基于眼動追蹤分析的多媒體課件改進方法研究

唐幫備 陳昊 陳勝男

本文旨在探討應(yīng)用眼動追蹤技術(shù)對教學課件改進方法，以提升學生對課件的注意力。分析了基于眼動追蹤分析的多媒體教學改進實驗原理，建立了基于眼動追蹤的多媒體教學實驗的研究方法，運用眼動追蹤分析系統(tǒng)探究學生對多媒體課件的注意力和學習效果，在此基礎(chǔ)上，通過實驗分析對多媒體課件進行改進和優(yōu)化，以達到提升學生的注意力和多媒體教學效果的目的。

1 研究背景

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，多媒體已成為不可或缺的教學手段。多媒體教學有巨大的優(yōu)勢，比如，能夠?qū)崿F(xiàn)文字、圖形、圖像、動畫等多種媒體為一體，并且能夠節(jié)省教師書寫板書、畫圖等大量的時間。多媒體教學在傳達的過程中會存在一定的“誤差”，導致學生不能很好的掌握和吸收。在教學過程中，能否使學生的注意保持在教學重點內(nèi)容上是決定教學效果的關(guān)鍵。在老師的講授方式不變的情況下，如何對老師課件PPT進行改進，促進學生更好的掌握知識？是多媒體教學需要亟待解決的問題。

目前國內(nèi)研究者在研究多媒體教學課件優(yōu)化問題上，大多根據(jù)研究者的主觀經(jīng)驗進行改進。傳統(tǒng)的研究方法無法發(fā)現(xiàn)學生對多媒體學習認知過程的規(guī)律，其準確性和可靠性往往受到質(zhì)疑。眼動追蹤技術(shù)能夠直接追蹤觀測學生認知過程，借助眼動追蹤系統(tǒng)記錄學生在觀看多媒體的眼動認知過程，可以更客觀的提出對課件不同的呈現(xiàn)方式對學生認知過程的影響，考察學生是怎么注意或者理解本身的課件的，比如，本來是知識點的內(nèi)容，呈現(xiàn)的課件是否可以足夠吸引學生注意，再此實驗的基礎(chǔ)上，對原有課件改進，然后再進行實驗考察改進版的課件是否增強了學生注意。

2 基于眼動追蹤分析的多媒體教學改進實驗原理

在課堂中，我們利用眼動追蹤技術(shù)記錄學生聽課時的注意力分布情況，并結(jié)合學生對課件的主觀評價，用主客觀量化數(shù)據(jù)來評價老師每張課件的教學效果，可以對教師的課件設(shè)計和講課方式的改進提出建設(shè)性意見。學生在多媒體課堂學習時，80%的知識信息來自于視覺。學生在對學習課件進行認知體驗的眼動模式分為三種，眼跳、注視、凝視。眼跳是指眼睛的注視點的突然改變，以獲取刺激對象的時空信息，但幾乎不能形成刺激的清晰像，其功能是實現(xiàn)對課件內(nèi)容的快速搜索;注視是指眼睛的中央窩對準某一對象的時間超過100ms，在此期間被注視的對象成像在中央窩上，獲得更充分的加工而形成清晰的像;凝視是指持續(xù)注視的過程，此時大腦不僅獲得了對象清晰的成像，并對對象進行了認知思考。學生在進行課件認知體驗過程中，首先通過眼跳來快速搜索和瀏覽刺激課件內(nèi)容，然后通過注視獲得刺激對象的清晰成像，最后通過凝視獲取課件的所表達的重點信息。

3 研究方法與實驗過程

3.1 研究方法

基于眼動追蹤分析的多媒體課件改進方法，如圖2所示。首先將教學課件制作成的測試材料呈現(xiàn)給被試，借助心理量表記錄學生對每一頁課件的展示效果的評價;借助便攜式眼動儀同步記錄被試眼睛的視線軌跡、眼跳、注視、凝視等眼動行為;然后通過被試眼動行為和主觀打分與測試課件的關(guān)聯(lián)分析，判斷學生對于所測試課件的的心理反應(yīng)和眼動認知偏好。

3.2 實驗過程

1）實驗對象

從重慶文理學院機電工程專業(yè)隨機選取30名大學生作為實驗對象，其中男生15名，女生15名。被試者的平均年齡20歲。

2）實驗儀器

采用頭戴式眼動儀一臺，用于記錄實驗對象的眼動數(shù)據(jù)，型號為Dikablis Essential。眼動儀用于記錄學生在處理課件信息時的眼動數(shù)據(jù)，包括注視點，注視時間和次數(shù)，眼跳距離，瞳孔大小等，從而研究學生的內(nèi)在認知過程。Dikablis眼動追蹤系統(tǒng)是德國Ergoneers最新科技研制的高精度、低侵入性的高端眼動儀。Dikablis配有兩個攝像頭：eye-camera和field-camera，前者負責追蹤眼睛，后者負責錄制場景;兩個攝像頭局可以調(diào)節(jié)，eye-camera可以根據(jù)體驗者的不同眼睛和臉部特點進行位置和角度的調(diào)節(jié)，而field-camera則可以根據(jù)測試目標的高度調(diào)節(jié)垂直方向的角度，找到檢測的最佳視角，并可以根據(jù)不同場景的研究需求選擇不同焦距的攝像頭。

3）實驗材料

以機電工程專業(yè)中的《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》課程中第二章節(jié)“金屬切削原理及其應(yīng)用”課件內(nèi)容作為實驗材料，課件的頁數(shù)控制在20頁左右。

4）實驗步驟

a）被試者到達實驗教室后，由主試者引導被試者坐在距離投影屏幕3米左右的左右上，引導被試者放松心情，然后讓被試者簽訂知情同意書。

b）由主試者給被試者佩戴頭戴式眼動儀，進行眼動定標與校準。

c）由主試者向?qū)嵄辉囌呓榻B指導語，在確認理解后，在投影儀上依次呈現(xiàn)課件材料，讓被試者進行學習，學習過程持續(xù)30分鐘。

d）被試者學習結(jié)束后，被試者對每一頁課件的展示效果進行評價。

e）被試者依次進行實驗。

5）數(shù)據(jù)分析與處理

通過數(shù)據(jù)處理軟件對每一頁課件劃分興趣區(qū)，將每頁課件中的重點內(nèi)容劃分為興趣區(qū)1，將非重點內(nèi)容劃分為興趣區(qū)2，對30名被試者的眼動數(shù)據(jù)進行疊加，統(tǒng)計每一頁課件興趣區(qū)1和興趣區(qū)2的眼動數(shù)據(jù)，包括，注視時間、注視次數(shù)、眼跳次數(shù)等，通過Excel形式將數(shù)據(jù)導出，通過重點內(nèi)容興趣區(qū)和非重點內(nèi)容的興趣區(qū)的注視時間多少和注視次數(shù)的數(shù)量來分析學生對課件重點內(nèi)容的注意力和感興趣程度。同時結(jié)合心理量表被試者對每一頁課件的主觀評價值，將主觀評價值和眼動數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，綜合判斷學生對某一頁課件的學習效果和吸引程度。然后對沒一頁課件進行改進，以提高學生對課件的注意力。

4 實驗分析

通過實驗發(fā)現(xiàn)，首先圖像呈現(xiàn)優(yōu)與文字呈現(xiàn)，與映入眼簾一大批密密麻麻的文字相比，圖形呈現(xiàn)能讓同學們更為舒適和愉悅，這種舒適和愉悅的體驗又能驅(qū)使同學們更樂意去學習、精力更加集中;其次，動態(tài)的課件呈現(xiàn)方式優(yōu)于靜態(tài)。動態(tài)的呈現(xiàn)對觀看課件的同學們來說屬于新穎的刺激，更能夠吸引同學們的注意力;而且每次呈現(xiàn)一個或者少數(shù)幾個課程重點，也使得同學們能夠在講述該重點內(nèi)容時投入更多的精力在當前重點上;最后，對文字內(nèi)容中的重點部分做特殊的標記，如更改字體顏色、加粗等，這樣有利于學生更快地把握重點，有利于對知識的學習與強化。這些原則和改進措施不需要足夠?qū)I(yè)的知識與經(jīng)驗，而且工作量較小，可以幫助老師快速調(diào)整已有課件上。

5 結(jié)論與展望

教學課件不是課本的復印版，也不應(yīng)該是老師們的教學腳本，不應(yīng)該把課本里所有的內(nèi)容或者老師們要表述的所有的話都“搬”到教學課件上，而應(yīng)該是呈現(xiàn)出課程的“骨架”和重點，基于眼動追蹤分析的多媒體課件改進方法，可以幫助教師快速的找到現(xiàn)有課件的不足，并進行針對性的改進，改進后的課件可以突出教學的重點，引導學生思考和把握課程重點，對于提升多媒體的教學效果具有重要的作用。

本文系重慶文理學院引進人才項目，項目編號：R2018SJD16;教育部新工科質(zhì)量工程課題資助項目“新產(chǎn)業(yè)形式下的工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探索與實踐”;重慶師范大學教學改革項目，項目編號：201819。

（作者單位：1 重慶文理學院機電工程學院 2 重慶師范大學美術(shù)學院）