眼動儀應用現狀的研究綜述
——基于我國教育技術學八大核心期刊

趙璐婕

(廣西師范大學教育學部，廣西桂林，541006)

一、引言

眼動研究始于19世紀末，一直是心理學研究的熱門領域，并在人機交互界面、工業設計、人類行為認知等方面頗具影響力。近年來，越來越多的研究者將眼動實驗應用到教育技術領域并獲取了豐富翔實的研究成果。

眼動數據的測量可以反映學習者的認知過程、閱讀理解機制和視覺加工過程。[1]通過對眼動數據進行記錄，研究者可以獲得被試的眼球運動軌跡、注視次數、注視時間等眼動指標。這些指標將被試的內在認知過程和視覺加工過程做量化處理。這些數據比對與分析，成為研究者對學習與教學規律探求的有力抓手。

盡管眼動追蹤技術在教育技術領域的應用已經逐漸增多，但眼動研究的實驗成果還未能形成廣泛影響。相對于心理學、學習科學與教育神經學，教育技術領域應用眼動儀等認知分析技術的研究略顯不足。教育技術學作為一門交叉性新學科，在發展的道路上汲取其他學科的研究經驗和研究方法是頗有裨益的[2]，因此，對當前教育技術領域的眼動研究進行內容分析以填補空白、開拓展望是非常有必要的。

本研究的目的在于整合當前教育技術領域眼動儀的應用情況，梳理當前眼動研究的思路與脈絡，以期對后續應用眼動儀開展眼動實驗起到一定的指導和啟示作用。

二、研究方法

本研究主要采用文獻研究法和內容分析法。通過在中國知網(CNKI)獲取相關文獻，經過篩選整理后確定研究樣本。采用內容分析法對眼動儀在教育技術領域的應用研究現狀進行一定的梳理與分析。八大核心期刊分別為《開放教育研究》《遠程教育雜志》《中國電化教育》《現代遠程教育研究》《電化教育研究》《現代教育技術》《現代遠距離教育》《中國遠程教育》。

以“眼動”“教育”為主題詞、關鍵詞，檢索知網期刊數據庫得到了共516條結果，可見眼動追蹤技術對教育技術領域的探索和研究有了一定的介入和影響。為了進一步梳理“眼動”和“教育”在教育技術領域的研究，本文以教育技術學八大核心期刊為文獻來源，對檢索獲得的論文進行了人工篩選，最終篩選出38篇論文作為本研究的樣本。

本研究主要通過五個方面對篩選出的論文進行內容分析：研究對象、研究重點、實驗內容、眼動指標、因變量。第一，歸納總結論文樣本主要的研究方向；第二，確定論文樣本的研究重點；第三，梳理與區分不同論文樣本的實驗內容；第四，歸納論文樣本所使用的眼動指標；第五，確定不同論文樣本開展眼動實驗的因變量并進行比對。

三、文獻綜述

在教育技術學八大核心期刊中，關于“眼動”“教育”的研究有以下幾個特征。

(一)研究對象多樣

研究對象主要分為多媒體學習、教育網頁、教學視頻、電子閱讀、在線學習等，如圖1所示。

圖1 眼動實驗研究的主要研究對象

1.多媒體學習

安璐等人通過對注視時間、注視次數、第一次到達目標區域的時間、閱讀熱區等數據進行采集和對比后發現當教學PPT的背景顏色選擇白色時更有助于學習，豐富了基于眼動追蹤技術的多媒體課件研究。[3]王玉琴等人對被試開展多媒體學習時的媒體組合和學習步調進行編排，基于多媒體學習生成理論和認知負荷理論，發現學習者自我控制學習步調能夠達到較好的學習效果，且在學習者步調中采用圖形+視覺文本媒體組合更能適應學習者的個性和需求。[4]此外，還有對多媒體學習研究的述評，閆志明等人對多媒體學習研究中的三類常用眼動指標，即注視、眼跳、瞳孔直徑的內涵、優缺點、價值進行了對比與分析。[5]

2.教育網頁

劉世清等人利用眼動追蹤技術對大學生瀏覽教育網頁時的視覺特征進行了探索與分析，確定了教育網頁中最關注的區域，并總結出大學生閱讀教育網頁時從左上角到右下角的特征。[6]曹衛真等人運用調查法和眼動實驗法發現了學習者在閱讀教育網頁時的視線規律，并得出了理工類與文史類大學生在使用教育網頁時具有不同圖文搭配方式偏好的結論。[7]

3.教學視頻

對教學視頻開展眼動研究的有楊九民等人，其中王雪等人利用眼動儀確定了程序性知識教學視頻和陳述性知識教學視頻的最優交互控制程度。[8]曹衛真等人研究發現，當視頻畫面呈“三分法構圖”時主題位置最容易受到學習者的注意，且不同專業學生在學習視頻資源時具有一定的差異。[9]楊九民等人通過對教學視頻中的視覺線索和言語線索，開展眼動實驗發現，不同先前知識經驗水平的學習者基于線索所反映出的學習效果提升與認知負荷皆有所不同。先前知識經驗水平較低的學習者通過線索指示收獲得更多，先前知識經驗水平較高的學習者基本沒有受到影響。[10]喻靜敏等人發現教學微視頻中的教師圖像對高中生的認知負荷和社會存在感沒有影響，對學習效果產生作用。[11]

4.電子閱讀

賴文華等人通過對學習者內容圖示與語言圖示的研究發現，內容圖示和語言圖示在一定條件下有交互作用，但在學習成績中無交互作用。建議在進行數字化閱讀時要充分考慮學習者的學習基礎與學習準備，以促進數字化素養的提升。[12]同時，賴文華等人對電子課本中的眼動行為展開實驗，發現被試在使用電子課本時最關注的是聽力測試類內容，情景動畫類的答題正確率最低。[13]

5.在線學習

薛耀鋒等人通過對眼動研究、認知風格理論、自適應學習系統的研究，構建了基于眼動追蹤的在線學習者認知風格識別模型。[14]曹曉明等人對實踐型慕課開展眼動研究發現沒有教師講授畫面的慕課更有助于學習者的理論學習、概念理解。[15]針對在線學習中的數字學習資源，王紅艷等人以視覺線索和問題線索為切入點探討了學習效果。[16]此外，楊九民等人與王改花等人還選取了在線學習過程中的社會存在感作為眼動實驗因變量。[17]

圖2 眼動實驗研究的主要研究團體

從研究成果的發表作者與發表時間來看，關于眼動實驗的研究基本形成了幾個研究團體，如王雪、王志軍等人；劉世清、劉冰玉等人；賴文華、王佑鎂等人；楊九民、皮忠玲等人，如圖2所示。他們往往在形成某個方面的研究成果后，繼續在該方面進行深入挖掘。他們彌補了先前研究成果的部分不足，也使得其研究更為翔實，進一步豐富了自己的實驗和結論。關于學習過程、學習效果的研究成果比較多，如王雪等人通過對比學習效果發現在多媒體課件中采取“內在+外在”的文本內容線索對學習者的成績提升最明顯。[18]當前也有部分研究者對眼動研究進行綜述，例如，徐衛衛對網頁結構設計相關的眼動研究展開述評[19]；胡衛星在歸納總結歐美地區的多媒體學習研究時也提到了眼動研究的應用[20]；張琪等人梳理了基于眼動的e-learning環境學習測量研究的現狀與趨勢；閆志明等人對多媒體學習研究中眼動指標進行了詳盡的闡述與對比分析[21]；王佑鎂基于眼動分析技術在學習與閱讀研究中的應用作了系統述評。

(二)研究重點明確

根據美國教育傳播與技術協會(AECT)在1994年發布的有關教育技術的定義，教育技術是關于學習資源和學習過程的設計、開發、利用、管理和評價的理論和實踐。[22]目前，教育技術領域的眼動實驗研究更多地把重點放在了設計與開發方面，例如，多媒體課件、教育網頁、電子書包的設計與優化。從多媒體課件顏色、字體；教育網頁排版、圖文呈現方式；電子閱讀排版、視覺特征等方面提出了基于眼動實驗結果的建議。例如，王雪等人綜合運用了眼動儀、腦波儀等多模態數據對學習者學習不同拍攝視角下的教學視頻時的行為差異進行了分析。發現在觀看第一人稱拍攝視角的教學視頻時學習者的情緒體驗比第三人稱拍攝視角教學視頻更積極，第一人稱拍攝視角的教學視頻也使學習者獲得了更好的學習效果，因此，在進行教學視頻畫面設計優化時應考慮其拍攝視角，使其適應學習者的不同學習需要。[23]關薦等人將視角放在數字化學習資源的圖文混排方式中，得出左上方的彩色插圖更能吸引學習者的注意的結論，該結論給電子書包以及其他在線學習資源的設計與開發提供了啟示。[24]也有一些研究涉及管理，但是數量較少，這表明眼動實驗研究在教育技術領域的應用還有待向縱深發展。

(三)實驗內容具有偏向性

目前，教育技術領域的眼動實驗研究內容多為理工科的學習內容，如王雪在陳述性知識教學視頻中選擇了“腦不對稱性”作為教學內容，在交互式教學視頻中選擇了“特異性免疫的工作原理”作為實驗材料。[25]這可能是因為物理、化學、生物等學科具有較強的邏輯性和結構性，在設計實驗內容時能夠依據學科內容線索提高實驗的可行性。同時，基于理工學科內容的學習成績測驗或學習效果測驗也可因答案的結構性或確定性、唯一性提高信度與效度。如果研究者選取人文學科知識作為實驗內容，那么被試在接受前后測時所填寫的非結構性答案可能對實驗實施起負向作用。同時，研究者也很難確定哪些被試符合實驗條件而能夠被遴選為有效被試。但是仍有一些學者對人文學科知識的學習行為展開了研究，如葉新東等人選用古文《師說》作為實驗材料[26]，唐金玉等人以英語記敘文與英語說明文為實驗材料，發現多媒體文本更有助于高中生閱讀，且高中生最先能夠注意到的是紅色區域。他們分別從語文和外語方向拓展了眼動實驗在教育技術領域的應用。[27]但是眼動實驗的研究成果不能因為實驗內容而被框定和束縛。通過某一學科的實驗內容所獲得的結論成果，可基于學科內在邏輯、教學工具相似性或學習方式共同點推廣到其他學科或學習方式、教學工具上，讓研究成果能夠在最大限度上促進教學效果和教學質量的提升。

(四)眼動指標相似

不同眼動實驗所采集的眼動指標基本相似，大多數研究采集的眼動指標為注視時間、注視次數、首次進入時間。從這幾個指標中，研究者可以獲取被試在參與實驗過程中所承受的認知負荷信息，也可以觀察到被試對不同可視區域的感興趣水平，對被試的注意力和感知調動程度進行推測。可見，幾項較為常用的眼動指標是可行、可信、科學的。

眼動儀所能夠捕捉和采集到的眼動指標或眼動軌跡并不局限于以上幾類，更有瞳孔大小、閱讀熱區、眼動軌跡等。研究者均可依據研究需要確定相應的眼動指標、捕捉相應的眼動軌跡，如王玉琴等人在研究媒體組合與學習步調對學習者的影響時使用了瞳孔大小作為其中一項眼動指標，當被試的瞳孔越大時，代表其所承受的認知負荷越大[28]；瞿彬等人在探討網絡課程的可用性時繪制了眼動軌跡[29]；刁永鋒等人在開展不同媒體對學習者學習過程的影響研究時繪制了被試學習純文本、帶字幕視頻與純視頻時的注視熱點圖[30]；張家華等人通過“三分屏”網絡課程的注意力熱點圖發現動態呈現的信息更能夠吸引學習者的注意[31]；江波等人對在線測評中的眼動數據進行分析，采集了包括凝視次數、注視離差和、凝視標準差在內的17個眼動指標。[32]因此，雖然不同研究者在開展眼動實驗時所采集的眼動指標具有很大的相似性，但是這一特征是具有可行性與科學性的。同時，研究者依據研究需要確定的不同指標又體現了眼動實驗中眼動指標和眼動軌跡獲取的靈活性。在設計眼動實驗時可選的眼動指標有很多，研究者需根據實驗的自變量、因變量及環境條件與限制等確定眼動指標。

同時，也有一部分研究者將眼動技術與腦電技術相結合，從被試的心理和生理層面找到了切實證據。例如，王雪等人利用眼動儀和腦波儀獲取學習者觀看教學視頻時的平均注視時間、注視次數、總注視時間以及專注度、放松度的相關數據，得出了不同任務難度下教學視頻是如何影響學習者的情緒與學習效果的影響機制與優化策略。[33]眼動技術與腦電技術的互相補充使研究結論增加了可信度，也使得研究結論的普及與推廣更具競爭力。

目前，大多數的眼動指標均為從圖片、文本、視頻、網頁等多媒體材料中采集，雖然也有一些研究者對教學代理等技術開展眼動實驗，但是對虛擬現實、人工智能等方向的眼動探究還較少。當前，大多數實驗所采用的實驗設備為屏幕式眼動儀，也有一部分實驗設備為眼鏡式眼動儀和頭戴式眼動儀，研究者可根據實驗條件和實驗需要確定實驗設備。無論選取何種實驗設備，只要實驗設計科學合理，眼動指標捕捉無誤，數據分析完整周全，均可以獲得相應的研究結論和成果。

(五)因變量聚焦于學習

大部分借助眼動儀完成的教育研究多以學習測驗、學習效果、認知負荷等作為因變量。如劉哲雨等人以認知負荷和學業情緒作為因變量，通過對比實驗論述反思對深度學習的影響。[34]尤洋等人和謝耀輝等人以學習成績為因變量分別探討了教學視頻終端顯示空間、前嵌問題與反饋對學習者的影響。[35-36]大多數眼動研究都對被試進行了前后測。通過對被試的先前知識經驗進行測驗以確定被試在某一學科或某一知識范圍內的基本水平，能夠判斷被試是否符合眼動實驗的要求，這也為被試完成實驗內容后接受后測提供條件。部分研究除對比前后測學習成績外，也對被試的認知負荷和學習滿意度進行了測驗。研究者采取其他專家學者編制的具有高信效度的量表，又基于當前眼動實驗的特征與實情對量表進行適當修改。其中，應用最多的是PAAS量表。量表內容一般有若干個問題，詢問學習者在某一學習環節中投入了多少努力。由學習者選擇以數字1至數字9為代表的努力程度。數字1代表最少努力，數字5代表中等努力，數字9代表最多努力。也有部分研究者不僅測量了學習者學習過程中的認知負荷，也測量了教育者在教學過程中的認知負荷。雖然對教師的眼動行為還未有研究進行采集，但對教師認知負荷的測量表明眼動實驗的實施者不僅僅對學習者認知加工、學習行為進行探索，更關注到教師的教學行為和心理負擔。這為眼動儀在教育技術領域的應用提供了認知負荷、學習滿意度、社會存在感等多主體、多層次、多方面的數據與參考。

四、結論

研究者從不同層次、不同角度借助眼動儀開展眼動實驗作為學習行為表征的模態數據。大多數研究者采取多媒體學習、教育網頁、教學視頻、電子閱讀等作為研究對象。眼動追蹤技術所提供的視線規律和眼動指標為學習過程和資源的設計與開發提供了實證的證據。研究者傾向于采用注視時間、注視次數、瞳孔大小等眼動指標測量推斷學習者的學習效果、認知負荷、情緒體驗等。常見以學習者認知行為作為重心的眼動研究，少數研究者探討了教師的形象、目光、姿勢[37]和教室當中位置的設置等學習環境構成要素對學習者的影響。眼動追蹤技術支持的結論成果均應用于解釋自變量對學習者的影響，還未發現教師作為被試參與的眼動實驗。

基于以上結論提出的當前教育技術領域眼動儀應用的不足與建議有：第一，被試樣本的數量與層次欠豐富，可擴大樣本的選取范圍。當前的研究所采取的被試樣本在50位左右，也有一些研究選取了20位左右的被試進行眼動實驗。數量較大的樣本還較為缺乏，且受到學習內容和實驗設備的限制，多數研究的被試是大學本科生或某所學校的中學生。如劉睿等人以大學本科生為被試對比立體3D、2D視頻對學習效果的影響[38]，周夢哲等人選取了某中學的初一學生作為被試[39]。未發現研究生、職校生作為被試樣本參與實驗。建議擴大樣本的選取范圍與層次，進一步深化眼動實驗研究的研究方法。

第二，實驗內容選擇側重于理工科知識，可嘗試組織跨學科眼動實驗。目前，被選用為實驗材料的學科知識內容有醫學、地理、化學、生物等，以人文學科內容作為實驗材料的研究比較少。還沒有看到基于眼動追蹤技術的跨學科眼動實驗。培養學習者跨學科素養不僅能夠促進學習者在真實情境中的問題解決，也優化了學習者的創新創造性思維，因此，進行基于眼動追蹤技術的跨學科研究是很有必要的。

第三，未通過大規模教學實驗活動驗證實驗結論，建議進一步深化、普及研究成果。目前，國內教育技術領域的眼動實驗研究均采取了收集樣本數據進行處理與分析的研究方式方法，還沒有研究者通過較大規模的教學實驗活動來驗證和發散實驗結論，使得其研究結論具有一定的局限性，也限制了研究成果的推廣與普及。在通過眼動實驗研究進行理論建構之后，研究者可嘗試開展大規模的教學實驗活動來進一步深化和普及研究成果。