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华南地理学报 >

2024 , Vol. 2 >Issue 1: 65 - 76

DOI: https://doi.org/10.20125/j.2097-2245.202401006

地理教育

基于思维可视化的地理问题解决认知差异研究——以《地表形态的塑造》为例

  • 王红枫 , 1 ,
  • 陈晓欣 , 2 ,
  • 陈一智 , 3 ,
  • 王敏 , 4
展开
  • 1. 深圳市红岭中学, 深圳 518000
  • 2. 广州市番禺区金海岸学校, 广州 511400
  • 3. 广州市第十六中学, 广州 510000
  • 4. 华南师范大学 地理科学学院, 广州 510631
王　敏（1981—），女，广东澄海人，教授，研究方向为社会文化地理与城乡规划。E-mail：

王红枫（1998—），男，广东深圳人，硕士，主要从事地理教育研究。E-mail：

陈晓欣（1999—），女，广东揭阳人，硕士，主要从事地理教育研究。E-mail：

陈一智（1980—），男，湖南益阳人，中学一级教师，研究方向为地理课程与教学论。E-mail：

王　敏（1981—），女，广东澄海人，教授，研究方向为社会文化地理与城乡规划。E-mail：

收稿日期: 2023-04-24

  修回日期: 2024-01-11

  网络出版日期: 2024-10-31

基金资助

国家自然科学基金项目(41871127)

收起

A Study of Cognitive Differences in Geographic Problem Solving Based on Visualization of Thinking——Take "the Shaping of the Surface Form" as an Example

  • WANG Hongfeng , 1 ,
  • CHEN Xiaoxin , 2 ,
  • CHEN Yizhi , 3 ,
  • WANG Min , 4
Expand
  • 1. Shenzhen Hongling Middle School, Shenzhen 518000, China
  • 2. Guangzhou Panyu District Gold Coast School, Guangzhou 511400, China
  • 3. Guangzhou No. 16 Middle School, Guangzhou 510000, China
  • 4. School of Geography, South China Normal University, Guangzhou 510631, China

Received date: 2023-04-24

  Revised date: 2024-01-11

  Online published: 2024-10-31

Fold

摘要

问题解决能力是学科核心素养的重要表现，在地理教学中占据重要地位，了解学生在地理问题解决过程中的认知差异规律能够帮助教师更好地实现能力的培养。文章采用出声思维法和眼动追踪技术，探究不同学业水平的学生在解决“地表形态的塑造”章节试题时的信息加工、注意力分配以及认知负荷等方面的差异。研究发现，不同学业水平的学生问题解决能力差异主要体现在认知基础、信息提取和信息加工能力上。学业水平高的学生，其注视次数少、区域集中、口语表达清晰，这体现出他们的认知基础更为牢固，关键信息的抓取、加工能力强，较少受到冗余信息的影响，从而高效解决问题。学业水平中等的学生，从注视点与次数上可以看出他们受冗余信息的影响较多，且存在表达犹豫的问题，这说明学生的知识结构、逻辑不清导致了加工受阻。学业水平较低的学生在认知基础、信息加工等方面均存在一定的问题。最后，文章基于学生在问题解决时的认知差异与特点，对地理问题解决能力的培养提供了简要建议。

关键词： 地理问题解决; 思维可视化; 认知差异; 地表形态的塑造

本文引用格式

王红枫 , 陈晓欣 , 陈一智 , 王敏 . 基于思维可视化的地理问题解决认知差异研究——以《地表形态的塑造》为例[J]. 华南地理学报, 2024 , 2(1) : 65 -76 . DOI: 10.20125/j.2097-2245.202401006

Abstract

Problem solving ability is an important manifestation of the core qualities of the discipline and occupies an important position in geographic teaching. Understanding the cognitive differences in the process of students' geographic problem solving can help us better realize the cultivation of ability. This study uses the method of think—aloud protocols and eye-tracking technology to investigate the differences in information processing, attention allocation and cognitive load of students at different academic levels when solving the problems in the chapter of "Shaping of Surface Morphology". The study found that the differences in problem solving ability among students with different academic levels are mainly reflected in the cognitive foundation, information extraction and information processing abilities. Students with a high academic level have fewer gazes, a concentrated area of gaze, and clear oral expressions, which reflected that they have a stronger cognitive foundation, a strong ability to grasp and process key information, and are less affected by redundant information, thus solving problems efficiently. Students with medium academic level are more affected by redundant information and have hesitant expressions as shown by the number of gaze points and times, which indicates that their processing is hindered by poor knowledge structure and illogicality. Students with lower academic levels have some problems with cognitive foundation and information processing. Finally, this paper provides brief suggestions for the development of geographic problem solving skills based on students' cognitive characteristics and differences in problem solving.

Key words： geographic problem solving; visualization of thinking; cognitive differences; shaping of surface form

随着社会竞争日趋激烈，世界正面临着百年未有之大变局，提高对实际问题的解决能力是应对未来挑战的良药，因此各国教育愈发注重培养学生在实际场景下的复杂问题解决能力。从2003年开始，经济合作与发展组织（Organization for Economic Co-operation and Development，OECD）在国际学生评估项目（PISA）中加入了问题解决能力测试模块，认为问题解决能力是学生的关键能力之一，并将其定义为个体在真实的、跨学科情境中运用认知过程处理和解决问题的能力［1］。其中，基于学科的问题解决能力是问题解决能力的重要组成部分和具体化体现。我国新一轮的地理教育改革明确提出，应重视学生地理核心素养的培养，其途径之一就指向真实情境下复杂问题的创造性解决［2］。核心素养与问题解决能力关系密切，地理问题解决能力的水平分层是地理核心素养测量的实质基础，具体实施时可以通过问题解决的方式外显化学生的地理核心素养［3］。《普通高中地理课程标准（2017年版）》也着重点明问题式教学的实施意见和详细要求，以“问题发现”和“问题解决”为施行要旨［4］。因此，在地理教学实践中，尤其要注重培养和评价学生综合运用地理学科知识和思维来解决复杂现实问题的能力［5］。如何提高学生的地理问题解决能力，促进学生地理思维的发展，进而培养学生的地理核心素养，仍是当前地理教育学界的关注热点。
当前地理问题解决领域的相关研究大多数是从教材、课堂或者教师的视角出发，一定程度上缺乏“学生本位”思想。针对学生的探索主要是基于应试考虑，以终结性评价为主，对于诊断性评价与过程性评价缺乏较好的方法和途径，对于学生在地理问题解决过程中的心理活动和思维方式了解较少。究其原因，很大程度上是学生在解题过程中的隐性思维活动难以较好地外显。基于此，本研究以“地表形态的塑造”章节试题为例，使用出声思维法与眼动追踪技术，尝试将不同学业水平的学生在问题解决过程中的思维过程可视化，揭示其问题解决中的思维方法、路径与规律。通过对比不同学业水平的学生的表现结果，了解学生的认知差异，并据此提出针对认知过程改进的教学策略，更好地做到“以生为本”。

1 文献综述

自从经济合作与发展组织启动“素养的界定与遴选：理论和概念基础”项目（DeSeCo）以来，各国围绕着核心素养的内涵、框架展开了激烈的讨论与研究。从美国［6］、英国［7］、芬兰［8］等基础教育强国发布的相关文件可以看出，问题解决能力在核心素养中占据关键地位。在我国的分科教学背景下，具体到学科的问题解决能力培养能够适应我国的教育教学现状。因此，如何培养学生在各学科的问题解决能力，成为了教育界研究的重点。
地理学的实践传统与问题解决具有内在的一致性，地理学科教育是培养问题解决能力的重要的途径。目前，国内外地理问题解决能力培养的相关研究具有共性与差异。在共性上，国内外的相关研究均集中于地理问题式教学（Problem-Based Learning），包含问题式教学的设计与开展［9-13］、项目式教学的开展［10-11］、地理信息技术与问题式教学的融合［12-13］以及问题式教学的评价［14］。在差异上，国外以实证研究为主，注重证据，关注课程培养的成效，而国内的研究以经验总结为主，更关注课例与经验的总结推广。纵观国内外的研究，大多是从课程开发者的角度去探讨课程设计以及培养的成效，其研究视角多是自上而下的，缺乏从能力发展的主体“学生”视角出发开展的研究。
问题解决能力中的“问题”并非技术上的巩固或机械性的训练，而是需要学生在一定的情境下，根据已有的认知结构去综合运用相关知识进行分析和探究的任务［15］。当前中学阶段对学生问题解决能力的评测主要以诊断性评价为主，通过问卷测量和纸笔测验等情况来判断学生的培养效果［16］。这种根据真实情境设置的地理试题具有复杂性和综合性，学生在解决地理试题的过程需要调用地理问题解决的相关方法、原则和程序。虽然地理问题解决与试题解决不能等同，但试题解决能力是中学阶段学生问题解决能力的集中体现，采用地理试题来检验学生的地理问题解决能力具有现实性。问题解决能力的本质是思维过程，从行为上表现为理解、分析、推理等要素［17］。对学生的问题解决能力进行有效的评价，重点在于对其问题解决过程中的思维进行分析［18］。学生是地理问题解决能力培养的主体，从学生认知过程视角出发展开研究，了解学生认知过程的特点，对培养学生的问题解决能力具有显著意义。已有学者尝试借助问题解决的心理学理论机制，探索学生问题解决能力的实践特征及原则思路［19］。然而，必须要承认的是，学生脑海中问题解决过程是隐性的思维活动，不易观测，这也为过往的研究制造了阻碍。以往的研究主要使用出声思维法、访谈法的方式让被试者口述自身的认知过程，以探索学生对地理问题解决的不同认知模式。这些研究方法虽然能够帮助研究者了解被试者的思维活动，但也会增加被试者的认知负荷，影响认知过程复述的完整性［20］。为规避以往研究方法对实验结果的不良影响，增强测评的科学性和严谨性，本文尝试借助眼动追踪技术，将学生在问题解决中的隐性思维过程可视化。
眼动追踪技术是基于眼-脑一致性假说（Eye-Mind Hypothesis）之上的，这一假说指出眼动是视觉注意力的可观测度量，与信息的认知加工有关［21］。自眼-脑一致性假说提出后，科学与数学教育领域的研究者们运用眼动追踪技术开展了丰富的研究，试图打开思维过程的黑箱。例如，Huang和Chen［22］探究了在解决兼顾图表与文本信息的科学问题时不同性别学生的眼动模式差异，并对空间工作记忆假说（SWM）与反应风格假说（RS）进行了验证；Inglis和Alcock［23］分析了专家与新手在完成数学问题时注意力的分配，以及解决策略的差异；Krach等［24］分析了不同的学生在解决化学问题过程中，不同的心理任务对应的认知负荷差异。总的来说，在问题解决研究上，眼动追踪为我们提供了清晰、实时的反馈，更完整地揭示了学生的认知过程，体现了独特的优势。目前的研究对学生在数学与科学问题解决过程中的信息加工、注意力分配、认知负荷与学习风格进行了相关讨论，建立了“专家-新手”、“场独立-场依存”和“男性-女性”等研究范式并取得了一定的成果。但具体到地理教育领域的相关研究较为缺乏，不同能力水平、不同性别及不同认知风格的学生在认知过程中的信息加工策略、注意力分配特点与认知负荷水平特征及其影响尚不明晰。
通过已有研究可以看出，目前地理教育领域针对学生问题解决能力的相关研究多以教育者的视角开展，缺乏受教育者在问题过程中的思维活动分析。而培养学生的问题解决能力，则必须对问题解决过程中的隐性思维活动进行探索。本文借鉴已有研究经验，将眼动追踪技术引入这一领域，期望能从不同学业水平学生试题解题认知过程出发，探明学生之间问题解决过程中存在的认知差异，并结合口语报告与访谈，深入分析这一差异，为地理问题解决能力的培养提供来自神经科学角度的证据。

2 研究设计

2.1　研究对象

研究选取了H市A校作为研究基地，A校在H市中整体位于中上层次，所选用的教材为人教版新教材（2019年版）。实验邀请A校教师把握教学进度与学生层次筛选，根据本学年2次大型模拟考试的平均成绩，按照前、中、后各1/3的原则筛选出18名高二年级被试，划分为“学优生”组、“学中生”组以及“学困生”组，每组均包括3名男生与3名女生。所有被试者均在实验前一个月完成了测试章节的学习，其测试表现具有代表性。

2.2　研究方法

2.2.1　出声思维法

出声思维法（Think Aloud Method）是认知心理学研究信息加工过程的一种常用方法，由德国心理学家邓克尔（Duncker）首先发展出来的［25］，后来埃里克森（Ericsson）和西蒙（Simon）在研究问题解决时，把它作为了一种重要的方法加以应用［26］。通过出声思维法获取被试在问题解决过程中的口语报告（Verbal reports），可以确定被试在问题解决过程中关注的信息，以及这些信息如何被用于促进问题解决，从而了解被试在问题解决时的心理过程，达到思维可视化的目的。
根据口语报告过程和加工过程的时间间隔，口语报告可以区分为同时性口语报告和追述性口语报告，在问题解决的过程中同时描述其过程的报告称为同时性口语报告，在完成问题解决后再回顾其解决过程并进行报告的形式被称为追述性口语报告［27］。为更好地保障被试的认知过程不受影响，本研究采取追述性口语报告的形式。

2.2.2　眼动追踪法

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［28］。眼动追踪技术主要是通过眼动仪，实时记录被试在信息加工过程中的眼动指标，包括注视位置、注视时间、注视次数、眼跳、回视、瞳孔大小等，窥探被试在认知加工过程中的心理活动。本研究采用眼动追踪技术，可以实时追踪学生在试题图像上的注视位置与顺序，主要通过热点图以及眼动轨迹图等图像进行可视化呈现。眼动热点图是被试注视点的密度图，它显示被试观看刺激时的强度水平，由绿色、黄色及红色3种颜色的区域组成，绿色为注视强度最低的区域，红色为注视强度最高的区域［29］。以往研究曾通过热点图，发现2个对照组的视觉注意力存在显著差异，“High Five”组专注问题措辞，在解决问题的关键区域有较多的注视，而“Low Six”组注意力分散［30］。Huang等［27］通过分析热点图，发现女性在阅读文本时比男性更谨慎，且大多数女性倾向于关注文本AOI中的所有信息，但男性仅关注关键信息。通过分析热点图，我们能够更直观地了解不同学业水平的被试在问题解决过程中的注意力分配差异。眼动轨迹图是多个连续注视和扫视组成的混合型眼动路径图。图中的圆圈表示注视，线条表示扫视，也意味着2个连续注视之间的眼球运动轨迹，数字是扫视的时间序列。通过眼动轨迹图，研究者可以从时间与空间维度分析出被试的注视位置、注视顺序、眼跳长度、回视等，这些可以回答被试解决问题时与认知过程有关的“何处”“何时”等问题［31］。例如通过分析眼动轨迹图，发现专家型被试与新手型被试对地图中的元素的关注存在显著差异［32］，抑或发现地理教师与学生之间阅读专题地图策略的相似性与差异性等［31］。通过分析眼动轨迹图，我们能够更清晰地了解不同学业水平的被试在问题解决过程中的信息加工流程与特征。通常眼动追踪实验会结合其他的研究方法，例如纸笔测验、访谈等进行三角验证，以使得结论的科学、全面、可靠。在本研究中，眼动追踪将作为口语报告的辅助手段，通过对学生眼动轨迹图的解读，了解其在问题解决中的认知过程。

2.3　研究过程

研究于2021年9—12月展开，分为实验前、眼动实验、实验后3个阶段。实验前的主要工作为眼动任务集的设计，这一阶段通过收集、筛选试题，并对试题进行试测与专家咨询，使得试题符合研究需要。眼动实验阶段需要选择符合实验要求的实验场所，并对被试逐一进行眼动校准、预实验，直到被试者完成实验。实验后，被试者转至另一个房间进行追述性口语报告，并针对口语报告结果进行访谈，结束后对内容进行转录，以便与眼动轨迹对应进行分析，最后得出相应的结论与建议。
图1 研究过程

Fig.1 Research process

2.4　研究材料

实验任务集的设计包含4个步骤：课标与考纲分析、知识点梳理、测试题初筛、专家咨询。为了让任务集包含章节的核心知识，首先进行了课标与考纲的分析以及知识点的梳理，测试题从各地大型模拟考试卷中抽取，并进行了一定的改编，试题选取参考试题大数据平台提供的难度参考。结合眼动实验的特点，筛选样题的标准要求试题的关键信息尽量清晰准确，以便思维过程能够被有效记录。研究筛选样题18道，形成测试题样卷，样卷选取S市某相应水平中学进行试测，共回收有效样卷及难度量表70份，同时进行专家咨询。试测与专家咨询均是为了保证试题的难度与有效性符合研究需要。最终形成的任务集包含9道选择题，不同难度试题各3道（表1）。
表1 各试题知识点及难度

Tab.1 Knowledge point and difficulty of each test questions

题号 考察知识点 难度
1 三大类岩石及其特点 简单
2 外力作用及其对地貌形成的影响 中等
3 内、外力作用对地貌形成的影响 困难
4 内、外力作用对地貌形态的影响 简单
5 背斜、向斜的成因与形态 中等
6 岩石圈物质循环 困难
7 地壳运动及内、外力作用对地貌形成的影响 困难
8 板块运动特点及其地貌特征 简单
9 河流、内外力作用对地貌形成的影响 中等
简单试题结构清晰，答案明确；困难试题存在冗余信息，学生获取关键信息存在困难，且推理过程复杂。下面展示一组简单、中等、困难难度试题，并作为本文后续分析的例题。
图2 简单、中等、困难试题示例

Fig.2 Example of simple， medium and difficult questions

3 学生解题过程认知差异

3.1　口语报告差异分析

出声思维法的目的在于获取学生的口语报告，学生的口语报告能够以文字的形式清晰地呈现他们的问题解决思维过程，通过分析不同学业水平学生的口语报告，能够了解他们之间存在的认知差异。以下将以例题，阐述问题解决过程中学生的认知差异。

3.1.1　简单难度试题口语报告分析

例1：西岳华山是岩浆侵入到地表以下冷凝后在断层基础上发育而成的。读华山斧劈石景观图，完成下面小题。
图3 例题1眼动实验配图

Fig. 3 Illustration of Eye-tracking experiment in Example 1

斧劈石属于（　　）
A．玄武岩　　　B．花岗岩
C．石灰岩　　　D．大理岩
【解析】本题考查岩石圈物质循环，结合题干中西岳华山是岩浆侵入地表以下冷凝发育而成，说明斧劈石属于侵入型岩浆岩，即花岗岩，B正确。学生只需要抓住岩浆侵入冷凝便可判断斧劈石为侵入型岩浆岩，再结合选项选出花岗岩。
分别选取具有代表性的学优生、学中生、学困生的口语报告作为分析材料。由口语报告（表2）可知，在审题上，所有学生都能够了解本题的目标是根据材料判断斧劈石的岩石类型，但解题过程则有所区别。学优生快速抓住了岩浆侵入冷却这一关键词，对应为侵入岩，再由侵入岩对应到花岗岩。学中生在解题过程中也能够快速对应出侵入岩，但未能排除冗余信息（如“风化”）影响，因而减慢了解题速度，说明提取信息的速度较慢。学困生虽然能够抓住岩浆侵入冷却，但没能判断出侵入岩，只能判断出岩浆岩，说明学困生的认知基础存在偏差，导致解题失败。
表2 简单难度试题的口语报告

Tab.2 Verbal reports on simple question

学生 口语报告
学优生 这一题的话，它说是岩浆侵入地表冷却，在断层基础上发育而成的，所以我认为这题是应该是侵入岩，所以我选的那个是花岗岩。
学中生 第二题是因为它是岩浆侵入地表以下，所以呢它是应该是那个侵入岩。但是，因为它应该是经过了风化什么之类的？就是那种步骤，然后我就选了花岗岩。
学困生 它那个就是岩浆侵入到地表，然后再冷凝之后再发育而成的，我本来说是岩浆岩，然后后面发现没有这个选项。然后我又乱蒙了一个，就选了玄武岩。

3.1.2　中等难度试题口语报告分析

例2：黄山的岩石以花岗岩为主，垂直节理发育，形成了许多奇峰，在奇峰的基础上，通过外力的侵蚀和风化作用形成了许多怪石，如“石猴观海”等。
图4 例题2眼动实验配图

Fig. 4 Illustration of Eye-tracking experiment in Example 2

“石猴观海”的岩石类型最可能是（　　）
A．甲　　　B．乙　　　C．丙　　　D．丁
【解析】本题考查岩石圈物质循环，需要学生理解岩石圈物质循环图，并做出判断。题干中提到，黄山的岩石以花岗岩为主，经过一系列侵蚀风化后形成了“石猴观海”。首先需要判断“石猴观海”的岩石类型属于花岗岩，花岗岩属于侵入型岩浆岩。其次在物质循环图需要判断丙为岩浆，乙为岩浆岩，给出最终的答案。
分别选取具有代表性的学优生、学中生、学困生的口语报告（表2）作为分析材料。由口语报告（表3）可知，在审题上，3类学生都能够比较清楚地判断“石猴观海”的岩石类型为花岗岩，需要在右侧的物质循环图中找出属于花岗岩的部分。在解题过程中，学优生明确首先需要找到岩浆，并能够快速判断出丙是岩浆，乙是岩浆岩，从而解决问题。学中生也同样最先找岩浆，判断出丙为岩浆，但对花岗岩的形成理解不清晰，误以为花岗岩的变质过程是在形成岩浆岩之后，即为物质循环图中乙的下一步丁，这说明学中生对于物质循环图各阶段的理解不清晰，导致错误。学困生没有理解物质循环图，只能简单地通过图像的记忆比对去回忆，且受到了题干信息中侵蚀风化的影响，导致错选。
表3 中等难度试题的口语报告

Tab.3 Verbal reports on medium question

学生 口语报告
学优生 这题的话，我选的是乙，因为丙他一般来说就是岩浆，三进一出，岩浆就会生成岩浆岩，然后他这个说的是花岗岩，花岗岩是岩浆岩，所以这题我选的是乙。
学中生 这题要我们找花岗岩，就是你看这幅图，你首先去找岩浆，这个应该（丙）是岩浆，因为首先别人会指着他，它也能够生成其他东西。所以它出来的是岩浆岩，然后冷却变质形成变质岩，花岗岩就是岩浆冷却变质之后形成，所以选丁。
学困生 嗯，首先看它是说花岗岩。然后通过外力侵蚀风化，就是讲他怎么形成的嘛，然后这个循环图我忘掉了。当时我先排除了甲，图我也记得一点点，甲应该是那个岩浆岩。然后要有侵蚀风化作用，这里感觉箭头比较多，作用应该比较多，我就在这里选了丁。

3.1.3　困难难度试题口语报告分析

例3：某中学开展研学活动，在晋陕间黄河（中游）峡谷某地段观察地质地貌景观。下图为黄河峡谷地貌景观。在峡谷西侧的公路边观察由黄土层、砂砾石层和砂页岩层构成的地层剖面。在峡谷东侧的峭壁上观察到砂页岩层中的褶皱构造。
图5 例题3眼动实验配图

Fig.5 Illustration of Eye-tracking experiment in Example 3

此地地层与构造的形成与黄河有关的是（　　）
A．①　　　B．②　　　C．③　　　D．④
【解析】本题考察流水对地表形态的塑造作用。学生需要判断哪个是由黄河影响而形成的。黄土层是风力搬运和堆积所形成的，和黄河无关。该段黄河为中游，河流流速较快，搬运能力强，因此易形成砾石堆积，而砂砾石层是砾石堆积所形成的，其形成和黄河有关，B正确。组成砂页岩的堆积物颗粒细小，不可能是黄河堆积的结果，C错误。褶皱是内力作用导致岩层发生弯曲的现象，和黄河无关，D错误。
分别选取具有代表性的学优生、学中生、学困生的口语报告作为分析材料。由口语报告（表4）可知，在审题上，3类学生都能够比较清楚地关注到题目要求与黄河有关，但学优生与学中生能够进一步判断是与流水侵蚀、堆积有关。在解题过程中，学优生能够结合题干对不同选项信息进行判断，排除黄土与褶皱，虽然在砂页岩层与砂砾石层的判断中出现失误，但最后仍选对了答案。学中生首先排除褶皱，其次虽排除了砂页岩层，但其原因是误将沉积作用与黄河堆积相区分开，对黄土层的判断基于图片的位置信息，不完全准确。学困生没有一一判断选项，仅观察图片位置信息就选择答案，最终解题失败。
表4 困难难度试题的口语报告

Tab.4 Verbal reports on difficult question

学生 口语报告
学优生 这道题说要与黄河有关，那就是侵蚀、搬运、堆积一类的。首先那个黄土应该是从北方是从西北方带过来的，然后褶皱构造的话，很明显是内力作用形成，跟黄河没有关系。然后砂页岩层的话应该是岩石沉积形成的，所以我认为是砂砾石层。
学中生 首先，这题是题目说构成与黄河有关嘛，褶皱是板块运动的，那不能跟黄河有关，跟黄河有关应该是流水侵蚀、或堆积了。褶皱肯定是内力，砂页岩层应该是沉积了，它跟黄河堆积应该不一样，然后黄土层我觉得是在黄河堆积物之上发育而来的，比较高，所以选了砂砾石层，感觉它是被黄河搬运过来的。
学困生 这个题，与黄河有关，就这3个都在上面（黄土层、砂砾石层、砂页岩层），褶皱应该整一块，3个面都有的，然后就这样冲上去，就会形成褶皱，然后就选了褶皱。
综合在3个难度试题解决中3类学生的口语报告表现可知，学优生的认知基础较为牢固，且关键信息的抓取、加工能力强，逻辑思维也较为清晰；学中生的认知基础存在一定的偏差，提取信息的能力也较弱，导致逻辑思维不清晰，容易出现能提取关键信息但信息加工过程出错的情况；学困生的认知基础、提取信息能力以及认知环节皆存在缺失的情况，难以展开逻辑判断，导致解题出现问题。

3.2　眼动策略图像分析

眼动数据可视化是是常见的眼动数据分析方法，其中眼动热点图（heat-map）和注视轨迹图（gaze plot）能直观地呈现被试的注视点空间分布［33］，从而可视化被试的认知过程，使得研究者更清晰地分析被试的观察策略以及不同被试间的差异。本研究通过分析被试在简单、中等、困难试题的眼动过程可视化图像，并将其与口语报告相结合，了解不同被试在问题解决过程中的信息加工策略与注意力分配特征。

3.2.1　眼动热点图分析

从简单试题、中等试题及困难试题的热点图（图6）中均可以看出，学优生的注视区域更为集中，在题干上集中于关键信息，在选项上集中于正确选项，能够专注于解决试题的相关区域。这也说明学优生在问题解决过程中信息抓取能力强，且图式结构良好，能够很快地判断信息是否对问题解决有价值。相比于学优生，学中生会受到一些冗余信息的影响，在难度较高的信息与选项中的注视较学优生多，这说明学中生已经具备了一定的认知基础，但图式结构不佳，使得他们在具有难度的信息中无法快速地判断信息的有效性。学困生的注视区域非常分散，遍布试题的所有区域，说明他们的认知基础与结构较差，对问题的指向不清晰，难以获取关键信息。
图6 不同学业水平的被试关于简单、中等及困难试题的眼动热点图

Fig.6 Heat-maps of simple， medium and difficult questions for subjects with different academic levels

3.2.2　眼动轨迹图分析

从简单试题、中等试题及困难试题的眼动轨迹图（图7）均可看出，学优生的眼动轨迹较为简洁，扫视次数较少，轨迹短，回视次数少。这与口语报告及眼动热点图上的发现相一致，学优生的口语报告最为简练，表达的逻辑清晰，热点区域集中。这说明他们能够快速判断关键信息，并对关键信息进行深度加工，以理解问题，同时我们在其中等及困难试题的口语报告中能够发现学优生善于使用排除法等策略，筛除信息，起到降低难度、排除冗余信息、集中精力的效果。学中生相较于学优生而言，其注视点主要仍在关键信息上，且注视轨迹与学优生相似。说明学中生能够找到关键信息，但是为何无法顺利解决难度提升的问题呢？从口语报告中我们能发现，学中生拥有一定的知识基础，能够就信息进行加工，但缺乏熟练度，且无法很好的利用方法策略，加工能力相对更弱，推理过程更为复杂，正确率也就越低。学困生是3者之间眼跳次数最多、轨迹最长、回视次数最多的，同时其注视分布更为分散。从口语报告中我们也能看出无论是简单试题或是困难试题，其解题过程都更长，更容易受到冗余信息的影响，更难发现关键信息。还有一类学困生在面对困难问题时动力不足，其注视次数与眼跳次数少，口语报告中也能发现他们在找不到关键信息时容易草草放弃问题解决。
图7 不同学业水平的被试关于简单、中等及困难试题的眼动轨迹图

Fig.7 Gaze plots of subjects with different academic levels on easy， medium and difficult questions

4 教学启示

通过对不同学业水平的学生在不同难度的地理问题解决过程中的认知差异进行研究，我们发现，学优生、学中生、学困生在“地表形态的塑造”问题解决过程中，信息加工、注意力分配以及认知负荷均存在一定的差异。这可能是源于他们在基础知识掌握、信息获取能力、信息加工能力上的差异。结合信息加工理论与认知负荷等理论，笔者基于研究发现，对“地表形态的塑造”一章乃至地理教学提出几点教学建议，以期能够提升教师对学生的了解，因材施教，促进深度教学的发生。具体的教学效果与可行性还有待实施后进一步的评价。
第一，进行步骤化习题教学，提高信息提取效率。在问题解决中准确定位关键信息能帮助学生快速抓住问题的条件、性质及目标。通过对比不同学业水平学生的研究结果可知，抓住关键信息，理解已知条件与达成目标之间的桥梁是成功解决问题的关键，也是进行下一步认知加工的前提［34］。信息提取能力较低的学生在解决问题时重点不突出，容易受到冗余信息的影响，难以理解问题的本质。因此在日常地理教学中教师可以尝试按照问题类型、已知条件、达成目标3步骤进行习题教学，提高学生信息提取效率。
第二，丰富知识逻辑的呈现形式，重视图式教学。学生不能解决问题并不一定是认知基础的缺失，还可能存在地理图式结构不良、知识无法与问题情景相对应和逻辑推理无法展开的问题。因此教师在地理教学中，不仅要教授学生知识，同时要重视思维导图、逻辑图等不同的知识呈现形式的运用，进行知识逻辑的讲解，帮助学生建立良好的地理图式结构。
第三，重视解题方法的运用，做到因题因境。熟练运用正向与逆向解题方法的学生解题速度更快，正确率更高。通常使用最多的问题解决方法就是排除法和关键词法，但这两种方法并不足以应对所有地理问题。应根据具体的地理知识有针对性地教授学生解决地理问题的技巧，例如在地理要素变化时可教授学生逻辑推理法、图示法等，在地理过程类试题解答时可教授学生阶段环节法、要素分析法、假设推断法等。做到因题因境，有针对性地采取教学。
第四，对不同类型学生进行针对性突破指导，取长补短。学优生在问题解决过程中，能够表现出比较好的认知基础、信息提取能力以及逻辑推理过程，困扰他们的主要是部分较难的认知基础知识掌握不足，教师对学优生可以适当拓宽知识容量进行教学。同时，也应当关注学优生的认知策略特点，相较于教师而言，学优生的认知特点既有学生的特性，又有成熟问题解决者的特征，更能代表学生“专家”。教师可以通过“小先生”制或树立榜样带动学习，也可以尝试学习物理教学、化学教学等领域样例教学的方法，通过剖析学优生的思维过程，将其可视化，提供给学中生、学困生进行学习，这一方法能够让学生从问题解决的各个阶段进行反思、学习，且易推广、效率高。学中生表现出一定的认知基础与信息提取能力，但仍存在不足，逻辑推理尚处在初级阶段，推理过程不熟练，方法策略不完善。教师需要打牢基础，重视学中生地理逻辑思维的培养，同时针对性的补全方法、策略的运用练习。学困生各方面存在一定的问题，教师经常会遇到学生怎么教都不会，钻牛角尖的情况发生。其本质是学生问题解决信息加工过程的某一环节出错，而教师反复强调纠正的可能与这一环节无关。这时候教师需要通过口语报告法或其他的手段，使得学生的认知过程可视化，剖析学生的“顽疾”所在。再针对学情进行“脚手架”教学，从打牢认知基础开始，逐步提高他们的信息提取与逻辑推理能力。
第五，教师需要基于学科特性，注重评价工具的多样性，发展认知诊断评价。现有的知识考核能够对学生的认知结果进行评判，但对学生的认知过程的评价却较为缺少。从眼动轨迹与口语报告中我们可以发现，正确给出答案的学生其认知过程可能完全错误，而没能正确给出答案的学生其认知过程可能大体正确。从真正发展学生的问题解决能力而言，应当适当引入认知诊断评价的机制，对学生的认知过程进行评价和打分。与此同时，在教学过程中，也要强调基于问题诊断的认知图式教学，以真正的发展和培养学生的问题解决能力，促进学生对问题的深度理解。

5 结论与讨论

研究运用出声思维法和眼动追踪技术，探究不同学业水平的学生在“地表形态的塑造”章节相关地理问题的解决时，在信息加工、注意力分配以及认知负荷等方面的认知差异，将问题解决过程中的思维过程可视化，以此提出地理问题解决能力的培养策略。研究结果表明，不同学业水平的学生在地理问题解决过程中，其认知基础、关键信息的提取和加工能力，以及认知环节的逻辑思维存在差异。整体上，学业水平高的学生，注视次数更少，区域更集中，口语表达清晰，这也体现出他们的认知基础更为牢固，且关键信息的抓取、加工能力强，较少受到冗余信息的影响，从而高效解决问题。学业水平中等的学生，从注视点与次数上可以看出他们受冗余信息的影响较多，且存在犹豫表达，这说明他们知识结构、逻辑不清，且缺乏方法与技巧，这也导致了信息加工受阻。学业水平较低的学生在认知基础、信息加工等方面均存在一定的问题。在常规教学中，教师应当尝试针对不同学业水平的学生的认知难点，实现“因材施教”，更好地培养学生的地理问题解决能力。
本文所使用的任务集多为高中试题，结构较为良好，且内容较为单一，学生在真实世界中的地理问题解决过程更为真实、复杂，在未来的研究中可以尝试使用便携式眼动追踪仪器让学生在真实场景下开展问题解决，以探索更多差异。此外，在未来有关问题解决、认知差异的研究中可以进一步发展眼动研究的范式，可以尝试从情感、思维、能力等多种视角出发，探讨学生在地理素养形成过程中的各种具身认知体验，为个性化、人本化教学提供借鉴。

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