基于眼動追蹤的地理試題解題認知過程研究

王紅楓 蔣鳳 王敏

問題解決能力是培養21世紀人才的關鍵，地理問題解決能力的培養在發展學生地理學科核心素養過程中占據著重要地位。《普通高中地理課程標準（2017年版）》明確提出，要強調提高學生綜合運用知識解決實際問題的能力，重視問題式教學。地理試題是地理問題的集中體現，基于學科的地理試題解題能力是地理問題解決能力的核心^[1]。目前，對于如何設計地理試題，通過地理試題來考查學生的地理學科核心素養，巧妙解答地理試題的研究屢見不鮮，但針對學生解答地理試題過程中的信息加工與認知過程的研究還較為缺乏。對學生解題過程中內在的信息加工與認知過程進行研究，剖析這一過程學生的思維模式與框架，能夠幫助教師進一步了解學生的心理邏輯，更為精確地對學生地理試題問題解題策略進行指導，培養學生的問題解決能力與地理學科核心素養。

一、研究內容與對象

眼睛作為接收外界信息的感覺系統，可以反映大腦的思維過程，揭示認知加工的內在機制。眼動追蹤為我們提供了清晰、實時的反饋^[2]，讓學生的試題解題認知過程外顯化成為可能。目前，眼動追蹤技術在教育科學研究中運用廣泛，有大量的學者運用眼動追蹤技術對學生及教師在教育教學過程中的行為與特征展開分析，其他學科教育的研究者也開展了運用眼動追蹤技術對學生試題解題認知過程的相關研究，如數學立體幾何，物理、生物學科的信息實驗題等，對學生在解答各自學科試題中的信息加工、認知負荷與學習風格進行討論，提出教學建議。

地理學是一門具有區域性與綜合性的學科，地理學研究的問題往往具有要素眾多、關系復雜的表現，地理學科試題也具有圖文豐富、信息眾多的特點。地理試題解題尤其強調圖文信息的閱讀、分析與應用。在日常教學過程中，地理教師要強調對于學生讀題、解題能力的培養，學生解題思維能力成為影響成績的關鍵因素。因此，眼動追蹤技術非常適用于研究地理試題解題信息加工與認知過程。它能夠為我們揭示學生解答地理試題過程中的具身認知過程與體驗，了解學生閱讀、提取、分析試題各圖文要素的心理過程。通過研究與分析學生在試題解題過程中的認知過程，有利于更深層次地理解學生的解題思維，并由此提出相應的教學建議，以幫助教師實現深度教學。

本文使用Tobii Pro Fusion眼動儀，儀器采樣率為120 Hz，配置雙眼動傳感器和雙追蹤模式。它是使用較為廣泛的專業化眼動設備，能夠有效地捕捉被試的眼動軌跡與注視熱點區域。眼動軌跡圖能夠反映被試的閱讀順序。通過眼動軌跡圖，我們能夠獲取被試審題、獲取關鍵信息以及解答問題的認知過程。進行眼動實驗后，我們會對被試進行訪談，利用訪談獲取的被試思維過程與眼動追蹤結果進行匹配，以獲取被試更準確的解題認知思維過程。

本次研究選取了擁有較好高中地理知識與技能的學生12人，其中男生6人，女生6人，可以用其解題認知過程模擬高中生的解題認知過程，為教師教學提供參考、對比分析，以明確其他層次學生解題困難的認知過程缺陷。

本次研究材料由9道選擇題組成，均從各地正式調研考試中抽取。試題設置咨詢了命題專家及教師的意見，并進行了預實驗，以確認題目材料及答案無異議且選題具有科學性（如圖1）。

二、研究發現：地理試題解題認知過程四階段模型

通過重現被試的眼動軌跡圖，我們發現被試解答試題的心理過程與奧蘇伯爾問題解決四階段理論較為符合。通過對被試進行訪談，該發現得到進一步驗證。基于此，我們構建了地理試題解題認知過程的四階段模型。下面以任務中的典型被試為例進行說明。

奧蘇伯爾等人在1969年提出了一個問題解決的過程模式（如圖2），將問題解決的過程分為四個主要階段^[3]。第一階段為呈現問題情境命題，即以不同的形式給出問題已知的條件和要達成的目標;第二階段為明確問題的目標和已知條件，建立問題情境命題與已有認知結構的關系;第三階段為填補空隙，這一階段是問題解決的核心，問題解決者必須調動已有認知結構中與解決問題相關的背景知識，運用策略填補已知條件與目標之間的空隙;第四階段為檢驗階段，即檢驗各種推理有無錯誤。

（一）通過圖文關鍵信息，了解地理問題

一般地理問題以圖形、符號或文字等形式給出已知條件和要求達到的目標，為學生構建實際的問題情境。因此，學生首先需要了解已知條件和要求達到的目標。

分析被試的眼動軌跡圖，我們發現，當進入任務界面，被試首先會關注材料信息、題目和地圖信息。這些信息使得被試對試題有了初步認知，通過對被試的訪談，這些結論也得到了驗證（如圖3、圖4）。

被試2：“我第一步是先大概看一下材料、圖片以及題目。”

被試8：“解第一道題的話就先看題目，看上面的題干，再看問題是什么，然后看它最高那條線是500，下面那條線是375。”

其中，材料、地形圖信息屬于已知條件，而題目設問屬于要求達到的目標。

（二）明確問題的目標與已知條件，針對關鍵信息，建立認知聯系

了解地理問題只是對問題潛在意義的陳述，若學生具備有關背景知識，則能使問題信息與其原有認知結構聯系起來，進入第二階段。

分析被試的眼動軌跡圖發現，被試在明確問題的目標和已知條件后，注視集中在關鍵區域，嘗試與已有認知結構建立聯系。如被試在明確設問時，眼睛的注視集中在“最高海拔”;被試在明確已知條件時，眼睛的注視集中在“等高線地形圖”和“數值為375米、500米”的等高線上。通過對被試的訪談，此結論也得到了驗證。

被試2：“這道題的問題是該海島的最高海拔可能為多少，那么它想考查的就是等高線、它的遞變規律以及等高距。”

被試4：“得先理解等高線、等高距的含義，才能看懂題目;知道計算公式，才能解出題目。”

被試將問題情境的關鍵信息與其認知結構聯系起來，從而理解問題。在這一過程中，關鍵信息與認知結構之間能否有關聯，是被試能否成功進入下一階段的關鍵。當學生無法將原有認知結構與關鍵信息相匹配時，他就會在問題理解上出現困難，而影響下一階段問題的解決。

圖5、圖6中被試4與被試8的眼動軌跡圖表明，被試4的原有認知結構無法匹配題5中的問題情境，其眼動軌跡在地形圖中呈現出無注視重點的特征，眼睛在甲、乙、丙和丁點之間反復掃視與注視，且眼睛在四個點的注視數無顯著差別。被試8的原有知識經驗能夠匹配題5中的問題情境，其眼動軌跡在地形圖中則能夠明顯看出有注視重點，在丙點注視次數明顯多于其余三點。通過與被試的訪談，這一結論也得到了進一步的驗證。

被試4：“這道題我不會做，也不知道這個進‘山不見寺是指哪個‘山。”

被試8：“山里看不見寺廟的話，他一定在山谷，找哪個是山谷就行了。或者是低洼的地區，反正他不可能在高處，也不可能在山頂，直接定位到那個地方直接找就好了。”

（三）根據已有知識經驗，運用策略推理，填補空隙，解決問題

上一階段，學生順利地將關鍵信息與已有認知結構聯系起來，對問題有了較為清晰的理解，這是解答問題的前提。填補空隙階段是問題解答的核心，學生必須調動認知結構中與當前問題解答有關的背景知識，并運用一定的解題策略填補問題已知條件和目標之間的空隙。

分析被試的眼動軌跡圖發現，被試在解答問題時會在地圖、問題以及選項之間反復掃視，進行一一對應（如圖7、圖8）。被試先看圖中尖頂，然后快速看向甲圖，再對應選項A，其視線在甲圖上停留的時間最長。之后再依次看圓頂、乙圖、選項B等。這一過程中，被試不斷對圖文信息的特征進行對應。我們發現，被試在甲、乙、丙和丁圖的注視最為集中。這里面有兩方面的含義：一是被試對該區域感興趣;二是該區域對于被試來說有難度，被試須思考，并運用一定的策略以理解信息。在訪談中，被試均表示無論是讀題還是解題都需要技巧或者策略，其中提得最多的技巧是排除法和關鍵詞法。

被試4：“甲肯定不會是尖頂的，就是甲畫的那個圖肯定不是尖的，因為它最上面等高線畫得很稀疏，應該是個平頂。所以，甲肯定是不對的，就排除了。丁圖上畫的是洼地，但是所謂的選項里中間畫了一座山峰，所以丁也不對，就被排除了。”

通過觀察被試眼動軌跡圖與閱讀訪談內容，我們可以得知，在填補空隙解答問題階段，被試通常在了解和理解問題的基礎上，利用已有的背景知識，采用相關技巧、策略或推理規則來填補已知條件和要求達到目標之間的空隙，從而解決問題。

（四）問題答案的檢驗

一般情況下，經過前三個階段，問題基本得到解決，但最終的答案是否正確仍需驗證，學生需要檢查推理有無錯誤，填補空隙的途徑是否簡潔等。在被試的眼動軌跡圖中，我們發現有大量回視以及重復的眼動軌跡（如圖9）。被試在文字材料上反復注視“颶風”“正北方向”等，在等值線圖中反復注視華盛頓及甲地附近的等壓線。并且，能夠看到圖中的數字即注視順序存在循環，被試按照之前的注視順序再次進行一輪注視。我們認為被試這個行為是在檢驗，通過與被試的訪談也得到了驗證。

被試8：“肯定還是會來回掃題干提問內容：一是為了獲取信息，怕有遺漏的點;二是進行驗證，具體是說按做題的思路再解一遍，答案對就確定是它。”

在這一過程中，被試通過不斷地循環題目信息與解題思路，檢驗答案，確定最終答案。這一過程在部分被試的眼動軌跡中難以判別。我們在訪談中也了解到有部分被試在實驗中沒有采取檢驗的策略，這些被試的答題正確率要低于采取檢驗策略的被試。

三、研究結論與教學建議

本文通過眼動追蹤技術與訪談，對學生在地理試題解題過程中的信息加工與認知過程進行分析，發現學生的解題認知過程主要分為四個階段，每一階段的完成都是下一階段學習的基礎，對問題的解決起著重要的作用。基于此，我們結合實驗發現給出以下教學建議。

（一）培養學生關注地理圖文中關鍵信息的思維習慣

地理試題圖文信息是幫助學生了解問題、理解問題的第一步，準確定位圖文關鍵信息則能幫助學生快速定位問題的條件、性質及要實現的目標。缺乏該習慣的學生，在解答問題時重點不突出，效率低下，難以理解問題的本質。因此，在地理教學中，教師可以嘗試按照試題條件、性質與目標三個步驟進行習題教學，培養學生高效的信息獲取能力。

（二）引導學生將問題關鍵信息與原有認知結構相對應

關鍵信息與認知結構之間能否實現關聯，是被試能否成功進入下一階段的關鍵。當學生無法將原有認知結構與關鍵信息相匹配時，會在問題理解上出現困難，而影響下一階段問題的解決。在研究中，我們發現部分學生不能正確解答問題并不是因為他們認知結構的缺失，而是原有認知結構無法與問題情境相對應。因此，教師在地理教學中，不僅要教授學生知識，豐富學生的認知結構，也要在教學中重視關鍵信息與認知結構相關聯邏輯的講解，培養學生的地理邏輯思維能力。

（三）重視地理試題解題方法、技巧、策略，以幫助學生有效彌補知識間的空隙

目前，師生對解答地理問題需要技巧、策略已經形成共識。在訪談中，被試提到最多的解答地理試題的方法就是排除法、關鍵詞法，但這兩種方法并不足以應對所有地理試題。教師教學時應根據具體的地理知識有針對性地教授學生解答地理試題的技巧。例如，在教學自然地理、人文地理要素變化內容時，教師可讓學生運用邏輯推理法、圖示法等。在解答地理過程類試題時，可教授學生運用階段環節法、要素分析法、地理繪圖法、假設推斷法等，做到因題設境，有針對性地開展教學活動。

（四）引導學生重視問題解決后的檢驗

檢驗是學生解答地理問題的最后一個階段，也是不可省略的一步。教師在日常教學中需要引導學生重視檢驗，從信息獲取是否準確、推理過程邏輯是否正確等角度反復確認答案，提高解題正確率。

注：本文系國家自然科學基金面上項目“跨境流動背景下族裔社區的多元文化與地方協商研究：以粵港澳地區為例”（基金編號：41871127）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 歐陽雪.基于眼動追蹤技術的高一學生化學問題解決的認知差異研究[D].重慶：西南大學，2020.

[2] Sun Y， Lu X， Wang Y. Using Eye Tracking to Explore Differences between High and Low Map-Based Spatial Ability[J]. Journal of Geography，2020，119（3）：1-11.

[3] 邵瑞珍.教育心理學（修訂本）[M].上海：上海教育出版社，1997：123-125.

[作者王紅楓、蔣鳳系華南師范大學地理科學學院學科教學（地理）專業研究生;王敏系華南師范大學地理科學學院副教授，人文地理與城鄉規劃系副主任]

責任編輯：孫建輝