黃 濤，趙立影

（1.浙江工商大學 計算機與信息工程學院，浙江 杭州 310018；2.浙江工業(yè)大學 教育科學與技術(shù)學院，浙江 杭州 310023）

眼動技術(shù)在多媒體學習中的應(yīng)用*

黃 濤1，趙立影2

（1.浙江工商大學 計算機與信息工程學院，浙江 杭州 310018；2.浙江工業(yè)大學 教育科學與技術(shù)學院，浙江 杭州 310023）

眼動技術(shù)給研究者提供了直接觀察學習者認知加工過程的途徑。通過分析不同多媒體表征下有關(guān)視覺參與、注視時間等相關(guān)信息，可以在一定程度上了解學習者的認知過程與學習興趣，進而指導多媒體的設(shè)計，提升學習效率。文章梳理了眼動技術(shù)在促進多媒體學習效率上三個方面的應(yīng)用：探究已有的多媒體學習理論與原則的有效性、指導多媒體學習材料的設(shè)計、充當教學材料輔助學生學習。最后，文章對未來眼動技術(shù)在多媒體學習中的應(yīng)用給出了一些建議。

眼動技術(shù)；多媒體學習；眼動應(yīng)用

一、引言

Mayer認為多媒體學習是從包含言語表征和圖片表征的材料中建構(gòu)心理模型的過程。［1］而在以往的多媒體學習研究中，研究者大多通過對學習者進行記憶測試、遷移測試或認知負荷測試，根據(jù)測試成績了解學習者的認知建構(gòu)效果，而對學習者的知覺、注意等內(nèi)部認知加工過程研究甚少。這使得以往的研究信度較低，同時無法了解某些現(xiàn)象的內(nèi)部機理。近來科學家們開始重視眼動與知覺及認知之間的關(guān)系，通過眼動變化來了解學習者的內(nèi)部認知加工過程。已有研究表明，學習者的注視時間、注視頻率與瞳孔變化等與學習者對學習材料的興趣及認知加工程度等都有密切關(guān)系。眼動技術(shù)提供了一條了解學習者在多媒體學習過程中的內(nèi)部認知過程的途徑，有利于對多媒體學習進行進一步探究，提高多媒體學習效率。

二、眼動技術(shù)在多媒體學習方面的應(yīng)用

眼動技術(shù)在促進多媒體學習方面的應(yīng)用主要包括以下三個方面：對已有的多媒體學習理論與原則進行驗證和探究，指導多媒體學習材料的設(shè)計，眼動數(shù)據(jù)作為學習材料輔助學習者學習。

1.眼動技術(shù)用于驗證和探究多媒體學習理論

多媒體學習研究中最具代表性的理論是Sweller等人提出的認知負荷理論（CognitiveLoadTheory，CLT）和Mayer的多媒體學習理論。認知負荷理論主要從認知資源分配的角度考察學習和問題解決。他們認為，學習過程中的各種認知加工活動均需消耗認知資源，若所有活動所需的資源總量超過個體擁有的資源總量，就會引起資源的分配不足，從而影響個體學習或問題解決的效率，這種情況被稱為認知超載［2］。認知負荷理論據(jù)此提出多條教學效應(yīng)，如自由目標效應(yīng)（goal-freeeffect），樣例效應(yīng) （workedexampleeffect），形式效應(yīng) （modalityeffect），冗余效應(yīng)（redundancyeffect），注意分離效應(yīng)（splitattentioneffect）等用以指導多媒體學習設(shè)計［3］。Mayer則經(jīng)過多年的研究對多媒體學習的設(shè)計提出八條原則：多種媒體原則（multimediaprinciple），鄰近呈現(xiàn)原則（contiguityprinciple），形式原則（modalityprinciple），控制冗余原則 （theredundancyprinciple），聚焦要義原則（coherenceprinciple），提示結(jié)構(gòu)原則（signalingprinciple），切塊呈現(xiàn)原則（segmentingprinciple）和交往特色原則（individualdifferencesprinciple）［4］。

以上這些原則一直指導著我們的多媒體設(shè)計，雖然上述多媒體學習原則與規(guī)律已經(jīng)經(jīng)過一定的實驗證實，但對于其產(chǎn)生效用的原因卻未有細致分析，某些原則的適用范圍也不清楚。近年來，已經(jīng)有研究者開始嘗試利用眼動技術(shù)對于先前的實驗結(jié)果進行拓展深入，對設(shè)計原則的有效性進行研究。

Schmidt-Weigand利用眼動技術(shù)對于形式效應(yīng)（modalityeffect）產(chǎn)生的原因進行了分析。形式效應(yīng)是指學生通過動畫和解說進行學習比通過動畫和文本學習的學習效果更好。這個效應(yīng)已經(jīng)被很多實驗所證實，不過該效應(yīng)的內(nèi)部機制和它的適用范圍仍存在爭論。目前對于該效應(yīng)的解釋大都基于Baddeley的工作記憶模型。該模型認為人們的視覺和聽覺有不同的信息加工通道，而且單一的通道的容量是有限的。當眼睛注視屏幕文字時，由于文字占用了視覺通道，人們就不能對圖像信息進行處理。我們可以通過呈現(xiàn)語音信息來減輕視覺通道的負擔，這樣兩種信息就可以并行加工而不會導致某個通道負擔過重。不過Schmidt-Weigand對該解釋提出了質(zhì)疑，他們認為之所以通過動畫和解說進行學習比通過動畫和文字進行學習效果好，除了學習者使用不同的感知通道以外，還因為動畫和解說同時呈現(xiàn)使學習者的注意較少地分散［5］。他們運用眼動儀記錄不同呈現(xiàn)方式下學習者的注視時間，發(fā)現(xiàn)通過動畫和解說進行學習時學習者對于動畫有更長的注視時間。通過動畫和文字進行學習時學習者需要不停地在圖形和文字間進行轉(zhuǎn)換，并且花更多時間用于注視材料的文字部分，由此說明了動畫與文字同時呈現(xiàn)會造成學習者的注意分散原因。

提示結(jié)構(gòu)原則指出，當向多媒體信息中增加線索以突出關(guān)鍵學習內(nèi)容時，學習者的學習效果會更好。對于該效應(yīng)的解釋分兩種：注意引導假說和無關(guān)信息搜索假說。注意引導假說認為線索提示吸引了學習者的注意。因此如果注意引導假說正確的話，學習者在線索提示部分材料上將有更多注視時間和注視次數(shù)。無關(guān)信息搜索假說認為線索提示減少了不必要的視覺搜索過程，學習者對提示部分材料的首次注視時間會減少。學習者可以騰出更多的認知資源對提示內(nèi)容進行處理，學習者對于相關(guān)材料的平均注視時間會比無線索提示組少。Ozcelik等通過眼動儀記錄了40名本科生在觀看飛機發(fā)動機介紹動畫時的眼動情況。研究發(fā)現(xiàn)線索提示組的學習者對于提示內(nèi)容有更多注視時間和注視次數(shù)，同時提示材料的首次注視時間也減少了［6］。這表明上述兩個假說都部分解釋了提示結(jié)構(gòu)原則產(chǎn)生的原因。

此外，眼動技術(shù)也已被運用于探究自由目標效應(yīng)［7］，注意分離效應(yīng)［8］等效應(yīng)的內(nèi)部機理。通過眼動技術(shù)，研究者可對上述的多媒體學習理論進行進一步的探究。

2.眼動技術(shù)為多媒體學習材料設(shè)計提供指導

在多媒體學習過程中，如果學習材料沒有進行良好設(shè)計組織，學習者可能無法抓住關(guān)鍵信息，進而影響學習效果。為此我們常將學習材料中的某些內(nèi)容做些改變，以使其更易被學習者感知。借助眼動技術(shù)我們能方便地獲得學習者的注視點、注視時間等信息，據(jù)此可以了解不同多媒體設(shè)計方式對于學習者的影響。

（1）多媒體布局方式

多媒體布局就是對言語表征和視覺表征材料按照一定規(guī)律進行設(shè)計布置。網(wǎng)頁不同布局方式對于學習者的影響是研究者比較關(guān)心的問題，眼動技術(shù)在這方面應(yīng)用也較多。Goldberg研究發(fā)現(xiàn)用戶瀏覽網(wǎng)頁的視覺模式近似于“F”形。［9］LiM研究發(fā)現(xiàn)文本在網(wǎng)頁第四象限和網(wǎng)頁中間時能獲得更多注視時間，而圖片在第三象限時可以獲得更多注視時間。另外，研究還發(fā)現(xiàn)網(wǎng)頁中嵌入的浮動廣告并不會對布局的注視效果產(chǎn)生影響。［10］Justin發(fā)現(xiàn)用戶在瀏覽二列布局的門戶網(wǎng)站時，讀者會先瀏覽網(wǎng)頁頂部和左邊部分的信息，其瀏覽軌跡呈反轉(zhuǎn)的S型。而在三列布局的網(wǎng)頁中，讀者首先關(guān)注中間部分的內(nèi)容，然后再以反轉(zhuǎn)的S型模式從上向下瀏覽。［11］石金富對比了“T”型布局、“口”型布局、對稱型布局、POP型布局這四種網(wǎng)頁布局方式的眼動差異，發(fā)現(xiàn)“T”型布局績效優(yōu)于其它布局方式。［12］另外，劉世清［13］、安璐［14］、曹衛(wèi)真［15］等學者也對網(wǎng)頁布局做了大量深入細致的研究，這里不一一列舉。

眼動技術(shù)同時被用到了其它媒體的布局研究中。Rodrigues運用眼動技術(shù)探究觀眾看電視新聞報道時的注意力分布。［16］ZhouSihong運用眼動探究雜志上的圖文布局。［17］Sharif探究不同的UML類圖布局對于理解所造成的影響。［18］需要指出的是，目前多媒體布局方式對學習效果的影響至今還沒有系統(tǒng)地論述過。不同研究者間的研究材料差異較大，研究結(jié)果參照性不強。另外，對于網(wǎng)頁的布局眼動研究很多，而對于其它媒體的研究較少。在未來的研究中應(yīng)將眼動技術(shù)拓展到其它媒體中，同時對已有的研究成果進行系統(tǒng)梳理。

（2）提示線索

提示結(jié)構(gòu)原則指出多媒體信息中增加線索以突出基本材料的組織時，人們的學習效果會更好。提示線索種類繁多，最常見的形式包括箭頭、下滑線、高亮、顏色差異、字體差異等。當學習者對包含有這些提示的多媒體材料進行學習時，通過眼動相關(guān)指標分析可以推知學習者的認知加工過程，結(jié)合其它測試就可以較為可靠地了解這些線索的有效性及適用范圍。

通過顏色搭配使用來引導學習者的注意是人們設(shè)計多媒體材料時常用的方法。一般情況下，彩色材料比黑白材料的注視時間更長、注視次數(shù)更多，因為彩色目標更吸引注意利于降低材料搜索難度。［19］另外，彩色在不同情況下可能會產(chǎn)生不同的注意引導效果。安璐和李子運對比PPT不同背景顏色時的注視狀況，發(fā)現(xiàn)PPT白色背景時注視次數(shù)少于黃色和藍色背景，表明白色背景有助于學習者掌握內(nèi)容。同時，通過研究注視熱圖區(qū)發(fā)現(xiàn)白色背景易于使學生集中注意力，對無關(guān)內(nèi)容注視最少［20］。關(guān)爾群進而在白色背景下對PPT文字顏色對學習效果的影響做了研究。通過眼動數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)紅色和黑色文字注視次數(shù)顯著多于黃色文字，同時注視時間也相對較短，表明紅色和黑色文字易于吸引注意，利于學習者對材料的理解加工。［21］

Boucheix和Lowe設(shè)計出了一種“彩帶線索”（spreading-colorcue）［22］，通過在介紹鋼琴工作原理的動畫上實時地疊加彩帶狀線索提示以引導學習者注意。此線索優(yōu)點在于它與動畫保持時空上的一致，不至于分散學習者注意力。他們運用眼動技術(shù)探究了彩帶線索、普通箭頭線索和無線索提示的注視差異。研究發(fā)現(xiàn)，普通箭頭線索和無線索提示在促進鋼琴工作原理理解上并無差別，只有彩帶線索提高了學習者對于學習材料的理解程度。眼動數(shù)據(jù)揭示出普通線索和彩帶線索都顯著地增加了學習者對于提示材料的注視次數(shù)和注視時間，但兩者的注視點分布卻不同，彩帶線索中學習者對學習主題相關(guān)部分有更多注視。這就很好地解釋了為什么這兩種線索會有不同的提示效果。

（3）其它

眼動技術(shù)運用于改善多媒體材料設(shè)計的應(yīng)用研究還很多，某些研究具有較強新穎性，不過大都未成系統(tǒng)。張家華探究了“三分屏”網(wǎng)絡(luò)課程中教師形象的不同呈現(xiàn)方式對學習效果的影響。對比不同教師形象呈現(xiàn)方式下的注視次數(shù)、注視時間等數(shù)據(jù)，研究者發(fā)現(xiàn)雖然教師真人講解視頻的呈現(xiàn)形式更易引起學習者注視，但是也分散了學習者對PPT內(nèi)容的注意［23］。通常觀點認為真人講解視頻能增加臨場感，更有利于學生學習，但是研究結(jié)果卻表明靜態(tài)的或虛擬的教師形象并沒有使學生學習效果降低。?quist對比移動手機上滾動條、翻頁、自動滾動和快速系列視覺呈現(xiàn)（RapidSericalVisualPresentation）等不同文本呈現(xiàn)形式的閱讀效果差異，研究發(fā)現(xiàn)翻頁形式的閱讀表現(xiàn)最好。［10］Meyer利用眼動技術(shù)考察了多媒體呈現(xiàn)速度對于學習者感知的影響。通過調(diào)節(jié)呈現(xiàn)給被試動畫的速度，發(fā)現(xiàn)快速呈現(xiàn)動畫，學習者對宏觀事件的掌握更好，而慢速呈現(xiàn)動畫，學習者對于細節(jié)的掌握更好。當學習者可以自由控制動畫呈現(xiàn)速度時，學習者一般偏向于慢速呈現(xiàn)。接著他對動畫呈現(xiàn)速度由快到慢與由慢到快這兩種呈現(xiàn)方式對學習者認知的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)不論動畫呈現(xiàn)順序怎樣，被試都會首先關(guān)注動畫的細節(jié)部分［24］。DeKoning探究教學動畫單位時間內(nèi)所需要處理的信息數(shù)量是否會影響線索提示的效果。研究發(fā)現(xiàn)線索提示和動畫呈現(xiàn)速度對于學習者的理解和遷移成績并沒有影響。研究同時還發(fā)現(xiàn)，在低速呈現(xiàn)的環(huán)境下，為了獲得相同的學習效果，學習者需要付出更多的心理努力。［25］

3.眼動數(shù)據(jù)直接作為多媒體學習的教學材料使用

眼動技術(shù)除了應(yīng)用于以上兩個方面以外，不少學者還探究將眼動相關(guān)數(shù)據(jù)作為多媒體學習材料使用。

Grant和Spivey根據(jù)被試是否成功解決鄧克爾輻射問題，將被試分成了兩組。鄧克爾輻射問題是一個非常經(jīng)典的頓悟問題，被試要提出怎樣應(yīng)用放射線，既能殺死腫瘤細胞又不會傷害到健康組織的方法。他們根據(jù)成功解決問題被試的眼睛注視情況，對材料的某些部分進行了提示，結(jié)果表明這些提示增加了正確解決問題的人數(shù)［26］。XiLiu和AlastairGale對比專家和新手查看行李X光照片的眼動數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)專家能更快速地將目光聚焦于關(guān)鍵區(qū)域［27］。Canham和Hegarty在研究中也發(fā)現(xiàn)，有背景知識的學習者能更快速地將目光聚焦于氣象地圖的相關(guān)內(nèi)容上［28］。不難發(fā)現(xiàn)，專家和新手對于同一材料的學習存在著差別，其眼睛的注視點、注視軌跡、注視順序都存有不同。專家能更快速地抓住材料中的關(guān)鍵信息，排除無關(guān)信息干擾，能采用更為多樣的任務(wù)處理方法和處理策略。因此，VanGog指出可以通過同時呈現(xiàn)專家和學習者自身的眼動信息來彌補這一差距［29］。另外，Kostons發(fā)現(xiàn)給被試呈現(xiàn)眼動數(shù)據(jù)也可以提高被試的自我評估成績。［30］學習者通過了解自身的眼動特征可以調(diào)節(jié)自己的注視點，進而改善學習。例如，Grynszpan團隊運用眼動設(shè)備跟蹤高功能自閉癥兒童在交談時對于他人的臉部注視情況，通過模糊注視點周圍場景，使自閉癥兒童得以覺察到自己的注視情況，從而調(diào)整自己的注視點，進而改善他們的社會交往能力。［31］在多媒體學習環(huán)境中，學習者的眼動數(shù)據(jù)有極大實用價值，可以很好地幫助學習者發(fā)現(xiàn)學習中需要改進的地方。而教師也可以據(jù)此幫助學習者提高自我評估能力，最終可以促進其學習。目前，該方面的研究仍處于初期，相關(guān)研究并不多見。

三、眼動技術(shù)的局限

眼動技術(shù)在多媒體學習研究中有廣闊的應(yīng)用前景，但是也應(yīng)該注意到眼動技術(shù)自身的局限性。主要體現(xiàn)在它只是對個體認知過程的推測，而并非直接揭示個體的信息加工過程。個體心理注視點與眼睛注視點有時并不協(xié)調(diào)一致，學習者可能花大量時間注視某一刺激，但卻在思考其它問題。因此在進行多媒體學習研究時，眼動技術(shù)最好與其他測量技術(shù)，如ERP技術(shù)、回溯言語報告等相結(jié)合，以獲得更為可靠的結(jié)論。此外，眼動技術(shù)的理論基礎(chǔ)并不十分成熟，僅使用單一的測量數(shù)據(jù)往往不能全面地反映學習者對于學習材料的認知加工過程，因此應(yīng)該根據(jù)研究的需要對特定的研究材料采用不同的指標進行深入分析。Rayner認為，在研究中應(yīng)使用多種指標對目標區(qū)域進行詳盡的分析，如綜合使用首次注視時間、單一注視時間、凝視時間、注視時間、注視概率、注視次數(shù)，同時考慮從目標詞區(qū)域外到目標詞的眼跳距離、從目標詞到目標詞區(qū)域外的眼跳距離和溢出效應(yīng)，通過這些方式才能對認知過程做出合理的推理［32］。最后，目前雖然由于技術(shù)發(fā)展使眼動儀的侵入性變得很低，但是并不是真正無干擾的，其實驗環(huán)境與自然環(huán)境仍存在某些差異。被試的緊張或由于對陌生環(huán)境的不適應(yīng)都可能會影響被試的注視點選擇，從而不能反映被試的真實認知情況。以上這些問題在利用眼動技術(shù)進行多媒體研究時都需要加以注意。

四、未來的研究趨勢

研究者除了在上面所述的三個方向繼續(xù)進行探索外，未來可以將眼動技術(shù)的運用從傳統(tǒng)的多媒體拓展到移動媒體和虛擬現(xiàn)實等新興媒體的研究上來，分析這些媒體的新特點，提升學習者學習效率。另外，眼動技術(shù)是通過眼動的不同模式來推斷學習者的不同認知狀態(tài)，并不能對學習者的心理狀態(tài)進行直接測量。所以在未來的多媒體研究中可以將眼動技術(shù)結(jié)合ERP、fMRI等技術(shù)以獲得更為客觀的數(shù)據(jù)，從神經(jīng)學的角度探究多媒體設(shè)計原則的效用機理。在以后的多媒體設(shè)計中，可以將眼動數(shù)據(jù)與多媒體學習材料做整合，根據(jù)學習者的眼動特征，個性化地調(diào)整學習材料的布局，使學習者獲得最佳的學習效果。

五、結(jié)論

眼睛是心靈的窗戶，眼動技術(shù)給我們打開了了解學習者在多媒體學習中的認知情況的大門。通過眼動技術(shù)的運用來提升多媒體的學習效率具有很強的現(xiàn)實意義。研究者可以對多媒體學習相關(guān)理論進行驗證和測試，通過了解學習者在多媒體學習過程中的注意規(guī)律來指導多媒體教學材料的設(shè)計與制作，或者將眼動數(shù)據(jù)作為有益的學習材料使用。眼動技術(shù)仍在不斷發(fā)展和成熟中，相信眼動技術(shù)在未來將被更廣泛地運用于多媒體學習相關(guān)的研究中。

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（編輯：魯利瑞）

G434

A

1673-8454（2015）06-0088-05

教育部人文社科青年基金項目（編號：11YJCZH246）。