基于眼动追踪分析的多媒体课件改进方法研究

唐帮备 陈昊 陈胜男

本文旨在探讨应用眼动追踪技术对教学课件改进方法，以提升学生对课件的注意力。分析了基于眼动追踪分析的多媒体教学改进实验原理，建立了基于眼动追踪的多媒体教学实验的研究方法，运用眼动追踪分析系统探究学生对多媒体课件的注意力和学习效果，在此基础上，通过实验分析对多媒体课件进行改进和优化，以达到提升学生的注意力和多媒体教学效果的目的。

1 研究背景

随着计算机技术的发展，多媒体已成为不可或缺的教学手段。多媒体教学有巨大的优势，比如，能够实现文字、图形、图像、动画等多种媒体为一体，并且能够节省教师书写板书、画图等大量的时间。多媒体教学在传达的过程中会存在一定的“误差”，导致学生不能很好的掌握和吸收。在教学过程中，能否使学生的注意保持在教学重点内容上是决定教学效果的关键。在老师的讲授方式不变的情况下，如何对老师课件PPT进行改进，促进学生更好的掌握知识？是多媒体教学需要亟待解决的问题。

目前国内研究者在研究多媒体教学课件优化问题上，大多根据研究者的主观经验进行改进。传统的研究方法无法发现学生对多媒体学习认知过程的规律，其准确性和可靠性往往受到质疑。眼动追踪技术能够直接追踪观测学生认知过程，借助眼动追踪系统记录学生在观看多媒体的眼动认知过程，可以更客观的提出对课件不同的呈现方式对学生认知过程的影响，考察学生是怎么注意或者理解本身的课件的，比如，本来是知识点的内容，呈现的课件是否可以足夠吸引学生注意，再此实验的基础上，对原有课件改进，然后再进行实验考察改进版的课件是否增强了学生注意。

2 基于眼动追踪分析的多媒体教学改进实验原理

在课堂中，我们利用眼动追踪技术记录学生听课时的注意力分布情况，并结合学生对课件的主观评价，用主客观量化数据来评价老师每张课件的教学效果，可以对教师的课件设计和讲课方式的改进提出建设性意见。学生在多媒体课堂学习时，80%的知识信息来自于视觉。学生在对学习课件进行认知体验的眼动模式分为三种，眼跳、注视、凝视。眼跳是指眼睛的注视点的突然改变，以获取刺激对象的时空信息，但几乎不能形成刺激的清晰像，其功能是实现对课件内容的快速搜索;注视是指眼睛的中央窝对准某一对象的时间超过100ms，在此期间被注视的对象成像在中央窝上，获得更充分的加工而形成清晰的像;凝视是指持续注视的过程，此时大脑不仅获得了对象清晰的成像，并对对象进行了认知思考。学生在进行课件认知体验过程中，首先通过眼跳来快速搜索和浏览刺激课件内容，然后通过注视获得刺激对象的清晰成像，最后通过凝视获取课件的所表达的重点信息。

3 研究方法与实验过程

3.1 研究方法

基于眼动追踪分析的多媒体课件改进方法，如图2所示。首先将教学课件制作成的测试材料呈现给被试，借助心理量表记录学生对每一页课件的展示效果的评价;借助便携式眼动仪同步记录被试眼睛的视线轨迹、眼跳、注视、凝视等眼动行为;然后通过被试眼动行为和主观打分与测试课件的关联分析，判断学生对于所测试课件的的心理反应和眼动认知偏好。

3.2 实验过程

1）实验对象

从重庆文理学院机电工程专业随机选取30名大学生作为实验对象，其中男生15名，女生15名。被试者的平均年龄20岁。

2）实验仪器

采用头戴式眼动仪一台，用于记录实验对象的眼动数据，型号为Dikablis Essential。眼动仪用于记录学生在处理课件信息时的眼动数据，包括注视点，注视时间和次数，眼跳距离，瞳孔大小等，从而研究学生的内在认知过程。Dikablis眼动追踪系统是德国Ergoneers最新科技研制的高精度、低侵入性的高端眼动仪。Dikablis配有两个摄像头：eye-camera和field-camera，前者负责追踪眼睛，后者负责录制场景;两个摄像头局可以调节，eye-camera可以根据体验者的不同眼睛和脸部特点进行位置和角度的调节，而field-camera则可以根据测试目标的高度调节垂直方向的角度，找到检测的最佳视角，并可以根据不同场景的研究需求选择不同焦距的摄像头。

3）实验材料

以机电工程专业中的《机械制造技术基础》课程中第二章节“金属切削原理及其应用”课件内容作为实验材料，课件的页数控制在20页左右。

4）实验步骤

a）被试者到达实验教室后，由主试者引导被试者坐在距离投影屏幕3米左右的左右上，引导被试者放松心情，然后让被试者签订知情同意书。

b）由主试者给被试者佩戴头戴式眼动仪，进行眼动定标与校准。

c）由主试者向实被试者介绍指导语，在确认理解后，在投影仪上依次呈现课件材料，让被试者进行学习，学习过程持续30分钟。

d）被试者学习结束后，被试者对每一页课件的展示效果进行评价。

e）被试者依次进行实验。

5）数据分析与处理

通过数据处理软件对每一页课件划分兴趣区，将每页课件中的重点内容划分为兴趣区1，将非重点内容划分为兴趣区2，对30名被试者的眼动数据进行叠加，统计每一页课件兴趣区1和兴趣区2的眼动数据，包括，注视时间、注视次数、眼跳次数等，通过Excel形式将数据导出，通过重点内容兴趣区和非重点内容的兴趣区的注视时间多少和注视次数的数量来分析学生对课件重点内容的注意力和感兴趣程度。同时结合心理量表被试者对每一页课件的主观评价值，将主观评价值和眼动数据进行相关性分析，综合判断学生对某一页课件的学习效果和吸引程度。然后对没一页课件进行改进，以提高学生对课件的注意力。

4 实验分析

通过实验发现，首先图像呈现优与文字呈现，与映入眼帘一大批密密麻麻的文字相比，图形呈现能让同学们更为舒适和愉悦，这种舒适和愉悦的体验又能驱使同学们更乐意去学习、精力更加集中;其次，动态的课件呈现方式优于静态。动态的呈现对观看课件的同学们来说属于新颖的刺激，更能够吸引同学们的注意力;而且每次呈现一个或者少数几个课程重点，也使得同学们能够在讲述该重点内容时投入更多的精力在当前重点上;最后，对文字内容中的重点部分做特殊的标记，如更改字体颜色、加粗等，这样有利于学生更快地把握重点，有利于对知识的学习与强化。这些原则和改进措施不需要足够专业的知识与经验，而且工作量较小，可以帮助老师快速调整已有课件上。

5 结论与展望

教学课件不是课本的复印版，也不应该是老师们的教学脚本，不应该把课本里所有的内容或者老师们要表述的所有的话都“搬”到教学课件上，而应该是呈现出课程的“骨架”和重点，基于眼动追踪分析的多媒体课件改进方法，可以帮助教师快速的找到现有课件的不足，并进行针对性的改进，改进后的课件可以突出教学的重点，引导学生思考和把握课程重点，对于提升多媒体的教学效果具有重要的作用。

本文系重庆文理学院引进人才项目，项目编号：R2018SJD16;教育部新工科质量工程课题资助项目“新产业形式下的工业设计创新人才培养模式探索与实践”;重庆师范大学教学改革项目，项目编号：201819。

（作者单位：1 重庆文理学院机电工程学院 2 重庆师范大学美术学院）