基于眼動追蹤技術(shù)的研究型教學(xué)體系建設(shè)

田媚 黃雅平 李清勇 鄒琪

文章編號：1672-5913（2015）03-0037-04

中圖分類號：G642

摘要：介紹基于眼動追蹤技術(shù)的研究型教學(xué)體系在本科和研究生教學(xué)中的運(yùn)用，闡述如何建立全方位科教融合的研究型教學(xué)體系，通過教學(xué)實(shí)踐和有益嘗試促進(jìn)該學(xué)科的教學(xué)效果、推進(jìn)教學(xué)改革

關(guān)鍵詞：研究型教學(xué)；體系建設(shè)；眼動追蹤

0 引 言

近年來，眼動追蹤技術(shù)逐漸成為國內(nèi)外相關(guān)科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。德國SMI公司生產(chǎn)的眼動儀系統(tǒng)-iView X RED250搭建了眼動追蹤平臺，平臺包括了刺激圖像顯示計(jì)算機(jī)、紅外電源、LED攝像頭和一個工作站，進(jìn)行眼動數(shù)據(jù)記錄和分析，如圖l所示。

以眼動追蹤平臺為立足點(diǎn)，建立全方位的基于眼動追蹤技術(shù)的研究型教學(xué)體系，充分體現(xiàn)了科教融合的新思想。筆者在本科生、研究生畢業(yè)設(shè)計(jì)課題中探索眼動追蹤技術(shù)在高級語言程序設(shè)計(jì)、多媒體技術(shù)及應(yīng)用課程中的教學(xué)研究在研究型教學(xué)體系建設(shè)中，我們建立了明確的教學(xué)目標(biāo)，在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、重視基礎(chǔ)教學(xué)的同時，注重培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐和科學(xué)研究能力。

1 眼動追蹤教學(xué)體系的整體方案

眼動追蹤技術(shù)是通過眼動研究洞察被試行的潛意識行為，判斷出被試者的真實(shí)意愿，從而在理解被試者潛意識偏好的基礎(chǔ)上進(jìn)一步預(yù)測其行為特征。眼動追蹤技術(shù)可以記錄被試者在屏幕上視線停留的空間位置及瀏覽屏幕的路徑和眼睛轉(zhuǎn)移過程，揭示被試者在使用過程中所采取的使用策略，反映被試者在體驗(yàn)過程中的滿意樣度。因此，眼動追蹤技術(shù)可以更直觀地測試到被試者在瀏覽軟件界面與使用軟件功能時的具體表現(xiàn)過程，它在多個方面突破了傳統(tǒng)研究方法的局限。更加客觀、全面地記錄被試者體驗(yàn)過程的感受與體驗(yàn)數(shù)據(jù)，更加細(xì)致而又準(zhǔn)確地捕捉到被試者的感興趣區(qū)域。

目前，眼動追蹤技術(shù)多被應(yīng)用于心理學(xué)、營銷學(xué)、廣告學(xué)、人為因素學(xué)、人體工效學(xué)等領(lǐng)域，有些研究已將眼動追蹤研究技術(shù)應(yīng)用在視頻游戲娛樂設(shè)備及汽車的外觀設(shè)計(jì)的評估中。眼動追蹤技術(shù)在國外研究中普及率較高，國內(nèi)研究還較少使用眼動追蹤技術(shù)。因此，基于眼動追蹤技術(shù)的研究型教學(xué)體系建設(shè)，是極具發(fā)展?jié)摿Φ难芯啃徒虒W(xué)領(lǐng)域。

其整體方案包括3部分：①將眼動追蹤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于本科高級語言程序設(shè)計(jì)課程中，以實(shí)際可視的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對眼動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行各種程序設(shè)計(jì)和分析。這一方面可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)類課程的興趣；另一方面通過實(shí)際項(xiàng)目的動手實(shí)踐，學(xué)生不僅能掌握高級程序設(shè)計(jì)語言的知識，更重要的是在實(shí)踐中逐步掌握程序設(shè)計(jì)的思想和方法，培養(yǎng)問題求解和語言的應(yīng)用能力；②將眼動追蹤技術(shù)應(yīng)用于研究生多媒體技術(shù)及應(yīng)用課程中。作為多媒體技術(shù)的最新前沿知識，在課堂中引入眼動追蹤的基本技術(shù)和知識，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)了解最新前沿眼動追蹤技術(shù)、紅外傳感技術(shù)等：指導(dǎo)學(xué)生用眼動追蹤技術(shù)提升網(wǎng)站可用性，進(jìn)行智能手機(jī)界面、相關(guān)應(yīng)用軟件可用性眼動研究并在智能手機(jī)上模擬實(shí)現(xiàn)；③將眼動追蹤技術(shù)與注意機(jī)制的研究相結(jié)合，指導(dǎo)碩士研究生和本科生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)課題研究。指導(dǎo)碩士研究生和本科生深入研究現(xiàn)有注意機(jī)制的基礎(chǔ)理論并收集生物學(xué)最新成果，將眼動追蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果與注意模型相結(jié)合，建立符合人類感知特性的注意感知模型。

2 眼動追蹤應(yīng)用于本科生教學(xué)

高級語言程序設(shè)計(jì)為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息安全和生物醫(yī)學(xué)工程的專業(yè)基礎(chǔ)課，是專業(yè)主干課程。教學(xué)對象是相應(yīng)專業(yè)的一年級本科生，教學(xué)使用的高級語言是C語言。課程教學(xué)內(nèi)容由淺入深，教學(xué)過程圍繞用高級程序設(shè)計(jì)語言解決問題所需掌握的數(shù)據(jù)模型和算法的設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試和實(shí)施等知識與技能開展教學(xué)工作，并通過教學(xué)過程開拓學(xué)生的各方面專業(yè)知識面，提高專業(yè)興趣，為后續(xù)課程打下牢固基礎(chǔ)。

我們在多年的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)高級語言程序設(shè)計(jì)的過程中存在以下2個主要問題。

1）學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性不夠。高級語言程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)需要多練，通過大量的編程訓(xùn)練，在實(shí)踐中掌握語言知識，培養(yǎng)程序設(shè)計(jì)的基本能力，逐步理解和掌握程序設(shè)計(jì)的思想和方法。但對于剛剛步人大學(xué)校園的一年級學(xué)生來說，他們并不明白掌握一門語言課程有什么樣的重要性，也不清楚學(xué)會這門課程對于他們的實(shí)際學(xué)習(xí)生活會有怎樣的幫助和改變，所以在教學(xué)的過程中為學(xué)生建立一個明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，有助于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2）研究型教學(xué)的特色在課程中體現(xiàn)不夠充分。創(chuàng)新性教育需要有相應(yīng)的教學(xué)模式，讓學(xué)生在“研究”中學(xué)習(xí)，在探索中發(fā)現(xiàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新精神。高級語言程序設(shè)計(jì)的教學(xué)過程應(yīng)該以課程內(nèi)容和學(xué)生的學(xué)識積累為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性地運(yùn)用知識和能力，自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題，在研討中積累知識、培養(yǎng)能力和鍛煉思維。為了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，我們向大一學(xué)生介紹眼動追蹤平臺，并鼓勵他們積極參與到眼動追蹤實(shí)驗(yàn)中，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

iView X RED眼動儀系統(tǒng)包含15寸筆記本系統(tǒng)工作站一臺、遙測式眼動追蹤系統(tǒng)一套（軟件狗一個，22時液晶顯示器一臺和雙眼眼動跟蹤模塊一個）、iView X RED眼動操作軟件一套、Experiment Center實(shí)驗(yàn)中心軟件一套、BeGaze分析軟件一套和BeGaze Vieo動態(tài)視頻分析包一套。其中，BaGaze軟件功能強(qiáng)大，可以對數(shù)據(jù)文件作各種分析，如掃描路徑分析，逐點(diǎn)連續(xù)顯示注視點(diǎn)位置及各個注視點(diǎn)的數(shù)據(jù)（開始、結(jié)束、持續(xù)時間、位置坐標(biāo)、凝視事件、掃視跳躍事件、角速度、角加速度、眨眼等）；興趣區(qū)編輯器，用戶可以在視頻中設(shè)定多個興趣區(qū)（矩形、圓形、任意多邊形等），以顏色區(qū)分，興趣區(qū)的位置變化可以定義到每一幀，也可以連續(xù)幾幀定義；興趣區(qū)順序分析，時間為X軸，興趣區(qū)為Y軸，顯示隨時間進(jìn)行，視點(diǎn)在各個興趣區(qū)之間的轉(zhuǎn)換過程，用于分析人的視覺變化過程。學(xué)生在使用眼動追蹤系統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)的過程中，通過分析軟件可以使枯燥的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果以豐富的可視化的形式再現(xiàn)以及通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析凸顯數(shù)據(jù)內(nèi)在關(guān)系，都極大地激發(fā)了同學(xué)們對高級語言程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)興趣。

眼動追蹤平臺的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能可以用不同格式的文件導(dǎo)出所有原始數(shù)據(jù)和所有軟件處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果。岡此，我們由可以進(jìn)一步將眼動平臺的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于本科高級語言程序設(shè)計(jì)課程中。讓學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)對眼動平臺的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的文件讀寫，對數(shù)據(jù)結(jié)果建立鏈表進(jìn)行存儲，對數(shù)據(jù)結(jié)果設(shè)計(jì)算法進(jìn)行分析，嘗試將多種數(shù)據(jù)結(jié)果以不同的方式進(jìn)行旱現(xiàn)。這些內(nèi)容都可以作為高級語言程序設(shè)計(jì)的課程實(shí)驗(yàn)。通過對以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分析，用戶可以在有必要時輕松實(shí)現(xiàn)更改參數(shù)的行為。為了更加適應(yīng)研究要求，設(shè)計(jì)程序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和再現(xiàn)，可以輕松地從被試者、事件、興趣區(qū)或時間、圖表或統(tǒng)計(jì)表等角度進(jìn)行深入研究。

3 眼動追蹤應(yīng)用于研究生教學(xué)

多媒體技術(shù)及應(yīng)用是一門涉及多個學(xué)科的交義領(lǐng)域，通過對該課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握多媒體技術(shù)的基礎(chǔ)知識，包括多媒體的相關(guān)概念、多媒體壓縮技術(shù)、圖像、視頻和音頻數(shù)據(jù)等，此外在課程的學(xué)習(xí)中不斷增加最新多媒體技術(shù)發(fā)展的相火課題，拓寬學(xué)生知識面和刈新技術(shù)的了解。在多媒體新技術(shù)介紹中，一個很重要的部分就是將眼動追蹤技術(shù)應(yīng)用于研究生多媒體技術(shù)及應(yīng)用課程中。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)了解最前沿眼動追蹤技術(shù)、紅外傳感技術(shù)，并進(jìn)行眼動實(shí)驗(yàn)。我們在研究生課程實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了豐富的基于眼動追蹤的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要包括：

1）查找并全面了解不同品牌的世界先進(jìn)眼動儀的整體結(jié)構(gòu)和硬件系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)報告中進(jìn)行梳理總結(jié)比較，給出查找網(wǎng)址或論文情況，然后對至少4個不同品牌的主流眼動儀的整體結(jié)構(gòu)和硬件系統(tǒng)做出詳細(xì)研究，然后對國內(nèi)外有成果或源程序的相關(guān)研究進(jìn)行展示或再現(xiàn)。

2）全面查找眼動追蹤技術(shù)的最新中英文文獻(xiàn)（包括國際頂級會議和期刊，以英文文獻(xiàn)為主），將文獻(xiàn)根據(jù)時間和發(fā)表檔次進(jìn)行整理，就眼動追蹤技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述性報告（相關(guān)研究大概分幾類、每類研究參與的國家、大學(xué)、研究單位及研究者等基本信息，以及每類研究的代表性技術(shù)），系統(tǒng)深入地研究某3種眼動追蹤技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容并編程實(shí)現(xiàn).

3）以RED眼動儀為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分別進(jìn)行網(wǎng)站可用性和智能手機(jī)界面及相關(guān)應(yīng)用軟件可用性眼動研究，基本內(nèi)容和要求為：①調(diào)研國際現(xiàn)有智能手機(jī)的特點(diǎn)，分類了解不同網(wǎng)站、智能手機(jī)的使用情況；②采用德國SMI公司眼動儀iWiew X RED（桌面遙測式眼動儀）系統(tǒng)對不同網(wǎng)站、智能手機(jī)操作平臺及流行應(yīng)用軟件進(jìn)行測試，將眼動追蹤技術(shù)引入應(yīng)用軟件可用性的評估中；④根據(jù)測試結(jié)果的輸出數(shù)據(jù)和研究結(jié)果總結(jié)出提高網(wǎng)站可用性、智能手機(jī)界面和應(yīng)用軟件可用性的指導(dǎo)性原則。

4）全面查找基于視覺注意機(jī)制的目標(biāo)檢測或識別模型及算法的最新中英文文獻(xiàn)；在深入了解現(xiàn)有注意機(jī)制模型優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，霞點(diǎn)選擇3種公布算法源程序的注意模型編程實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于特定目標(biāo)檢測任務(wù)；讓被試者采用德國SMI公司眼動儀iWiew X RED（桌面遙測式眼動儀）系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將注意模型和眼動實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較分析，對比分析研究人眼注視點(diǎn)和機(jī)器提取的顯著區(qū)域之間的差別。

通過實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們一方面學(xué)會了學(xué)術(shù)資料、科技文獻(xiàn)的查閱整理方法，了解了多媒體技術(shù)中的先進(jìn)硬件技術(shù)和軟件算法，使得研究生具備了進(jìn)行科研工作的最基本學(xué)習(xí)能力和知識儲備；另一方面通過實(shí)際動手編寫程序和使用眼動儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高了研究生的實(shí)踐能力。

4 眼動追蹤應(yīng)用本科和研究生畢業(yè)設(shè)計(jì)

我們將眼動追蹤技術(shù)與注意機(jī)制的研究相結(jié)合，指導(dǎo)碩士研究生和本科生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)課題研究。對于碩士研究生，主要是深入研究現(xiàn)有注意機(jī)制的基礎(chǔ)理論并收集生物學(xué)最新成果，將眼動追蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果與注意模型相結(jié)合，建立符合人類感知特性的注意感知模型，具體研究內(nèi)容包括：

1）學(xué)習(xí)視覺注意機(jī)制和目標(biāo)檢測的基礎(chǔ)理論，調(diào)研國內(nèi)外現(xiàn)有基于注意機(jī)制的目標(biāo)檢測模型。調(diào)研國際上現(xiàn)有眼動儀的發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)特點(diǎn)，了解眼動儀系統(tǒng)的構(gòu)成。

2）在深入了解現(xiàn)有注意機(jī)制模型優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究美國南加利福尼亞大學(xué)的Ilab實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)研究成果，以數(shù)據(jù)驅(qū)動的注意模型為重點(diǎn)，分析Itti模型的原理及算法，并將模型算法應(yīng)用于目標(biāo)檢測任務(wù)中。

3）讓被試者采用德國SMI公司眼動儀iWiew X RED（桌面遙測式眼動儀）系統(tǒng)來完成與注意模型相同的目標(biāo)檢測任務(wù)，將兩者的結(jié)果進(jìn)行比較分析，研究人眼注視點(diǎn)和注意模型提取的顯著區(qū)域之間的異同，從而有效地評估注意模型的性能并進(jìn)行注意模型算法改進(jìn)可行性分析。

對于本科生，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中引導(dǎo)學(xué)生用眼動追蹤技術(shù)提升網(wǎng)站可用性，進(jìn)行智能手機(jī)界面、相關(guān)應(yīng)用軟件可用性眼動研究并在智能手機(jī)上模擬實(shí)現(xiàn)，具體研究內(nèi)容包括：

1）將眼動追蹤技術(shù)應(yīng)用于智能手機(jī)應(yīng)用軟件的可用性評估中，并與傳統(tǒng)的可用性評估方法相結(jié)合，提出手機(jī)軟件可用性眼動評估模型。該模型重點(diǎn)研究將注視點(diǎn)數(shù)、掃描路徑圖和興趣區(qū)時間柱狀圖等眼動數(shù)據(jù)與問卷調(diào)查、用戶訪談等傳統(tǒng)可用性評估指標(biāo)相結(jié)合，對微信、QQ、飛信、米聊和陌陌5款手機(jī)即時通訊軟件進(jìn)行垂直研究分析，衡量對比智能手機(jī)應(yīng)用軟件的可用性水平，根據(jù)評估結(jié)果得出提高手機(jī)軟件可用性的指導(dǎo)原則；以提出的可用性指導(dǎo)原則作為開發(fā)依據(jù)，使用Android開發(fā)平臺對手機(jī)QQ軟件進(jìn)行改進(jìn)，再進(jìn)行可用性分析。該模型對指導(dǎo)手機(jī)軟件可用性評估的實(shí)踐及在開發(fā)過程中提高智能手機(jī)應(yīng)用軟件的可用性有著重要的意義。

2）采用德國SMI公司眼動儀iWiew XRED（桌面遙測式眼動儀）系統(tǒng)對不同功能網(wǎng)站的頁面布局進(jìn)行測試，將眼動追蹤技術(shù)引入網(wǎng)站可用性的評估中。將測試結(jié)果的輸出數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)可用性評估指標(biāo)相結(jié)合進(jìn)行分析研究，根據(jù)研究結(jié)果總結(jié)出提高網(wǎng)站可用性的指導(dǎo)性原則。依據(jù)指導(dǎo)性原則進(jìn)行網(wǎng)站設(shè)計(jì)，再用眼動儀系統(tǒng)進(jìn)行可用性分析。

5 結(jié)語

基于眼動追蹤技術(shù)的研究型教學(xué)體系建設(shè)已實(shí)施2年，無論是課堂教學(xué)，還是研究生、本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)，都取得了很好的效果。近3年來，該方向已有2名碩士研究生、10名本科生完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，還有3名碩士研究生正在從事該方向課題研究，今年計(jì)劃指導(dǎo)2～3名本科生繼續(xù)進(jìn)行深入研究。通過研究我們希望對今后的基于眼動追蹤技術(shù)的研究型教學(xué)體系進(jìn)行進(jìn)一步完善，以取得更好的教學(xué)效果。