基于眼动分析技术应用的多媒体色彩设计对学生学习的影响研究

摘要：借助眼动追踪技术探讨色彩对多媒体学习的影响，以学习效果（记忆成绩、迁移成绩），认知负荷（感知任务难度、心理努力）、内部学习动机以及眼动数据为评估指标。结果发现经过积极色彩设计的多媒体学习材料能有效唤醒学习者的积极情绪，促进了学习者的思维加工，加深了学生对知识内容的理解程度，但在认知负荷的降低与学习动机的提高上，色彩的设计并没有起到显著作用。

关键词：色彩设计；多媒体学习；眼动追踪技术

1问题的提出

多媒体学习是指学习者在电子学习和基于计算机的学习环境中参与文本、叙事、动画和图形信息的处理的认知过程^[1]。随着科学技术的不断发展，多媒体学习已成为正式和非正式场合中的主流学习手段，多媒体技术的投入更是大大丰富了教学和学习资源的形式。尤其在教育领域，将文本、声音、动画、视频等元素集于一体的多媒体学习材料，为实际教学创造了更加生动的视觉画面及真实的学习环境。

正因为多媒体技术给学习材料的设计带来很大的操作空间，导致教师对多媒体材料产生了许多误解。其中，在色彩的选择和搭配上，由于教师缺乏色彩美学和色彩心理学的相关知识，使得多媒体材料的内容虽然出色，但由于视觉设计不科学，明视度（即人眼能够看清视标所需的距离）和判读性差，在使用中容易造成学生心情压抑、注意力不集中、易形成视觉疲劳等问题，直接影响了教学效果。因此，为了实现教学效果的最优化，制作出界面布局合理、色彩搭配和谐的高水平多媒体学习材料，无疑是多媒体教学中值得关注的方面。

色彩是指除了黑白两种颜色之外的各种颜色，通常将波长相对较长的色彩系列称为暖色，如红色、黄色等；波长相对较短的则归类为冷色，如蓝色、紫色等。人类的视觉环境是一个色彩的世界，色彩作为多媒体设计元素的基础，其固有的视觉识别性与视觉吸引力具有鲜明的传情达意的优势，能赋予文字与文字、文字与背景之间丰富的构造变化，从而迅速地吸引学习者的学习注意力，增加其阅读兴趣。色彩心理学已有的研究指出，色彩的基调与人的情绪及心理有着微妙的联系，大部分的研究结果认为暖色与人的积极情绪有很大的相关性，此外，从感受情绪、感知速度、视觉刺激强度上，暖色系也略胜一筹^[2]。

在多媒体学习中，学习注意对学习效果有着重要影响。学习注意决定着学习者能否对学习进行更深层次的思考与信息加工，有意义学习能否真正发生。由于化学学习是以观察和实验为基础的认知过程，当脱离实验环境来面对抽象繁杂的化学概念或化学现象时，无论是教还是学，都不可避免地产生枯燥乏味的情绪，从而达不到预期想要的学习效果。化学多媒体学习材料的学习画面是学生经常面对并会直接引起其学习注意的交互对象，色彩作为信息化学习资源界面的重要元素之一，其对学习效果的影响机制值得研究。

进一步分析多媒体学习界面关于色彩设计的相关文献发现，色彩对学习过程的影响及优化主要是基于问卷调查法、访谈法等主观测量手段，并以学习者的情绪变化、学习效果、学习动机、认知负荷等作为评估指标，探讨色彩对多媒体学习认知过程中所产生的影响，由于主观评定量表的局限性，研究者们开始借助能够客观测量生理指标的眼动追踪技术应用于多媒体的色彩设计。但目前的研究中，关于色彩对多媒体学习影响的眼动研究还处于起步阶段。

基于以上分析，本研究将采用问卷调查法与眼动追踪技术，并结合口语报告，揭示学习者进行多媒体学习时的思维过程，研究的问题主要是：对多媒体学习界面进行积极的色彩设计是否能对学习者的情绪、学习效果、学习动机等相关认知过程产生影响？

2材料与方法

2.1实验设计

实验采用单因素被试间设计，学习材料的色彩设计方式为组间变量，分为色彩设计组（明亮色彩页面）和对照组（黑白页面）。因变量为积极情绪测量分数（前测情绪分数，后测情绪分数），学习效果（回忆成绩，迁移成绩），认知负荷（任务感知难度，心理努力程度），眼动指标（总注视时间，注视点个数，热点图，轨迹图）。控制变量为先验知识。

2.2实验对象

选定60名大学生参加本次实验，其中男生24人，女生36人，所有被试被随机分到两个实验组中：色彩设计组30人，实验对照组30人。本实验中所有被试双眼矫正视力或裸眼视力均在1.0以上，无散光等视力问题现象，具备可以顺利进行眼动实验的基本条件。

2.3实验设备

采用Tobii Pro Nano眼动仪和Tobii Pro Lab 1.152.3002的软件来收集相关眼动数据，眼动仪的准确度≤0.3°，精确度≤0.1°，采样率≥60Hz，显示器大小为15.6寸，分辨率为1920×1080，采用红外遥测式设计，无需固定被试头部即可准确采集数据。

2.4多媒体学习材料

学习材料为大学结构化学相关内容，选自陕西某高校结构化学精品在线课程教学材料，共4张幻灯片，以图片形式呈现，其中包含的知识类型以陈述性知识为主。学习材料的设计和呈现遵循 Mayer提出的多媒体学习认知原则^[1]。

2.5测量工具

（1）背景知识问卷：参考结构化学任课教师的意见，用5个问题主观评定学习者对结构化学知识的熟悉程度，例如“我非常熟悉量子力学基础知识”，“我能准确掌握分子的基本结构以及相关的轨道原理”等问题。采用5级评分（1=非常不符合，5=非常符合）。

（2）积极情感量表：采用张卫东^[3]等人修订的中文版PANAS量表中有关积极情绪的题项（如感兴趣的、精神活力高的等），量表内部一致性α系数为0.82。被试根据自身当前的实际感受，对十个有关积极情绪的形容词进行评价。采用5点评分（1分=非常轻微或完全没有，5分=非常强烈）。

（3）学习动机量表：选取 Isen 和 Reeve ^[4]编制的包含八个项目的自评量表，如“它使我充满了好奇心”，“它很有趣味性”等问题。采用7级评分，（1=非常不符合，7=非常符合），量表内部一致性α系数为0.88，可信度高。

（4）认知负荷量表：采用Paas所编制的认知负荷自评量表^[5]，要求被试在学习任务结束后根据自身实际感受对刚才学习任务的难度和所付出的心理努力进行评价。量表采用9点评分（1分=非常简单，9分=非常困难），内部一致性α系数为0.74，具有良好的信效度。

（5）测验题目：回忆测验是为了考察学习者对学习材料的掌握情况，根据学习内容编制3道单选题和1道简答题，每个问题的答案均在多媒体学习材料中出现过。迁移测试是为了考察学习者能否灵活运用所学到的知识来解决新的且相似的题，设置2道结构化学简答题作为迁移测试卷。测验成绩评分由三位经过严格培训的研究生担任，评分者一致性系数均在0.85以上。

2.6实验步骤

（1）前测阶段：被试填写关于结构化学的背景知识问卷，为了消除先验知识对学习效果产生的影响，选择低知识经验者（分数≤12分）进入正式实验，实验开始前填写积极情感量表。

（2）眼动实验：被试被随机分配到各组实验条件下。在完成眼动仪眼球校准后，学习者自主学习多媒体中的学习材料，被试自主决定学习时间，在保证自己已充分学习材料内容后即可单击鼠标，则会呈现下一张学习材料。眼动仪完整记录下学生学习时的眼动数据。

（3）后测阶段：眼动实验结束后，被试填写第二次的积极情感量表，完成迁移测试题，填写内部学习动机量表。

（4）访谈：被试完成实验后，询问被试在整个学习过程的思维过程。

2.7数据处理

采用眼动仪自带的 Statistics 功能将所有眼动数据以 Excel 形式输出，最后使用SPSS17.0软件进行处理分析。

3实验结果

3.1学习效果与其他测量指标结果

对实验所获得的认知负荷等变量数据进行分析，结果见表1。

从表1中的结果可以看出，在经历不同色彩环境的多媒体学习后，学习者的回忆成绩与后测积极情绪分数存在显著性差异。本研究的控制变量（学习者的先验知识）在不同的实验组中没有明显的差异，说明所有学生的背景知识水平基本相同，故在后续的分析中不再考虑先验知识水平对学生认知过程的影响。

3.2眼动数据分析

（1） 注视指标

选取总注视时间、注视点个数、作为眼动指标进行分析。总注视时间也被称为是指对某个区域内容的注视时间的总和，注视点个数是指一定时间内注视点在某个区域内的总个数。总注视时间越长，注视点个数越多，说明该区域包含复杂的信息，信息加工越困难，认知负荷越大。眼动仪所获取到的眼动数据的平均值、标准差及方差分析结果如表2所示。

从表中数据可看出，两组被试在总注视时间与注视点个数上并无显著性差异，所花费的时间投入相差无几，说明在信息加工的整个过程中，学习者付出了同样的认知努力。为了进一步探究色彩的视觉设计是否会引起学习过程中注意力分配的差异，需要借助眼动热点图与轨迹图进行对比。

（2）热点图

与总注视时间呼应，在眼动实验中常以热点图来展示被试在某区域的视觉停留时间，在注视时间无显著差异的情况下，可质性分析信息加工情况。热点图是以特殊高亮的形式显示被试的视觉注意力分布情况，其中包含主要包含三种颜色：红色表示被试最为感兴趣的区域，该区域注视点最多、注视时间最长，学习者的信息加工程度最深，黄色次之，绿色最少，两个实验组的热点图如图1所示。

可以看出，不同视觉条件下，学习者对多媒体学习界面的关注程度相当，主要集中于关键内容部分，说明在多媒体的学习中，学习者都进行了一定的加工，从而进行问题的解决。值得注意的是，二者的注意力分布却各有不同：色彩设计组主要关注在学习界面的后半部分，该区域集中度很高；而实验对照组的学习注意则主要分布在学习画面的各个部分，加工区域分散，且在多媒体材料的前半部分花费的时间相对较多。热点图的实验结果直观表明了即使在总注视时间没有显著性差异的情况下，不同的视觉感知也会引起学习注意的不同。经过对比分析可以推断出，由于色彩对学习材料的不同内容进行了划分，在检索信息时，学生有意识地关注到被色彩标注的内容部分并投入更大的注意分配；而实验对照组中并未加入色彩刺激及区域划分，因此在信息的搜索过程中学生无法把握重点，降低了信息加工的准确度，在后续的问题解决中易受无关信息的干扰。

（3）眼动轨迹图

眼动轨迹是学习者在学习过程中被眼动仪记录下来的物理扫描路径，轨迹图主要能体现被试在整个学习过程中的心理和思维方式有何差异，通过轨迹图我们可以了解被试在学习过程中进行认知加工的顺序、轨迹以及注视的时长，可从质性角度进一步探究两组参与者的学习差异。两个不同实验条件中学习者轨迹图如图2所示。

从轨迹路径分析，两组学习者均采用自上而下、自左向右的阅读顺序，表示在首次信息加工过程中，色彩的不同并未引起阅读模式的差异。进一步分析，色彩设计组的轨迹重叠部分多于对照组，并主要在关键信息区域来回注视，而实验对照组的被试对于学习材料的前半部分即概念阐述区则有着比较频繁的搜索次数，对于材料的细节部分则投入较少的关注，这与色彩布局有很大的关系。在加工策略上还可以看出，由于色彩将内容划分了不同的区域，色彩组倾向于在同一内容区域中集中处理信息，将知识点细化处理，有助于识记；对照组则在学习材料中的标题、概念、解释部分进行整体加工，即在不同的区域来回观看，侧面反映出该组学生在认知过程无法自主确定学习重点，说明在多媒体视觉层面的色彩设计中要同时兼顾其能凸显重点信息的作用，适当地进行区域划分。