徐 策，陳夢(mèng)翔

(溫州科技職業(yè)學(xué)院 a.園林與水利工程學(xué)院；b.信息技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325000)

一、項(xiàng)目背景與研究方案

隨著國務(wù)院頒布《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》和教育部《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，教育信息化無疑已成為新時(shí)代“互聯(lián)網(wǎng)+教育”快車道上最受人關(guān)注的導(dǎo)航儀。當(dāng)前高校都已普遍具備計(jì)算機(jī)教學(xué)的教育環(huán)境，而教育技術(shù)如何真正嵌入學(xué)習(xí)系統(tǒng)、學(xué)生課堂參與度、融入度、投入度真實(shí)量化等問題都在亟待解決。

1. 研究背景

眼球追蹤技術(shù)是一門新興的科技運(yùn)用技術(shù)，它主要通過攝像頭捕捉眼球特征變化并用特殊算法來模擬眼球運(yùn)動(dòng)從而追蹤人眼的視線聚焦點(diǎn)[1]，實(shí)現(xiàn)某些領(lǐng)域?qū)τ谌搜劬劢裹c(diǎn)變化的研究，并已廣泛運(yùn)用于心理學(xué)范疇的研究領(lǐng)域，但在國內(nèi)高等教育領(lǐng)域特別是基于計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)課程的研究以及運(yùn)用方面卻較少[2]。

國外在教育領(lǐng)域的眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)融合研究則較多，如Kai等[3]利用眼動(dòng)儀評(píng)估新老教師對(duì)學(xué)生的注意力分配合理與否；Lin等[4]利用眼動(dòng)儀測(cè)試不同成績(jī)水平的被試者認(rèn)知邏輯的績(jī)效因素；Choi[5]使用眼動(dòng)儀得出結(jié)論以為加粗的文本會(huì)吸引被試者注意力并增強(qiáng)相關(guān)記憶。國內(nèi)如馮小燕等[6]通過大數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論，認(rèn)為一方面是由于相關(guān)研究者數(shù)量較少，另一方面則是教育技術(shù)領(lǐng)域?qū)A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)研究不夠重視，相對(duì)投入的資金也較少，導(dǎo)致基礎(chǔ)研究無法長期有效開展。

2. 研究方案

對(duì)于計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)課堂的一線授課教師而言，如何科學(xué)有效地利用計(jì)算機(jī)環(huán)境為學(xué)生進(jìn)行高效授課最為重要[7]，而在這樣的環(huán)境下計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)環(huán)境依托計(jì)算機(jī)屏幕進(jìn)行教學(xué)[8]，教師的授課內(nèi)容均需通過計(jì)算機(jī)屏幕演示給學(xué)生，由學(xué)生自行操作，熟悉內(nèi)容后完成作業(yè)鞏固知識(shí)點(diǎn)，從而達(dá)到教學(xué)目的。教師授課(PPT、視頻播放、實(shí)操演練等)與學(xué)生上機(jī)操作之間的教學(xué)處理方法對(duì)于不同的教師有不同的見解，為更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)匮芯扛黝惤虒W(xué)手法的實(shí)際教學(xué)效果，課題組通過訪談溫州科技職業(yè)學(xué)院五院一部一線教師，涉及高等教育設(shè)計(jì)類學(xué)科(建筑學(xué)科、風(fēng)景園林學(xué)科、平面設(shè)計(jì)學(xué)科、影視設(shè)計(jì)學(xué)科等)中需要運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助參與教學(xué)的圖形軟件操作課程，了解常用授課方式，歸納總結(jié)后主要分為兩種：教師全屏演示操作后，學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作；教師分屏操作的同時(shí)學(xué)生實(shí)際操作。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，教師之間對(duì)于各種方法的有效性存在一定的爭(zhēng)議，有大約46%的教師認(rèn)為全屏操作演示有利于學(xué)生注意力的集中，另有大約54%教師認(rèn)為電腦分屏讓學(xué)生可以根據(jù)教師操作演示窗口同時(shí)進(jìn)行操作，這樣更利于學(xué)生記住操作方法，減少遺忘操作步驟的可能。本研究將運(yùn)用Tobii eye tracker 4C眼動(dòng)儀(民用級(jí))對(duì)以上不同的教學(xué)手法進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)將采用錄屏和后期采集數(shù)據(jù)的方式記錄各種重要數(shù)據(jù)，從而制成圖像對(duì)比分析兩種不同的在計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)中比較常見的教學(xué)方法，從注視的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，如抬頭率、有效信息捕捉率、授課時(shí)間比值等方面研究分析眼球活動(dòng)的數(shù)據(jù)，探究?jī)深惒煌虒W(xué)手法的利弊，探索更加適應(yīng)現(xiàn)代大學(xué)生的課堂教學(xué)模式。

二、眼動(dòng)技術(shù)下的教學(xué)實(shí)驗(yàn)

通過匿名采集的方式進(jìn)行，即采集前不告知學(xué)生該儀器的用途以及測(cè)量方法，這種方法可以大幅提高測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性[9]。為排除坐姿、視線、個(gè)人習(xí)慣等容易導(dǎo)致儀器檢測(cè)不到眼球活動(dòng)以及無法錄制眼動(dòng)數(shù)據(jù)等問題的出現(xiàn)，在教學(xué)課程之前會(huì)預(yù)先進(jìn)行屏幕的眼球矯正，在一定程度上減少無效數(shù)據(jù)的產(chǎn)生[10]。

1. 研究方法和過程

具體采集方法如下：同一授課單元，三個(gè)平行班分別用兩種不同的教學(xué)手法授課，通過眼動(dòng)儀分別記錄眼動(dòng)信息(如圖1所示：屏幕顯示的白圈為眼睛注視位置)，錄屏后人工分析。

2. 采集生源

本次參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生均來自園林與水利工程2019級(jí)新生，入學(xué)分?jǐn)?shù)相近，都沒有軟件的基礎(chǔ)，個(gè)體學(xué)前基礎(chǔ)差異較小，較適合作為采樣對(duì)象。本實(shí)驗(yàn)錄制了2019級(jí)150名新生在《園林電腦效果圖制作》課程6個(gè)教學(xué)單元18個(gè)課時(shí)的眼動(dòng)信息；共購置了8臺(tái)設(shè)備，抽樣錄制了144名學(xué)生，總計(jì)150個(gè)小時(shí)的視頻資料。

3. 分析方法

本實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)由Tobii制造的Eyetracker 4C眼動(dòng)儀設(shè)備捕捉，通過錄屏軟件記錄下來，再由人工進(jìn)行篩選處理完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。具體分析指標(biāo)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)分析方法

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果以記錄教學(xué)錄像進(jìn)行采樣，采樣的數(shù)據(jù)均為采樣平均值，以減少人工誤差。

1. 抬頭率

抬頭率與學(xué)生的注意力集中情況成正比，是教學(xué)活動(dòng)中檢驗(yàn)學(xué)生注意力集中情況的非常重要的指標(biāo)之一。較傳統(tǒng)的目測(cè)抬頭率方法而言，眼動(dòng)儀能輕松地監(jiān)控到每一個(gè)學(xué)生的抬頭率，從而快速掌握學(xué)生的聽課情況。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表2)可知，學(xué)生在這種以計(jì)算機(jī)輔助為主的教學(xué)環(huán)境下，當(dāng)教師在控制學(xué)生端電腦進(jìn)行教學(xué)演示的時(shí)候，全屏教學(xué)的抬頭率高于分屏教學(xué)的抬頭率，全屏教學(xué)方式下為90.7%，而在分屏模式下為84.2%，由此可知在除去個(gè)別學(xué)生存在某些特殊原因的情況下(厭學(xué)、叛逆、心理問題等)，全屏模式下的教學(xué)方式可以提高學(xué)生的抬頭率，減少學(xué)生視線注意力的分散。全屏模式教學(xué)一方面加強(qiáng)了教師對(duì)課堂的控制力，另一方面也減少了學(xué)生注視非有效電腦畫面的可能性。

表2 抬頭率記錄表(部分)

2. 有效信息捕捉效率

抬頭率的高低在一定程度上反映了學(xué)生對(duì)課程的感興趣程度與學(xué)習(xí)欲望，但也存在一定的不準(zhǔn)確性，往往存在一定數(shù)量“身”在、“眼”在、“心”不在課堂上的學(xué)生。那么，根據(jù)眼動(dòng)儀分析眼睛是否跟蹤有效教學(xué)信息就變得尤為重要，甚至對(duì)教學(xué)內(nèi)容的有效跟蹤與閱讀是評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效率的重要指標(biāo)之一。

小結(jié)：通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表3)可知，與分屏教學(xué)相比，全屏教學(xué)在有效信息的捕捉程度上更高。在首次接觸新知識(shí)與步驟情況下，學(xué)生對(duì)教師演示是無法實(shí)現(xiàn)同步模仿的。因此在多次實(shí)驗(yàn)過程中，往往在全屏教學(xué)演示下，學(xué)生操作后再由教師分屏操作，學(xué)生的實(shí)訓(xùn)效果逐漸攀升，學(xué)生的學(xué)習(xí)以及記憶效果在自我聯(lián)系與演示糾正的雙重引導(dǎo)下逐漸增強(qiáng)。因此，在首次教學(xué)過程中全屏教學(xué)效果較分屏教學(xué)方式更為理想，而在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中分屏教學(xué)的方式比全屏教學(xué)更佳。

表3 信息捕捉率記錄表(部分)

3. 授課時(shí)間比值

如何平衡授課與實(shí)訓(xùn)時(shí)間尤為重要，更短的教學(xué)時(shí)間意味著更多的學(xué)生操練時(shí)間與教師巡場(chǎng)指導(dǎo)時(shí)間，在實(shí)踐課教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題往往千奇百怪且數(shù)量頗多，所以教師巡場(chǎng)答疑在實(shí)踐教學(xué)中尤為重要。設(shè)置授課時(shí)間比值，比較不同的教學(xué)模式下授課時(shí)間比值的差異尤為重要。

小結(jié)：從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表4)可知：授課時(shí)間比值最高的為全屏模式，次之為分屏模式。對(duì)于分屏教學(xué)形式而言，教學(xué)效率雖高于投影教學(xué)形式，但由于原來在全屏形式下一個(gè)知識(shí)點(diǎn)教學(xué)時(shí)間被拆分成多段導(dǎo)致總體教學(xué)時(shí)間增加，雖然學(xué)生完成教學(xué)點(diǎn)操練的時(shí)間減少了(分擔(dān)到了教學(xué)時(shí)間內(nèi)預(yù)留出來的每小段操作時(shí)間內(nèi))，但是教師下場(chǎng)指導(dǎo)的時(shí)間卻大大縮短，從而導(dǎo)致教學(xué)授課時(shí)間比值降低，因此分屏教學(xué)模式下教師教授時(shí)長大于學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)長，從巡場(chǎng)觀察可見學(xué)生的學(xué)習(xí)效率相較于投影教學(xué)更為理想。

表4 授課時(shí)間比值記錄表(部分)

而在全屏教學(xué)下，教師的授課時(shí)長因教學(xué)內(nèi)容集中、課堂環(huán)節(jié)流暢緊湊而導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)踐操作時(shí)長也隨之變長，因此對(duì)授課時(shí)間比值而言，對(duì)于同一課程內(nèi)容，全屏教師講授時(shí)長最短(相對(duì)集中)，分屏講授時(shí)長較長，投影講授時(shí)長最長；進(jìn)而全屏教學(xué)下學(xué)生實(shí)踐時(shí)間最多，分屏次之，投影最短。對(duì)教學(xué)效果而言，需從學(xué)生當(dāng)堂的作業(yè)評(píng)分來詳細(xì)討論。

4. 作業(yè)評(píng)分

上述三種數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)方法只能在一定程度上檢驗(yàn)不同教學(xué)條件下學(xué)生的眼動(dòng)數(shù)據(jù)情況，屬于推測(cè)結(jié)果，而作業(yè)完成情況則是最為直觀的檢驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的手段之一。本次實(shí)驗(yàn)在每一堂教學(xué)課結(jié)束后，需要提交一份課內(nèi)完成的制圖作業(yè)，通過作業(yè)的得分情況分析出學(xué)生對(duì)這幾種教學(xué)方法的接受程度。

小結(jié)：從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表5)可知，在無預(yù)習(xí)、無前期直接鋪墊的情況下，全屏模式得分較高；而在已預(yù)習(xí)、已掌握一定知識(shí)點(diǎn)的實(shí)訓(xùn)模式下，分屏模式得分較高。這組數(shù)據(jù)最直觀地反映出兩種教學(xué)模式的教學(xué)效果，但打分存在一定主觀性，故只能作為佐證來證明兩種模式的教學(xué)效率。因此在前期的知識(shí)鋪墊環(huán)節(jié)，全屏教學(xué)方式下學(xué)生的有效注意力表現(xiàn)最為突出，但并不代表學(xué)生能將所得知識(shí)快速映射到手頭操作上的效率。因此，學(xué)生實(shí)踐需求下，分屏教學(xué)模式能夠在知識(shí)鋪墊充足的情況下，更好地輔助學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)實(shí)操練習(xí)，得到更為優(yōu)秀的作業(yè)得分。

表5 作業(yè)均分記錄表(部分)

因此，課堂的教學(xué)指標(biāo)也需分為“教”與“學(xué)”兩個(gè)教育角色指標(biāo)，同時(shí)也得分“學(xué)”與“習(xí)”兩個(gè)知識(shí)內(nèi)化過程指標(biāo)。而這又恰巧符合時(shí)下非常流行的“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式，但該模式不在此次研究之內(nèi)，故不做深入探討。

四、總結(jié)

總體而言，在全屏教學(xué)中學(xué)生的抬頭率在學(xué)習(xí)過程中能夠維持在90.63%，分屏教學(xué)中抬頭率均值有所下降，維持在84.28%；在授課時(shí)長方面，全屏教學(xué)模式下學(xué)生的實(shí)訓(xùn)實(shí)操時(shí)間明顯上升，并能夠得到86.53分的作業(yè)得分，教學(xué)效果較為理想，分屏效果次之，分屏模式中學(xué)生的理論汲取時(shí)長被拉長，實(shí)訓(xùn)時(shí)間被壓縮，無法實(shí)現(xiàn)1∶1的合理平衡。因此，通過抬頭率、授課時(shí)長等方面的眼動(dòng)數(shù)據(jù)與作業(yè)得分結(jié)合，將學(xué)生的學(xué)習(xí)效果轉(zhuǎn)化為課堂過程的學(xué)習(xí)記錄，全屏教學(xué)能夠給教師更多的課堂控制力，得到學(xué)生更多的注意力，而分屏教學(xué)能夠帶來更多的實(shí)訓(xùn)反應(yīng)力。此外，通過本次研究，將眼動(dòng)儀運(yùn)用于教學(xué)工作的可能性也被進(jìn)一步地挖掘，相信越來越多的高新技術(shù)將被運(yùn)用到傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)境中，越來越多的學(xué)生和教師也將從中受益。