眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的操作和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

周鵬生

摘 要:在心理與教育研究中,眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)是探討心理內(nèi)部機(jī)制的一種重要的實(shí)驗(yàn)手段。眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,不同的眼動(dòng)儀有不同的實(shí)驗(yàn)操作要求和數(shù)據(jù)處理軟件。以ASL 504眼動(dòng)記錄儀為例,結(jié)合四卡片推理研究說(shuō)明如何進(jìn)行眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)輸出、管理和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。

關(guān)鍵詞:眼動(dòng)實(shí)驗(yàn) 操作 統(tǒng)計(jì)分析

在心理與教育研究中,大多數(shù)涉及視覺(jué)呈現(xiàn)的課題都有可能采用眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)法受到追捧是因?yàn)樗軌蚋玫伢w現(xiàn)了心理與教育實(shí)驗(yàn)的生態(tài)學(xué)效度。它是探討心理內(nèi)部機(jī)制和進(jìn)程的一種重要實(shí)驗(yàn)方式[1]。如認(rèn)知心理與教育中對(duì)語(yǔ)言感知和理解的研究、問(wèn)題解決的研究[2],廣告心理與教育中對(duì)網(wǎng)頁(yè)知覺(jué)、對(duì)用戶的認(rèn)知的研究,教育心理與教育中對(duì)課件風(fēng)格認(rèn)知的探討等等,都可以通過(guò)眼動(dòng)儀進(jìn)行研究。但是目前基于眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的研究均對(duì)眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的操作和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)描述得很粗略,而有關(guān)指南主要通過(guò)外文描述,使需要重復(fù)或借鑒的研究者往往難以進(jìn)行參考。因此有必要對(duì)眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的操作流程進(jìn)行演示和說(shuō)明,并對(duì)所得數(shù)據(jù)的處理方法進(jìn)行討論。這也是本文所要呈現(xiàn)的內(nèi)容?，F(xiàn)以美國(guó)應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(ASL)的Eye-tracker 504眼動(dòng)記錄儀為例,結(jié)合我們所做的4卡片問(wèn)題研究說(shuō)明眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中如何進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

一、眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的操作

1.眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本構(gòu)成

眼動(dòng)儀系統(tǒng)通過(guò)加工來(lái)自紅外線瞳孔攝像機(jī)的眼睛視頻信息,來(lái)識(shí)別和確定瞳孔中心和角膜反射點(diǎn)之間的距離變化。從眼球運(yùn)動(dòng)的機(jī)制來(lái)說(shuō),眼球運(yùn)動(dòng)的范圍約為18度,超過(guò)12度時(shí)就需要頭部運(yùn)動(dòng)的幫助了[3]。兩個(gè)眼球的活動(dòng)是很協(xié)調(diào)的,它們總是向同一方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)頭部固定不動(dòng)時(shí),用兩眼追蹤一個(gè)出現(xiàn)在偏左或偏右前方的物體時(shí),兩眼的運(yùn)動(dòng)程度有差異,但這種差別是極微小的。所以,許多眼動(dòng)儀往往僅記錄1只眼球(一般是左眼)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

美國(guó)應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(ASL)生產(chǎn)的504型眼動(dòng)儀由以下部件組成:模型6000眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)、頭盔(上嵌眼睛攝像頭)、2臺(tái)視頻監(jiān)視器(1臺(tái)監(jiān)視眼睛瞳孔圖像,另1臺(tái)監(jiān)視研究圖像)和相關(guān)的連接電纜。該眼動(dòng)儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄,生態(tài)學(xué)效度較高。其中,眼睛攝像頭包括了1個(gè)瞳孔攝像機(jī)和紅外線光源的金屬箱。相關(guān)的連接電纜是指將模型6000控制單元與微型計(jì)算機(jī)、頭盔和2臺(tái)監(jiān)視器相連接的電纜。頭盔上的攝像機(jī)分別通過(guò)模型6000眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)控制單元與2臺(tái)監(jiān)視器相連,其所攝取的內(nèi)容被輸送到2臺(tái)監(jiān)視器上。微型計(jì)算機(jī)與模型6000眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)控制單元相連,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的記錄和輸出。眼動(dòng)儀與2臺(tái)計(jì)算機(jī)相連。1臺(tái)用來(lái)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)刺激材料,另1臺(tái)用來(lái)執(zhí)行命令和處理數(shù)據(jù)。

2.眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的基本操作

實(shí)驗(yàn)中有2名主試人。1名主試人負(fù)責(zé)操作眼動(dòng)儀,另1名主試人負(fù)責(zé)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)材料,宣讀指導(dǎo)語(yǔ)并記錄被試人的口語(yǔ)報(bào)告。先讓被試人坐在距離計(jì)算機(jī)顯示器80cm處的椅子上,由于此眼動(dòng)儀為頭盔式,并且僅安裝左眼攝像而不是雙眼攝像,很容易發(fā)生重心偏移,因此要用固定架將被試人頭部相對(duì)固定,然后進(jìn)行眼動(dòng)儀校準(zhǔn)。

具體校準(zhǔn)方法。主試人先調(diào)節(jié)附于頭盔上的反視鏡,使角膜反射點(diǎn)(黑色“+”字交叉點(diǎn))和瞳孔反射點(diǎn)(白色“+”字交叉點(diǎn))能清晰地顯示在瞳孔監(jiān)視器上,且這兩個(gè)反射點(diǎn)都必須在瞳孔的圓圈圖像之內(nèi)。如果兩個(gè)黑白“+”字有顫動(dòng),說(shuō)明還不穩(wěn)定,要通過(guò)ASL軟件系統(tǒng)的微調(diào)功能進(jìn)行微調(diào),直到它們穩(wěn)定地呈現(xiàn)在瞳孔監(jiān)示器上。第二步是要求被試人面對(duì)呈現(xiàn)9個(gè)圓點(diǎn)的電腦屏幕,被試人的眼睛與屏幕正中央的圓點(diǎn)5要處在同一個(gè)水平面上,能夠輕松看到含有圓點(diǎn)1、2、3的上排和7、8、9的下排。主試人在與眼動(dòng)儀相聯(lián)的計(jì)算機(jī)上直接操縱這9個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo),要求被試人對(duì)著屏幕配合主試對(duì)9個(gè)點(diǎn)逐個(gè)進(jìn)行校準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)語(yǔ)可由系統(tǒng)呈現(xiàn),也可由主試人呈現(xiàn)。先讓被試人進(jìn)行練習(xí),準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。要求被試人在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中盡可能保持頭部不動(dòng)。一般在呈現(xiàn)的這些頁(yè)面中可以插入形似“+”的掩蔽刺激,使被試一直能夠把目光集中在頁(yè)面中央。當(dāng)確認(rèn)被試人正確理解指導(dǎo)語(yǔ)后再進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。被試人按系統(tǒng)默認(rèn)的A鍵翻頁(yè),眼動(dòng)儀在被試人按鍵時(shí)開(kāi)始記錄,最后一次按鍵表明任務(wù)完成,與此同時(shí)眼動(dòng)儀停止記錄。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有幾種情況會(huì)導(dǎo)致瞳孔數(shù)據(jù)記錄的缺失,如高度近視,眼球震顫幅度大;眨眼次數(shù)過(guò)多;視野丟失或漂移,即被試人的注視點(diǎn)超出了眼動(dòng)儀的捕獲范圍。實(shí)驗(yàn)后分析數(shù)據(jù)時(shí),先檢查所有被試人的瞳孔取樣記錄,刪除一些眨眼次數(shù)過(guò)多時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和視野丟失較大的無(wú)效樣本,以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸出

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將數(shù)據(jù)保存到指定的文件夾。要注意的是,一定要使源文件名稱、時(shí)間、屬性等保持不變,如果隨意變化,會(huì)給分析系統(tǒng)自動(dòng)搜尋原圖片中眼動(dòng)軌跡帶來(lái)非常大的麻煩。有時(shí)為了分析的方便,可能會(huì)將數(shù)據(jù)存放到另外的路徑,但是這樣做的結(jié)果是,在分析時(shí)又得重新定標(biāo),比較麻煩;因此要處理數(shù)據(jù)一定要在同一臺(tái)電腦中完成,千萬(wàn)不要在幾臺(tái)電腦中處理,以免造成不必要的重復(fù)工作。

定標(biāo)第一步——圖像位置的確定。由于實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)的圖像不止一張,因此先要查看實(shí)驗(yàn)圖像在第幾張位置上,每一個(gè)被試的實(shí)驗(yàn)圖像位置可能因?yàn)椴僮鲿r(shí)的誤差而有差異。定標(biāo)時(shí),一般是要先輸入第n張,再輸入第n+1張,如第13號(hào)被試,第2張圖片在第3張位置上,應(yīng)該先輸入3,再輸入4才行。如果是最后一張圖像的定標(biāo),應(yīng)該先輸入該張圖像的位置號(hào),再輸入實(shí)驗(yàn)中第一張圖像的位置號(hào)。

定標(biāo)第二步——確定坐標(biāo)。當(dāng)圖像確定后,就需要確定坐標(biāo)值。以圖像監(jiān)視器中顯示的圖像為標(biāo)準(zhǔn),將“+”字放在事先預(yù)定的位置上點(diǎn)擊,則在軟件系統(tǒng)中彈出對(duì)話框,自動(dòng)顯示坐標(biāo)中X和Y的值。在一張圖像上需要兩個(gè)坐標(biāo)值,即兩個(gè)X、Y值。這幾個(gè)值需要記錄下來(lái),在數(shù)據(jù)輸出時(shí)還要用到。

眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中興趣區(qū)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)是如何輸出的呢?下面是主要的步驟,不同的系統(tǒng)軟件可能有一些差異。

(1)“開(kāi)始”→“所有程序”→ASL Tracker 6000→下拉菜單“Fixation plotting”;

(2)“Tools” →Input AOI→在圖片上框定興趣區(qū)→在彈出的對(duì)話框中命名,如“條件句.aoi” →OK;File→Save as aoi→輸入相同文件名保存;

(3)打開(kāi)ASL Tracker 6000,按照要求進(jìn)行相應(yīng)的處理后通過(guò)“Export to excel”進(jìn)入Excel文件,選中需要的一行數(shù)據(jù),復(fù)制后導(dǎo)入SPSS文件。

二、眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和處理

當(dāng)眼動(dòng)數(shù)據(jù)輸入SPSS軟件后要進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)計(jì)。先要確認(rèn)自己需要的眼動(dòng)指標(biāo)是哪些,再根據(jù)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。一般情況下,ASL Tracker 6000分析系統(tǒng)能夠提供的有關(guān)興趣區(qū)的數(shù)據(jù)主要有以下幾個(gè):注視時(shí)間、相對(duì)注視時(shí)間、注視次數(shù)、相對(duì)注視次數(shù)、平均注視時(shí)間、平均眼跳時(shí)距、平均眼跳距離、平均瞳孔直徑(如下表所示)。其中相對(duì)注視時(shí)間是指在興趣區(qū)中的注視時(shí)間占總體注視時(shí)間的百分?jǐn)?shù);相對(duì)注視次數(shù)是指在興趣區(qū)中的注視次數(shù)占總體注視次數(shù)的百分?jǐn)?shù);平均注視時(shí)間是指每個(gè)注視點(diǎn)平均所用的時(shí)間;眼跳距離是反映閱讀知覺(jué)廣度的一個(gè)指標(biāo),單位是度[4]。

注:時(shí)間單位為秒,相對(duì)注視時(shí)間和相對(duì)注視次數(shù)單位為百分?jǐn)?shù),眼跳距離單位為度,瞳孔直徑為mm。下同。

需要引起注意的是,眼動(dòng)分析中,某個(gè)單一的指標(biāo)很難有研究?jī)r(jià)值,應(yīng)該根據(jù)研究的需要對(duì)特定區(qū)域選擇不同的指標(biāo)進(jìn)行深入分析;另外還要根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇兩個(gè)以上眼動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行分析。

以我們的研究為例。我們?cè)鴩L試?yán)醚蹌?dòng)儀來(lái)研究4卡片推理,這一推理的經(jīng)典形式為:給被試呈現(xiàn)4張卡片,每張正反兩面都是一面標(biāo)有前件的情況(肯定或否定),另一面標(biāo)有后件的情況(肯定或否定)。被試的任務(wù)是選擇符合“如果p,那么q”這一條件命題的卡片。正確反應(yīng)是選擇卡片p和卡片q。研究將重點(diǎn)探討不同性質(zhì)材料對(duì)4卡片推理?xiàng)l件句理解時(shí)產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為2(材料性質(zhì))×2(答題正誤)×2(專業(yè))的三因素混合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后,要進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。一般容易出現(xiàn)的誤區(qū)是,僅統(tǒng)計(jì)平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差,而對(duì)其他集中量數(shù)不予理睬。但這些集中量數(shù)可以反映比較可靠的信息。如可以統(tǒng)計(jì)注視次數(shù)的眾數(shù),以避免極端值;而對(duì)于注視時(shí)間和瞳孔直徑,可統(tǒng)計(jì)最大值和最小值,以剔除極端值或者發(fā)現(xiàn)某種特殊性。

在做推斷統(tǒng)計(jì)時(shí),不僅要對(duì)興趣區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,還要對(duì)不同興趣區(qū)的同類數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。同一興趣區(qū)的數(shù)據(jù)可作為因變量,按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的自變量進(jìn)行多因素方差分析。這里要注意的是,當(dāng)因變量不止一個(gè)時(shí),需要考察變量之間的相關(guān)性,如果在理論上相關(guān)程度不密切,那么最好單獨(dú)進(jìn)行分析,否則得出的結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確說(shuō)明問(wèn)題。

先同時(shí)考察材料性質(zhì)、回答正誤類型和專業(yè)這三個(gè)因素。在SPSS統(tǒng)計(jì)軟件的Analyze菜單中打開(kāi)“General Linear Models”子菜單,從中選擇Univariate命令,打開(kāi)多因素方差分析主窗口。將“注視時(shí)間”變量移入Dependent框,作為因變量;將材料性質(zhì)、回答正誤類型和專業(yè)這三個(gè)因素移入Fixed Factors框,作為自變量。輸出結(jié)果發(fā)現(xiàn),三因素主效應(yīng)都不顯著;根據(jù)F值的大小分析各因素的貢獻(xiàn),從大到小依次為:專業(yè)、材料性質(zhì)、正誤類型。除了注視時(shí)間外,還可以將注視次數(shù)等作為因變量。當(dāng)同時(shí)考察三個(gè)因素時(shí),需要考慮三個(gè)因素之間的交互作用,這是因?yàn)椴牧闲再|(zhì)、正誤類型和專業(yè)因素會(huì)同時(shí)作用于被試的眼動(dòng)指標(biāo),如實(shí)驗(yàn)得到的注視時(shí)間不同某個(gè)因素單獨(dú)作用的結(jié)果,而是它們共同作用的結(jié)果。由此來(lái)看,不管是哪種統(tǒng)計(jì)方法,都會(huì)涉及到嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)處理數(shù)據(jù),所得到的結(jié)果才能證明或者推翻假設(shè)。

除了考察同一興趣區(qū)的眼動(dòng)指標(biāo)外,根據(jù)需要我們可以考察不同興趣區(qū)同一眼動(dòng)指標(biāo)之間的差異。在考察了自變量對(duì)因變量的作用后,有時(shí)還需要了解相同指標(biāo)在不同組之間的差異;一般情況下,當(dāng)所比較的組超過(guò)3組時(shí),可以通過(guò)“Least significant difference”(即LSD)進(jìn)行組間成對(duì)平均值的比較。這可以通過(guò)t檢驗(yàn)直接完成,也可以通過(guò)多因素方差分析方法中“Post Hoc”功能間接實(shí)現(xiàn)。

三、結(jié)束語(yǔ)

在眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,除了符合實(shí)驗(yàn)法的基本要求外,還有眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的具體要求。研究者除了準(zhǔn)備好一份完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)外,還要嚴(yán)格按操作規(guī)程,有步驟有順序地完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后,需要即時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,不能拖延時(shí)間。數(shù)據(jù)處理也要按實(shí)驗(yàn)前的設(shè)計(jì)進(jìn)行,不能隨意化。總之,如果眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)操作符合規(guī)范,數(shù)據(jù)處理也符合描述統(tǒng)計(jì)和推斷統(tǒng)計(jì)的要求,那么要得出一個(gè)合乎邏輯、說(shuō)服力強(qiáng)的結(jié)論是沒(méi)有什么問(wèn)題的。

參考文獻(xiàn)

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