儿童教育游戏模式下眼动交互应用设计及验证

王 述，王 庆，陈 洪

(中国农业大学信息与电气工程学院,北京 100083)

0 引 言

随着科技的发展，游戏类型不断推陈出新。儿童对游戏的喜爱促使一些教育游戏应运而生。面向儿童的教育类游戏是融合特定教学和娱乐目的的计算机应用软件[1]，其本质是以游戏为教学的表现形式，使玩家在娱乐状态下潜在接受知识的传达，进而达到趣味性和教育性平衡的目的。

传统电子游戏所采用的人机交互方法主要通过手柄、键盘或鼠标等外部设备来实现。而如今，电子游戏操作交互方式众多，包括触控技术、语音识别、体感交互、手势识别、虚拟现实与增强现实技术、触觉反馈、肌电模拟、脑机交互等[2]。由于教育游戏的设计目的与面向对象的独特性，导致其交互方式有较大的局限性。国内的教育游戏普遍采用传统的人机交互方式，这种方式使儿童用户在进行游戏体验时，极易产生枯燥感与疲劳感，同时存在儿童不能熟练操作交互设备的现象。这些问题缩短了儿童对游戏的专注时间，在削弱了游戏性的同时也影响了学习效果。鉴于儿童用户的特殊性，即生理特征和心理特性以及操作使用习惯与成人不同，儿童教育游戏应具有交互复杂度相对较低，并且可以长时间保持并提高儿童主观积极性的特点。

基于上述分析，本文基于眼动交互关键技术，结合儿童教育游戏的需求，提出在教育游戏模式下的眼动交互应用设计原则以及基于眼动交互的儿童教育游戏应用框架(EBEI)，并利用此交互框架设计了一款针对儿童用户的昆虫科普类教学游戏应用。研究采用T-test检验方法对比分析了该游戏的实际效果，实验结果表明，眼动交互方式能较好地提升玩家对昆虫知识的学习兴趣与学习效果，具有很好的科普性与趣味性。

1 眼动交互发展现状

新型人机交互技术正朝着以人为中心，自然高效的目标发展，用户可以运用各种感知通道进行交互[3]。其中，利用眼球运动进行交互是一种更为自然的新型人机交互方式。眼动交互方式依赖于视线追踪技术，早期的视线追踪方法主要有观察法与机械记录法，而在近一百年来，视线追踪开始出现利用硬件装置对眼球运动进行客观观察与记录的技术方法[4]。在视线追踪方法中，光学记录法研究历史最久，研究成果最多，是现代眼动仪中最主要的应用类型[5]。随着眼动追踪设备小型化的发展，国内外多个科研团队相继开发出一系列眼动交互的原型系统，如2002年Barea等人[6]研发出眼控轮椅系统。2006年Wills等人[7]研发了简单眼动文本输入系统。2006年加拿大的Smith等人[8]首次将眼动交互应用于电子游戏。2008年Porta等人[9]通过眼序列实现输入控制，研发出可提供一般眼动输入的Eye-S系统。同年，Pander等人[10]提出利用眨眼操控的一款应用。在国内，2011年，浙江大学李珊等人[11]开发了一套面向肢体存在严重缺陷人士的眼动交互绘画系统。2012年，浙江大学李婷[12]将眼动交互应用于车载抬头显示器(HUD)上开发了一款眼辅助交互系统实例Eye HUD。2014年宋笑寒等人[13]提出基于眨眼与注释输入的眼动密码输入方法。

基于眼动的交互方式已经成为当今研究的热点，但在教育游戏领域中还未曾涉猎，大部分教育游戏采用传统的交互方式，例如键盘鼠标等。而近年来，有部分教育游戏采取了新型的交互方式。例如基于体感交互教育游戏，不仅可以激活主动学习的兴趣而且可以把所学的内容从课本上的文字延伸到肢体活动技能上，让玩家不再拘束于电脑前而动起来。但是由于体感设备多存在精度和延迟问题，很多细微的动作识别能力差，复杂动作识别模糊且有时间延迟，导致影响教育内容传达的有效性[14]。增强现实类教育游戏通过手机或平板扫描现实中的事物，从而将其生成的虚拟教育内容叠加到真实场景中，提升了知识获取的真实感和沉浸感，为儿童教育提供了新的思路。但对于年龄较小的儿童，存在不能独自熟练操作交互设备的可能性[15]。

基于上述分析，眼动控制的交互形式则提供了更加自然的交互体验。在认知过程中，视觉和听觉是认识世界的起点，人类通过耳朵和眼睛获取外界信息，通过认知处理器形成运动指令，从而指导其他交互形式的进行，例如点击鼠标、触摸屏幕等，如图1所示。因此，眼动交互方式更适合认知能力较低的儿童用户。另外，眼球运动的精细肌肉对疲劳有较好的免疫特性，在长时间进行交互体验时，更能保证准确性与可操作性，给儿童用户更好的交互体验。

图1 人类认知过程

2 儿童教育游戏下眼动交互设计

本文结合教育游戏特性和眼动交互方式的特点，提出针对儿童教育游戏的眼动交互系统的设计原则，主要包括如下4个方面：

1)图形化用户交互界面。对于儿童用户来说，教育程度以及认知发展特性与成人存在明显的不同，交互界面针对性要强。在基于眼动交互的儿童教育游戏设计过程中应将用户界面图形化和符号化，减少文字的使用，降低儿童记忆负担。

2)简单的眼交互动作集。考虑到教育内容的有效传达，应减少交互操作的学习时间，故应该简化眼动作种类，定义符合儿童认知水平的眼交互动作集从而简化输入机制。例如可定义凝视、双目眨眼等符合儿童视觉注意机制的眼交互动作,相反，单目眨眼或是用眼睛拖拽等需要高准确性的、操作较难的动作，应避免使用。从而将眼动交互作为一种简单自然的交互通道应用到教育游戏当中。

3)多通道配合使用。对儿童来说，复杂的眼动交互存在不能映射所有交互命令的问题。而利用其他通道进行辅助眼动，例如键盘、手势等能更好地完成交互任务，提高交互效率以及提高准确性，并能有效减少由Midas Touch所带来的问题。

4)可视化反馈。可视化反馈包括眼动作辅助性反馈以及内容反馈2个部分。眼动作辅助性反馈实时判断是否识别用户当前眼动作，可有效提高交互准确性，辅助缓解视觉疲劳。例如，对某一按钮进行注视动作时，通过按钮的状态变化来反馈当前注视动作被识别，如图2所示。内容反馈部分则是对教育内容的传达。教育游戏应以知识点为驱动，在游戏过程中进行适当的可视化反馈，使玩家从被动学习转化为主动学习状态，进而引导玩家进行反思性观察与探索。

图2 可视化反馈

2.1 EBEI框架

根据以上交互原则，本文提出基于眼动交互的儿童教育游戏(Educational-games Based Eye Interaction，EBEI)应用框架，如图3所示。

图3 基于眼动交互的儿童教育游戏应用框架

该应用框架自底向上分别为系统层、中间层和应用层。

位于最底层的系统层主要提供摄像头和红外设备等硬件的驱动以及相应参数的设置。

中间层主要由视线定位模块、标定模块、眼动作识别模块以及其他交互事件封装模块组成：

1)在视线定位模块中建立用户眼球空间坐标系，实时获取用户在空间坐标系下的注视方向p(x,y,z)。

2)在标定模块中依据映射关系转换为屏幕场景坐标系下的注视点坐标g(x,y,ti)，其中，x和y是用户注视点在屏幕场景上的坐标，ti表示系统时间点。

3)在眼动作识别模块中结合相应眼动输入机制定义用户眼交互动作集，并根据一定的上下文判断当前是否存在以及存在何种类型的眼动作。

4)在交互事件封装模块中结合其他通道输入命令如键盘、手势等产生眼动辅助事件映射并加以封装。

应用层调用实时眼动坐标以及封装的事件消息，从而代替鼠标的移动并激活相应的交互功能，实现对教育游戏应用的交互操作及控制。

2.2 眼交互动作识别

根据本文所提出的设计原则，构建3类眼交互动作类型，如表1所示。其中，凝视动作即在目标区域内视线停留；双目眨眼则要求在短时间内连续2次眨眼，以区别正常眨眼的干扰；眼跳行为是指注视点在2个或多个目标区域之间飞速跳转的现象。

表1 眼交互动作类型

眼交互动作动作描述注视(fixation)在目标区域停留双目眨眼(blink-2)连续2次眨眼两点眼跳(saccade-2)在目标区域内跳转

考虑到儿童交互能力较弱的特点，本文只定义2个目标区域的眼跳动作。例如，在自定义的两点眼跳时间阈值内，注视点由界面的右上角区域内a0(常规关闭按钮位置)经过任意路径pn跳转到界面左上角区域内a1实现退出命令，如图4所示。

图4 两点眼跳实现退出指令

图4中所示的两点眼跳动作识别过程即在时间段内，ti时刻视点坐标为Pi(xi,yi,ti)，tj时刻视点坐标为Pj(xj,yj,tj),设S1、S2为系统预定义的目标区域。

(1)

(2)

若满足公式(3)与公式(4)，则表示在预定义时间阈值内注视点已从目标区域S1跳转到目标区域S2，成功识别眼跳动作。

∃tj-tiεT

(3)

(4)

其中，εT为预定义的眼跳时间阈值。

3 系统设计

本文基于EBEI框架，采用Unity3D跨平台开发引擎作为开发工具，设计并实现一款基于眼动交互的昆虫识别教育类游戏应用，游戏中，儿童通过眼动控制来辨别昆虫种类，并学习相关昆虫学知识，达到趣味性与学习性相结合的目的。游戏选择将眼动交互技术与教育游戏模式相结合的设计，简化游戏的控制方式，更好地提升游戏的趣味性与可操作性，为教育游戏领域开辟新的发展思路。

3.1 总体设计

游戏关卡设定在不同的场景中，能较好地映射日常生活环境。游戏开始后，游戏场景中分布的洞穴每隔一段时间会随机出现一种昆虫，玩家通过眼睛注视动作对昆虫实现锁定或释放，若为害虫，玩家可通过双目眨眼动作予以击打。正确消灭害虫加以计分，消灭益虫则扣除相应分数。随着关卡数的增加，昆虫出现的速度会越来越快，干扰项(益虫)也会越来越多。游戏会以相应可视化形式进行知识反馈，主要为昆虫的科普知识。游戏结束后，屏幕呈现最终得分、正确率和反应速度。系统流程如图5所示。

图5 系统流程图

3.2 交互设计

游戏由4个部分组成：校准、菜单选择、游戏主体、反馈和分数核算，游戏界面如图6所示。

图6 系统界面

在校准结束后，儿童通过界面提示，随意移动视线，完成相应操作。本系统涉及的眼交互动作对应的交互指令如表2所示。玩家可以通过凝视动作对某一选项锁定并连续2次眨眼确认锁定选项。在游戏过程中可随时退出或中断游戏，并跳转到图鉴场景进行查看。

表2 眼动作指令表

眼交互动作指令凝视锁定或释放连续眨眼2次确认视线从右上角快速转移到左上角退出或返回视线从左下角快速移动到左上角中断游戏查看图鉴

4 实验验证

对基于眼动交互方式的教育类游戏需要从3个方面进行实验验证:1)对游戏可用性进行评价；2)对游戏可玩性进行评价；3)对游戏的教育可达性进行评价。为此，实验选取28位4～6岁的学龄前儿童进行可用性、可玩性和教育可达性的评估实验。

4.1 可用性实验

可用性评价直接关系游戏的质量。游戏的可用性是指玩家是否可以有效地自主理解和控制游戏[16]。在本游戏应用中，可用性主要体现在玩家对眼动交互方式的适应程度和游戏玩法的理解程度上。为了验证游戏的可用性，实验在28名儿童中随机选取10人，在无相关人员指导下，独立进行游戏。结果表明只有3个孩子中途寻求相关人员帮助，而其余的孩子可以自主地玩这个游戏，直到游戏结束。实验结束后，询问所有的孩子们对这种互动模式的感受，没有人觉得头晕。这个结果可以证实该交互方式具有可用性和可操作性。

4.2 可玩性实验

游戏的可玩性是游戏内容本身对玩家的吸引程度，是游戏生命力所在。在教育类游戏中，游戏可玩性的缺失或过度都会导致知识传达效果不理想，影响游戏的教育可达性。为了验证游戏的可玩性和娱乐效果，实验选取一款基于键盘交互的打地鼠游戏作为对比。将28名儿童随机分为2组，对照组C-G被安排进行基于键盘交互的打地鼠游戏，实验E-G组进行本游戏。记录的有效数据包括玩家自愿玩游戏时长Dt、游戏失败后重新开始间隔时间Rt和玩家通过的关卡数Lr。实验不要求任何时间限制。因此，从对比数据中可以看出玩家对游戏的热衷程度，从而验证该游戏的可玩性，记录数据如表3所示。

表3 可玩性实验记录表 单位：min

由于样本量较小，确定使用T-test来判断2组数据是否存在显著性差异，对2组数据进行比较分析。实验选取0.05作为显著性水平，计算表3中的数据P值，如表4所示。

表4 可玩性T-test P值

DtRtLr0.9163960.3742750.21032

结果显示，对于持续时间Dt(min)的数据，P=0.916396(>0.05)，这意味着2组之间的游戏持续时间没有显着差异。对于重试次数Rt(min)，P=0.374275(>0.05)，意味着游戏动机程度在同一水平。对于所有儿童通过的关卡数Lr，P=0.21032(>0.05)表明2场比赛的难度差不多。通过上述数据分析，儿童对于2款游戏的体验并无差异，基于眼动交互的此款游戏应用与传统游戏同样具有游戏吸引力，从而验证了游戏的可玩性。

4.3 教育可达性实验

教育可达性是教育游戏区别于一般游戏的关键所在[17]。玩家是否在游戏中了解相关学科的知识是教育类游戏的价值准则。为了比较本游戏昆虫知识普及能力与传统教育方式的效果差异，将28名儿童随机分为2组进行不同方式的学习：实验组通过本游戏学习昆虫相关知识，对照组通过给出的昆虫图鉴进行学习。在实验之前，安排实验对象进行问卷调查，以测试昆虫相关知识背景。问卷包括10种昆虫。需要根据每种昆虫的外观写出相应的名称，并确定这种昆虫益害属性。记录正确填写的数量，以确定其先验知识水平，与测试后结果比较分析。实验后，要求实验对象进行同样的调查问卷，结果如表5和表6所示。

表5 教育可达性实验记录表 单位：min

表6 教育可达性T-test P值

昆虫名称昆虫属性Pre-testPost-testPre-testPost-test0.6584240.0005590.605930.009849

在表6中，先验知识水平调查结果的昆虫名称以及昆虫属性T-test P值分别为0.658482和0.60593，均大于0.05，这意味着2个样本在这些内容上具有相同的知识水平背景。实验结束后，2组均提高了同一问卷的成绩，表明给予眼动交互的此款教育应用与传统方法相比都进行了教育传达。但对比分析实验后2组检验值P分别为0.000559和0.009849(均<0.05)，表明2组之间有显着差异。实验组的平均成绩均大于对照组，足以证明基于眼动交互的此款教育游戏应用产生了更好的教育效果。

5 结束语

本文针对儿童群体所特有的行为习惯，基于眼动交互关键技术，提出在教育游戏模式下的眼动交互应用设计原则以及基于眼动交互的儿童教育游戏应用框架(EBEI)，定义眼交互动作集，并以此设计一款针对儿童用户的昆虫科普类教学游戏应用。最后应用T-test检验方法对该游戏应用进行显著性差异分析。分析结果表明，该游戏可用性强，能较好地提高儿童对昆虫知识学习的积极性，获得良好的教育效果。