眼动技术在阅读研究中的应用_吴迪

眼动技术在阅读研究中的应用

　

吴 迪 舒 华　

北京师范大学心理系（北京　１００８７５）　

摘 要　眼动技术在英文阅读研究中被广泛的应用，可以探测阅读活动中的即时加工过程。在中文阅读研究中，眼动技术的应用还刚刚起步。文章讨论了眼动技术在阅读研究中的一些基本问题，如眼脑距离问题、知觉广度问题、阅读研究中眼动分析指标的选择问题等，希望能对没有进行过眼动基础问题研究的中文阅读研究有一定启发。?

关键词眼动技术，眼脑距离，知觉广度，阅读

分类号B841.4

１　前　言　

每天，我们从外部世界获得的信息中有90%以上来自眼睛。心理学家很早就开始通过直接观察眼球运动直接对心理过程进行研究。例如，在本世纪20年代国外就有人在没有任何仪器的情况下，使用肉眼观察眼动来研究广告心理学［１］。现在通常用照相技术和眼动仪对眼动进行分析研究［２］。心理学家认为眼球运动是视觉过程的直接反应，并且反映了多种人类认知活动，受到多种认知因素的影响，如眼球的运动与注意、预期、记忆、推理、阅读等认知活动都有密切的关系。

有关阅读中眼动的研究最早可以追溯到19世纪末法国学者Lamare和Jaral 以及Heuy 的工作[2]。此后，人们试图通过研究眼动中注视点的顺序和眼跳动来了解阅读背后的知觉过程。近20多年，由于心理语言学研究的深入和眼动技术的发展，研究者开始尝试把眼动作为人阅读过程的指示器。眼动记录是一种比较自然、干扰较小的过程，与心理学中其它研究方法相比，有其特殊的优越性，因而使得这一领域的研究变得异常活跃［２］。然而，由于阅读过程的复杂性，眼动记录能在何种程度上反映阅读过程中的认知活动呢？研究者已对这个问题做了大量的基础研究工作，对于眼球运动的一些基本问题进行了深入的探索。这些探索的结果还主要是来自西方心理学家工作。

２　眼动技术在阅读研究中的几个基本问题　

经过多年的研究，人们发现了眼球运动和认知活动有基本对应关系。任务难度越大，认知因素就越多地参与、塑造并决定了低水平、反射性的眼球运动行为。如E.Kowler对预期追踪是源于习惯性行为还是源于认知预期的问题进行了研究。结果发现，在“没有线索”的实验中被试倾向于按上次刺激运动的方向反应，这更多是一种习惯性活动，而在有认知线索的情况下，认知线索对预期眼球跟踪产生了明显的影响[3]。眼动与知觉和认知过程之间的关系是过去15年间眼动研究的中心问题［２］。随着研究方法的进步，研究者也发现认知因

收稿日期：2001-01-18

素在很大程度上决定了自然任务状态下的眼球运动。一些基本问题的深入探讨为阅读过程研究提供了重要的基础。

２．１　眼脑距离　

所谓眼脑距离是指眼球运动与大脑加工之间的联系，可以用视觉过程和认知加工过程之间的延迟来描述。将眼动技术应用于阅读加工的研究，基本前提就是眼球运动能够反映即时的阅读加工过程。Just等人假设，当眼球离开一个词时，表明他对此词加工完成并且转向下一个词的加工，因此注视时间可作为一个即时的词加工指标。也就是说视觉过程与认知加工过程之间的延迟很短。大量的研究结果也基本支持这种假设。在阅读中眼睛不是平滑、连续地运动，而表现出几种运动方式，即眼球振颤、眼跳（Saccade）、回扫(Regression)、和注视(Fixation)。读一篇文章，眼睛通常先在某个地方注视一段时间，然后做一个很快的眼跳，这样眼睛便移到了下一个注视位置；每当读完一行，眼睛便进行一次大幅度的换行；有时眼睛还会重新回到原来读过的地方——回扫。眼睛注视时间一般在200-400毫秒之间，眼跳时间一般很短只有10―40毫秒。研究发现，在眼跳的时候，眼睛几乎不能获取信息，主要的认知加工就是在注视时进行的［４］。Rayner等发现，当文章的难度加大时，认知加工过程变得复杂和困难，眼跳的距离一般变短，被略过的词数减少，而回扫的次数明显增加，平均注视时间变长［４］。从高频单词、预测性高的单词上的眼动模式可以看出阅读中的认知加工和眼动过程是密切联系的。在一般的文章中，单词的频率和长度是高相关的，控制了单词的长度后，注视时间上仍然有很强的频率效应[4]。严格匹配了句子中不同预测性单词的频率和词长，发现单词的预测性越强，单词上的注视时间越短［８］。McConkie等还发现了首次注视点的位置受到了词形的约束［５］。这些结果显示了眼动与认知加工在时间上是一致的，在空间上也是一致的。总之，在即时的基础上，眼球运动基本上受到了认知加工的影响并反映了认知加工活动。

２．２　溢出效应和前视效应　

尽管眼动数据对理解阅读过程提供了大量的信息，但是它们并不是完全对应的。如，在注视时间中除认知加工过程外还包含一个单纯的运动激发过程。低水平的视觉和感觉因素也会影响在单词上的注视时间和移向下一个单词的眼跳长度［４］。而且一次单独的注视活动也可能包括多个认知过程。这些因素都可能影响即时理解过程的测定。在阅读过程中，很多单词的加工开始于注视这些单词之前，而另一些单词在注视点离开之后还会被加工。也就是说，单词不仅仅在单一的注视中被加工。“溢出效应”（spillover effect）和“前视效应”（preview effect）就是这种现象的具体反映。

有些研究发现，阅读中不仅低频词的注视时间比高频词的注视时间长。而且，低频词后面的单词或区域的注视时间也会相对较长。这种现象就被称为“溢出效应”。例如：在下列句子中，

⑴he slow music captured her attention.

⑵he shiny new vechicle moved slowly.

句中的关键词(music,vechicle)可以被低频词(walte,gondola)替换而保持句子意义基本不变。如：

⑶The slow waltz captured her attention.

⑷The shiny new gondola moved slowly.

比较被试在两种条件下眼动过程发现，在阅读替换句时，被试不仅在句中低频词（walte、gondola）上的注视时间比在原句中高频词（music、vehicle）上的注视时间长30—90毫秒。而且，被试在低频词的下一个词（captured、moved）上的注视时间也增加了30—40 毫秒［６］。这表明与低频词相关的加工过程可能影响到对下一个词的加工。在歧义消解研究领域中，研究者就将这种影响效应作为歧义消解过程的一种反映。由于歧义词的通达和信息整合会影响到后面的阅读过程，在歧义词后面几个单词（解歧区）上的注视时间会比非歧义词后面几个单词上的注视时间长。所以研究者会考察读者在歧义词和歧义词后解歧区上的注视时间（阅读时间）来推测大脑对歧义词等的加工过程。

另一种效应的存在是因为阅读中，读者的旁视野会从注视点以外的区域中获得有用的加工信息，这些信息的获得会使后面的阅读加工过程变得容易。这种效应就被称为“前视效应”。很多研究中都发现和利用了这种效应。早在1907年，Dodge指出从旁视野中获得的信息能够缩短对注视点上单词的命名反应时［７］。在自然的阅读过程中，读者每次眼跳移动8个字母的位置，大约1.5个单词。短的单词常常会被跳过，而六个字母以上的单词一般不会被跳过。读者忽略掉的这些短词，可能是读者从旁视野提前获得了这些词的部分信息，并在注视它们之前就通达了意义［４，６，８］。很多研究阅读的技术，如计算机移动窗口技术，忽略了“前视效应”的存在，因而不如用眼动技术研究阅读过程接近自然阅读状态。根据这种效应，McConkie 等创建了眼动随动显示（eye movement contingent display）技术［２，４］。这种技术主要有两种范式，一种被称为移动窗口范式，一种是边界范式。移动窗口范式是在注视点的附近设定一个“窗口”，“窗口”之外的内容以某种方式改变，眼跳到新注视点处出现新的窗口。这种范式能够近似的确定读者阅读的知觉广度［４］。而边界范式在眼跳越过某一设定的边界时变化一次呈现内容，以确定从旁视野中被试能够获得何种信息［４，８］。

２．３　知觉广度　

读者在一个注视点上能够知觉的范围不止一个单词。知觉广度是注视点周围可以获得有用信息的区域。用眼动数据对阅读过程进行较精确的推测时，了解知觉广度范围的大小和从知觉广度中提取的信息类型是很重要的。

２．３．１　知觉广度范围　

很多研究表明，单次注视的知觉广度是有限的。利用上述眼动技术——移动窗口范式，通过不断变换呈现窗口的大小，可以精确测量被试知觉广度的大小。其基本原理是，当呈现窗口小于人的知觉广度时，阅读速度减慢。研究发现，英文阅读时读者从当前注视点得到信息的范围是从注视点左边3―4个字母到注视点右边大约15个字母的位置之间。识别单词的信息局限在注视点右边5―7个字母的范围中,所以这个范围被称作识别范围。这表明知觉广度范围在注视点两侧是不对称的。O’Regan等发现了英文中眼睛注视词的最佳位置接近词的中间或中间偏左的位置上，注视点落在这些位置上，被试命名词或词汇判断的反应时间最短［９］。在阅读过程中，注视点偏离最佳位置加大将会导致再次注视频率的上升［１０］。在从左到右书写的文字中（如英文），注视点右边的知觉广度范围较大，而在从右到左书

写的文字中（如希伯来文），注视点左边的知觉广度范围较大，说明知觉广度的不对称性受到了阅读主导方向的影响［４］。

知觉广度范围的大小还受到许多其它因素的影响，例如，文章难度会影响读者的知觉广度，难度较大的文章知觉广度的范围较小。知觉广度范围还受语言正字法空间特性的影响，如与拼音文字的读者相比，阅读中文和日文的读者的知觉广度范围较小［４］。阅读过程中，知觉广度的范围局限在单行内，也就是说注视点无法提取到下一行文字中的信息的［４］。２．３．２　从知觉广度中获得的信息　

读者从知觉广度范围中获得阅读过程所需要的多种信息。在识别范围内，可以获得识别某个单词需要的所有信息。而在识别范围之外的区域中，读者也可以获得多种有用的信息。那么这些信息又是什么样的呢？有一种设想认为从旁视野中能获得单词的发音信息，但是研究发现在首音节相同的情况下，旁视野中的启动词write并未对目标词rough的命名有促进效应。研究者认为读者可以从旁视野中得到单词的视觉特征。如Rayner等发现在旁视野中出现字形相似的词会促进对后来注视的目标词的命名反应。Rayner和McConkie等人提出了“起始字母识别假设（preliminary letter identification hypothesis）”来解释在旁视野中获得了何种信息。这种假设认为读者可以从旁视野中获得单词中前几个字母的信息，这种信息可以为后面字母的识别提供必要的语境信息（如视觉信息或正字法规则），也可能促使注意集中在没有被识别的字母上而促进了对单词的识别[7]。研究中发现无论启动词在注视点的左边还是右边，启动词与目标词的前若干个字母相同确实会促进对目标词的命名。

Rayner 和 McConkie等人的研究还发现读者在旁视野中不能获得语义信息，识别范围外的区域中获得信息并不都促进单词的识别［７，１１］。

２．４　注视时间与词汇通达　

影响词汇通达的因素（如词频、词长和单词的可预测性等）也影响了单词上的注视时间，这一事实使研究者一般认为：单词上的注视时间基本对应于词汇通达时间，并在一定程度上决定了眼跳时间。但是“溢出效应”和“前视效应”都会影响某个单词上的注视时间，研究者应该考虑的是在一个单词上的注视时间多大程度上反映了对单词的加工时间。心理学家们在研究中提出了不同的眼动控制模型，试图说明眼动过程与词汇通达过程的对应关系。其中，Morrison提出的眼动控制模型将词汇的通达作为眼球移动的启动点，而注意的转换在真正的眼球运动前面。因而，这个过程是⑴词汇通达⑵注意转换到下一个注视的位置⑶眼球的移动［２］。也就是说，注视时间内完成了词汇的通达并且可以发出眼球移动的指令。Morrison在研究中操纵了阅读中刺激的起始的延迟时间，发现延迟时间长度强烈的影响了注视时间的长度，这说明了注视时间受到了直接控制，一定程度上说明了词汇通达与注视时间的直接对应关系［１２］。

但是，注视时间并不仅仅反映了词汇通达的过程。Rayner 等对注视时间与词汇通达、文章整合过程的关系进行了讨论［６］。Schustack, Ehrlich 和Rayner进行实验对这个问题做了最为直接的检验。实验中被试阅读同样的一段文章并对出现在屏幕上的目标词命名。结果显示了注视时间反映的不单是词汇通达过程还包括文章整合的过程［６］。

当然，注视时间的变异大部分是由词汇通达过程引起的，利用眼动技术来研究即时的

阅读过程是可以接受的。但是，在利用眼动的数据来解释某些阅读过程时，应该考虑到如前视效应，溢出效应等多种因素的影响，才可能得到可信的推论。

３　阅读研究中的眼动数据分析　

通过眼动仪我们收集到的数据量很庞大。这样的数据虽然提供了丰富的信息，但是也给数据处理工作带来了困难。一般，在进行眼动实验之前，应该充分了解实验假设，据此设想眼动结果可能的模式。然后，根据研究假设选择适当的眼动指标。

在一些研究中，使用了整体平均的方法来综合收集到的眼动数据。这种方法计算了篇章上眼动指标的平均值，如平均注视时间（首次通过该区的阅读时间，即眼睛跳出该区前所有注视时间的总和；再次通过该区的阅读时间，即再次阅读该区时间的总和）、平均眼跳距离、回扫的概率等。它们反映了阅读过程中整体的加工难度。在比较中文和英文阅读的眼动模式差别的研究中，研究者们就比较了阅读中文与英文文章的平均注视时间、平均眼跳距离，发现了中英文阅读过程中相似的眼动模式［１３］。上述指标容易获取，但是易受到篇章内部差异的影响，如篇章中单词频率的差别等。一种补偿的方法是计算篇章的平均单字阅读时间。使用此指标的前提假设是阅读时间是该篇章中单词数量的线性函数。此外，上述指标还不能体现即时阅读的特点。

在另一些研究中，使用了基于单词的测量指标。这种方法将眼动作为即时指标来分析实时的认知加工。一些研究中只分析那些被单一注视（single fixation）过目标词上的注视时间。这种分析方法的缺点在于抛弃了被多次注视的目标词上的数据，而这些多次注视中可能隐含着重要信息。单词的第一次注视时间（first fixation duration）是常用的分析指标。使用这种指标的理论前提是第一次注视反映了词汇通达，而其它更多注视反映了更高的加工过程或是某种噪音。但是，一些认为再次注视才能反映词汇通达的研究者并不赞成使用这个指标。多数研究者认为最好的一种测量指标是凝视时间（gaze duration），它是指读者注视下一个目标前对一个单词总的注视时间。研究发现，凝视时间与第一次注视时间有很强的联系。例如，注视时间与第一次注视时间都能反映出很强的词频效应。一般情况下，低频词比高频词的第一次注视时间多37毫秒，与此相似，低频词比高频词的凝视时间多87毫秒。凝视时间不仅与第一次注视有很高的一致性，而且比第一次注视时间包含了更多的信息。如凝视时间还包括了再次注视时间中包含的重要信息。还有一种常用的指标是总注视时间（total time on a word），即包括凝视时间和回扫后花费在该单词上的注视时间。它反映了包含首次和回扫后多次的阅读加工过程。此外，完整的眼动记录还有通过某个单词时，它被注视的概率，被略过的概率，最初被略过又回扫的概率等［４，８］。

各种分析指标要根据实验研究的不同要求来选择。一些研究者分析阅读中的眼动过程时会同时分析多种指标，以得出一个对阅读过程一致的解释结果。这也是分析眼动数据时有效的策略。

４　小　结　

阅读过程与眼球运动存在着一定的对应关系，西方学者经过多年的基础研究逐渐形成了阅读中眼动的控制模型并根据模型来研究阅读过程中的认知加工过程。汉语与西方拼音

语言有很大的差别，眼动技术才刚刚开始应用在中文研究中，还有很多基础问题需要解决。例如，中文的知觉广度的问题就与英文有很大的差别。所以，中文的眼动基础问题的研究也是很有必要的。

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