基于学生眼动数据的线上教学课件学习效果分析及优化

       胡瑾秋^*，肖尚蕊  

(中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院，北京 102249）

[摘  要 ]：随着线上教学资源的日渐丰富和疫情等特殊学习环境要求，直播、录播课教学发展迅猛，有别于传统线下教学师生面对面授课，线上教学环境嘈杂，学生注意力易被分散。因此，为提高高校学生线上学习效率，通过合理科学的线上教学课件“图、文、公式、标题”排版，优化教师线上教学课件。本文利用桌面眼动仪和录制的教学视频模拟学生线上学习环境，追踪实验者观看教学课件时的眼动，分析眼动行为，获取眼动数据，并对实验者在线上教学后的一小时和一周的两个时间节点进行学习内容测试，从学习理解深度、学习记忆深度以及学习应用能力三个方面评价学生针对不同设计课件下的学习效率，利用评价结果与课件设计要素的配对t检验获取线上教学课件最优的设计方案。

[关键词]：线上教学；视线追踪；眼动数据；学习效果；PPT课件

[作者简介]：胡瑾秋（1983-），女（汉族），江苏南京人，博士，中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院，教授（通讯作者），博士生导师，主要研究方向为油气生产复杂系统安全预警技术，油气装备监测预警大数据科学与工程。

[基金项目]：2021年度北京市高等教育学会教改课题“基于视线追踪技术的油气安全工程线上课程学习效果研究”（YB202144）。

[中图分类号]：G642.421   [文献标识码]：A    

 

0 引言

由于新冠疫情的到来以及线上学习办公软件的蓬勃发展，线上学习活动已经逐渐成为人们日常生活的选择，各大高校也在疫情的特殊时期选择“线上直播教学+数字化学习资源”结合的方式进行授课^[1]。

线上教学以其快捷、便利等优势成为学习者的首选，线上教学以直播、录播课程视频和PPT教学课件两种形式呈现。然而有别于传统的高校线下课堂授课，线上教学学习环境复杂，师生课堂交流反馈受限，学生注意力易被分散，学习效率难以得到保障。因此，高校教师在线上教学时，需要借由合理科学的语音语速、长记忆点的教学课件，以吸引学生注意力，提高学生的学习效率与知识记忆时间^[2-4]。

基于眼动仪的视线追踪技术可以识别观看者的眼动行为和轨迹，文献^[5]利用眼动仪和视线追踪技术判定工艺操作中的人员失误行为。文献^[6]使用眼动仪开展三维模拟灭火救援训练平台的应急培训效果研究，通过采集操作者的眼动数据并提取特征，得到典型失误模式的失误特征。文献^[7]研究眼动模型（EMMEs）引导学习者注视和凝视以提高学习效率。发现EMMEs在特定条件下部署可以提高学习者的学习效率。文献^[8]指出眼动仪可以通过眼动数据有效反应视频学习的学习效果。文献^[9]利用眼动仪记录实验者在虚拟实验教学时的注视热点，以此改进虚拟仿真实验方案。

本文从微观的角度寻找教学课件中不同的设计因素对于高校学生学习效率产生的影响，通过基于眼动数据的线上教学模拟实验，从学习理解深度、学习记忆深度以及学习应用能力三个方面评价高校学生学习效率，找出最优的线上教学PPT课件设计方案。

1 基于眼动仪的线上教学课程设计要点

本文设计了基于桌面眼动仪的线上教学课程实验，利用实验者观看线上教学录播课时被追踪到的眼动行为与眼动数据，系统性辨识影响高校学生线上学习效率的教学课件设计因素。实验所使用到的眼动数据包括实验者的注视兴趣区、注视时长、注视热点以及注视顺序，分析实验者在线上授课中对教学课件的主要关注区域以及影响学生学习效率的教学因素。根据线上授课的实际教学情况以典型教师PPT课件，划分了如图1所示的教学课件影响学校效率的设计要点关联图谱。从线上教学课件设计出发，探究合理、科学的教学课件“图、文、公式、标题”布局方式。同时研究教师在线上教学过程中最佳的语音语速和最佳的教师窗口摆放位置。

图1 线上教学课件设计要点

2 眼动实验方案

本文在正式实验前实施了预实验，最终选定的实验方式为“图片+音频+视频+问卷”相结合，将线上教学实况（腾讯会议直播课）截图，留存每一次屏幕变化的图片，同时录下线上教学的音频。实验者在桌面眼动仪的监测下，配合教学音频观看截图和视频，由操作者者根据教学音频切换截图，模拟真实线上教学场景。教学课件中的动图部分由短视频呈现，单独监测，以达到对教学课件切换过程中实验者眼动行为的逐帧分析。眼动监测随模拟教学结束后，对实验者进行教学内容的问卷检测和教学反馈记录，同时对检测结果进行评分，记录实验者的学习体验。在没有额外复习和学习的条件下，于一周的记忆周期结束点对实验者进行第二次教学内容问卷检测，着重观察实验者的记忆深刻点和学习掌握点。

实验选择中国石油大学（北京）安全工程专业胡瑾秋教授所授课程《燃烧与爆炸学》作为线上教学实验素材。选取“可燃液体燃烧”章节，邀请中国石油大学（北京）安全工程专业未学习过该课程的本科三年级学生和已经学习过该课程一年的本科四年级学生共计10名作为本次实验的实验者。

实验设计线上授课进程如图2所示，课程以《燃烧与爆炸学》第五章节教学内容为主要脉络，加入不同语速、不同课件设计切换等部分。其中语速变化选择正常语速为240字节/分钟，缓慢语速150-180字节/分钟，较快语速320-350字节/分钟。^[10]

 

 

 

图2 线上教学模拟实验课程时间轴

线上授课的可视化部分包含教学课件的设计、教师的形体以及板书占比的设计。根据补色对比强烈的原则，实验选取日常教学会出现的颜色对比加入实验课件设计，分为强烈颜色对比和相近颜色对比。以色环图为色彩对比依据，图3为实验课件素材呈现效果。

 

 

 

 

 

 

图3 线上教学PPT字体色彩对比示例

对于教师窗口，实验根据传统课堂授课的经验判断，距离教师距离较近的学生注意力会更加集中，而距离教师较远的学生的注意力会稍有偏离。虽然线上教学学生看到教师的画面是相同的，但是依然有大小之分，实验需要寻找教师窗口大小对学生听讲的影响。

实验将教师窗口大小分为四种情况：适中（腾讯会议默认窗口大小）；放大；不存在教师窗口和教师窗口异动，实验呈现效果如图4所示。

图4 教师窗口大小示例

3 线上学习效率分析

3.1 热点图分析

根据桌面眼动仪获取的实验者眼动数据开展注视热点分析，图5为实验者对图文等不同部位的关注热点图对比，包含全部实验者的综合热点图。

图5 眼动热点图

根据图5，实验分析发现实验者的关注点并不是在所有教学时刻无差别的关注某一种设计要素，而是在不同情况下采取不同的关注热点。将热点信号图标识的暖色部分划定为关注重点，冷色部分为次关注点，没有信号图标记视为无关注重点。

场景图5（a）为普通黑体标题文字、加粗红色文字、剪贴画图片和教师头像共同存在的场景中，10位实验者的第一关注重点为普通黑体标题文字，第二关注重点为爆炸剪贴画，第三关注重点为教师头像。而除此之外的其他部分几乎没有被关注。而场景图5（b）则是在大图片背景下的深浅色文字以及教师头像，该场景下实验者的第一关注重点为大图片背景中的图片亮点部分（暗色背景下的明亮火焰），第二关注重点为大文字标题部分，存在空白部分有关注点。

图6 不同设计要素重点出现比例统计图

 

表1 不同设计要素关注重点统计表

名称		第一关注重点	第二关注重点	次关注点	出现总次数
文字	普通文字	17	2	8	28
	加粗文字	4	1	2	7
	特殊颜色文字	3	1	4	11
图片	简单示意图	3	0	0	4
	普通图片	2	0	5	10
公式		6	3	4	13
表格		4	0	0	8

对全部素材场景的不同部分进行关注点统计，如图6和表1所示，统计不同设计要素成为关注重点的次数以及对应设计要素在实验过程中的出现总次数。针对文字设计要素，实验结果表明实验者针对普通文字的第一关注重点和第二关注重点占比为67.85%，总关注占比达到96.43%；加粗文字的第一关注重点和第二关注点占比为71.43%，总关注占比100%；特殊颜色文字的第一关注重点和第二关注点占比为36.36%，总关注占比72.73%。被关注程度顺序为加粗文字>普通文字>特殊颜色文字。

而简单示意图设计要素的第一关注重点和第二关注点占比为75.00%，总关注占比为75.00%；普通图片的第一关注重点和第二关注点占比为20.00%，总关注占比70.00%。实验说明，比起复杂的纯图片，使用简单易懂的示意图更能引起学生的关注。

公式的第一关注重点和第二关注点占比为75.00%，总关注占比100%；表格的第一关注重点和第二关注点占比和总关注占比均为50.00%。

虽然部分素材的第一关注重点和第二关注点占比和总关注占比不高，例如：公式和表格，但是这些部分的第一关注重点占比很高，换而言之该种因素一旦被关注就会成为第一关注重点。

3.2 兴趣区分析

根据实验素材设计，在实验开始前选择实验者可能会感兴趣的区域，划定兴趣区域，分析兴趣区内的眼动数据，实验结果如图7所示。

图7 兴趣区结果示例

实验规定指标注视时间密度的计算公式为：

（1）

其中为兴趣区内平均注视时间，为兴趣区比例面积。

实验根据所需要求划分兴趣区，兴趣区的划分标准为实验点存在的地方，有字体颜色对比、字体大小对比、图片文字排版等区域是需要重点观察的地方，因而划定为兴趣区，为获得实验者对实验点的眼动反馈，选择兴实验者趣区内的平均注视时间和注视点。实验用截图的大小一致，因而使用平均注视时间除去兴趣区面积作为该兴趣区的注视时间指标。注视时间指标用以观察实验点对实验者的吸引程度，作为教学课件计的参考指标。

（1）文字字号分析

实验分析发现，不同字号的注视时间密度之间呈现越极端越高的趋势，如图8。

 

图8 不同字号兴趣区注视时间密度

 

在学习理解的过程中，注视时间是学习效率的反映因素之一，但并不意味着注视时间越长，学习效率越高。注视时间长从另一方面也反映出该素材观察费时，影响效率。字体过小，需要观察的时间更长；字体过大，吸引实验者注意力，影响其他部分的观察学习。由实验结果可得，6号字体注视时间密度很大达到1122.82ms/cm²，在很小的兴趣区内注视时间长达4132ms。结合实验问卷结果的调查结果“看不太清”、“懒得去看”可知6号字体是不合适用于教学课件的，其注视密度过大。54号字属于标题用字，在实验中除标题外有额外设置在文本中，注视密度高达109.57ms/cm²，也属于注视过于密集，学习效率低下。规定合适的注视密度为实验者中最优成绩获得者，实际学习成绩最好的实验者的注视密度，选取实验者CQ，计算她的平均注视时间密度为30.70ms/cm²，划定注视时间密度25.00-35.00 ms/cm²为最佳注视时间密度，根据图8，24号字和40号字的关注度都符合最佳注视密度。

（2）颜色对比分析

实验给出假设H₁：假设强烈色彩对比的部分对学习效率起到正面影响；H₂：假设相似色彩对比的部分对学习效率起到非正面影响。

表2 色彩对比部分问卷测验分数(部分)

实验者编号	强烈色彩			相似色彩			正常色彩
	认知理解	记忆深度	总成绩	认知理解	记忆深度	总成绩	认知理解	记忆深度	总成绩
1	4.5	4	4.25	2	4	3	4	3	3.5
2	4	4	4	2	3.5	2.75	2	3.5	2.75
3	3	3.5	3.25	2	3.5	2.75	3	2	2.5
4	3	3	3	1	4	2.5	2	2	2
5	3	4	3.5	1.5	3	2.25	3	1	2

注：问卷调查总分5分，总成绩为认知理解成绩和记忆深度成绩的平均值。

在实验最终的问卷测验中，针对色彩对比模块的素材进行提问，包含记忆深度、认知理解两个部分，问卷测验结果如表2所示。

表3 变量表

 

将强烈色彩对比的问卷分数和相似颜色对比的问卷分数和正常颜色对比的问卷分数进行配对样本t检验，将色彩对比这个设计因素作为自变量，问卷测验分数和注视时间密度作为因变量，如表3所示。观察两种色彩对比是否引起显著的成绩差异。

表4 强烈颜色和正常颜色配对样本检验

		配对差值					t	自由度	显著性
		平均值	标准差	标准误差平均值	差值95%置信区间
					下限	上限
配对1	QL-ZC	0.95000	.056273	0.17795	0.54745	1.35255	5.339	9	0.088

根据表4结果表明强烈色彩对比并没有带来很大的学习成果差异（t=5.339，p=0.088>0.05），假设H₁不成立。

 

表5 相似颜色和正常颜色配对样本检验

		配对差值					t	自由度	显著性
		平均值	标准差	标准误差平均值	差值95%置信区间
					下限	上限
配对1	XS-ZC	0.15000	0.47434	0.15000	-0.18932	0.48932	1.000	9	0.126

 

根据表5结果表明相似色彩对比并没有带来很大的学习成果差异（t=1.000，p=0.126>0.05），假设H₂不成立。

检验结果表明强烈颜色对比和相似颜色对比都不能为学习效率和学习成绩带来显著差异，然而色彩对比并不是一无是处的，对比记忆深度分数，无论是强烈色彩对比还是相似色彩对比，在记忆上优于普通色彩，换而言之，色彩上出现差异更多带来记忆点而非认知点。除此之外，针对问卷调查中出现的语速变化部分的提问，接收到大部分人员的反馈为在50字/分~250字/分的范围内未察觉语速出现明显变化，对学习效率的影响较小。

4 结论

本文利用桌面眼动仪与录制教学视频、课件截图与教学音频模拟高校学生线上教学场景，通过注视热点图、兴趣区、注视时长等眼动数据，将线上教学过程中的视觉信息量化，同时进行学习测试调查，从线上授课的学习理解深度、学习记忆深度以及学习应用能力三个方面对实验者的学习效率进行评价，得到线上教学课件设计元素影响高校学生学习效率的有关结论：（1）加粗文字的被关注程度优于普通文字，优于特殊颜色文字；（2）课件公式和表格的被关注度虽然低于文字，但是其成为第一关注重点比例高，一旦被关注很有可能成为第一关注重点；（3）24号字文字和40号文字的使用符合高校学生最佳学习效率的要求；（4）强烈颜色对比和相似颜色对比都不能为学习效率和学习成绩带来显著差异，虽然存在记忆更深现象，但留存记忆的往往是整个不合理颜色搭配的色块，对于色块内包含的知识点无法被记忆，关注重点脱离教学意义；（5）教师的语音语速在150字/分~350字/分的范围内对学生的学习效率几乎不产生格外影响。

因此针对上述结论，得到优化线上教学课件设计的发展建议：（1）为加深重难知识点记忆强度，可以选择采用文字加粗的方式呈现，以获取学生的关注重点；（2）为获得高校学生最佳学习效率，建议教学课件文字设计部分将正文采用24号文字，标题采用40号文字；（3）相较于大段文字叙述和复杂图形展示，简单易懂的示意图、表格与精炼的公式更易成为学生关注重点和记忆点，更适用于线上教学课件设计。

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[10]李健.不同熟悉度材料下韵律特征和语速对听觉内隐学习的影响[D].曲阜师范大学,2020(02):48.

A study on the learning effect of online teaching courseware design based on students' eye movement data

HU Jinqiu，XIAO Shangrui

（College of Safety and Ocean Engineering, China University of Petroleum, Beijing, 102249, China）

Abstract：With the increasing abundance of online teaching resources and the requirements of special learning environments such as epidemics, live and recorded class teaching is developing rapidly. Unlike traditional offline teaching where students and teachers teach face-to-face, the online teaching environment is noisy and students' attention is easily distracted. Therefore, in order to improve the efficiency of online learning for university students, we need to optimize teachers' online teaching courseware through a reasonable and scientific layout of "diagram, text, formula and title". In this paper, we use a desktop eye-tracking device and recorded teaching videos to simulate students' online learning environment, track their eye movements while watching the teaching materials, analyse their eye movement behavior and obtain eye movement data. A paired t-test of the evaluation results and the design elements of the courseware was used to obtain the optimal design of the online courseware.

Key words：Online Teaching; Eye-tracking; Eye-movement Data; Learning Outcomes; PPT Courseware