眼動行為

本研究使用眼動追蹤技術來解析學生空間能力的運作歷程，本節將 對於眼動行為之定義、類別與測量等相關文獻加以歸納整理，分述如下：

壹、 眼動行為的定義

眼動行為是我們運動系統中的重要功能，也是一種跨知覺的運動輸 出，為了達到穩定視覺及進一步截取訊息的目的，其方式有兩種，一個 是比較原始的前庭眼動反射，另一種則是在靈長類才比較發達的眼睛平 滑跟隨運動，眼動行為在大部分的情況下皆須有視覺刺激才會存在，而 我們在日常生活中常使用快速眼動來搜尋環境中的事物，進而注視引發 我們注意的目標。

當我們看到眼前的影像時，視線並不是漸進式的平行移動，而是不 斷反覆地重複停頓、跳躍這兩動作，視線停頓的時候，視覺系統處於登 錄、處理影像訊息的狀態，稱作凝視；反之視線跳躍的時候，視覺系統 則是暫時處於關閉的狀態，這樣的快速運動稱為掃視（李江山，1999）。

因為中央小窩敏銳的區域並不大，所以眼睛一次只能處理一小塊範圍的 訊息，在視線中間的細節是處理最多的，其餘的範圍之細節則是模糊的 (視覺訊息看起來類似魚眼效果的照片)，因此視覺為了接收到全部的畫面，

我們必須用眼球快速的掃視，使想看的東西落在具高解析度的中央小窩，

以便看得更清楚。

人類的眼睛負責大腦與外在世界的溝通，眼睛利用短暫靜止的時間 來接收外界的資訊，並借由不斷的移動來掌握完整的訊息。因此從眼球 凝視的位置和停留時間，可以解釋認知系統對資訊的選擇與處理的時間

（蔡介立，2007）。許多學者認為在認知的過程裡，視覺所見和思考兼具 一定程度的關聯（Just & Carpenter,1980），且眼動在視覺空間的產生具備

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重要的功能 （Laeng & Teodorescu,2002； Mast & Kosslyn, 2002），藉 由眼球追蹤，我們可以在過程中了解學生注意的訊息型態、注視的順序 及關注的時間（Holsanova, Holmberg, & Holmqvist, 2009; Louwerse, Graesser, McNamara, & Lu, 2009; Schwonke, Berthold, & Renkl, 2009），也 能進一步了解學習者在學習期間的知識處理的歷程(Mayer, 2010)。

從過去的研究，發現控制眼睛移動的因素可分為三種運作方式，第 一步是「脫離」原本的注視位置，這個機制會受到作業難易度的影響，

先前的作業難度越高，越需要大腦資源去處理者，越難「脫離」； 第二 步是「運動」，由原先的注視目標移動到新的注視目標； 第三步是「連 結」到新的目標，若事先有提示則可加速連結（Posner,1984），這時候 的眼動表現，可有以下兩種解釋（Laeng & Tedorescu, 2002）：

一、 眼動代表了思考過程中所儲存的記憶，眼動在想像的視覺化過程中 可能扮演重要的角色，眼睛的移動建立了記憶的順序，眼睛的肌肉 感覺訊息紀錄著外在訊息的空間索引資訊，幫助我們日後能正確地 回憶影像中的相關部件的位置。

二、 思考過程的眼動是在搜尋已視覺化影像的關鍵特性，對照著發生在 知覺情況時的眼動，進而仰賴著眼動來提取相關訊息。

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貳、 眼動行為的類別與測量 一、 眼動行為的類別

透過眼球運動，視神經可以捕捉影像訊息並傳達給大腦，讓我們看 到物體（Volkmann, 1986），而過去的研究將眼球運動細分為下列 5 種

（Kandel, 2000）：

(一) 跳視與掃視（saccade）：眼球快速在不同注視點之間的移動方 式，速度可達800°/s，類似在人群中尋找的狀態。

(二) 平滑追蹤運動（smooth pursuit movement）：追蹤某個正在移 動物體，追蹤速度不會超過100°/s，類似攝影機在捕捉畫面。

(三) 輻輳作用（vergence movement）：為了取得形象立體的知覺而 使眼睛聚焦在不同遠近的物體上，類似相機的伸縮鏡頭。

(四) 前庭眼球運動（vestibulo-ocular movements）：為了使頭部移 動時，維持注視某目標物的眼動反應能接受半規管傳來的刺激，

而使目標影像仍在網膜上的運動，類似相機的防震效果。

(五) 視覺刺激移動（optokinetic movements）：使影像不受頭部持 續移動之影響，能持續落在中央小窩上，類似相機的聚焦效果。

二、 眼動行為的測量

眼動追蹤技術是目前測量學生眼動行為及認知過程常用的工具之一，

也是最自然的心智測量技術，這是一種藉由測量學生眼球凝視的位置、

收集學生的相關數據之技術，收集的向度包含凝視與跳視，凝視的資料 包含「凝視時間」（fixation duration）及「凝視位置」（fixation position）

等眼動訊息；跳視的資料包括「跳視時間」（saccade duration）、「跳視幅 度」（saccadelength/saccade amplitude）、「跳視方向」（saccade direction）、

「跳視速度」（saccadevelocity）等（陳學志、賴惠德、邱發忠，2010）。

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在收集與認知或心智有關的數據時，我們不只想要知道心智運作結 果，以希望在時間改變的歷程中即監控眼球的即時認知歷程，因此常使 用眼動儀來評估學習者與教學工具的互動，並比較出學習者獲得訊息時 的表現與差異（唐大崙，2006），也常利用收集眼動的凝視數據來研究嬰 兒的內在心智歷程 (洪蘭譯，Mark H. Johnson, 2001)。

目前使用的眼動儀，皆以兩台電腦加上小型攝影機的形式呈現，可 帶在身上之行動測量的眼動儀由於設備繁重，較適合身強體壯的人配戴，

因此多數的研究只能局限於電腦螢幕上刺激物的呈現，且多以圖像、圖 文共陳和影片這三個類別為主（伊彬、林演慶，2006）。而隨著電腦處理 速度越來越快，眼動製造商已研發四代的眼動技術，並且被廣泛運用在 行銷、電腦科學、心理學、工業工程、人因工程及神經科學領域（Duchowski, 2007; Rayner, 1998），有關眼動儀的種類分述如下(陳學志等，2010）:

(一) 「眼框電位法（electro-oculography）」，藉由電極片記錄眼眶 周圍皮膚的電位反應而瞭且眼球的移動變化，廣泛地在1970年 代中期使用(Young & Sheena, 1975)，適合用來測量跳視的潛伏 期，但對於凝視位置較不準確，但這種侵入性測量方式易傷害 學生，不適合大眾使用。

(二) 「鞏膜搜尋線圈（Seleral Search Coil）」，是一種接觸式的眼 球追蹤技術，學生必須配戴特殊設計且裝有金屬線圈的隱形眼 鏡，在使用電磁場的原理來測量眼睛運動時的電位變化，雖然 此方法可以精確的測量眼動行為，但由於是侵入式的測量方法，

多使用於生理醫學研究或特殊情形。

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(三) 「眼球影像分析法（photo-and video-oculography）」，藉由高 倍數攝影機擷取紅外線光源投射至學生眼球表面的影像，再經 電腦分析眼球的瞳孔形狀及虹膜邊界位置而判斷眼球的移動與 位置，由於頭部的移動會對數據有很大的影響，因此通常需要 將眼動儀戴在學生頭上或是利用頭架固定學生的頭部。

(四) 「瞳孔與角膜的影像合併分析法（analog video-based combined pupil/corneal reflection）」，則使用類比式瞳孔中心角膜反光 點法，將紅外線 LED 光源置於攝影機的鏡頭中心，利用 LED 光源在眼球角膜外圍反射出來的反光點，與從視網膜反射亮點 之相對位置的差異來監測視線，進而計算出眼球與頭部的移動 位置，又稱遠紅外線影像追蹤法，由於此方法學生的頭部可以 自由活動，為目前最廣泛被使用的眼動技術。

最新的眼動儀結合數位影音的技術，校正方法不同於 5 至 9 點校正，

而是發展到由使用者需求決定任何點數皆可校正，攝影鏡頭更改用自動 對焦具備處理速度更快、比較便宜、準確率提升而且使用者更容易操作 等優勢，更讓與眼球移動行為追蹤相關的研究量在近年來大幅增加

（Duchowski, 2007），而根據眼動儀的放置位置，可分為桌立式、頭戴式 的眼動儀，根據取樣頻率則可以有 120Hz~2000Hz 供選擇，而國內常見 的機種有 Eyelink、iView X HED 及 Tobii 等機型。

參、 與本研究相關的眼動研究

眼動儀在時間和空間向度上提供了不同的研究角度及數據來幫助問 題解決，並藉以知道解題者的思考歷程及片段思考，並且經由眼動行為 的紀錄，比過去更能釐清不同論點間的實證效力(Knoblich, Ohlsson, &

Raney, 2001)，以下將針對多數研究者使用眼動儀測量向度之相關研究詳 述之：

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一、 凝視時間與凝視次數

最早使用眼球追蹤在圖像知覺領域的先驅 Yarbus 指出人們會依不同 的主題和問題，產生不同的眼球運動模式和凝視的時間（Yarbus, 1967），

眼睛只有在凝視目標物的那段停留時間才會擷取必較的知覺訊息(Fulton, Dodge, Hansen, Schremser & Williams,1991)，凝視圖片可記錄圖片訊息，

而凝視時間愈長的學生，對於事後的圖片確認也有較好的回答表現，因 此凝視時間影響了訊息接收量的多寡（Loftus, 1981）。學生對於圖片的 平均凝視時間差異，可以得知學生對於該圖片的理解程度，難懂或是易 懂，亦可得知其是否對於該張圖片感興趣。

(一) 高能力者凝視時間與次數較低能力者多

具備較佳空間能力學生，習慣在題目先以心智旋轉模擬結果之形體，

然後在根據題意選出對應腦海中的心像圖形，因此高空間能力學生往往 在題目會有比較長的凝視時間(陳奕廷，2011) ；在樂譜的教學上則發現 高視譜能力者在初始階段中有較多的凝視點，而低視譜能力者則在晚期 階段使用較多的回視擷取樂譜訊息(戴聖耀，2010) 。

(二) 低能力者的凝視時間與次數較高能力者多

在不同能力學生凝視時間與凝視次數的部分，Rayner(1998）的研究 中指出與普通人相比下，閱讀能力較差與閱讀困難者除了有較長的凝視 時間、較短的掃視之外，也較正常人具有較多的凝視次數、較多的回視

（Rayner, 1998）；以 2D 及 3D 動畫的眼動相關研究時，可發現空間能 力高的學生在平均凝視時間顯著較空間能力低的學生短，而全域掃視時 間較空間能力低的學生長。雖然過往的研究較少針對高空間能力的學生 會有較少凝視時間的議題進行原由的探究，推測雖然凝視教材的時間越

（Rayner, 1998）；以 2D 及 3D 動畫的眼動相關研究時，可發現空間能 力高的學生在平均凝視時間顯著較空間能力低的學生短，而全域掃視時 間較空間能力低的學生長。雖然過往的研究較少針對高空間能力的學生 會有較少凝視時間的議題進行原由的探究，推測雖然凝視教材的時間越