基于眼動信息分析的多媒體教學優(yōu)化設計

于雅楠，陳靜，呂潤，張曉偉，劉源超

（天津職業(yè)技術師范大學信息技術工程學院，天津300222）

基于眼動信息分析的多媒體教學優(yōu)化設計

于雅楠，陳靜，呂潤，張曉偉，劉源超

（天津職業(yè)技術師范大學信息技術工程學院，天津300222）

針對優(yōu)化與高校學生密切相關的課堂教學質量問題，選擇30名視力正常的大學生作為被試，采用眼動跟蹤系統(tǒng)記錄被試在閱讀同樣內容的文字版、圖片版、視頻版教學課件設計過程中的眼動信息，對獲取的人體眼動數據進行處理及綜合分析。結果表明：①墨藍字體比紅色和粉色字體更具有吸引力，宋體、仿宋或楷體等字體產生的閱讀效果更好，每頁幻燈片字數建議在150字以內且字號大于40。②添加圖片有助于提高學生的注意力，但圖片的大小及數量需要控制，圖片過大會影響學習效果。③在多媒體教學中適當增加動畫或視頻設計，可以突出教師所要傳達的重點教學內容，提高學生的注意力和興趣度，從而達到良好的教學效果。研究結果為改善多媒體教學課件、提高課堂教學質量提供了參考依據。

眼動；多媒體教學；閱讀；信息對比；優(yōu)化設計

多媒體教學是指在教學過程中，通過教學設計，將現代教學媒體與傳統(tǒng)教學手段結合，以圖像、視聽的方式作用于學生，形成合理的教學結構，并能根據教學目標和教學對象的特點，達到最優(yōu)教學效果的教學。在多媒體教學環(huán)境下，教師借助計算機技術等輔助手段，創(chuàng)設形象生動的教學情境，把抽象復雜的教學內容轉變?yōu)橹庇^、易懂的表現形式，激發(fā)學生的課堂學習興趣，拓展學生積極思維空間，優(yōu)化課堂教學結構，進一步提升課堂教學質量［1］。多媒體教學作為一種新型教學手段和方法在當前的教學過程中尤為重要。因此，教師在進行多媒體教學課件制作、教學形式設計和教學方法選取方面，應更關注課堂知識信息傳遞的有效性探索［2］。一個優(yōu)秀的多媒體教學課件不僅可以儲存、處理和傳遞教學信息，還能實現學生的交互式操作，最大程度地將教學內容予以生動呈現。在課堂教學過程中，眼睛是學生觀察、交流和認知的有效通道，眼球的運動參數是學生對多媒體課件內容的直觀反映，更是學生心理活動的真實表達［3］。例如，在學習過程中，閱讀者眼睛的注視次數、注視時間、瞳孔直徑、掃描路徑、眼跳距離等指標都能側面說明對閱讀內容信息的提取效果。

基于眼動跟蹤在眾多領域的成功應用［4-6］，本研究從影響學生學習效果的關鍵設計因素入手，通過對人眼活動規(guī)律的研究獲取被試學生的眼動數據，深入分析其思維過程，歸納教學課件設計內容和組織形式。與已有研究相比，本研究的創(chuàng)新之處在于基于人體眼動數據客觀反映學生對教學知識的接受程度，深入探究課堂教學過程中多媒體課件的制作方法，優(yōu)化多媒體課件視覺傳達設計，改善多媒體課件的知識內容與結構布局，從而提高學生對教學內容的專注度與興趣，進一步提高教學質量。

1　研究方法

1.1被試

選取30名在校大學本科生作為被試對象進行實驗測試，平均年齡為20歲，被試者裸眼視力或矯正視力均正常，無色盲或色弱。

1.2實驗儀器

使用SMI公司Iview X RED眼動追蹤系統(tǒng)，進行雙眼追蹤采樣，采樣率最高可實現500 Hz，追蹤分辨率0.03°，凝視定位精度小于0.4°。該設備為非接觸式測量，遙控紅外眼部攝像自動記錄被測試者眼睛的運動信息，包括眼睛凝視位置、瞳孔直徑、瞳孔位置、跟蹤位置、眼動圖像等，經過圖像采集與分析，實時計算出眼球的水平和垂直運動時間、注視位置、位移距離、速度及瞳孔直徑等數據。

1.3實驗材料

實驗材料為項目成員設計的3個多媒體教學課件，分別以文字、圖片、視頻等不同形式將教學內容進行呈現，每個實驗材料內容大致相同，通過使用Iview X RED眼動追蹤系統(tǒng)，經眼動信息采集后得出測試數據，再圍繞關鍵數據進行分析。

1.4實驗設計

實驗中，30名被試分別觀看純文字版課件、圖片版課件以及視頻版課件，分別提取眼部運動數據，包括3種基本類型的眼動數據，即注視、眼跳和追隨運動［7］。然后分別對3版課件測試數據進行分析，將純文

字版數據與圖片版數據以及視頻版數據進行對比，分

別得到相應的分析結果。

1.5實驗程序

30名被試分別通過Iview X RED眼動追蹤系統(tǒng)進行測試。首先進行純文字版課件的測試，隨后進行圖片版課件的測試，最后進行視頻版課件的測試。眼動追蹤系統(tǒng)實時捕捉并采集被試者的眼睛凝視位置、瞳孔直徑、瞳孔位置、跟蹤位置、眼動圖像等眼部運動數據，提取其中具有針對性的實驗數據進行對比，完成系統(tǒng)分析并給出結論性的設計指導依據。

1.6數據處理

實驗過程中，由于被試眼部疲勞或頭部移動等原因，實驗儀器無法準確記錄眼動數據或得到無效數據，所以在分析處理時需要進行數據剔除。對提取的30組數據進行整理，分為純文字版測試數據分析、純文字版數據與圖片版數據對比分析，以及純文字版數據與視頻版數據對比分析。項目成員分組對上述3組實驗數據進行處理，分別得到實驗結果后完成匯總。

2　研究結果

2.1純文字版課件數據分析結果

在閱讀過程中，眼睛的注視時間越長、平均瞳孔直徑越大、眨眼頻率越低、掃描路徑越長、眼跳幅度越大及眼跳次數越少，在一定程度上說明閱讀內容對被試者來說更具有吸引力［8］。因此，對純文字版課件的眼動數據進行分析，得到數據如表1所示。

（1）在字號、字體和字數相同的情況下，刺激性溫和的冷色系比刺激性強烈的暖色系更有吸引力，能夠提高被試者的閱讀效果。

（2）在字號、字體顏色和字數相同的情況下，字體規(guī)整的文字比藝術字體更具有吸引力，能夠提高被試者的閱讀效果。

（3）在字體、字號和字體顏色相同的情況下，文字字數適中比字數繁多更具有吸引力，能夠提高被試者的閱讀效果。

表1　純文字版課件分析結果

（4）在字體、字數和字體顏色相同的情況下，大號字體比小號字體更具有吸引力，能夠提高被試者的閱讀效果。

2.2圖片版課件數據分析結果

一般在多媒體課件制作過程中，增加圖片設置往往更能吸引閱讀者的注意力，有助于提高學習效率［9］。通過計算，圖片版課件的眼跳平均速度為73.22°/s，純文字版課件的眼跳平均速度為99.87°/s。相比而言，純文字版課件的眼跳移動速度明顯高于圖片版課件，說明被試者在閱讀純文字版課件時，眼神游離程度較高，不能準確理解并接受測試者所要表述的內容。但研究也發(fā)現，雖然圖片設計可以使被試者的注意力有效集中，但當圖片大小超過當前頁面一半時，被試者對于圖片的關注度過高，也不利于教學內容的傳授。

2.3視頻版課件數據分析結果

2.3.1選取的眼動分析指標

在進行視頻版教學課件的數據分析時，選取的眼動分析指標包括：①注視點持續(xù)時間；②眼跳幅度；③眼跳平均速度；④平均瞳孔直徑［10］。

2.3.2各指標分析

視頻版課件的眼動數據分析結果如表2所示，通過數據對比分析得出如下結論。

表2　各指標分析結果

（1）被試觀看視頻版課件的注視點持續(xù)時間要高于觀看純文字版課件，由此可以得出增加視頻設計更容易吸引被試者的注意力，設計效果要優(yōu)于純文字版課件設計。

（2）在純文字版課件數據中，注視點的幅度變化要高于視頻版課件，說明觀察區(qū)域內有更多的意義性線索，但這種注視點的快速變化容易使被試者丟失課件的主要內容。相反，在視頻版課件中，由于視頻的設置使教學內容表現更加直觀，被試者能更好地理解課件的設計內容。

（3）純文字版課件的視線移動速度明顯高于視頻版課件，這說明被試在對大篇幅文字進行閱讀時，眼神游離程度較高，注意力與關注度下降。眾所周知，教學質量和教學效率的高低與學生對教學內容的關注度密切相關。

（4）在視頻版課件設計中，瞳孔直徑要大于純文字版課件。研究發(fā)現，人類的瞳孔大小不僅受環(huán)境的明暗度影響，還受對注視目標感興趣程度的影響。在環(huán)境明暗度不變的情況下，瞳孔越大則說明對某事物感興趣度越高。另外，頻繁的瞳孔大小變化側面反映人的心理變化過程［11］，因此在使用多媒體教學過程中，重點與非重點內容可借助瞳孔大小的轉換來提高學生的注意力和學習效率。

3　討論

3.1相同內容下不同文本設置的影響

刺激性溫和的冷色系比刺激性強烈的暖色系更具有吸引力，造成這種現象的原因是強烈的顏色會刺激人的眼睛，使人產生不適感甚至眼部疲勞，從而降低學習的集中度與注意力。

在閱讀效果上，規(guī)整的字體設置對閱讀者的吸引程度更高，造成這種現象的原因是規(guī)整字體可以更清楚、更熟知地表現文字內容，而藝術字體往往強調表現的藝術形式，會造成一定程度的視覺干擾，導致學習者的集中度下降。在閱讀的持續(xù)性上，文字繁多會造成人的眼部疲勞與心理疲勞，大篇幅文字敘述會給人一種枯燥無趣感，降低學習者的專注度。另外，文字布局上，人在開始閱讀時，其注視點一般會集中在居中位置或顯眼位置；字號設置上，較大文字能清楚地表達閱讀內容。

3.2圖片與文字設計在教學中的比較

純文字版課件設計在教學中枯燥難懂，影響學生的學習熱情，降低學習效果與課堂教學質量。在文字設計之余，適當加入有趣或者與教學內容相關的圖片設計，可以生動形象地呈現教學內容，激發(fā)學生的學習興趣。與枯燥無味的大篇幅文字敘述相比，適當使用圖片能達到使學生在輕松愉快的氛圍中理解并掌握學習知識的目的。但要注意，過大或過多圖片的加入容易造成學生注意力混亂，使注意力過多地轉移到圖片上，降低學生的學習效率［12］。因此，在教學課件中添加圖片時，要合理控制圖片的數量以及圖片的大小。

3.3視頻與文字設計在教學中的比較

在教學過程中，純文字設計由于形式過于枯燥，使學生在學習過程中易產生疲勞與厭倦感，致使學習的興趣和對知識的吸收受到影響。在多媒體制作時，為避免大篇幅文字出現，適當將動畫或視頻效果運用到教學中，不僅可以使教學內容的表達更為豐富生動，將理論和概念變得更加容易接受，重點內容更為突出，還能激發(fā)學生的學習興趣，促進知識的理解與掌握，提高學生的注意力與關注度，從而達到良好的教學效果。

4　結束語

本文采用眼動追蹤系統(tǒng)記錄30名視力正常的大學生在閱讀同樣內容的文字版、圖片版、視頻版教學課件過程中的眼動信息，對獲取的人體眼動數據進行綜合處理與分析。研究發(fā)現，不同的字體、字號、顏色以及字數設置會產生不同的閱讀效果。通過數據分析，字體相對較大、溫和冷色系、字體規(guī)整并且字數適當的文本設計具有更好的閱讀效果，能夠吸引閱讀者的關注。在設計教學課件時，建議使用溫和的冷色系，例如黑色、深藍色等，也可適當使用刺激性強烈的顏色起到提示作用。在字體方面，建議使用楷體、宋體或仿宋等字體，盡量避免使用藝術字體。在字數方面，建議整張頁面的字數控制在150字以內，字號大于40，需要重點提示的內容可以使用更大字號。另外，在多媒體課件制作時，由于采用純文字設計時字數過多，閱讀者很少能看完所有設計內容，而色彩豐富的圖片和動畫呈現使人印象深刻，所以適當地增加圖片、視頻和動畫效果可以更好地吸引讀者的注意力，有效提高讀者對設計內容的關注度。

多媒體教學作為一種新型的教學手段和授課方法在課堂教學過程中尤為關鍵，教師在設計制作多媒體教學課件時，首先要考慮如何將課堂知識有效地進行傳遞，將教學內容以豐富的形式更為直觀、靈活、生動地予以呈現。基于實驗研究和數據分析，在進行多媒體課件設計時可以通過添加適當的圖片、運用視頻資源及合理的文字設置來提高學生對教學內容的關注度與學習興趣，從而達到提高課堂教學質量的目的。研究結果為完善多媒體教學課件、提高課堂教學質量提供了有力的參考依據。

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Multimedia teaching optimization design based on eye movement information analysis

YU Ya-nan，CHEN Jing，LYU Run，ZHANG Xiao-wei，LIU Yuan-chao
（School of Information Technology and Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Classroom teaching quality for college students is closely related to the optimization，30 college students with normal vision as subjects are selected，and the eye tracking system is used to record information in eye video version of course-ware design in the process of text，pictures，read the same version of the content，processing and comprehensive analysis of the human eye movement data acquisition.The result shows that：1.Ink blue font is more attractive than red and pink，Song typeface，Imitation Song typeface and Regular script have better reading effect.In each page，the number of PPT words less than 150 and the font size larger than 40 is suggested.2.Adding images is helpful to improve the students'attention，but the picture size and quantity need to be controlled.3.Appropriate increase in the animation or video design，in the multimedia teaching to highlight the key teaching content，can improve students'attention and interest，so as to achieve a good teaching effect.The results of the study provide a reference for the improvement of multimedia teaching courseware and the improvement of classroom teaching quality.

eye movement；multimedia teaching；reading；information comparison；optimization design

G434

A

2095－0926（2016）03－0050－04

2016-04-05

國家自然科學基金青年基金項目（61403282）；天津市教委科研計劃項目（20130404）；天津職業(yè)技術師范大學校級重點預研項目（KJY1303）；2014年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201410066010）.

于雅楠（1984—），女，講師，博士，研究方向為計算機控制技術、傳感技術和精密檢測技術.