3.1 眼动的基本模式
3.1.1 概述
人的眼球运动有三种基本的类型：注视、眼跳和追随运动。为了看清楚某一物体，两只眼睛必须保持一定的方位，才能使物体成像在视网膜上。这种将眼睛对准对象的活动叫注视。为了实现和维持对物体最清楚的视觉，眼睛还必须进行跳动和追随运动。
注视
注视（fixation）的目的是将眼睛的中央凹对准某一物体。事实上，注视本身并不像它字面上的意义那样准确。当眼睛注视一个静止的物体时，它并不是完全不动的，而是伴有三种眼动：漂移（drift）、震颤（tremor）和微小的不随意眼跳（involuntary saccade）。
漂移是指不规则、缓慢的视轴变化。Dodge在1907年发现了视轴的漂移，他认为有固定不变的注视点。后来，Yarbus（1967）在眼动实验中要求被试注视某一个固定点，同时记录其眼动情况。他的记录结果（见图3.1）使我们能够清楚地看到注视过程的这一种不规则的运动——漂移。
（a：注视10秒钟 b：注视30秒钟 c：注视1分钟）
漂移经常伴有震颤。震颤是一种高频率、低振幅的视轴振动（oscillatory movement）。最早记录眼震颤的人是Adler和Fliegelman（1934），后来Yarbus（1967）的研究表明，眼震颤的振幅为20—40秒度，震颤的频率通常为每秒70—90次。
当对静止物体上某一点的注视超过一定的时间（0.3—0.5s），或当注视点在视网膜上的成像由于漂移而离中央凹过远时，就会出现微小的不随意眼跳。对于后一种情况，这种小的不随意眼跳可以起到校正作用。但并不是所有的注视都伴有不随意眼跳，大多数的注视通常伴有漂移和震颤。当较长时间地注视一个静止物体时，就会伴有漂移、震颤和不随意眼跳。
眼跳
眼球的跳动（saccade）是巴黎大学的Javal教授（1878）发现的。眼跳的功能是改变注视点，使下一步要注视的内容落在视网膜最敏感的区域——中央凹附近，这样就可以清楚地看到想要看到的内容了。通常我们不容易觉察到眼睛在跳动，而觉得是在平滑地运动。例如在阅读文章或看一个图形时，我们往往认为自己的眼睛是沿着一行行的句子或物体的形状平滑地运动。事实上，我们的眼睛总是先在对象的一部分上停留一段时间，然后跳到另一部分上，对新的部分进行注视。图3.2是Stratton（1902）所记录到的被试看一个圆圈时的眼动轨迹。从图中可以看出，被试在观看时，眼睛并不做圆周运动，而沿直线跳动，中途有一些注视点。眼睛的跳动有两个特点：第一，双眼的每次跳动几乎是完全一致的；第二，眼跳动的速度很快。在进行眼跳之前，需要时间去计划和实施它，这个时间即眼跳潜伏期（saccade latency）。有研究表明，眼跳潜伏期至少要150-175ms，眼跳的计划过程是与阅读的理解过程并行的。
多数眼跳都是从一个已知区域朝向新的未知区域，即向前眼跳（progressive saccade），但有时还会出现反方向的眼跳，被称为回视（regression），指退回到前面语句的眼跳。回视也是一个重要的眼动现象，对于熟练阅读者来说，10%—15%的时间被用于回视。大多数回视是针对紧邻的前一个词语，然而当理解不充分或文章太难时，会出现更长距离的回视，指向较早出现的词语。
追随运动
追随运动（pursuit movement）通常是指当我们观看一个运动的物体时，如果头部不动，为了使眼睛总是注视在这个物体上，眼睛就要追随这个对象移动。此外，还有一种眼球追随运动情况，即当头部或身体运动时，为了注视一个运动物体，眼球要做与头部或身体运动方向相反的运动。这时，眼球的运动实际上是在补偿头部或身体的运动，故这种眼动也称补偿眼动（compensatory movement）。上述两种追随眼动的目的都是使被注视物体的成像落在中央凹上（闫国利，白学军，2012）。
眼追随运动的过程是怎样的呢？假设一个被注视的物体开始运动，物体的影像便离开中央凹，这时眼球跳动一次以便重新注视它。如果被注视的物体继续运动，眼的跳动就变为追随运动。不过，追随运动很容易过快或过慢，因此需要眼跳动进行校正，使追随运动回到目标上去。有研究表明，当物体运动速度在50—55度/秒以下时，眼睛是以追随运动跟踪物体的；当物体的运动速度较快而看不清楚时，追随运动中便有眼跳动参与（Dodge，1907）。
3.1.2 阅读中的主要眼动指标
在阅读研究中使用眼动记录技术对读者的阅读过程进行实时记录，这是一种较优的研究阅读过程的方法，也是目前国内外阅读研究普遍使用的研究方法。眼动指标能够反映人们在阅读时的眼动过程。不同的眼动指标能够反映不同的心理学意义。下面将介绍两类眼动指标：一类是与眼睛何时移动有关的时间维度的眼动指标；另一类是与眼睛移动位置有关的空间维度的眼动指标（闫国利等，2013）。
时间维度的眼动指标
1.单一注视时间
单一注视时间（single fixation duration）是指在最初的从左到右的句子阅读中，兴趣区内有且只有一次注视时的注视时间，如图3.3中注视点c、d、e、i、j和k。单一注视时间被认为是字词识别中语义激活阶段的良好指标（Rayner，1998；张仙峰，叶文玲，2006）。
兴趣区内接受了多次注视的加工过程与只接受一次注视的加工过程在性质上是不同的，因此注视点a和l不属于单一注视时间。另外，如果兴趣区内的单一注视是紧跟在一次回视之后的也不属于单一注视时间，如注视点g。因为该注视点所在的兴趣区最初被跳读了，在跳读过程中有可能已从该区域获得了某些信息，因此相对于其他几个注视点，注视点g的注视时间已不完全反映该区域最初的心理加工过程。
2.首次注视时间
首次注视时间（first fixation duration）指在首次通过阅读中某兴趣区的首个注视点的注视时间，不用考虑该兴趣区有多少个注视点，如图3.3中的注视点a、c、d、e、i—l。在当前的阅读眼动研究中，首次注视时间是使用最普遍的指标之一，能有效反映词汇通达的早期阶段特征。
3.第二次注视时间
当一个兴趣区在首次加工过程中被多次注视时，第二次注视时间（second fixation duration）也是一个有用的眼动指标，如图3.3中的注视点b和m。如果首次加工过程中还有第三次、第四次注视，那么这些注视点的持续时间也包括在第二次注视时间中。在对复合词的研究中，第二次注视时间被看作是一个较好的反映词汇早期加工的指标（Pollatsek & Hyönä，2005）。
4.凝视时间
有时候读者对兴趣区的第一遍阅读中会包括不止一个注视点，在这种情况下，首次加工中的所有注视点代表着初始的加工。凝视时间（gaze duration）是指从首次注视点开始到注视点首次离开当前兴趣区之间的持续时间，包括兴趣区内的回视，如图3.3中的注视点a和b的时间之和即为兴趣区“泥石流”的凝视时间，因此凝视时间也是反映词汇通达早期阶段的指标，也是使用最广泛的指标之一。如果在注视点跳出兴趣区之前对该区域只有一次注视，那么凝视时间就等于该区域的首次注视时间，如图3.3中兴趣区“山区”和“高原”等。
5.回视时间和总注视时间
回视时间（regression time）是指所有回视到当前兴趣区的注视时间之和，如图3.3中注视点f的注视时间即为兴趣区“泥石流”的回视时间。总注视时间（total fixation duration），也被称为总停留时间（total dwell time，见Holmqvist，Nyström，Andersson，Dewhurst，Jarodzka，& Van de Weijer，2011）、总阅读时间（total reading time，见Clifton，Staub，& Rayner，2007）或总观看时间（total viewing time，见Inhoff & Liu，1998），是落在兴趣区内的所有注视点的时间的总和。在图3.3中，兴趣区“干旱”的总注视时间为注视点e和h的注视时间之和。
回视时间是反映词汇后期加工过程的指标，而总注视时间指标对较慢和较长时间的认知加工过程敏感。如果在研究中发现某种效应在兴趣区的总阅读时间上显着，而在早期的指标（如首次注视时间和凝视时间）上不显着，那么可以推测该效应只在相对后期的加工过程中存在。
以上介绍的几项眼动指标，是在以字或词为兴趣区时经常使用的眼动指标。下面继续介绍几项以短语或句子为兴趣区时的眼动指标。
6.第一遍阅读时间和向前阅读时间
第一遍阅读时间（first-pass reading time或者first-pass fixation time）是指阅读者的注视点首次跳向另一兴趣区之前，在当前兴趣区内的所有注视点的注视时间之和，也被称为“第一次通过总时间”（first run dwell time）。它的计算方法与之前提到的凝视时间相同，只是在对较大区域的眼动研究中更多使用“第一遍阅读时间”这一名称。
向前阅读时间（forward reading time）指从兴趣区的首次注视点开始到首次离开，且以一个向前眼跳的方式离开该兴趣区之间的持续时间，包括兴趣区内的回视。在图3.4中第一个兴趣区的第一遍阅读时间即为向前阅读时间，等于前五个注视点的时间之和。可见，向前阅读时间指标区别于第一遍阅读时间指标的唯一之处在于，前者仅包括以向前眼跳方式离开兴趣区的第一遍阅读时间。
7.第二遍阅读时间
第二遍阅读时间（second pass reading time）也被称为“回看注视时间”（lookback fixation time，见Hyönä，Lorch Jr，& Rinck，2003），是指在对某兴趣区第一遍阅读之后，注视点再次回到该兴趣区的所有注视点的持续时间之和，包括第二次，甚至第三次离开该兴趣区后又再次回到该兴趣区的注视时间。如在图3.4中，第一个兴趣区的第二遍阅读时间为g—k五个注视点的时间之和，第二个兴趣区的第二遍阅读时间为注视点l—n的时间之和。如果首次通过后兴趣区没有被再注视，那么对该兴趣区的第二遍阅读时间为零。该指标通常被看作是反映信息加工后期阶段的指标（Clifton，Staub，& Rayner 2007）。
8.回视路径阅读时间、选择性回视路径阅读时间和重读时间
回视路径阅读时间（regression path reading time，见Liversedge，Paterson，& Pickering，1998；Huang & Gordon，2011）指从某个兴趣区的第一次注视开始，到注视点落到该兴趣区右侧的区域为止，这之间所有注视点的持续时间的总和。在有的研究中也被称为“回看时间”（go-past reading time，见Clifton，Bock，& Radó，2000），“总体通过阅读时间”（total-pass reading time，见Vonk & Cozijn，2003），“累计阅读时间”（cumulative region reading time，见Mitchell，Brysbaert，Grondelaers，& Swanepoel，2000）或“扩展的第一遍阅读时间”（extended first-pass fixation time，见Hyönä，Lorch，& Rinck，2003；Hyönä，Lorch，& Kaakinen，2002）。如在图3.4中，第二个兴趣区的回视路径阅读时间等于f—n注视点的时间之和。这个指标包含与回视行为相关的阅读时间，反映了被试探测到问题，并重读前面文章的加工过程。也就是说，该指标不仅可以反映词汇通达的加工过程，而且还能反映后期句子整合的加工过程。选择性回视路径阅读时间（selective regressionpath reading time）是指从某个兴趣区的第一次注视开始，到注视点落到该兴趣区右侧的区域为止（不包括这一注视点），这之间所有落在该兴趣区的注视点的持续时间之和。该指标与回视路径阅读时间的区别在于，选择性回视路径阅读时间只包括兴趣区内的注视点，如图3.4中，第二个兴趣区的选择性回视路径阅读时间等于注视点f和l—n的时间之和。可见，选择性回视路径阅读时间整合了兴趣区的第一遍和第二遍阅读时间，因此该指标不仅能反映早期与词汇通达有关的认知加工效应，而且能反映后期与句子整合有关的认知加工效应，是一个非常有价值的指标。
重读时间（re-reading time）是指对某兴趣区的回视路径阅读时间减去第一遍阅读时间后的持续时间，也被称为“再检查时间”（re-inspection time，见Blythe，Häikiö，Bertam，Liversedge，& Hyönä，2011）或“首次通过回视时间”（first-pass regression time，见Van Gompel，Pickering，& Traxler，2001）。如在图3.4中，第二个兴趣区的重读时间就等于注视点g—n的时间之和。这一指标主要反映被试在目标区遇到困难后的再分析过程，因此不包括对目标区首次加工的注视时间。
9.总阅读时间
总阅读时间（total reading time）与之前词汇分析中提到的“总注视时间”（total fixation duration）实质一样，都是指阅读者对兴趣区的所有注视点的时间的总和。
10.平均注视时间
兴趣区内所有注视点的持续时间的平均值就是平均注视时间（mean fixation duration）。这一指标在以字或词为兴趣区的眼动分析中同样适用。如果阅读者对兴趣区的注视点均匀分布，那么平均注视时间将会是一个有用的测量，反映阅读加工的整体情况。
空间维度的眼动指标
1.眼跳距离
眼跳距离（saccadic amplitude/saccadic length/saccadic size）是指从眼跳开始到此次眼跳结束之间的距离。眼跳距离大，说明被试在眼跳前的注视中所获得的信息相对较多（Irwin，1998；闫国利，白学军，2000），阅读速度较快。眼跳距离可以被看作是反映阅读效率和材料加工难度的指标。
2.注视位置
注视位置（landing position）是指注视点所处的位置，当前的注视位置既是前一次眼跳的落点位置（landing site），也是下一次眼跳的起跳位置（launch site）。
3.注视次数
注视次数（number of fixation）是指兴趣区被注视的总次数。该指标能有效反映阅读材料的认知加工负荷，认知负荷较大的阅读材料，注视次数也更多。根据研究需要，注视次数指标又可以细分为向前注视次数（number of forward fixation）和回视注视次数（number of regressive fixation）。前者只计算由向前眼跳引发的注视次数，后者则只计算由回视引发的注视次数。
4.跳读率
跳读率（skipping rate）是指首次阅读中兴趣区被跳读的概率，具体而言就是首次阅读中兴趣区被跳读的频率与该兴趣区被跳读和被注视的频率之和的比值。词语被跳读并不表明该词语没有被加工，研究发现，当一个词语被跳读时，跳读前的注视时间往往较长（Pollatsek，Rayner，& Balota，1986）。而且，与没有被跳读的目标词相比，跳读之前和之后的注视区域有所扩大（Kliegl & Engbert，2005；Rayner等，2003）。这表明被跳过的词语在副中央凹视觉区已被加工，可能是发生在被跳读之前，也可能是在跳读之后。
5.再注视比率
再注视比率（refixation rate）是指首次阅读中兴趣区被多次注视的概率，等于首次阅读中兴趣区被多次注视的频率与该兴趣区被单一注视和多次注视的频率之和的比值。该指标对认知变量反应敏感，在眼动研究中被认为具有重要的意义，因为反映语言学特征的凝视时间效应主要体现为再注视比率的增加而不是单个注视时间的增加。
6.回视次数
回视次数（regression count）反映了读者对之前阅读信息的再加工过程。在阅读的眼动研究中，有两种不同的回视：词内回视和词间回视。词内回视是指在一个词语内由右向左的眼跳，反映词汇的通达过程。而词间回视是指从当前注视词向之前某个词语的眼跳，反映的是句子整合的加工过程，即对几个词语间关系的理解过程。
针对某个特定的兴趣区，回视有两种可能，一种是落进该兴趣区的回视，一种是该兴趣区引发的回视。由此引出两种新的回视指标：“回视入比率”和“回视出比率”。回视入比率（regression-in proportion）是指在阅读中从后面区域回视到当前兴趣区的被试比率。回视出比率（regression-out proportion）是指阅读中从当前兴趣区引发回视（越过当前兴趣区左侧边界）的被试比率，一般限于对该兴趣区的首次通过阅读过程，在有的研究中又被称为第一遍回视率（first-pass-regression proportion，见陈庆荣，谭顶良，邓铸，徐晓东，2010；Calvo，Meseguer，& Carreiras，2001；Pickering & Frisson，2001；Traxler，2008）。回视出比率可以反映读者在兴趣区的早期加工阶段遇到的加工困难状况，一般与回视路径阅读时间指标结合使用，共同反映读者在兴趣区早期加工遇到困难和后期信息整合时的加工过程。
在研究过程中如何针对不同的研究目的，选取适当而有效的眼动指标并对其进行分析是眼动分析法的关键，因而在眼动研究中应综合各项指标的优缺点，从不同维度来进行分析。
3.1.3 阅读中的眼动控制
阅读速度、平均注视停留时间和眼跳距离会随着阅读材料难度的不同而不同。在阅读比较难的材料时，阅读速度会减慢，平均注视停留时间增加，平均眼跳距离缩短，回视次数增加。那么，在一次注视中，是什么因素控制注视时间增加，使随后的眼跳距离变短，并可能出现回视。下面将讨论有关阅读中眼动控制的问题。
关于眼动的控制模式有两种观点：一种是直接控制模式（direct control），该模式主张，完成对当前所注视词的识别，就意味着眼睛接收到了进行下一步运动的信号，眼睛开始运动。被试通过从当前被注视词中获得的视觉信息来决定眼睛下一步向哪里运动。另一种是认知控制模式（cognitive control），该模式认为，眼动的控制是基于从刚才读过的课文中获得的信息，而不一定必须由从正在注视的单词中获得的信息所决定。
直接控制模式的证据
有人提出了直接控制的论据：对高频词［如church（教堂）］的注视时间较短，而对低频词［如mosque（清真寺）］的注视时间较长。但是这个证据并不十分令人信服。因为有可能是在前一次注视中，中央凹侧视觉已经完全识别出教堂这个词了。事实上，在正常的阅读条件下，读者很难确定某一个信息是从哪次注视得来的。也就是说，要从一个完全自然的阅读情境中得到直接控制的证据是绝对不可能的，只能通过实验来获得。
1.对眼跳的直接控制
Rayner和Pollatsek（1981）为眼跳的直接控制提供了可靠的证据，他们使用窗口技术，窗口随注视点不同而不同。他们发现，在一次注视中，当有正常文章的窗口大小从9个字符增加到17个字符，再到33个字符时，该次注视之后的眼跳距离显着增加。因为窗口大小是完全不可预测的，所以眼跳距离的变化一定是受在该次注视中实际看到的文章影响的。他们还考察了注视点n之后的眼跳距离是否受在注视点n-1时窗口大小的影响。结果发现，注视点n-1的窗口越大，注视点n之后的眼跳距离越长，说明眼动存在直接控制。
2.对注视时间的直接控制
Rayner和Pollatsek在每次眼跳结束后呈现一个视觉掩蔽，这种掩蔽有效地延迟了文章的呈现。该实验的假设是，如果注视时间有赖于目前这次注视所编码的信息，那么延迟文章的呈现将增加注视时间，所增加的时间应与文章的延迟时间差不多。为了证实注视时间有赖于当前这次注视所遇到的文章延迟呈现的时间，他们将每次注视的文章延迟时间随机安排。结果有明显的证据支持直接控制：随着每次文章延迟呈现时间的增加，注视持续时间也增加。
如果增加的注视持续时间与文章延迟呈现的时间相等，则更能说明直接控制。假设当识别单词后，眼睛就开始移动，那么，如果将文章延迟呈现200ms，注视时间也应该同样延迟200ms。但Rayner等人的研究并未完全证明这一点。在他们的一项研究中，每次文章延迟呈现时间是相同的，注视持续时间的增加与文章延迟时间大致相同（注视延迟时间比文章延迟时间短一些）；而在另一项研究中，每次文章延迟呈现的时间是随机的，注视持续时间的增加要比文章延迟呈现时间短得多。在后来的一项实验（Morrison，1984）中，上述两种实验条件下注视的延迟时间要比文章呈现的延迟时间略长。所以，从这个实验结果看出，眼睛似乎并不是常常等待目前所注视的词加工完之后才继续向前运动。
认知控制模式的证据
在一次注视中，为什么这次注视停留这么长的时间？为什么下一次注视眼跳停在那个位置上？目前还不能完全解释这些现象。不过，许多研究者通过实验研究证明，对文章的认知加工的确影响眼动模式，眼动中存在一些认知控制。
1.眼跳距离的控制
很多证据表明，一个单词的字母数与读者所注视的位置之间存在着紧密的关系。有研究者（Rayner & McConkie，1976）计算了对不同长度单词的可能注视位置，以及在相同长度单词中可能被注视的字母。他们发现，当单词长度增加时，注视该单词的可能性也随之增加。他们还发现，在一个由4到7个字母组成的单词中的字母被注视的可能性比在一个由4个以下或7个以上字母组成的单词中的字母被注视的可能性要大。在短单词中的字母被注视的次数较少，因为短单词常被跳读过去。而且，与在中等长度单词中的字母比，在长单词中的字母并不被经常注视，因为在长单词中有信息的冗余度。另外，对单词的注视位置并不是盲目的，有研究（Rayner，1979；O'Regan，1981；O'Regan，Lévy-Schoen，Pynte，& Brugaillère，1984；McConkie & Zola，1984）发现，在一个单词的开始与结尾之间存在一个偏好注视位置（preferred viewing location）。而且，Rayner（1975）发现，眼睛一般不停留在句子结尾的句号或空白上。此外，读者对单词中字母的注视次数要比对单词之间空白的注视次数多。还有研究者（Abrams & Zuber，1972）发现，读者根本不注视插在课文中间的几个字符大小的空白处。
上面是对注视位置的分析。认知控制的另一个指标是眼跳距离的长度，注视点右侧的单词对眼跳的长度有影响。有研究（O'Regan，1975；Rayner，1979）发现，当注视点右侧的单词较长时，读者眼跳的距离也变长；当注视点右侧单词较短时，眼跳距离也变短。这表明眼动对单词的长度是很敏感的。Morris（1987）提出了更直接的证据：在一项实验中，在被注视单词n右侧，被试所能获得的唯一信息就是第n+1个单词的长度信息（第n+1个单词中的字母均被X所代替）。尽管在注视第n+1个单词之前它的字母均由X代替，但是，第n+1个单词越长，从第n个单词开始的眼跳距离就越长。因此，单词长度本身就对眼跳距离大小有影响。
2.注视时间的控制
我们已经知道，何时做出眼睛运动及向何处运动的决定是受两种信息控制的：一种是低水平的视觉信息，如空间位置；另一种是高水平的信息，如文章的意义。那么，是什么因素控制着读者对单词的注视时间？
首先，对低频词的注视时间要比对高频词的注视时间长。其次，注视时间与该单词在句子中的作用有关。例如，句子中的动词被注视的次数比名词多。另外，在有句法歧义（syntactic ambiguity）的句子中，当读者读到歧义词时，其注视停留时间增加（Frazier & Rayner，1982）。第三，对根据上下文可预测性高的词的注视停留时间比对可预测性低的词的注视停留时间短。第四，有研究（Rayner & Duffy，1986）发现，歧义词（lexically ambiguous word，即一个单词有两种或两种以上的意义，如bank）会导致较长的注视停留时间。第五，注视的总时间（gaze duration，即在眼睛离开该单词之前注视它所用的总时间）受先行词搜索过程的影响很大。先行词搜索过程就是指为代词找它的先行词。例如，如果你阅读一段文章，并在一句话中遇到了“鸟”这个词，它会引发你搜寻已经建立起来的文章表象，你会察觉在两个句子之前曾谈及知更鸟的问题。有许多实验表明，指代词和被指代词之间的距离影响被试对该词的注视。当距离增加时，对该词的总注视时间增加。第六，注视时间长短还有赖于读者正在阅读的一句话的位置，或一行的位置。对从句或句子的结尾单词的注视时间要短于对句子或从句里面的单词的注视时间。句子和从句的这种总结效应（wrap-up effect）反映了与句子和从句理解有关的额外加工（additional processing）。单词在一行文字中的位置也对注视停留时间有影响，与其他注视点相比，第一个注视点的停留时间较长，最后一个注视点的停留时间较短。
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