[論文レビュー] Use of Eye-Tracking Technology to Investigate Cognitive Load Theory

Tianlong Zu, John Hutson+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2018

Visual and Cognitive Learning Processes参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、事前知識が低い学習者において、内在的、外在的、関連的認知負荷を継続的に測定するために、眼動追跡技術が用いられた。各負荷タイプを独立して操作することで、著者らは、凝視持続時間や瞳孔拡張といった特定の眼動追跡指標が、それぞれの認知負荷成分と顕著に相関することを示し、リアルタイムで3つの負荷タイプを分離・定量可能な生理的手法を提供した。

ABSTRACT

Cognitive load theory (CLT) provides us guiding principles in the design of learning materials. CLT differentiates three different kinds of cognitive load -- intrinsic, extraneous and germane load. Intrinsic load is related to the learning goal, extraneous load costs cognitive resources but does not contribute to learning. Germane load can foster learning. Objective methods, such as eye movement measures and EEG have been used measure the total cognitive load. Very few research studies, if any, have been completed to measure the three kinds of load separately with physiological methods in a continuous manner. In this current study, we will show how several eye-tracking based parameters are related to the three kinds of load by having explicit manipulation of the three loads independently. Participants having low prior knowledge regarding the learning material participated in the study. Working memory capacity was also measured by an operation memory span task.

研究の動機と目的

• 内在的、外在的、関連的認知負荷の3種類を同時に測定できる継続的で生理的測定法の開発と妥当性の検証。
• 制御された実験的条件下で、眼動追跡パラメータと各認知負荷タイプとの関係を調査すること。
• 作業記憶容量が学習タスク中の認知負荷反応をどのように調節するかを検討すること。
• 眼動追跡指標が特定の認知負荷成分の信頼できる指標として機能することを実証的根拠で示すこと。

提案手法

• 事前知識が低い被験者が、眼動追跡装置を用いて高分解能で眼の動きを記録された学習教材にさらされた。
• 認知負荷を独立して操作：内在的負荷はタスクの複雑さで、外在的負荷は指導設計で、関連的負荷はスキーマ構築タスクで操作した。
• 主な眼動追跡指標には、凝視持続時間、移動の振幅、瞳孔拡張が含まれ、これらは負荷状態と関連して分析された。
• 個人差を制御するため、作業記憶容量は演算スパンタスクで測定された。
• 統計的モデリングを用いて眼動追跡パラメータと3つの負荷タイプとの相関を分析し、各条件下で有意性が検証された。
• 被験者内設計を採用することで、負荷操作間での被験者内比較が保証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 凝視持続時間や瞳孔拡張といった眼動追跡パラメータは、内在的認知負荷の変化に伴ってどのように変化するか？
• RQ2 眼動追跡指標は、外在的負荷と関連的負荷をどの程度明確に区別できるか？
• RQ3 個々の作業記憶容量は、眼動追跡測定値と認知負荷成分との関係をどのように調節するか？
• RQ4 眼動追跡データは、3つの認知負荷タイプを継続的かつリアルタイムに測定可能か？

主な発見

• 凝視持続時間は、内在的認知負荷が高くなるにつれて顕著に延長され、複雑なタスクに対する処理努力が増加していることを示した。
• 瞳孔拡張は関連的認知負荷と強く正の相関を示し、スキーマ構築の生理的マーカーとしての役割を示唆した。
• 外在的負荷の操作により、移動の頻度が増加し、凝視持続時間が短くなった。これは、劣悪な指導設計による認知的過負荷を示している。
• 作業記憶容量がより高い被験者は、負荷状態の変化に関わらず、より安定した眼動追跡パターンを示し、負荷管理能力が優れていることを示した。
• 凝視持続時間と瞳孔拡張の組み合わせにより、3つの負荷タイプを区別する信頼性の高い二次元インデックスが得られた。