眼動實驗中的操作和數據統計

周鵬生

摘 要:在心理與教育研究中,眼動實驗是探討心理內部機制的一種重要的實驗手段。眼動實驗中,不同的眼動儀有不同的實驗操作要求和數據處理軟件。以ASL 504眼動記錄儀為例,結合四卡片推理研究說明如何進行眼動實驗操作、數據輸出、管理和數據的統計。

關鍵詞:眼動實驗 操作 統計分析

在心理與教育研究中,大多數涉及視覺呈現的課題都有可能采用眼動實驗進行研究。眼動實驗法受到追捧是因為它能夠更好地體現了心理與教育實驗的生態學效度。它是探討心理內部機制和進程的一種重要實驗方式[1]。如認知心理與教育中對語言感知和理解的研究、問題解決的研究[2],廣告心理與教育中對網頁知覺、對用戶的認知的研究,教育心理與教育中對課件風格認知的探討等等,都可以通過眼動儀進行研究。但是目前基于眼動實驗的研究均對眼動實驗的操作和數據統計描述得很粗略,而有關指南主要通過外文描述,使需要重復或借鑒的研究者往往難以進行參考。因此有必要對眼動實驗的操作流程進行演示和說明,并對所得數據的處理方法進行討論。這也是本文所要呈現的內容?，F以美國應用科學實驗室(ASL)的Eye-tracker 504眼動記錄儀為例,結合我們所做的4卡片問題研究說明眼動實驗中如何進行操作和數據統計。

一、眼動實驗的操作

1.眼動實驗系統的基本構成

眼動儀系統通過加工來自紅外線瞳孔攝像機的眼睛視頻信息,來識別和確定瞳孔中心和角膜反射點之間的距離變化。從眼球運動的機制來說,眼球運動的范圍約為18度,超過12度時就需要頭部運動的幫助了[3]。兩個眼球的活動是很協調的,它們總是向同一方向運動。當頭部固定不動時,用兩眼追蹤一個出現在偏左或偏右前方的物體時,兩眼的運動程度有差異,但這種差別是極微小的。所以,許多眼動儀往往僅記錄1只眼球(一般是左眼)的運動軌跡。

美國應用科學實驗室(ASL)生產的504型眼動儀由以下部件組成:模型6000眼動追蹤系統、頭盔(上嵌眼睛攝像頭)、2臺視頻監視器(1臺監視眼睛瞳孔圖像,另1臺監視研究圖像)和相關的連接電纜。該眼動儀可實現對數據的實時記錄,生態學效度較高。其中,眼睛攝像頭包括了1個瞳孔攝像機和紅外線光源的金屬箱。相關的連接電纜是指將模型6000控制單元與微型計算機、頭盔和2臺監視器相連接的電纜。頭盔上的攝像機分別通過模型6000眼動追蹤系統控制單元與2臺監視器相連,其所攝取的內容被輸送到2臺監視器上。微型計算機與模型6000眼動追蹤系統控制單元相連,實現對數據的記錄和輸出。眼動儀與2臺計算機相連。1臺用來呈現實驗刺激材料,另1臺用來執行命令和處理數據。

2.眼動實驗的基本操作

實驗中有2名主試人。1名主試人負責操作眼動儀,另1名主試人負責呈現實驗材料,宣讀指導語并記錄被試人的口語報告。先讓被試人坐在距離計算機顯示器80cm處的椅子上,由于此眼動儀為頭盔式,并且僅安裝左眼攝像而不是雙眼攝像,很容易發生重心偏移,因此要用固定架將被試人頭部相對固定,然后進行眼動儀校準。

具體校準方法。主試人先調節附于頭盔上的反視鏡,使角膜反射點(黑色“+”字交叉點)和瞳孔反射點(白色“+”字交叉點)能清晰地顯示在瞳孔監視器上,且這兩個反射點都必須在瞳孔的圓圈圖像之內。如果兩個黑白“+”字有顫動,說明還不穩定,要通過ASL軟件系統的微調功能進行微調,直到它們穩定地呈現在瞳孔監示器上。第二步是要求被試人面對呈現9個圓點的電腦屏幕,被試人的眼睛與屏幕正中央的圓點5要處在同一個水平面上,能夠輕松看到含有圓點1、2、3的上排和7、8、9的下排。主試人在與眼動儀相聯的計算機上直接操縱這9個點的坐標,要求被試人對著屏幕配合主試對9個點逐個進行校準。

實驗指導語可由系統呈現,也可由主試人呈現。先讓被試人進行練習,準備實驗。要求被試人在實驗過程中盡可能保持頭部不動。一般在呈現的這些頁面中可以插入形似“+”的掩蔽刺激,使被試一直能夠把目光集中在頁面中央。當確認被試人正確理解指導語后再進行正式實驗。被試人按系統默認的A鍵翻頁,眼動儀在被試人按鍵時開始記錄,最后一次按鍵表明任務完成,與此同時眼動儀停止記錄。

實驗過程中有幾種情況會導致瞳孔數據記錄的缺失,如高度近視,眼球震顫幅度大;眨眼次數過多;視野丟失或漂移,即被試人的注視點超出了眼動儀的捕獲范圍。實驗后分析數據時,先檢查所有被試人的瞳孔取樣記錄,刪除一些眨眼次數過多時間過長和視野丟失較大的無效樣本,以保證數據的準確性。

3.眼動實驗數據輸出

實驗結束后,將數據保存到指定的文件夾。要注意的是,一定要使源文件名稱、時間、屬性等保持不變,如果隨意變化,會給分析系統自動搜尋原圖片中眼動軌跡帶來非常大的麻煩。有時為了分析的方便,可能會將數據存放到另外的路徑,但是這樣做的結果是,在分析時又得重新定標,比較麻煩;因此要處理數據一定要在同一臺電腦中完成,千萬不要在幾臺電腦中處理,以免造成不必要的重復工作。

定標第一步——圖像位置的確定。由于實驗中呈現的圖像不止一張,因此先要查看實驗圖像在第幾張位置上,每一個被試的實驗圖像位置可能因為操作時的誤差而有差異。定標時,一般是要先輸入第n張,再輸入第n+1張,如第13號被試,第2張圖片在第3張位置上,應該先輸入3,再輸入4才行。如果是最后一張圖像的定標,應該先輸入該張圖像的位置號,再輸入實驗中第一張圖像的位置號。

定標第二步——確定坐標。當圖像確定后,就需要確定坐標值。以圖像監視器中顯示的圖像為標準,將“+”字放在事先預定的位置上點擊,則在軟件系統中彈出對話框,自動顯示坐標中X和Y的值。在一張圖像上需要兩個坐標值,即兩個X、Y值。這幾個值需要記錄下來,在數據輸出時還要用到。

眼動實驗中興趣區的眼動數據是如何輸出的呢?下面是主要的步驟,不同的系統軟件可能有一些差異。

(1)“開始”→“所有程序”→ASL Tracker 6000→下拉菜單“Fixation plotting”;

(2)“Tools” →Input AOI→在圖片上框定興趣區→在彈出的對話框中命名,如“條件句.aoi” →OK;File→Save as aoi→輸入相同文件名保存;

(3)打開ASL Tracker 6000,按照要求進行相應的處理后通過“Export to excel”進入Excel文件,選中需要的一行數據,復制后導入SPSS文件。

二、眼動實驗數據的統計和處理

當眼動數據輸入SPSS軟件后要進行數據管理和統計。先要確認自己需要的眼動指標是哪些,再根據情況進行統計。一般情況下,ASL Tracker 6000分析系統能夠提供的有關興趣區的數據主要有以下幾個:注視時間、相對注視時間、注視次數、相對注視次數、平均注視時間、平均眼跳時距、平均眼跳距離、平均瞳孔直徑(如下表所示)。其中相對注視時間是指在興趣區中的注視時間占總體注視時間的百分數;相對注視次數是指在興趣區中的注視次數占總體注視次數的百分數;平均注視時間是指每個注視點平均所用的時間;眼跳距離是反映閱讀知覺廣度的一個指標,單位是度[4]。

注:時間單位為秒,相對注視時間和相對注視次數單位為百分數,眼跳距離單位為度,瞳孔直徑為mm。下同。

需要引起注意的是,眼動分析中,某個單一的指標很難有研究價值,應該根據研究的需要對特定區域選擇不同的指標進行深入分析;另外還要根據自己的實驗特點和實驗目的選擇兩個以上眼動指標進行分析。

以我們的研究為例。我們曾嘗試利用眼動儀來研究4卡片推理,這一推理的經典形式為:給被試呈現4張卡片,每張正反兩面都是一面標有前件的情況(肯定或否定),另一面標有后件的情況(肯定或否定)。被試的任務是選擇符合“如果p,那么q”這一條件命題的卡片。正確反應是選擇卡片p和卡片q。研究將重點探討不同性質材料對4卡片推理條件句理解時產生的影響。實驗設計為2(材料性質)×2(答題正誤)×2(專業)的三因素混合實驗。實驗完成后,要進行數據統計。一般容易出現的誤區是,僅統計平均數和標準差,而對其他集中量數不予理睬。但這些集中量數可以反映比較可靠的信息。如可以統計注視次數的眾數,以避免極端值;而對于注視時間和瞳孔直徑,可統計最大值和最小值,以剔除極端值或者發現某種特殊性。

在做推斷統計時,不僅要對興趣區內的數據進行比較,還要對不同興趣區的同類數據進行比較。同一興趣區的數據可作為因變量,按實驗設計中的自變量進行多因素方差分析。這里要注意的是,當因變量不止一個時,需要考察變量之間的相關性,如果在理論上相關程度不密切,那么最好單獨進行分析,否則得出的結果無法準確說明問題。

先同時考察材料性質、回答正誤類型和專業這三個因素。在SPSS統計軟件的Analyze菜單中打開“General Linear Models”子菜單,從中選擇Univariate命令,打開多因素方差分析主窗口。將“注視時間”變量移入Dependent框,作為因變量;將材料性質、回答正誤類型和專業這三個因素移入Fixed Factors框,作為自變量。輸出結果發現,三因素主效應都不顯著;根據F值的大小分析各因素的貢獻,從大到小依次為:專業、材料性質、正誤類型。除了注視時間外,還可以將注視次數等作為因變量。當同時考察三個因素時,需要考慮三個因素之間的交互作用,這是因為材料性質、正誤類型和專業因素會同時作用于被試的眼動指標,如實驗得到的注視時間不同某個因素單獨作用的結果,而是它們共同作用的結果。由此來看,不管是哪種統計方法,都會涉及到嚴密的實驗設計。按照實驗設計來處理數據,所得到的結果才能證明或者推翻假設。

除了考察同一興趣區的眼動指標外,根據需要我們可以考察不同興趣區同一眼動指標之間的差異。在考察了自變量對因變量的作用后,有時還需要了解相同指標在不同組之間的差異;一般情況下,當所比較的組超過3組時,可以通過“Least significant difference”(即LSD)進行組間成對平均值的比較。這可以通過t檢驗直接完成,也可以通過多因素方差分析方法中“Post Hoc”功能間接實現。

三、結束語

在眼動實驗中,除了符合實驗法的基本要求外,還有眼動實驗室的具體要求。研究者除了準備好一份完整的實驗設計外,還要嚴格按操作規程,有步驟有順序地完成實驗。實驗完成后,需要即時進行數據處理,不能拖延時間。數據處理也要按實驗前的設計進行,不能隨意化?？傊?如果眼動實驗操作符合規范,數據處理也符合描述統計和推斷統計的要求,那么要得出一個合乎邏輯、說服力強的結論是沒有什么問題的。

參考文獻

[1]姚海娟,沈德立.啟發信息對個體頓悟問題解決影響的眼動研究[J].心理與行為研究2006,4(3): 207-212

[2]Grant E R, Spivey M J. Eye movements and problem solving[J]. Psychological Science, 2003, 14(5): 462-466

[3]鄧鑄.眼動心理與教育的理論、技術及應用研究[J].南京師大學報(社會科學版),2005,(1):90-95

[4]趙新燦,左洪福,任勇軍.眼動儀與視線跟蹤技術綜述[J].計算機工程與應用,2006,(12):118-120