眼球運動的意義與研究應用

一、 眼球運動與視覺注意力

Rizzolatti 等人(1987)認為視覺注意力是跟隨跳躍眼動的計畫執行所產生 的，而視覺注意力現象即為眼球運動系統執行跳躍眼動的結果。

Hoffman 和 Subramaniam (1995)提到，視覺注意力和眼球運動系統在功能上 的關係是緊密相關的而非獨立運作的兩個系統，因此當我們要執行眼球運動時，

無法將視覺注意力和眼球運動分開討論。

Land、Mennie 以及Rusted(1999)認為在我們環境中，例如泡茶或做三明治等 日常工作，可以來解釋視覺注意力如何去引導我們操作動作，進而去定位物體、

接觸物體，然後完成生活中例行工作。之後他們觀察受測者執行「泡茶」的工作 時，是如何進行的，結果發現，當我們要打開水槽旁水龍頭，在茶壺中加入水時，

視覺注意力幾乎只會落在水龍頭的開關上，而不會落在水槽邊、水槽下的櫃子上 等其它地方，甚至不太可能落在茶壺上或水龍頭的出水口上，表示視覺注意力只 專注於被處理的物件上。

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Krauzlis（2005）指出，眼睛會將先前所看的東西整合，之後經由大腦一連 串 的 內在 認知 系統 處 理包 含 ( 注意力與 知覺 ) 等會形成一種選擇（ deciding making）或者是驅動力。靠著認知系統內在處理機制，大腦控制著眼睛進行自主 式的眼球運動，其為掃視（saccade）與追看（pursuit）兩種運動模式，來使眼球 運動可看到下一個目標物。

Land(2007)指出，當視覺注意力專注於某一物件上時，也同時監控我們對此 物件的操弄動作。因此，當我們的視覺注意力集中於某一物件時，通常可以象徵 著我們正在處理著這一個物件上的資訊。

綜合上述文獻，視覺注意力與眼球運動的方向是如影隨形，當視覺注意力被 某個顯眼事物吸引至一個重要的位置時，緊接著眼球運動就跟著注意力而來，眼 球運動和注意力有著密切相關性。認知心理學者們提出視覺注意力的運作歷程是 動態且主動的，也就是說，我們並非被動地去看環境中的刺激，而是主動地去搜 尋、去注意、去選擇我們需要的相關訊息（Hayhoe, 2000; Hayhoe & Ballard, 2005;

Land & Hayhoe, 2001; Land, Mennie, & Rusted, 1999）。就好比當我們口渴時，會 先尋找放在桌上已裝水的杯子，然後伸出手去拿起來喝。這說明視覺注意力與眼 球運動和我們日常生活所執行的各種活動息息相關。

二、眼球運動的基本測量指標

Rayner(2009)認為從眼球凝視的位置和停留時間，可以反映出大腦認知系統 對資訊的選擇與處理的時間，提到凝視時間的長短可以反應外界訊息的複雜度與 內在訊息處理深度。

Reichle 等人(1998)指出，閱讀時，大部分凝視點的凝視時間會在約200 到 350毫秒。由於中文與英文的文字結構不同，閱讀文字在中文與英文間也存在著 差異，看文字的方式亦不相同。通常閱讀文字具有方向性，「平均凝視時間」約 為200-250毫秒；瀏覽圖片則無方向性，「平均凝視時間」約為250-300毫秒 (Rayner

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1995；1998；2009) 。

國內學者汪勁安(2005)指出，凝視時間反映著個體心智處理歷程的複雜度與 深度，因此當凝視位置的改變即反映注意力的改變。而蔡介立（2000）發現中文 的文字閱讀「平均凝視時間」約為220 到230 毫秒。

Rayner (1995，1998；2009)指出，「平均凝視時間」可反應出閱讀內容對閱 讀者的難易程度，越困難的閱讀內容「平均凝視時間」就愈長，但是Rayner也認 為 較 長 的 凝 視 時 間 可 能 表 示 了 閱 讀 過 程 中 有 較 大 量 的 閱 讀 處 理 過 程 。 Rayner(1998；2009)也特別提到關於眼球追蹤技術在眼球上的指標，一般在利眼 動儀資料審視閱讀歷程時主要著重於凝視點的資料。建議眼動研究者在利用眼動 追蹤技術研究閱讀時，「平均凝視時間」(Average fixation duration)與「全凝視時 間」(Total fixation duration ) 等眼動參數都應該被探討。

此外，Reichle 等人( 1998)指出，學習者在觀看物體時，眼睛正在進行不同 的運動為了讓物體能準確的落在視野中樞並進行高解析的運作。眼球運動基本上 都是由「凝視點」(Fixation)和「掃視」(Saccade)反覆交替所組成， 如果眼動的 位置在一段時間內都聚集在某個區域上，該眼動行為就是凝視(Fixation)；掃視

（Saccade）一般認為是眼球視線由前一個凝視點移動到下一個凝視點的動態過 程，在掃視的過程中幾乎沒有任何資訊會被擷取。若將一系列凝視落點依時序列 出，即形成所謂的視線軌跡(Scan path)，分析這類視覺軌跡的資料可以讓我們進 一步了解訊息處理者的訊息處理順序與重點(Rayner& Duffy, 1986) 。

三、眼球追蹤技術與多媒體學習研究

即時追蹤紀錄並分析以上介紹之眼球運動模式與軌跡的研究方法稱為：眼球 追蹤法。此法目前被廣泛使用在神經科學、心理學、工業工程、人因工程、廣告、

電腦科學等領域（Duchowski, 2002）。國內學者唐大崙與張文瑜(2007)認為用眼 球追蹤技術來觀測注意力不同於以往的觀測指標是因為眼動具有－「歷程比結果

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更為重要的意涵」。並且透過眼球運動可以了解讀者注意力轉移的形式。近幾年 來，教育研究常以多媒體當作教學工具，然而，眼球追蹤技術應用在教育上的探 討並不普遍。Hyönä (2010)指出，由於多媒體在動態介面上容易增加複雜度，過 去只能透過人眼觀察來瞭解眼球運動的方式，不但有欠客觀且精確度低，也無法 掌握眼動。不過，隨著眼球追蹤技術更加精確、精密這問題也迎刃而解。針對多 媒體學習研究，眼球追蹤技術能蒐集受試者在觀看圖文和閱讀文字的凝視點資 料，透過這些資料的紀錄，研究者可以將眾多凝視點透過時間的串連形成凝視軌 跡，並拼湊出受試者相關閱讀歷(Rayner,1995；Findlay, & Gilchrist,1998)。

以下將說明近年來眼動儀在多媒體上的相關研究:

Slykhuis等人(2005)根據Pozzer and Roth等人在2003年所分類的四種圖片，裝 飾性圖片、說明性圖片、解釋性圖片、描述性圖片，並使用PowerPoint呈現。其 實驗分為兩組:一組圖片會有旁白說明文字內容，另一組圖片沒有旁白說明，僅 只有文字與圖片一起呈現在PowerPoint上。並使用眼動儀去記錄學生觀看圖片時 注意力之分配，此結果發現有旁白時會影響讀者觀看圖或文字的分布，進而影響 專注力而改變學生圖文凝視分布，此外結果也發現符合Pozzer and Roth所提出，

學生很少將專注力放在圖片上，其實驗最後結果受試者大都分配在文字上。

國內研究者蔡金成(2007)研究對象為 36 位國小的教師，分為科學相關學科 背景與非科學相關學科背景兩組，進行「電流概念」主題的動畫教學並使用眼動 儀紀錄受試者在動畫教學時注意力的分配，在眼動儀資料雖沒有高度顯著差異，

證明注意力分佈與概念建構的程度有密切的關係，卻不同於 Mayer(1999,2001) 的相關實驗結果。

Ozcelik 等人(2009)研究顏色編碼(color-coding)對學習是否有幫助，並使用眼 動儀去記錄學習者閱讀在多媒體上的注意力分配，研究對象為 52 位大學生並分 為兩組，使用兩個電腦屏幕上呈現化學突觸訊號藉由神經傳導物傳遞神經訊號的

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過程。第一個屏幕上是有關化學突觸的背景資料，52 位學生都需觀看，第二個 屏幕提供了兩種不同的圖片，52 位學生中一組觀看傳統的化學突觸訊號(chemical synapse).圖片但是並未有顏色編碼，另一組所提供的化學突觸訊號(chemical synapse).圖片是有顏色編碼在神經傳遞物質和重要通道，研究結果發現使用顏色 編碼在多媒體學習的成效中，對於學習者能更速找到相應的的文字和圖片，並使 學習者更能有效的注意到有意義的關鍵信息。

De Koning等人(2010)在一項研究學習者在學習心臟血管系統，並搭配動畫呈 現頁面，研究目的是探討視覺注意力是如何分配在動畫頁面上且是否有認知負荷 產生，過程中受試者的眼球反應會使用眼動儀做記錄。而在主要結構心臟動畫頁 面，其實驗分為三組，第一組並沒有標記訊號(cueing)做引導，第二組有標記訊 號(cueing)引導，第三組除了標記號(cueing)外還會再進入心臟主題時，給予其餘 線索，研究結果證明標記訊號(cueing)是可以引起學習者去注視，且也會降低認 知負荷。

經由上述的文獻回顧，我們可以知道眼動儀在多媒體上的研究大都注重多媒 體工具與我們視覺注意力的影響，然而，多數的多媒體學習研究於實驗室中進 行，對於學生如何閱讀課室中多媒體圖文並未深入去探討，是否與實驗室結果一 至？且圖文閱讀歷程又如何與先備知識交互做用？這些問題仍有待進一步的釐 清。本研究嘗試透過眼球追蹤技術，探究科學學習者視覺注意力分配與其知識程 度間（以背景知識為指標）的關連，以釐清先備知識於多媒體學習中所具有的角 色。

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