眼动仪在晶体电光调制实验教学中的应用研究

邵长金，杨东杰，郑伟博，胡 锐

(中国石油大学(北京) 理学院，北京 102249)

晶体电光调制是一个综合性程度较高的实验，实验教学内容一般包括观察并描绘会聚偏振光的干涉图样(锥光干涉图)、用极值法测量半波电压和用调制法测量半波电压等几部分内容. 在教学过程中，虽然对本实验进行了很多改进[1-4]，但由于其原理较为复杂，涉及面广，学生往往很难抓住重点. 眼动仪可以追踪视觉焦点[5-6]，反映学生在实验过程的关注热点，为改进实验教学提供生理数据.

1 关注点测试设计

1.1 测试实验内容选择

晶体电光调制实验装置如图1所示，主要由晶体电光调制电源、调制器和接收放大器3个部分组成. 按照实验教学内容安排，实验过程是按照3个模块进行的. 第1个模块是观察锥光干涉图，所用到的仪器为起/检偏器和白屏，关注点应该是白屏上光点的亮度变化. 第2个模块是极值法测量半波电压，所用到的仪器为直流电源、光电三极管、放大器和万用表，关注点应该是万用表的指针变化. 第3个模块是调制法测量半波电压，所用到的仪器为正弦波信号源、光电三极管、放大器和示波器，关注点应是示波器上的波形变化.

1.减光偏振器 2.起(检)偏器 3.铌酸锂电光晶体 4.光电三极管 5.放大器 6.直流电源 7.音乐信号8.正弦波振荡器 9.扬声器 10.双踪示波器 11.万用表 12.1/4波片图1 晶体电光调制实验装置

1.2 眼动仪性能

为了找到每个模块学生的关注点，利用全新的小型眼动仪对被测试学生的视觉热点进行追踪. 该眼动仪在外观上为眼镜形状，方便被测试者佩戴. 眼动仪系统根据瞳孔和角膜反射原理，利用红外摄像头捕捉眼球运动，和场景视频录像进行叠加，通过眼动追踪系统软件分析，可以实时计算出眼球的水平和垂直运动的时间、位移、速度及瞳孔直径、注视位置等. 眼动追踪系统可安装在笔记本电脑、平板电脑等便携设备上，方便带入物理实验室进行测试. 所使用的眼动仪允许大幅度地头动，确保被试行为的自然性，从而保证学生能够正常进行实验操作. 另外，该眼动仪可提供头动范围内高准确度的眼动数据并兼容几乎任何被试人群，不受学生个体限制.

1.3 测试人员情况

根据上述眼动仪的性能，在实验课教学过程中，随机选取一些学生进行测试，被测试学生除了佩戴眼动仪外，其他方面没有特别之处. 学生在做某个具体的大学物理实验之前，教师一般要进行约15 min的讲解，帮助学生对仪器设备的认知. 除了学生自带的实验教材外，实验室还为每位学生提供了一份简单的实验指导. 按照平时上课程序，学生在进行实验前，都需要进行实验预习并完成预习报告. 通过实验预习、教师对仪器设备的介绍以及阅读实验指导，学生应达到独立完成实验工作的要求. 测试人员除了辅助学生佩戴眼动仪外，不影响实验课程的正常教学秩序.

2 测试结果与分析

2.1 眼动仪追踪校准

连接好眼动仪线路，在笔记本电脑上打开眼动追踪系统软件, 将带有圆心的测试校准卡摆放在实验桌面上，被测试者注视圆心后操作软件，会顺次出现红色和黄色的注视点, 从而完成校准过程. 热点图可展示出被测试者在刺激材料上的注意力分布情况. 眼动仪中生成的景观热点图是根据一段时间内参与者的眼动情况绘制而成，可反映参与者在此时间段内的视线活动情况，区域颜色越深则表明在这段时间内参与者注视点越集中，注视时间越长，参与者的兴趣程度越高. 红色代表注视最集中的区域，黄色次之.

2.2 案例数据获取

表1 各测试阶段的眼动数据

表2 各测试阶段的兴趣区分布参量

2.3 结果与分析

图2是某学生在做锥光干涉图实验内容(阶段1)时的眼动仪追踪结果. 从图2可以看出，学生的一部分关注热点在白屏上，这符合预期. 同时，还有相当多的关注被放在了教材上，晶体偏压显示面板、电光晶体等部分也有一定的关注，并且这种现象不是偶然的，被测试的许多学生都存着这样的问题. 实际上，第1阶段的实验内容与晶体偏压显示面板、电光晶体等没有关系，通过分析可知学生对它们关注是因为实验教材内容过于冗长(内容有15页)、公式推导过多. 一方面，学生对每个新实验项目都有认知熟悉的过程，往往在开始实验的阶段会使其对每件仪器设备都关注，导致注意力分散，但时间不会太长(小于5 min). 持续20 min的测试后，关注点依然分散则说明了学生对本实验的预习不好，确实没有掌握实验的核心问题，因此不得不重新阅读教材. 由表2的数据，学生注视教材的时间为147 s，远高于注视白屏的时间99 s，这2个兴趣区热点的注视时长占比之和为88.1%，还有11.9%的注视时长占比分散到实验装置的其他地方(晶体偏压显示面板、电光晶体等).

图2 锥光干涉图实验的眼动追踪结果

图3是极值法测半波电压(阶段2)时的眼动仪追踪结果，可以看出，学生的兴趣热点基本在直流偏压调节和万用表上，与阶段1比较，兴趣区的热点分布明显集中了许多. 表2的数据也表明，本阶段测试中，关注教材的注视时间占比仅有8.2%，89%的注视时间占比都在直流偏压调节和万用表上，说明学生已经把精力集中到这2处，仅有少于3%的注视时间散布在其他部位.

图3 极值法测半波电压的眼动追踪结果

图4 调制法测半波电压的眼动追踪结果

图4是调制测半波电压(阶段3)时的眼动仪追踪结果. 从图4可以看出，学生的兴趣热点基本在示波器屏幕上，但有一部分集中在实验指导书上. 与阶段2比较，兴趣区的热点分布有所分散. 表2的数据也表明，本阶段测试中，示波器屏幕的注视时间占比为57.2%，而实验指导书的注视时间占比达到了19.8%，还有23%的注视时间占比分散到其他部位. 这一阶段的测试结果超乎预期，原来以为学生在前2个阶段的实验积累，后面的实验更加熟练，兴趣热点应该更为集中. 但实际结果远非如此，这说明经过50 min的实验后，学生精力集中度明显下降，效率也大大降低. 虽然比阶段2的注视时间增加了(测试时间增加的原因)，但注视时间占比却下降了20%.

3 实验教学启示

使用眼动仪对学生兴趣热点的追踪结果表明，实验教材内容过多将导致学生预习实验效果下降，学生无法掌握实验的关键点，因此，需要精简教材、突出重点. 对晶体电光调制实验项目而言，在开始实验的20 min内，由于学生对仪器设备的熟悉程度低，注视热点有50%放在了实验教材上，如果利用虚拟仿真技术提前让学生进行仪器设备认知，则会收到很好的效果. 在第2阶段极值法测半波电压实验时，学生对仪器设备的熟悉程度相对较高，关注热点非常集中. 随着实验时长增加，经过50 min的实验后，学生精力集中度明显下降，效率也大大降低. 虽然比阶段2的注视时间有所增加，但注视时间占比却下降了. 为了提高教学效果，必须对实验内容进行适当控制，将核心内容前置.