劉奇岳

摘 要：隨著信息技術(shù)的深入發(fā)展，眼動(dòng)儀作為一項(xiàng)成熟技術(shù)，逐漸進(jìn)入眾多研究機(jī)構(gòu)與學(xué)院視野之中，利用眼動(dòng)儀獲取的數(shù)據(jù)具有量化、適用、實(shí)用等特點(diǎn)，在教育研究中為研究者提供了極大幫助。通過對(duì)眼動(dòng)儀功能與特性的簡(jiǎn)要介紹，從教育策略、教育應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理3個(gè)維度分析眼動(dòng)儀應(yīng)用現(xiàn)狀，最后對(duì)眼動(dòng)儀應(yīng)用前景與趨勢(shì)作出展望。

關(guān)鍵詞：眼動(dòng)儀;教育策略;教育應(yīng)用;數(shù)據(jù)處理

DOI：10. 11907/rjdk. 182479

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）006-0135-03

Abstract：With the further development of the information technology， the eye movement tracker， as a mature technology， has gradually entered into the field of vision of many research institutions and colleges. The data obtained by the eye movement tracker have the characteristics of quantitation， applicability and practicability， and it can provide great help to the researchers in the application of educational research. This paper briefly introduces the functions and characteristics of the eye tracker， and analyzes its application status from three dimensions of educational strategy， educational application and data processing. Finally， the application prospect and trend of the eye tracker are analyzed and prospected.

Key Words： eye tracker; educational strategy; educational application; data processing

0 引言

教育因素、教學(xué)資源等在學(xué)習(xí)中的應(yīng)用及對(duì)認(rèn)知的影響，一直是教育技術(shù)和學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但傳統(tǒng)研究往往是基于學(xué)習(xí)者自我表述，或者通過對(duì)輸出結(jié)果的分析判斷學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)是否發(fā)生，并進(jìn)一步分析學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)特點(diǎn)。這些外在數(shù)據(jù)在一定程度上摻雜學(xué)習(xí)者主觀色彩，不能代表學(xué)習(xí)發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)，故而很難完全反映教學(xué)資源對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的激勵(lì)。眼動(dòng)儀是可以記錄人眼活動(dòng)的儀器，其多種特性與教育研究具有高契合度。

（1）量化性。眼動(dòng)儀能夠客觀公正地記錄受試者注視持續(xù)時(shí)間、注視次數(shù)以及注視點(diǎn)序列等量化數(shù)據(jù)，且具有極高的信度與效度，可以廣泛、重復(fù)應(yīng)用于諸多實(shí)驗(yàn)。

（2）應(yīng)用性。眼動(dòng)儀可以生成熱點(diǎn)圖、路徑圖等直觀示意圖，同時(shí)，眼動(dòng)儀支持實(shí)驗(yàn)者自行劃定興趣區(qū)域（AOI），以便獲得規(guī)定時(shí)間內(nèi)特定區(qū)域的眼動(dòng)數(shù)據(jù)。

（3）適用性。眼動(dòng)儀適用于教育過程中包含的各個(gè)角色，可揭示學(xué)習(xí)者特性同教學(xué)設(shè)計(jì)策略的關(guān)系，幫助教育者發(fā)現(xiàn)教學(xué)問題，提升教學(xué)技能，改善教學(xué)質(zhì)量，還可幫助教學(xué)平臺(tái)優(yōu)化頁面設(shè)計(jì)，減少資源浪費(fèi)，提高教學(xué)效率。

（4）便捷性。經(jīng)過多年發(fā)展，現(xiàn)今眼動(dòng)儀具有簡(jiǎn)單易用、自動(dòng)智能、操作友好、設(shè)計(jì)人性化、數(shù)據(jù)追蹤精準(zhǔn)可靠且可由多種格式導(dǎo)出等特點(diǎn)。Scheiter等[1]認(rèn)為眼動(dòng)追蹤具有可以提供細(xì)化數(shù)據(jù)、改進(jìn)多媒體設(shè)計(jì)、可作為教學(xué)材料等優(yōu)點(diǎn)。張麗川等[2]認(rèn)為眼動(dòng)儀從眼控、完善多通道交互、支持基于計(jì)算機(jī)的人人對(duì)話三方面支持了人機(jī)交互。Van等[3]認(rèn)為眼動(dòng)追蹤可用以研究和增強(qiáng)多媒體學(xué)習(xí)。Alemdag等[4]也認(rèn)為在多媒體學(xué)習(xí)中使用眼動(dòng)技術(shù)的興趣正在增長，學(xué)習(xí)成績(jī)和認(rèn)知過程的關(guān)系可通過眼動(dòng)數(shù)據(jù)建立起聯(lián)系。Kok等[5]認(rèn)為以相應(yīng)模型作為基礎(chǔ)，眼動(dòng)數(shù)據(jù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域具有一定價(jià)值。

眼動(dòng)儀在教育方面的研究雖有開展，但缺乏系統(tǒng)性，學(xué)者們研究的問題及數(shù)據(jù)獲取方式等各不相同、缺乏整合，目前歐美等發(fā)達(dá)國家對(duì)眼動(dòng)儀的應(yīng)用較多，我國目前相關(guān)研究開展還很少。因此，本文通過文獻(xiàn)分析研究以下內(nèi)容：①眼動(dòng)儀對(duì)教師教學(xué)、學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)以及外部因素影響等教育策略的探索;②眼動(dòng)儀在教育方法、教學(xué)環(huán)境等方面的應(yīng)用;③眼動(dòng)儀生成可視化圖像、量化數(shù)據(jù)的使用方法。

1 基于眼動(dòng)儀的教育策略

1.1 教師教學(xué)策略

眼動(dòng)儀的數(shù)據(jù)可幫助教師進(jìn)一步了解學(xué)生狀態(tài)，彌補(bǔ)教學(xué)缺陷，提高教學(xué)水平。課堂教學(xué)能力一直是教師最為看重的能力之一，Kai等[6]利用眼動(dòng)儀記錄新老教師講課時(shí)的眼動(dòng)差異，從而分析出老教師對(duì)于每位學(xué)生的注視度是接近的，而新手教師對(duì)于學(xué)生的注意力分配則不夠均勻，其將大部分注意力放在部分學(xué)生上，從而導(dǎo)致難以駕馭課堂，由此對(duì)教師教學(xué)提出建議。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，教師自身的行為會(huì)從多種層面有效影響學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為的發(fā)生，在今后教學(xué)策略設(shè)計(jì)中，教師應(yīng)對(duì)自身有更詳細(xì)的考量。為學(xué)習(xí)者設(shè)計(jì)合適的教學(xué)內(nèi)容同樣是教學(xué)過程的關(guān)鍵，Lin等[7]利用眼動(dòng)儀測(cè)試被試者認(rèn)知邏輯，通過對(duì)比高績(jī)效被試者數(shù)據(jù)和低績(jī)效被試者數(shù)據(jù)，得出高績(jī)效被試者具有更高認(rèn)知邏輯的結(jié)論，提出教師在教學(xué)媒體和教學(xué)策略設(shè)計(jì)兩方面應(yīng)更加符合學(xué)生認(rèn)知等建議。Choi[8]使用眼動(dòng)儀收集學(xué)生做完形填空時(shí)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，得出的結(jié)論為加粗的文本會(huì)吸引被試者注意力并增強(qiáng)相關(guān)記憶，但是會(huì)降低被試者對(duì)周邊內(nèi)容的記憶，學(xué)習(xí)者認(rèn)知資源有限，建議教師在講課過程中合理分配，以達(dá)到最佳教學(xué)效果。在以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，眼動(dòng)儀記錄的是學(xué)生個(gè)性化數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析出的學(xué)生特征也必然是個(gè)性化的，因此教師在設(shè)計(jì)教學(xué)資源時(shí)能針對(duì)性、個(gè)性化地改進(jìn)教學(xué)。

1.2 學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)策略

學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中會(huì)遇到諸多現(xiàn)象與問題，研究者借由眼動(dòng)儀獲取的量化數(shù)據(jù)可作出有效解釋，并由此提出意見。如Jamet[9]用眼動(dòng)儀對(duì)多媒體學(xué)習(xí)效應(yīng)進(jìn)行研究，從數(shù)據(jù)角度支持了重點(diǎn)標(biāo)記有助于學(xué)習(xí)者集中注意力的觀點(diǎn)。Ko？等[10]按照認(rèn)知風(fēng)格將被試者分成形象化者和動(dòng)詞化者，這兩種學(xué)習(xí)者觀看不同圖文搭配時(shí)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)表明，不管知識(shí)類型如何，言語化者傾向于依賴文本信息，而視覺化者傾向于依賴圖像信息。Miles等[11]假設(shè)研究QET（Quiet-Eye Training）有助于兒童投射和捕捉能力的提升，并通過眼動(dòng)儀數(shù)據(jù)得到了與之一致的結(jié)論，即QET可以加快兒童眼動(dòng)反應(yīng)、提高移動(dòng)物體捕捉成功率，但這種能力會(huì)衰退，故建議兒童經(jīng)常進(jìn)行QET以提高技能。Noordende等[12]在研究?jī)和瘮?shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難癥（MLD）時(shí)，利用眼動(dòng)儀得到的結(jié)論為MLD兒童在數(shù)學(xué)方面存在的問題可能不僅是由先天生理導(dǎo)致的，也有可能是由于較少使用自身功能性評(píng)價(jià)策略導(dǎo)致的。該研究建議學(xué)習(xí)者按照需求進(jìn)行學(xué)習(xí)，以便教師因材施教。

1.3 外部因素對(duì)教育教學(xué)策略的影響

眼動(dòng)儀同樣可以用來探討外部因素對(duì)教育教學(xué)策略的影響。Verdine等[13]在探索不同家庭經(jīng)濟(jì)狀況的兒童平面處理能力時(shí)，用眼動(dòng)儀數(shù)據(jù)作為依據(jù)，得出了高經(jīng)濟(jì)家庭兒童關(guān)注目標(biāo)以及轉(zhuǎn)移注意力速度更快的結(jié)論。喻國明[14]依靠眼動(dòng)儀探索受試者閱讀材料時(shí)的重點(diǎn)注視位置，總結(jié)出在接受同等視覺信息刺激時(shí)，人在閱讀材料時(shí)的眼動(dòng)軌跡呈順序性閱讀規(guī)律，即從左到右， 由上及下等。安璐等[15]使用眼動(dòng)儀探究不同網(wǎng)頁布局設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)習(xí)者尋找相應(yīng)信息及完成特定任務(wù)效率的影響，從數(shù)據(jù)角度探索盡量避免視線浪費(fèi)的策略。以上研究對(duì)于媒體呈現(xiàn)設(shè)計(jì)或教育資源視覺設(shè)計(jì)，具有一定參考價(jià)值，有助于改進(jìn)教學(xué)媒體資源平面視覺設(shè)計(jì)策略。

2 眼動(dòng)儀的教育應(yīng)用

2.1 教學(xué)方法改善

研究者利用眼動(dòng)儀進(jìn)行研究，可用量化的數(shù)據(jù)對(duì)教育教學(xué)方法提出改進(jìn)意見。Miles等[11]利用眼動(dòng)儀證明靜眼訓(xùn)練有助于兒童抓取技能的培養(yǎng)。Lin等[7]使用眼動(dòng)儀記錄學(xué)生在調(diào)試C++程序時(shí)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，提出應(yīng)為不同水平的學(xué)生制定適應(yīng)的教學(xué)策略，改善調(diào)試中的認(rèn)知過程，從而促進(jìn)調(diào)試和編程學(xué)習(xí)的結(jié)論。Choi[8]收集實(shí)驗(yàn)者做英語完形填空時(shí)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較研究，得出重點(diǎn)標(biāo)記文本對(duì)搭配學(xué)習(xí)具有一定幫助，但是會(huì)使學(xué)習(xí)者對(duì)其它文本記憶下降的結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上對(duì)教師教學(xué)提出重復(fù)教學(xué)等建議。Ponce等[16]記錄小學(xué)生觀看兩段文字時(shí)的總注視時(shí)間和段落之間來回掃視的次數(shù)，認(rèn)為一定的總注視時(shí)間是形成整合深層次認(rèn)知的相關(guān)前提，掃視次數(shù)表明學(xué)習(xí)者對(duì)信息的整合程度，根據(jù)這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)一步探討多種及單種計(jì)算機(jī)支持的學(xué)習(xí)策略對(duì)學(xué)習(xí)者的影響，并得出使用生成性策略可加深認(rèn)知加工，且在某些情況下使用兩種學(xué)習(xí)策略比使用一種學(xué)習(xí)策略可更好地加深認(rèn)知加工這兩條結(jié)論。以上研究某種程度上顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知及原有研究結(jié)論，完善了學(xué)習(xí)理論，為改善教學(xué)提供了有價(jià)值的參考，同時(shí)進(jìn)一步揭示了不同學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)特點(diǎn)和規(guī)律。

2.2 教學(xué)環(huán)境優(yōu)化

從紙質(zhì)書籍到數(shù)字媒體，從簡(jiǎn)單的閱讀到復(fù)雜的解題，眼動(dòng)儀對(duì)教學(xué)環(huán)境優(yōu)化體現(xiàn)在多個(gè)方面。

研究者利用眼動(dòng)儀實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行改善性實(shí)踐操作，為學(xué)習(xí)者提供更好的服務(wù)。如Rivas等[17]通過測(cè)量實(shí)驗(yàn)者閱讀圖片上文字的眼動(dòng)路徑，開發(fā)出一種非侵入性學(xué)習(xí)交互系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于心理學(xué)評(píng)估，亦可用于教師考察學(xué)生的閱讀進(jìn)程。安璐等[15]對(duì)廈門大學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程系統(tǒng)首頁進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，減少非必要注視時(shí)間，進(jìn)而提高了學(xué)習(xí)效率。于偉昌等[18]在眼動(dòng)儀輔助下，闡述了被試者閱覽字典時(shí)的眼動(dòng)模型，對(duì)字典菜單、路標(biāo)等提出優(yōu)化建議，以提高學(xué)習(xí)者對(duì)詞語釋義的注意力。

3 眼動(dòng)儀對(duì)于數(shù)據(jù)的處理

3.1 基于可視化圖像的研究

眼動(dòng)儀可生成多種可視化圖像作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，常用圖像有熱點(diǎn)圖、路徑圖等。熱點(diǎn)圖使用不同顏色呈現(xiàn)受試者對(duì)一張圖像的關(guān)注程度，路徑圖闡述受試者注視研究材料的順序?？梢暬瘓D像既可整體使用，亦可同AOI相結(jié)合進(jìn)行局部研究。喻國明等[14]將閱讀材料等分為若干AOI，記錄所有受試者眼動(dòng)路徑數(shù)據(jù)，并將之轉(zhuǎn)化為AOI順序，通過統(tǒng)計(jì)受試者注視次序，從而得到每個(gè)AOI注視優(yōu)先級(jí)別。于偉昌等[18]準(zhǔn)備了包括手機(jī)有道詞典、牛津高階英漢雙解詞典第7版等在內(nèi)的多種詞典，以單雙語、有無句子釋義、有無菜單作為自變量，利用熱點(diǎn)圖標(biāo)明受試者查詢不同字典時(shí)的主要注視范疇，以此探索其眼動(dòng)模型。Rivas等[17]讓多名受試者觀看帶有文字的特定材料，并記錄各個(gè)受試者注視路徑，最后藉由Matlab分析功能對(duì)注視路徑進(jìn)行相關(guān)性分析。熱點(diǎn)圖、路徑圖等可視化圖像在單獨(dú)使用時(shí)更適合于淺層研究，研究者若要將研究推向更深層次，應(yīng)將可視化圖像融合于其它研究方法和研究數(shù)據(jù)。

3.2 基于量化數(shù)據(jù)的研究

眼動(dòng)儀可統(tǒng)計(jì)多種量化數(shù)據(jù)，如注視時(shí)間、注視位置、訪問次數(shù)及瞳孔變化等。數(shù)據(jù)之間相互聯(lián)系、調(diào)取方便。在諸多數(shù)據(jù)中，注視時(shí)間可應(yīng)用于幾乎所有對(duì)受試者眼動(dòng)有需求的實(shí)驗(yàn)，尤其方便測(cè)量學(xué)習(xí)者對(duì)教學(xué)資源的利用程度，并由此判斷資源有效性，從而提升對(duì)資源的設(shè)計(jì)。而瞳孔變化這一類的數(shù)據(jù)則應(yīng)用較少，大部分實(shí)驗(yàn)亦鮮有提及。如Choi等[8]設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)并準(zhǔn)備了原始文本與部分文字加粗兩種版本的完形填空材料，讓不同小組測(cè)試者做不同版本的完形填空，提前劃分AOI，利用眼動(dòng)儀測(cè)量出總注視時(shí)間及各AOI內(nèi)的時(shí)間，得到各AOI注視比例，用以分析測(cè)試者對(duì)各區(qū)域分配的認(rèn)知資源。Jamet[9]同樣設(shè)計(jì)了一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每一組受試者觀看的PPT主要內(nèi)容相同，但將不同的重點(diǎn)標(biāo)明區(qū)域作為自變量（不同填充顏色的內(nèi)容框與大面積黑色覆蓋區(qū)域），測(cè)量其中不同AOI總注視時(shí)間，并將之轉(zhuǎn)化為受試者對(duì)不同區(qū)域注意力集中度。江波等[19]利用眼動(dòng)儀收集被試者在完成題目時(shí)注視次數(shù)、凝視次數(shù)等17種數(shù)據(jù)，結(jié)合T檢驗(yàn)等分析手段，發(fā)現(xiàn)題目類型和難度都會(huì)影響被試者的視覺注意。王玨等[20]記錄了被試者在觀看不同難度和呈現(xiàn)方式的文章時(shí)注視次數(shù)、瞳孔直徑等數(shù)據(jù)，隨后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS進(jìn)行分析，得出文章難度是影響閱讀理解指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)選取眼動(dòng)行為指標(biāo)的主要因素等結(jié)論。量化數(shù)據(jù)更加適合于進(jìn)行深層次眼動(dòng)研究，除普通計(jì)算外，將量化數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS等分析軟件中進(jìn)行檢驗(yàn)，得出的結(jié)論可形成更加有力的數(shù)據(jù)支撐。