眼動儀在晶體電光調(diào)制實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究

邵長金，楊東杰，鄭偉博，胡 銳

(中國石油大學(xué)(北京) 理學(xué)院，北京 102249)

晶體電光調(diào)制是一個綜合性程度較高的實驗，實驗教學(xué)內(nèi)容一般包括觀察并描繪會聚偏振光的干涉圖樣(錐光干涉圖)、用極值法測量半波電壓和用調(diào)制法測量半波電壓等幾部分內(nèi)容. 在教學(xué)過程中，雖然對本實驗進行了很多改進[1-4]，但由于其原理較為復(fù)雜，涉及面廣，學(xué)生往往很難抓住重點. 眼動儀可以追蹤視覺焦點[5-6]，反映學(xué)生在實驗過程的關(guān)注熱點，為改進實驗教學(xué)提供生理數(shù)據(jù).

1 關(guān)注點測試設(shè)計

1.1 測試實驗內(nèi)容選擇

晶體電光調(diào)制實驗裝置如圖1所示，主要由晶體電光調(diào)制電源、調(diào)制器和接收放大器3個部分組成. 按照實驗教學(xué)內(nèi)容安排，實驗過程是按照3個模塊進行的. 第1個模塊是觀察錐光干涉圖，所用到的儀器為起/檢偏器和白屏，關(guān)注點應(yīng)該是白屏上光點的亮度變化. 第2個模塊是極值法測量半波電壓，所用到的儀器為直流電源、光電三極管、放大器和萬用表，關(guān)注點應(yīng)該是萬用表的指針變化. 第3個模塊是調(diào)制法測量半波電壓，所用到的儀器為正弦波信號源、光電三極管、放大器和示波器，關(guān)注點應(yīng)是示波器上的波形變化.

1.減光偏振器 2.起(檢)偏器 3.鈮酸鋰電光晶體 4.光電三極管 5.放大器 6.直流電源 7.音樂信號8.正弦波振蕩器 9.揚聲器 10.雙蹤示波器 11.萬用表 12.1/4波片圖1 晶體電光調(diào)制實驗裝置

1.2 眼動儀性能

為了找到每個模塊學(xué)生的關(guān)注點，利用全新的小型眼動儀對被測試學(xué)生的視覺熱點進行追蹤. 該眼動儀在外觀上為眼鏡形狀，方便被測試者佩戴. 眼動儀系統(tǒng)根據(jù)瞳孔和角膜反射原理，利用紅外攝像頭捕捉眼球運動，和場景視頻錄像進行疊加，通過眼動追蹤系統(tǒng)軟件分析，可以實時計算出眼球的水平和垂直運動的時間、位移、速度及瞳孔直徑、注視位置等. 眼動追蹤系統(tǒng)可安裝在筆記本電腦、平板電腦等便攜設(shè)備上，方便帶入物理實驗室進行測試. 所使用的眼動儀允許大幅度地頭動，確保被試行為的自然性，從而保證學(xué)生能夠正常進行實驗操作. 另外，該眼動儀可提供頭動范圍內(nèi)高準確度的眼動數(shù)據(jù)并兼容幾乎任何被試人群，不受學(xué)生個體限制.

1.3 測試人員情況

根據(jù)上述眼動儀的性能，在實驗課教學(xué)過程中，隨機選取一些學(xué)生進行測試，被測試學(xué)生除了佩戴眼動儀外，其他方面沒有特別之處. 學(xué)生在做某個具體的大學(xué)物理實驗之前，教師一般要進行約15 min的講解，幫助學(xué)生對儀器設(shè)備的認知. 除了學(xué)生自帶的實驗教材外，實驗室還為每位學(xué)生提供了一份簡單的實驗指導(dǎo). 按照平時上課程序，學(xué)生在進行實驗前，都需要進行實驗預(yù)習(xí)并完成預(yù)習(xí)報告. 通過實驗預(yù)習(xí)、教師對儀器設(shè)備的介紹以及閱讀實驗指導(dǎo)，學(xué)生應(yīng)達到獨立完成實驗工作的要求. 測試人員除了輔助學(xué)生佩戴眼動儀外，不影響實驗課程的正常教學(xué)秩序.

2 測試結(jié)果與分析

2.1 眼動儀追蹤校準

連接好眼動儀線路，在筆記本電腦上打開眼動追蹤系統(tǒng)軟件, 將帶有圓心的測試校準卡擺放在實驗桌面上，被測試者注視圓心后操作軟件，會順次出現(xiàn)紅色和黃色的注視點, 從而完成校準過程. 熱點圖可展示出被測試者在刺激材料上的注意力分布情況. 眼動儀中生成的景觀熱點圖是根據(jù)一段時間內(nèi)參與者的眼動情況繪制而成，可反映參與者在此時間段內(nèi)的視線活動情況，區(qū)域顏色越深則表明在這段時間內(nèi)參與者注視點越集中，注視時間越長，參與者的興趣程度越高. 紅色代表注視最集中的區(qū)域，黃色次之.

2.2 案例數(shù)據(jù)獲取

表1 各測試階段的眼動數(shù)據(jù)

表2 各測試階段的興趣區(qū)分布參量

2.3 結(jié)果與分析

圖2是某學(xué)生在做錐光干涉圖實驗內(nèi)容(階段1)時的眼動儀追蹤結(jié)果. 從圖2可以看出，學(xué)生的一部分關(guān)注熱點在白屏上，這符合預(yù)期. 同時，還有相當(dāng)多的關(guān)注被放在了教材上，晶體偏壓顯示面板、電光晶體等部分也有一定的關(guān)注，并且這種現(xiàn)象不是偶然的，被測試的許多學(xué)生都存著這樣的問題. 實際上，第1階段的實驗內(nèi)容與晶體偏壓顯示面板、電光晶體等沒有關(guān)系，通過分析可知學(xué)生對它們關(guān)注是因為實驗教材內(nèi)容過于冗長(內(nèi)容有15頁)、公式推導(dǎo)過多. 一方面，學(xué)生對每個新實驗項目都有認知熟悉的過程，往往在開始實驗的階段會使其對每件儀器設(shè)備都關(guān)注，導(dǎo)致注意力分散，但時間不會太長(小于5 min). 持續(xù)20 min的測試后，關(guān)注點依然分散則說明了學(xué)生對本實驗的預(yù)習(xí)不好，確實沒有掌握實驗的核心問題，因此不得不重新閱讀教材. 由表2的數(shù)據(jù)，學(xué)生注視教材的時間為147 s，遠高于注視白屏的時間99 s，這2個興趣區(qū)熱點的注視時長占比之和為88.1%，還有11.9%的注視時長占比分散到實驗裝置的其他地方(晶體偏壓顯示面板、電光晶體等).

圖2 錐光干涉圖實驗的眼動追蹤結(jié)果

圖3是極值法測半波電壓(階段2)時的眼動儀追蹤結(jié)果，可以看出，學(xué)生的興趣熱點基本在直流偏壓調(diào)節(jié)和萬用表上，與階段1比較，興趣區(qū)的熱點分布明顯集中了許多. 表2的數(shù)據(jù)也表明，本階段測試中，關(guān)注教材的注視時間占比僅有8.2%，89%的注視時間占比都在直流偏壓調(diào)節(jié)和萬用表上，說明學(xué)生已經(jīng)把精力集中到這2處，僅有少于3%的注視時間散布在其他部位.

圖3 極值法測半波電壓的眼動追蹤結(jié)果

圖4 調(diào)制法測半波電壓的眼動追蹤結(jié)果

圖4是調(diào)制測半波電壓(階段3)時的眼動儀追蹤結(jié)果. 從圖4可以看出，學(xué)生的興趣熱點基本在示波器屏幕上，但有一部分集中在實驗指導(dǎo)書上. 與階段2比較，興趣區(qū)的熱點分布有所分散. 表2的數(shù)據(jù)也表明，本階段測試中，示波器屏幕的注視時間占比為57.2%，而實驗指導(dǎo)書的注視時間占比達到了19.8%，還有23%的注視時間占比分散到其他部位. 這一階段的測試結(jié)果超乎預(yù)期，原來以為學(xué)生在前2個階段的實驗積累，后面的實驗更加熟練，興趣熱點應(yīng)該更為集中. 但實際結(jié)果遠非如此，這說明經(jīng)過50 min的實驗后，學(xué)生精力集中度明顯下降，效率也大大降低. 雖然比階段2的注視時間增加了(測試時間增加的原因)，但注視時間占比卻下降了20%.

3 實驗教學(xué)啟示

使用眼動儀對學(xué)生興趣熱點的追蹤結(jié)果表明，實驗教材內(nèi)容過多將導(dǎo)致學(xué)生預(yù)習(xí)實驗效果下降，學(xué)生無法掌握實驗的關(guān)鍵點，因此，需要精簡教材、突出重點. 對晶體電光調(diào)制實驗項目而言，在開始實驗的20 min內(nèi)，由于學(xué)生對儀器設(shè)備的熟悉程度低，注視熱點有50%放在了實驗教材上，如果利用虛擬仿真技術(shù)提前讓學(xué)生進行儀器設(shè)備認知，則會收到很好的效果. 在第2階段極值法測半波電壓實驗時，學(xué)生對儀器設(shè)備的熟悉程度相對較高，關(guān)注熱點非常集中. 隨著實驗時長增加，經(jīng)過50 min的實驗后，學(xué)生精力集中度明顯下降，效率也大大降低. 雖然比階段2的注視時間有所增加，但注視時間占比卻下降了. 為了提高教學(xué)效果，必須對實驗內(nèi)容進行適當(dāng)控制，將核心內(nèi)容前置.