基于眼动追踪技术的研究型教学体系建设

田媚 黄雅平 李清勇 邹琪

文章编号：1672-5913（2015）03-0037-04

中图分类号：G642

摘要：介绍基于眼动追踪技术的研究型教学体系在本科和研究生教学中的运用，阐述如何建立全方位科教融合的研究型教学体系，通过教学实践和有益尝试促进该学科的教学效果、推进教学改革

关键词：研究型教学；体系建设；眼动追踪

0 引 言

近年来，眼动追踪技术逐渐成为国内外相关科研领域的热点课题。德国SMI公司生产的眼动仪系统-iView X RED250搭建了眼动追踪平台，平台包括了刺激图像显示计算机、红外电源、LED摄像头和一个工作站，进行眼动数据记录和分析，如图l所示。

以眼动追踪平台为立足点，建立全方位的基于眼动追踪技术的研究型教学体系，充分体现了科教融合的新思想。笔者在本科生、研究生毕业设计课题中探索眼动追踪技术在高级语言程序设计、多媒体技术及应用课程中的教学研究在研究型教学体系建设中，我们建立了明确的教学目标，在优化教学内容、重视基础教学的同时，注重培养学生的动手实践和科学研究能力。

1 眼动追踪教学体系的整体方案

眼动追踪技术是通过眼动研究洞察被试行的潜意识行为，判断出被试者的真实意愿，从而在理解被试者潜意识偏好的基础上进一步预测其行为特征。眼动追踪技术可以记录被试者在屏幕上视线停留的空间位置及浏览屏幕的路径和眼睛转移过程，揭示被试者在使用过程中所采取的使用策略，反映被试者在体验过程中的满意样度。因此，眼动追踪技术可以更直观地测试到被试者在浏览软件界面与使用软件功能时的具体表现过程，它在多个方面突破了传统研究方法的局限。更加客观、全面地记录被试者体验过程的感受与体验数据，更加细致而又准确地捕捉到被试者的感兴趣区域。

目前，眼动追踪技术多被应用于心理学、营销学、广告学、人为因素学、人体工效学等领域，有些研究已将眼动追踪研究技术应用在视频游戏娱乐设备及汽车的外观设计的评估中。眼动追踪技术在国外研究中普及率较高，国内研究还较少使用眼动追踪技术。因此，基于眼动追踪技术的研究型教学体系建设，是极具发展潜力的研究型教学领域。

其整体方案包括3部分：①将眼动追踪的实验结果应用于本科高级语言程序设计课程中，以实际可视的数据设计课程实验，让学生对眼动实验数据结果进行各种程序设计和分析。这一方面可以提高学生学习程序设计类课程的兴趣；另一方面通过实际项目的动手实践，学生不仅能掌握高级程序设计语言的知识，更重要的是在实践中逐步掌握程序设计的思想和方法，培养问题求解和语言的应用能力；②将眼动追踪技术应用于研究生多媒体技术及应用课程中。作为多媒体技术的最新前沿知识，在课堂中引入眼动追踪的基本技术和知识，调动学生学习的积极性。引导学生学习了解最新前沿眼动追踪技术、红外传感技术等：指导学生用眼动追踪技术提升网站可用性，进行智能手机界面、相关应用软件可用性眼动研究并在智能手机上模拟实现；③将眼动追踪技术与注意机制的研究相结合，指导硕士研究生和本科生进行毕业设计课题研究。指导硕士研究生和本科生深入研究现有注意机制的基础理论并收集生物学最新成果，将眼动追踪实验结果与注意模型相结合，建立符合人类感知特性的注意感知模型。

2 眼动追踪应用于本科生教学

高级语言程序设计为计算机科学与技术、信息安全和生物医学工程的专业基础课，是专业主干课程。教学对象是相应专业的一年级本科生，教学使用的高级语言是C语言。课程教学内容由浅入深，教学过程围绕用高级程序设计语言解决问题所需掌握的数据模型和算法的设计、编码、调试和实施等知识与技能开展教学工作，并通过教学过程开拓学生的各方面专业知识面，提高专业兴趣，为后续课程打下牢固基础。

我们在多年的教学过程中发现，学生在学习高级语言程序设计的过程中存在以下2个主要问题。

1）学习目标不明确，学生学习的积极主动性不够。高级语言程序设计课程的学习需要多练，通过大量的编程训练，在实践中掌握语言知识，培养程序设计的基本能力，逐步理解和掌握程序设计的思想和方法。但对于刚刚步人大学校园的一年级学生来说，他们并不明白掌握一门语言课程有什么样的重要性，也不清楚学会这门课程对于他们的实际学习生活会有怎样的帮助和改变，所以在教学的过程中为学生建立一个明确学习目标，有助于增强学生的学习兴趣。

2）研究型教学的特色在课程中体现不够充分。创新性教育需要有相应的教学模式，让学生在“研究”中学习，在探索中发现，从而培养学生的自我学习能力和创新精神。高级语言程序设计的教学过程应该以课程内容和学生的学识积累为基础，引导学生创造性地运用知识和能力，自主地发现问题、研究问题和解决问题，在研讨中积累知识、培养能力和锻炼思维。为了调动学生学习的积极性，我们向大一学生介绍眼动追踪平台，并鼓励他们积极参与到眼动追踪实验中，增强学生的学习兴趣。

iView X RED眼动仪系统包含15寸笔记本系统工作站一台、遥测式眼动追踪系统一套（软件狗一个，22时液晶显示器一台和双眼眼动跟踪模块一个）、iView X RED眼动操作软件一套、Experiment Center实验中心软件一套、BeGaze分析软件一套和BeGaze Vieo动态视频分析包一套。其中，BaGaze软件功能强大，可以对数据文件作各种分析，如扫描路径分析，逐点连续显示注视点位置及各个注视点的数据（开始、结束、持续时间、位置坐标、凝视事件、扫视跳跃事件、角速度、角加速度、眨眼等）；兴趣区编辑器，用户可以在视频中设定多个兴趣区（矩形、圆形、任意多边形等），以颜色区分，兴趣区的位置变化可以定义到每一帧，也可以连续几帧定义；兴趣区顺序分析，时间为X轴，兴趣区为Y轴，显示随时间进行，视点在各个兴趣区之间的转换过程，用于分析人的视觉变化过程。学生在使用眼动追踪系统做实验的过程中，通过分析软件可以使枯燥的实验数据结果以丰富的可视化的形式再现以及通过对实验数据的分析凸显数据内在关系，都极大地激发了同学们对高级语言程序设计课程的学习兴趣。

眼动追踪平台的数据导出功能可以用不同格式的文件导出所有原始数据和所有软件处理后的数据结果。冈此，我们由可以进一步将眼动平台的实验结果应用于本科高级语言程序设计课程中。让学生编程实现对眼动平台的实验数据的文件读写，对数据结果建立链表进行存储，对数据结果设计算法进行分析，尝试将多种数据结果以不同的方式进行旱现。这些内容都可以作为高级语言程序设计的课程实验。通过对以往的数据进行重新分析，用户可以在有必要时轻松实现更改参数的行为。为了更加适应研究要求，设计程序对实验结果进行分析和再现，可以轻松地从被试者、事件、兴趣区或时间、图表或统计表等角度进行深入研究。

3 眼动追踪应用于研究生教学

多媒体技术及应用是一门涉及多个学科的交义领域，通过对该课程的学习使学生掌握多媒体技术的基础知识，包括多媒体的相关概念、多媒体压缩技术、图像、视频和音频数据等，此外在课程的学习中不断增加最新多媒体技术发展的相火课题，拓宽学生知识面和刈新技术的了解。在多媒体新技术介绍中，一个很重要的部分就是将眼动追踪技术应用于研究生多媒体技术及应用课程中。引导学生学习了解最前沿眼动追踪技术、红外传感技术，并进行眼动实验。我们在研究生课程实践环节设计了丰富的基于眼动追踪的实验内容，主要包括：

1）查找并全面了解不同品牌的世界先进眼动仪的整体结构和硬件系统，在实验报告中进行梳理总结比较，给出查找网址或论文情况，然后对至少4个不同品牌的主流眼动仪的整体结构和硬件系统做出详细研究，然后对国内外有成果或源程序的相关研究进行展示或再现。

2）全面查找眼动追踪技术的最新中英文文献（包括国际顶级会议和期刊，以英文文献为主），将文献根据时间和发表档次进行整理，就眼动追踪技术的发展及研究现状进行综述性报告（相关研究大概分几类、每类研究参与的国家、大学、研究单位及研究者等基本信息，以及每类研究的代表性技术），系统深入地研究某3种眼动追踪技术的关键内容并编程实现.

3）以RED眼动仪为实验设备，分别进行网站可用性和智能手机界面及相关应用软件可用性眼动研究，基本内容和要求为：①调研国际现有智能手机的特点，分类了解不同网站、智能手机的使用情况；②采用德国SMI公司眼动仪iWiew X RED（桌面遥测式眼动仪）系统对不同网站、智能手机操作平台及流行应用软件进行测试，将眼动追踪技术引入应用软件可用性的评估中；④根据测试结果的输出数据和研究结果总结出提高网站可用性、智能手机界面和应用软件可用性的指导性原则。

4）全面查找基于视觉注意机制的目标检测或识别模型及算法的最新中英文文献；在深入了解现有注意机制模型优缺点的基础上，霞点选择3种公布算法源程序的注意模型编程实现，应用于特定目标检测任务；让被试者采用德国SMI公司眼动仪iWiew X RED（桌面遥测式眼动仪）系统进行实验，将注意模型和眼动实验的结果进行比较分析，对比分析研究人眼注视点和机器提取的显著区域之间的差别。

通过实验，同学们一方面学会了学术资料、科技文献的查阅整理方法，了解了多媒体技术中的先进硬件技术和软件算法，使得研究生具备了进行科研工作的最基本学习能力和知识储备；另一方面通过实际动手编写程序和使用眼动仪进行实验，提高了研究生的实践能力。

4 眼动追踪应用本科和研究生毕业设计

我们将眼动追踪技术与注意机制的研究相结合，指导硕士研究生和本科生进行毕业设计课题研究。对于硕士研究生，主要是深入研究现有注意机制的基础理论并收集生物学最新成果，将眼动追踪实验结果与注意模型相结合，建立符合人类感知特性的注意感知模型，具体研究内容包括：

1）学习视觉注意机制和目标检测的基础理论，调研国内外现有基于注意机制的目标检测模型。调研国际上现有眼动仪的发展现状及技术特点，了解眼动仪系统的构成。

2）在深入了解现有注意机制模型优缺点的基础上，重点研究美国南加利福尼亚大学的Ilab实验室的相关研究成果，以数据驱动的注意模型为重点，分析Itti模型的原理及算法，并将模型算法应用于目标检测任务中。

3）让被试者采用德国SMI公司眼动仪iWiew X RED（桌面遥测式眼动仪）系统来完成与注意模型相同的目标检测任务，将两者的结果进行比较分析，研究人眼注视点和注意模型提取的显著区域之间的异同，从而有效地评估注意模型的性能并进行注意模型算法改进可行性分析。

对于本科生，在毕业设计的过程中引导学生用眼动追踪技术提升网站可用性，进行智能手机界面、相关应用软件可用性眼动研究并在智能手机上模拟实现，具体研究内容包括：

1）将眼动追踪技术应用于智能手机应用软件的可用性评估中，并与传统的可用性评估方法相结合，提出手机软件可用性眼动评估模型。该模型重点研究将注视点数、扫描路径图和兴趣区时间柱状图等眼动数据与问卷调查、用户访谈等传统可用性评估指标相结合，对微信、QQ、飞信、米聊和陌陌5款手机即时通讯软件进行垂直研究分析，衡量对比智能手机应用软件的可用性水平，根据评估结果得出提高手机软件可用性的指导原则；以提出的可用性指导原则作为开发依据，使用Android开发平台对手机QQ软件进行改进，再进行可用性分析。该模型对指导手机软件可用性评估的实践及在开发过程中提高智能手机应用软件的可用性有着重要的意义。

2）采用德国SMI公司眼动仪iWiew XRED（桌面遥测式眼动仪）系统对不同功能网站的页面布局进行测试，将眼动追踪技术引入网站可用性的评估中。将测试结果的输出数据与传统可用性评估指标相结合进行分析研究，根据研究结果总结出提高网站可用性的指导性原则。依据指导性原则进行网站设计，再用眼动仪系统进行可用性分析。

5 结语

基于眼动追踪技术的研究型教学体系建设已实施2年，无论是课堂教学，还是研究生、本科生的毕业设计指导，都取得了很好的效果。近3年来，该方向已有2名硕士研究生、10名本科生完成毕业设计，还有3名硕士研究生正在从事该方向课题研究，今年计划指导2～3名本科生继续进行深入研究。通过研究我们希望对今后的基于眼动追踪技术的研究型教学体系进行进一步完善，以取得更好的教学效果。