基于眼动技术的计算机辅助教学比较研究

徐 策，陈梦翔

(温州科技职业学院 a.园林与水利工程学院；b.信息技术学院，浙江 温州 325000)

一、项目背景与研究方案

随着国务院颁布《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》和教育部《教育信息化2.0行动计划》，教育信息化无疑已成为新时代“互联网+教育”快车道上最受人关注的导航仪。当前高校都已普遍具备计算机教学的教育环境，而教育技术如何真正嵌入学习系统、学生课堂参与度、融入度、投入度真实量化等问题都在亟待解决。

1. 研究背景

眼球追踪技术是一门新兴的科技运用技术，它主要通过摄像头捕捉眼球特征变化并用特殊算法来模拟眼球运动从而追踪人眼的视线聚焦点[1]，实现某些领域对于人眼聚焦点变化的研究，并已广泛运用于心理学范畴的研究领域，但在国内高等教育领域特别是基于计算机辅助教学课程的研究以及运用方面却较少[2]。

国外在教育领域的眼动实验与教学融合研究则较多，如Kai等[3]利用眼动仪评估新老教师对学生的注意力分配合理与否；Lin等[4]利用眼动仪测试不同成绩水平的被试者认知逻辑的绩效因素；Choi[5]使用眼动仪得出结论以为加粗的文本会吸引被试者注意力并增强相关记忆。国内如冯小燕等[6]通过大数据分析得出结论，认为一方面是由于相关研究者数量较少，另一方面则是教育技术领域对基础性实验研究不够重视，相对投入的资金也较少，导致基础研究无法长期有效开展。

2. 研究方案

对于计算机辅助教学课堂的一线授课教师而言，如何科学有效地利用计算机环境为学生进行高效授课最为重要[7]，而在这样的环境下计算机辅助教学环境依托计算机屏幕进行教学[8]，教师的授课内容均需通过计算机屏幕演示给学生，由学生自行操作，熟悉内容后完成作业巩固知识点，从而达到教学目的。教师授课(PPT、视频播放、实操演练等)与学生上机操作之间的教学处理方法对于不同的教师有不同的见解，为更科学严谨地研究各类教学手法的实际教学效果，课题组通过访谈温州科技职业学院五院一部一线教师，涉及高等教育设计类学科(建筑学科、风景园林学科、平面设计学科、影视设计学科等)中需要运用计算机辅助参与教学的图形软件操作课程，了解常用授课方式，归纳总结后主要分为两种：教师全屏演示操作后，学生进行实际操作；教师分屏操作的同时学生实际操作。

通过调查发现，教师之间对于各种方法的有效性存在一定的争议，有大约46%的教师认为全屏操作演示有利于学生注意力的集中，另有大约54%教师认为电脑分屏让学生可以根据教师操作演示窗口同时进行操作，这样更利于学生记住操作方法，减少遗忘操作步骤的可能。本研究将运用Tobii eye tracker 4C眼动仪(民用级)对以上不同的教学手法进行检验，对比实验将采用录屏和后期采集数据的方式记录各种重要数据，从而制成图像对比分析两种不同的在计算机辅助教学中比较常见的教学方法，从注视的眼动数据，如抬头率、有效信息捕捉率、授课时间比值等方面研究分析眼球活动的数据，探究两类不同教学手法的利弊，探索更加适应现代大学生的课堂教学模式。

二、眼动技术下的教学实验

通过匿名采集的方式进行，即采集前不告知学生该仪器的用途以及测量方法，这种方法可以大幅提高测量数据的真实性[9]。为排除坐姿、视线、个人习惯等容易导致仪器检测不到眼球活动以及无法录制眼动数据等问题的出现，在教学课程之前会预先进行屏幕的眼球矫正，在一定程度上减少无效数据的产生[10]。

1. 研究方法和过程

具体采集方法如下：同一授课单元，三个平行班分别用两种不同的教学手法授课，通过眼动仪分别记录眼动信息(如图1所示：屏幕显示的白圈为眼睛注视位置)，录屏后人工分析。

2. 采集生源

本次参与实验的学生均来自园林与水利工程2019级新生，入学分数相近，都没有软件的基础，个体学前基础差异较小，较适合作为采样对象。本实验录制了2019级150名新生在《园林电脑效果图制作》课程6个教学单元18个课时的眼动信息；共购置了8台设备，抽样录制了144名学生，总计150个小时的视频资料。

3. 分析方法

本实验中的数据由Tobii制造的Eyetracker 4C眼动仪设备捕捉，通过录屏软件记录下来，再由人工进行筛选处理完成数据统计分析。具体分析指标如表1所示。

表1 数据分析方法

三、实验结果

实验结果以记录教学录像进行采样，采样的数据均为采样平均值，以减少人工误差。

1. 抬头率

抬头率与学生的注意力集中情况成正比，是教学活动中检验学生注意力集中情况的非常重要的指标之一。较传统的目测抬头率方法而言，眼动仪能轻松地监控到每一个学生的抬头率，从而快速掌握学生的听课情况。

通过实验数据(见表2)可知，学生在这种以计算机辅助为主的教学环境下，当教师在控制学生端电脑进行教学演示的时候，全屏教学的抬头率高于分屏教学的抬头率，全屏教学方式下为90.7%，而在分屏模式下为84.2%，由此可知在除去个别学生存在某些特殊原因的情况下(厌学、叛逆、心理问题等)，全屏模式下的教学方式可以提高学生的抬头率，减少学生视线注意力的分散。全屏模式教学一方面加强了教师对课堂的控制力，另一方面也减少了学生注视非有效电脑画面的可能性。

表2 抬头率记录表(部分)

2. 有效信息捕捉效率

抬头率的高低在一定程度上反映了学生对课程的感兴趣程度与学习欲望，但也存在一定的不准确性，往往存在一定数量“身”在、“眼”在、“心”不在课堂上的学生。那么，根据眼动仪分析眼睛是否跟踪有效教学信息就变得尤为重要，甚至对教学内容的有效跟踪与阅读是评价学生学习效率的重要指标之一。

小结：通过实验数据(见表3)可知，与分屏教学相比，全屏教学在有效信息的捕捉程度上更高。在首次接触新知识与步骤情况下，学生对教师演示是无法实现同步模仿的。因此在多次实验过程中，往往在全屏教学演示下，学生操作后再由教师分屏操作，学生的实训效果逐渐攀升，学生的学习以及记忆效果在自我联系与演示纠正的双重引导下逐渐增强。因此，在首次教学过程中全屏教学效果较分屏教学方式更为理想，而在实训教学中分屏教学的方式比全屏教学更佳。

表3 信息捕捉率记录表(部分)

3. 授课时间比值

如何平衡授课与实训时间尤为重要，更短的教学时间意味着更多的学生操练时间与教师巡场指导时间，在实践课教学中发现学生的问题往往千奇百怪且数量颇多，所以教师巡场答疑在实践教学中尤为重要。设置授课时间比值，比较不同的教学模式下授课时间比值的差异尤为重要。

小结：从实验数据(见表4)可知：授课时间比值最高的为全屏模式，次之为分屏模式。对于分屏教学形式而言，教学效率虽高于投影教学形式，但由于原来在全屏形式下一个知识点教学时间被拆分成多段导致总体教学时间增加，虽然学生完成教学点操练的时间减少了(分担到了教学时间内预留出来的每小段操作时间内)，但是教师下场指导的时间却大大缩短，从而导致教学授课时间比值降低，因此分屏教学模式下教师教授时长大于学生实训时长，从巡场观察可见学生的学习效率相较于投影教学更为理想。

表4 授课时间比值记录表(部分)

而在全屏教学下，教师的授课时长因教学内容集中、课堂环节流畅紧凑而导致学生的实践操作时长也随之变长，因此对授课时间比值而言，对于同一课程内容，全屏教师讲授时长最短(相对集中)，分屏讲授时长较长，投影讲授时长最长；进而全屏教学下学生实践时间最多，分屏次之，投影最短。对教学效果而言，需从学生当堂的作业评分来详细讨论。

4. 作业评分

上述三种数据实验方法只能在一定程度上检验不同教学条件下学生的眼动数据情况，属于推测结果，而作业完成情况则是最为直观的检验教学质量的手段之一。本次实验在每一堂教学课结束后，需要提交一份课内完成的制图作业，通过作业的得分情况分析出学生对这几种教学方法的接受程度。

小结：从实验数据(见表5)可知，在无预习、无前期直接铺垫的情况下，全屏模式得分较高；而在已预习、已掌握一定知识点的实训模式下，分屏模式得分较高。这组数据最直观地反映出两种教学模式的教学效果，但打分存在一定主观性，故只能作为佐证来证明两种模式的教学效率。因此在前期的知识铺垫环节，全屏教学方式下学生的有效注意力表现最为突出，但并不代表学生能将所得知识快速映射到手头操作上的效率。因此，学生实践需求下，分屏教学模式能够在知识铺垫充足的情况下，更好地辅助学生进行实训实操练习，得到更为优秀的作业得分。

表5 作业均分记录表(部分)

因此，课堂的教学指标也需分为“教”与“学”两个教育角色指标，同时也得分“学”与“习”两个知识内化过程指标。而这又恰巧符合时下非常流行的“翻转课堂”教学模式，但该模式不在此次研究之内，故不做深入探讨。

四、总结

总体而言，在全屏教学中学生的抬头率在学习过程中能够维持在90.63%，分屏教学中抬头率均值有所下降，维持在84.28%；在授课时长方面，全屏教学模式下学生的实训实操时间明显上升，并能够得到86.53分的作业得分，教学效果较为理想，分屏效果次之，分屏模式中学生的理论汲取时长被拉长，实训时间被压缩，无法实现1∶1的合理平衡。因此，通过抬头率、授课时长等方面的眼动数据与作业得分结合，将学生的学习效果转化为课堂过程的学习记录，全屏教学能够给教师更多的课堂控制力，得到学生更多的注意力，而分屏教学能够带来更多的实训反应力。此外，通过本次研究，将眼动仪运用于教学工作的可能性也被进一步地挖掘，相信越来越多的高新技术将被运用到传统的教学环境中，越来越多的学生和教师也将从中受益。