基于眼動技術(shù)的計算機輔助教學比較研究

徐 策，陳夢翔

(溫州科技職業(yè)學院 a.園林與水利工程學院；b.信息技術(shù)學院，浙江 溫州 325000)

一、項目背景與研究方案

隨著國務(wù)院頒布《關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見》和教育部《教育信息化2.0行動計劃》，教育信息化無疑已成為新時代“互聯(lián)網(wǎng)+教育”快車道上最受人關(guān)注的導航儀。當前高校都已普遍具備計算機教學的教育環(huán)境，而教育技術(shù)如何真正嵌入學習系統(tǒng)、學生課堂參與度、融入度、投入度真實量化等問題都在亟待解決。

1. 研究背景

眼球追蹤技術(shù)是一門新興的科技運用技術(shù)，它主要通過攝像頭捕捉眼球特征變化并用特殊算法來模擬眼球運動從而追蹤人眼的視線聚焦點[1]，實現(xiàn)某些領(lǐng)域?qū)τ谌搜劬劢裹c變化的研究，并已廣泛運用于心理學范疇的研究領(lǐng)域，但在國內(nèi)高等教育領(lǐng)域特別是基于計算機輔助教學課程的研究以及運用方面卻較少[2]。

國外在教育領(lǐng)域的眼動實驗與教學融合研究則較多，如Kai等[3]利用眼動儀評估新老教師對學生的注意力分配合理與否；Lin等[4]利用眼動儀測試不同成績水平的被試者認知邏輯的績效因素；Choi[5]使用眼動儀得出結(jié)論以為加粗的文本會吸引被試者注意力并增強相關(guān)記憶。國內(nèi)如馮小燕等[6]通過大數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論，認為一方面是由于相關(guān)研究者數(shù)量較少，另一方面則是教育技術(shù)領(lǐng)域?qū)A(chǔ)性實驗研究不夠重視，相對投入的資金也較少，導致基礎(chǔ)研究無法長期有效開展。

2. 研究方案

對于計算機輔助教學課堂的一線授課教師而言，如何科學有效地利用計算機環(huán)境為學生進行高效授課最為重要[7]，而在這樣的環(huán)境下計算機輔助教學環(huán)境依托計算機屏幕進行教學[8]，教師的授課內(nèi)容均需通過計算機屏幕演示給學生，由學生自行操作，熟悉內(nèi)容后完成作業(yè)鞏固知識點，從而達到教學目的。教師授課(PPT、視頻播放、實操演練等)與學生上機操作之間的教學處理方法對于不同的教師有不同的見解，為更科學嚴謹?shù)匮芯扛黝惤虒W手法的實際教學效果，課題組通過訪談溫州科技職業(yè)學院五院一部一線教師，涉及高等教育設(shè)計類學科(建筑學科、風景園林學科、平面設(shè)計學科、影視設(shè)計學科等)中需要運用計算機輔助參與教學的圖形軟件操作課程，了解常用授課方式，歸納總結(jié)后主要分為兩種：教師全屏演示操作后，學生進行實際操作；教師分屏操作的同時學生實際操作。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，教師之間對于各種方法的有效性存在一定的爭議，有大約46%的教師認為全屏操作演示有利于學生注意力的集中，另有大約54%教師認為電腦分屏讓學生可以根據(jù)教師操作演示窗口同時進行操作，這樣更利于學生記住操作方法，減少遺忘操作步驟的可能。本研究將運用Tobii eye tracker 4C眼動儀(民用級)對以上不同的教學手法進行檢驗，對比實驗將采用錄屏和后期采集數(shù)據(jù)的方式記錄各種重要數(shù)據(jù)，從而制成圖像對比分析兩種不同的在計算機輔助教學中比較常見的教學方法，從注視的眼動數(shù)據(jù)，如抬頭率、有效信息捕捉率、授課時間比值等方面研究分析眼球活動的數(shù)據(jù)，探究兩類不同教學手法的利弊，探索更加適應(yīng)現(xiàn)代大學生的課堂教學模式。

二、眼動技術(shù)下的教學實驗

通過匿名采集的方式進行，即采集前不告知學生該儀器的用途以及測量方法，這種方法可以大幅提高測量數(shù)據(jù)的真實性[9]。為排除坐姿、視線、個人習慣等容易導致儀器檢測不到眼球活動以及無法錄制眼動數(shù)據(jù)等問題的出現(xiàn)，在教學課程之前會預先進行屏幕的眼球矯正，在一定程度上減少無效數(shù)據(jù)的產(chǎn)生[10]。

1. 研究方法和過程

具體采集方法如下：同一授課單元，三個平行班分別用兩種不同的教學手法授課，通過眼動儀分別記錄眼動信息(如圖1所示：屏幕顯示的白圈為眼睛注視位置)，錄屏后人工分析。

2. 采集生源

本次參與實驗的學生均來自園林與水利工程2019級新生，入學分數(shù)相近，都沒有軟件的基礎(chǔ)，個體學前基礎(chǔ)差異較小，較適合作為采樣對象。本實驗錄制了2019級150名新生在《園林電腦效果圖制作》課程6個教學單元18個課時的眼動信息；共購置了8臺設(shè)備，抽樣錄制了144名學生，總計150個小時的視頻資料。

3. 分析方法

本實驗中的數(shù)據(jù)由Tobii制造的Eyetracker 4C眼動儀設(shè)備捕捉，通過錄屏軟件記錄下來，再由人工進行篩選處理完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。具體分析指標如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)分析方法

三、實驗結(jié)果

實驗結(jié)果以記錄教學錄像進行采樣，采樣的數(shù)據(jù)均為采樣平均值，以減少人工誤差。

1. 抬頭率

抬頭率與學生的注意力集中情況成正比，是教學活動中檢驗學生注意力集中情況的非常重要的指標之一。較傳統(tǒng)的目測抬頭率方法而言，眼動儀能輕松地監(jiān)控到每一個學生的抬頭率，從而快速掌握學生的聽課情況。

通過實驗數(shù)據(jù)(見表2)可知，學生在這種以計算機輔助為主的教學環(huán)境下，當教師在控制學生端電腦進行教學演示的時候，全屏教學的抬頭率高于分屏教學的抬頭率，全屏教學方式下為90.7%，而在分屏模式下為84.2%，由此可知在除去個別學生存在某些特殊原因的情況下(厭學、叛逆、心理問題等)，全屏模式下的教學方式可以提高學生的抬頭率，減少學生視線注意力的分散。全屏模式教學一方面加強了教師對課堂的控制力，另一方面也減少了學生注視非有效電腦畫面的可能性。

表2 抬頭率記錄表(部分)

2. 有效信息捕捉效率

抬頭率的高低在一定程度上反映了學生對課程的感興趣程度與學習欲望，但也存在一定的不準確性，往往存在一定數(shù)量“身”在、“眼”在、“心”不在課堂上的學生。那么，根據(jù)眼動儀分析眼睛是否跟蹤有效教學信息就變得尤為重要，甚至對教學內(nèi)容的有效跟蹤與閱讀是評價學生學習效率的重要指標之一。

小結(jié)：通過實驗數(shù)據(jù)(見表3)可知，與分屏教學相比，全屏教學在有效信息的捕捉程度上更高。在首次接觸新知識與步驟情況下，學生對教師演示是無法實現(xiàn)同步模仿的。因此在多次實驗過程中，往往在全屏教學演示下，學生操作后再由教師分屏操作，學生的實訓效果逐漸攀升，學生的學習以及記憶效果在自我聯(lián)系與演示糾正的雙重引導下逐漸增強。因此，在首次教學過程中全屏教學效果較分屏教學方式更為理想，而在實訓教學中分屏教學的方式比全屏教學更佳。

表3 信息捕捉率記錄表(部分)

3. 授課時間比值

如何平衡授課與實訓時間尤為重要，更短的教學時間意味著更多的學生操練時間與教師巡場指導時間，在實踐課教學中發(fā)現(xiàn)學生的問題往往千奇百怪且數(shù)量頗多，所以教師巡場答疑在實踐教學中尤為重要。設(shè)置授課時間比值，比較不同的教學模式下授課時間比值的差異尤為重要。

小結(jié)：從實驗數(shù)據(jù)(見表4)可知：授課時間比值最高的為全屏模式，次之為分屏模式。對于分屏教學形式而言，教學效率雖高于投影教學形式，但由于原來在全屏形式下一個知識點教學時間被拆分成多段導致總體教學時間增加，雖然學生完成教學點操練的時間減少了(分擔到了教學時間內(nèi)預留出來的每小段操作時間內(nèi))，但是教師下場指導的時間卻大大縮短，從而導致教學授課時間比值降低，因此分屏教學模式下教師教授時長大于學生實訓時長，從巡場觀察可見學生的學習效率相較于投影教學更為理想。

表4 授課時間比值記錄表(部分)

而在全屏教學下，教師的授課時長因教學內(nèi)容集中、課堂環(huán)節(jié)流暢緊湊而導致學生的實踐操作時長也隨之變長，因此對授課時間比值而言，對于同一課程內(nèi)容，全屏教師講授時長最短(相對集中)，分屏講授時長較長，投影講授時長最長；進而全屏教學下學生實踐時間最多，分屏次之，投影最短。對教學效果而言，需從學生當堂的作業(yè)評分來詳細討論。

4. 作業(yè)評分

上述三種數(shù)據(jù)實驗方法只能在一定程度上檢驗不同教學條件下學生的眼動數(shù)據(jù)情況，屬于推測結(jié)果，而作業(yè)完成情況則是最為直觀的檢驗教學質(zhì)量的手段之一。本次實驗在每一堂教學課結(jié)束后，需要提交一份課內(nèi)完成的制圖作業(yè)，通過作業(yè)的得分情況分析出學生對這幾種教學方法的接受程度。

小結(jié)：從實驗數(shù)據(jù)(見表5)可知，在無預習、無前期直接鋪墊的情況下，全屏模式得分較高；而在已預習、已掌握一定知識點的實訓模式下，分屏模式得分較高。這組數(shù)據(jù)最直觀地反映出兩種教學模式的教學效果，但打分存在一定主觀性，故只能作為佐證來證明兩種模式的教學效率。因此在前期的知識鋪墊環(huán)節(jié)，全屏教學方式下學生的有效注意力表現(xiàn)最為突出，但并不代表學生能將所得知識快速映射到手頭操作上的效率。因此，學生實踐需求下，分屏教學模式能夠在知識鋪墊充足的情況下，更好地輔助學生進行實訓實操練習，得到更為優(yōu)秀的作業(yè)得分。

表5 作業(yè)均分記錄表(部分)

因此，課堂的教學指標也需分為“教”與“學”兩個教育角色指標，同時也得分“學”與“習”兩個知識內(nèi)化過程指標。而這又恰巧符合時下非常流行的“翻轉(zhuǎn)課堂”教學模式，但該模式不在此次研究之內(nèi)，故不做深入探討。

四、總結(jié)

總體而言，在全屏教學中學生的抬頭率在學習過程中能夠維持在90.63%，分屏教學中抬頭率均值有所下降，維持在84.28%；在授課時長方面，全屏教學模式下學生的實訓實操時間明顯上升，并能夠得到86.53分的作業(yè)得分，教學效果較為理想，分屏效果次之，分屏模式中學生的理論汲取時長被拉長，實訓時間被壓縮，無法實現(xiàn)1∶1的合理平衡。因此，通過抬頭率、授課時長等方面的眼動數(shù)據(jù)與作業(yè)得分結(jié)合，將學生的學習效果轉(zhuǎn)化為課堂過程的學習記錄，全屏教學能夠給教師更多的課堂控制力，得到學生更多的注意力，而分屏教學能夠帶來更多的實訓反應(yīng)力。此外，通過本次研究，將眼動儀運用于教學工作的可能性也被進一步地挖掘，相信越來越多的高新技術(shù)將被運用到傳統(tǒng)的教學環(huán)境中，越來越多的學生和教師也將從中受益。