田媚 黃雅平 李清勇 鄒琪

文章編號：1672-5913（2015）03-0037-04

中圖分類號：G642

摘要：介紹基于眼動追蹤技術(shù)的研究型教學體系在本科和研究生教學中的運用，闡述如何建立全方位科教融合的研究型教學體系，通過教學實踐和有益嘗試促進該學科的教學效果、推進教學改革

關(guān)鍵詞：研究型教學；體系建設(shè)；眼動追蹤

0 引 言

近年來，眼動追蹤技術(shù)逐漸成為國內(nèi)外相關(guān)科研領(lǐng)域的熱點課題。德國SMI公司生產(chǎn)的眼動儀系統(tǒng)-iView X RED250搭建了眼動追蹤平臺，平臺包括了刺激圖像顯示計算機、紅外電源、LED攝像頭和一個工作站，進行眼動數(shù)據(jù)記錄和分析，如圖l所示。

以眼動追蹤平臺為立足點，建立全方位的基于眼動追蹤技術(shù)的研究型教學體系，充分體現(xiàn)了科教融合的新思想。筆者在本科生、研究生畢業(yè)設(shè)計課題中探索眼動追蹤技術(shù)在高級語言程序設(shè)計、多媒體技術(shù)及應用課程中的教學研究在研究型教學體系建設(shè)中，我們建立了明確的教學目標，在優(yōu)化教學內(nèi)容、重視基礎(chǔ)教學的同時，注重培養(yǎng)學生的動手實踐和科學研究能力。

1 眼動追蹤教學體系的整體方案

眼動追蹤技術(shù)是通過眼動研究洞察被試行的潛意識行為，判斷出被試者的真實意愿，從而在理解被試者潛意識偏好的基礎(chǔ)上進一步預測其行為特征。眼動追蹤技術(shù)可以記錄被試者在屏幕上視線停留的空間位置及瀏覽屏幕的路徑和眼睛轉(zhuǎn)移過程，揭示被試者在使用過程中所采取的使用策略，反映被試者在體驗過程中的滿意樣度。因此，眼動追蹤技術(shù)可以更直觀地測試到被試者在瀏覽軟件界面與使用軟件功能時的具體表現(xiàn)過程，它在多個方面突破了傳統(tǒng)研究方法的局限。更加客觀、全面地記錄被試者體驗過程的感受與體驗數(shù)據(jù)，更加細致而又準確地捕捉到被試者的感興趣區(qū)域。

目前，眼動追蹤技術(shù)多被應用于心理學、營銷學、廣告學、人為因素學、人體工效學等領(lǐng)域，有些研究已將眼動追蹤研究技術(shù)應用在視頻游戲娛樂設(shè)備及汽車的外觀設(shè)計的評估中。眼動追蹤技術(shù)在國外研究中普及率較高，國內(nèi)研究還較少使用眼動追蹤技術(shù)。因此，基于眼動追蹤技術(shù)的研究型教學體系建設(shè)，是極具發(fā)展?jié)摿Φ难芯啃徒虒W領(lǐng)域。

其整體方案包括3部分：①將眼動追蹤的實驗結(jié)果應用于本科高級語言程序設(shè)計課程中，以實際可視的數(shù)據(jù)設(shè)計課程實驗，讓學生對眼動實驗數(shù)據(jù)結(jié)果進行各種程序設(shè)計和分析。這一方面可以提高學生學習程序設(shè)計類課程的興趣；另一方面通過實際項目的動手實踐，學生不僅能掌握高級程序設(shè)計語言的知識，更重要的是在實踐中逐步掌握程序設(shè)計的思想和方法，培養(yǎng)問題求解和語言的應用能力；②將眼動追蹤技術(shù)應用于研究生多媒體技術(shù)及應用課程中。作為多媒體技術(shù)的最新前沿知識，在課堂中引入眼動追蹤的基本技術(shù)和知識，調(diào)動學生學習的積極性。引導學生學習了解最新前沿眼動追蹤技術(shù)、紅外傳感技術(shù)等：指導學生用眼動追蹤技術(shù)提升網(wǎng)站可用性，進行智能手機界面、相關(guān)應用軟件可用性眼動研究并在智能手機上模擬實現(xiàn)；③將眼動追蹤技術(shù)與注意機制的研究相結(jié)合，指導碩士研究生和本科生進行畢業(yè)設(shè)計課題研究。指導碩士研究生和本科生深入研究現(xiàn)有注意機制的基礎(chǔ)理論并收集生物學最新成果，將眼動追蹤實驗結(jié)果與注意模型相結(jié)合，建立符合人類感知特性的注意感知模型。

2 眼動追蹤應用于本科生教學

高級語言程序設(shè)計為計算機科學與技術(shù)、信息安全和生物醫(yī)學工程的專業(yè)基礎(chǔ)課，是專業(yè)主干課程。教學對象是相應專業(yè)的一年級本科生，教學使用的高級語言是C語言。課程教學內(nèi)容由淺入深，教學過程圍繞用高級程序設(shè)計語言解決問題所需掌握的數(shù)據(jù)模型和算法的設(shè)計、編碼、調(diào)試和實施等知識與技能開展教學工作，并通過教學過程開拓學生的各方面專業(yè)知識面，提高專業(yè)興趣，為后續(xù)課程打下牢固基礎(chǔ)。

我們在多年的教學過程中發(fā)現(xiàn)，學生在學習高級語言程序設(shè)計的過程中存在以下2個主要問題。

1）學習目標不明確，學生學習的積極主動性不夠。高級語言程序設(shè)計課程的學習需要多練，通過大量的編程訓練，在實踐中掌握語言知識，培養(yǎng)程序設(shè)計的基本能力，逐步理解和掌握程序設(shè)計的思想和方法。但對于剛剛步人大學校園的一年級學生來說，他們并不明白掌握一門語言課程有什么樣的重要性，也不清楚學會這門課程對于他們的實際學習生活會有怎樣的幫助和改變，所以在教學的過程中為學生建立一個明確學習目標，有助于增強學生的學習興趣。

2）研究型教學的特色在課程中體現(xiàn)不夠充分。創(chuàng)新性教育需要有相應的教學模式，讓學生在“研究”中學習，在探索中發(fā)現(xiàn)，從而培養(yǎng)學生的自我學習能力和創(chuàng)新精神。高級語言程序設(shè)計的教學過程應該以課程內(nèi)容和學生的學識積累為基礎(chǔ)，引導學生創(chuàng)造性地運用知識和能力，自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題，在研討中積累知識、培養(yǎng)能力和鍛煉思維。為了調(diào)動學生學習的積極性，我們向大一學生介紹眼動追蹤平臺，并鼓勵他們積極參與到眼動追蹤實驗中，增強學生的學習興趣。

iView X RED眼動儀系統(tǒng)包含15寸筆記本系統(tǒng)工作站一臺、遙測式眼動追蹤系統(tǒng)一套（軟件狗一個，22時液晶顯示器一臺和雙眼眼動跟蹤模塊一個）、iView X RED眼動操作軟件一套、Experiment Center實驗中心軟件一套、BeGaze分析軟件一套和BeGaze Vieo動態(tài)視頻分析包一套。其中，BaGaze軟件功能強大，可以對數(shù)據(jù)文件作各種分析，如掃描路徑分析，逐點連續(xù)顯示注視點位置及各個注視點的數(shù)據(jù)（開始、結(jié)束、持續(xù)時間、位置坐標、凝視事件、掃視跳躍事件、角速度、角加速度、眨眼等）；興趣區(qū)編輯器，用戶可以在視頻中設(shè)定多個興趣區(qū)（矩形、圓形、任意多邊形等），以顏色區(qū)分，興趣區(qū)的位置變化可以定義到每一幀，也可以連續(xù)幾幀定義；興趣區(qū)順序分析，時間為X軸，興趣區(qū)為Y軸，顯示隨時間進行，視點在各個興趣區(qū)之間的轉(zhuǎn)換過程，用于分析人的視覺變化過程。學生在使用眼動追蹤系統(tǒng)做實驗的過程中，通過分析軟件可以使枯燥的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果以豐富的可視化的形式再現(xiàn)以及通過對實驗數(shù)據(jù)的分析凸顯數(shù)據(jù)內(nèi)在關(guān)系，都極大地激發(fā)了同學們對高級語言程序設(shè)計課程的學習興趣。

眼動追蹤平臺的數(shù)據(jù)導出功能可以用不同格式的文件導出所有原始數(shù)據(jù)和所有軟件處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果。岡此，我們由可以進一步將眼動平臺的實驗結(jié)果應用于本科高級語言程序設(shè)計課程中。讓學生編程實現(xiàn)對眼動平臺的實驗數(shù)據(jù)的文件讀寫，對數(shù)據(jù)結(jié)果建立鏈表進行存儲，對數(shù)據(jù)結(jié)果設(shè)計算法進行分析，嘗試將多種數(shù)據(jù)結(jié)果以不同的方式進行旱現(xiàn)。這些內(nèi)容都可以作為高級語言程序設(shè)計的課程實驗。通過對以往的數(shù)據(jù)進行重新分析，用戶可以在有必要時輕松實現(xiàn)更改參數(shù)的行為。為了更加適應研究要求，設(shè)計程序?qū)嶒灲Y(jié)果進行分析和再現(xiàn)，可以輕松地從被試者、事件、興趣區(qū)或時間、圖表或統(tǒng)計表等角度進行深入研究。

3 眼動追蹤應用于研究生教學

多媒體技術(shù)及應用是一門涉及多個學科的交義領(lǐng)域，通過對該課程的學習使學生掌握多媒體技術(shù)的基礎(chǔ)知識，包括多媒體的相關(guān)概念、多媒體壓縮技術(shù)、圖像、視頻和音頻數(shù)據(jù)等，此外在課程的學習中不斷增加最新多媒體技術(shù)發(fā)展的相火課題，拓寬學生知識面和刈新技術(shù)的了解。在多媒體新技術(shù)介紹中，一個很重要的部分就是將眼動追蹤技術(shù)應用于研究生多媒體技術(shù)及應用課程中。引導學生學習了解最前沿眼動追蹤技術(shù)、紅外傳感技術(shù)，并進行眼動實驗。我們在研究生課程實踐環(huán)節(jié)設(shè)計了豐富的基于眼動追蹤的實驗內(nèi)容，主要包括：

1）查找并全面了解不同品牌的世界先進眼動儀的整體結(jié)構(gòu)和硬件系統(tǒng)，在實驗報告中進行梳理總結(jié)比較，給出查找網(wǎng)址或論文情況，然后對至少4個不同品牌的主流眼動儀的整體結(jié)構(gòu)和硬件系統(tǒng)做出詳細研究，然后對國內(nèi)外有成果或源程序的相關(guān)研究進行展示或再現(xiàn)。

2）全面查找眼動追蹤技術(shù)的最新中英文文獻（包括國際頂級會議和期刊，以英文文獻為主），將文獻根據(jù)時間和發(fā)表檔次進行整理，就眼動追蹤技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀進行綜述性報告（相關(guān)研究大概分幾類、每類研究參與的國家、大學、研究單位及研究者等基本信息，以及每類研究的代表性技術(shù)），系統(tǒng)深入地研究某3種眼動追蹤技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容并編程實現(xiàn).

3）以RED眼動儀為實驗設(shè)備，分別進行網(wǎng)站可用性和智能手機界面及相關(guān)應用軟件可用性眼動研究，基本內(nèi)容和要求為：①調(diào)研國際現(xiàn)有智能手機的特點，分類了解不同網(wǎng)站、智能手機的使用情況；②采用德國SMI公司眼動儀iWiew X RED（桌面遙測式眼動儀）系統(tǒng)對不同網(wǎng)站、智能手機操作平臺及流行應用軟件進行測試，將眼動追蹤技術(shù)引入應用軟件可用性的評估中；④根據(jù)測試結(jié)果的輸出數(shù)據(jù)和研究結(jié)果總結(jié)出提高網(wǎng)站可用性、智能手機界面和應用軟件可用性的指導性原則。

4）全面查找基于視覺注意機制的目標檢測或識別模型及算法的最新中英文文獻；在深入了解現(xiàn)有注意機制模型優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，霞點選擇3種公布算法源程序的注意模型編程實現(xiàn)，應用于特定目標檢測任務；讓被試者采用德國SMI公司眼動儀iWiew X RED（桌面遙測式眼動儀）系統(tǒng)進行實驗，將注意模型和眼動實驗的結(jié)果進行比較分析，對比分析研究人眼注視點和機器提取的顯著區(qū)域之間的差別。

通過實驗，同學們一方面學會了學術(shù)資料、科技文獻的查閱整理方法，了解了多媒體技術(shù)中的先進硬件技術(shù)和軟件算法，使得研究生具備了進行科研工作的最基本學習能力和知識儲備；另一方面通過實際動手編寫程序和使用眼動儀進行實驗，提高了研究生的實踐能力。

4 眼動追蹤應用本科和研究生畢業(yè)設(shè)計

我們將眼動追蹤技術(shù)與注意機制的研究相結(jié)合，指導碩士研究生和本科生進行畢業(yè)設(shè)計課題研究。對于碩士研究生，主要是深入研究現(xiàn)有注意機制的基礎(chǔ)理論并收集生物學最新成果，將眼動追蹤實驗結(jié)果與注意模型相結(jié)合，建立符合人類感知特性的注意感知模型，具體研究內(nèi)容包括：

1）學習視覺注意機制和目標檢測的基礎(chǔ)理論，調(diào)研國內(nèi)外現(xiàn)有基于注意機制的目標檢測模型。調(diào)研國際上現(xiàn)有眼動儀的發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)特點，了解眼動儀系統(tǒng)的構(gòu)成。

2）在深入了解現(xiàn)有注意機制模型優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，重點研究美國南加利福尼亞大學的Ilab實驗室的相關(guān)研究成果，以數(shù)據(jù)驅(qū)動的注意模型為重點，分析Itti模型的原理及算法，并將模型算法應用于目標檢測任務中。

3）讓被試者采用德國SMI公司眼動儀iWiew X RED（桌面遙測式眼動儀）系統(tǒng)來完成與注意模型相同的目標檢測任務，將兩者的結(jié)果進行比較分析，研究人眼注視點和注意模型提取的顯著區(qū)域之間的異同，從而有效地評估注意模型的性能并進行注意模型算法改進可行性分析。

對于本科生，在畢業(yè)設(shè)計的過程中引導學生用眼動追蹤技術(shù)提升網(wǎng)站可用性，進行智能手機界面、相關(guān)應用軟件可用性眼動研究并在智能手機上模擬實現(xiàn)，具體研究內(nèi)容包括：

1）將眼動追蹤技術(shù)應用于智能手機應用軟件的可用性評估中，并與傳統(tǒng)的可用性評估方法相結(jié)合，提出手機軟件可用性眼動評估模型。該模型重點研究將注視點數(shù)、掃描路徑圖和興趣區(qū)時間柱狀圖等眼動數(shù)據(jù)與問卷調(diào)查、用戶訪談等傳統(tǒng)可用性評估指標相結(jié)合，對微信、QQ、飛信、米聊和陌陌5款手機即時通訊軟件進行垂直研究分析，衡量對比智能手機應用軟件的可用性水平，根據(jù)評估結(jié)果得出提高手機軟件可用性的指導原則；以提出的可用性指導原則作為開發(fā)依據(jù)，使用Android開發(fā)平臺對手機QQ軟件進行改進，再進行可用性分析。該模型對指導手機軟件可用性評估的實踐及在開發(fā)過程中提高智能手機應用軟件的可用性有著重要的意義。

2）采用德國SMI公司眼動儀iWiew XRED（桌面遙測式眼動儀）系統(tǒng)對不同功能網(wǎng)站的頁面布局進行測試，將眼動追蹤技術(shù)引入網(wǎng)站可用性的評估中。將測試結(jié)果的輸出數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)可用性評估指標相結(jié)合進行分析研究，根據(jù)研究結(jié)果總結(jié)出提高網(wǎng)站可用性的指導性原則。依據(jù)指導性原則進行網(wǎng)站設(shè)計，再用眼動儀系統(tǒng)進行可用性分析。

5 結(jié)語

基于眼動追蹤技術(shù)的研究型教學體系建設(shè)已實施2年，無論是課堂教學，還是研究生、本科生的畢業(yè)設(shè)計指導，都取得了很好的效果。近3年來，該方向已有2名碩士研究生、10名本科生完成畢業(yè)設(shè)計，還有3名碩士研究生正在從事該方向課題研究，今年計劃指導2～3名本科生繼續(xù)進行深入研究。通過研究我們希望對今后的基于眼動追蹤技術(shù)的研究型教學體系進行進一步完善，以取得更好的教學效果。