眼動技術(shù)在指法教學(xué)中的應(yīng)用

汪周 趙向軍 史月

摘要：為將眼動技術(shù)應(yīng)用于指法教學(xué)，對其可行性進行論證。論述眼動技術(shù)在教育技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀，指出指法教學(xué)存在的問題。選用Smarteye5.4眼動儀，以10名計算機專業(yè)大學(xué)生為被試，記錄其指法訓(xùn)練情況。結(jié)合訪談法進行效果評價，并給出相應(yīng)教學(xué)建議。實驗結(jié)果顯示，在指法教學(xué)中使用眼動追蹤有助于提升學(xué)生的盲打能力，促進指法教學(xué)科學(xué)化。

關(guān)鍵詞：眼動技術(shù);指法教學(xué);盲打

DOI：10.11907/rjdk.182499

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）012-0219-04

0引言

隨著智能手機、平板電腦的普及，學(xué)生對電腦的依賴逐年降低。雖然國家在九年制義務(wù)教育中已經(jīng)推行信息技術(shù)課程，但由于種種原因，計算機課程往往忽視指法訓(xùn)練，只偏重軟件、編程類實踐操作，極少有學(xué)生能按照正確的指法規(guī)范進行操作，而正確熟練的指法操作是學(xué)好計算機的前提和基礎(chǔ)。因此，對計算機專業(yè)學(xué)生來說，指法訓(xùn)練尤為重要，是學(xué)好計算機的一個重要環(huán)節(jié)。一直以來，指法學(xué)習(xí)存在諸多問題，所以指法教學(xué)也很費勁。傳統(tǒng)的指法教學(xué)由教師全程監(jiān)督，費時費力，且不可能兼顧每位學(xué)生，對學(xué)生打字過程進行自動追蹤十分必要。

眼動研究可追溯到100多年前，其產(chǎn)生于心理學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)已在眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并產(chǎn)生了較高水平的研究成果，如廣告學(xué)、醫(yī)學(xué)、教育學(xué)及傳播學(xué)等。將眼動技術(shù)應(yīng)用于指法教學(xué)，采集并分析學(xué)生指法訓(xùn)練的過程性數(shù)據(jù)，能有效解決以往人工監(jiān)督指法訓(xùn)練遇到的難題，促進學(xué)生掌握正確規(guī)范的鍵盤指法操作，提高教學(xué)效率，進一步拓展教育技術(shù)的研究手段和應(yīng)用水平。

1現(xiàn)狀分析

1.1眼動技術(shù)在教育技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

眼動研究可以追溯到古希臘，到了中世紀才開始真正使用儀器進行眼動測量，而眼動跟蹤概念則在20世紀30年代產(chǎn)生。到20世紀中期，隨著光學(xué)傳感器技術(shù)、計算機信息技術(shù)的不斷進步，眼動跟蹤技術(shù)才得到快速發(fā)展。1970年我國開始對眼動技術(shù)進行研究，天津師范大學(xué)、中科院等單位開展了大量研究并取得一系列研究成果。筆者在CNKI檢索關(guān)鍵字“眼動”，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，眼動分析法在教育技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用尚處于起步階段，論文數(shù)量不多。研究內(nèi)容主要有：①多媒體學(xué)習(xí)效果研究，如Mayer團隊利用注視次數(shù)、總計注視時間、從上到下的注視時間以及從左到右的注視時間這4個眼動指標，研究在學(xué)習(xí)者的認知過程中使用高亮顯示和圖形組織的作用;Ozcelik等研究在多媒體學(xué)習(xí)中使用顏色編碼完成評估，結(jié)果顯示，顏色編碼能夠幫助學(xué)生快速發(fā)現(xiàn)圖文中的關(guān)鍵信息;安璐等以大學(xué)生為被試對象，用眼動技術(shù)研究PPT的背景顏色對學(xué)習(xí)的影響;②網(wǎng)絡(luò)資源及課件的排版設(shè)計研究，如張立新等認為網(wǎng)絡(luò)課程是一個動態(tài)開放的生態(tài)系統(tǒng)，為了維持網(wǎng)絡(luò)課程的互動平衡必須加強學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)內(nèi)容之間的互動，而使用眼動儀等感官性反饋機制可使這一交互過程變得可視化、可控制化;③數(shù)字化閱讀及其資源的優(yōu)化設(shè)計研究，如諸多研究者在閱讀研究中提出了眼動閱讀模型，包括IA模型、SWIFT模型和E-Z reader模型等;王娟等采用眼動追蹤記錄的方法，考察不同信息載體（數(shù)字化閱讀與紙質(zhì)閱讀）對不同年級小學(xué)生文本閱讀的影響;④閱讀及句子理解等認知過程分析研究，如陳慶榮等利用眼動技術(shù)考察了句子一圖片驗證范式下旬一圖信息整合過程中，句式和語義關(guān)系類型的作用。

1.2計算機指法訓(xùn)練常見問題

常言道無規(guī)矩不成方圓，指法教學(xué)的目標是讓學(xué)生掌握正確的打字姿勢，養(yǎng)成良好的鍵盤操作習(xí)慣。而為了確保學(xué)生達到這一目標，教師除悉心指導(dǎo)外，還要重視糾錯環(huán)節(jié)，對不規(guī)范的操作及時指出糾正，否則后患無窮。

（1）學(xué)生隨意改變指法規(guī)則，出現(xiàn)“二指禪”現(xiàn)象。教師詳細講解和演示指法后，仍有學(xué)生對此認識不清，覺得不按要求照樣能輸入，打字時根據(jù)自己手指習(xí)慣擅自改變指法規(guī)則，認為只要打出正確的字即可。如鍵盤的w鍵應(yīng)該用左手的無名指擊鍵，有的學(xué)生覺得左手小拇指更順手，于是改變指法規(guī)則改用小拇指擊鍵，這種錯誤在訓(xùn)練中經(jīng)常出現(xiàn)。學(xué)生初心可能是要改良方法，實際上只會降低自己的打字速度。有的學(xué)生甚至出現(xiàn)“二指禪”現(xiàn)象，即輸人時眼睛盯著鍵盤，僅使用一兩個手指追隨著目光在鍵盤上緩慢敲打，手指不協(xié)調(diào)且特別費時費力，其打字速度也可想而知。

（2）鍵位不熟、頻繁低頭看鍵盤。學(xué)生初步掌握并記住鍵盤指法后，一般會選擇中英文文章段落進行盲打練習(xí)。在盲打過程中，有的學(xué)生由于對個別鍵位或符號鍵不太熟悉，容易出現(xiàn)頻繁看鍵盤情況，嚴重影響錄入速度。有些學(xué)生在英文錄入過程中遇到大寫字母時，會同時按下Caps Lock鍵+Shift鍵，再按Caps Lock鍵+Shift鍵后繼續(xù)打字，而正確方法是按Shift鍵+字母鍵輸人大寫字母。對于計算機專業(yè)學(xué)生，編程中輸入代碼常常會出現(xiàn)大小寫切換情況，而對切換方式不熟練將嚴重影響打字流暢度。

1.3指法教學(xué)難點

由于指法訓(xùn)練枯燥乏味，學(xué)生很容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒，這給指法教學(xué)帶來了困難：①訓(xùn)練機械化。學(xué)生要牢記枯燥的字母鍵位，每次成百上千遍地機械擊鍵，時間久了就感到無味并逐漸降低對指法的重視程度，每次都是任務(wù)式地完成輸入后就去做別的操作，與指法訓(xùn)練的初衷漸行漸遠;②不盲打速度比盲打快，學(xué)生難以制約。部分學(xué)生可能盲打時速度反而變慢，導(dǎo)致他們?yōu)樽非笏俣榷鲆曋阜ㄓ?xùn)練，教師難以管制;③學(xué)校不重視。許多學(xué)校每周只安排1～2課時，教學(xué)密度不夠，這對于需要集中時間記憶，循序漸進反復(fù)訓(xùn)練的指法教學(xué)來說尤其困難。有些學(xué)校更不可能將指法訓(xùn)練納入其中，作為計算機專業(yè)的學(xué)生也未必能掌握正確的指法操作;④費時費力，難以管理。普通班級一般有40-60人，在學(xué)生自我訓(xùn)練過程中教師要來回巡視，觀察學(xué)生是否出現(xiàn)不良的打字姿勢并及時糾錯。但教師精力有限，課時安排緊張，難以做到個別指導(dǎo)。

為解決指法教學(xué)存在的問題，本文將眼動技術(shù)與教學(xué)相結(jié)合，旨在借助眼動技術(shù)自動監(jiān)測學(xué)生指法訓(xùn)練過程，根據(jù)眼動大數(shù)據(jù)重組教學(xué)流程，不斷實踐總結(jié)，改進教學(xué)方法，以提高教學(xué)效果。

2眼動追蹤技術(shù)

2.1概念及常用指標

眼動追蹤是一種即時測量方法，通過檢測眼球運動過程中的特性，記錄眼動軌跡，從中提取分析諸如眼跳、注視次數(shù)、注視點和瞳孔大小等指標，進而從微觀層面揭示個體的內(nèi)在認知過程。

運用眼動分析的關(guān)鍵在于針對不同的研究目的選取恰當、有效的眼動指標，否則會丟失研究過程中有價值的數(shù)據(jù)信息，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析和研究討論泛泛而談。常用的眼動指標有注視、眼跳、瞳孔直徑、回視和眼動軌跡。在眼動分析過程中，采用單一指標往往難以實現(xiàn)研究價值，應(yīng)該選擇不同的指標深入分析。研究者在采用眼動分析法時，往往會根據(jù)自己的實驗?zāi)康暮吞攸c選取若干眼動指標，采用合適的數(shù)據(jù)分析方法進行科學(xué)嚴密的探究。

2.2測量方法及原理

傳統(tǒng)的眼動測量方法包括觀察記錄法、機械記錄法、膠片記錄法等。隨著攝像技術(shù)、紅外技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，一些新的眼動記錄技術(shù)相繼產(chǎn)生。當代的眼動記錄方法包括電流記錄法、探查線圈記錄法、基于瞳孔和角膜反射的視頻記錄法及紅外線普金野圖像跟蹤法等。

眼動追蹤系統(tǒng)主要分為侵入式（Inside-out）和非侵入式（Outside-in）兩種類型。其中，侵入式眼動追蹤系統(tǒng)需要安裝能鎖定眼睛的微型攝像機，用戶戴上特制的設(shè)備（眼鏡，頭盔）或使用頭部固定支架，攝像機拍攝從瞳孔和眼角膜反射的紅外線連續(xù)變化情況，連續(xù)記錄眼球視線變化數(shù)據(jù)。這類穿戴式系統(tǒng)對用戶行為影響較大，但其不易受頭部運動干擾且視線方向檢測精度較高;非侵人式眼動追蹤系統(tǒng)首先要利用一個或多個攝像機拍攝記錄人眼或臉部圖像，再利用軟件進行圖像處理與分析，得到眼部特征和視線參數(shù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息映射模型將人眼特征參數(shù)換算成視線的三維數(shù)據(jù)，從而估算出視線的方向或落點。這類系統(tǒng)對用戶的干擾較小，但是用戶頭部不能大幅度移動，可測試的視覺區(qū)域小且系統(tǒng)需時常校準。

3指法教學(xué)實驗

3.1實驗設(shè)計

3.1.1

實驗?zāi)康?/p>

檢驗眼動追蹤技術(shù)在指法教學(xué)實踐中的應(yīng)用。

3.1.2實驗對象

邀請10名江蘇師范大學(xué)計算機專業(yè)一年級學(xué)生參加實驗，所有被試者已經(jīng)掌握了計算機基本操作且視力或矯正視力正常。

3.1.3

實驗儀器

本實驗使用瑞典公司生產(chǎn)的Smarteye5.4眼動儀設(shè)備，其采樣頻率為60/120Hz，工作原理是基于瞳孔角膜反射，由圖像采集、圖像處理、特征分析、視線估計、誤差補償和標定等模塊組成，如圖1所示。為了消除周圍環(huán)境等噪聲區(qū)域?qū)σ暰€特征參數(shù)提取造成的影響，需要提取包含人臉區(qū)域的圖像。采用基于灰度積分的人臉定位方式，將灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像并利用積分投影檢測出人臉區(qū)域;然后根據(jù)瞳孔的灰度、結(jié)構(gòu)、形狀等特性獲取人眼區(qū)域圖像，采用積分投影結(jié)合灰度差的方法定位人眼區(qū)域，對該區(qū)域進行二值化以定位瞳孔的中心位置;最后在瞳孔區(qū)域計算出瞳孔中心與普爾欽斑點坐標，并作為視線估計的輸人參數(shù)實現(xiàn)對視線的跟蹤。整個過程可以估計出學(xué)生在指法訓(xùn)練過程中眼睛是否在屏幕范圍內(nèi)，從而初步判斷其是否在進行盲打。人眼檢測流程如圖2所示。

眼動儀連接到分辨率為1280x1024像素17寸液晶顯示器，并根據(jù)實驗室的實際亮度調(diào)整顯示器亮度，確保可以清晰呈現(xiàn)。被試者坐在與眼動儀約650mm左右位置，以盡量舒適的坐姿坐定，是否佩戴眼鏡不會影響測試的有效性。

3.1.4實驗材料

文本錄入材料來自打字軟件中選取的兩個文章段落，如圖3所示。

3.2實驗過程

本實驗在眼動實驗室進行。為保證實驗的信度，整個實驗過程分為練習(xí)和正式實驗兩個階段。

練習(xí)階段：開始前，教師介紹實驗室環(huán)境和使用的眼動儀和打字軟件。練習(xí)開始前對被試者進行眼動校準，校準后被試者身體要保持目前姿勢。整個過程學(xué)生要采用盲打完成文字錄入，錄人過程中盡量減小頭部的晃動幅度。通過打字軟件提供一篇文章段落給被試者練習(xí)。在教師指導(dǎo)和講解下觀看錄入過程回放，理解眼動數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式，掌握基本的數(shù)據(jù)解讀方法，然后正式實驗。

正式實驗階段：①被試者按照練習(xí)階段的注意點進行調(diào)整;②教師呈現(xiàn)兩段錄入材料;③被試者清楚要求后開始測試;④中途休息5分鐘。任務(wù)完成后通過眼動儀回放功能再現(xiàn)錄人過程，請受試者觀看回放及眼動數(shù)據(jù)信息;⑤教師與受試者共同分析數(shù)據(jù);⑥對受試者進行個別訪談，訪談內(nèi)容為了解眼動追蹤法在指法教學(xué)中的應(yīng)用效果。

3.3實驗結(jié)果

實驗結(jié)果顯示，眼動儀對指法教學(xué)有顯著的促進作用，體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）有助于學(xué)生更加了解指法操作過程，增強自我反思意識。在訪談過程中，有70%的學(xué)生表示通過觀看回放數(shù)據(jù)，可以更直觀、深人地了解自己的指法操作，清楚在某一時刻的視線關(guān)注點，進而更清楚地認識到某一時刻的認知加工對象。

（2）有助于學(xué)生更好地關(guān)注指法訓(xùn)練中遇到的問題，提高對指法操作的監(jiān)控意識。如當眼動數(shù)據(jù)中出現(xiàn)直徑較大的注視點時，通常顯示學(xué)生對該鍵位位置掌握不熟練。注視時間越長，注視點直徑越大，認知加工越深，認知負荷也越大。

（3）有助于解決教師管理監(jiān)督精力不足等問題。有40%的學(xué)生提到在指法訓(xùn)練過程中教師在學(xué)生身邊觀察巡視的頻率降低了許多。教師節(jié)省了大量時間和精力，可以更多地關(guān)注學(xué)生坐姿是否正確，借助眼動數(shù)據(jù)及時給予提醒。

（4）有助于指法教學(xué)更加科學(xué)化。以前的指法教學(xué)常使用打字軟件進行盲打測試，通過打字速度判斷學(xué)生是否過關(guān)?，F(xiàn)在結(jié)合眼動技術(shù)可以解決由于個別學(xué)生只追求速度眼睛一直盯著鍵盤而造成的測試不公問題。在訪談過程中，有30%的學(xué)生表示自己在盲打測試過程中不再投機取巧一味追求速度。

3.4實施建議

（1）采用分步式訓(xùn)練。掌握盲打?qū)τ嬎銠C專業(yè)學(xué)生編程能力和信息素養(yǎng)提高很有幫助。要達到盲打目標需要循序漸進地練習(xí)，即分步式訓(xùn)練，如把練習(xí)分為以下階段：①練習(xí)asdfg和hjkl;十個鍵;②練習(xí)e和i;③練習(xí)r和u;④練習(xí)g和h;⑤練習(xí)c和m;⑥練習(xí)y和t;⑦練習(xí)m和v;⑧練習(xí)b和n;⑨練習(xí)。和w;⑩練習(xí)p、q和z;⑩練習(xí)x;⑩練習(xí)0-9數(shù)字;⑩練習(xí)大小寫轉(zhuǎn)換鍵caps lock;⑩練習(xí)英文標點符號。利用指法檢測功能，自定義每次練習(xí)內(nèi)容，如圖4所示。每個練習(xí)達到目標后再進行下一個練習(xí)。目標設(shè)置為盲打測試一分鐘后速度快于100字/分鐘，準確率高于95%。

（2）數(shù)據(jù)反饋，自我反思。根據(jù)教學(xué)目標和指法練習(xí)情況，提前對學(xué)生進行相關(guān)講解和培訓(xùn)，或設(shè)定一個或幾個觀察重點，設(shè)計相應(yīng)的觀察記錄表，便于后期更有效地進行觀察和反思。可將眼動數(shù)據(jù)發(fā)給學(xué)生。學(xué)生通過解讀眼動數(shù)據(jù)，了解自己在指法訓(xùn)練中遇到的問題，注意力分配，以及每個步驟中指法的掌握情況。教師總結(jié)出學(xué)生常見的錯誤打字姿勢及指法，對不熟悉的鍵位組織學(xué)生多加訓(xùn)練，早日練就盲打。

4研究不足

本研究基于眼動大數(shù)據(jù)分析學(xué)習(xí)者訓(xùn)練過程，將眼動技術(shù)與計算機指法教學(xué)相結(jié)合，促進了指法教學(xué)的高效化和科學(xué)化。研究還存在以下不足：

（1）數(shù)據(jù)提取精準問題。除眼動儀本身存在精度和自由度問題外，人的眼球運動、肢體運動和外界環(huán)境因素等也會對數(shù)據(jù)提取帶來一定的干擾。例如眨眼和睫毛的抖動可能造成眼睛瞳孔輪廓不完整，無法計算瞳孔的中心位置;實驗室的燈光、采集圖像的噪聲等，使得眼動特征提取缺乏準確性;學(xué)習(xí)者的頭部和肢體運動導(dǎo)致場景不停改變影響視線計算等。

（2）學(xué)習(xí)者個體差異性。學(xué)習(xí)者的認知水平、認知策略、心理差異等都對研究產(chǎn)生一定的影響，這是實驗過程中無法避免的。所以對學(xué)習(xí)者訓(xùn)練過程進行科學(xué)的數(shù)據(jù)采集分析后，應(yīng)當再進行個別訪談，了解其心理變化，將科學(xué)方法與主觀感受相結(jié)合，提高研究結(jié)果的可信度。

（3）資金投入大。在指法教學(xué)中使用眼動儀有特殊要求。首先需要學(xué)校配備眼動儀，資金投入大;其次每次使用需要提供專門的使用空間（實驗室）并在教師指導(dǎo)下進行，以確保數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。因此，要了解眼動追蹤原理，采用攝像頭、紅外光線和眼動追蹤系統(tǒng)等簡單的軟硬件設(shè)施完成任務(wù)，可降低成本，提高在教學(xué)中應(yīng)用眼動技術(shù)的可行性。

5結(jié)語

盲打是一切輸入法的基石，掌握正確坐姿和指法規(guī)則是練就盲打、踏入計算機領(lǐng)域的第一步。在指法教學(xué)過程中，教師難以監(jiān)控每一位學(xué)習(xí)者的訓(xùn)練過程，眼動技術(shù)能追蹤學(xué)習(xí)者的視線，獲取大量、實時、微觀的眼動數(shù)據(jù)，可加深對學(xué)習(xí)行為規(guī)律的認知，精確量化學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程和注意力分配情況。通過反饋信息及時調(diào)整教學(xué)進度和教學(xué)方法，提高教學(xué)效果，對開展個性化教學(xué)、推動“數(shù)據(jù)驅(qū)動教學(xué)”深入發(fā)展具有重要意義。

但由于關(guān)注度不足、經(jīng)費投入高等因素，目前眼動追蹤技術(shù)在教育技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍有待擴展。隨著眼動儀和學(xué)科的發(fā)展，眼動分析將不斷拓展范疇，為改善教學(xué)程序、提高教學(xué)效果提供數(shù)據(jù)支持。