基于眼動儀的學習者的敏感元素研究

☆ 肖健文 黃燕燕

（浙江師范大學教師教育學院，浙江金華 321004）

隨著信息社會的高速發展，多媒體技術在教育領域的應用也越來越廣泛。在課堂教學或移動學習過程中，多媒體課件扮演著極其重要的角色。因此，如何提高學生對課件的閱讀速度，加強學生對知識的記憶效果變得尤為重要。近幾年，心理學與教育學等學科領域的專家一直在探尋制作精良課件的方法，例如：如何讓學生盡可能在最少的時間內記住最多的東西。然而這不但需要技術的支撐，更重要的是所制作的課件在內容編排、色彩搭配和版面設計等方面是否體現學生的個體差異、知識結構層次。有部分教師雖然自己動手制作了課件，但是由于缺乏色彩美學和色彩心理學等平面設計的相關知識，出現課件配色不科學等問題造成學生注意力分散等狀況，沒有實現課件為課堂錦上添花的初衷。

本課題是從學習資源開發角度出發，以教學中應用的多媒體課件為切入點，在色彩學、心理學理論的基礎上，以課件的背景色、邊框色、字體色、字方位四因素為變量進行基于Tobii T120眼動儀的學習敏感元素分類的實驗設計研究。尋找探索這些元素不同的搭配方式對學習者的信息加工是否有影響及其規律的有效方法。

一、多媒體課件中學習者的敏感元素

本文研究的多媒體課件中的敏感元素包括色彩（背景色、字體色、邊框色）和字方位，選用顏色為三基色：紅（255，0，0）、綠（0，255，0）、藍（0，0，255）和黑（255，255，255）、白（0，0，0）；選用文本方位為左上、左下、右上和右下（排除特殊的中心方位），如圖1為白底紅框藍字右下方位的搭配效果。

圖1 白底紅框藍字右下

（一）色彩

對于多媒體課件中色彩的運用，已有不少學者對此展開研究并取得了一定的成果。學者安璐（2012）從色彩心理學出發，開展了教學PPT背景顏色的眼動實驗研究，發現白色最適合作為PPT的背景顏色，其次是黃色，而藍色最不適合作為背景顏色[1]。孫慶蘭（2017）進一步研究教學課件中不同顏色的文字和背景的搭配效果，白色和淺藍色背景下的深藍字體不易引起疲勞可多使用；紅色字體對學習者認知加工負荷大，可用于提醒、標識重點內容[2]。而本研究在此基礎上選取了五色（三基色和黑、白色）對教學課件的背景色、字體色、邊框色做進一步研究，旨在通過眼動實驗更直觀地了解學習者的學習需求。

（二）邊框

在圖像學的相關研究中，邊框是圖像最基本的視野，也是圖像最重要的表現形式。當前對圖像中邊框的研究鮮少，而在地圖設計領域已有過些許研究，如學者劉曉寒（2016）通過眼動實驗探究點狀地圖符號邊框設計對用戶認知地圖的影響。他發現帶邊框設計的點狀符號能有效提高用戶對其的識別效率，并指出為提高地圖認知效果，還需要對邊框的樣式和顏色進一步展開研究[3]。而同理在多媒體課件制作與設計中，邊框的樣式和顏色對學習者的認知加工可能存在一定的影響，本文選取了邊框色這一變量元素展開研究。

（三）字方位

當前，關于多媒體課件文字內容的排版位置不同對學習者閱讀的影響的研究甚少，但是已有許多學者在其他領域做了大量相關的研究。早在2006年學者梁福成和王雪艷對科學雜志目錄中圖文版式的效果進行研究發現：在科學雜志中具體的插圖與標題的排版方式上，插圖與標題的交錯分布比二者的左右上下分布的注視時間要長、注視次數更多，交錯分布優于左右和上下分布[4]；學者袁征和張敏在2011年借助Tobii T60型眼動儀研究廣告在手機頁面中放置的位置不同對手機報廣告閱讀的影響，研究結果表明，廣告的第一注視時間受到廣告位置的影響，廣告位于頁面上部或中部比較容易吸引受眾的注意[5]。而本文則增加了多媒體課件中的字方位因素作為學習者的敏感元素范疇展開研究。

二、實驗設計

（一）實驗儀器

本實驗采用Tobii T120型眼動儀，其采樣頻率為120赫茲，顯示屏為17寸，屏幕分辨率為1024*768。眼動儀自動記錄被試觀看實驗圖片時的注視時間等眼動數據。

（二）實驗對象

本實驗選取浙江師范大學的20名大學生（10名男生，10名女生）作為被試，被試年齡在20-23歲之間，所有被試視力或矯正視力正常，且均為自愿參加。實驗結束后發實物禮品作為報酬，被試知情同意。

（三）實驗方法——均勻設計

均勻設計[6]是一種適用于多因素、多水平試驗的設計方法，通過數論與多元統計相結合的思想，讓試驗點在試驗范圍內充分地“均勻分散”，每個因素的每個水平只做一次試驗，使得每個試驗點可以有較好的代表性，試驗次數也將大幅度減少。此外，均勻設計有現成的設計表可供利用，這有助于選取試驗點。均勻設計表用符號Un(qs)表示，如圖2所示。

圖2 均勻設計

本實驗根據背景色、字體色、邊框色、字方位這些元素的組合，得到如下的搭配種類：背景單色為紅、綠、藍、白、黑5種；背景色+字體色，排除背景色與字色同色搭配5種，有效搭配共5*4=20種；背景色+字色+邊框色，排除邊框色與背景色同色搭配20種，有效搭配共5*4*4=80種；背景色+字色+邊框色+字方位有效搭配共5*4*4*8=640種。通過上述分析，用這些元素制作標準圖片需要640張，如果640張圖片采用自動播放（每張圖片播放5秒）的方式進行測試，數量過于龐大，用時太長（大約3200秒），被試者容易視覺疲勞，無法反映真實的測試情況從而影響實驗效果。因此采用“均勻設計法”能有效地減少標準圖片的張數，以縮短測試時間，快速準確地確定學習者的類型。

本實驗設計的圖片包含有4個因數:背景色、邊框色、字體色和字方位；其中背景色、邊框色、字體色這三個因素都有5個水平:紅、綠、藍、黑和白；字方位包含有4個水平：左上、左下、右上和右下，可見因素中最大的水平數為5。因此實驗圖片為4*5=20張。選擇U20*(54)的均勻設計表和對應的使用表，如表1所示。

表1 均勻設計表（左）與使用表（右）

所述原始均勻設計表設定為：

行號設定：1-20表示20種搭配方案；本實驗因素數s為4，根據U20*(54)的使用表，選擇列號為1、4、5、6，即設定列號：1表示背景色，4表示邊框色，5表示字體色，6表示字方位；顏色設定：1-4表示紅色，5-8表示綠色，9-12表示藍色，13-16表示黑色，17-20表示白色；字方位設定：1-5為左上，6-10為左下，11-15為右上，16-20為右下。

由于背景不能與字體、邊框同色，所以本實驗所述修正設定具體包括：方案5原始碼5、8、2、17，搭配為綠、綠、紅、右下，由于背景和字體同色，所以在該原始碼所在行的其它列選擇不沖突的碼20或11，但選擇20會與方案 6接近，故選擇11，原始碼改為 5、11、2、17，搭配為綠、藍、紅、右下；方案7修改為7、14、14、7，搭配為綠、黑、黑、左下；方案14修改為14、7、7、14，搭配為黑、綠、綠、右上；方案16修改為16、10、19、4，搭配為黑、藍、白、左上；方案9和方案12，背景和邊框同色，相當于無邊框搭配。最終得出了20種搭配方案如表2所示：

表2 均勻設計的實驗方案U20(53×4)

按上述20種搭配方案制作圖片，根據Tobii T120眼動儀的顯示屏規格大小，運用Adobe photoshop cs6軟件設計實驗圖片素材，圖片尺寸為1024*768像素。筆者在圖片空白處加入不規則符號圖案作為干擾元素，其目的是為了避免被試者的注意力只集中在圖片的文字部分，同時讓移動學習者比較均勻地瀏覽標準圖片。實驗中圖片的順序設定由系統隨機播放，每張圖片放映的時長是由學習者通過鼠標自由切換。

（四）實驗過程

經過前期實驗準備，正式進入實驗環節。具體實驗流程如下：

第一步：請被試進入眼動實驗室，適應實驗室的環境及周邊。由主試人員向被試介紹實驗目的、實驗步驟以及實驗中的注意事項。

第二步：首先請被試坐于眼動儀前自主調整坐姿，與眼動儀保持在50cm到80cm之間的視距（如圖3）；接著對被試眼動進行定標，在對話框中輸入姓名，使用track status窗口進一步調節被試和眼動儀的位置。當窗口底部彩色狀態條顯示為綠色時，說明可以檢測到被試的瞳孔；然后點擊Start按鈕開始定標，提示被試依次觀看屏幕上出現的幾個點（如圖4），所有定標點呈現完畢后，定標程序將自動退出。而后，由主試觀看Calibration Result窗口中的定標結果，若定標結果顯示良好（如圖5），則點擊Accept按鈕打開Start Recording對話框開始實驗。若定標結果不理想，則點擊Recalibrate重新定標，直到獲得滿意的結果。

第三步：實驗后測：請被試對每張實驗圖片作出主觀感受的評價（A.非常喜歡，B.喜歡，C.不確定，D.不喜歡，E.非常不喜歡）。

圖3

圖4

圖5

三、實驗數據收集與分析

（一）實驗數據指標及數據收集

1.實驗數據指標——注視時間

注視時間：是指被試在一個興趣區或一個興趣區組中所有注視點的持續時間之和。

2.數據收集

通過Tobii眼動儀自帶的多動能分析軟件Tobii Studio收集、導出眼動數據——注視時間，并以.xls格式存檔。

（二）實驗數據分析

收集的眼動數據通過SPSS Statistics 21進行數據分析，挖掘數據背后隱藏的意義。

表3 描述統計量表

1.描述性分析

（1）根據表3中注視時間的總均值顯示：圖片白底紅框黑字左下文本方位獲得被試最多的注視時間，此搭配方式最受被試的青睞（白紅黑左下=15.111＞紅藍黑右下=11.162）；被試對不同圖片給予了不同時長的關注，其中黑底藍框白字左上文本方位獲得了極大的注視時長（max=27.793）,黑底紅框紅字右下文本方位獲得最短的注視時長（min=1.685）。可得到多媒體課件中不同的背景色，不同的字體色，不同的背景邊框色，不同的文本排版方位對學習者的信息加工有影響。

（2）本實驗選取了10名男生和10名女生作為被試，根據表4的性別劃分進行注視時間均值統計分析發現：男生對白底紅框黑字左下文本方位（15.111）給予了最多的注視，而對紅底藍框黑字右下文本方位（9.867）的注視時間最短；女生對黑底藍框白字左上文本方位（15.039）的注視時間最長，而對黑底紅框紅字右下文本方位（11.357）給予的注視時間最短。

2.回歸分析

由于實驗涉及多變量分析，因此采取虛擬變量設置方法，即變量數字化編碼。將所采集學習者觀看每張標準圖片時的注視時間、所述數字化編碼輸入SPSS統計分析軟件，通過統計分析得到回歸模型，即可由此確定學習者的類型。

將均勻設計的原始碼或顏色、方位進行編碼：顏色設定中，1-4的數字編碼為10000，5-8的數字化編碼為01000，9-12的數字化編碼為00100，13-16的數字化編碼為00010，17-20的數字化編碼為00001；方位設定中，1-5的數字化編碼為1000，6-10的數字化編碼為0100，11-15的數字化編碼為0010，16-20的數字化編碼為0001，具體詳見以下顏色編碼表4和方位編碼表5。

表4 顏色編碼表

表5 方位編碼表

以1號被試為例，Y為被試1的注視時間，詳見表6：Y是因變量，X是自變量。輸入注視時間Y與不同的X組合（X11-X15表示背景色；X21-X25表示字體色；X31-X35表示邊框色；X41-X44表示字方位），通過SPSS Statistics21就可得到學習者關于背景色、字體色、字方位的回歸方程，即數學模型。標準方程：Y=A+B1X1+B2X2+……+BmXm，（A是常數，類似于均值，不用考慮）。根據表7和表8，得到1號被試的注視時間與學習敏感元素對應的數學模型：

（1）由1號學習者的注視時間與背景色得到對應的數學模型：

（2）由1號學習者的注視時間與字體色得到對應的數學模型：

（3）由1號學習者的注視時間與邊框色得到對應的數學模型：

（4）由1號學習者的注視時間與字方位得到對應的數學模型：

模型說明：模型中自動排除不相關變量X13、X21、X31、X41?！?”的系數表示該變量是負相關，要減少使用?！?”的系數表示該變量是正相關，要增加使用，系數越大說明相關性越強。通過上述數學模型可得1號被試為對背景紅色/綠色/白色、邊框黑色、字體綠色/藍色/黑色/白色敏感、方位左下/右上/右下敏感，其學習敏感元素的最優搭配方案是（遵循背景與字體邊框不能同色原則）：背景白色、字體黑色、邊框綠色、右下方位的組合。通過以上方法即可獲得每位學習者的敏感元素相關模型，根據學習者的類型開發并推送相應的教學資源。

表6 被試1觀看每張圖的注視時間

表7 被試1回歸方程系數列表

表8 被試1回歸方程已排除變量

四、討論與展望

（一）討論

第一，實驗指標注視時間均值表明：多媒體課件中不同的背景色、字體色、邊框色、文本位置的搭配效果影響學習者對課件內容的認知加工。白底紅框黑字左下的搭配獲得的注視時間最長，有助于學習者對課件內容進行長時間的閱讀，在開發面向傳統課堂的線下課件時，可以多用白底、紅框、黑字、文本放置左下方的搭配方式；而紅藍黑右下方位的搭配獲得被試的注視時間最短，表明這種搭配方式對學習者的認知加工負荷大，不利于學習者的學習，今后在開發普適大眾的課件時應盡量避免使用紅背景、藍框、黑字、文本放置右下方的搭配方式。

第二，實驗指標注視時間按性別統計表明：男生對白底紅框黑字左下文字方位圖片給予了最多的注視，而對紅底藍框黑字右下文字方位的注視時間最短；女生對黑底藍框白字左上文字方位的注視時間最長，而對黑底紅框紅字右下文字方位給予的注視時間最短。由此可知，不同的性別對于色彩與文本位置的敏感度與青睞度也不同。即對于女生占絕大對數的師范院校和男生占主導的軍校等男女生比例嚴重失衡的學校，教師在制作教學課件時，應充分了解學生的學習需求，根據具體情況恰當運用學習者的敏感元素設計學習資源。

第三，實驗指標個體注視時間和實驗后測數據統計表明：經實驗后測發現，有位視力或矯正視力正常的被試，他是紅綠色盲者，無法區分紅色和綠色。因此在設計適用于大眾群體的教學課件時，除了開發滿足絕大多數學習者需求的課件等學習資源外，應格外注意這部分對色彩感知有異常的人群。

第四，由回歸分析可得每位學習者的敏感元素相關模型，由此確定移動學習者的學習類型，為其推送滿足其需求的學習資源，實現個性化學習。這將會有助于未來遠程教育事業的發展和移動學習理念的貫徹落實，同時能夠帶動終身學習的風潮。

第五，對比實驗后測結果與個體敏感元素相關模型發現：通過客觀眼動數據分析得出的受學習者青睞的敏感元素搭配方式與實驗后測學習者通過主觀偏好感知選出的圖片并非都吻合。由此可見，學習者偏愛的敏感元素屬性不一定是有利于其認知加工的搭配方式，通過客觀量化的研究方法更能反映問題的本質。

（二）展望

本實驗僅選取了常見的三基色、黑色和白色用于實驗研究，今后可以進一步細化學習者類型，可將顏色的種類增加，如增加紅、綠混合—黃；綠、藍混合—青；藍、紅混合—紫等顏色，或也可將邊框的樣式增加，如波浪線邊框、雙線邊框……再根據均勻設計法確定設計表和使用表進行實驗設計研究。