基于眼動追蹤的地理試題解題認(rèn)知過程研究

王紅楓 蔣鳳 王敏

問題解決能力是培養(yǎng)21世紀(jì)人才的關(guān)鍵，地理問題解決能力的培養(yǎng)在發(fā)展學(xué)生地理學(xué)科核心素養(yǎng)過程中占據(jù)著重要地位。《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出，要強(qiáng)調(diào)提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的能力，重視問題式教學(xué)。地理試題是地理問題的集中體現(xiàn)，基于學(xué)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(shè)計(jì)地理試題，通過地理試題來考查學(xué)生的地理學(xué)科核心素養(yǎng)，巧妙解答地理試題的研究屢見不鮮，但針對學(xué)生解答地理試題過程中的信息加工與認(rèn)知過程的研究還較為缺乏。對學(xué)生解題過程中內(nèi)在的信息加工與認(rèn)知過程進(jìn)行研究，剖析這一過程學(xué)生的思維模式與框架，能夠幫助教師進(jìn)一步了解學(xué)生的心理邏輯，更為精確地對學(xué)生地理試題問題解題策略進(jìn)行指導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力與地理學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、研究內(nèi)容與對象

眼睛作為接收外界信息的感覺系統(tǒng)，可以反映大腦的思維過程，揭示認(rèn)知加工的內(nèi)在機(jī)制。眼動追蹤為我們提供了清晰、實(shí)時的反饋^[2]，讓學(xué)生的試題解題認(rèn)知過程外顯化成為可能。目前，眼動追蹤技術(shù)在教育科學(xué)研究中運(yùn)用廣泛，有大量的學(xué)者運(yùn)用眼動追蹤技術(shù)對學(xué)生及教師在教育教學(xué)過程中的行為與特征展開分析，其他學(xué)科教育的研究者也開展了運(yùn)用眼動追蹤技術(shù)對學(xué)生試題解題認(rèn)知過程的相關(guān)研究，如數(shù)學(xué)立體幾何，物理、生物學(xué)科的信息實(shí)驗(yàn)題等，對學(xué)生在解答各自學(xué)科試題中的信息加工、認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)風(fēng)格進(jìn)行討論，提出教學(xué)建議。

地理學(xué)是一門具有區(qū)域性與綜合性的學(xué)科，地理學(xué)研究的問題往往具有要素眾多、關(guān)系復(fù)雜的表現(xiàn)，地理學(xué)科試題也具有圖文豐富、信息眾多的特點(diǎn)。地理試題解題尤其強(qiáng)調(diào)圖文信息的閱讀、分析與應(yīng)用。在日常教學(xué)過程中，地理教師要強(qiáng)調(diào)對于學(xué)生讀題、解題能力的培養(yǎng)，學(xué)生解題思維能力成為影響成績的關(guān)鍵因素。因此，眼動追蹤技術(shù)非常適用于研究地理試題解題信息加工與認(rèn)知過程。它能夠?yàn)槲覀兘沂緦W(xué)生解答地理試題過程中的具身認(rèn)知過程與體驗(yàn)，了解學(xué)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(xué)生在試題解題過程中的認(rèn)知過程，有利于更深層次地理解學(xué)生的解題思維，并由此提出相應(yīng)的教學(xué)建議，以幫助教師實(shí)現(xiàn)深度教學(xué)。

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(yè)化眼動設(shè)備，能夠有效地捕捉被試的眼動軌跡與注視熱點(diǎn)區(qū)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(guān)鍵信息以及解答問題的認(rèn)知過程。進(jìn)行眼動實(shí)驗(yàn)后，我們會對被試進(jìn)行訪談，利用訪談獲取的被試思維過程與眼動追蹤結(jié)果進(jìn)行匹配，以獲取被試更準(zhǔn)確的解題認(rèn)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(xué)生12人，其中男生6人，女生6人，可以用其解題認(rèn)知過程模擬高中生的解題認(rèn)知過程，為教師教學(xué)提供參考、對比分析，以明確其他層次學(xué)生解題困難的認(rèn)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(diào)研考試中抽取。試題設(shè)置咨詢了命題專家及教師的意見，并進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)，以確認(rèn)題目材料及答案無異議且選題具有科學(xué)性（如圖1）。

二、研究發(fā)現(xiàn)：地理試題解題認(rèn)知過程四階段模型

通過重現(xiàn)被試的眼動軌跡圖，我們發(fā)現(xiàn)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(jìn)行訪談，該發(fā)現(xiàn)得到進(jìn)一步驗(yàn)證。基于此，我們構(gòu)建了地理試題解題認(rèn)知過程的四階段模型。下面以任務(wù)中的典型被試為例進(jìn)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(xiàn)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(dá)成的目標(biāo);第二階段為明確問題的目標(biāo)和已知條件，建立問題情境命題與已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的關(guān)系;第三階段為填補(bǔ)空隙，這一階段是問題解決的核心，問題解決者必須調(diào)動已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中與解決問題相關(guān)的背景知識，運(yùn)用策略填補(bǔ)已知條件與目標(biāo)之間的空隙;第四階段為檢驗(yàn)階段，即檢驗(yàn)各種推理有無錯誤。

（一）通過圖文關(guān)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(dá)到的目標(biāo)，為學(xué)生構(gòu)建實(shí)際的問題情境。因此，學(xué)生首先需要了解已知條件和要求達(dá)到的目標(biāo)。

分析被試的眼動軌跡圖，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)入任務(wù)界面，被試首先會關(guān)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(rèn)知，通過對被試的訪談，這些結(jié)論也得到了驗(yàn)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(shè)問屬于要求達(dá)到的目標(biāo)。

（二）明確問題的目標(biāo)與已知條件，針對關(guān)鍵信息，建立認(rèn)知聯(lián)系

了解地理問題只是對問題潛在意義的陳述，若學(xué)生具備有關(guān)背景知識，則能使問題信息與其原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，進(jìn)入第二階段。

分析被試的眼動軌跡圖發(fā)現(xiàn)，被試在明確問題的目標(biāo)和已知條件后，注視集中在關(guān)鍵區(qū)域，嘗試與已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)建立聯(lián)系。如被試在明確設(shè)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(shù)值為375米、500米”的等高線上。通過對被試的訪談，此結(jié)論也得到了驗(yàn)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(guī)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(jì)算公式，才能解出題目。”

被試將問題情境的關(guān)鍵信息與其認(rèn)知結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，從而理解問題。在這一過程中，關(guān)鍵信息與認(rèn)知結(jié)構(gòu)之間能否有關(guān)聯(lián)，是被試能否成功進(jìn)入下一階段的關(guān)鍵。當(dāng)學(xué)生無法將原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵信息相匹配時，他就會在問題理解上出現(xiàn)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(rèn)知結(jié)構(gòu)無法匹配題5中的問題情境，其眼動軌跡在地形圖中呈現(xiàn)出無注視重點(diǎn)的特征，眼睛在甲、乙、丙和丁點(diǎn)之間反復(fù)掃視與注視，且眼睛在四個點(diǎn)的注視數(shù)無顯著差別。被試8的原有知識經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚱ヅ漕}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(diǎn)，在丙點(diǎn)注視次數(shù)明顯多于其余三點(diǎn)。通過與被試的訪談，這一結(jié)論也得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。

被試4：“這道題我不會做，也不知道這個進(jìn)‘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(qū)，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(jù)已有知識經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用策略推理，填補(bǔ)空隙，解決問題

上一階段，學(xué)生順利地將關(guān)鍵信息與已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)聯(lián)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(bǔ)空隙階段是問題解答的核心，學(xué)生必須調(diào)動認(rèn)知結(jié)構(gòu)中與當(dāng)前問題解答有關(guān)的背景知識，并運(yùn)用一定的解題策略填補(bǔ)問題已知條件和目標(biāo)之間的空隙。

分析被試的眼動軌跡圖發(fā)現(xiàn)，被試在解答問題時會在地圖、問題以及選項(xiàng)之間反復(fù)掃視，進(jìn)行一一對應(yīng)（如圖7、圖8）。被試先看圖中尖頂，然后快速看向甲圖，再對應(yīng)選項(xiàng)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(xiàng)B等。這一過程中，被試不斷對圖文信息的特征進(jìn)行對應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn)，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(qū)域感興趣;二是該區(qū)域?qū)τ诒辉噥碚f有難度，被試須思考，并運(yùn)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(guān)鍵詞法。

被試4：“甲肯定不會是尖頂?shù)模褪羌桩嫷哪莻€圖肯定不是尖的，因?yàn)樗钌厦娴雀呔€畫得很稀疏，應(yīng)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(xiàng)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(nèi)容，我們可以得知，在填補(bǔ)空隙解答問題階段，被試通常在了解和理解問題的基礎(chǔ)上，利用已有的背景知識，采用相關(guān)技巧、策略或推理規(guī)則來填補(bǔ)已知條件和要求達(dá)到目標(biāo)之間的空隙，從而解決問題。

（四）問題答案的檢驗(yàn)

一般情況下，經(jīng)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(yàn)證，學(xué)生需要檢查推理有無錯誤，填補(bǔ)空隙的途徑是否簡潔等。在被試的眼動軌跡圖中，我們發(fā)現(xiàn)有大量回視以及重復(fù)的眼動軌跡（如圖9）。被試在文字材料上反復(fù)注視“颶風(fēng)”“正北方向”等，在等值線圖中反復(fù)注視華盛頓及甲地附近的等壓線。并且，能夠看到圖中的數(shù)字即注視順序存在循環(huán)，被試按照之前的注視順序再次進(jìn)行一輪注視。我們認(rèn)為被試這個行為是在檢驗(yàn)，通過與被試的訪談也得到了驗(yàn)證。

被試8：“肯定還是會來回掃題干提問內(nèi)容：一是為了獲取信息，怕有遺漏的點(diǎn);二是進(jìn)行驗(yàn)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(huán)題目信息與解題思路，檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中沒有采取檢驗(yàn)的策略，這些被試的答題正確率要低于采取檢驗(yàn)策略的被試。

三、研究結(jié)論與教學(xué)建議

本文通過眼動追蹤技術(shù)與訪談，對學(xué)生在地理試題解題過程中的信息加工與認(rèn)知過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的解題認(rèn)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(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，對問題的解決起著重要的作用。基于此，我們結(jié)合實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)給出以下教學(xué)建議。

（一）培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注地理圖文中關(guān)鍵信息的思維習(xí)慣

地理試題圖文信息是幫助學(xué)生了解問題、理解問題的第一步，準(zhǔn)確定位圖文關(guān)鍵信息則能幫助學(xué)生快速定位問題的條件、性質(zhì)及要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。缺乏該習(xí)慣的學(xué)生，在解答問題時重點(diǎn)不突出，效率低下，難以理解問題的本質(zhì)。因此，在地理教學(xué)中，教師可以嘗試按照試題條件、性質(zhì)與目標(biāo)三個步驟進(jìn)行習(xí)題教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生高效的信息獲取能力。

（二）引導(dǎo)學(xué)生將問題關(guān)鍵信息與原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)相對應(yīng)

關(guān)鍵信息與認(rèn)知結(jié)構(gòu)之間能否實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，是被試能否成功進(jìn)入下一階段的關(guān)鍵。當(dāng)學(xué)生無法將原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵信息相匹配時，會在問題理解上出現(xiàn)困難，而影響下一階段問題的解決。在研究中，我們發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生不能正確解答問題并不是因?yàn)樗麄冋J(rèn)知結(jié)構(gòu)的缺失，而是原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)無法與問題情境相對應(yīng)。因此，教師在地理教學(xué)中，不僅要教授學(xué)生知識，豐富學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，也要在教學(xué)中重視關(guān)鍵信息與認(rèn)知結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)邏輯的講解，培養(yǎng)學(xué)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(xué)生有效彌補(bǔ)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(jīng)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(guān)鍵詞法，但這兩種方法并不足以應(yīng)對所有地理試題。教師教學(xué)時應(yīng)根據(jù)具體的地理知識有針對性地教授學(xué)生解答地理試題的技巧。例如，在教學(xué)自然地理、人文地理要素變化內(nèi)容時，教師可讓學(xué)生運(yùn)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(xué)生運(yùn)用階段環(huán)節(jié)法、要素分析法、地理繪圖法、假設(shè)推斷法等，做到因題設(shè)境，有針對性地開展教學(xué)活動。

（四）引導(dǎo)學(xué)生重視問題解決后的檢驗(yàn)

檢驗(yàn)是學(xué)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(xué)中需要引導(dǎo)學(xué)生重視檢驗(yàn)，從信息獲取是否準(zhǔn)確、推理過程邏輯是否正確等角度反復(fù)確認(rèn)答案，提高解題正確率。

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

參考文獻(xiàn)

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[3] 邵瑞珍.教育心理學(xué)（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(xué)地理科學(xué)學(xué)院學(xué)科教學(xué)（地理）專業(yè)研究生;王敏系華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院副教授，人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃系副主任]

責(zé)任編輯：孫建輝