基于學生眼動數據的線上教學課件學習效果分析及優化

胡瑾秋，肖尚蕊

（中國石油大學〔北京〕安全與海洋工程學院，北京 102249）

引言

隨著線上學習辦公軟件的蓬勃發展，線上學習活動已經逐漸成為人們日常生活的選擇，各大高校也在特殊時期選擇“線上直播教學+數字化學習資源”相結合的方式進行授課［1］。

線上教學以其快捷、便利等優勢成為學習者的首選，線上教學以直播、錄播課程視頻和PPT教學課件兩種形式呈現。然而，有別于傳統的高校線下課堂授課，線上教學學習環境復雜，師生課堂交流反饋受限，學生注意力易被分散，學習效率不高。對此，高校教師在線上教學時，需要借助合理科學的語音語速、便于記憶的教學課件，以吸引學生注意力，提高學生的學習效率與知識記憶時間［2-4］。

基于眼動儀的視線追蹤技術可以識別觀看者的眼動行為和軌跡。胡瑾秋、張來斌等［5］利用眼動儀和視線追蹤技術判定工藝操作中的人員失誤行為。胡瑾秋、胡靜樺等［6］使用眼動儀開展三維模擬滅火救援訓練平臺的應急培訓效果研究，通過采集操作者的眼動數據并提取特征，得到典型失誤模式的失誤特征。Wright等［7］研究眼動模型（EMMEs）引導學習者注視和凝視以提高學習效率，發現EMMEs在特定條件下部署可以提高學習者的學習效率。王超群等［8］指出眼動儀可以通過眼動數據有效反映視頻學習的效果。邵長金等［9］利用眼動儀記錄實驗對象在虛擬實驗教學時的注視熱點，以此改進虛擬仿真實驗方案。

本文從微觀角度尋找教學課件中不同的設計因素對高校學生學習效率的影響，通過基于眼動數據的線上教學模擬實驗，從學習理解深度、學習記憶深度以及學習應用能力等三個方面評價高校學生的學習效率，制訂最優的線上教學PPT課件設計方案。

一、基于眼動儀的線上教學課程設計要點

本文設計了基于桌面眼動儀的線上教學課程實驗，利用實驗對象觀看線上教學錄播課時被追蹤到的眼動行為與眼動數據，系統性辨識影響高校學生線上學習效率的教學課件設計因素。實驗所使用的眼動數據包括實驗對象的注視興趣區、注視時長、注視熱點以及注視順序，分析實驗對象在線上授課中對教學課件的主要關注區域以及影響學生學習效率的教學因素。根據線上授課的實際教學情況以及教師的PPT課件，劃分了如圖1所示的教學課件設計要點。從線上教學課件設計出發，探究合理、科學的教學課件的“圖、文、公式、標題”布局方式。同時，研究教師在線上教學過程中合適的語音語速和最佳的教師窗口擺放位置。

圖1 線上教學課件設計要點

二、眼動實驗方案

本文在正式實驗前實施了預實驗，最終選定了“圖片+音頻+視頻+問卷”相結合的實驗方式，將線上教學實況（騰訊會議直播課）截圖，留存每一次屏幕變化的圖片，同時錄下線上教學的音頻。實驗對象在桌面眼動儀的監測下，配合教學音頻觀看截圖和視頻，由操作者根據教學音頻切換截圖，模擬真實線上教學場景。教學課件中的動圖部分由短視頻呈現，單獨監測，以達到對教學課件切換過程中實驗對象眼動行為的逐幀分析。眼動監測在模擬教學結束后，對實驗對象進行教學內容的問卷檢測和教學反饋記錄，同時對檢測結果進行評分，記錄實驗對象的學習體驗。在沒有額外復習和學習的條件下，于一周的記憶周期結束點對實驗對象進行第二次教學內容問卷檢測，著重觀察實驗對象的記憶深刻點和學習掌握點。

以中國石油大學（北京）安全工程專業胡瑾秋教授所授課程“燃燒與爆炸學”作為線上教學實驗素材，選取《可燃液體燃燒》章節，邀請中國石油大學（北京）安全工程專業未學習過該課程的本科三年級學生，以及已經學習過該課程一年的本科四年級學生，共計10人，作為本次實驗的實驗對象。

實驗設計線上教學模擬實驗課程時間軸，如圖2所示，課程以“燃燒與爆炸學”第五章的教學內容為主要脈絡，加入不同語速、不同課件設計切換等部分。其中，語速變化有緩慢語速150～180字節每分鐘、正常語速240字節每分鐘、快速語速320～350字節每分鐘［10］等三種。

圖2 線上教學模擬實驗課程時間軸

線上授課的可視化部分包含教學課件的設計、教師的形體以及板書占比的設計。根據補色對比強烈的原則，實驗選取日常教學會出現的顏色對比加入實驗課件設計，分為強烈顏色對比和相近顏色對比。以色環圖為色彩對比依據，線上教學PPT字體色彩對比示例如圖3所示。

圖3 線上教學PPT字體色彩對比示例

對于教師窗口，實驗根據傳統課堂授課的經驗判斷，距離教師較近的學生的注意力會更加集中，而距離教師較遠的學生的注意力會稍有偏離。雖然線上教學中學生看到的教師畫面是相同的，但是依然有大小之分，實驗需要尋找教師窗口大小對學生聽講的影響。

實驗將教師窗口大小分為四種情況：適中（騰訊會議默認窗口大小）、放大、不存在教師窗口和教師窗口異動，實驗呈現教師窗口大小示例如圖4所示。

圖4 教師窗口大小示例

三、線上學習效率分析

（一）熱點圖分析

根據桌面眼動儀獲取的實驗對象眼動數據開展注視熱點分析，圖5為實驗對象對圖文等不同部位的關注熱點圖對比，包含全部實驗者的綜合熱點圖。根據圖5，經實驗分析發現實驗對象的關注點并不是在所有教學時刻無差別地關注某一種設計要素，而是在不同情況下有不同的關注熱點。將熱點信號圖標識的中心部分劃定為關注重點，邊緣部分為次關注點，沒有信號圖標記視為無關注重點。

圖5 實驗對象眼動熱點圖

圖5（a）為普通黑體標題文字、加粗紅色文字、剪貼畫圖片和教師頭像共同存在的場景，10名實驗對象的第一關注重點為普通黑體標題文字，第二關注重點為“爆炸”剪貼畫，第三關注重點為教師頭像，其他部分幾乎沒有被關注。圖5（b）則是在圖片背景下的深淺色文字以及教師頭像，該場景下實驗對象的第一關注重點為圖片背景中的圖片亮點部分（暗色背景下的明亮火焰），第二關注重點為文字標題部分，存在空白部分有關注點的情況。

對全部素材場景的不同部分進行關注點統計，結果如圖6和表1所示，統計不同設計要素成為關注重點的次數以及對應的設計要素在實驗過程中出現的總次數。規定總關注占比（TAP）、第一關注重點+第二關注重點綜合占比（IAP）的計算方式如式（1）（2）所示。

表1 不同設計要素關注重點統計

圖6 不同設計要素重點出現比例統計

針對文字設計要素，實驗結果表明實驗者針對普通文字的IAP為67.85%，TAP達到96.43%；加粗文字的IAP為71.43%，TAP為100.00%；特殊顏色文字的IAP為36.36%，TAP為72.73%。被關注程度順序依次為加粗文字＞普通文字＞特殊顏色文字。

簡單示意圖設計要素的IAP為75.00%，TAP為75.00%；普通圖片的IAP為20.00%，TAP為70.00%。實驗說明，相比復雜的純圖片，使用簡單易懂的示意圖更能引起學生的關注。公式的IAP為69.23%，TAP為100.00%；表格的IAP和TAP均為50.00%。

（二）興趣區分析

根據實驗素材設計，在實驗開始前選擇實驗對象可能會感興趣的區域，劃定興趣區域，分析興趣區內的眼動數據，實驗結果如圖7所示。

圖7 興趣區結果示例

實驗規定指標注視時間密度的計算公式為：

其中，tavg為興趣區內平均注視時間，S為興趣區比例面積。

實驗根據所需要求劃分興趣區，興趣區的劃分標準為實驗點存在的地方，其中字體顏色對比、字體大小對比、圖片文字排版等區域是需要重點觀察的地方，因而劃定為興趣區。為獲得實驗對象對實驗點的眼動反饋，選擇實驗對象興趣區內的平均注視時間和注視點。實驗所用截圖大小一致，平均注視時間與興趣區面積之比作為該興趣區的注視時間指標。注視時間指標用以觀察實驗點對實驗對象的吸引程度，作為教學課件的參考指標。

1.文字字號分析。經實驗分析發現，不同字號的注視時間密度之間呈現字號大小越極端，關注程度就越高的趨勢，即極大的字和極小的字都會吸引實驗者的關注，這種現象在極小字中更為明顯，結合實驗者的問卷調查結果，極小字在課件中難以辨識，為了更好地閱讀和理解，實驗者選擇過多地關注，同時因為辨識極小字，課件中其他要素被實驗者忽略，不同字號興趣區注視時間密度如圖8所示。

圖8 不同字號興趣區注視時間密度

在學習和理解的過程中，注視時間是反映學習效率的因素之一，但并不意味著注視時間越長，學習效率越高。注視時間長反映該素材觀察費時，影響學習效率。字體過小，需要的觀察時間更長；字體過大，易導致分散實驗對象注意力，影響其他部分的觀察學習進度。由實驗結果可知，6號字體注視時間密度較大，達到1 122.82 ms/cm2，在很小的興趣區內注視時間長達4 132 ms。結合實驗問卷的調查結果“看不太清”“懶得去看”可知，6號字體不適用于教學課件，其注視密度過大。54號字屬于標題用字，在實驗中除標題外還設置在文本中，注視密度高達109.57 ms/cm2，也屬于注視過于密集，學習效率低下。因此，參考實驗者的成績排名，將注視密度的合理性與成績關聯，成績越好的實驗者，其常用的注視密度被認為更具有合理性。

選取成績優秀的實驗對象CQ，計算其平均注視時間密度為30.70 ms/cm2，劃定注視時間密度25.00～35.00 ms/cm2為最佳注視時間密度，根據圖8，24號字和40號字的關注度都符合最佳注視密度。

2.顏色對比分析。實驗給出假設，H1：假設強烈色彩對比的部分對學習效率有正面影響；H2：假設相似色彩對比的部分對學習效率有非正面影響。在實驗的最終問卷測驗中，針對色彩對比模塊的素材進行提問，包含記憶深度、認知理解兩個部分，色彩對比部分問卷測驗分數如表2所示。

表2 色彩對比問卷測驗分數（部分）

將強烈色彩對比、相似色彩對比和正常色彩對比的問卷分數進行配對樣本t檢驗，將色彩對比這個設計因素作為自變量，問卷測驗分數和注視時間密度作為因變量，如表3所示。

表3 變量表

強烈色彩和正常色彩配對樣本檢驗結果見表4，表明強烈色彩對比并沒有帶來很大的學習成果差異（t=5.339，p=0.088＞0.05），假設H1不成立。

表4 強烈色彩和正常色彩配對樣本檢驗結果

相似色彩和正常色彩配對樣本檢驗結果見表5，表明相似色彩對比的學習成果差異并不大（t=1.000，p=0.126＞0.05），假設H2不成立。

表5 相似色彩和正常色彩配對樣本檢驗結果

檢驗結果表明強烈色彩對比和相似色彩對比都不能造成學習效率和學習成績的顯著差異。然而，色彩對比并不是一無是處，無論是強烈色彩對比還是相似色彩對比，其記憶深度分數均優于普通色彩，即色彩上的差異更多影響記憶深度而非認知理解。此外，針對問卷調查中出現的語速變化部分的提問，大部分人員的反饋為在每分鐘50～250字的范圍內未察覺語速出現明顯變化，對學習效率的影響較小。

結語

本文利用桌面眼動儀與錄制教學視頻、課件截圖與教學音頻模擬高校學生線上教學場景，通過注視熱點圖、興趣區、注視時長等眼動數據，將線上教學過程中的視覺信息量化，同時進行學習測試調查，從線上授課的學習理解深度、學習記憶深度以及學習應用能力等三個方面對實驗對象的學習效率進行評價，得到線上教學課件設計元素影響高校學生學習效率的有關結論：（1）加粗文字的被關注度優于普通文字和特殊顏色文字；（2）課件公式和表格的被關注度雖然低于文字，但是其成為第一關注重點比例高，一旦被關注很有可能成為第一關注重點；（3）24號字和40號字的使用符合高校學生最佳學習效率的要求；（4）強烈色彩對比和相似色彩對比都不能造成學習效率和學習成績的顯著差異，雖然存在記憶深度較好現象，但留存的記憶往往是不合理顏色搭配的色塊，難以記憶色塊內包含的知識點，關注重點脫離了教學意義；（5）教師的語速在每分鐘150～350字的范圍內對學生的學習效率幾乎不產生額外影響。

針對上述結論，得到優化線上教學課件設計的發展建議：（1）為加深知識重點和難點記憶強度，可以選擇加粗文字的呈現方式，以獲取學生的關注重點；（2）為提高高校學生的學習效率，建議教學課件文字設計部分正文采用24號字，標題采用40號字；（3）相較于大段文字敘述和復雜圖形展示，簡單易懂的示意圖、表格與精練的公式更易成為學生的關注重點和記憶點，更適用于線上教學課件設計。