基于眼动信息分析的多媒体教学优化设计

于雅楠，陈静，吕润，张晓伟，刘源超

（天津职业技术师范大学信息技术工程学院，天津300222）

基于眼动信息分析的多媒体教学优化设计

于雅楠，陈静，吕润，张晓伟，刘源超

（天津职业技术师范大学信息技术工程学院，天津300222）

针对优化与高校学生密切相关的课堂教学质量问题，选择30名视力正常的大学生作为被试，采用眼动跟踪系统记录被试在阅读同样内容的文字版、图片版、视频版教学课件设计过程中的眼动信息，对获取的人体眼动数据进行处理及综合分析。结果表明：①墨蓝字体比红色和粉色字体更具有吸引力，宋体、仿宋或楷体等字体产生的阅读效果更好，每页幻灯片字数建议在150字以内且字号大于40。②添加图片有助于提高学生的注意力，但图片的大小及数量需要控制，图片过大会影响学习效果。③在多媒体教学中适当增加动画或视频设计，可以突出教师所要传达的重点教学内容，提高学生的注意力和兴趣度，从而达到良好的教学效果。研究结果为改善多媒体教学课件、提高课堂教学质量提供了参考依据。

眼动；多媒体教学；阅读；信息对比；优化设计

多媒体教学是指在教学过程中，通过教学设计，将现代教学媒体与传统教学手段结合，以图像、视听的方式作用于学生，形成合理的教学结构，并能根据教学目标和教学对象的特点，达到最优教学效果的教学。在多媒体教学环境下，教师借助计算机技术等辅助手段，创设形象生动的教学情境，把抽象复杂的教学内容转变为直观、易懂的表现形式，激发学生的课堂学习兴趣，拓展学生积极思维空间，优化课堂教学结构，进一步提升课堂教学质量［1］。多媒体教学作为一种新型教学手段和方法在当前的教学过程中尤为重要。因此，教师在进行多媒体教学课件制作、教学形式设计和教学方法选取方面，应更关注课堂知识信息传递的有效性探索［2］。一个优秀的多媒体教学课件不仅可以储存、处理和传递教学信息，还能实现学生的交互式操作，最大程度地将教学内容予以生动呈现。在课堂教学过程中，眼睛是学生观察、交流和认知的有效通道，眼球的运动参数是学生对多媒体课件内容的直观反映，更是学生心理活动的真实表达［3］。例如，在学习过程中，阅读者眼睛的注视次数、注视时间、瞳孔直径、扫描路径、眼跳距离等指标都能侧面说明对阅读内容信息的提取效果。

基于眼动跟踪在众多领域的成功应用［4-6］，本研究从影响学生学习效果的关键设计因素入手，通过对人眼活动规律的研究获取被试学生的眼动数据，深入分析其思维过程，归纳教学课件设计内容和组织形式。与已有研究相比，本研究的创新之处在于基于人体眼动数据客观反映学生对教学知识的接受程度，深入探究课堂教学过程中多媒体课件的制作方法，优化多媒体课件视觉传达设计，改善多媒体课件的知识内容与结构布局，从而提高学生对教学内容的专注度与兴趣，进一步提高教学质量。

1　研究方法

1.1被试

选取30名在校大学本科生作为被试对象进行实验测试，平均年龄为20岁，被试者裸眼视力或矫正视力均正常，无色盲或色弱。

1.2实验仪器

使用SMI公司Iview X RED眼动追踪系统，进行双眼追踪采样，采样率最高可实现500 Hz，追踪分辨率0.03°，凝视定位精度小于0.4°。该设备为非接触式测量，遥控红外眼部摄像自动记录被测试者眼睛的运动信息，包括眼睛凝视位置、瞳孔直径、瞳孔位置、跟踪位置、眼动图像等，经过图像采集与分析，实时计算出眼球的水平和垂直运动时间、注视位置、位移距离、速度及瞳孔直径等数据。

1.3实验材料

实验材料为项目成员设计的3个多媒体教学课件，分别以文字、图片、视频等不同形式将教学内容进行呈现，每个实验材料内容大致相同，通过使用Iview X RED眼动追踪系统，经眼动信息采集后得出测试数据，再围绕关键数据进行分析。

1.4实验设计

实验中，30名被试分别观看纯文字版课件、图片版课件以及视频版课件，分别提取眼部运动数据，包括3种基本类型的眼动数据，即注视、眼跳和追随运动［7］。然后分别对3版课件测试数据进行分析，将纯文

字版数据与图片版数据以及视频版数据进行对比，分

别得到相应的分析结果。

1.5实验程序

30名被试分别通过Iview X RED眼动追踪系统进行测试。首先进行纯文字版课件的测试，随后进行图片版课件的测试，最后进行视频版课件的测试。眼动追踪系统实时捕捉并采集被试者的眼睛凝视位置、瞳孔直径、瞳孔位置、跟踪位置、眼动图像等眼部运动数据，提取其中具有针对性的实验数据进行对比，完成系统分析并给出结论性的设计指导依据。

1.6数据处理

实验过程中，由于被试眼部疲劳或头部移动等原因，实验仪器无法准确记录眼动数据或得到无效数据，所以在分析处理时需要进行数据剔除。对提取的30组数据进行整理，分为纯文字版测试数据分析、纯文字版数据与图片版数据对比分析，以及纯文字版数据与视频版数据对比分析。项目成员分组对上述3组实验数据进行处理，分别得到实验结果后完成汇总。

2　研究结果

2.1纯文字版课件数据分析结果

在阅读过程中，眼睛的注视时间越长、平均瞳孔直径越大、眨眼频率越低、扫描路径越长、眼跳幅度越大及眼跳次数越少，在一定程度上说明阅读内容对被试者来说更具有吸引力［8］。因此，对纯文字版课件的眼动数据进行分析，得到数据如表1所示。

（1）在字号、字体和字数相同的情况下，刺激性温和的冷色系比刺激性强烈的暖色系更有吸引力，能够提高被试者的阅读效果。

（2）在字号、字体颜色和字数相同的情况下，字体规整的文字比艺术字体更具有吸引力，能够提高被试者的阅读效果。

（3）在字体、字号和字体颜色相同的情况下，文字字数适中比字数繁多更具有吸引力，能够提高被试者的阅读效果。

表1　纯文字版课件分析结果

（4）在字体、字数和字体颜色相同的情况下，大号字体比小号字体更具有吸引力，能够提高被试者的阅读效果。

2.2图片版课件数据分析结果

一般在多媒体课件制作过程中，增加图片设置往往更能吸引阅读者的注意力，有助于提高学习效率［9］。通过计算，图片版课件的眼跳平均速度为73.22°/s，纯文字版课件的眼跳平均速度为99.87°/s。相比而言，纯文字版课件的眼跳移动速度明显高于图片版课件，说明被试者在阅读纯文字版课件时，眼神游离程度较高，不能准确理解并接受测试者所要表述的内容。但研究也发现，虽然图片设计可以使被试者的注意力有效集中，但当图片大小超过当前页面一半时，被试者对于图片的关注度过高，也不利于教学内容的传授。

2.3视频版课件数据分析结果

2.3.1选取的眼动分析指标

在进行视频版教学课件的数据分析时，选取的眼动分析指标包括：①注视点持续时间；②眼跳幅度；③眼跳平均速度；④平均瞳孔直径［10］。

2.3.2各指标分析

视频版课件的眼动数据分析结果如表2所示，通过数据对比分析得出如下结论。

表2　各指标分析结果

（1）被试观看视频版课件的注视点持续时间要高于观看纯文字版课件，由此可以得出增加视频设计更容易吸引被试者的注意力，设计效果要优于纯文字版课件设计。

（2）在纯文字版课件数据中，注视点的幅度变化要高于视频版课件，说明观察区域内有更多的意义性线索，但这种注视点的快速变化容易使被试者丢失课件的主要内容。相反，在视频版课件中，由于视频的设置使教学内容表现更加直观，被试者能更好地理解课件的设计内容。

（3）纯文字版课件的视线移动速度明显高于视频版课件，这说明被试在对大篇幅文字进行阅读时，眼神游离程度较高，注意力与关注度下降。众所周知，教学质量和教学效率的高低与学生对教学内容的关注度密切相关。

（4）在视频版课件设计中，瞳孔直径要大于纯文字版课件。研究发现，人类的瞳孔大小不仅受环境的明暗度影响，还受对注视目标感兴趣程度的影响。在环境明暗度不变的情况下，瞳孔越大则说明对某事物感兴趣度越高。另外，频繁的瞳孔大小变化侧面反映人的心理变化过程［11］，因此在使用多媒体教学过程中，重点与非重点内容可借助瞳孔大小的转换来提高学生的注意力和学习效率。

3　讨论

3.1相同内容下不同文本设置的影响

刺激性温和的冷色系比刺激性强烈的暖色系更具有吸引力，造成这种现象的原因是强烈的颜色会刺激人的眼睛，使人产生不适感甚至眼部疲劳，从而降低学习的集中度与注意力。

在阅读效果上，规整的字体设置对阅读者的吸引程度更高，造成这种现象的原因是规整字体可以更清楚、更熟知地表现文字内容，而艺术字体往往强调表现的艺术形式，会造成一定程度的视觉干扰，导致学习者的集中度下降。在阅读的持续性上，文字繁多会造成人的眼部疲劳与心理疲劳，大篇幅文字叙述会给人一种枯燥无趣感，降低学习者的专注度。另外，文字布局上，人在开始阅读时，其注视点一般会集中在居中位置或显眼位置；字号设置上，较大文字能清楚地表达阅读内容。

3.2图片与文字设计在教学中的比较

纯文字版课件设计在教学中枯燥难懂，影响学生的学习热情，降低学习效果与课堂教学质量。在文字设计之余，适当加入有趣或者与教学内容相关的图片设计，可以生动形象地呈现教学内容，激发学生的学习兴趣。与枯燥无味的大篇幅文字叙述相比，适当使用图片能达到使学生在轻松愉快的氛围中理解并掌握学习知识的目的。但要注意，过大或过多图片的加入容易造成学生注意力混乱，使注意力过多地转移到图片上，降低学生的学习效率［12］。因此，在教学课件中添加图片时，要合理控制图片的数量以及图片的大小。

3.3视频与文字设计在教学中的比较

在教学过程中，纯文字设计由于形式过于枯燥，使学生在学习过程中易产生疲劳与厌倦感，致使学习的兴趣和对知识的吸收受到影响。在多媒体制作时，为避免大篇幅文字出现，适当将动画或视频效果运用到教学中，不仅可以使教学内容的表达更为丰富生动，将理论和概念变得更加容易接受，重点内容更为突出，还能激发学生的学习兴趣，促进知识的理解与掌握，提高学生的注意力与关注度，从而达到良好的教学效果。

4　结束语

本文采用眼动追踪系统记录30名视力正常的大学生在阅读同样内容的文字版、图片版、视频版教学课件过程中的眼动信息，对获取的人体眼动数据进行综合处理与分析。研究发现，不同的字体、字号、颜色以及字数设置会产生不同的阅读效果。通过数据分析，字体相对较大、温和冷色系、字体规整并且字数适当的文本设计具有更好的阅读效果，能够吸引阅读者的关注。在设计教学课件时，建议使用温和的冷色系，例如黑色、深蓝色等，也可适当使用刺激性强烈的颜色起到提示作用。在字体方面，建议使用楷体、宋体或仿宋等字体，尽量避免使用艺术字体。在字数方面，建议整张页面的字数控制在150字以内，字号大于40，需要重点提示的内容可以使用更大字号。另外，在多媒体课件制作时，由于采用纯文字设计时字数过多，阅读者很少能看完所有设计内容，而色彩丰富的图片和动画呈现使人印象深刻，所以适当地增加图片、视频和动画效果可以更好地吸引读者的注意力，有效提高读者对设计内容的关注度。

多媒体教学作为一种新型的教学手段和授课方法在课堂教学过程中尤为关键，教师在设计制作多媒体教学课件时，首先要考虑如何将课堂知识有效地进行传递，将教学内容以丰富的形式更为直观、灵活、生动地予以呈现。基于实验研究和数据分析，在进行多媒体课件设计时可以通过添加适当的图片、运用视频资源及合理的文字设置来提高学生对教学内容的关注度与学习兴趣，从而达到提高课堂教学质量的目的。研究结果为完善多媒体教学课件、提高课堂教学质量提供了有力的参考依据。

［1］李花.浅谈多媒体课件教学的利弊［J］.现代教育技术，2008，18（13）：92-93.

［2］周洁，侯贤兵.多媒体教学课件的设计制作及应用［J］.计算机时代，2015（6）：53-55.

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［5］蒋洁智，张娅，李卓琳，等.影像医院教学中的新方法——眼动跟踪技术［J］.西北医学教育，2015，23（5）：884-885.

［6］迟慧，闫国利，许晓霞，等.声旁语音信息对形声字加工的影响——来自眼动研究的证据［J］.心理学报，2014，46（9）：1242-1260.

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［8］程利，杨治良，王新法.不同呈现方式的网页广告的眼动研究［J］.心理科学，2007，30（3）：584-587.

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Multimedia teaching optimization design based on eye movement information analysis

YU Ya-nan，CHEN Jing，LYU Run，ZHANG Xiao-wei，LIU Yuan-chao
（School of Information Technology and Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Classroom teaching quality for college students is closely related to the optimization，30 college students with normal vision as subjects are selected，and the eye tracking system is used to record information in eye video version of course-ware design in the process of text，pictures，read the same version of the content，processing and comprehensive analysis of the human eye movement data acquisition.The result shows that：1.Ink blue font is more attractive than red and pink，Song typeface，Imitation Song typeface and Regular script have better reading effect.In each page，the number of PPT words less than 150 and the font size larger than 40 is suggested.2.Adding images is helpful to improve the students'attention，but the picture size and quantity need to be controlled.3.Appropriate increase in the animation or video design，in the multimedia teaching to highlight the key teaching content，can improve students'attention and interest，so as to achieve a good teaching effect.The results of the study provide a reference for the improvement of multimedia teaching courseware and the improvement of classroom teaching quality.

eye movement；multimedia teaching；reading；information comparison；optimization design

G434

A

2095－0926（2016）03－0050－04

2016-04-05

国家自然科学基金青年基金项目（61403282）；天津市教委科研计划项目（20130404）；天津职业技术师范大学校级重点预研项目（KJY1303）；2014年大学生创新创业训练计划项目（201410066010）.

于雅楠（1984—），女，讲师，博士，研究方向为计算机控制技术、传感技术和精密检测技术.