unterrichtsstörungen zu detektieren. Diese Annahme ist darauf zurückzuführen, dass die der Wahrnehmung zugrunde liegende Wissensbasis bei Expert:innen besser organisiert ist und so die Wahrnehmung positiv beeinflusst. Dieses die professionelle Wahrnehmung beeinflussende Wissen ist in sogenannten Schemata gespeichert und kann durch bestimmte Faktoren wie z. B. Vorwissen getriggert und beeinflusst werden. So kann die professionelle Wahrnehmung beispielsweise je nach aktiviertem Schema variieren oder auch von einer vorgegebenen, einen bestimmten Aspekt fokussierenden, Instruktion abhängen. Des Weiteren kann davon ausgegangen werden, dass die professionelle Wahrnehmung durch Interventionen positiv beeinflusst werden kann. So gibt es bereits effektive, aber gleichzeitig zeit– und ressourcenaufwendige Trainingsprogramme zur Schulung und Unterstützung professioneller Wahrnehmung für (angehende) Lehrkräfte. Ziel der Dissertation ist es, die professionelle Wahrnehmung von Lehrkräften, insbesondere im Bereich des Classroom Managements, mit prozessbasierten Messmethoden (Eye-Tracking) zu untersuchen. Dabei wurden mehrere Ziele verfolgt: Zuerst wurde der aktuelle Forschungstand zur professionellen Wahrnehmung von (angehenden) Lehrkräften basierend auf prozessbasierten Eye-Tracking Studien in einem systematischen Literaturreview aggregiert und integriert. Dafür wurde eine Literaturrecherche für den Zeitraum von 1999 bis 2019 durchgeführt. Insgesamt konnten dabei 12 Studien identifiziert werden, die relativ stabile Unterschiede zwischen Expert:innenen und Noviz:innen bei den meisten untersuchten Parametern, bei gleichzeitig sehr heterogener Methoden- und Stichprobenauswahl, aufweisen. Darauf aufbauend wurden zwei empirische Studien entwickelt, die dazu dienen sollten, den erst wenig erforschten Kompetenzbereich der professionellen Wahrnehmung näher zu beleuchten. Daher wurde in Studie I überprüft, inwieweit sich Wissen als objektives Maß für Expertise auf die professionelle Wahrnehmung von Lehramtsstudierenden auswirkt (Noticing: Genauigkeit und Geschwindigkeit der Wahrnehmung potentieller Unterrichtsstörungen, Reasoning: Analysetiefe der Verbalisierungen hinsichtlich der erkannten Störungen). Ergebnisse dieser Onlinestudie zeigen, dass Expertise, operationalisiert mittels eines ökonomischen Wissenstests, als perfomanzbasiertes Kriterium einen relevanten Faktor der professionellen Wahrnehmung von angehenden Lehrkräften darstellt. Je mehr Wissen die Studierenden aufwiesen, desto schneller und mit höherer Akkuratheit entdeckten diese potentielle Störsituationen in den Videovignetten (Noticing). Gleichzeitig führte mehr Wissen über pädagogisch-psychologisches Handlungswissen jedoch nicht zu einer tieferen Analyse (Reasoning) der relevanten Ereignisse. Darüber hinaus wurde in Studie II untersucht, ob sich die in bisherigen Forschungsbefunden aufgezeigten Expertiseunterschiede hinsichtlich der professionellen Wahrnehmung zwischen erfahrenen Lehrkräften und Lehramtsstudierenden in Bezug auf das Monitoring- und/oder störungsspezifische Blickverhalten (Noticing) in einem standardisierten Studiendesign replizieren lassen. Im Gegensatz zu unseren Hypothesen konnten wir keine Expertiseunterschiede hinsichtlich der Eye-Tracking Parameter in einem quasi-randomisierten Versuchsdesign replizieren. Studierende und erfahrene Lehrkräfte zeigten sowohl im Hinblick auf ihr globales Monitoringverhalten als auch ihr störungsspezifisches Blickverhalten, ähnliche Ausprägungen der Parameter. Zusätzlich wurde sowohl in Studie I als auch Studie II beleuchtet, inwieweit eine ökonomische, eigenständige aufgabenspezifische Instruktion ähnliche Effekte erzielen kann wie effiziente, aber kosten- und ressourcenaufwendige Trainings- oder Feedbackinterventionen. Hierfür wurde untersucht, ob durch eine minimale instruktionale Unterstützung das Blickverhalten von Novizen positiv beeinflussten werden kann und es somit möglicherweise eine Kompensation von Expertiseunterschieden erreicht werden kann. Studie I konnte jedoch keinen Einfluss der minimalen Intervention auf die professionelle Wahrnehmung der Studierenden feststellen, wohingegen Studie II—bei der die prozessbasierte Erfassungsmethode des Eye-Trackings verwendet wurde—zeigen konnte, dass eine spezifische Instruktion sowohl bei Studierenden als auch erfahrenen Lehrkräften zu einem veränderten Blickverhalten führt. Noviz:innen und Expert:innen wiesen mehr Fixationen auf, was für ein effektiveres Scan- und Monitoringverhalten spricht. Insgesamt sprechen die Ergebnisse dafür, dass die Vermittlung von Wissen über relevante Aspekte des Classroom Managements an der Universität gestärkt werden sollte, da dies den angehenden Lehrkräften die ersten Schritte im Prozess des Lehrens und Lernens erleichtert, der oft als besonders herausfordernd empfunden wird (Studie I). Außerdem zeigt Studie II, dass es bezüglich expertiseabhängigem Blickverhalten im Klassenraum weiterer Studien und Forschungsprojekte bedarf, um herauszufinden, inwieweit und vor allem unter welchen Bedingungen, Unterschiede hinsichtlich der Expertise zu finden sind. Nur mit einer plausiblen, theoretisch begründeten homogenen Ergebnislandschaft lassen sich mittelfristig sinnvolle Interventionen für die Aus- und Fortbildung von Lehrkräften ableiten und im universitären Lernsetting etablieren

The medical pause in simulation training

The medical pause, stopping current performance for a short time for additional cognitive activities, can potentially advance patient safety and learning in medicine. Yet, to date, we do not have a theoretical understanding of why pausing skills should be taught as a professional skill, nor empirical evidence of how pausing affects performance and learning. To address this gap, this thesis investigates the effects of pausing in medical training theoretically and empirically. For the empirical investigation, a computer-based simulation was used for the task environment, and eye-tracking and log data to assess performance

Novice Explanations Of Hurricane Formation Offer Insights Into Scientific Literacy And The Development Of Expert-Like Conceptions

The ability to explain scientific phenomena is a key feature of scientific literacy, and engaging students’ prior knowledge, especially their alternate conceptions, is an effective strategy for enhancing scientific literacy and developing expertise.  The gap in knowledge about the alternate conceptions that novices have about many of Earth’s complex phenomena (National Research Council, 2012), however, makes this type of engagement in geoscience courses challenging.  This study helps to fill this gap by identifying and describing how novices to geoscience explain a complex scientific phenomenon, hurricane formation.  Using a pragmatism methodology, 326 students in introductory-level geoscience courses at two public universities in the United States of America, in Georgia (n=168) and Nebraska (n=158), were surveyed.  The questionnaire was designed to target and collect novices’ explanations of a single complex Earth phenomenon – hurricane formation.  Constant comparative analyses of textual content and diagrams revealed a variety of alternate conceptions.  The data suggess that novices seldom invoke scientific first principles, which students matriculating through the education system are expected to learn before college, in their explanations.  Two theoretical models synthesize the alternate conceptions and illustrate pathways of conceptual change along which students might move from more novice-like to more expert-like ways of scientific thinking.  Our findings provide a basis for the development of instructional activities that aid students in developing more expert-like conceptions of hurricane formation and other complex Earth phenomena