基于眼動追蹤技術的研究型教學體系建設

田媚 黃雅平 李清勇 鄒琪

文章編號：1672-5913（2015）03-0037-04

中圖分類號：G642

摘要：介紹基于眼動追蹤技術的研究型教學體系在本科和研究生教學中的運用，闡述如何建立全方位科教融合的研究型教學體系，通過教學實踐和有益嘗試促進該學科的教學效果、推進教學改革

關鍵詞：研究型教學；體系建設；眼動追蹤

0 引 言

近年來，眼動追蹤技術逐漸成為國內外相關科研領域的熱點課題。德國SMI公司生產的眼動儀系統-iView X RED250搭建了眼動追蹤平臺，平臺包括了刺激圖像顯示計算機、紅外電源、LED攝像頭和一個工作站，進行眼動數據記錄和分析，如圖l所示。

以眼動追蹤平臺為立足點，建立全方位的基于眼動追蹤技術的研究型教學體系，充分體現了科教融合的新思想。筆者在本科生、研究生畢業設計課題中探索眼動追蹤技術在高級語言程序設計、多媒體技術及應用課程中的教學研究在研究型教學體系建設中，我們建立了明確的教學目標，在優化教學內容、重視基礎教學的同時，注重培養學生的動手實踐和科學研究能力。

1 眼動追蹤教學體系的整體方案

眼動追蹤技術是通過眼動研究洞察被試行的潛意識行為，判斷出被試者的真實意愿，從而在理解被試者潛意識偏好的基礎上進一步預測其行為特征。眼動追蹤技術可以記錄被試者在屏幕上視線停留的空間位置及瀏覽屏幕的路徑和眼睛轉移過程，揭示被試者在使用過程中所采取的使用策略，反映被試者在體驗過程中的滿意樣度。因此，眼動追蹤技術可以更直觀地測試到被試者在瀏覽軟件界面與使用軟件功能時的具體表現過程，它在多個方面突破了傳統研究方法的局限。更加客觀、全面地記錄被試者體驗過程的感受與體驗數據，更加細致而又準確地捕捉到被試者的感興趣區域。

目前，眼動追蹤技術多被應用于心理學、營銷學、廣告學、人為因素學、人體工效學等領域，有些研究已將眼動追蹤研究技術應用在視頻游戲娛樂設備及汽車的外觀設計的評估中。眼動追蹤技術在國外研究中普及率較高，國內研究還較少使用眼動追蹤技術。因此，基于眼動追蹤技術的研究型教學體系建設，是極具發展潛力的研究型教學領域。

其整體方案包括3部分：①將眼動追蹤的實驗結果應用于本科高級語言程序設計課程中，以實際可視的數據設計課程實驗，讓學生對眼動實驗數據結果進行各種程序設計和分析。這一方面可以提高學生學習程序設計類課程的興趣；另一方面通過實際項目的動手實踐，學生不僅能掌握高級程序設計語言的知識，更重要的是在實踐中逐步掌握程序設計的思想和方法，培養問題求解和語言的應用能力；②將眼動追蹤技術應用于研究生多媒體技術及應用課程中。作為多媒體技術的最新前沿知識，在課堂中引入眼動追蹤的基本技術和知識，調動學生學習的積極性。引導學生學習了解最新前沿眼動追蹤技術、紅外傳感技術等：指導學生用眼動追蹤技術提升網站可用性，進行智能手機界面、相關應用軟件可用性眼動研究并在智能手機上模擬實現；③將眼動追蹤技術與注意機制的研究相結合，指導碩士研究生和本科生進行畢業設計課題研究。指導碩士研究生和本科生深入研究現有注意機制的基礎理論并收集生物學最新成果，將眼動追蹤實驗結果與注意模型相結合，建立符合人類感知特性的注意感知模型。

2 眼動追蹤應用于本科生教學

高級語言程序設計為計算機科學與技術、信息安全和生物醫學工程的專業基礎課，是專業主干課程。教學對象是相應專業的一年級本科生，教學使用的高級語言是C語言。課程教學內容由淺入深，教學過程圍繞用高級程序設計語言解決問題所需掌握的數據模型和算法的設計、編碼、調試和實施等知識與技能開展教學工作，并通過教學過程開拓學生的各方面專業知識面，提高專業興趣，為后續課程打下牢固基礎。

我們在多年的教學過程中發現，學生在學習高級語言程序設計的過程中存在以下2個主要問題。

1）學習目標不明確，學生學習的積極主動性不夠。高級語言程序設計課程的學習需要多練，通過大量的編程訓練，在實踐中掌握語言知識，培養程序設計的基本能力，逐步理解和掌握程序設計的思想和方法。但對于剛剛步人大學校園的一年級學生來說，他們并不明白掌握一門語言課程有什么樣的重要性，也不清楚學會這門課程對于他們的實際學習生活會有怎樣的幫助和改變，所以在教學的過程中為學生建立一個明確學習目標，有助于增強學生的學習興趣。

2）研究型教學的特色在課程中體現不夠充分。創新性教育需要有相應的教學模式，讓學生在“研究”中學習，在探索中發現，從而培養學生的自我學習能力和創新精神。高級語言程序設計的教學過程應該以課程內容和學生的學識積累為基礎，引導學生創造性地運用知識和能力，自主地發現問題、研究問題和解決問題，在研討中積累知識、培養能力和鍛煉思維。為了調動學生學習的積極性，我們向大一學生介紹眼動追蹤平臺，并鼓勵他們積極參與到眼動追蹤實驗中，增強學生的學習興趣。

iView X RED眼動儀系統包含15寸筆記本系統工作站一臺、遙測式眼動追蹤系統一套（軟件狗一個，22時液晶顯示器一臺和雙眼眼動跟蹤模塊一個）、iView X RED眼動操作軟件一套、Experiment Center實驗中心軟件一套、BeGaze分析軟件一套和BeGaze Vieo動態視頻分析包一套。其中，BaGaze軟件功能強大，可以對數據文件作各種分析，如掃描路徑分析，逐點連續顯示注視點位置及各個注視點的數據（開始、結束、持續時間、位置坐標、凝視事件、掃視跳躍事件、角速度、角加速度、眨眼等）；興趣區編輯器，用戶可以在視頻中設定多個興趣區（矩形、圓形、任意多邊形等），以顏色區分，興趣區的位置變化可以定義到每一幀，也可以連續幾幀定義；興趣區順序分析，時間為X軸，興趣區為Y軸，顯示隨時間進行，視點在各個興趣區之間的轉換過程，用于分析人的視覺變化過程。學生在使用眼動追蹤系統做實驗的過程中，通過分析軟件可以使枯燥的實驗數據結果以豐富的可視化的形式再現以及通過對實驗數據的分析凸顯數據內在關系，都極大地激發了同學們對高級語言程序設計課程的學習興趣。

眼動追蹤平臺的數據導出功能可以用不同格式的文件導出所有原始數據和所有軟件處理后的數據結果。岡此，我們由可以進一步將眼動平臺的實驗結果應用于本科高級語言程序設計課程中。讓學生編程實現對眼動平臺的實驗數據的文件讀寫，對數據結果建立鏈表進行存儲，對數據結果設計算法進行分析，嘗試將多種數據結果以不同的方式進行旱現。這些內容都可以作為高級語言程序設計的課程實驗。通過對以往的數據進行重新分析，用戶可以在有必要時輕松實現更改參數的行為。為了更加適應研究要求，設計程序對實驗結果進行分析和再現，可以輕松地從被試者、事件、興趣區或時間、圖表或統計表等角度進行深入研究。

3 眼動追蹤應用于研究生教學

多媒體技術及應用是一門涉及多個學科的交義領域，通過對該課程的學習使學生掌握多媒體技術的基礎知識，包括多媒體的相關概念、多媒體壓縮技術、圖像、視頻和音頻數據等，此外在課程的學習中不斷增加最新多媒體技術發展的相火課題，拓寬學生知識面和刈新技術的了解。在多媒體新技術介紹中，一個很重要的部分就是將眼動追蹤技術應用于研究生多媒體技術及應用課程中。引導學生學習了解最前沿眼動追蹤技術、紅外傳感技術，并進行眼動實驗。我們在研究生課程實踐環節設計了豐富的基于眼動追蹤的實驗內容，主要包括：

1）查找并全面了解不同品牌的世界先進眼動儀的整體結構和硬件系統，在實驗報告中進行梳理總結比較，給出查找網址或論文情況，然后對至少4個不同品牌的主流眼動儀的整體結構和硬件系統做出詳細研究，然后對國內外有成果或源程序的相關研究進行展示或再現。

2）全面查找眼動追蹤技術的最新中英文文獻（包括國際頂級會議和期刊，以英文文獻為主），將文獻根據時間和發表檔次進行整理，就眼動追蹤技術的發展及研究現狀進行綜述性報告（相關研究大概分幾類、每類研究參與的國家、大學、研究單位及研究者等基本信息，以及每類研究的代表性技術），系統深入地研究某3種眼動追蹤技術的關鍵內容并編程實現.

3）以RED眼動儀為實驗設備，分別進行網站可用性和智能手機界面及相關應用軟件可用性眼動研究，基本內容和要求為：①調研國際現有智能手機的特點，分類了解不同網站、智能手機的使用情況；②采用德國SMI公司眼動儀iWiew X RED（桌面遙測式眼動儀）系統對不同網站、智能手機操作平臺及流行應用軟件進行測試，將眼動追蹤技術引入應用軟件可用性的評估中；④根據測試結果的輸出數據和研究結果總結出提高網站可用性、智能手機界面和應用軟件可用性的指導性原則。

4）全面查找基于視覺注意機制的目標檢測或識別模型及算法的最新中英文文獻；在深入了解現有注意機制模型優缺點的基礎上，霞點選擇3種公布算法源程序的注意模型編程實現，應用于特定目標檢測任務；讓被試者采用德國SMI公司眼動儀iWiew X RED（桌面遙測式眼動儀）系統進行實驗，將注意模型和眼動實驗的結果進行比較分析，對比分析研究人眼注視點和機器提取的顯著區域之間的差別。

通過實驗，同學們一方面學會了學術資料、科技文獻的查閱整理方法，了解了多媒體技術中的先進硬件技術和軟件算法，使得研究生具備了進行科研工作的最基本學習能力和知識儲備；另一方面通過實際動手編寫程序和使用眼動儀進行實驗，提高了研究生的實踐能力。

4 眼動追蹤應用本科和研究生畢業設計

我們將眼動追蹤技術與注意機制的研究相結合，指導碩士研究生和本科生進行畢業設計課題研究。對于碩士研究生，主要是深入研究現有注意機制的基礎理論并收集生物學最新成果，將眼動追蹤實驗結果與注意模型相結合，建立符合人類感知特性的注意感知模型，具體研究內容包括：

1）學習視覺注意機制和目標檢測的基礎理論，調研國內外現有基于注意機制的目標檢測模型。調研國際上現有眼動儀的發展現狀及技術特點，了解眼動儀系統的構成。

2）在深入了解現有注意機制模型優缺點的基礎上，重點研究美國南加利福尼亞大學的Ilab實驗室的相關研究成果，以數據驅動的注意模型為重點，分析Itti模型的原理及算法，并將模型算法應用于目標檢測任務中。

3）讓被試者采用德國SMI公司眼動儀iWiew X RED（桌面遙測式眼動儀）系統來完成與注意模型相同的目標檢測任務，將兩者的結果進行比較分析，研究人眼注視點和注意模型提取的顯著區域之間的異同，從而有效地評估注意模型的性能并進行注意模型算法改進可行性分析。

對于本科生，在畢業設計的過程中引導學生用眼動追蹤技術提升網站可用性，進行智能手機界面、相關應用軟件可用性眼動研究并在智能手機上模擬實現，具體研究內容包括：

1）將眼動追蹤技術應用于智能手機應用軟件的可用性評估中，并與傳統的可用性評估方法相結合，提出手機軟件可用性眼動評估模型。該模型重點研究將注視點數、掃描路徑圖和興趣區時間柱狀圖等眼動數據與問卷調查、用戶訪談等傳統可用性評估指標相結合，對微信、QQ、飛信、米聊和陌陌5款手機即時通訊軟件進行垂直研究分析，衡量對比智能手機應用軟件的可用性水平，根據評估結果得出提高手機軟件可用性的指導原則；以提出的可用性指導原則作為開發依據，使用Android開發平臺對手機QQ軟件進行改進，再進行可用性分析。該模型對指導手機軟件可用性評估的實踐及在開發過程中提高智能手機應用軟件的可用性有著重要的意義。

2）采用德國SMI公司眼動儀iWiew XRED（桌面遙測式眼動儀）系統對不同功能網站的頁面布局進行測試，將眼動追蹤技術引入網站可用性的評估中。將測試結果的輸出數據與傳統可用性評估指標相結合進行分析研究，根據研究結果總結出提高網站可用性的指導性原則。依據指導性原則進行網站設計，再用眼動儀系統進行可用性分析。

5 結語

基于眼動追蹤技術的研究型教學體系建設已實施2年，無論是課堂教學，還是研究生、本科生的畢業設計指導，都取得了很好的效果。近3年來，該方向已有2名碩士研究生、10名本科生完成畢業設計，還有3名碩士研究生正在從事該方向課題研究，今年計劃指導2～3名本科生繼續進行深入研究。通過研究我們希望對今后的基于眼動追蹤技術的研究型教學體系進行進一步完善，以取得更好的教學效果。