眼動(dòng)分析在微格教學(xué)中的應(yīng)用

摘要:眼動(dòng)即眼球的運(yùn)動(dòng),眼動(dòng)與人的注意及信息加工有著密切的聯(lián)系。作為一種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)研究方法,眼動(dòng)技術(shù)在心理學(xué)、教育學(xué)以及教育技術(shù)學(xué)研究中的應(yīng)用十分廣泛。本文回顧了眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)及眼動(dòng)儀的發(fā)展,介紹了一種運(yùn)用三維視頻跟蹤技術(shù)快速生成和比較眼動(dòng)軌跡圖的眼動(dòng)軌跡分析方法。最后,對(duì)眼動(dòng)分析在微格教學(xué)中的應(yīng)用情況作了介紹。

關(guān)鍵詞:眼動(dòng) 眼動(dòng)儀三維視頻跟蹤 微格教學(xué)

引言

作為集攝像技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、影像合成技術(shù)為一身的高精度實(shí)驗(yàn)設(shè)備,眼動(dòng)儀及眼動(dòng)分析技術(shù)在教育、心理、教育技術(shù)等研究領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。在教學(xué)研究中引入眼動(dòng)分析,是教育研究科學(xué)化的重要標(biāo)志,本文介紹一種基于三維視頻跟蹤技術(shù)的眼動(dòng)分析方法及其在微格教學(xué)中的應(yīng)用情況。

一、眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)概述

(一)眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容和發(fā)展?fàn)顩r

視覺是人獲取外界信息的重要渠道,早在19世紀(jì)末20世紀(jì)初,就有心理學(xué)家注意到眼睛的觀察和識(shí)別外部信息的過程對(duì)于研究人的信息加工機(jī)制極為重要,并利用簡(jiǎn)易的眼動(dòng)記錄技術(shù)研究人在閱讀資料和識(shí)別圖形時(shí)的眼動(dòng)軌跡,通過研究眼動(dòng)軌跡與視覺信息方面的關(guān)系來研究人的認(rèn)知活動(dòng)和信息加工過程,并將研究結(jié)果應(yīng)用于心理研究和培訓(xùn)閱讀技巧等教學(xué)活動(dòng)之中。20世紀(jì)中后期,隨著電子攝像、影像合成、視線追蹤等技術(shù)的快速發(fā)展,用于眼動(dòng)研究的高精度眼動(dòng)儀得到快速發(fā)展,利用眼動(dòng)技術(shù)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器研究人的信息加工機(jī)制也成為心理學(xué)研究的重要手段,并且在很多專家和學(xué)者的努力下,廣泛應(yīng)用于教育及心理研究領(lǐng)域,形成了一整套科學(xué)、合理的眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法。

綜合各類研究資料對(duì)于眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的介紹,我們可以將眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)法試定義為:“采用基于視線追蹤技術(shù)的高精度眼動(dòng)記錄設(shè)備(眼動(dòng)儀),通過記錄眼動(dòng)軌跡、眼動(dòng)次數(shù)和時(shí)間、眼動(dòng)的方向和距離、瞳孔大小和眨眼的頻率等眼動(dòng)數(shù)據(jù),結(jié)合圖像分析系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件,研究人的眼動(dòng)和視覺信息加工之間的關(guān)系等心理機(jī)制的一種科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法?！?/p>

(二)眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)記錄的眼動(dòng)方式及常用參數(shù)[1.2.3.6]

眼動(dòng)通常有三種基本方式:注視(faxations)、眼跳(saccades)和追隨運(yùn)動(dòng)(pursuit movement)。[2.pp.5-13][1,6]。

上述三種眼動(dòng)方式常常是相伴產(chǎn)生的,目的是在于選擇信息并生成需要注意的物體的清晰的影像,眼動(dòng)的規(guī)律可以反映出人對(duì)于外界信息的關(guān)注度、選擇信息的方式和興趣,對(duì)于研究人的認(rèn)知加工等心理機(jī)制具有重要意義。為了準(zhǔn)確反映眼動(dòng)的規(guī)律,使用眼動(dòng)儀進(jìn)行的眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中通常需要記錄眼動(dòng)軌跡(注視點(diǎn)序列)、眼動(dòng)次數(shù)、眼動(dòng)時(shí)間、眼動(dòng)方向和眼動(dòng)距離幾項(xiàng)主要參數(shù):

(三)眼動(dòng)儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[2.4.5.6]

目前大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)所使用的眼動(dòng)儀,是集合了傳感技術(shù)、攝像技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、影像合成技術(shù)為一身的高精密的眼動(dòng)記錄和分析設(shè)備,目前較為成熟和完善的產(chǎn)品有加拿大SR公司生產(chǎn)的Eyelink-II眼動(dòng)追蹤記錄系統(tǒng)、德國(guó)SMI公司研發(fā)的SMI眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)、美國(guó)應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的ASL504、501系統(tǒng)等 [4]。

為了能準(zhǔn)確的觀察、記錄眼動(dòng)方式及眼動(dòng)軌跡等數(shù)據(jù),多數(shù)研究中所提到的眼動(dòng)儀通常由四個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成:(1)眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)(Eys-Movement Tracking System),用于判斷、追蹤和記錄眼動(dòng)信息。(2)監(jiān)視及實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)(Surveillance and control systems),用于向被試呈現(xiàn)材料(刺激物)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。(3)眼動(dòng)信息與視覺場(chǎng)景合成系統(tǒng)(Eyes-Movement & Vision scene Composite System ),將眼動(dòng)注視點(diǎn)與視覺場(chǎng)景合成,生成眼動(dòng)影像。(4)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)(Data Analysis system),對(duì)眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)操作。

二、基于三維視頻跟蹤技術(shù)的眼動(dòng)分析技術(shù)[7.8.9]

眼動(dòng)分析是眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)容,是指通過統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)眼動(dòng)影像或眼動(dòng)軌跡等數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、處理、比較,從而掌握眼動(dòng)規(guī)律的研究方式。與第三方儀器或軟件的聯(lián)合運(yùn)用,是眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)和眼動(dòng)分析技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)[2]。

三維視頻跟蹤技術(shù)是影視后期特效制作中所常用特效技術(shù),與眼動(dòng)儀所用的視線追蹤技術(shù)相比,二者有一定的相似之處。三維視頻跟蹤技術(shù)雖然不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)眼動(dòng)分析系統(tǒng)的作用,但在快速生成、分析、比較眼動(dòng)軌跡等方面,運(yùn)用三維視頻跟蹤技術(shù)進(jìn)行眼動(dòng)分析,可以起到簡(jiǎn)化眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)流程、提升眼動(dòng)數(shù)據(jù)分析處理工作效率的作用。

(一)三維視頻跟蹤技術(shù)概述

視頻跟蹤技術(shù)(Tracking,也稱追蹤技術(shù))是影視后期特效制作、數(shù)字影像合成中所常用的特效技術(shù),原本用于解決攝像拍攝的動(dòng)態(tài)影像和使用三維軟件制作的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行合成的問題,大多數(shù)高端的影像后期特效合成系統(tǒng)及軟件(如Inferno*、Nuke)都具有視頻跟蹤功能。[9]

視頻跟蹤通常是這樣一個(gè)過程:(1)在已經(jīng)用攝像機(jī)拍攝完成的動(dòng)態(tài)影像中,選擇影像畫面上的一個(gè)特征區(qū)域(跟蹤點(diǎn),Tracking Point或Tracker)(2)由計(jì)算機(jī)及影視特效合成軟件自動(dòng)計(jì)算、分析在系列動(dòng)態(tài)圖像上這個(gè)特征區(qū)域隨著時(shí)間的推進(jìn)而發(fā)生的位置變化,并自動(dòng)生成位置變化的軌跡點(diǎn)。(3)跟蹤得到的“軌跡”是一系列的位移數(shù)據(jù),可以對(duì)這些位移數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比較、使用腳本分析其出現(xiàn)的時(shí)間,并可以將這些數(shù)據(jù)以通用的文本方式導(dǎo)出到其他程序中。

三維跟蹤(3DTracking),亦稱“三維攝像機(jī)跟蹤(3DCameraTracking)”,這種跟蹤方式,可以跟蹤和自動(dòng)計(jì)算出動(dòng)態(tài)影像畫面中的相對(duì)位置不變的多個(gè)特征區(qū)(跟蹤點(diǎn))的位置信息,從而計(jì)算出拍攝影像畫面的攝像機(jī)的位置和移動(dòng)信息。

(二)在眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中使用三維視頻跟蹤技術(shù)計(jì)算、生成眼動(dòng)軌跡

在眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,我們可以通過眼動(dòng)儀來記錄眼動(dòng)的信息,并把眼睛的注視點(diǎn)與視覺場(chǎng)景畫面相疊加,生成包含眼動(dòng)注視點(diǎn)的眼動(dòng)影像。

三維視頻跟蹤技術(shù)不但可以根據(jù)眼動(dòng)儀生成的眼球注視點(diǎn)作為跟蹤點(diǎn)計(jì)算出在影視圖像畫面中的位移信息(即眼動(dòng)軌跡),而且可以根據(jù)跟蹤畫面中的多個(gè)特征區(qū)域來反向計(jì)算出人的眼睛在真實(shí)世界中的原始位置三維數(shù)據(jù)信息。

(三)在眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中使用三維視頻跟蹤技術(shù)進(jìn)行眼動(dòng)分析的三種主要方式

1、使用視頻跟蹤技術(shù)批量計(jì)算眼動(dòng)影像,快速生成注視點(diǎn)的眼動(dòng)軌跡,所生成的眼動(dòng)軌跡可以與其他眼動(dòng)軌跡進(jìn)行比較、疊加等操作,可方便、直觀的分辨出眼動(dòng)軌跡之間的差異。

2、使用三維跟蹤技術(shù),通過在眼動(dòng)影像選擇多個(gè)特征區(qū)域(跟蹤點(diǎn),Tracker),反向計(jì)算出人的眼睛在真實(shí)世界中的三維位移。并在同一界面內(nèi),具備眼動(dòng)時(shí)間、眼動(dòng)次數(shù)、眼動(dòng)方向和距離等信息的比較功能,比較的結(jié)果可以與人眼的三維位移數(shù)據(jù)進(jìn)行二次比對(duì)。

3、對(duì)眼動(dòng)軌跡的修正和編輯。使用三維視頻跟蹤技術(shù),允許根據(jù)時(shí)間軸對(duì)眼動(dòng)軌跡進(jìn)行手動(dòng)修正,刪除不需要保留的軌跡。

(四)使用三維視頻跟蹤技術(shù)進(jìn)行眼動(dòng)分析的優(yōu)勢(shì)

1、支持眼動(dòng)分析的批量操作。利用腳本可快速生成和輸出眼動(dòng)軌跡圖,并可按腳本設(shè)置直接對(duì)眼動(dòng)軌跡進(jìn)行疊加比較。

2、可對(duì)同一時(shí)間維度的不同眼動(dòng)軌跡圖進(jìn)行比較,也可對(duì)眼動(dòng)次數(shù)和眼動(dòng)時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3、支持圖像比較和處理插件,可以輸出眼動(dòng)軌跡圖到專用圖像比較軟件中進(jìn)行圖像比較。

4、可支持各種不同類型的眼動(dòng)儀,可對(duì)不同眼動(dòng)儀生成的眼動(dòng)影像進(jìn)行跟蹤和比較。

三、眼動(dòng)分析在微格教學(xué)中的應(yīng)用

微格教學(xué)(Micro Teaching),是一種以教育學(xué)、心理學(xué)理論為基礎(chǔ),以現(xiàn)代教育技術(shù)為手段,以訓(xùn)練學(xué)生掌握某種教學(xué)技能、技巧為目標(biāo)的小規(guī)模教學(xué)活動(dòng)。通過教學(xué)實(shí)踐證明,微格教學(xué)對(duì)幫助師范類專業(yè)學(xué)生和在職教師掌握、提高課堂教學(xué)技能來說,是一種有效的教育教學(xué)技能訓(xùn)練方法。[9,10,11]

在獲得肯定的同時(shí),傳統(tǒng)的微格教學(xué)在實(shí)際訓(xùn)練中也暴露出了一些問題和不足,如對(duì)教學(xué)技能的訓(xùn)練或評(píng)價(jià)缺少客觀科學(xué)、量化的指標(biāo)――導(dǎo)致部分技能訓(xùn)練內(nèi)容流于形式,無法對(duì)教學(xué)技能的掌握程度以及教學(xué)效果做出客觀評(píng)價(jià)。通過引入基于三維跟蹤技術(shù)的眼動(dòng)分析法,可以解決傳統(tǒng)微格教學(xué)訓(xùn)練缺乏量化指標(biāo)的問題,目前在微格教學(xué)中應(yīng)用眼動(dòng)分析主要有以下兩方面的內(nèi)容:

(一)幫助微格教學(xué)研究建立科學(xué)量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

在微格教學(xué)的各個(gè)教學(xué)技能訓(xùn)練中,由于微格教學(xué)中主要關(guān)注反映教師或?qū)W生注意力變化的因素,眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)法可以對(duì)學(xué)生在教學(xué)過程中感興趣和關(guān)注的內(nèi)容進(jìn)行研究,幫助微格教學(xué)擬定出科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)指標(biāo):

1、對(duì)多媒體教學(xué)技能進(jìn)行研究,在多媒體教學(xué)中,研究學(xué)生注視多媒體課件的次數(shù)、時(shí)間和眼動(dòng)軌跡,可以了解課件中的哪些元素能夠引起學(xué)生的注意和興趣、了解教師在講臺(tái)上的活動(dòng)對(duì)于學(xué)生的注意力是否集中有何影響。

2、對(duì)教師的講授技能進(jìn)行研究。通過對(duì)聽課學(xué)生的眼動(dòng)軌跡的記錄和分析,了解哪些正確的教學(xué)行為能夠充分引進(jìn)學(xué)生的注意、能夠使學(xué)生在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)集中注意力。

3、對(duì)教師講課時(shí)的注意分配進(jìn)行研究。通過研究不同教師上課時(shí)的眼動(dòng)軌跡,對(duì)教師的教學(xué)時(shí)的注意分配問題進(jìn)行分析和比較。

4、在對(duì)微格教學(xué)開展的眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,結(jié)合三維視頻跟蹤技術(shù),快速對(duì)大量學(xué)生或教師在教學(xué)技能訓(xùn)練中的眼動(dòng)軌跡進(jìn)行對(duì)比,對(duì)教師和學(xué)生在教學(xué)訓(xùn)練中的信息加工過程進(jìn)行比較,分析其差異。

(二)拓展微格教學(xué)的研究領(lǐng)域

傳統(tǒng)的微格教學(xué),主張對(duì)教學(xué)過程中的教師進(jìn)行各種教學(xué)技能訓(xùn)練,但對(duì)于教學(xué)中學(xué)生的學(xué)習(xí)(自學(xué))技能及某些特殊的教學(xué)形式,卻很少涉及。在微格教學(xué)和研究中引入眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)法,不但能夠?yàn)槲⒏窠虒W(xué)的教師訓(xùn)練和評(píng)價(jià)指標(biāo)的制定提供科學(xué)依據(jù),更可以拓寬微格教學(xué)的研究領(lǐng)域:

1、對(duì)于一些以傳授知識(shí)為主的學(xué)科(如語文、數(shù)學(xué)、歷史),通過眼動(dòng)分析即可以對(duì)學(xué)生完成作業(yè)、閱讀文字材料、網(wǎng)上在線閱讀、進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)內(nèi)容的績(jī)效問題進(jìn)行研究。

2、對(duì)于一些以技能訓(xùn)練為主的學(xué)科(如射擊),在一些體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中,對(duì)運(yùn)動(dòng)員眼動(dòng)模式和眼動(dòng)軌跡的分析研究,既可以為提高運(yùn)動(dòng)員成績(jī)提供參考,又能夠幫助教練和運(yùn)動(dòng)員依據(jù)自身特點(diǎn),制定適合其特點(diǎn)的教學(xué)訓(xùn)練方案。

3、對(duì)于一些特殊的教學(xué)領(lǐng)域(如雜技演員),合理地對(duì)自己的注意力進(jìn)行分配是雜技演員表演成功的關(guān)鍵,我們通過記錄和分析學(xué)習(xí)者的眼動(dòng)軌跡和眼動(dòng)模式,了解學(xué)習(xí)者在注意分配方面的情況,并制定出相應(yīng)的教學(xué)和訓(xùn)練方案。

4、在設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)中(如美術(shù)設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)),研究消費(fèi)者的眼動(dòng)模式和眼動(dòng)軌跡,可用于分析和比較不同的消費(fèi)者對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求,對(duì)設(shè)計(jì)人員的培養(yǎng)方式提供參考。而對(duì)于設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)教育中,也可通過研究設(shè)計(jì)人員的眼動(dòng)模式和眼動(dòng)軌跡,分析設(shè)計(jì)人員產(chǎn)生錯(cuò)誤設(shè)計(jì)的原因,并制定出糾錯(cuò)方案。

參考文獻(xiàn):

[1]Robert J K Jacob, Keith S Karn. Eye tracking in human computerinteraction and usability research: Ready to deliver the pormises[J].Computer Vision and Image Understanding, 2003; 24: 682～701

[2]閻國(guó)利. 眼動(dòng)分析法在心理學(xué)研究中的應(yīng)用[M].天津:天津教育出版社,2004.

[3]Andrew T Copola.Idiosyncratic characteristics of saccadic eye movementwhen viewing different visual environments[J].Vision Research,1999; 39: 2947～2953

[4]Sohel Merchant.Eye Movement Research in aviation and Commerciallyavailable eye trackers today.2001

[5]Young, D Sheena.Methods & designs : survey of eye movementrecording methods[J].Behav Res Methods Instrum, 1975; 7( 5) : 397～224

[6]Stato S.Does fatigue exist in a quantitative measurement of eye

movement[J].Ergonomics, 1992; 35( 5) : 607～615

[7]Autodesk Inc.Flame 9.0 users guide[M].Discreet Inc.2006:1455～1494

[8]Autodesk Inc.Inferno 6.0 usersguide[M].D iscreet Inc.2006:1789～1807

[9]李昱,周進(jìn).數(shù)字影視后期制作高級(jí)教程[M].北京:中國(guó)青年出版社,2001.46～49

[10]郭友.新課程下的教師教學(xué)技能與培訓(xùn)[M].首都師范大學(xué)出版社.2004.8

[11]孟憲凱.微格教學(xué)基本教程[M].北京師范大學(xué)出版社.1992

[12]吳乃域. 中學(xué)課堂教學(xué)技能與教學(xué)技能培訓(xùn)[M],重慶大學(xué)出版社,1997.8

作者:

穆陟晅 貴州師范大學(xué),中國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)微格教學(xué)專業(yè)委員會(huì)副秘書長(zhǎng)