基于眼动追踪的地理试题解题认知过程研究

王红枫 蒋凤 王敏

问题解决能力是培养21世纪人才的关键，地理问题解决能力的培养在发展学生地理学科核心素养过程中占据着重要地位。《普通高中地理课程标准（2017年版）》明确提出，要强调提高学生综合运用知识解决实际问题的能力，重视问题式教学。地理试题是地理问题的集中体现，基于学科的地理试题解题能力是地理问题解决能力的核心^[1]。目前，对于如何设计地理试题，通过地理试题来考查学生的地理学科核心素养，巧妙解答地理试题的研究屡见不鲜，但针对学生解答地理试题过程中的信息加工与认知过程的研究还较为缺乏。对学生解题过程中内在的信息加工与认知过程进行研究，剖析这一过程学生的思维模式与框架，能够帮助教师进一步了解学生的心理逻辑，更为精确地对学生地理试题问题解题策略进行指导，培养学生的问题解决能力与地理学科核心素养。

一、研究内容与对象

眼睛作为接收外界信息的感觉系统，可以反映大脑的思维过程，揭示认知加工的内在机制。眼动追踪为我们提供了清晰、实时的反馈^[2]，让学生的试题解题认知过程外显化成为可能。目前，眼动追踪技术在教育科学研究中运用广泛，有大量的学者运用眼动追踪技术对学生及教师在教育教学过程中的行为与特征展开分析，其他学科教育的研究者也开展了运用眼动追踪技术对学生试题解题认知过程的相关研究，如数学立体几何，物理、生物学科的信息实验题等，对学生在解答各自学科试题中的信息加工、认知负荷与学习风格进行讨论，提出教学建议。

地理学是一门具有区域性与综合性的学科，地理学研究的问题往往具有要素众多、关系复杂的表现，地理学科试题也具有图文丰富、信息众多的特点。地理试题解题尤其强调图文信息的阅读、分析与应用。在日常教学过程中，地理教师要强调对于学生读题、解题能力的培养，学生解题思维能力成为影响成绩的关键因素。因此，眼动追踪技术非常适用于研究地理试题解题信息加工与认知过程。它能够为我们揭示学生解答地理试题过程中的具身认知过程与体验，了解学生阅读、提取、分析试题各图文要素的心理过程。通过研究与分析学生在试题解题过程中的认知过程，有利于更深层次地理解学生的解题思维，并由此提出相应的教学建议，以帮助教师实现深度教学。

本文使用Tobii Pro Fusion眼动仪，仪器采样率为120 Hz，配置双眼动传感器和双追踪模式。它是使用较为广泛的专业化眼动设备，能够有效地捕捉被试的眼动轨迹与注视热点区域。眼动轨迹图能够反映被试的阅读顺序。通过眼动轨迹图，我们能够获取被试审题、获取关键信息以及解答问题的认知过程。进行眼动实验后，我们会对被试进行访谈，利用访谈获取的被试思维过程与眼动追踪结果进行匹配，以获取被试更准确的解题认知思维过程。

本次研究选取了拥有较好高中地理知识与技能的学生12人，其中男生6人，女生6人，可以用其解题认知过程模拟高中生的解题认知过程，为教师教学提供参考、对比分析，以明确其他层次学生解题困难的认知过程缺陷。

本次研究材料由9道选择题组成，均从各地正式调研考试中抽取。试题设置咨询了命题专家及教师的意见，并进行了预实验，以确认题目材料及答案无异议且选题具有科学性（如图1）。

二、研究发现：地理试题解题认知过程四阶段模型

通过重现被试的眼动轨迹图，我们发现被试解答试题的心理过程与奥苏伯尔问题解决四阶段理论较为符合。通过对被试进行访谈，该发现得到进一步验证。基于此，我们构建了地理试题解题认知过程的四阶段模型。下面以任务中的典型被试为例进行说明。

奥苏伯尔等人在1969年提出了一个问题解决的过程模式（如图2），将问题解决的过程分为四个主要阶段^[3]。第一阶段为呈现问题情境命题，即以不同的形式给出问题已知的条件和要达成的目标;第二阶段为明确问题的目标和已知条件，建立问题情境命题与已有认知结构的关系;第三阶段为填补空隙，这一阶段是问题解决的核心，问题解决者必须调动已有认知结构中与解决问题相关的背景知识，运用策略填补已知条件与目标之间的空隙;第四阶段为检验阶段，即检验各种推理有无错误。

（一）通过图文关键信息，了解地理问题

一般地理问题以图形、符号或文字等形式给出已知条件和要求达到的目标，为学生构建实际的问题情境。因此，学生首先需要了解已知条件和要求达到的目标。

分析被试的眼动轨迹图，我们发现，当进入任务界面，被试首先会关注材料信息、题目和地图信息。这些信息使得被试对试题有了初步认知，通过对被试的访谈，这些结论也得到了验证（如图3、图4）。

被试2：“我第一步是先大概看一下材料、图片以及题目。”

被试8：“解第一道题的话就先看题目，看上面的题干，再看问题是什么，然后看它最高那条线是500，下面那条线是375。”

其中，材料、地形图信息属于已知条件，而题目设问属于要求达到的目标。

（二）明确问题的目标与已知条件，针对关键信息，建立认知联系

了解地理问题只是对问题潜在意义的陈述，若学生具备有关背景知识，则能使问题信息与其原有认知结构联系起来，进入第二阶段。

分析被试的眼动轨迹图发现，被试在明确问题的目标和已知条件后，注视集中在关键区域，尝试与已有认知结构建立联系。如被试在明确设问时，眼睛的注视集中在“最高海拔”;被试在明确已知条件时，眼睛的注视集中在“等高线地形图”和“数值为375米、500米”的等高线上。通过对被试的访谈，此结论也得到了验证。

被试2：“这道题的问题是该海岛的最高海拔可能为多少，那么它想考查的就是等高线、它的递变规律以及等高距。”

被试4：“得先理解等高线、等高距的含义，才能看懂题目;知道计算公式，才能解出题目。”

被试将问题情境的关键信息与其认知结构联系起来，从而理解问题。在这一过程中，关键信息与认知结构之间能否有关联，是被试能否成功进入下一阶段的关键。当学生无法将原有认知结构与关键信息相匹配时，他就会在问题理解上出现困难，而影响下一阶段问题的解决。

图5、图6中被试4与被试8的眼动轨迹图表明，被试4的原有认知结构无法匹配题5中的问题情境，其眼动轨迹在地形图中呈现出无注视重点的特征，眼睛在甲、乙、丙和丁点之间反复扫视与注视，且眼睛在四个点的注视数无显著差别。被试8的原有知识经验能够匹配题5中的问题情境，其眼动轨迹在地形图中则能够明显看出有注视重点，在丙点注视次数明显多于其余三点。通过与被试的访谈，这一结论也得到了进一步的验证。

被试4：“这道题我不会做，也不知道这个进‘山不见寺是指哪个‘山。”

被试8：“山里看不见寺庙的话，他一定在山谷，找哪个是山谷就行了。或者是低洼的地区，反正他不可能在高处，也不可能在山顶，直接定位到那个地方直接找就好了。”

（三）根据已有知识经验，运用策略推理，填补空隙，解决问题

上一阶段，学生顺利地将关键信息与已有认知结构联系起来，对问题有了较为清晰的理解，这是解答问题的前提。填补空隙阶段是问题解答的核心，学生必须调动认知结构中与当前问题解答有关的背景知识，并运用一定的解题策略填补问题已知条件和目标之间的空隙。

分析被试的眼动轨迹图发现，被试在解答问题时会在地图、问题以及选项之间反复扫视，进行一一对应（如图7、图8）。被试先看图中尖顶，然后快速看向甲图，再对应选项A，其视线在甲图上停留的时间最长。之后再依次看圆顶、乙图、选项B等。这一过程中，被试不断对图文信息的特征进行对应。我们发现，被试在甲、乙、丙和丁图的注视最为集中。这里面有两方面的含义：一是被试对该区域感兴趣;二是该区域对于被试来说有难度，被试须思考，并运用一定的策略以理解信息。在访谈中，被试均表示无论是读题还是解题都需要技巧或者策略，其中提得最多的技巧是排除法和关键词法。

被试4：“甲肯定不会是尖顶的，就是甲画的那个图肯定不是尖的，因为它最上面等高线画得很稀疏，应该是个平顶。所以，甲肯定是不对的，就排除了。丁图上画的是洼地，但是所谓的选项里中间画了一座山峰，所以丁也不对，就被排除了。”

通过观察被试眼动轨迹图与阅读访谈内容，我们可以得知，在填补空隙解答问题阶段，被试通常在了解和理解问题的基础上，利用已有的背景知识，采用相关技巧、策略或推理规则来填补已知条件和要求达到目标之间的空隙，从而解决问题。

（四）问题答案的检验

一般情况下，经过前三个阶段，问题基本得到解决，但最终的答案是否正确仍需验证，学生需要检查推理有无错误，填补空隙的途径是否简洁等。在被试的眼动轨迹图中，我们发现有大量回视以及重复的眼动轨迹（如图9）。被试在文字材料上反复注视“飓风”“正北方向”等，在等值线图中反复注视华盛顿及甲地附近的等压线。并且，能够看到图中的数字即注视顺序存在循环，被试按照之前的注视顺序再次进行一轮注视。我们认为被试这个行为是在检验，通过与被试的访谈也得到了验证。

被试8：“肯定还是会来回扫题干提问内容：一是为了获取信息，怕有遗漏的点;二是进行验证，具体是说按做题的思路再解一遍，答案对就确定是它。”

在这一过程中，被试通过不断地循环题目信息与解题思路，检验答案，确定最终答案。这一过程在部分被试的眼动轨迹中难以判别。我们在访谈中也了解到有部分被试在实验中没有采取检验的策略，这些被试的答题正确率要低于采取检验策略的被试。

三、研究结论与教学建议

本文通过眼动追踪技术与访谈，对学生在地理试题解题过程中的信息加工与认知过程进行分析，发现学生的解题认知过程主要分为四个阶段，每一阶段的完成都是下一阶段学习的基础，对问题的解决起着重要的作用。基于此，我们结合实验发现给出以下教学建议。

（一）培养学生关注地理图文中关键信息的思维习惯

地理试题图文信息是帮助学生了解问题、理解问题的第一步，准确定位图文关键信息则能帮助学生快速定位问题的条件、性质及要实现的目标。缺乏该习惯的学生，在解答问题时重点不突出，效率低下，难以理解问题的本质。因此，在地理教学中，教师可以尝试按照试题条件、性质与目标三个步骤进行习题教学，培养学生高效的信息获取能力。

（二）引导学生将问题关键信息与原有认知结构相对应

关键信息与认知结构之间能否实现关联，是被试能否成功进入下一阶段的关键。当学生无法将原有认知结构与关键信息相匹配时，会在问题理解上出现困难，而影响下一阶段问题的解决。在研究中，我们发现部分学生不能正确解答问题并不是因为他们认知结构的缺失，而是原有认知结构无法与问题情境相对应。因此，教师在地理教学中，不仅要教授学生知识，丰富学生的认知结构，也要在教学中重视关键信息与认知结构相关联逻辑的讲解，培养学生的地理逻辑思维能力。

（三）重视地理试题解题方法、技巧、策略，以帮助学生有效弥补知识间的空隙

目前，师生对解答地理问题需要技巧、策略已经形成共识。在访谈中，被试提到最多的解答地理试题的方法就是排除法、关键词法，但这两种方法并不足以应对所有地理试题。教师教学时应根据具体的地理知识有针对性地教授学生解答地理试题的技巧。例如，在教学自然地理、人文地理要素变化内容时，教师可让学生运用逻辑推理法、图示法等。在解答地理过程类试题时，可教授学生运用阶段环节法、要素分析法、地理绘图法、假设推断法等，做到因题设境，有针对性地开展教学活动。

（四）引导学生重视问题解决后的检验

检验是学生解答地理问题的最后一个阶段，也是不可省略的一步。教师在日常教学中需要引导学生重视检验，从信息获取是否准确、推理过程逻辑是否正确等角度反复确认答案，提高解题正确率。

注：本文系国家自然科学基金面上项目“跨境流动背景下族裔社区的多元文化与地方协商研究：以粤港澳地区为例”（基金编号：41871127）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 欧阳雪.基于眼动追踪技术的高一学生化学问题解决的认知差异研究[D].重庆：西南大学，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.教育心理学（修订本）[M].上海：上海教育出版社，1997：123-125.

[作者王红枫、蒋凤系华南师范大学地理科学学院学科教学（地理）专业研究生;王敏系华南师范大学地理科学学院副教授，人文地理与城乡规划系副主任]

责任编辑：孙建辉