“眼動儀”在教育研究中的應(yīng)用探索

文 劉心宇

隨著信息化發(fā)展，現(xiàn)代教育技術(shù)越來越受到各方面的廣泛關(guān)注。利用現(xiàn)代化技術(shù)，通過對教育中存在的問題進行分析，可促進教育內(nèi)容、方法等逐步改進。“眼動儀”作為一種新技術(shù)，應(yīng)用于教育研究中，效果較為顯著，量化型、應(yīng)用型、適用性以及便捷性等皆為“眼動儀”優(yōu)點所在。注視者觀察時間、觀看次數(shù)等都可通過“眼動儀”記錄下來，同時還可生成直觀示意圖，如路徑圖、熱點圖、興趣區(qū)等。在教育研究活動中，不僅包括教育者、學(xué)習(xí)者，還包括環(huán)境等多個因素，而“眼動儀”能夠滿足不同人群需求，幫助教育發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。本文針對“眼動儀”發(fā)展歷史、在教育研究中的措施、應(yīng)用等做綜述研究，探究其應(yīng)用進展。

一、“眼動儀”發(fā)展歷史

（一）觀察法

“眼動儀”最初研發(fā)的目的是了解眼球運動模式。研究者對鏡子中被試者眼睛成像情況進行觀察，并對眼動軌跡進行記錄。將眼球中某一特定血管作為標(biāo)記，以此為根據(jù)對血管運動軌跡進行了解。此外，也有研究者使用閱讀材料，并在上面打一個微孔，以不影響閱讀為前提，對被試者眼動行為進行觀察。觀察法的優(yōu)點是簡單、易行，但是缺點在于難精準(zhǔn)了解眼動行為，并且結(jié)果誤差大。

（二）機械記錄法

20世紀(jì)前期，新的眼動觀察方法出現(xiàn)，即眼動機械記錄法。該種方法是利用機械裝置記錄眼球運動，并將其傳輸至記錄裝置上。其一為杠桿法，即杠桿一端位于眼球表面，另一端位于紙帶上進行記錄。其二為氣囊法，該種方式主要是將小氣囊安裝在眼睛上，在眼球運動情況下，氣囊內(nèi)壓力也會隨之發(fā)生改變，再經(jīng)由記錄裝置進行記錄，從而得到眼動行為。其三為小型環(huán)狀物法，該種方法主要借助于中心存在小孔的環(huán)狀物，將其固定于被試者眼球上后，被試者能夠利用小孔對目標(biāo)進行觀察，同時，因細線與環(huán)狀物相連，所以能夠?qū)⒀蹌有袨橛涗浵聛怼C械記錄法在記錄眼動過程中，具有較高的復(fù)雜度，并且需要預(yù)先麻醉眼球，所以在準(zhǔn)確度、精確度方面，均難以得到保證。

（三）光學(xué)記錄法

至20世紀(jì)中期，光學(xué)“眼動儀”問世，其主要原理即借助于光反射對眼動軌跡進行記錄，并且以機械記錄法結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。該種記錄方式使用橡膠制作成吸盤，并將其中的空氣抽出。再對眼球進行麻醉，并讓吸盤吸附于上面。借助于固定的機械結(jié)構(gòu)，將小鏡子固定于吸盤上，可觀察其反射的固定光源。該光源能夠向感光記紋鼓的感光帶，進而達到記錄眼動情況的目的。相較于觀察法、機械記錄法而言，光學(xué)“眼動儀”雖然優(yōu)勢顯著，具有劃時代意義，但是也存在一定的缺點和局限。因此，發(fā)明者預(yù)先對眼球進行麻醉，目的是減輕眼動軌跡記錄過程中對被試者造成的不適。此外，在吸盤作用下，微型設(shè)備與眼睛之間的接觸更為牢固。試驗過程中，將光學(xué)“眼動儀”固在眼瞼位置，能夠避免眨眼所致的吸盤移位、脫落。

（四）現(xiàn)代眼動追蹤技術(shù)

20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展背景下，越來越多更為精準(zhǔn)、可靠的“眼動儀”被研發(fā)出來。從使用場景角度來看，包括屏幕式“眼動儀”、穿戴式“眼動儀”兩種。屏幕式“眼動儀”記錄被試者眼球運動情況時，與被試者之間存在一定距離。利用監(jiān)控系統(tǒng)，能夠觀察到眼球受到刺激時的運用情況。穿戴式“眼動儀”則借助于眼動追蹤系統(tǒng)、場景攝像機，通過將其集成于輕量化框架上，對真實環(huán)境中的眼動行為進行采集。其中眼睛、頭盔等，均屬于輕量化框架。由于在測試過程中被試者能夠自由移動，所以試驗的生態(tài)效度能夠得到保證。不僅如此，被試者攜帶穿戴式“眼動儀”時，其所看到的場景能夠被記錄下來。從原理角度來看，電流記錄法“眼動儀”、電磁感應(yīng)法“眼動儀”、圖像/錄像“眼動儀”和瞳孔-角膜反射“眼動儀”均屬于現(xiàn)代“眼動儀”范疇。其中屏幕式“眼動儀”、穿戴式“眼動儀”實現(xiàn)技術(shù)均與瞳孔-角膜反射技術(shù)有關(guān)。現(xiàn)階段，瞳孔-角膜反射技術(shù)已經(jīng)成為“眼動儀”的主流技術(shù)。

“眼動儀”示意圖

瞳孔-角膜反射技術(shù)也被稱為普金野圖像跟蹤法，主要優(yōu)勢在于精準(zhǔn)度高、無創(chuàng)傷，并且不需要接觸。該技術(shù)原理可概括為以下幾點：（1）借助于紅外線對眼睛進行照射。（2）角膜、視網(wǎng)膜反射的紅外線光線，經(jīng)由攝像機進行采集。（3）眼球生理結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)較為特殊，在光源、頭部相對位置無變化的情況下，角膜反射所致的光斑也不會發(fā)生移動。（4）光源光線經(jīng)由瞳孔進入，視網(wǎng)膜反射光線經(jīng)由瞳孔射出。（5）以角膜、瞳孔反射光線角度為依據(jù)，可對眼動方向進行計算。

二、以“眼動儀”為載體的教育措施

（一）學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)措施

學(xué)生在教育活動中所產(chǎn)生的“眼動儀”數(shù)據(jù)，可反映出其課堂中的具體狀態(tài)，通過對其分析、總結(jié)，并將其置于相應(yīng)教育策略下，可對教育活動進行查缺補漏，使其更適合學(xué)生發(fā)展，有助于提升教育水平、質(zhì)量等。根據(jù)相關(guān)實驗研究，在課堂教育中，使用“眼動儀”對學(xué)習(xí)者眼動差異進行記錄，通過數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)者在注視度分配方面存在平均性。而學(xué)習(xí)能力較差的學(xué)習(xí)者注意力分配則明顯存在不均勻現(xiàn)象，并且分布更加傾向于某一部分內(nèi)容，在學(xué)習(xí)內(nèi)容、活動等方面分配較少，進而導(dǎo)致課堂學(xué)習(xí)達不到預(yù)期效果。綜上，教育活動進行設(shè)計可從多個角度入手，提升學(xué)習(xí)效果，達到學(xué)習(xí)目的。

學(xué)習(xí)者不僅需要提升自身學(xué)習(xí)能力，還應(yīng)充實相關(guān)知識。有研究采用“眼動儀”對被試者認知邏輯進行測試，通過對照實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高績效被試者認知邏輯明顯高于低績效被試者。基于此，一些研究人員認為學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)注重教育媒體的使用，優(yōu)化學(xué)習(xí)方案，并且使之與其最近發(fā)展區(qū)相符合。

另一組研究人員借助“眼動儀”收集學(xué)生做閱讀理解時的眼動數(shù)據(jù)，研究結(jié)果顯示，文本字體畫線、加粗或者傾斜時，學(xué)生注意力更加集中，并且記憶效果更好。但是缺點在于學(xué)生對周圍文本的記憶將會減弱。因此，在學(xué)習(xí)過程中，為加深對重難點內(nèi)容的理解，可對文本進行“裝飾”，但是需要做好合理分配工作，避免自身認知資源有限。

利用“眼動儀”能夠?qū)W(xué)生不同狀態(tài)下的眼動數(shù)據(jù)進行收集，具有個性化特點，因此，在數(shù)據(jù)分析完成后，學(xué)生的個人特征更加鮮活，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)更具有針對性的知識內(nèi)容。

“眼動儀”在提升學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效率、改進學(xué)習(xí)方法等方面同樣具有重要意義。研究者可根據(jù)“眼動儀”收集到的學(xué)習(xí)者各項數(shù)據(jù)進行分析，并予以與現(xiàn)象相關(guān)的合理解釋，同時提出相應(yīng)解決措施。研究者探究“眼動儀”在多媒體學(xué)習(xí)中的應(yīng)用價值，結(jié)果顯示，個性化標(biāo)記有利于提升學(xué)習(xí)者記憶。

另一項實驗研究將被試者進行分組，以認知風(fēng)格不同為檢驗指標(biāo)，一組為形象化者，另一組為動詞化者，檢測兩組觀看不同圖文搭配內(nèi)容時的“眼動儀”數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，形象化者對圖像信息注意力更加集中，動詞化者則更加傾向于文本信息。

相關(guān)研究還指出，針對數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)存在障礙的兒童，利用“眼動儀”對兒童學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)時的量化數(shù)據(jù)進行提取，經(jīng)過分析得知，兒童數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)障礙不僅包括先天性原因，還與功能性評價策略不合理等原因相關(guān)。

通過上述研究，利用“眼動儀”數(shù)據(jù)分析學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中存在的問題與困難，不僅能夠滿足學(xué)習(xí)者需要，同時還可幫助學(xué)習(xí)者采用針對性措施進行學(xué)習(xí)活動。

（二）“眼動儀”對學(xué)習(xí)策略的影響

利用“眼動儀”所產(chǎn)生的量化數(shù)據(jù)，結(jié)合外部相關(guān)因素，分析其對學(xué)習(xí)策略的影響。以“眼動儀”為載體，檢驗不同經(jīng)濟情況家庭兒童的平面處理能力，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果顯示，經(jīng)濟情況較差的家庭，兒童注意力轉(zhuǎn)移速度較慢。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者借助“眼動儀”所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)，研究實驗對象閱讀過程中，重點注視的區(qū)域，經(jīng)檢驗后可知，閱讀時人眼活動規(guī)律與閱讀順序相一致。

三、“眼動儀”在教育研究中的應(yīng)用

（一）改善學(xué)習(xí)方法

根據(jù)“眼動儀”數(shù)據(jù)特征，可在此基礎(chǔ)上分析學(xué)習(xí)方法，針對不合理之處，能夠做到及時改進。相關(guān)學(xué)者利用“眼動儀”，探究靜眼訓(xùn)練在兒童抓取技能培養(yǎng)中的應(yīng)用價值，結(jié)果顯示，兒童抓取技能得到明顯提升。另一項研究對學(xué)生調(diào)試C++程序過程中的動眼數(shù)據(jù)進行記錄，通過分析后可知，不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生調(diào)試速度、效果等存在差異。因此，學(xué)生可根據(jù)自身水平不同，采取不同的學(xué)習(xí)策略。另外，關(guān)于學(xué)生注意力不集中、注意力偏差等問題，在學(xué)習(xí)重難點知識時，可采用重復(fù)學(xué)習(xí)方式，加深對知識的理解。

通過上述實驗，傳統(tǒng)認知逐漸被顛覆，為學(xué)習(xí)理論注入全新內(nèi)容，對改進學(xué)習(xí)策略有所幫助。

（二）優(yōu)化學(xué)習(xí)環(huán)境

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，書籍的表現(xiàn)形式也發(fā)生改變。現(xiàn)階段，傳統(tǒng)紙質(zhì)圖書與數(shù)字圖書并存，同時閱讀形式更加多樣，閱讀過程中需要進行解題。將眼動實驗的發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于教育領(lǐng)域中，優(yōu)化學(xué)習(xí)環(huán)境，調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容的布局等。

據(jù)相關(guān)研究表明，讓實驗者佩戴“眼動儀”，使其閱讀圖片上文字，研究針對其眼動路徑進行記錄，并根據(jù)測量結(jié)果，開發(fā)交互學(xué)習(xí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有非侵入性特點，在心理學(xué)評估方面具有重要作用。學(xué)習(xí)者還可借助于該系統(tǒng)對自身閱讀情況進行檢驗。相關(guān)人員借助于“眼動儀”所記錄的熱點圖、興趣區(qū)等相關(guān)數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)課程系統(tǒng)首頁進行優(yōu)化設(shè)計，使學(xué)習(xí)者注視時間縮短，提升學(xué)習(xí)效率。

四、結(jié)語

綜上所述，“眼動儀”在獲取數(shù)據(jù)方面具有多角度、多層次等特點，并且在教育、學(xué)習(xí)領(lǐng)域應(yīng)用效果較好，不僅有利于提升學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效率，還有助于提升學(xué)習(xí)質(zhì)量。我國“眼動儀”研究與應(yīng)用較晚，仍處于起步階段，并且實驗研究以應(yīng)用研究居多。隨著信息化發(fā)展，教育、學(xué)習(xí)應(yīng)逐漸向信息化、智慧化方向靠攏，充分利用多種技術(shù)手段，在此基礎(chǔ)上開展教育研究，進而不斷豐富教育理論與學(xué)習(xí)理論。基于“眼動儀”，我國靜態(tài)教育資源研究取得一定進展，包括幻燈片、紙質(zhì)材料等。但是關(guān)于動態(tài)資源的研究還需要教育研究者不斷深入探索。信息化是教育發(fā)展的必然趨勢，以“眼動儀”為代表的信息技術(shù)在教育中應(yīng)用將會更加廣泛。其量化數(shù)據(jù)的優(yōu)點為教育研究提供嶄新視角，可推動教育研究不斷深入。