眼動分析法在教育技術領域的應用與趨勢

王 雨，陳 瑩

一、眼動研究概述

1.眼動研究的起源與發展

人類主要依靠視覺系統獲取外界信息并進行認知加工活動。眼睛更是被譽為心靈的窗口，映射人類的內心世界。眼球的運動是視覺的直接反應，與心理負荷、注意力、興趣、動機等認知活動密切相關。早在19世紀就有研究者認為眼睛的運動過程可以反映人類的思維，揭示認知加工的機制，他們通過肉眼觀察或借助簡單的工具記錄被試眼球的運動情況，并探究眼球運動與被試心理活動的作用關系。

眼動研究把自然科學的研究方法運用到人文社會科學領域，具有客觀、理性的科學特點，所以自產生伊始即引起西方學術界的轟動。隨著認知心理學的興起，眼動研究成為心理學家趨之若鶩的研究方向。在歐洲，從事眼動研究的學者每兩年舉行一次“歐洲眼動大會”，至今已召開15屆，其規模和范圍已經超越了地理界限，成為全世界眼動研究者交流、學習的盛會。我國進入20世紀中期以來，也陸續開展眼動研究。天津師范大學沈德立率先引進并使用眼動儀器做了大量研究，并出版我國第一部眼動研究著作。其學生閆國利和白學軍長期致力于相關研究，是目前我國眼動研究的帶頭人，并取得了一系列研究成果。由天津師范大學心理與行為研究院發起的中國眼動大會已經舉辦數屆，成為提供國內外相關專家和學者學習、合作的又一重要的平臺。由此可見，盡管我國眼動研究起步較晚，但發展勢頭迅猛，研究成果顯著。

眼動研究發展至今已100多年，經歷階段如表1。

表1 眼動研究的各發展階段[1]

眼動研究推動了實驗情境的自然化，增強了數據結論的科學性，改進了研究的生態學效度。其產生于心理學領域，現已被廣泛應用于醫學、教育學、工效學、廣告學、傳播學及交通心理學、航空心理學、體育心理學等領域，用以打開人類的心靈之窗，勘測人類的心理奧秘。

2.眼動分析法與眼動指標

眼動分析法，即眼動研究中運用的研究方法，就是借助眼動儀記錄被試眼球運動指標，根據統計學的數據分析原理探究被試的心理活動。當視覺系統作用時，人類的視線是以跳躍的方式移動注視點，其過程快速而短暫，使用眼動儀設備能夠精確捕捉視線活動以彌補肉眼難以觀察的缺陷。另外，很多時候語言符號無法確切反映人類的內在心理活動，無從保證科學研究的嚴謹性，而通過科學儀器開展的實驗研究能更深層次地挖掘受眾的心理真實反應。因此，眼動分析法被認為可能是動態認知過程研究最為有效的即時研究方法。

運用眼動分析法的一個關鍵問題是針對不同的加工過程，選取合適的眼動指標進行數據分析。自眼動研究開展以來，眼動指標的界定和使用標準一直是研究重點。目前研究中常用的眼動指標有：

(1)注視(Fixation)。為了獲得一定的視覺清晰度，眼睛中央窩對準目標物體以使物體在視網膜上成像的過程即為注視，反映被試對目標材料加工的仔細程度。與之相關的指標有注視時間、注視次數等。

(2)眼跳(Saccade)。眼跳指的是眼睛從一個注視點到另一個注視點的運動，是反映知覺廣度的重要指標。包含的指標有眼跳距離等。

(3)回視(Regression)。即視線再次移動到已注視過的關鍵區域，回視有助于對提取信息的深度加工，但回視次數過多會影響注視活動的效率。

(4)瞳孔直徑(Pupil)。瞳孔直徑在一定程度上反映了人的心理活動情況，心理負荷(心理負荷較大時，瞳孔直徑增加的幅度也較大)、任務難度(任務難度的加大可以引起瞳孔直徑的增加)、興趣(愉快的視覺刺激可以引起瞳孔的放大)、疲勞(隨著疲勞程度的增加，人的瞳孔直徑會縮小)等因素都可以引起瞳孔直徑的變化。[2]

在眼動分析過程中，采用單一的指標往往難以全面分析，要根據研究需要對不同加工過程中的特定區域選擇不同的指標進行分析。

二、眼動分析法在教育技術領域的應用

1.眼動分析法在教育技術領域應用的合理性

教育技術學作為交叉性的應用學科，設計、開發、使用、管理、評價學習資源和學習過程，研究大量視覺傳達的內容和刺激—反應過程。目前，教育技術學的研究者多采用科學推理和調查的方法研究各種環境下的教學現象，往往過多地關注過程設計和技術使用，忽視教育理念和心理理論的研究。以人為本的理念要求研究者在制作學習資源和構建學習過程時關注受眾的內心感受，關注能夠反映內在活動的視覺信息；要求研究者需要采用定量的研究方法對受眾的接受行為進行有科學依據的測評。眼動分析法正是立足于自身的科學性，從使用者的角度出發，依據眼動數據分析其內心感受，研究結果更有代表性和說服力。另外，教育技術作為一門新興的學科，奠定扎實的教學技術理論基礎，開發高效能的教育技術制品，需要更深入探究技術條件下的認知機制與效果，而這就必須吸納心理學等相關學科的研究技法和經驗，這樣才能促進該領域的長足發展。[3]眼動分析法源于心理學領域，沿承了心理學實驗研究法縝密的實驗設計，發展了統計學數據挖掘的分析方法，是多個研究方法的集萃。另外，教育技術研究對象的不可控制性需要一種強有力的研究方法來獲取經驗基礎之上的科學結論。眼動分析法能夠為分析學習過程中學習者的信息加工過程和特點提供外顯的數據指標，實現從心理和生理多層面研究學習者內在的需求。因此，眼動分析法應用于教育技術領域具有一定的合理性。

2.眼動分析法在教育技術領域已有的應用

筆者以“眼動”為關鍵詞在中國知網檢索教育技術領域相關研究論文發現，眼動分析法在教育技術領域的應用尚不多，而且集中于最近幾年，主要涉及以下幾個方面：

(1)研究多媒體教學的科學呈現方式

多媒體教學隸屬于教育技術的研究范疇。多媒體技術為現代教學提供多種形式的交互性教學內容。這類問題的研究多局限于采用問卷調查或訪談的方法獲取論據，難以真正探究學習者的內心活動。

華南師范大學的研究者使用EyeLinkⅡ型眼動儀揭示媒體組合與學習步調對多媒體學習者的信息加工、認知負荷和學習效果影響的基本規律，依據實驗結果提出：多媒體學習材料應使用兩種以上通道的媒體組合呈現教學信息；學習者使用單一通道的視覺媒體時可自我控制學習步調以減少認知負荷；多媒體教學設計時采用“圖形+視覺文本”媒體組合效果更好。[4]

多媒體課件是多媒體教學中常用的教學工具，而目前多媒體課件的制作多憑個人的經驗和偏好，沒有統一科學的制作規范，缺乏探索以用戶體驗為設計理念的制作指導。

江蘇師范大學的研究者以大學生為被試，就PPT常用的背景顏色進行眼動研究發現，白色最適合作為PPT的背景顏色，其次是黃色，最次是藍色；黑色字體適合淺色的背景顏色。[5]以PPT觀看者的視角探究課件制作的規律，得到的結果更有說服力。

(2)提升教育網絡課程的形式與可用性的研究

教育部頒發的《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》認為，實施優質數字教育資源建設與共享是推進教育信息化的基礎工作和關鍵環節，并提出到2015年基本建成以網絡資源為核心的教育資源與公共服務體系，為學習者可享有優質數字教育資源提供方便快捷服務的要求。教育技術作為教育信息化的主力軍，探究網絡教育資源的建設責無旁貸。網絡課程的建設與應用已被廣泛關注，有眾多學者選用眼動分析法開展優化數字資源的研究。

浙江師范大學的研究者認為網絡課程是一個動態開放的生態系統，網絡課程可以增加適當的反饋機制來維持其互動平衡，安裝眼動儀等感官性的反饋裝置，就可使學習者與學習內容的交互變得可視化、可控制化。[6]該校還有研究者用眼動儀探討“三分屏”網絡課程中教師形象的呈現方式對學習者的信息加工、認知負荷和學習效果的影響，研究揭示了網絡學習的基本規律，具有網絡課程有效設計的參考價值。[7]溫州大學和華東師范大學的研究者利用瑞典Tobii公司生產的非頭戴式眼動儀，通過不同人格結構的群體在瀏覽課程網頁時網頁瀏覽軌跡的差異研究，探尋不同網絡課程的網頁結構與不同群體瀏覽特性的關系，認為提高網頁的視覺吸引力能夠提高網頁的效用，在設計網頁時，合理的布局能夠提高網頁的瀏覽效率。[8]江蘇師范大學的研究者以廈門大學的網絡課程為例，要求被試瀏覽網頁并完成三個指定任務，分析眼動數據得出結論：網絡課程頁面的設計應以學習者為主；導航明顯、劃分版塊、設置子標題、設置引導小圖標的簡潔頁面更能吸引學習者。[9]廣州大學的研究者利用眼動分析法根據大多數國內知名網絡課程歸納出常用的結構類型和內容呈現方式，測試導航有無裝飾背景和內容呈現區有無裝飾背景對大學生的眼動模式和認知效果的影響，結果顯示：有上導航且左邊是側導航、右邊是內容呈現區的網頁結構更能維持大學生的興趣和注意，并且更有利于大學生的記憶；相同網頁結構中，導航和內容呈現區有無裝飾背景對大學生認知有效性的影響沒有很大的差別。[10]

探究網絡課程的研究中，多為設計、開發的應用研究，往往忽略了用戶體驗反饋，缺乏以定量數據為基礎的可用性評測。眼動分析法以人的視角出發看“物”的可行性，剛好能夠彌補這一研究空缺。

浙江師范大學的研究者提出，眼動分析法是對網絡課程的可用性測試探索行之有效的方法，可為網絡課程設計者提供人的視覺參數。該研究利用眼動分析個案用以驗證網絡課程的可用性。[11]華東師范大學和上海體育學院的學者利用眼動儀，就網絡課程原型界面設計的個案進行可用性測試，通過被試完成預設任務及眼動指標得出啟示：無學習者參與的設計是不完善的；可用性是網絡教學系統和網絡課程的重要質量指標，應引起足夠的重視。[12]北京師范大學和新疆師范大學的研究者在探索網絡課程的實踐研究時提出，測量網絡課程用戶體驗時應用眼動分析法能捕捉到學習者在觀看某一物體時眼睛的位置，可以為研究學習者與網絡課程交互的認知過程提供幫助。[13]

(3)探索教育網頁的設計與用戶體驗的研究

有研究者綜述了國內外各個學科領域與網頁設計有關的眼動研究，并認為基于眼動分析法的教育網頁結構設計是一個比較新的視角，它能夠從認知心理學的角度，客觀直接地反映學習者對頁面的信息加工情況，所以這方面的研究有很強的現實意義。[14]廣州大學的研究者應用眼動分析法進行4種圖文搭配方式和不同專業類型的實驗，得出學習者在瀏覽網頁時首先注視文字再注視圖片，理工類大學生對教學網頁圖下文上搭配方式的閱讀理解效果更佳，而文史類大學生對教學網頁圖右文左搭配方式的閱讀理解效果更佳的結論。[15]寧波大學的研究者利用眼動分析法揭示了大學生瀏覽中文教育網頁的視覺特征，該研究把教育網頁劃為九分格定為不同區域，并得出結論：大學生瀏覽單張中文教育網頁的瀏覽時間大體相同，教育網頁中九分格的中心區域為注視熱區；左上角第一分格的首次注視點最多；瀏覽網頁的視線軌跡大致為：從左上角到右下角。[16]這為網頁設計提供了實驗依據和理論參考。

(4)其他研究問題中涉及的眼動分析法

早在1997年，焦建利等學者在探討視聽心理學課程建設的時候就提出眼動分析法應被引入研究過程，探究人類視聽心理，揭示應用規律。[17]郁曉華、祝智庭在探究CSCL的應用時提及可采用眼動分析法進行CSCL任務分析。[18]李金波根據注視時間、瞳孔直徑等眼動指標探討E-learning中自我效能對認知負荷的影響。[19]另外，他還利用眼動分析法模擬網絡化學習實驗，探討網絡化學習環境中影響認知負荷的主要因素。[20]陳琳等學者在探討促進深層學習的網絡學習資源建設時提出要追求學習資源的科學化表現，利用眼動儀等設備科學研究人們的認知規律，據此建設學習資源。[21]而對于網絡教學平臺的可用性測試設備中，張浩等研究者認為最常用的是認可度較高的眼動儀。[22]王佑鎂提出眼動分析法在學習與閱讀領域的研究熱點，為相關研究提供參考和借鑒。[3]

三、眼動分析法在教育技術領域的應用趨勢

目前，由于經費投入和關注程度不同等原因，國內僅有幾所高等院校有眼動儀器。為教育技術學研究配備儀器的院校更是少之又少，部分院校的教育技術借用心理學專業的眼動儀進行眼動實驗。另外，在教育技術領域中，應用眼動分析法的研究數量不多，且研究范圍較窄。總的來說，教育學、心理學等學科領域運用眼動分析法研究了眾多教與學過程中的問題，如多媒體信息的導航、配色、字體、圖文搭配方式、插圖、分欄等視覺要素的優化；教學網頁的模塊、動態信息、標題、菜單等要素的設計提升；用戶瀏覽網絡學習資源的視線特征及視覺偏好；基于眼動的閱讀研究等。筆者認為，眼動分析法應用于教育技術的未來趨勢，要在拓展教育學、心理學等學科已有研究深度的同時，著重以下幾方面：

1.深入教學現象，促進教育技術學研究的生態化

教學活動是一個錯綜復雜的現象，難以監控教、學雙方的實時活動。而教育技術的學科性質要求研究者深入教學現場，以構建優化教與學全過程的策略。眼動分析法記錄客觀的眼動指標且追蹤被試的視線，是一種趨于自然、干擾較小的實驗過程，與其他研究方法相比有著特殊的優越性，適宜引入難以控制變量的教學現象的研究。讓眼動分析法深入教學現場，有助于教育技術學研究者以學習者的視角重新審視教學活動，這樣能夠改善靜態學習環境，如利用眼動設備檢測學習者對于教室內教具的擺放、板書呈現的最佳位置、最適宜視線追蹤的教師活動范圍等；還能夠監測動態教學過程，如通過獲取眼動數據，實時監控學習者的學習興趣、認知負荷等心理因素，通過了解學習者對教學任務難度的反饋及時調整教學進度和教學方法，以提高教學效果。

隨著眼動儀器的不斷完善和研究的不斷深入，眼動分析法能夠解決更多教育技術領域中無從定量測試的研究盲區，還原研究現象的真實狀態，獲取客觀分析數據，秉持科學、可持續發展的原則促進教與學過程研究的生態化發展。

2.引入其他學科，與多種技術相結合

近年來，一些精密的測量人類心理和生理規律的科學儀器相繼問世，為相關研究提供了有效工具，并推動了科學探索的發展進程。已有研究嘗試把眼動技術與認知神經等領域的ERP(事件相關電位)記錄和fMRI(功能磁共振成像)等腦成像技術結合。眼動分析法從認知活動中探索問題，而腦成像技術以腦神經細胞的腦機制為出發點從認知神經科學的實驗研究中揭秘心理現象。例如國際著名心理學家、眼動研究領域的首席專家Keith Rayner曾提出可以使用ERP數據來考證眼動研究中的結論，并試圖挖掘人眼閱讀時的心理和生理的深層機制。

教育技術學尚無類似研究，但我們相信這樣全新的突破遲早會在教育技術的研究領域綻放光彩。這就要求高校加大研究資金投入，配置測量設備，提高對于科學實驗研究方法的認識；要求教育技術研究者觸類旁通，引入其他學科領域的研究方法和已有成果進行學科碰撞以發散學術思維。

3.拓展研究課題，擴大研究范疇

眼動分析法作為收集視覺信息的主要方法，已在人機交互研究中發揮重要作用。數字化學習環境下，人機交互環境是重要的學習、交流空間，大量的符號信息作用于學習者。如何提升多媒體信息的呈現方式及有效信息的獲取率，如何優化交互界面以吸引學習者的興趣，如何減少學習者認知負荷達到最佳學習效果，這些是發展數字化學習須解決的首要問題。

教育技術聚焦數字化學習過程中的人機作用，不僅要應用眼動分析法探索網絡課程、網頁材料設計開發等，還應擴大研究范疇，探究靜態的、動態的、平面的、立體的學習資源的開發規律，揭示受眾對于教學產品、教學服務的認知加工過程，提高學習效果。其次，數字時代的發展推動了新型閱讀方式的衍生，帶來了全新感官體驗的數字化閱讀。利用眼動分析法能夠為數字化閱讀的界面設計、功能模塊組合、閱讀效果的因素探究等方面的研究提供客觀的實驗數據，構建優化數字化閱讀的策略。另外，已有的研究多以大學生為研究對象開展實驗，未來的研究應擴展研究對象的范疇。在加強眼動研究實證研究的同時，深入開展應用研究。總之，眼動分析法用于教育技術領域還有很大的拓展空間，有待研究者不斷發掘、探索。

4.應用于教學產品，完善用戶體驗

用戶體驗(User Experience)是指用戶在使用產品或享受服務過程中建立起來的心理感受，涉及人與產品( 包含產品提供的服務) 交互過程中的所有方面。[23]

教學產品由界面設計人員、教學設計人員、程序開發人員等組成的團隊共同完成。但是在這個團隊中，不同性格特征、專業背景的人又有著不同的喜好，這樣就極易產生技術性、藝術性和經濟性之間的沖突，造成教學產品的實現者與學習者之間傾向不同、期望值不同的矛盾更加突出。所以，用戶體驗觀念的提出給教學產品的設計與制作帶來了新的思考，即教學產品的設計與制作要以學習者體驗最優化為基本原則。

眼動分析法能夠在一定程度上揭示學習者使用教學產品(尤其是運用教學媒體時)的偏好，發掘出外觀設計的視覺要素與使用心理的關系。在設計、開發教學產品時，利用眼動研究追蹤人落于產品的視線，優化用戶界面，增加用戶的友好感和親切感，以達到提高學習興趣和學習效率的目的。

5.眼動交互可作為新興的交互通道

眼動交互作為新興的交互通道，應用在以下幾個方面：第一，用于輔助殘疾人使用電腦或特殊設備，例如患有肌肉萎縮性側面硬化癥的Stephen William Hawking利用眼球移動發出指令并通過電腦語言合成器發出獨具特色的“電腦聲”。第二，根據用戶注視信息了解用戶的意圖、認知負荷和緊張程度的智能電腦。第三，利用用戶的視線方向確定用戶發出指令的家用電器。第四，提供給用戶相應注視方位的場景信息的虛擬現實和游戲。[24]

在教育技術領域，眼動交互同樣有前景性的開發、應用價值，如利用追蹤視線優化虛擬課堂、Second Life、E-learning等學習過程，通過眼動指標反饋的信息調整虛擬學習平臺的界面設計，根據眼動視線實現人、機的友好交互。另外，利用視線指令功能可以專門為肢體障礙人士提供虛擬學習平臺，促進特殊教育的發展。

眼動分析法依托精密的科學儀器，借助眼動數據，立足于科學的統計方法，在實際操作中存在一定的難度。研究者首先需要深入了解眼動研究的研究范式，熟知各眼動指標的涵義并能靈活選取眼動數據，掌握眼動儀器的操作步驟；其次，要求研究者依據研究目的開展實驗設計，選取實驗材料、實驗對象，合理安排實驗過程；最后，研究者應善用統計分析方法，針對選取的眼動指標數據深入挖掘研究結論。

眼動分析法能夠有效分析人類的心理和認知活動，已被廣泛應用于心理學、醫學、工效學、教育學等各學科領域。然而，現有的眼動分析法也存在不完善之處，其中最為重要的是眼動指標基礎理論尚不成熟，有部分眼動指標的界定存在學術分歧且尚未達成統一(如眨眼與心理活動的關系)，對部分眼動指標的探索還處于初級階段(如瞳孔直徑)；另外還有更多、更細致的眼動指標等待研究者們的發掘。但是我們相信，研究發展道路上的泥濘不會阻礙研究者尋求真理、走向科學的腳步！

[1] Keith Rayner.Eye Movements in Reading and Information Processing:20 Years of Research[J].Psychological bulletin,1998(3)：372-422.

[2] 白學軍，閆國利.眼動研究在中國[M].天津：天津教育出版社，2008：92.

[3] 王佑鎂.眼動分析技術在學習與閱讀研究中的應用述評——基于主題詞的共詞聚類分析[J].遠程教育雜志，2011(5)：70-75.

[4] 王玉琴，王咸偉.媒體組合與學習步調對多媒體學習影響的眼動實驗研究[J].電化教育研究，2007(11)：61-66.

[5] 安璐，李子運.教學PPT背景顏色的眼動實驗研究[J].電化教育研究，2012(1)：75-80.

[6] 張立新，劉圓月.生態視角下網絡課程中的互動失衡及對策[J].中國電化教育，2011(7)：84-87.

[7] 張家華，張劍平，黃麗英，等.“三分屏”網絡課程界面的眼動實驗研究[J].遠程教育雜志，2009(6)：74-78.

[8] 葉新東，黃云龍，楊清泉.不同人格結構學生群體課程網頁瀏覽軌跡的眼動研究[J].現代教育技術，2012(1)：38-44.

[9] 安璐，李子運.眼動儀在網頁優化中的實驗研究——以廈門大學網絡課程為例[J].中國遠程教育，2012(5)：87-96.

[10] 曹衛真，殷婷如，邢強，等.網頁結構類型對大學生記憶效果影響的研究[J].電化教育研究，2010(8)：71-81.

[11] 衷克定，吳迪.網絡課程用戶體驗優化設計的實踐探索[J].電化教育研究，2011(3)：63-76.

[12] 劉名卓，姜曾賀，祝智庭.視線跟蹤技術在網絡教育資源界面設計中的應用個案及啟示[J].中國電化教育，2011(4)：71-76.

[13] 瞿彬，隋光遠.網絡課程的可用性測試初探[J].現代教育技術，2008(3)：84-86.

[14] 徐衛衛，劉世清.“視線規律”視野下的網頁結構設計研究綜述[J].中國遠程教育，2011(4)：32-35.

[15] 曹衛真，殷婷如，邢強，等.常見教學網頁圖文搭配方式對記憶效果影響的研究[J].電化教育研究，2012(2)：93-100.

[16] 劉世清，李瀟.大學生瀏覽中文教育網頁的相關視覺特征[J].電化教育研究，2010(7)：61-64.

[17] 焦建利，張文蘭.《視聽心理學》課程及其教材建設淺論[J].電化教育研究，1997(2)：54-58.

[18] 郁曉華，祝智庭.CSCL應用的新研究[J].中國電化教育，2009(5)：25-31.

[19] 李金波.E-learning環境下學習者自我效能對認知負荷的影響[J].現代遠距離教育，2009(4)：39-41.

[20] 李金波.網絡學習環境中影響學習者認知負荷的因素[J].電化教育研究，2009(9)：37-41.

[21] 陳琳，李凡，王矗，等.促進深層學習的網絡學習資源建設研究[J].電化教育研究，2011(12)：69-75.

[22] 張浩，楊凌霞，韋學恩.網絡教學平臺的可用性評價研究綜述[J].現代教育技術，2010(12)：91-96.

[23] 韓夢怡.平板電腦報刊雜志類應用現狀及用戶體驗觀察——以 iPad 為例[J].無線互聯科技，2012(1)：87-90.

[24] 李婷.眼動交互界面設計與實例開發[D].杭州：浙江師范大學，2012.