教學視頻終端顯示空間對學習者影響的眼動研究

尤洋　王以寧等

摘要：在教育信息化時代，教學視頻是基于媒體學習方式中學習者學習的重要對象，因此教學視頻自身的諸多特性必然對學習者產生不同的影響。該文針對教學視頻顯示空間特性對學習者學習影響的問題，運用問卷測量、眼動研究的方法，對80名學習者的學習成績、眼動指標數據進行提取、分析、探索教學視頻顯示空間對學習者學習影響的規律。實驗結果表明：教學視頻顯示空間的不同對學習者的學習成績及學習過程中的眼動指標具有比較明顯的影響，結合心理學相關理論的進一步分析可以證明教學視頻顯示空間對學習者的學習具有比較顯著的影響。

關鍵詞：教學視頻;屏幕尺寸;眼動技術;認知負荷

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

隨著教育信息化進程的發展，諸如微課、慕課、視頻公開課等學習方式不斷出現，突破了傳統課堂教學的時空限制，為學習者提供了空前廣闊的學習選擇。基于傳統教學體系與信息化教學體系混合式學習方式越來越多地顯示出強大的學習效果、效率與效益。伴隨著混合式學習方式的發展，承載知識信息的各種不同形態的教學媒體應運而生，成為學習者獲取知識信息的重要工具。隨著數字技術、通信技術、計算機技術的持續更新及各類便攜移動終端的不斷普及，學習者可以通過不同教學媒體學習教學視頻，這必然導致教學視頻信息呈現的特性差異對學習者的學習產生不同影響。教學媒體作為學習中的重要因素，對其本體的教學信息呈現特性的研究極其重要，但近年來這類研究卻并不多見。本文針對在學習中教學媒體不同的視頻終端顯示空間對學習者影響問題，使用問卷測量、眼動實驗分析方法，進行了較為深入細致的研究，期望找尋教學視頻顯示空間差異對學習者影響的規律，從而為教學設計者制定教學視頻使用策略提供科學依據。

一、問題提出

目前國外關于教學視頻與眼動結合的相關研究較少，當前研究主要為不同終端顯示與學習、閱讀的相關研究，如：Kim D等關于不同屏幕尺寸對學習者詞匯學習的影響研究，研究結果表明相比于小尺寸屏幕，大尺寸屏幕更有助于學習者進行詞匯學習。Yong Wang等在關于屏幕大小對漢語閱讀的難易程度研究中指出較大屏幕有助于閱讀者在漢語閱讀過程中獲得更好的閱讀效率與效力，并得出適用于移動手機用戶閱讀屏幕尺寸大小。Kim Jaewon等在關于移動設備終端視覺搜索的眼動研究中指出，閱讀者在不同屏幕尺寸的顯示終端進行閱讀的過程中具有不同的視覺搜索習慣，并針對不同尺寸屏幕顯示終端提出不同的呈現策略。Wibirama S等在進行屏幕大小對移動設備成癮因素的眼動研究中指出屏幕尺寸會影響被試者的浸入式教學經驗程度等。國內研究主要集中于教學視頻中學習內容的呈現方式對學習者的影響研究，如：姜艷玲等探究教學視頻中重點呈現對學習者效果影響，研究結果表明在有重點呈現的教學視頻中不添加鼠標引導的學習效果好，相反在無重點呈現的教學視頻中添加鼠標引導有助于學習者學習。王雪等在探究網絡教學視頻字幕設計的眼動實驗研究，研究結果表明教學視頻中全字幕可使學習者獲取最多數量的知識，概要字幕可幫助學習者獲取最好的學習質量。在探究程序性知識、陳述性知識教學視頻中交互控制程度對學生學習的影響，研究結果表明在程序性知識與陳述性知識教學視頻中交互程度越高，越有利于促進學習者學習。楊九民等探究教學視頻中不同類型線索對學習者影響，研究結果表明教學視頻中的線索有助于優化學習者注意力分配，教學視頻中包含有視覺語言組合線索的有助于提高學習者學習效果促進知識遷移水平的提高，視覺線索會增加學習者在學習過程中的認知負荷。崔巖、王志軍等探究教學視頻中教師呈現方式對學習者學習效果研究，研究結果表明教師在不同知識類型的教學視頻中出現對學習者具有不同的影響，當教學視頻中教師呈現于右上方時，學習者學習效果較好。

學習者在視聽學習過程中需要教學媒體作為中介進行學習，教學媒體的自身特性在一定程度上可能會對學習者學習產生影響，但目前關于教學媒體終端顯示空間相關研究較少，因此，關于教學媒體自身特性對學習者影響具有研究價值，本文將基于教學視頻終端顯示空間特性，結合問卷測量、眼動研究方法探尋教學視頻終端顯示空間對學習者影響。

二、研究相關基礎

（一）教學媒體的基本概念

教學媒體是指在教與學活動過程中所采用的媒體，教學媒體作為承載和傳播教學信息的中介，使得教學信息得以傳播，促進教師與學習者之間相互交流。教學媒體存儲與傳遞的信息以教學為目的，教師和學生為特定對象，教學媒體的選取取決于教學目標。教學媒體是經過改進、符合教學要求并用于教學活動，能用于教與學過程中的媒體。

（二）教學視頻的界定

教學視頻是以講述知識內容為主要內容，講授知識的思路為邏輯結構，以傳遞知識為主要目的，以符合學科教學規律的方式進行設計、編排、制作、發布的供學習者學習的教學信息的視頻形態。當前主要包括教學電影、教學電視節目、課堂教學用視頻、遠程教學用視頻（例如MOOC、微課等）等。

（三）教學視頻終端顯示空間的界定

終端是指在教與學活動過程中用于呈現、展示教學信息的裝置，這些設備包括臺式機、筆記本電腦、平板電腦、智能手機等。顯示是指以圖像的方式呈現、傳遞信息。空間是一種與時間相對、密不可分的客觀存在形式，物體之間的位置差異產生空問，位置差異由時間來衡量。空間是物體存在與運動的場所，包括二維空間、三維空間，通常由長、寬、高、大小體現。由于空間的種類繁多，本文將探究的終端顯示空間界定為呈現教學信息的裝置自身物理條件下展示二維教學圖像的空間，終端顯示空間由長、寬體現。

（四）教學媒體的呈現特性

教學媒體的呈現具有感知性、差異性、分離特性。所謂呈現具有感知性，即在學習過程中學習者只能注意周圍一小部分，并且只能觀察到視野中心的極小部分，設計者通過連續變換視點的呈現方式，以要講授知識內在邏輯為基礎，建立學習者對不同環境視場的感知性。呈現具有差異性，即在教學媒體的呈現中設計者應當利用新穎的刺激把學生的注意引導到所學的信息內容中，新的和有差異的教學內容容易引起注意，方便學習者學習、記憶，如：亮度的變化、運動的變化、顏色的變化，適度的復雜性呈現能夠吸引注意，教學活動中不斷地進行變化以保持學習者的注意。呈現具有分離特性，簡化的呈現方式可以集中注意，即對圖式的簡化，僅包含相關信息，如：圖像中減少或刪除不相關的背景信息和畫面中的冗余細節，便于學習者學習。

教學媒體信息的呈現是學習者獲取學習內容的途徑，梅耶在多媒體認知學習理論中指出，學習者擁有兩個單獨的信息加工通道，即用于加工視覺表征材料的視覺/圖像通道和用于加工聽覺表征材料的聽覺/言語通道，每一個通道一次只能加工一小部分學習材料，學習者運用空間認知能力，形成、保持、使用心理表象進行學習，意義學習產生于學習者在學習過程中進行適當的認知加工過程，學習者通過視覺/圖像通道加工教學媒體呈現的信息。根據梅耶多媒體認知學習理論可知，教學媒體信息顯示空間會影響教學信息顯示數量，進而對學習者的視覺/圖像通道產生影響。教學媒體顯示空間特性在某種狀態下，可能造成學習者視覺/圖像通道加工過載，影響學習者意義學習。基于這種思考，本文將探究教學視頻顯示空間特性對學習者的影響問題。

三、實驗設計

（一）多媒體學習系統中對學習者的影響因素

眼動技術是通過記錄人類眼球的運動軌跡，提取相關數據指標，研究被試者的內在認知過程。眼球運動的基本形式分為注視、眼跳、追隨運動。本研究使用Eyelink1000 plus實驗設備進行眼動數據采集，該設備廣泛應用于要求較高的閱讀領域中。

在當前的眼動研究中，常用眼動指標包括：首次注視時間、凝視時間、總注視時間、注視次數、眨眼次數、瞳孔直徑、眨眼時間等。眨眼次數、瞳孔直徑、眨眼時間三項指標多用于測量視覺疲勞的相關研究，眨眼次數、瞳孔直徑兩項指標多用于心理學情緒領域研究。本研究將測量多媒體學習系統中不同教學視頻終端顯示空間給學習者帶來的視覺疲勞程度、情緒、認知負荷差異，所以將提取眨眼次數、瞳孔直徑、眨眼時間三個眼動指標進行分析。

本研究由于不需要被試頭部保持自然狀態，因此使用Eyelink1000 puls眼動儀進行實驗數據的收集及處理。該眼動系統具有高精度、速度高的特點，采樣率最高為2000HZ，是目前采樣率最高的眼動分析設備。該系統的眼動采集裝置放置在顯示器下方，被試不需要帶任何裝置。本研究中眨眼次數是指在眼動實驗過程中被試加工實驗材料眨眼個數的總和，瞳孔直徑是指在眼動實驗過程中被試加工實驗材料時瞳孔的大小，眨眼時間是指在眼動實驗過程中被試加工實驗材料時眨一次眼所需的時間。本研究的方法：首先利用眼動設備自帶程序將眼動數據導出，然后利用SPSS對數據進行處理，數據分析、結論討論。

（二）實驗內容與研究假設

本實驗探究多媒體學習系統中不同教學視頻終端顯示空間對學習者眼動指標產生的影響。首先將被試隨機分為人數相等的兩組，兩組的問卷內容相同，在實驗開始前兩組被試同時進行問卷測量，在隨后的實驗中將教學視頻作為研究材料，運用眼動技術，采集學習者在視頻學習過程中的眼動數據，分析學習者在學習相同教學內容條件下，不同視頻終端顯示空間對學習者視覺疲勞、情緒的影響，在實驗結束后立刻對學生進行學后測量并在一周后進行記憶測試。根據視頻終端顯示空間的不同分為兩個實驗，實驗1的實驗材料呈現在18.9英寸的Dell顯示器上，呈現方式為全屏顯示。實驗2的實驗材料同樣呈現在18.9寸的Dell顯示器上，為模仿便攜移動手機顯示設備屏幕大小，全屏以屏幕等比例縮小32%呈現（約6.1寸），分別收集學習者眼動數據。

本研究提出如下假設：教學視頻展示終端顯示空問不同，（1）學習者的學習成績不同;（2）學習者的學業情緒不同;（3）學習者的視覺疲勞程度不同;（4）學習者的認知負荷不同。

（三）實驗一：大屏幕多媒體學習系統眼動實驗

1.實驗設計

在實驗進行前，要求被試進行知識問卷測試，測量被試的先前知識，內容與實驗材料內容相關，實驗1要求被試觀看在計算機屏幕上播放的教學視頻，實驗材料呈現在18.9英寸的Dell顯示器上，呈現方式為全屏顯示，經過實際測量，視頻顯示空間尺寸為：長38厘米，寬30厘米，視頻顯示面積為1 140平方厘米，18.9英寸，視頻清晰度為1024*768。實驗材料由六段教學視頻組成，播放順序由拉丁方設計排列，使各個視頻有同等機會出現，所有視頻隨機呈現。在每段視頻播放結束后，被試會有短暫的休息。在整個實驗結束后，要求被試進行知識問卷測試，測試內容與實驗前問卷一致，并在學后測試一星期后，對被試進行記憶測試。

2.被試

為保證測量數據真實、有效，在選擇被試時將被測試人員的自身因素考慮在內，如：年齡、性別、有誤有無視力缺陷、眼部視力是否正常等。在本次實驗中，我們利用生理學評價標準對被試進行主觀評測，最終選定80人。實驗被試均來自某大學在讀本科生、碩士研究生，眼部視力裸視或矯正后均為正常視力，眼部無視力缺陷，年齡在19-30歲之間。

3.實驗設備

本實驗采用Eyelink1000 plus眼動儀呈現實驗材料并記錄被試的眼動情況，眼動儀采樣頻率為1000HZ。軟件的自定義設計確保顯示改變發生在6-12ms之內，實驗句子用楷體字呈現，字體大小為28號，實驗視頻為高清格式。被試眼動的軌跡通過眼動儀上的高速攝像機輸入計算機，雖然被試用雙眼觀察刺激，但根據眼動研究慣例只記錄被試右眼的數據。材料呈現與眼動記錄由專用軟件完成。

4.實驗材料

實驗材料選取自某大學廣播電視編導專業教學使用的影視教學視頻片段，根據影視教學視頻的類型選取6段長短不同的視頻作為實驗材料。實驗材料由6段時間長度不同的視頻組成，這6段視頻編號順序及時間分別為：視頻1（76s）、視頻2（120s）、視頻3（180s）、視頻4（68s）、視頻5（49s）、視頻6（70s）。

5.實驗步驟

（1）實驗開始前要求被試進行先前知識問卷測量。

（2）開始進行眼動實驗，每個被試在實驗室中進行單獨測試。被試頭部與屏幕之間距離為80厘米，這樣可以保證每個漢字和視頻畫面的視角約為1°。將下頜放在頜托上，上下調整頜托至合適高度，并要求被試在實驗過程中盡量保持頭部與身體不動。

相關心理學研究表明，人的情緒與眨眼次數、瞳孔直徑具有相關性，即眨眼次數越高，情緒越緊張，伴隨著消極情緒，眨眼次數越低，情緒越放松，伴隨著積極情緒。瞳孔直徑越大，情緒愉悅，伴隨著積極情緒，瞳孔直徑越小，情緒越緊張，伴隨著消極情緒。實驗1與實驗2數據差異表明，教學視頻展示終端顯示空間不同，學習者眨眼次數不同，平均瞳孔直徑不同。視頻顯示空間不同對學習者學習情緒產生影響，此結論驗證了假設2。

所以，視頻顯示空間不同對學習者學業情緒具有影響，即視頻顯示空間大，眨眼次數低，平均瞳孔直徑大，學習者學業情緒積極。視頻顯示空間小，眨眼次數高，平均瞳孔直徑小，學習者學業情緒消極。

3.視頻顯示空間不同對學習者視覺疲勞程度產生的影響分析

梅耶在多媒體認知學習理論中指出，學習者在學習過程中擁有單獨加工視覺/圖像信息、聽覺/言語信息的通道，每個通道中同時加工信息數量是有限的，學習者進行主動加工，意義學習產生于學習者在學習過程中進行適當選擇、組織、整合的認知加工過程。學習者通過視覺/圖像通道加工教學媒體呈現的教學信息，由于視覺/圖像通道加工信息數量是有限的，當學習者出現視覺疲勞現象時，視覺通道加工受阻，阻礙教學信息傳遞，影響學習者的意義學習。

相關心理學研究表明，視覺疲勞現象與眨眼次數、瞳孔直徑大小具有相關性，眨眼次數越高，眼睛越緊張，視覺疲勞現象越明顯。當一個人在充分休息后，其瞳孔直徑比較大，當人越疲勞時，瞳孔直徑越小，視覺疲勞會導致瞳孔直徑變小。實驗1與實驗2數據差異表明，教學視頻展示終端顯示空間不同，學習者眨眼次數不同，平均瞳孔直徑不同。視頻顯示空間不同對學習者視覺疲勞程度產生影響，此結論驗證了假設3。

所以，視頻顯示空問不同對學習者視覺疲勞程度具有影響，即視頻顯示空間大，眨眼次數低，平均瞳孔直徑大，學習者視覺疲勞程度低。視頻顯示空間小，眨眼次數高，平均瞳孔直徑小，學習者視覺疲勞程度高。

4.視頻顯示空間不同對學習者認知負荷產生的影響分析

認知負荷由內在認知負荷、外在認知負荷、關聯認知負荷三個部分組成。內在認知負荷（Intrinsic Cognitive Load）是指學習者通過腦力來學習一個概念，不受教學媒體的教學設計影響，與學習材料自身的難易程度相關，內在認知負荷具有穩定性。外在認知負荷（Extraneous Cognitive Load）取決于教學媒體的顯示方式（如視覺、聽覺、文本）、地域與時間組織形式。教學媒體顯示方式的不同會直接影響學習者在學習過程中的工作記憶容量和視覺疲勞程度，教學媒體中信息傳遞不通暢、教學設計不合理、學習活動方式復雜會增加學習者的外在認知負荷。關聯認知負荷（Germane Cognitive Load）取決于學習者自身的積極性，因為學習者自身的積極性可以影響學習者對學習的投入程度。關聯認知負荷相當于學習者在加工學習材料過程中精神資源的投入程度，它幫助建立、構建促進學習的心理模式。

相關心理學研究表明，眨眼次數和平均瞳孔直徑兩個眼動指標與學習者認知負荷具有相關性，實驗1與實驗2數據差異表明，教學視頻展示終端顯示空間不同，學習者眨眼次數不同，平均瞳孔直徑不同。視頻顯示空間不同對學習者認知負荷產生影響，此結論驗證了假設4。眨眼次數和平均瞳孔直徑兩個眼動指標與視覺疲勞因素具有相關性。即眨眼次數高，學習者視覺疲勞程度高，認知負荷大，眨眼次數低，學習者視覺疲勞程度低，認知負荷小。平均瞳孔直徑大，學習者視覺疲勞程度低，認知負荷小，平均瞳孔直徑小，學習者視覺疲勞程度高，認知負荷大。

情緒是在學習過程中所付出的精神資源投入，關聯認知負荷與學習者情緒具有密切關系。最佳教學媒體的設計應具有較低的外在認知負荷，較高的關聯認知負荷。所以，視頻顯示空間不同對學習者認知負荷具有影響，視覺疲勞程度影響學習者外在認知負荷，情緒影響學習者關聯認知負荷，學習者認知負荷的變化是由視覺疲勞和情緒兩個因素同時影響產生的。

即視頻顯示空間大，眨眼次數低，平均瞳孔直徑大，視覺疲勞程度低，學業情緒積極，學習者認知負荷低。視頻顯示空間小，眨眼次數高，平均瞳孔直徑小，視覺疲勞程度高，學業情緒低，學習者認知負荷高。

綜上所述，視頻學習過程中學習者學習效果與視覺疲勞、學業情緒與認知負荷具有相關性。即：視頻顯示空間大，學習者視覺疲勞程度低，學業情緒積極，外在認知負荷小，關聯認知負荷小，學習者學習效果高。視頻顯示空間小，視覺疲勞程度高，學業情緒消極，外在認知負荷大，關聯認知負荷大，學習者學習效果低。認知負荷大、學業情緒消極有礙于學習者學習，認知負荷小、學業情緒積極有助于學習者學習。

六、策略建議

根據實驗分析結論可知，教學視頻顯示空間大，學習者視覺疲勞程度低，學業情緒積極，認知負荷低，學習效果高，有利于學習者學習。針對學習者在眾多學習媒體中如何進行選擇，提出以下建議：

（一）優先選用較大視頻終端顯示空間的屏幕進行學習

隨著技術的不斷發展與應用，學習媒體呈多樣性發展，在各種學習媒體中，教學設計者和學習者應優先選用較大顯示空間的媒體進行學習，特別是在固定學習方式中，面對諸多教學媒體時可使用較大尺寸的教學視頻顯示終端對教學信息進行呈現，如：投影儀、大尺寸屏幕等。教學視頻展示終端作為學習者視覺/圖像信息加工通道，加工信息的數量是有限的，學習者在視頻學習過程中應優先選用較大教學視頻終端顯示空間的屏幕進行學習，這樣能夠降低學習者在視頻學習過程中由視頻終端顯示空間的差異所產生的視覺疲勞、外在認知負荷，關聯認知負荷，使學習者具有較積極的情緒進行學習。較低的視覺疲勞程度、較低的認知負荷、積極的情緒有助于提高學習者認知靈活性，拓展注意范圍、行動序列，提高學習效率和個體思維的靈活程度，對學習者在學習過程中的自我效能感、投入的心理努力、內在動機機制具有積極的影響。

（二）適度控制信息的顯示數量，提高等效顯示空間

伴隨著移動學習、泛在學習的出現，打破了傳統課堂的時空限制，學習者可以在任何時間、任何地點使用手機媒體或其他較小顯示空間的媒體進行學習。受媒體顯示屏幕自身物理條件限制，在多媒體教學設計過程中，設計者應考慮教學視頻顯示空間因素，當針對較小顯示空間媒體進行教學設計時，設計者應適度控制教學信息的呈現數量，適當減少每一屏教學信息顯示數量，適度增加顯示次數，減少學習者無關認知加工，提高等效顯示空間，促進學習者學習。

七、結語

本研究針對教學視頻顯示空間特性對學習者學習影響的問題，運用問卷測量、眼動實驗分析方法，對80名學習者的眼動指標進行采集、分析、探尋教學視頻顯示空間對學習者學習影響的規律，研究結果表明：教學視頻顯示空間大，學習者視覺疲勞程度低，學業情緒積極，外在認知負荷小，關聯認知負荷小，學習效果高。教學視頻顯示空間小，學習者視覺疲勞程度高，學業情緒消極，外在認知負荷大，關聯認知負荷大，學習效果低。在教學過程中，學習者應優先選用較大顯示空間的媒體進行學習。在教學過程中因條件限制只能使用較小的顯示空間媒體進行學習時，應注意適度控制有效信息顯示數量，提高等效顯示空間。