眼动分析在微格教学中的应用

摘要:眼动即眼球的运动,眼动与人的注意及信息加工有着密切的联系。作为一种先进的实验研究方法,眼动技术在心理学、教育学以及教育技术学研究中的应用十分广泛。本文回顾了眼动实验技术及眼动仪的发展,介绍了一种运用三维视频跟踪技术快速生成和比较眼动轨迹图的眼动轨迹分析方法。最后,对眼动分析在微格教学中的应用情况作了介绍。

关键词:眼动 眼动仪三维视频跟踪 微格教学

引言

作为集摄像技术、计算机软硬件技术、影像合成技术为一身的高精度实验设备,眼动仪及眼动分析技术在教育、心理、教育技术等研究领域中的应用十分广泛。在教学研究中引入眼动分析,是教育研究科学化的重要标志,本文介绍一种基于三维视频跟踪技术的眼动分析方法及其在微格教学中的应用情况。

一、眼动实验概述

(一)眼动实验的研究内容和发展状况

视觉是人获取外界信息的重要渠道,早在19世纪末20世纪初,就有心理学家注意到眼睛的观察和识别外部信息的过程对于研究人的信息加工机制极为重要,并利用简易的眼动记录技术研究人在阅读资料和识别图形时的眼动轨迹,通过研究眼动轨迹与视觉信息方面的关系来研究人的认知活动和信息加工过程,并将研究结果应用于心理研究和培训阅读技巧等教学活动之中。20世纪中后期,随着电子摄像、影像合成、视线追踪等技术的快速发展,用于眼动研究的高精度眼动仪得到快速发展,利用眼动技术和相关实验仪器研究人的信息加工机制也成为心理学研究的重要手段,并且在很多专家和学者的努力下,广泛应用于教育及心理研究领域,形成了一整套科学、合理的眼动实验方法。

综合各类研究资料对于眼动实验的介绍,我们可以将眼动实验法试定义为:“采用基于视线追踪技术的高精度眼动记录设备(眼动仪),通过记录眼动轨迹、眼动次数和时间、眼动的方向和距离、瞳孔大小和眨眼的频率等眼动数据,结合图像分析系统和实验设计软件,研究人的眼动和视觉信息加工之间的关系等心理机制的一种科学实验方法。”

(二)眼动实验记录的眼动方式及常用参数[1.2.3.6]

眼动通常有三种基本方式:注视(faxations)、眼跳(saccades)和追随运动(pursuit movement)。[2.pp.5-13][1,6]。

上述三种眼动方式常常是相伴产生的,目的是在于选择信息并生成需要注意的物体的清晰的影像,眼动的规律可以反映出人对于外界信息的关注度、选择信息的方式和兴趣,对于研究人的认知加工等心理机制具有重要意义。为了准确反映眼动的规律,使用眼动仪进行的眼动实验中通常需要记录眼动轨迹(注视点序列)、眼动次数、眼动时间、眼动方向和眼动距离几项主要参数:

(三)眼动仪的系统结构[2.4.5.6]

目前大多数研究机构所使用的眼动仪,是集合了传感技术、摄像技术、计算机软硬件技术、影像合成技术为一身的高精密的眼动记录和分析设备,目前较为成熟和完善的产品有加拿大SR公司生产的Eyelink-II眼动追踪记录系统、德国SMI公司研发的SMI眼动追踪系统、美国应用科学实验室研发的ASL504、501系统等 [4]。

为了能准确的观察、记录眼动方式及眼动轨迹等数据,多数研究中所提到的眼动仪通常由四个系统构成:(1)眼动追踪系统(Eys-Movement Tracking System),用于判断、追踪和记录眼动信息。(2)监视及实验控制系统(Surveillance and control systems),用于向被试呈现材料(刺激物)并进行实验操作。(3)眼动信息与视觉场景合成系统(Eyes-Movement & Vision scene Composite System ),将眼动注视点与视觉场景合成,生成眼动影像。(4)数据分析处理系统(Data Analysis system),对眼动数据进行分析、统计等数据操作。

二、基于三维视频跟踪技术的眼动分析技术[7.8.9]

眼动分析是眼动实验的核心内容,是指通过统计分析软件对眼动影像或眼动轨迹等数据进行加工、处理、比较,从而掌握眼动规律的研究方式。与第三方仪器或软件的联合运用,是眼动实验和眼动分析技术发展的重要趋势[2]。

三维视频跟踪技术是影视后期特效制作中所常用特效技术,与眼动仪所用的视线追踪技术相比,二者有一定的相似之处。三维视频跟踪技术虽然不能代替传统眼动分析系统的作用,但在快速生成、分析、比较眼动轨迹等方面,运用三维视频跟踪技术进行眼动分析,可以起到简化眼动实验流程、提升眼动数据分析处理工作效率的作用。

(一)三维视频跟踪技术概述

视频跟踪技术(Tracking,也称追踪技术)是影视后期特效制作、数字影像合成中所常用的特效技术,原本用于解决摄像拍摄的动态影像和使用三维软件制作的虚拟场景进行合成的问题,大多数高端的影像后期特效合成系统及软件(如Inferno*、Nuke)都具有视频跟踪功能。[9]

视频跟踪通常是这样一个过程:(1)在已经用摄像机拍摄完成的动态影像中,选择影像画面上的一个特征区域(跟踪点,Tracking Point或Tracker)(2)由计算机及影视特效合成软件自动计算、分析在系列动态图像上这个特征区域随着时间的推进而发生的位置变化,并自动生成位置变化的轨迹点。(3)跟踪得到的“轨迹”是一系列的位移数据,可以对这些位移数据进行统计、比较、使用脚本分析其出现的时间,并可以将这些数据以通用的文本方式导出到其他程序中。

三维跟踪(3DTracking),亦称“三维摄像機跟踪(3DCameraTracking)”,这种跟踪方式,可以跟踪和自动计算出动态影像画面中的相对位置不变的多个特征区(跟踪点)的位置信息,从而计算出拍摄影像画面的摄像机的位置和移动信息。

(二)在眼动实验中使用三维视频跟踪技术计算、生成眼动轨迹

在眼动实验中,我们可以通过眼动仪来记录眼动的信息,并把眼睛的注视点与视觉场景画面相叠加,生成包含眼动注视点的眼动影像。

三维视频跟踪技术不但可以根据眼动仪生成的眼球注视点作为跟踪点计算出在影视图像画面中的位移信息(即眼动轨迹),而且可以根据跟踪画面中的多个特征区域来反向计算出人的眼睛在真实世界中的原始位置三维数据信息。

(三)在眼动实验中使用三维视频跟踪技术进行眼动分析的三种主要方式

1、使用视频跟踪技术批量计算眼动影像,快速生成注视点的眼动轨迹,所生成的眼动轨迹可以与其他眼动轨迹进行比较、叠加等操作,可方便、直观的分辨出眼动轨迹之间的差异。

2、使用三维跟踪技术,通过在眼动影像选择多个特征区域(跟踪点,Tracker),反向计算出人的眼睛在真实世界中的三维位移。并在同一界面内,具备眼动时间、眼动次数、眼动方向和距离等信息的比较功能,比较的结果可以与人眼的三维位移数据进行二次比对。

3、对眼动轨迹的修正和编辑。使用三维视频跟踪技术,允许根据时间轴对眼动轨迹进行手动修正,删除不需要保留的轨迹。

(四)使用三维视频跟踪技术进行眼动分析的优势

1、支持眼动分析的批量操作。利用脚本可快速生成和输出眼动轨迹图,并可按脚本设置直接对眼动轨迹进行叠加比较。

2、可对同一时间维度的不同眼动轨迹图进行比较,也可对眼动次数和眼动时间等数据进行统计。

3、支持图像比较和处理插件,可以输出眼动轨迹图到专用图像比较软件中进行图像比较。

4、可支持各种不同类型的眼动仪,可对不同眼动仪生成的眼动影像进行跟踪和比较。

三、眼动分析在微格教学中的应用

微格教学(Micro Teaching),是一种以教育学、心理学理论为基础,以现代教育技术为手段,以训练学生掌握某种教学技能、技巧为目标的小规模教学活动。通过教学实践证明,微格教学对帮助师范类专业学生和在职教师掌握、提高课堂教学技能来说,是一种有效的教育教学技能训练方法。[9,10,11]

在获得肯定的同时,传统的微格教学在实际训练中也暴露出了一些问题和不足,如对教学技能的训练或评价缺少客观科学、量化的指标――导致部分技能训练内容流于形式,无法对教学技能的掌握程度以及教学效果做出客观评价。通过引入基于三维跟踪技术的眼动分析法,可以解决传统微格教学训练缺乏量化指标的问题,目前在微格教学中应用眼动分析主要有以下两方面的内容:

(一)帮助微格教学研究建立科学量化的评价指标体系。

在微格教学的各个教学技能训练中,由于微格教学中主要关注反映教师或学生注意力变化的因素,眼动实验法可以对学生在教学过程中感兴趣和关注的内容进行研究,帮助微格教学拟定出科学、合理的评价指标:

1、对多媒体教学技能进行研究,在多媒体教学中,研究学生注视多媒体课件的次数、时间和眼动轨迹,可以了解课件中的哪些元素能够引起学生的注意和兴趣、了解教师在讲台上的活动对于学生的注意力是否集中有何影响。

2、对教师的讲授技能进行研究。通过对听课学生的眼动轨迹的记录和分析,了解哪些正确的教学行为能够充分引进学生的注意、能够使学生在较长时间内集中注意力。

3、对教师讲课时的注意分配进行研究。通过研究不同教师上课时的眼动轨迹,对教师的教学时的注意分配问题进行分析和比较。

4、在对微格教学开展的眼动实验中,结合三维视频跟踪技术,快速对大量学生或教师在教学技能训练中的眼动轨迹进行对比,对教师和学生在教学训练中的信息加工过程进行比较,分析其差异。

(二)拓展微格教学的研究领域

传统的微格教学,主张对教学过程中的教师进行各种教学技能训练,但对于教学中学生的学习(自学)技能及某些特殊的教学形式,却很少涉及。在微格教学和研究中引入眼动实验法,不但能够为微格教学的教师训练和评价指标的制定提供科学依据,更可以拓宽微格教学的研究领域:

1、对于一些以传授知识为主的学科(如语文、数学、历史),通过眼动分析即可以对学生完成作业、阅读文字材料、网上在线阅读、进行研究性学习等学习内容的绩效问题进行研究。

2、对于一些以技能训练为主的学科(如射击),在一些体育运动项目中,对运动员眼动模式和眼动轨迹的分析研究,既可以为提高运动员成绩提供参考,又能够帮助教练和运动员依据自身特点,制定适合其特点的教学训练方案。

3、对于一些特殊的教学领域(如杂技演员),合理地对自己的注意力进行分配是杂技演员表演成功的关键,我们通过记录和分析学习者的眼动轨迹和眼动模式,了解学习者在注意分配方面的情况,并制定出相应的教学和训练方案。

4、在设计类课程的教学中(如美术设计、工业设计、产品设计),研究消费者的眼动模式和眼动轨迹,可用于分析和比较不同的消费者对于产品设计的需求,对设计人员的培养方式提供参考。而对于设计人员的设计教育中,也可通过研究设计人员的眼动模式和眼动轨迹,分析设计人员产生错误设计的原因,并制定出纠错方案。

参考文献:

[1]Robert J K Jacob, Keith S Karn. Eye tracking in human computerinteraction and usability research: Ready to deliver the pormises[J].Computer Vision and Image Understanding, 2003; 24: 682～701

[2]阎国利. 眼动分析法在心理学研究中的应用[M].天津:天津教育出版社,2004.

[3]Andrew T Copola.Idiosyncratic characteristics of saccadic eye movementwhen viewing different visual environments[J].Vision Research,1999; 39: 2947～2953

[4]Sohel Merchant.Eye Movement Research in aviation and Commerciallyavailable eye trackers today.2001

[5]Young, D Sheena.Methods & designs : survey of eye movementrecording methods[J].Behav Res Methods Instrum, 1975; 7( 5) : 397～224

[6]Stato S.Does fatigue exist in a quantitative measurement of eye

movement[J].Ergonomics, 1992; 35( 5) : 607～615

[7]Autodesk Inc.Flame 9.0 users guide[M].Discreet Inc.2006:1455～1494

[8]Autodesk Inc.Inferno 6.0 usersguide[M].D iscreet Inc.2006:1789～1807

[9]李昱,周進.数字影视后期制作高级教程[M].北京:中国青年出版社,2001.46～49

[10]郭友.新课程下的教师教学技能与培训[M].首都师范大学出版社.2004.8

[11]孟宪凯.微格教学基本教程[M].北京师范大学出版社.1992

[12]吴乃域. 中学课堂教学技能与教学技能培训[M],重庆大学出版社,1997.8

作者:

穆陟晅 贵州师范大学,中国教育技术协会微格教学专业委员会副秘书长