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

本文旨在探討應用眼動追蹤技術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探究學生對多媒體課件的注意力和學習效果，在此基礎上，通過實驗分析對多媒體課件進行改進和優化，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

隨著計算機技術的發展，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勢，比如，能夠實現文字、圖形、圖像、動畫等多種媒體為一體，并且能夠節省教師書寫板書、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容上是決定教學效果的關鍵。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。

目前國內研究者在研究多媒體教學課件優化問題上，大多根據研究者的主觀經驗進行改進。傳統的研究方法無法發現學生對多媒體學習認知過程的規律，其準確性和可靠性往往受到質疑。眼動追蹤技術能夠直接追蹤觀測學生認知過程，借助眼動追蹤系統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，本來是知識點的內容，呈現的課件是否可以足夠吸引學生注意，再此實驗的基礎上，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記錄學生聽課時的注意力分布情況，并結合學生對課件的主觀評價，用主客觀量化數據來評價老師每張課件的教學效果，可以對教師的課件設計和講課方式的改進提出建設性意見。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，其功能是實現對課件內容的快速搜索;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聯分析，判斷學生對于所測試課件的的心理反應和眼動認知偏好。

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據，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據，包括注視點，注視時間和次數，眼跳距離，瞳孔大小等，從而研究學生的內在認知過程。Dikablis眼動追蹤系統是德國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節，eye-camera可以根據體驗者的不同眼睛和臉部特點進行位置和角度的調節，而field-camera則可以根據測試目標的高度調節垂直方向的角度，找到檢測的最佳視角，并可以根據不同場景的研究需求選擇不同焦距的攝像頭。

3）實驗材料

以機電工程專業中的《機械制造技術基礎》課程中第二章節“金屬切削原理及其應用”課件內容作為實驗材料，課件的頁數控制在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）由主試者向實被試者介紹指導語，在確認理解后，在投影儀上依次呈現課件材料，讓被試者進行學習，學習過程持續30分鐘。

d）被試者學習結束后，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）數據分析與處理

通過數據處理軟件對每一頁課件劃分興趣區，將每頁課件中的重點內容劃分為興趣區1，將非重點內容劃分為興趣區2，對30名被試者的眼動數據進行疊加，統計每一頁課件興趣區1和興趣區2的眼動數據，包括，注視時間、注視次數、眼跳次數等，通過Excel形式將數據導出，通過重點內容興趣區和非重點內容的興趣區的注視時間多少和注視次數的數量來分析學生對課件重點內容的注意力和感興趣程度。同時結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據進行相關性分析，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

通過實驗發現，首先圖像呈現優與文字呈現，與映入眼簾一大批密密麻麻的文字相比，圖形呈現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使同學們更樂意去學習、精力更加集中;其次，動態的課件呈現方式優于靜態。動態的呈現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;而且每次呈現一個或者少數幾個課程重點，也使得同學們能夠在講述該重點內容時投入更多的精力在當前重點上;最后，對文字內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專業的知識與經驗，而且工作量較小，可以幫助老師快速調整已有課件上。

5 結論與展望

教學課件不是課本的復印版，也不應該是老師們的教學腳本，不應該把課本里所有的內容或者老師們要表述的所有的話都“搬”到教學課件上，而應該是呈現出課程的“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;教育部新工科質量工程課題資助項目“新產業形式下的工業設計創新人才培養模式探索與實踐”;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 重慶師范大學美術學院）