眼动仪应用现状的研究综述——基于我国教育技术学八大核心期刊

赵璐婕

(广西师范大学教育学部，广西桂林，541006)

一、引言

眼动研究始于19世纪末，一直是心理学研究的热门领域，并在人机交互界面、工业设计、人类行为认知等方面颇具影响力。近年来，越来越多的研究者将眼动实验应用到教育技术领域并获取了丰富翔实的研究成果。

眼动数据的测量可以反映学习者的认知过程、阅读理解机制和视觉加工过程。[1]通过对眼动数据进行记录，研究者可以获得被试的眼球运动轨迹、注视次数、注视时间等眼动指标。这些指标将被试的内在认知过程和视觉加工过程做量化处理。这些数据比对与分析，成为研究者对学习与教学规律探求的有力抓手。

尽管眼动追踪技术在教育技术领域的应用已经逐渐增多，但眼动研究的实验成果还未能形成广泛影响。相对于心理学、学习科学与教育神经学，教育技术领域应用眼动仪等认知分析技术的研究略显不足。教育技术学作为一门交叉性新学科，在发展的道路上汲取其他学科的研究经验和研究方法是颇有裨益的[2]，因此，对当前教育技术领域的眼动研究进行内容分析以填补空白、开拓展望是非常有必要的。

本研究的目的在于整合当前教育技术领域眼动仪的应用情况，梳理当前眼动研究的思路与脉络，以期对后续应用眼动仪开展眼动实验起到一定的指导和启示作用。

二、研究方法

本研究主要采用文献研究法和内容分析法。通过在中国知网(CNKI)获取相关文献，经过筛选整理后确定研究样本。采用内容分析法对眼动仪在教育技术领域的应用研究现状进行一定的梳理与分析。八大核心期刊分别为《开放教育研究》《远程教育杂志》《中国电化教育》《现代远程教育研究》《电化教育研究》《现代教育技术》《现代远距离教育》《中国远程教育》。

以“眼动”“教育”为主题词、关键词，检索知网期刊数据库得到了共516条结果，可见眼动追踪技术对教育技术领域的探索和研究有了一定的介入和影响。为了进一步梳理“眼动”和“教育”在教育技术领域的研究，本文以教育技术学八大核心期刊为文献来源，对检索获得的论文进行了人工筛选，最终筛选出38篇论文作为本研究的样本。

本研究主要通过五个方面对筛选出的论文进行内容分析：研究对象、研究重点、实验内容、眼动指标、因变量。第一，归纳总结论文样本主要的研究方向；第二，确定论文样本的研究重点；第三，梳理与区分不同论文样本的实验内容；第四，归纳论文样本所使用的眼动指标；第五，确定不同论文样本开展眼动实验的因变量并进行比对。

三、文献综述

在教育技术学八大核心期刊中，关于“眼动”“教育”的研究有以下几个特征。

(一)研究对象多样

研究对象主要分为多媒体学习、教育网页、教学视频、电子阅读、在线学习等，如图1所示。

图1 眼动实验研究的主要研究对象

1.多媒体学习

安璐等人通过对注视时间、注视次数、第一次到达目标区域的时间、阅读热区等数据进行采集和对比后发现当教学PPT的背景颜色选择白色时更有助于学习，丰富了基于眼动追踪技术的多媒体课件研究。[3]王玉琴等人对被试开展多媒体学习时的媒体组合和学习步调进行编排，基于多媒体学习生成理论和认知负荷理论，发现学习者自我控制学习步调能够达到较好的学习效果，且在学习者步调中采用图形+视觉文本媒体组合更能适应学习者的个性和需求。[4]此外，还有对多媒体学习研究的述评，闫志明等人对多媒体学习研究中的三类常用眼动指标，即注视、眼跳、瞳孔直径的内涵、优缺点、价值进行了对比与分析。[5]

2.教育网页

刘世清等人利用眼动追踪技术对大学生浏览教育网页时的视觉特征进行了探索与分析，确定了教育网页中最关注的区域，并总结出大学生阅读教育网页时从左上角到右下角的特征。[6]曹卫真等人运用调查法和眼动实验法发现了学习者在阅读教育网页时的视线规律，并得出了理工类与文史类大学生在使用教育网页时具有不同图文搭配方式偏好的结论。[7]

3.教学视频

对教学视频开展眼动研究的有杨九民等人，其中王雪等人利用眼动仪确定了程序性知识教学视频和陈述性知识教学视频的最优交互控制程度。[8]曹卫真等人研究发现，当视频画面呈“三分法构图”时主题位置最容易受到学习者的注意，且不同专业学生在学习视频资源时具有一定的差异。[9]杨九民等人通过对教学视频中的视觉线索和言语线索，开展眼动实验发现，不同先前知识经验水平的学习者基于线索所反映出的学习效果提升与认知负荷皆有所不同。先前知识经验水平较低的学习者通过线索指示收获得更多，先前知识经验水平较高的学习者基本没有受到影响。[10]喻静敏等人发现教学微视频中的教师图像对高中生的认知负荷和社会存在感没有影响，对学习效果产生作用。[11]

4.电子阅读

赖文华等人通过对学习者内容图示与语言图示的研究发现，内容图示和语言图示在一定条件下有交互作用，但在学习成绩中无交互作用。建议在进行数字化阅读时要充分考虑学习者的学习基础与学习准备，以促进数字化素养的提升。[12]同时，赖文华等人对电子课本中的眼动行为展开实验，发现被试在使用电子课本时最关注的是听力测试类内容，情景动画类的答题正确率最低。[13]

5.在线学习

薛耀锋等人通过对眼动研究、认知风格理论、自适应学习系统的研究，构建了基于眼动追踪的在线学习者认知风格识别模型。[14]曹晓明等人对实践型慕课开展眼动研究发现没有教师讲授画面的慕课更有助于学习者的理论学习、概念理解。[15]针对在线学习中的数字学习资源，王红艳等人以视觉线索和问题线索为切入点探讨了学习效果。[16]此外，杨九民等人与王改花等人还选取了在线学习过程中的社会存在感作为眼动实验因变量。[17]

图2 眼动实验研究的主要研究团体

从研究成果的发表作者与发表时间来看，关于眼动实验的研究基本形成了几个研究团体，如王雪、王志军等人；刘世清、刘冰玉等人；赖文华、王佑镁等人；杨九民、皮忠玲等人，如图2所示。他们往往在形成某个方面的研究成果后，继续在该方面进行深入挖掘。他们弥补了先前研究成果的部分不足，也使得其研究更为翔实，进一步丰富了自己的实验和结论。关于学习过程、学习效果的研究成果比较多，如王雪等人通过对比学习效果发现在多媒体课件中采取“内在+外在”的文本内容线索对学习者的成绩提升最明显。[18]当前也有部分研究者对眼动研究进行综述，例如，徐卫卫对网页结构设计相关的眼动研究展开述评[19]；胡卫星在归纳总结欧美地区的多媒体学习研究时也提到了眼动研究的应用[20]；张琪等人梳理了基于眼动的e-learning环境学习测量研究的现状与趋势；闫志明等人对多媒体学习研究中眼动指标进行了详尽的阐述与对比分析[21]；王佑镁基于眼动分析技术在学习与阅读研究中的应用作了系统述评。

(二)研究重点明确

根据美国教育传播与技术协会(AECT)在1994年发布的有关教育技术的定义，教育技术是关于学习资源和学习过程的设计、开发、利用、管理和评价的理论和实践。[22]目前，教育技术领域的眼动实验研究更多地把重点放在了设计与开发方面，例如，多媒体课件、教育网页、电子书包的设计与优化。从多媒体课件颜色、字体；教育网页排版、图文呈现方式；电子阅读排版、视觉特征等方面提出了基于眼动实验结果的建议。例如，王雪等人综合运用了眼动仪、脑波仪等多模态数据对学习者学习不同拍摄视角下的教学视频时的行为差异进行了分析。发现在观看第一人称拍摄视角的教学视频时学习者的情绪体验比第三人称拍摄视角教学视频更积极，第一人称拍摄视角的教学视频也使学习者获得了更好的学习效果，因此，在进行教学视频画面设计优化时应考虑其拍摄视角，使其适应学习者的不同学习需要。[23]关荐等人将视角放在数字化学习资源的图文混排方式中，得出左上方的彩色插图更能吸引学习者的注意的结论，该结论给电子书包以及其他在线学习资源的设计与开发提供了启示。[24]也有一些研究涉及管理，但是数量较少，这表明眼动实验研究在教育技术领域的应用还有待向纵深发展。

(三)实验内容具有偏向性

目前，教育技术领域的眼动实验研究内容多为理工科的学习内容，如王雪在陈述性知识教学视频中选择了“脑不对称性”作为教学内容，在交互式教学视频中选择了“特异性免疫的工作原理”作为实验材料。[25]这可能是因为物理、化学、生物等学科具有较强的逻辑性和结构性，在设计实验内容时能够依据学科内容线索提高实验的可行性。同时，基于理工学科内容的学习成绩测验或学习效果测验也可因答案的结构性或确定性、唯一性提高信度与效度。如果研究者选取人文学科知识作为实验内容，那么被试在接受前后测时所填写的非结构性答案可能对实验实施起负向作用。同时，研究者也很难确定哪些被试符合实验条件而能够被遴选为有效被试。但是仍有一些学者对人文学科知识的学习行为展开了研究，如叶新东等人选用古文《师说》作为实验材料[26]，唐金玉等人以英语记叙文与英语说明文为实验材料，发现多媒体文本更有助于高中生阅读，且高中生最先能够注意到的是红色区域。他们分别从语文和外语方向拓展了眼动实验在教育技术领域的应用。[27]但是眼动实验的研究成果不能因为实验内容而被框定和束缚。通过某一学科的实验内容所获得的结论成果，可基于学科内在逻辑、教学工具相似性或学习方式共同点推广到其他学科或学习方式、教学工具上，让研究成果能够在最大限度上促进教学效果和教学质量的提升。

(四)眼动指标相似

不同眼动实验所采集的眼动指标基本相似，大多数研究采集的眼动指标为注视时间、注视次数、首次进入时间。从这几个指标中，研究者可以获取被试在参与实验过程中所承受的认知负荷信息，也可以观察到被试对不同可视区域的感兴趣水平，对被试的注意力和感知调动程度进行推测。可见，几项较为常用的眼动指标是可行、可信、科学的。

眼动仪所能够捕捉和采集到的眼动指标或眼动轨迹并不局限于以上几类，更有瞳孔大小、阅读热区、眼动轨迹等。研究者均可依据研究需要确定相应的眼动指标、捕捉相应的眼动轨迹，如王玉琴等人在研究媒体组合与学习步调对学习者的影响时使用了瞳孔大小作为其中一项眼动指标，当被试的瞳孔越大时，代表其所承受的认知负荷越大[28]；瞿彬等人在探讨网络课程的可用性时绘制了眼动轨迹[29]；刁永锋等人在开展不同媒体对学习者学习过程的影响研究时绘制了被试学习纯文本、带字幕视频与纯视频时的注视热点图[30]；张家华等人通过“三分屏”网络课程的注意力热点图发现动态呈现的信息更能够吸引学习者的注意[31]；江波等人对在线测评中的眼动数据进行分析，采集了包括凝视次数、注视离差和、凝视标准差在内的17个眼动指标。[32]因此，虽然不同研究者在开展眼动实验时所采集的眼动指标具有很大的相似性，但是这一特征是具有可行性与科学性的。同时，研究者依据研究需要确定的不同指标又体现了眼动实验中眼动指标和眼动轨迹获取的灵活性。在设计眼动实验时可选的眼动指标有很多，研究者需根据实验的自变量、因变量及环境条件与限制等确定眼动指标。

同时，也有一部分研究者将眼动技术与脑电技术相结合，从被试的心理和生理层面找到了切实证据。例如，王雪等人利用眼动仪和脑波仪获取学习者观看教学视频时的平均注视时间、注视次数、总注视时间以及专注度、放松度的相关数据，得出了不同任务难度下教学视频是如何影响学习者的情绪与学习效果的影响机制与优化策略。[33]眼动技术与脑电技术的互相补充使研究结论增加了可信度，也使得研究结论的普及与推广更具竞争力。

目前，大多数的眼动指标均为从图片、文本、视频、网页等多媒体材料中采集，虽然也有一些研究者对教学代理等技术开展眼动实验，但是对虚拟现实、人工智能等方向的眼动探究还较少。当前，大多数实验所采用的实验设备为屏幕式眼动仪，也有一部分实验设备为眼镜式眼动仪和头戴式眼动仪，研究者可根据实验条件和实验需要确定实验设备。无论选取何种实验设备，只要实验设计科学合理，眼动指标捕捉无误，数据分析完整周全，均可以获得相应的研究结论和成果。

(五)因变量聚焦于学习

大部分借助眼动仪完成的教育研究多以学习测验、学习效果、认知负荷等作为因变量。如刘哲雨等人以认知负荷和学业情绪作为因变量，通过对比实验论述反思对深度学习的影响。[34]尤洋等人和谢耀辉等人以学习成绩为因变量分别探讨了教学视频终端显示空间、前嵌问题与反馈对学习者的影响。[35-36]大多数眼动研究都对被试进行了前后测。通过对被试的先前知识经验进行测验以确定被试在某一学科或某一知识范围内的基本水平，能够判断被试是否符合眼动实验的要求，这也为被试完成实验内容后接受后测提供条件。部分研究除对比前后测学习成绩外，也对被试的认知负荷和学习满意度进行了测验。研究者采取其他专家学者编制的具有高信效度的量表，又基于当前眼动实验的特征与实情对量表进行适当修改。其中，应用最多的是PAAS量表。量表内容一般有若干个问题，询问学习者在某一学习环节中投入了多少努力。由学习者选择以数字1至数字9为代表的努力程度。数字1代表最少努力，数字5代表中等努力，数字9代表最多努力。也有部分研究者不仅测量了学习者学习过程中的认知负荷，也测量了教育者在教学过程中的认知负荷。虽然对教师的眼动行为还未有研究进行采集，但对教师认知负荷的测量表明眼动实验的实施者不仅仅对学习者认知加工、学习行为进行探索，更关注到教师的教学行为和心理负担。这为眼动仪在教育技术领域的应用提供了认知负荷、学习满意度、社会存在感等多主体、多层次、多方面的数据与参考。

四、结论

研究者从不同层次、不同角度借助眼动仪开展眼动实验作为学习行为表征的模态数据。大多数研究者采取多媒体学习、教育网页、教学视频、电子阅读等作为研究对象。眼动追踪技术所提供的视线规律和眼动指标为学习过程和资源的设计与开发提供了实证的证据。研究者倾向于采用注视时间、注视次数、瞳孔大小等眼动指标测量推断学习者的学习效果、认知负荷、情绪体验等。常见以学习者认知行为作为重心的眼动研究，少数研究者探讨了教师的形象、目光、姿势[37]和教室当中位置的设置等学习环境构成要素对学习者的影响。眼动追踪技术支持的结论成果均应用于解释自变量对学习者的影响，还未发现教师作为被试参与的眼动实验。

基于以上结论提出的当前教育技术领域眼动仪应用的不足与建议有：第一，被试样本的数量与层次欠丰富，可扩大样本的选取范围。当前的研究所采取的被试样本在50位左右，也有一些研究选取了20位左右的被试进行眼动实验。数量较大的样本还较为缺乏，且受到学习内容和实验设备的限制，多数研究的被试是大学本科生或某所学校的中学生。如刘睿等人以大学本科生为被试对比立体3D、2D视频对学习效果的影响[38]，周梦哲等人选取了某中学的初一学生作为被试[39]。未发现研究生、职校生作为被试样本参与实验。建议扩大样本的选取范围与层次，进一步深化眼动实验研究的研究方法。

第二，实验内容选择侧重于理工科知识，可尝试组织跨学科眼动实验。目前，被选用为实验材料的学科知识内容有医学、地理、化学、生物等，以人文学科内容作为实验材料的研究比较少。还没有看到基于眼动追踪技术的跨学科眼动实验。培养学习者跨学科素养不仅能够促进学习者在真实情境中的问题解决，也优化了学习者的创新创造性思维，因此，进行基于眼动追踪技术的跨学科研究是很有必要的。

第三，未通过大规模教学实验活动验证实验结论，建议进一步深化、普及研究成果。目前，国内教育技术领域的眼动实验研究均采取了收集样本数据进行处理与分析的研究方式方法，还没有研究者通过较大规模的教学实验活动来验证和发散实验结论，使得其研究结论具有一定的局限性，也限制了研究成果的推广与普及。在通过眼动实验研究进行理论建构之后，研究者可尝试开展大规模的教学实验活动来进一步深化和普及研究成果。