眼动技术在指法教学中的应用

汪周 赵向军 史月

摘要：为将眼动技术应用于指法教学，对其可行性进行论证。论述眼动技术在教育技术领域应用现状，指出指法教学存在的问题。选用Smarteye5.4眼动仪，以10名计算机专业大学生为被试，记录其指法训练情况。结合访谈法进行效果评价，并给出相应教学建议。实验结果显示，在指法教学中使用眼动追踪有助于提升学生的盲打能力，促进指法教学科学化。

关键词：眼动技术;指法教学;盲打

DOI：10.11907/rjdk.182499

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）012-0219-04

0引言

随着智能手机、平板电脑的普及，学生对电脑的依赖逐年降低。虽然国家在九年制义务教育中已经推行信息技术课程，但由于种种原因，计算机课程往往忽视指法训练，只偏重软件、编程类实践操作，极少有学生能按照正确的指法规范进行操作，而正确熟练的指法操作是学好计算机的前提和基础。因此，对计算机专业学生来说，指法训练尤为重要，是学好计算机的一个重要环节。一直以来，指法学习存在诸多问题，所以指法教学也很费劲。传统的指法教学由教师全程监督，费时费力，且不可能兼顾每位学生，对学生打字过程进行自动追踪十分必要。

眼动研究可追溯到100多年前，其产生于心理学领域，现已在众多领域广泛应用并产生了较高水平的研究成果，如广告学、医学、教育学及传播学等。将眼动技术应用于指法教学，采集并分析学生指法训练的过程性数据，能有效解决以往人工监督指法训练遇到的难题，促进学生掌握正确规范的键盘指法操作，提高教学效率，进一步拓展教育技术的研究手段和应用水平。

1现状分析

1.1眼动技术在教育技术领域应用现状

眼动研究可以追溯到古希腊，到了中世纪才开始真正使用仪器进行眼动测量，而眼动跟踪概念则在20世纪30年代产生。到20世纪中期，随着光学传感器技术、计算机信息技术的不断进步，眼动跟踪技术才得到快速发展。1970年我国开始对眼动技术进行研究，天津师范大学、中科院等单位开展了大量研究并取得一系列研究成果。笔者在CNKI检索关键字“眼动”，结果发现，眼动分析法在教育技术领域应用尚处于起步阶段，论文数量不多。研究内容主要有：①多媒体学习效果研究，如Mayer团队利用注视次数、总计注视时间、从上到下的注视时间以及从左到右的注视时间这4个眼动指标，研究在学习者的认知过程中使用高亮显示和图形组织的作用;Ozcelik等研究在多媒体学习中使用颜色编码完成评估，结果显示，颜色编码能够帮助学生快速发现图文中的关键信息;安璐等以大学生为被试对象，用眼动技术研究PPT的背景颜色对学习的影响;②网络资源及课件的排版设计研究，如张立新等认为网络课程是一个动态开放的生态系统，为了维持网络课程的互动平衡必须加强学习者与学习内容之间的互动，而使用眼动仪等感官性反馈机制可使这一交互过程变得可视化、可控制化;③数字化阅读及其资源的优化设计研究，如诸多研究者在阅读研究中提出了眼动阅读模型，包括IA模型、SWIFT模型和E-Z reader模型等;王娟等采用眼动追踪记录的方法，考察不同信息载体（数字化阅读与纸质阅读）对不同年级小学生文本阅读的影响;④阅读及句子理解等认知过程分析研究，如陈庆荣等利用眼动技术考察了句子一图片验证范式下旬一图信息整合过程中，句式和语义关系类型的作用。

1.2计算机指法训练常见问题

常言道无规矩不成方圆，指法教学的目标是让学生掌握正确的打字姿势，养成良好的键盘操作习惯。而为了确保学生达到这一目标，教师除悉心指导外，还要重视纠错环节，对不规范的操作及时指出纠正，否则后患无穷。

（1）学生随意改变指法规则，出现“二指禅”现象。教师详细讲解和演示指法后，仍有学生对此认识不清，觉得不按要求照样能输入，打字时根据自己手指习惯擅自改变指法规则，认为只要打出正确的字即可。如键盘的w键应该用左手的无名指击键，有的学生觉得左手小拇指更顺手，于是改变指法规则改用小拇指击键，这种错误在训练中经常出现。学生初心可能是要改良方法，实际上只会降低自己的打字速度。有的学生甚至出现“二指禅”现象，即输人时眼睛盯着键盘，仅使用一两个手指追随着目光在键盘上缓慢敲打，手指不协调且特别费时费力，其打字速度也可想而知。

（2）键位不熟、频繁低头看键盤。学生初步掌握并记住键盘指法后，一般会选择中英文文章段落进行盲打练习。在盲打过程中，有的学生由于对个别键位或符号键不太熟悉，容易出现频繁看键盘情况，严重影响录入速度。有些学生在英文录入过程中遇到大写字母时，会同时按下Caps Lock键+Shift键，再按Caps Lock键+Shift键后继续打字，而正确方法是按Shift键+字母键输人大写字母。对于计算机专业学生，编程中输入代码常常会出现大小写切换情况，而对切换方式不熟练将严重影响打字流畅度。

1.3指法教学难点

由于指法训练枯燥乏味，学生很容易产生厌学情绪，这给指法教学带来了困难：①训练机械化。学生要牢记枯燥的字母键位，每次成百上千遍地机械击键，时间久了就感到无味并逐渐降低对指法的重视程度，每次都是任务式地完成输入后就去做别的操作，与指法训练的初衷渐行渐远;②不盲打速度比盲打快，学生难以制约。部分学生可能盲打时速度反而变慢，导致他们为追求速度而忽视指法训练，教师难以管制;③学校不重视。许多学校每周只安排1～2课时，教学密度不够，这对于需要集中时间记忆，循序渐进反复训练的指法教学来说尤其困难。有些学校更不可能将指法训练纳入其中，作为计算机专业的学生也未必能掌握正确的指法操作;④费时费力，难以管理。普通班级一般有40-60人，在学生自我训练过程中教师要来回巡视，观察学生是否出现不良的打字姿势并及时纠错。但教师精力有限，课时安排紧张，难以做到个别指导。

为解决指法教学存在的问题，本文将眼动技术与教学相结合，旨在借助眼动技术自动监测学生指法训练过程，根据眼动大数据重组教学流程，不断实践总结，改进教学方法，以提高教学效果。

2眼动追踪技术

2.1概念及常用指标

眼动追踪是一种即时测量方法，通过检测眼球运动过程中的特性，记录眼动轨迹，从中提取分析诸如眼跳、注视次数、注视点和瞳孔大小等指标，进而从微观层面揭示个体的内在认知过程。

运用眼动分析的关键在于针对不同的研究目的选取恰当、有效的眼动指标，否则会丢失研究过程中有价值的数据信息，导致数据分析和研究讨论泛泛而谈。常用的眼动指标有注视、眼跳、瞳孔直径、回视和眼动轨迹。在眼动分析过程中，采用单一指标往往难以实现研究价值，应该选择不同的指标深入分析。研究者在采用眼动分析法时，往往会根据自己的实验目的和特点选取若干眼动指标，采用合适的数据分析方法进行科学严密的探究。

2.2测量方法及原理

传统的眼动测量方法包括观察记录法、机械记录法、胶片记录法等。随着摄像技术、红外技术和微电子技术的发展，一些新的眼动记录技术相继产生。当代的眼动记录方法包括电流记录法、探查线圈记录法、基于瞳孔和角膜反射的视频记录法及红外线普金野图像跟踪法等。

眼动追踪系统主要分为侵入式（Inside-out）和非侵入式（Outside-in）两种类型。其中，侵入式眼动追踪系统需要安装能锁定眼睛的微型摄像机，用户戴上特制的设备（眼镜，头盔）或使用头部固定支架，摄像机拍摄从瞳孔和眼角膜反射的红外线连续变化情况，连续记录眼球视线变化数据。这类穿戴式系统对用户行为影响较大，但其不易受头部运动干扰且视线方向检测精度较高;非侵人式眼动追踪系统首先要利用一个或多个摄像机拍摄记录人眼或脸部图像，再利用软件进行图像处理与分析，得到眼部特征和视线参数，然后根据这些数据信息映射模型将人眼特征参数换算成视线的三维数据，从而估算出视线的方向或落点。这类系统对用户的干扰较小，但是用户头部不能大幅度移动，可测试的视觉区域小且系统需时常校准。

3指法教学实验

3.1实验设计

3.1.1

实验目的

检验眼动追踪技术在指法教学实践中的应用。

3.1.2實验对象

邀请10名江苏师范大学计算机专业一年级学生参加实验，所有被试者已经掌握了计算机基本操作且视力或矫正视力正常。

3.1.3

实验仪器

本实验使用瑞典公司生产的Smarteye5.4眼动仪设备，其采样频率为60/120Hz，工作原理是基于瞳孔角膜反射，由图像采集、图像处理、特征分析、视线估计、误差补偿和标定等模块组成，如图1所示。为了消除周围环境等噪声区域对视线特征参数提取造成的影响，需要提取包含人脸区域的图像。采用基于灰度积分的人脸定位方式，将灰度图像转换为二值图像并利用积分投影检测出人脸区域;然后根据瞳孔的灰度、结构、形状等特性获取人眼区域图像，采用积分投影结合灰度差的方法定位人眼区域，对该区域进行二值化以定位瞳孔的中心位置;最后在瞳孔区域计算出瞳孔中心与普尔钦斑点坐标，并作为视线估计的输人参数实现对视线的跟踪。整个过程可以估计出学生在指法训练过程中眼睛是否在屏幕范围内，从而初步判断其是否在进行盲打。人眼检测流程如图2所示。

眼动仪连接到分辨率为1280x1024像素17寸液晶显示器，并根据实验室的实际亮度调整显示器亮度，确保可以清晰呈现。被试者坐在与眼动仪约650mm左右位置，以尽量舒适的坐姿坐定，是否佩戴眼镜不会影响测试的有效性。

3.1.4实验材料

文本录入材料来自打字软件中选取的两个文章段落，如图3所示。

3.2实验过程

本实验在眼动实验室进行。为保证实验的信度，整个实验过程分为练习和正式实验两个阶段。

练习阶段：开始前，教师介绍实验室环境和使用的眼动仪和打字软件。练习开始前对被试者进行眼动校准，校准后被试者身体要保持目前姿势。整个过程学生要采用盲打完成文字录入，录人过程中尽量减小头部的晃动幅度。通过打字软件提供一篇文章段落给被试者练习。在教师指导和讲解下观看录入过程回放，理解眼动数据呈现形式，掌握基本的数据解读方法，然后正式实验。

正式实验阶段：①被试者按照练习阶段的注意点进行调整;②教师呈现两段录入材料;③被试者清楚要求后开始测试;④中途休息5分钟。任务完成后通过眼动仪回放功能再现录人过程，请受试者观看回放及眼动数据信息;⑤教师与受试者共同分析数据;⑥对受试者进行个别访谈，访谈内容为了解眼动追踪法在指法教学中的应用效果。

3.3实验结果

实验结果显示，眼动仪对指法教学有显著的促进作用，体现在以下几个方面：

（1）有助于学生更加了解指法操作过程，增强自我反思意识。在访谈过程中，有70%的学生表示通过观看回放数据，可以更直观、深人地了解自己的指法操作，清楚在某一时刻的视线关注点，进而更清楚地认识到某一时刻的认知加工对象。

（2）有助于学生更好地关注指法训练中遇到的问题，提高对指法操作的监控意识。如当眼动数据中出现直径较大的注视点时，通常显示学生对该键位位置掌握不熟练。注视时间越长，注视点直径越大，认知加工越深，认知负荷也越大。

（3）有助于解决教师管理监督精力不足等问题。有40%的学生提到在指法训练过程中教师在学生身边观察巡视的频率降低了许多。教师节省了大量时间和精力，可以更多地关注学生坐姿是否正确，借助眼动数据及时给予提醒。

（4）有助于指法教学更加科学化。以前的指法教学常使用打字软件进行盲打测试，通过打字速度判断学生是否过关。现在结合眼动技术可以解决由于个别学生只追求速度眼睛一直盯着键盘而造成的测试不公问题。在访谈过程中，有30%的学生表示自己在盲打测试过程中不再投机取巧一味追求速度。

3.4实施建议

（1）采用分步式训练。掌握盲打对计算机专业学生编程能力和信息素养提高很有帮助。要达到盲打目标需要循序渐进地练习，即分步式训练，如把练习分为以下阶段：①练习asdfg和hjkl;十个键;②练习e和i;③练习r和u;④练习g和h;⑤练习c和m;⑥练习y和t;⑦练习m和v;⑧练习b和n;⑨练习。和w;⑩练习p、q和z;⑩练习x;⑩练习0-9数字;⑩练习大小写转换键caps lock;⑩练习英文标点符号。利用指法检测功能，自定义每次练习内容，如图4所示。每个练习达到目标后再进行下一个练习。目标设置为盲打测试一分钟后速度快于100字/分钟，准确率高于95%。

（2）数据反馈，自我反思。根据教学目标和指法练习情况，提前对学生进行相关讲解和培训，或设定一个或几个观察重点，设计相应的观察记录表，便于后期更有效地进行观察和反思。可将眼动数据发给学生。学生通过解读眼动数据，了解自己在指法训练中遇到的问题，注意力分配，以及每个步骤中指法的掌握情况。教师总结出学生常见的错误打字姿势及指法，对不熟悉的键位组织学生多加训练，早日练就盲打。

4研究不足

本研究基于眼动大数据分析学习者训练过程，将眼动技术与计算机指法教学相结合，促进了指法教学的高效化和科学化。研究还存在以下不足：

（1）数据提取精准问题。除眼动仪本身存在精度和自由度问题外，人的眼球运动、肢体运动和外界环境因素等也会对数据提取带来一定的干扰。例如眨眼和睫毛的抖动可能造成眼睛瞳孔轮廓不完整，无法计算瞳孔的中心位置;实验室的灯光、采集图像的噪声等，使得眼动特征提取缺乏准确性;学習者的头部和肢体运动导致场景不停改变影响视线计算等。

（2）学习者个体差异性。学习者的认知水平、认知策略、心理差异等都对研究产生一定的影响，这是实验过程中无法避免的。所以对学习者训练过程进行科学的数据采集分析后，应当再进行个别访谈，了解其心理变化，将科学方法与主观感受相结合，提高研究结果的可信度。

（3）资金投入大。在指法教学中使用眼动仪有特殊要求。首先需要学校配备眼动仪，资金投入大;其次每次使用需要提供专门的使用空间（实验室）并在教师指导下进行，以确保数据采集质量。因此，要了解眼动追踪原理，采用摄像头、红外光线和眼动追踪系统等简单的软硬件设施完成任务，可降低成本，提高在教学中应用眼动技术的可行性。

5结语

盲打是一切输入法的基石，掌握正确坐姿和指法规则是练就盲打、踏入计算机领域的第一步。在指法教学过程中，教师难以监控每一位学习者的训练过程，眼动技术能追踪学习者的视线，获取大量、实时、微观的眼动数据，可加深对学习行为规律的认知，精确量化学习者的学习过程和注意力分配情况。通过反馈信息及时调整教学进度和教学方法，提高教学效果，对开展个性化教学、推动“数据驱动教学”深入发展具有重要意义。

但由于关注度不足、经费投入高等因素，目前眼动追踪技术在教育技术领域的应用范围有待扩展。随着眼动仪和学科的发展，眼动分析将不断拓展范畴，为改善教学程序、提高教学效果提供数据支持。