于雅楠，陳靜，呂潤，張曉偉，劉源超

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)信息技術(shù)工程學(xué)院，天津300222）

基于眼動(dòng)信息分析的多媒體教學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)

于雅楠，陳靜，呂潤，張曉偉，劉源超

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)信息技術(shù)工程學(xué)院，天津300222）

針對(duì)優(yōu)化與高校學(xué)生密切相關(guān)的課堂教學(xué)質(zhì)量問題，選擇30名視力正常的大學(xué)生作為被試，采用眼動(dòng)跟蹤系統(tǒng)記錄被試在閱讀同樣內(nèi)容的文字版、圖片版、視頻版教學(xué)課件設(shè)計(jì)過程中的眼動(dòng)信息，對(duì)獲取的人體眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及綜合分析。結(jié)果表明：①墨藍(lán)字體比紅色和粉色字體更具有吸引力，宋體、仿宋或楷體等字體產(chǎn)生的閱讀效果更好，每頁幻燈片字?jǐn)?shù)建議在150字以內(nèi)且字號(hào)大于40。②添加圖片有助于提高學(xué)生的注意力，但圖片的大小及數(shù)量需要控制，圖片過大會(huì)影響學(xué)習(xí)效果。③在多媒體教學(xué)中適當(dāng)增加動(dòng)畫或視頻設(shè)計(jì)，可以突出教師所要傳達(dá)的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的注意力和興趣度，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。研究結(jié)果為改善多媒體教學(xué)課件、提高課堂教學(xué)質(zhì)量提供了參考依據(jù)。

眼動(dòng)；多媒體教學(xué)；閱讀；信息對(duì)比；優(yōu)化設(shè)計(jì)

多媒體教學(xué)是指在教學(xué)過程中，通過教學(xué)設(shè)計(jì)，將現(xiàn)代教學(xué)媒體與傳統(tǒng)教學(xué)手段結(jié)合，以圖像、視聽的方式作用于學(xué)生，形成合理的教學(xué)結(jié)構(gòu)，并能根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)對(duì)象的特點(diǎn)，達(dá)到最優(yōu)教學(xué)效果的教學(xué)。在多媒體教學(xué)環(huán)境下，教師借助計(jì)算機(jī)技術(shù)等輔助手段，創(chuàng)設(shè)形象生動(dòng)的教學(xué)情境，把抽象復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^、易懂的表現(xiàn)形式，激發(fā)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生積極思維空間，優(yōu)化課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升課堂教學(xué)質(zhì)量［1］。多媒體教學(xué)作為一種新型教學(xué)手段和方法在當(dāng)前的教學(xué)過程中尤為重要。因此，教師在進(jìn)行多媒體教學(xué)課件制作、教學(xué)形式設(shè)計(jì)和教學(xué)方法選取方面，應(yīng)更關(guān)注課堂知識(shí)信息傳遞的有效性探索［2］。一個(gè)優(yōu)秀的多媒體教學(xué)課件不僅可以儲(chǔ)存、處理和傳遞教學(xué)信息，還能實(shí)現(xiàn)學(xué)生的交互式操作，最大程度地將教學(xué)內(nèi)容予以生動(dòng)呈現(xiàn)。在課堂教學(xué)過程中，眼睛是學(xué)生觀察、交流和認(rèn)知的有效通道，眼球的運(yùn)動(dòng)參數(shù)是學(xué)生對(duì)多媒體課件內(nèi)容的直觀反映，更是學(xué)生心理活動(dòng)的真實(shí)表達(dá)［3］。例如，在學(xué)習(xí)過程中，閱讀者眼睛的注視次數(shù)、注視時(shí)間、瞳孔直徑、掃描路徑、眼跳距離等指標(biāo)都能側(cè)面說明對(duì)閱讀內(nèi)容信息的提取效果。

基于眼動(dòng)跟蹤在眾多領(lǐng)域的成功應(yīng)用［4-6］，本研究從影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素入手，通過對(duì)人眼活動(dòng)規(guī)律的研究獲取被試學(xué)生的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，深入分析其思維過程，歸納教學(xué)課件設(shè)計(jì)內(nèi)容和組織形式。與已有研究相比，本研究的創(chuàng)新之處在于基于人體眼動(dòng)數(shù)據(jù)客觀反映學(xué)生對(duì)教學(xué)知識(shí)的接受程度，深入探究課堂教學(xué)過程中多媒體課件的制作方法，優(yōu)化多媒體課件視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)，改善多媒體課件的知識(shí)內(nèi)容與結(jié)構(gòu)布局，從而提高學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的專注度與興趣，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

1　研究方法

1.1被試

選取30名在校大學(xué)本科生作為被試對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，平均年齡為20歲，被試者裸眼視力或矯正視力均正常，無色盲或色弱。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

使用SMI公司Iview X RED眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)，進(jìn)行雙眼追蹤采樣，采樣率最高可實(shí)現(xiàn)500 Hz，追蹤分辨率0.03°，凝視定位精度小于0.4°。該設(shè)備為非接觸式測量，遙控紅外眼部攝像自動(dòng)記錄被測試者眼睛的運(yùn)動(dòng)信息，包括眼睛凝視位置、瞳孔直徑、瞳孔位置、跟蹤位置、眼動(dòng)圖像等，經(jīng)過圖像采集與分析，實(shí)時(shí)計(jì)算出眼球的水平和垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)間、注視位置、位移距離、速度及瞳孔直徑等數(shù)據(jù)。

1.3實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為項(xiàng)目成員設(shè)計(jì)的3個(gè)多媒體教學(xué)課件，分別以文字、圖片、視頻等不同形式將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行呈現(xiàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)材料內(nèi)容大致相同，通過使用Iview X RED眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)，經(jīng)眼動(dòng)信息采集后得出測試數(shù)據(jù)，再圍繞關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中，30名被試分別觀看純文字版課件、圖片版課件以及視頻版課件，分別提取眼部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括3種基本類型的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，即注視、眼跳和追隨運(yùn)動(dòng)［7］。然后分別對(duì)3版課件測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將純文

字版數(shù)據(jù)與圖片版數(shù)據(jù)以及視頻版數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分

別得到相應(yīng)的分析結(jié)果。

1.5實(shí)驗(yàn)程序

30名被試分別通過Iview X RED眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)進(jìn)行測試。首先進(jìn)行純文字版課件的測試，隨后進(jìn)行圖片版課件的測試，最后進(jìn)行視頻版課件的測試。眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)捕捉并采集被試者的眼睛凝視位置、瞳孔直徑、瞳孔位置、跟蹤位置、眼動(dòng)圖像等眼部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，提取其中具有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，完成系統(tǒng)分析并給出結(jié)論性的設(shè)計(jì)指導(dǎo)依據(jù)。

1.6數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)過程中，由于被試眼部疲勞或頭部移動(dòng)等原因，實(shí)驗(yàn)儀器無法準(zhǔn)確記錄眼動(dòng)數(shù)據(jù)或得到無效數(shù)據(jù)，所以在分析處理時(shí)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)剔除。對(duì)提取的30組數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分為純文字版測試數(shù)據(jù)分析、純文字版數(shù)據(jù)與圖片版數(shù)據(jù)對(duì)比分析，以及純文字版數(shù)據(jù)與視頻版數(shù)據(jù)對(duì)比分析。項(xiàng)目成員分組對(duì)上述3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果后完成匯總。

2　研究結(jié)果

2.1純文字版課件數(shù)據(jù)分析結(jié)果

在閱讀過程中，眼睛的注視時(shí)間越長、平均瞳孔直徑越大、眨眼頻率越低、掃描路徑越長、眼跳幅度越大及眼跳次數(shù)越少，在一定程度上說明閱讀內(nèi)容對(duì)被試者來說更具有吸引力［8］。因此，對(duì)純文字版課件的眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

（1）在字號(hào)、字體和字?jǐn)?shù)相同的情況下，刺激性溫和的冷色系比刺激性強(qiáng)烈的暖色系更有吸引力，能夠提高被試者的閱讀效果。

（2）在字號(hào)、字體顏色和字?jǐn)?shù)相同的情況下，字體規(guī)整的文字比藝術(shù)字體更具有吸引力，能夠提高被試者的閱讀效果。

（3）在字體、字號(hào)和字體顏色相同的情況下，文字字?jǐn)?shù)適中比字?jǐn)?shù)繁多更具有吸引力，能夠提高被試者的閱讀效果。

表1　純文字版課件分析結(jié)果

（4）在字體、字?jǐn)?shù)和字體顏色相同的情況下，大號(hào)字體比小號(hào)字體更具有吸引力，能夠提高被試者的閱讀效果。

2.2圖片版課件數(shù)據(jù)分析結(jié)果

一般在多媒體課件制作過程中，增加圖片設(shè)置往往更能吸引閱讀者的注意力，有助于提高學(xué)習(xí)效率［9］。通過計(jì)算，圖片版課件的眼跳平均速度為73.22°/s，純文字版課件的眼跳平均速度為99.87°/s。相比而言，純文字版課件的眼跳移動(dòng)速度明顯高于圖片版課件，說明被試者在閱讀純文字版課件時(shí)，眼神游離程度較高，不能準(zhǔn)確理解并接受測試者所要表述的內(nèi)容。但研究也發(fā)現(xiàn)，雖然圖片設(shè)計(jì)可以使被試者的注意力有效集中，但當(dāng)圖片大小超過當(dāng)前頁面一半時(shí)，被試者對(duì)于圖片的關(guān)注度過高，也不利于教學(xué)內(nèi)容的傳授。

2.3視頻版課件數(shù)據(jù)分析結(jié)果

2.3.1選取的眼動(dòng)分析指標(biāo)

在進(jìn)行視頻版教學(xué)課件的數(shù)據(jù)分析時(shí)，選取的眼動(dòng)分析指標(biāo)包括：①注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間；②眼跳幅度；③眼跳平均速度；④平均瞳孔直徑［10］。

2.3.2各指標(biāo)分析

視頻版課件的眼動(dòng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表2所示，通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出如下結(jié)論。

表2　各指標(biāo)分析結(jié)果

（1）被試觀看視頻版課件的注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間要高于觀看純文字版課件，由此可以得出增加視頻設(shè)計(jì)更容易吸引被試者的注意力，設(shè)計(jì)效果要優(yōu)于純文字版課件設(shè)計(jì)。

（2）在純文字版課件數(shù)據(jù)中，注視點(diǎn)的幅度變化要高于視頻版課件，說明觀察區(qū)域內(nèi)有更多的意義性線索，但這種注視點(diǎn)的快速變化容易使被試者丟失課件的主要內(nèi)容。相反，在視頻版課件中，由于視頻的設(shè)置使教學(xué)內(nèi)容表現(xiàn)更加直觀，被試者能更好地理解課件的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

（3）純文字版課件的視線移動(dòng)速度明顯高于視頻版課件，這說明被試在對(duì)大篇幅文字進(jìn)行閱讀時(shí)，眼神游離程度較高，注意力與關(guān)注度下降。眾所周知，教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率的高低與學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的關(guān)注度密切相關(guān)。

（4）在視頻版課件設(shè)計(jì)中，瞳孔直徑要大于純文字版課件。研究發(fā)現(xiàn)，人類的瞳孔大小不僅受環(huán)境的明暗度影響，還受對(duì)注視目標(biāo)感興趣程度的影響。在環(huán)境明暗度不變的情況下，瞳孔越大則說明對(duì)某事物感興趣度越高。另外，頻繁的瞳孔大小變化側(cè)面反映人的心理變化過程［11］，因此在使用多媒體教學(xué)過程中，重點(diǎn)與非重點(diǎn)內(nèi)容可借助瞳孔大小的轉(zhuǎn)換來提高學(xué)生的注意力和學(xué)習(xí)效率。

3　討論

3.1相同內(nèi)容下不同文本設(shè)置的影響

刺激性溫和的冷色系比刺激性強(qiáng)烈的暖色系更具有吸引力，造成這種現(xiàn)象的原因是強(qiáng)烈的顏色會(huì)刺激人的眼睛，使人產(chǎn)生不適感甚至眼部疲勞，從而降低學(xué)習(xí)的集中度與注意力。

在閱讀效果上，規(guī)整的字體設(shè)置對(duì)閱讀者的吸引程度更高，造成這種現(xiàn)象的原因是規(guī)整字體可以更清楚、更熟知地表現(xiàn)文字內(nèi)容，而藝術(shù)字體往往強(qiáng)調(diào)表現(xiàn)的藝術(shù)形式，會(huì)造成一定程度的視覺干擾，導(dǎo)致學(xué)習(xí)者的集中度下降。在閱讀的持續(xù)性上，文字繁多會(huì)造成人的眼部疲勞與心理疲勞，大篇幅文字?jǐn)⑹鰰?huì)給人一種枯燥無趣感，降低學(xué)習(xí)者的專注度。另外，文字布局上，人在開始閱讀時(shí)，其注視點(diǎn)一般會(huì)集中在居中位置或顯眼位置；字號(hào)設(shè)置上，較大文字能清楚地表達(dá)閱讀內(nèi)容。

3.2圖片與文字設(shè)計(jì)在教學(xué)中的比較

純文字版課件設(shè)計(jì)在教學(xué)中枯燥難懂，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，降低學(xué)習(xí)效果與課堂教學(xué)質(zhì)量。在文字設(shè)計(jì)之余，適當(dāng)加入有趣或者與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的圖片設(shè)計(jì)，可以生動(dòng)形象地呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。與枯燥無味的大篇幅文字?jǐn)⑹鱿啾?，適當(dāng)使用圖片能達(dá)到使學(xué)生在輕松愉快的氛圍中理解并掌握學(xué)習(xí)知識(shí)的目的。但要注意，過大或過多圖片的加入容易造成學(xué)生注意力混亂，使注意力過多地轉(zhuǎn)移到圖片上，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)效率［12］。因此，在教學(xué)課件中添加圖片時(shí)，要合理控制圖片的數(shù)量以及圖片的大小。

3.3視頻與文字設(shè)計(jì)在教學(xué)中的比較

在教學(xué)過程中，純文字設(shè)計(jì)由于形式過于枯燥，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中易產(chǎn)生疲勞與厭倦感，致使學(xué)習(xí)的興趣和對(duì)知識(shí)的吸收受到影響。在多媒體制作時(shí)，為避免大篇幅文字出現(xiàn)，適當(dāng)將動(dòng)畫或視頻效果運(yùn)用到教學(xué)中，不僅可以使教學(xué)內(nèi)容的表達(dá)更為豐富生動(dòng)，將理論和概念變得更加容易接受，重點(diǎn)內(nèi)容更為突出，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)知識(shí)的理解與掌握，提高學(xué)生的注意力與關(guān)注度，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

4　結(jié)束語

本文采用眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)記錄30名視力正常的大學(xué)生在閱讀同樣內(nèi)容的文字版、圖片版、視頻版教學(xué)課件過程中的眼動(dòng)信息，對(duì)獲取的人體眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理與分析。研究發(fā)現(xiàn)，不同的字體、字號(hào)、顏色以及字?jǐn)?shù)設(shè)置會(huì)產(chǎn)生不同的閱讀效果。通過數(shù)據(jù)分析，字體相對(duì)較大、溫和冷色系、字體規(guī)整并且字?jǐn)?shù)適當(dāng)?shù)奈谋驹O(shè)計(jì)具有更好的閱讀效果，能夠吸引閱讀者的關(guān)注。在設(shè)計(jì)教學(xué)課件時(shí)，建議使用溫和的冷色系，例如黑色、深藍(lán)色等，也可適當(dāng)使用刺激性強(qiáng)烈的顏色起到提示作用。在字體方面，建議使用楷體、宋體或仿宋等字體，盡量避免使用藝術(shù)字體。在字?jǐn)?shù)方面，建議整張頁面的字?jǐn)?shù)控制在150字以內(nèi)，字號(hào)大于40，需要重點(diǎn)提示的內(nèi)容可以使用更大字號(hào)。另外，在多媒體課件制作時(shí)，由于采用純文字設(shè)計(jì)時(shí)字?jǐn)?shù)過多，閱讀者很少能看完所有設(shè)計(jì)內(nèi)容，而色彩豐富的圖片和動(dòng)畫呈現(xiàn)使人印象深刻，所以適當(dāng)?shù)卦黾訄D片、視頻和動(dòng)畫效果可以更好地吸引讀者的注意力，有效提高讀者對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容的關(guān)注度。

多媒體教學(xué)作為一種新型的教學(xué)手段和授課方法在課堂教學(xué)過程中尤為關(guān)鍵，教師在設(shè)計(jì)制作多媒體教學(xué)課件時(shí)，首先要考慮如何將課堂知識(shí)有效地進(jìn)行傳遞，將教學(xué)內(nèi)容以豐富的形式更為直觀、靈活、生動(dòng)地予以呈現(xiàn)?；趯?shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析，在進(jìn)行多媒體課件設(shè)計(jì)時(shí)可以通過添加適當(dāng)?shù)膱D片、運(yùn)用視頻資源及合理的文字設(shè)置來提高學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的關(guān)注度與學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到提高課堂教學(xué)質(zhì)量的目的。研究結(jié)果為完善多媒體教學(xué)課件、提高課堂教學(xué)質(zhì)量提供了有力的參考依據(jù)。

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Multimedia teaching optimization design based on eye movement information analysis

YU Ya-nan，CHEN Jing，LYU Run，ZHANG Xiao-wei，LIU Yuan-chao
（School of Information Technology and Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Classroom teaching quality for college students is closely related to the optimization，30 college students with normal vision as subjects are selected，and the eye tracking system is used to record information in eye video version of course-ware design in the process of text，pictures，read the same version of the content，processing and comprehensive analysis of the human eye movement data acquisition.The result shows that：1.Ink blue font is more attractive than red and pink，Song typeface，Imitation Song typeface and Regular script have better reading effect.In each page，the number of PPT words less than 150 and the font size larger than 40 is suggested.2.Adding images is helpful to improve the students'attention，but the picture size and quantity need to be controlled.3.Appropriate increase in the animation or video design，in the multimedia teaching to highlight the key teaching content，can improve students'attention and interest，so as to achieve a good teaching effect.The results of the study provide a reference for the improvement of multimedia teaching courseware and the improvement of classroom teaching quality.

eye movement；multimedia teaching；reading；information comparison；optimization design

G434

A

2095－0926（2016）03－0050－04

2016-04-05

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（61403282）；天津市教委科研計(jì)劃項(xiàng)目（20130404）；天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)預(yù)研項(xiàng)目（KJY1303）；2014年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410066010）.

于雅楠（1984—），女，講師，博士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感技術(shù)和精密檢測技術(shù).