教学视频终端显示空间对学习者影响的眼动研究

尤洋　王以宁等

摘要：在教育信息化时代，教学视频是基于媒体学习方式中学习者学习的重要对象，因此教学视频自身的诸多特性必然对学习者产生不同的影响。该文针对教学视频显示空间特性对学习者学习影响的问题，运用问卷测量、眼动研究的方法，对80名学习者的学习成绩、眼动指标数据进行提取、分析、探索教学视频显示空间对学习者学习影响的规律。实验结果表明：教学视频显示空间的不同对学习者的学习成绩及学习过程中的眼动指标具有比较明显的影响，结合心理学相关理论的进一步分析可以证明教学视频显示空间对学习者的学习具有比较显著的影响。

关键词：教学视频;屏幕尺寸;眼动技术;认知负荷

中图分类号：G434 文献标识码：A

随着教育信息化进程的发展，诸如微课、慕课、视频公开课等学习方式不断出现，突破了传统课堂教学的时空限制，为学习者提供了空前广阔的学习选择。基于传统教学体系与信息化教学体系混合式学习方式越来越多地显示出强大的学习效果、效率与效益。伴随着混合式学习方式的发展，承载知识信息的各种不同形态的教学媒体应运而生，成为学习者获取知识信息的重要工具。随着数字技术、通信技术、计算机技术的持续更新及各类便携移动终端的不断普及，学习者可以通过不同教学媒体学习教学视频，这必然导致教学视频信息呈现的特性差异对学习者的学习产生不同影响。教学媒体作为学习中的重要因素，对其本体的教学信息呈现特性的研究极其重要，但近年来这类研究却并不多见。本文针对在学习中教学媒体不同的视频终端显示空间对学习者影响问题，使用问卷测量、眼动实验分析方法，进行了较为深入细致的研究，期望找寻教学视频显示空间差异对学习者影响的规律，从而为教学设计者制定教学视频使用策略提供科学依据。

一、问题提出

目前国外关于教学视频与眼动结合的相关研究较少，当前研究主要为不同终端显示与学习、阅读的相关研究，如：Kim D等关于不同屏幕尺寸对学习者词汇学习的影响研究，研究结果表明相比于小尺寸屏幕，大尺寸屏幕更有助于学习者进行词汇学习。Yong Wang等在关于屏幕大小对汉语阅读的难易程度研究中指出较大屏幕有助于阅读者在汉语阅读过程中获得更好的阅读效率与效力，并得出适用于移动手机用户阅读屏幕尺寸大小。Kim Jaewon等在关于移动设备终端视觉搜索的眼动研究中指出，阅读者在不同屏幕尺寸的显示终端进行阅读的过程中具有不同的视觉搜索習惯，并针对不同尺寸屏幕显示终端提出不同的呈现策略。Wibirama S等在进行屏幕大小对移动设备成瘾因素的眼动研究中指出屏幕尺寸会影响被试者的浸入式教学经验程度等。国内研究主要集中于教学视频中学习内容的呈现方式对学习者的影响研究，如：姜艳玲等探究教学视频中重点呈现对学习者效果影响，研究结果表明在有重点呈现的教学视频中不添加鼠标引导的学习效果好，相反在无重点呈现的教学视频中添加鼠标引导有助于学习者学习。王雪等在探究网络教学视频字幕设计的眼动实验研究，研究结果表明教学视频中全字幕可使学习者获取最多数量的知识，概要字幕可帮助学习者获取最好的学习质量。在探究程序性知识、陈述性知识教学视频中交互控制程度对学生学习的影响，研究结果表明在程序性知识与陈述性知识教学视频中交互程度越高，越有利于促进学习者学习。杨九民等探究教学视频中不同类型线索对学习者影响，研究结果表明教学视频中的线索有助于优化学习者注意力分配，教学视频中包含有视觉语言组合线索的有助于提高学习者学习效果促进知识迁移水平的提高，视觉线索会增加学习者在学习过程中的认知负荷。崔岩、王志军等探究教学视频中教师呈现方式对学习者学习效果研究，研究结果表明教师在不同知识类型的教学视频中出现对学习者具有不同的影响，当教学视频中教师呈现于右上方时，学习者学习效果较好。

学习者在视听学习过程中需要教学媒体作为中介进行学习，教学媒体的自身特性在一定程度上可能会对学习者学习产生影响，但目前关于教学媒体终端显示空间相关研究较少，因此，关于教学媒体自身特性对学习者影响具有研究价值，本文将基于教学视频终端显示空间特性，结合问卷测量、眼动研究方法探寻教学视频终端显示空间对学习者影响。

二、研究相关基础

（一）教学媒体的基本概念

教学媒体是指在教与学活动过程中所采用的媒体，教学媒体作为承载和传播教学信息的中介，使得教学信息得以传播，促进教师与学习者之间相互交流。教学媒体存储与传递的信息以教学为目的，教师和学生为特定对象，教学媒体的选取取决于教学目标。教学媒体是经过改进、符合教学要求并用于教学活动，能用于教与学过程中的媒体。

（二）教学视频的界定

教学视频是以讲述知识内容为主要内容，讲授知识的思路为逻辑结构，以传递知识为主要目的，以符合学科教学规律的方式进行设计、编排、制作、发布的供学习者学习的教学信息的视频形态。当前主要包括教学电影、教学电视节目、课堂教学用视频、远程教学用视频（例如MOOC、微课等）等。

（三）教学视频终端显示空间的界定

终端是指在教与学活动过程中用于呈现、展示教学信息的装置，这些设备包括台式机、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等。显示是指以图像的方式呈现、传递信息。空间是一种与时间相对、密不可分的客观存在形式，物体之间的位置差异产生空问，位置差异由时间来衡量。空间是物体存在与运动的场所，包括二维空间、三维空间，通常由长、宽、高、大小体现。由于空间的种类繁多，本文将探究的终端显示空间界定为呈现教学信息的装置自身物理条件下展示二维教学图像的空间，终端显示空间由长、宽体现。

（四）教学媒体的呈现特性

教学媒体的呈现具有感知性、差异性、分离特性。所谓呈现具有感知性，即在学习过程中学习者只能注意周围一小部分，并且只能观察到视野中心的极小部分，设计者通过连续变换视点的呈现方式，以要讲授知识内在逻辑为基础，建立学习者对不同环境视场的感知性。呈现具有差异性，即在教学媒体的呈现中设计者应当利用新颖的刺激把学生的注意引导到所学的信息内容中，新的和有差异的教学内容容易引起注意，方便学习者学习、记忆，如：亮度的变化、运动的变化、颜色的变化，适度的复杂性呈现能够吸引注意，教学活动中不断地进行变化以保持学习者的注意。呈现具有分离特性，简化的呈现方式可以集中注意，即对图式的简化，仅包含相关信息，如：图像中减少或删除不相关的背景信息和画面中的冗余细节，便于学习者学习。

教学媒体信息的呈现是学习者获取学习内容的途径，梅耶在多媒体认知学习理论中指出，學习者拥有两个单独的信息加工通道，即用于加工视觉表征材料的视觉/图像通道和用于加工听觉表征材料的听觉/言语通道，每一个通道一次只能加工一小部分学习材料，学习者运用空间认知能力，形成、保持、使用心理表象进行学习，意义学习产生于学习者在学习过程中进行适当的认知加工过程，学习者通过视觉/图像通道加工教学媒体呈现的信息。根据梅耶多媒体认知学习理论可知，教学媒体信息显示空间会影响教学信息显示数量，进而对学习者的视觉/图像通道产生影响。教学媒体显示空间特性在某种状态下，可能造成学习者视觉/图像通道加工过载，影响学习者意义学习。基于这种思考，本文将探究教学视频显示空间特性对学习者的影响问题。

三、实验设计

（一）多媒体学习系统中对学习者的影响因素

眼动技术是通过记录人类眼球的运动轨迹，提取相关数据指标，研究被试者的内在认知过程。眼球运动的基本形式分为注视、眼跳、追随运动。本研究使用Eyelink1000 plus实验设备进行眼动数据采集，该设备广泛应用于要求较高的阅读领域中。

在当前的眼动研究中，常用眼动指标包括：首次注视时间、凝视时间、总注视时间、注视次数、眨眼次数、瞳孔直径、眨眼时间等。眨眼次数、瞳孔直径、眨眼时间三项指标多用于测量视觉疲劳的相关研究，眨眼次数、瞳孔直径两项指标多用于心理学情绪领域研究。本研究将测量多媒体学习系统中不同教学视频终端显示空间给学习者带来的视觉疲劳程度、情绪、认知负荷差异，所以将提取眨眼次数、瞳孔直径、眨眼时间三个眼动指标进行分析。

本研究由于不需要被试头部保持自然状态，因此使用Eyelink1000 puls眼动仪进行实验数据的收集及处理。该眼动系统具有高精度、速度高的特点，采样率最高为2000HZ，是目前采样率最高的眼动分析设备。该系统的眼动采集装置放置在显示器下方，被试不需要带任何装置。本研究中眨眼次数是指在眼动实验过程中被试加工实验材料眨眼个数的总和，瞳孔直径是指在眼动实验过程中被试加工实验材料时瞳孔的大小，眨眼时间是指在眼动实验过程中被试加工实验材料时眨一次眼所需的时间。本研究的方法：首先利用眼动设备自带程序将眼动数据导出，然后利用SPSS对数据进行处理，数据分析、结论讨论。

（二）实验内容与研究假设

本实验探究多媒体学习系统中不同教学视频终端显示空间对学习者眼动指标产生的影响。首先将被试随机分为人数相等的两组，两组的问卷内容相同，在实验开始前两组被试同时进行问卷测量，在随后的实验中将教学视频作为研究材料，运用眼动技术，采集学习者在视频学习过程中的眼动数据，分析学习者在学习相同教学内容条件下，不同视频终端显示空间对学习者视觉疲劳、情绪的影响，在实验结束后立刻对学生进行学后测量并在一周后进行记忆测试。根据视频终端显示空间的不同分为两个实验，实验1的实验材料呈现在18.9英寸的Dell显示器上，呈现方式为全屏显示。实验2的实验材料同样呈现在18.9寸的Dell显示器上，为模仿便携移动手机显示设备屏幕大小，全屏以屏幕等比例缩小32%呈现（约6.1寸），分别收集学习者眼动数据。

本研究提出如下假设：教学视频展示终端显示空问不同，（1）学习者的学习成绩不同;（2）学习者的学业情绪不同;（3）学习者的视觉疲劳程度不同;（4）学习者的认知负荷不同。

（三）实验一：大屏幕多媒体学习系统眼动实验

1.实验设计

在实验进行前，要求被试进行知识问卷测试，测量被试的先前知识，内容与实验材料内容相关，实验1要求被试观看在计算机屏幕上播放的教学视频，实验材料呈现在18.9英寸的Dell显示器上，呈现方式为全屏显示，经过实际测量，视频显示空间尺寸为：长38厘米，宽30厘米，视频显示面积为1 140平方厘米，18.9英寸，视频清晰度为1024*768。实验材料由六段教学视频组成，播放顺序由拉丁方设计排列，使各个视频有同等机会出现，所有视频随机呈现。在每段视频播放结束后，被试会有短暂的休息。在整个实验结束后，要求被试进行知识问卷测试，测试内容与实验前问卷一致，并在学后测试一星期后，对被试进行记忆测试。

2.被试

为保证测量数据真实、有效，在选择被试时将被测试人员的自身因素考虑在内，如：年龄、性别、有误有无视力缺陷、眼部视力是否正常等。在本次实验中，我们利用生理学评价标准对被试进行主观评测，最终选定80人。实验被试均来自某大学在读本科生、硕士研究生，眼部视力裸视或矫正后均为正常视力，眼部无视力缺陷，年龄在19-30岁之间。

3.实验设备

本实验采用Eyelink1000 plus眼动仪呈现实验材料并记录被试的眼动情况，眼动仪采样频率为1000HZ。软件的自定义设计确保显示改变发生在6-12ms之内，实验句子用楷体字呈现，字体大小为28号，实验视频为高清格式。被试眼动的轨迹通过眼动仪上的高速摄像机输入计算机，虽然被试用双眼观察刺激，但根据眼动研究惯例只记录被试右眼的数据。材料呈现与眼动记录由专用软件完成。

4.实验材料

实验材料选取自某大学广播电视编导专业教学使用的影视教学视频片段，根据影视教学视频的类型选取6段长短不同的视频作为实验材料。实验材料由6段时间长度不同的视频组成，这6段视频编号顺序及时间分别为：视频1（76s）、视频2（120s）、视频3（180s）、视频4（68s）、视频5（49s）、视频6（70s）。

5.实验步骤

（1）实验开始前要求被试进行先前知识问卷测量。

（2）开始进行眼动实验，每个被试在实验室中进行单独测试。被试头部与屏幕之间距离为80厘米，这样可以保证每个汉字和视频画面的视角约为1°。将下颌放在颌托上，上下调整颌托至合适高度，并要求被试在实验过程中尽量保持头部与身体不动。

相关心理学研究表明，人的情绪与眨眼次数、瞳孔直径具有相关性，即眨眼次数越高，情绪越紧张，伴随着消极情绪，眨眼次数越低，情绪越放松，伴随着积极情绪。瞳孔直径越大，情绪愉悦，伴随着积极情绪，瞳孔直径越小，情绪越紧张，伴随着消极情绪。实验1与实验2数据差异表明，教学视频展示终端显示空间不同，学习者眨眼次数不同，平均瞳孔直径不同。视频显示空间不同对学习者学习情绪产生影响，此结论验证了假设2。

所以，视频显示空间不同对学习者学业情绪具有影响，即视频显示空间大，眨眼次数低，平均瞳孔直径大，学习者学业情绪积极。视频显示空间小，眨眼次数高，平均瞳孔直径小，学习者学业情绪消极。

3.视频显示空间不同对学习者视觉疲劳程度产生的影响分析

梅耶在多媒体认知学习理论中指出，学习者在学习过程中拥有单独加工视觉/图像信息、听觉/言语信息的通道，每个通道中同时加工信息数量是有限的，学习者进行主动加工，意义学习产生于学习者在学习过程中进行适当选择、组织、整合的认知加工过程。学习者通过视觉/图像通道加工教学媒体呈现的教学信息，由于视觉/图像通道加工信息数量是有限的，当学习者出现视觉疲劳现象时，视觉通道加工受阻，阻碍教学信息传递，影响学习者的意义学习。

相关心理学研究表明，视觉疲劳现象与眨眼次数、瞳孔直径大小具有相关性，眨眼次数越高，眼睛越紧张，视觉疲劳现象越明显。当一个人在充分休息后，其瞳孔直径比较大，当人越疲劳时，瞳孔直径越小，视觉疲劳会导致瞳孔直径变小。实验1与实验2数据差异表明，教学视频展示终端显示空间不同，学习者眨眼次数不同，平均瞳孔直径不同。视频显示空间不同对学习者视觉疲劳程度产生影响，此结论验证了假设3。

所以，视频显示空问不同对学习者视觉疲劳程度具有影响，即视频显示空间大，眨眼次数低，平均瞳孔直径大，学习者视觉疲劳程度低。视频显示空间小，眨眼次数高，平均瞳孔直径小，学习者视觉疲劳程度高。

4.视频显示空间不同对学习者认知负荷产生的影响分析

认知负荷由内在认知负荷、外在认知负荷、关联认知负荷三个部分组成。内在认知负荷（Intrinsic Cognitive Load）是指学习者通过脑力来学习一个概念，不受教学媒体的教学设计影响，与学习材料自身的难易程度相关，内在认知负荷具有稳定性。外在认知负荷（Extraneous Cognitive Load）取决于教学媒体的显示方式（如视觉、听觉、文本）、地域与时间组织形式。教学媒体显示方式的不同会直接影响学习者在学习过程中的工作记忆容量和视觉疲劳程度，教学媒体中信息传递不通畅、教学设计不合理、学习活动方式复杂会增加学习者的外在认知负荷。关联认知负荷（Germane Cognitive Load）取决于学习者自身的积极性，因为学习者自身的积极性可以影响学习者对学习的投入程度。关联认知负荷相当于学习者在加工学习材料过程中精神资源的投入程度，它帮助建立、构建促进学习的心理模式。

相关心理学研究表明，眨眼次数和平均瞳孔直径两个眼动指标与学习者认知负荷具有相关性，实验1与实验2数据差异表明，教学视频展示终端显示空间不同，学习者眨眼次数不同，平均瞳孔直径不同。视频显示空间不同对学习者认知负荷产生影响，此结论验证了假设4。眨眼次数和平均瞳孔直徑两个眼动指标与视觉疲劳因素具有相关性。即眨眼次数高，学习者视觉疲劳程度高，认知负荷大，眨眼次数低，学习者视觉疲劳程度低，认知负荷小。平均瞳孔直径大，学习者视觉疲劳程度低，认知负荷小，平均瞳孔直径小，学习者视觉疲劳程度高，认知负荷大。

情绪是在学习过程中所付出的精神资源投入，关联认知负荷与学习者情绪具有密切关系。最佳教学媒体的设计应具有较低的外在认知负荷，较高的关联认知负荷。所以，视频显示空间不同对学习者认知负荷具有影响，视觉疲劳程度影响学习者外在认知负荷，情绪影响学习者关联认知负荷，学习者认知负荷的变化是由视觉疲劳和情绪两个因素同时影响产生的。

即视频显示空间大，眨眼次数低，平均瞳孔直径大，视觉疲劳程度低，学业情绪积极，学习者认知负荷低。视频显示空间小，眨眼次数高，平均瞳孔直径小，视觉疲劳程度高，学业情绪低，学习者认知负荷高。

综上所述，视频学习过程中学习者学习效果与视觉疲劳、学业情绪与认知负荷具有相关性。即：视频显示空间大，学习者视觉疲劳程度低，学业情绪积极，外在认知负荷小，关联认知负荷小，学习者学习效果高。视频显示空间小，视觉疲劳程度高，学业情绪消极，外在认知负荷大，关联认知负荷大，学习者学习效果低。认知负荷大、学业情绪消极有碍于学习者学习，认知负荷小、学业情绪积极有助于学习者学习。

六、策略建议

根据实验分析结论可知，教学视频显示空间大，学习者视觉疲劳程度低，学业情绪积极，认知负荷低，学习效果高，有利于学习者学习。针对学习者在众多学习媒体中如何进行选择，提出以下建议：

（一）优先选用较大视频终端显示空间的屏幕进行学习

随着技术的不断发展与应用，学习媒体呈多样性发展，在各种学习媒体中，教学设计者和学习者应优先选用较大显示空间的媒体进行学习，特别是在固定学习方式中，面对诸多教学媒体时可使用较大尺寸的教学视频显示终端对教学信息进行呈现，如：投影仪、大尺寸屏幕等。教学视频展示终端作为学习者视觉/图像信息加工通道，加工信息的数量是有限的，学习者在视频学习过程中应优先选用较大教学视频终端显示空间的屏幕进行学习，这样能够降低学习者在视频学习过程中由视频终端显示空间的差异所产生的视觉疲劳、外在认知负荷，关联认知负荷，使学习者具有较积极的情绪进行学习。较低的视觉疲劳程度、较低的认知负荷、积极的情绪有助于提高学习者认知灵活性，拓展注意范围、行动序列，提高学习效率和个体思维的灵活程度，对学习者在学习过程中的自我效能感、投入的心理努力、内在动机机制具有积极的影响。

（二）适度控制信息的显示数量，提高等效显示空间

伴随着移动学习、泛在学习的出现，打破了传统课堂的时空限制，学习者可以在任何时间、任何地点使用手机媒体或其他较小显示空间的媒体进行学习。受媒体显示屏幕自身物理条件限制，在多媒体教学设计过程中，设计者应考虑教学视频显示空间因素，当针对较小显示空间媒体进行教学设计时，设计者应适度控制教学信息的呈现数量，适当减少每一屏教学信息显示数量，适度增加显示次数，减少学习者无关认知加工，提高等效显示空间，促进学习者学习。

七、结语

本研究针对教学视频显示空间特性对学习者学习影响的问题，运用问卷测量、眼动实验分析方法，对80名学习者的眼动指标进行采集、分析、探寻教学视频显示空间对学习者学习影响的规律，研究结果表明：教学视频显示空间大，学习者视觉疲劳程度低，学业情绪积极，外在认知负荷小，关联认知负荷小，学习效果高。教学视频显示空间小，学习者视觉疲劳程度高，学业情绪消极，外在认知负荷大，关联认知负荷大，学习效果低。在教学过程中，学习者应优先选用较大显示空间的媒体进行学习。在教学过程中因条件限制只能使用较小的显示空间媒体进行学习时，应注意适度控制有效信息显示数量，提高等效显示空间。