眼動分析在微格教學中的應用

摘要:眼動即眼球的運動,眼動與人的注意及信息加工有著密切的聯系。作為一種先進的實驗研究方法,眼動技術在心理學、教育學以及教育技術學研究中的應用十分廣泛。本文回顧了眼動實驗技術及眼動儀的發展,介紹了一種運用三維視頻跟蹤技術快速生成和比較眼動軌跡圖的眼動軌跡分析方法。最后,對眼動分析在微格教學中的應用情況作了介紹。

關鍵詞:眼動 眼動儀三維視頻跟蹤 微格教學

引言

作為集攝像技術、計算機軟硬件技術、影像合成技術為一身的高精度實驗設備,眼動儀及眼動分析技術在教育、心理、教育技術等研究領域中的應用十分廣泛。在教學研究中引入眼動分析,是教育研究科學化的重要標志,本文介紹一種基于三維視頻跟蹤技術的眼動分析方法及其在微格教學中的應用情況。

一、眼動實驗概述

(一)眼動實驗的研究內容和發展狀況

視覺是人獲取外界信息的重要渠道,早在19世紀末20世紀初,就有心理學家注意到眼睛的觀察和識別外部信息的過程對于研究人的信息加工機制極為重要,并利用簡易的眼動記錄技術研究人在閱讀資料和識別圖形時的眼動軌跡,通過研究眼動軌跡與視覺信息方面的關系來研究人的認知活動和信息加工過程,并將研究結果應用于心理研究和培訓閱讀技巧等教學活動之中。20世紀中后期,隨著電子攝像、影像合成、視線追蹤等技術的快速發展,用于眼動研究的高精度眼動儀得到快速發展,利用眼動技術和相關實驗儀器研究人的信息加工機制也成為心理學研究的重要手段,并且在很多專家和學者的努力下,廣泛應用于教育及心理研究領域,形成了一整套科學、合理的眼動實驗方法。

綜合各類研究資料對于眼動實驗的介紹,我們可以將眼動實驗法試定義為:“采用基于視線追蹤技術的高精度眼動記錄設備(眼動儀),通過記錄眼動軌跡、眼動次數和時間、眼動的方向和距離、瞳孔大小和眨眼的頻率等眼動數據,結合圖像分析系統和實驗設計軟件,研究人的眼動和視覺信息加工之間的關系等心理機制的一種科學實驗方法。”

(二)眼動實驗記錄的眼動方式及常用參數[1.2.3.6]

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

上述三種眼動方式常常是相伴產生的,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,眼動的規律可以反映出人對于外界信息的關注度、選擇信息的方式和興趣,對于研究人的認知加工等心理機制具有重要意義。為了準確反映眼動的規律,使用眼動儀進行的眼動實驗中通常需要記錄眼動軌跡(注視點序列)、眼動次數、眼動時間、眼動方向和眼動距離幾項主要參數:

(三)眼動儀的系統結構[2.4.5.6]

目前大多數研究機構所使用的眼動儀,是集合了傳感技術、攝像技術、計算機軟硬件技術、影像合成技術為一身的高精密的眼動記錄和分析設備,目前較為成熟和完善的產品有加拿大SR公司生產的Eyelink-II眼動追蹤記錄系統、德國SMI公司研發的SMI眼動追蹤系統、美國應用科學實驗室研發的ASL504、501系統等 [4]。

為了能準確的觀察、記錄眼動方式及眼動軌跡等數據,多數研究中所提到的眼動儀通常由四個系統構成:(1)眼動追蹤系統(Eys-Movement Tracking System),用于判斷、追蹤和記錄眼動信息。(2)監視及實驗控制系統(Surveillance and control systems),用于向被試呈現材料(刺激物)并進行實驗操作。(3)眼動信息與視覺場景合成系統(Eyes-Movement & Vision scene Composite System ),將眼動注視點與視覺場景合成,生成眼動影像。(4)數據分析處理系統(Data Analysis system),對眼動數據進行分析、統計等數據操作。

二、基于三維視頻跟蹤技術的眼動分析技術[7.8.9]

眼動分析是眼動實驗的核心內容,是指通過統計分析軟件對眼動影像或眼動軌跡等數據進行加工、處理、比較,從而掌握眼動規律的研究方式。與第三方儀器或軟件的聯合運用,是眼動實驗和眼動分析技術發展的重要趨勢[2]。

三維視頻跟蹤技術是影視后期特效制作中所常用特效技術,與眼動儀所用的視線追蹤技術相比,二者有一定的相似之處。三維視頻跟蹤技術雖然不能代替傳統眼動分析系統的作用,但在快速生成、分析、比較眼動軌跡等方面,運用三維視頻跟蹤技術進行眼動分析,可以起到簡化眼動實驗流程、提升眼動數據分析處理工作效率的作用。

(一)三維視頻跟蹤技術概述

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

視頻跟蹤通常是這樣一個過程:(1)在已經用攝像機拍攝完成的動態影像中,選擇影像畫面上的一個特征區域(跟蹤點,Tracking Point或Tracker)(2)由計算機及影視特效合成軟件自動計算、分析在系列動態圖像上這個特征區域隨著時間的推進而發生的位置變化,并自動生成位置變化的軌跡點。(3)跟蹤得到的“軌跡”是一系列的位移數據,可以對這些位移數據進行統計、比較、使用腳本分析其出現的時間,并可以將這些數據以通用的文本方式導出到其他程序中。

三維跟蹤(3DTracking),亦稱“三維攝像機跟蹤(3DCameraTracking)”,這種跟蹤方式,可以跟蹤和自動計算出動態影像畫面中的相對位置不變的多個特征區(跟蹤點)的位置信息,從而計算出拍攝影像畫面的攝像機的位置和移動信息。

(二)在眼動實驗中使用三維視頻跟蹤技術計算、生成眼動軌跡

在眼動實驗中,我們可以通過眼動儀來記錄眼動的信息,并把眼睛的注視點與視覺場景畫面相疊加,生成包含眼動注視點的眼動影像。

三維視頻跟蹤技術不但可以根據眼動儀生成的眼球注視點作為跟蹤點計算出在影視圖像畫面中的位移信息(即眼動軌跡),而且可以根據跟蹤畫面中的多個特征區域來反向計算出人的眼睛在真實世界中的原始位置三維數據信息。

(三)在眼動實驗中使用三維視頻跟蹤技術進行眼動分析的三種主要方式

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

2、使用三維跟蹤技術,通過在眼動影像選擇多個特征區域(跟蹤點,Tracker),反向計算出人的眼睛在真實世界中的三維位移。并在同一界面內,具備眼動時間、眼動次數、眼動方向和距離等信息的比較功能,比較的結果可以與人眼的三維位移數據進行二次比對。

3、對眼動軌跡的修正和編輯。使用三維視頻跟蹤技術,允許根據時間軸對眼動軌跡進行手動修正,刪除不需要保留的軌跡。

(四)使用三維視頻跟蹤技術進行眼動分析的優勢

1、支持眼動分析的批量操作。利用腳本可快速生成和輸出眼動軌跡圖,并可按腳本設置直接對眼動軌跡進行疊加比較。

2、可對同一時間維度的不同眼動軌跡圖進行比較,也可對眼動次數和眼動時間等數據進行統計。

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

4、可支持各種不同類型的眼動儀,可對不同眼動儀生成的眼動影像進行跟蹤和比較。

三、眼動分析在微格教學中的應用

微格教學(Micro Teaching),是一種以教育學、心理學理論為基礎,以現代教育技術為手段,以訓練學生掌握某種教學技能、技巧為目標的小規模教學活動。通過教學實踐證明,微格教學對幫助師范類專業學生和在職教師掌握、提高課堂教學技能來說,是一種有效的教育教學技能訓練方法。[9,10,11]

在獲得肯定的同時,傳統的微格教學在實際訓練中也暴露出了一些問題和不足,如對教學技能的訓練或評價缺少客觀科學、量化的指標――導致部分技能訓練內容流于形式,無法對教學技能的掌握程度以及教學效果做出客觀評價。通過引入基于三維跟蹤技術的眼動分析法,可以解決傳統微格教學訓練缺乏量化指標的問題,目前在微格教學中應用眼動分析主要有以下兩方面的內容:

(一)幫助微格教學研究建立科學量化的評價指標體系。

在微格教學的各個教學技能訓練中,由于微格教學中主要關注反映教師或學生注意力變化的因素,眼動實驗法可以對學生在教學過程中感興趣和關注的內容進行研究,幫助微格教學擬定出科學、合理的評價指標:

1、對多媒體教學技能進行研究,在多媒體教學中,研究學生注視多媒體課件的次數、時間和眼動軌跡,可以了解課件中的哪些元素能夠引起學生的注意和興趣、了解教師在講臺上的活動對于學生的注意力是否集中有何影響。

2、對教師的講授技能進行研究。通過對聽課學生的眼動軌跡的記錄和分析,了解哪些正確的教學行為能夠充分引進學生的注意、能夠使學生在較長時間內集中注意力。

3、對教師講課時的注意分配進行研究。通過研究不同教師上課時的眼動軌跡,對教師的教學時的注意分配問題進行分析和比較。

4、在對微格教學開展的眼動實驗中,結合三維視頻跟蹤技術,快速對大量學生或教師在教學技能訓練中的眼動軌跡進行對比,對教師和學生在教學訓練中的信息加工過程進行比較,分析其差異。

(二)拓展微格教學的研究領域

傳統的微格教學,主張對教學過程中的教師進行各種教學技能訓練,但對于教學中學生的學習(自學)技能及某些特殊的教學形式,卻很少涉及。在微格教學和研究中引入眼動實驗法,不但能夠為微格教學的教師訓練和評價指標的制定提供科學依據,更可以拓寬微格教學的研究領域:

1、對于一些以傳授知識為主的學科(如語文、數學、歷史),通過眼動分析即可以對學生完成作業、閱讀文字材料、網上在線閱讀、進行研究性學習等學習內容的績效問題進行研究。

2、對于一些以技能訓練為主的學科(如射擊),在一些體育運動項目中,對運動員眼動模式和眼動軌跡的分析研究,既可以為提高運動員成績提供參考,又能夠幫助教練和運動員依據自身特點,制定適合其特點的教學訓練方案。

3、對于一些特殊的教學領域(如雜技演員),合理地對自己的注意力進行分配是雜技演員表演成功的關鍵,我們通過記錄和分析學習者的眼動軌跡和眼動模式,了解學習者在注意分配方面的情況,并制定出相應的教學和訓練方案。

4、在設計類課程的教學中(如美術設計、工業設計、產品設計),研究消費者的眼動模式和眼動軌跡,可用于分析和比較不同的消費者對于產品設計的需求,對設計人員的培養方式提供參考。而對于設計人員的設計教育中,也可通過研究設計人員的眼動模式和眼動軌跡,分析設計人員產生錯誤設計的原因,并制定出糾錯方案。

參考文獻:

[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]閻國利. 眼動分析法在心理學研究中的應用[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.數字影視后期制作高級教程[M].北京:中國青年出版社,2001.46～49

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

[11]孟憲凱.微格教學基本教程[M].北京師范大學出版社.1992

[12]吳乃域. 中學課堂教學技能與教學技能培訓[M],重慶大學出版社,1997.8

作者:

穆陟晅 貴州師范大學,中國教育技術協會微格教學專業委員會副秘書長