2017-11-08

眼球追蹤技術於教育上的應用

眼睛是人類最重要的知覺器官,人類從周圍環境獲取的訊息,80%來自於視覺。在學習上,透過視覺而接收到的訊息也佔有重要的影響,視覺的行為指標反應了人的認知處理歷程,因此有助於了解學習者的學習情形。傳統上,想要了解學生的學習狀態,都是透過事後的訪談、問卷及放聲思考法,但放聲思考法會干擾學生學習;而事後訪談則有受訪者回憶偏誤的問題。因此,若有儀器能提供客觀資料(例如:人的視覺行為),對於了解學習者的學習歷程可提供很大的助益。眼動儀,一種能追蹤人的眼球運動的科技儀器,在觀測人的視覺行為上,具有符合自然情境、即時、客觀等特性,能提供學習者的學習狀態資料,是應用於教育領域的好工具。以下本文將介紹眼球追蹤技術的原理及眼動儀在教育領域的應用。

為什麼我們在看物體時,眼球會不斷的移動呢? 為了瞭解眼球運動的本質,首先得先了解眼睛的內部構造。人眼球內部水晶體正後方的視網膜上一點,我們稱之為「中央小窩」(fovea),是視網膜上視覺敏銳度最高的區域,我們在看物體時總是不斷地轉動眼睛,目的就是要將外界的物體影像投射至中央小窩。集中注意力注視它。因此,追蹤一個人的眼球運動軌跡,就可以了解一個人注意力的移動軌跡。

眼動儀是一種能夠追蹤、測量眼球位置及眼球運動軌跡的一種設備,在視覺系統、心理學、網頁設計的研究中皆有廣泛的應用。眼動追蹤是通過測量眼睛的注視點的位置或者眼球相對頭部的運動而實現對眼球運動的追蹤。目前最常被使用的眼球追蹤方法,是透過同時紀錄及分析特定方向的遠紅外線在角膜上的反應點以及瞳孔中央位置的差異,來計算出眼球的位置及頭部的移動位置。這種技術經由簡單的校正便能獲得精準的頭部及眼球位置,所以受測者可以保持頭部的自由活動,而仍能有效地記錄眼球軌跡,可以說是目前最廣泛被使用的方法。

在設備構造上,根據外形結構的差異,眼動儀可分為三類:桌面式、頭戴式、遙測式。(如圖1、圖2、圖3)

圖1. 桌面式眼動儀
(圖片來源:https://kknews.cc/tech/6nxbmjp.html)

 桌面式眼動儀的特色是,受設者的下巴置於眼動儀裝置上,頭部保持靜止,透過置於眼球上方的攝影鏡頭捕捉眼球運動情況。這種眼動儀測試精準度較高,但受測者姿勢較為僵硬不自然,不能很好地模擬現實狀態。

圖2. 頭戴式眼動儀
(圖片來源:https://kknews.cc/tech/6nxbmjp.html)

頭戴式眼動儀能夠佩戴在受測者的頭部進行測試,能夠將實景與眼動數據相結合,受測者能夠在多種場景甚至是運動中攜帶眼動儀進行測試。這種眼動儀能夠應用於更廣泛的、真實的測試環境。

圖3. 遙測式眼動儀
(圖片來源:https://kknews.cc/tech/6nxbmjp.html)

遙測式眼動儀的特點是,眼動儀的數據採集設備一般放置於受測者所觀看的螢幕下方。受測者頭部無需佩戴任何儀器,並且可以允許測試過程中頭部的移動。這種眼動儀不會對受測者造成任何接觸或干擾,使得受測者能夠更加放鬆自然地進行測試。

在學習領域,由於一般人的學習過程,主要是依賴經由眼睛而進入大腦的訊息,因而眼睛的移動軌跡可成為研究者了解學生學習歷程及困難的一個重要的途徑。對於學習,眼動儀能有助於了解學習者在學習當下的知識處理情形,可用來彌補傳統以問卷來了解學習情形,受訪者會有內省偏誤的問題。在教育領域,眼球追蹤技術有許多應用,例如:教學材料的設計、了解學習者的問題解決歷程、閱讀模式等……議題。

在教學材料的設計方面,時下盛行的數位教育,主要是透過電腦螢幕介面來呈現材料,因此,關於視覺版面如何安排、設計,而能提高學生的注意力及吸收效率,便是教學材料設計者關注的重點。眼動儀可以測試出學生的視線在螢幕介面上移動的軌跡和關注的重點區域,如此可以幫助設計者對版面設計進行改進。設計者基於以上眼動儀記錄的訊息對版面的安排進行了調整,將重要資訊放在學生關注點集中的位置。(如圖4)

圖4. 眼動軌跡 (圖片來源: https://kknews.cc/zh-tw/tech/2a4mpez.htmll)

眼動儀也可得到熱區圖。其主要用來反映學生瀏覽和注視的情況(如圖5)。紅色代表瀏覽和注視最集中的區域,黃色和綠色代表目光注視較少的區域,此圖可幫助研究者了解版面圖形設計的哪些特點是最受關注或容易被人忽視的。

圖5. 熱區圖
(圖片來源: http://ucdchina.com/post/3181l)

此外,關於學習材料的內容,提供文字或圖形,何者比較能吸引學習者的注意力?又圖形、文字比例該如何分配才是最適當? 數位教材的網頁其用色、字型如何設計,最符合學生的視覺訊息接收方式,這都可以透過眼動儀對學習者凝視時間及注意力分布的追蹤來獲得了解,因此能對教材設計方面提供客觀而符合人類接收訊息模式的資訊,有助於提升教學果效。

而以學習領域當中的問題解決議題來說,當考卷上呈現一待解的問題時,為何有的學生可輕易解決問題,有的學生卻遲遲無法找出解決問題的關鍵點,這是教學者一直想了解的問題。由於問題解決牽涉很複雜的內在思考歷程,有些過程不是當事人可以清楚意識到而報告出的,因此傳統的口頭訪談或問卷對於問題解決還無法很有效的了解。但現在,透過眼動儀,可觀察在試卷問題的解法線索上,學生凝視的時間是不是比較久,這有助於研究者了解學生是否有效地應用了關鍵線索來解題。

眼動儀也可應用在研究學習者的閱讀能力。在學習的議題中,閱讀能力是很重要的議題,因為不但語文科目需要閱讀能力,其他科目例如:數學、自然科等等…..,也都需要好的閱讀技能來了解題意、抓住重點。傳統上,都是以紙筆測驗來了解學生的閱讀能力,如今,透過眼動儀,更能測量出每個個體的眼動指標和找出閱讀的缺失,如此就能針對每個學習的個體,提供個別化的教學策略。

由於眼動儀具有不干擾受測者、不受限於實驗室量測、可即時記錄等優點,因此除了教育領域外,在其他領域也有許多的應用。例如:市場研究與消費者調查,運用眼動儀可更了解何種產品、包裝設計更能抓住消費者的眼球;在使用者體驗方面,眼動追蹤可提供能夠揭示可用性問題的使用者行為數據,對軟體、遊戲的可用性研究都有幫助。在科技不斷創新的今日社會,已有許多廠商腦筋動得快,打算應用眼球追蹤技術至人與機器的互動領域,可期待在不久的將來,使用眼控技術來取代滑鼠、鍵盤操控電腦、手機將帶來人機互動模式的創新。

作者:周恩存  /  臺大師培中心 教育心理研究助理

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