眼動儀在教育研究中的應用現狀分析

劉奇岳

摘 要：隨著信息技術的深入發展，眼動儀作為一項成熟技術，逐漸進入眾多研究機構與學院視野之中，利用眼動儀獲取的數據具有量化、適用、實用等特點，在教育研究中為研究者提供了極大幫助。通過對眼動儀功能與特性的簡要介紹，從教育策略、教育應用、數據處理3個維度分析眼動儀應用現狀，最后對眼動儀應用前景與趨勢作出展望。

關鍵詞：眼動儀;教育策略;教育應用;數據處理

DOI：10. 11907/rjdk. 182479

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號：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、教學資源等在學習中的應用及對認知的影響，一直是教育技術和學習科學領域的研究熱點。但傳統研究往往是基于學習者自我表述，或者通過對輸出結果的分析判斷學習者學習是否發生，并進一步分析學習者學習特點。這些外在數據在一定程度上摻雜學習者主觀色彩，不能代表學習發生時的數據，故而很難完全反映教學資源對學習者學習的激勵。眼動儀是可以記錄人眼活動的儀器，其多種特性與教育研究具有高契合度。

（1）量化性。眼動儀能夠客觀公正地記錄受試者注視持續時間、注視次數以及注視點序列等量化數據，且具有極高的信度與效度，可以廣泛、重復應用于諸多實驗。

（2）應用性。眼動儀可以生成熱點圖、路徑圖等直觀示意圖，同時，眼動儀支持實驗者自行劃定興趣區域（AOI），以便獲得規定時間內特定區域的眼動數據。

（3）適用性。眼動儀適用于教育過程中包含的各個角色，可揭示學習者特性同教學設計策略的關系，幫助教育者發現教學問題，提升教學技能，改善教學質量，還可幫助教學平臺優化頁面設計，減少資源浪費，提高教學效率。

（4）便捷性。經過多年發展，現今眼動儀具有簡單易用、自動智能、操作友好、設計人性化、數據追蹤精準可靠且可由多種格式導出等特點。Scheiter等[1]認為眼動追蹤具有可以提供細化數據、改進多媒體設計、可作為教學材料等優點。張麗川等[2]認為眼動儀從眼控、完善多通道交互、支持基于計算機的人人對話三方面支持了人機交互。Van等[3]認為眼動追蹤可用以研究和增強多媒體學習。Alemdag等[4]也認為在多媒體學習中使用眼動技術的興趣正在增長，學習成績和認知過程的關系可通過眼動數據建立起聯系。Kok等[5]認為以相應模型作為基礎，眼動數據在醫學教育領域具有一定價值。

眼動儀在教育方面的研究雖有開展，但缺乏系統性，學者們研究的問題及數據獲取方式等各不相同、缺乏整合，目前歐美等發達國家對眼動儀的應用較多，我國目前相關研究開展還很少。因此，本文通過文獻分析研究以下內容：①眼動儀對教師教學、學習者學習以及外部因素影響等教育策略的探索;②眼動儀在教育方法、教學環境等方面的應用;③眼動儀生成可視化圖像、量化數據的使用方法。

1 基于眼動儀的教育策略

1.1 教師教學策略

眼動儀的數據可幫助教師進一步了解學生狀態，彌補教學缺陷，提高教學水平。課堂教學能力一直是教師最為看重的能力之一，Kai等[6]利用眼動儀記錄新老教師講課時的眼動差異，從而分析出老教師對于每位學生的注視度是接近的，而新手教師對于學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生上，從而導致難以駕馭課堂，由此對教師教學提出建議。根據實驗可知，教師自身的行為會從多種層面有效影響學習者學習行為的發生，在今后教學策略設計中，教師應對自身有更詳細的考量。為學習者設計合適的教學內容同樣是教學過程的關鍵，Lin等[7]利用眼動儀測試被試者認知邏輯，通過對比高績效被試者數據和低績效被試者數據，得出高績效被試者具有更高認知邏輯的結論，提出教師在教學媒體和教學策略設計兩方面應更加符合學生認知等建議。Choi[8]使用眼動儀收集學生做完形填空時的眼動數據，得出的結論為加粗的文本會吸引被試者注意力并增強相關記憶，但是會降低被試者對周邊內容的記憶，學習者認知資源有限，建議教師在講課過程中合理分配，以達到最佳教學效果。在以上兩個實驗中，眼動儀記錄的是學生個性化數據，進而分析出的學生特征也必然是個性化的，因此教師在設計教學資源時能針對性、個性化地改進教學。

1.2 學習者學習策略

學習者在學習過程中會遇到諸多現象與問題，研究者借由眼動儀獲取的量化數據可作出有效解釋，并由此提出意見。如Jamet[9]用眼動儀對多媒體學習效應進行研究，從數據角度支持了重點標記有助于學習者集中注意力的觀點。Ko？等[10]按照認知風格將被試者分成形象化者和動詞化者，這兩種學習者觀看不同圖文搭配時的眼動數據表明，不管知識類型如何，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，并通過眼動儀數據得到了與之一致的結論，即QET可以加快兒童眼動反應、提高移動物體捕捉成功率，但這種能力會衰退，故建議兒童經常進行QET以提高技能。Noordende等[12]在研究兒童數學學習困難癥（MLD）時，利用眼動儀得到的結論為MLD兒童在數學方面存在的問題可能不僅是由先天生理導致的，也有可能是由于較少使用自身功能性評價策略導致的。該研究建議學習者按照需求進行學習，以便教師因材施教。

1.3 外部因素對教育教學策略的影響

眼動儀同樣可以用來探討外部因素對教育教學策略的影響。Verdine等[13]在探索不同家庭經濟狀況的兒童平面處理能力時，用眼動儀數據作為依據，得出了高經濟家庭兒童關注目標以及轉移注意力速度更快的結論。喻國明[14]依靠眼動儀探索受試者閱讀材料時的重點注視位置，總結出在接受同等視覺信息刺激時，人在閱讀材料時的眼動軌跡呈順序性閱讀規律，即從左到右， 由上及下等。安璐等[15]使用眼動儀探究不同網頁布局設計對學習者尋找相應信息及完成特定任務效率的影響，從數據角度探索盡量避免視線浪費的策略。以上研究對于媒體呈現設計或教育資源視覺設計，具有一定參考價值，有助于改進教學媒體資源平面視覺設計策略。

2 眼動儀的教育應用

2.1 教學方法改善

研究者利用眼動儀進行研究，可用量化的數據對教育教學方法提出改進意見。Miles等[11]利用眼動儀證明靜眼訓練有助于兒童抓取技能的培養。Lin等[7]使用眼動儀記錄學生在調試C++程序時的眼動數據，提出應為不同水平的學生制定適應的教學策略，改善調試中的認知過程，從而促進調試和編程學習的結論。Choi[8]收集實驗者做英語完形填空時的眼動數據并進行比較研究，得出重點標記文本對搭配學習具有一定幫助，但是會使學習者對其它文本記憶下降的結論，并在此基礎上對教師教學提出重復教學等建議。Ponce等[16]記錄小學生觀看兩段文字時的總注視時間和段落之間來回掃視的次數，認為一定的總注視時間是形成整合深層次認知的相關前提，掃視次數表明學習者對信息的整合程度，根據這兩項數據進一步探討多種及單種計算機支持的學習策略對學習者的影響，并得出使用生成性策略可加深認知加工，且在某些情況下使用兩種學習策略比使用一種學習策略可更好地加深認知加工這兩條結論。以上研究某種程度上顛覆了傳統認知及原有研究結論，完善了學習理論，為改善教學提供了有價值的參考，同時進一步揭示了不同學生個性化學習特點和規律。

2.2 教學環境優化

從紙質書籍到數字媒體，從簡單的閱讀到復雜的解題，眼動儀對教學環境優化體現在多個方面。

研究者利用眼動儀實驗所得結論對學習者學習環境進行改善性實踐操作，為學習者提供更好的服務。如Rivas等[17]通過測量實驗者閱讀圖片上文字的眼動路徑，開發出一種非侵入性學習交互系統，該系統可用于心理學評估，亦可用于教師考察學生的閱讀進程。安璐等[15]對廈門大學網絡課程系統首頁進行設計優化，減少非必要注視時間，進而提高了學習效率。于偉昌等[18]在眼動儀輔助下，闡述了被試者閱覽字典時的眼動模型，對字典菜單、路標等提出優化建議，以提高學習者對詞語釋義的注意力。

3 眼動儀對于數據的處理

3.1 基于可視化圖像的研究

眼動儀可生成多種可視化圖像作為實驗結果，常用圖像有熱點圖、路徑圖等。熱點圖使用不同顏色呈現受試者對一張圖像的關注程度，路徑圖闡述受試者注視研究材料的順序。可視化圖像既可整體使用，亦可同AOI相結合進行局部研究。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路徑數據，并將之轉化為AOI順序，通過統計受試者注視次序，從而得到每個AOI注視優先級別。于偉昌等[18]準備了包括手機有道詞典、牛津高階英漢雙解詞典第7版等在內的多種詞典，以單雙語、有無句子釋義、有無菜單作為自變量，利用熱點圖標明受試者查詢不同字典時的主要注視范疇，以此探索其眼動模型。Rivas等[17]讓多名受試者觀看帶有文字的特定材料，并記錄各個受試者注視路徑，最后藉由Matlab分析功能對注視路徑進行相關性分析。熱點圖、路徑圖等可視化圖像在單獨使用時更適合于淺層研究，研究者若要將研究推向更深層次，應將可視化圖像融合于其它研究方法和研究數據。

3.2 基于量化數據的研究

眼動儀可統計多種量化數據，如注視時間、注視位置、訪問次數及瞳孔變化等。數據之間相互聯系、調取方便。在諸多數據中，注視時間可應用于幾乎所有對受試者眼動有需求的實驗，尤其方便測量學習者對教學資源的利用程度，并由此判斷資源有效性，從而提升對資源的設計。而瞳孔變化這一類的數據則應用較少，大部分實驗亦鮮有提及。如Choi等[8]設計對比實驗并準備了原始文本與部分文字加粗兩種版本的完形填空材料，讓不同小組測試者做不同版本的完形填空，提前劃分AOI，利用眼動儀測量出總注視時間及各AOI內的時間，得到各AOI注視比例，用以分析測試者對各區域分配的認知資源。Jamet[9]同樣設計了一組對比實驗，每一組受試者觀看的PPT主要內容相同，但將不同的重點標明區域作為自變量（不同填充顏色的內容框與大面積黑色覆蓋區域），測量其中不同AOI總注視時間，并將之轉化為受試者對不同區域注意力集中度。江波等[19]利用眼動儀收集被試者在完成題目時注視次數、凝視次數等17種數據，結合T檢驗等分析手段，發現題目類型和難度都會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方式的文章時注視次數、瞳孔直徑等數據，隨后將數據導入SPSS進行分析，得出文章難度是影響閱讀理解指標和實驗選取眼動行為指標的主要因素等結論。量化數據更加適合于進行深層次眼動研究，除普通計算外，將量化數據導入SPSS等分析軟件中進行檢驗，得出的結論可形成更加有力的數據支撐。