基于眼动仪的学习者的敏感元素研究

2018-11-08肖健文黄燕燕

中小学电教 2018年10期

☆ 肖健文黄燕燕

（浙江师范大学教师教育学院，浙江金华 321004）

随着信息社会的高速发展，多媒体技术在教育领域的应用也越来越广泛。在课堂教学或移动学习过程中，多媒体课件扮演着极其重要的角色。因此，如何提高学生对课件的阅读速度，加强学生对知识的记忆效果变得尤为重要。近几年，心理学与教育学等学科领域的专家一直在探寻制作精良课件的方法，例如：如何让学生尽可能在最少的时间内记住最多的东西。然而这不但需要技术的支撑，更重要的是所制作的课件在内容编排、色彩搭配和版面设计等方面是否体现学生的个体差异、知识结构层次。有部分教师虽然自己动手制作了课件，但是由于缺乏色彩美学和色彩心理学等平面设计的相关知识，出现课件配色不科学等问题造成学生注意力分散等状况，没有实现课件为课堂锦上添花的初衷。

本课题是从学习资源开发角度出发，以教学中应用的多媒体课件为切入点，在色彩学、心理学理论的基础上，以课件的背景色、边框色、字体色、字方位四因素为变量进行基于Tobii T120眼动仪的学习敏感元素分类的实验设计研究。寻找探索这些元素不同的搭配方式对学习者的信息加工是否有影响及其规律的有效方法。

一、多媒体课件中学习者的敏感元素

本文研究的多媒体课件中的敏感元素包括色彩（背景色、字体色、边框色）和字方位，选用颜色为三基色：红（255，0，0）、绿（0，255，0）、蓝（0，0，255）和黑（255，255，255）、白（0，0，0）；选用文本方位为左上、左下、右上和右下（排除特殊的中心方位），如图1为白底红框蓝字右下方位的搭配效果。

图1 白底红框蓝字右下

（一）色彩

对于多媒体课件中色彩的运用，已有不少学者对此展开研究并取得了一定的成果。学者安璐（2012）从色彩心理学出发，开展了教学PPT背景颜色的眼动实验研究，发现白色最适合作为PPT的背景颜色，其次是黄色，而蓝色最不适合作为背景颜色[1]。孙庆兰（2017）进一步研究教学课件中不同颜色的文字和背景的搭配效果，白色和浅蓝色背景下的深蓝字体不易引起疲劳可多使用；红色字体对学习者认知加工负荷大，可用于提醒、标识重点内容[2]。而本研究在此基础上选取了五色（三基色和黑、白色）对教学课件的背景色、字体色、边框色做进一步研究，旨在通过眼动实验更直观地了解学习者的学习需求。

（二）边框

在图像学的相关研究中，边框是图像最基本的视野，也是图像最重要的表现形式。当前对图像中边框的研究鲜少，而在地图设计领域已有过些许研究，如学者刘晓寒（2016）通过眼动实验探究点状地图符号边框设计对用户认知地图的影响。他发现带边框设计的点状符号能有效提高用户对其的识别效率，并指出为提高地图认知效果，还需要对边框的样式和颜色进一步展开研究[3]。而同理在多媒体课件制作与设计中，边框的样式和颜色对学习者的认知加工可能存在一定的影响，本文选取了边框色这一变量元素展开研究。

（三）字方位

当前，关于多媒体课件文字内容的排版位置不同对学习者阅读的影响的研究甚少，但是已有许多学者在其他领域做了大量相关的研究。早在2006年学者梁福成和王雪艳对科学杂志目录中图文版式的效果进行研究发现：在科学杂志中具体的插图与标题的排版方式上，插图与标题的交错分布比二者的左右上下分布的注视时间要长、注视次数更多，交错分布优于左右和上下分布[4]；学者袁征和张敏在2011年借助Tobii T60型眼动仪研究广告在手机页面中放置的位置不同对手机报广告阅读的影响，研究结果表明，广告的第一注视时间受到广告位置的影响，广告位于页面上部或中部比较容易吸引受众的注意[5]。而本文则增加了多媒体课件中的字方位因素作为学习者的敏感元素范畴展开研究。

二、实验设计

（一）实验仪器

本实验采用Tobii T120型眼动仪，其采样频率为120赫兹，显示屏为17寸，屏幕分辨率为1024*768。眼动仪自动记录被试观看实验图片时的注视时间等眼动数据。

（二）实验对象

本实验选取浙江师范大学的20名大学生（10名男生，10名女生）作为被试，被试年龄在20-23岁之间，所有被试视力或矫正视力正常，且均为自愿参加。实验结束后发实物礼品作为报酬，被试知情同意。

（三）实验方法——均匀设计

均匀设计[6]是一种适用于多因素、多水平试验的设计方法，通过数论与多元统计相结合的思想，让试验点在试验范围内充分地“均匀分散”，每个因素的每个水平只做一次试验，使得每个试验点可以有较好的代表性，试验次数也将大幅度减少。此外，均匀设计有现成的设计表可供利用，这有助于选取试验点。均匀设计表用符号Un(qs)表示，如图2所示。

图2 均匀设计

本实验根据背景色、字体色、边框色、字方位这些元素的组合，得到如下的搭配种类：背景单色为红、绿、蓝、白、黑5种；背景色+字体色，排除背景色与字色同色搭配5种，有效搭配共5*4=20种；背景色+字色+边框色，排除边框色与背景色同色搭配20种，有效搭配共5*4*4=80种；背景色+字色+边框色+字方位有效搭配共5*4*4*8=640种。通过上述分析，用这些元素制作标准图片需要640张，如果640张图片采用自动播放（每张图片播放5秒）的方式进行测试，数量过于庞大，用时太长（大约3200秒），被试者容易视觉疲劳，无法反映真实的测试情况从而影响实验效果。因此采用“均匀设计法”能有效地减少标准图片的张数，以缩短测试时间，快速准确地确定学习者的类型。

本实验设计的图片包含有4个因数:背景色、边框色、字体色和字方位；其中背景色、边框色、字体色这三个因素都有5个水平:红、绿、蓝、黑和白；字方位包含有4个水平：左上、左下、右上和右下，可见因素中最大的水平数为5。因此实验图片为4*5=20张。选择U20*(54)的均匀设计表和对应的使用表，如表1所示。

表1 均匀设计表（左）与使用表（右）

所述原始均匀设计表设定为：

行号设定：1-20表示20种搭配方案；本实验因素数s为4，根据U20*(54)的使用表，选择列号为1、4、5、6，即设定列号：1表示背景色，4表示边框色，5表示字体色，6表示字方位；颜色设定：1-4表示红色，5-8表示绿色，9-12表示蓝色，13-16表示黑色，17-20表示白色；字方位设定：1-5为左上，6-10为左下，11-15为右上，16-20为右下。

由于背景不能与字体、边框同色，所以本实验所述修正设定具体包括：方案5原始码5、8、2、17，搭配为绿、绿、红、右下，由于背景和字体同色，所以在该原始码所在行的其它列选择不冲突的码20或11，但选择20会与方案 6接近，故选择11，原始码改为 5、11、2、17，搭配为绿、蓝、红、右下；方案7修改为7、14、14、7，搭配为绿、黑、黑、左下；方案14修改为14、7、7、14，搭配为黑、绿、绿、右上；方案16修改为16、10、19、4，搭配为黑、蓝、白、左上；方案9和方案12，背景和边框同色，相当于无边框搭配。最终得出了20种搭配方案如表2所示：

表2 均匀设计的实验方案U20(53×4)

按上述20种搭配方案制作图片，根据Tobii T120眼动仪的显示屏规格大小，运用Adobe photoshop cs6软件设计实验图片素材，图片尺寸为1024*768像素。笔者在图片空白处加入不规则符号图案作为干扰元素，其目的是为了避免被试者的注意力只集中在图片的文字部分，同时让移动学习者比较均匀地浏览标准图片。实验中图片的顺序设定由系统随机播放，每张图片放映的时长是由学习者通过鼠标自由切换。

（四）实验过程

经过前期实验准备，正式进入实验环节。具体实验流程如下：

第一步：请被试进入眼动实验室，适应实验室的环境及周边。由主试人员向被试介绍实验目的、实验步骤以及实验中的注意事项。

第二步：首先请被试坐于眼动仪前自主调整坐姿，与眼动仪保持在50cm到80cm之间的视距（如图3）；接着对被试眼动进行定标，在对话框中输入姓名，使用track status窗口进一步调节被试和眼动仪的位置。当窗口底部彩色状态条显示为绿色时，说明可以检测到被试的瞳孔；然后点击Start按钮开始定标，提示被试依次观看屏幕上出现的几个点（如图4），所有定标点呈现完毕后，定标程序将自动退出。而后，由主试观看Calibration Result窗口中的定标结果，若定标结果显示良好（如图5），则点击Accept按钮打开Start Recording对话框开始实验。若定标结果不理想，则点击Recalibrate重新定标，直到获得满意的结果。

第三步：实验后测：请被试对每张实验图片作出主观感受的评价（A.非常喜欢，B.喜欢，C.不确定，D.不喜欢，E.非常不喜欢）。

图3

图4

图5

三、实验数据收集与分析

（一）实验数据指标及数据收集

1.实验数据指标——注视时间

注视时间：是指被试在一个兴趣区或一个兴趣区组中所有注视点的持续时间之和。

2.数据收集

通过Tobii眼动仪自带的多动能分析软件Tobii Studio收集、导出眼动数据——注视时间，并以.xls格式存档。

（二）实验数据分析

收集的眼动数据通过SPSS Statistics 21进行数据分析，挖掘数据背后隐藏的意义。

表3 描述统计量表

1.描述性分析

（1）根据表3中注视时间的总均值显示：图片白底红框黑字左下文本方位获得被试最多的注视时间，此搭配方式最受被试的青睐（白红黑左下=15.111＞红蓝黑右下=11.162）；被试对不同图片给予了不同时长的关注，其中黑底蓝框白字左上文本方位获得了极大的注视时长（max=27.793）,黑底红框红字右下文本方位获得最短的注视时长（min=1.685）。可得到多媒体课件中不同的背景色，不同的字体色，不同的背景边框色，不同的文本排版方位对学习者的信息加工有影响。

（2）本实验选取了10名男生和10名女生作为被试，根据表4的性别划分进行注视时间均值统计分析发现：男生对白底红框黑字左下文本方位（15.111）给予了最多的注视，而对红底蓝框黑字右下文本方位（9.867）的注视时间最短；女生对黑底蓝框白字左上文本方位（15.039）的注视时间最长，而对黑底红框红字右下文本方位（11.357）给予的注视时间最短。

2.回归分析

由于实验涉及多变量分析，因此采取虚拟变量设置方法，即变量数字化编码。将所采集学习者观看每张标准图片时的注视时间、所述数字化编码输入SPSS统计分析软件，通过统计分析得到回归模型，即可由此确定学习者的类型。

将均匀设计的原始码或颜色、方位进行编码：颜色设定中，1-4的数字编码为10000，5-8的数字化编码为01000，9-12的数字化编码为00100，13-16的数字化编码为00010，17-20的数字化编码为00001；方位设定中，1-5的数字化编码为1000，6-10的数字化编码为0100，11-15的数字化编码为0010，16-20的数字化编码为0001，具体详见以下颜色编码表4和方位编码表5。

表4 颜色编码表

表5 方位编码表

以1号被试为例，Y为被试1的注视时间，详见表6：Y是因变量，X是自变量。输入注视时间Y与不同的X组合（X11-X15表示背景色；X21-X25表示字体色；X31-X35表示边框色；X41-X44表示字方位），通过SPSS Statistics21就可得到学习者关于背景色、字体色、字方位的回归方程，即数学模型。标准方程：Y=A+B1X1+B2X2+……+BmXm，（A是常数，类似于均值，不用考虑）。根据表7和表8，得到1号被试的注视时间与学习敏感元素对应的数学模型：

（1）由1号学习者的注视时间与背景色得到对应的数学模型：

（2）由1号学习者的注视时间与字体色得到对应的数学模型：

（3）由1号学习者的注视时间与边框色得到对应的数学模型：

（4）由1号学习者的注视时间与字方位得到对应的数学模型：

模型说明：模型中自动排除不相关变量X13、X21、X31、X41。“-”的系数表示该变量是负相关，要减少使用。“+”的系数表示该变量是正相关，要增加使用，系数越大说明相关性越强。通过上述数学模型可得1号被试为对背景红色/绿色/白色、边框黑色、字体绿色/蓝色/黑色/白色敏感、方位左下/右上/右下敏感，其学习敏感元素的最优搭配方案是（遵循背景与字体边框不能同色原则）：背景白色、字体黑色、边框绿色、右下方位的组合。通过以上方法即可获得每位学习者的敏感元素相关模型，根据学习者的类型开发并推送相应的教学资源。

表6 被试1观看每张图的注视时间

表7 被试1回归方程系数列表

表8 被试1回归方程已排除变量

四、讨论与展望

（一）讨论

第一，实验指标注视时间均值表明：多媒体课件中不同的背景色、字体色、边框色、文本位置的搭配效果影响学习者对课件内容的认知加工。白底红框黑字左下的搭配获得的注视时间最长，有助于学习者对课件内容进行长时间的阅读，在开发面向传统课堂的线下课件时，可以多用白底、红框、黑字、文本放置左下方的搭配方式；而红蓝黑右下方位的搭配获得被试的注视时间最短，表明这种搭配方式对学习者的认知加工负荷大，不利于学习者的学习，今后在开发普适大众的课件时应尽量避免使用红背景、蓝框、黑字、文本放置右下方的搭配方式。

第二，实验指标注视时间按性别统计表明：男生对白底红框黑字左下文字方位图片给予了最多的注视，而对红底蓝框黑字右下文字方位的注视时间最短；女生对黑底蓝框白字左上文字方位的注视时间最长，而对黑底红框红字右下文字方位给予的注视时间最短。由此可知，不同的性别对于色彩与文本位置的敏感度与青睐度也不同。即对于女生占绝大对数的师范院校和男生占主导的军校等男女生比例严重失衡的学校，教师在制作教学课件时，应充分了解学生的学习需求，根据具体情况恰当运用学习者的敏感元素设计学习资源。

第三，实验指标个体注视时间和实验后测数据统计表明：经实验后测发现，有位视力或矫正视力正常的被试，他是红绿色盲者，无法区分红色和绿色。因此在设计适用于大众群体的教学课件时，除了开发满足绝大多数学习者需求的课件等学习资源外，应格外注意这部分对色彩感知有异常的人群。

第四，由回归分析可得每位学习者的敏感元素相关模型，由此确定移动学习者的学习类型，为其推送满足其需求的学习资源，实现个性化学习。这将会有助于未来远程教育事业的发展和移动学习理念的贯彻落实，同时能够带动终身学习的风潮。

第五，对比实验后测结果与个体敏感元素相关模型发现：通过客观眼动数据分析得出的受学习者青睐的敏感元素搭配方式与实验后测学习者通过主观偏好感知选出的图片并非都吻合。由此可见，学习者偏爱的敏感元素属性不一定是有利于其认知加工的搭配方式，通过客观量化的研究方法更能反映问题的本质。