利用眼动追踪技术探讨高中生在不同问题情境下地图阅读能力的差异及其影响因素

《COMPUTERS and EDUCATION》：Using eye tracking to explore differences and influencing factors of map reading ability in different problem situation among high school students

本研究利用眼动追踪技术，对比分析高中生在不同情境（学科知识/实际应用）下的地图阅读能力差异，发现实际应用中反应时间更长、准确性更低，但认知负荷未显著增加。传统地理教育在空间推理和实际应用技能培养方面存在不足，需改进教学策略。

　　本研究通过眼动追踪技术，探讨了高中学生在学科知识情境与现实生活应用情境中地图阅读能力的差异。不同于以往主要关注结果导向评估的研究，本研究将过程性指标与结果性指标相结合，从定量角度评估了学生在不同问题情境下地图阅读能力的表现。此外，本研究还系统分析了影响学生地图阅读能力的内部与外部因素，并构建了一个概念框架，以阐明这些因素如何影响学生在不同情境下的表现差异。研究结果表明，在现实生活中，学生表现出更长的反应时间、更广泛的视觉搜索范围、复杂的信息处理方式以及较低的准确性。然而，尽管存在这些局限，学生的认知负荷并未显著增加。此外，本研究还指出了传统地理教育中的几个局限性，特别是在培养学生的空间推理能力和实际应用技能方面。这些发现为现有的地图阅读能力研究提供了新的理论基础和实证支持，同时也有助于教育工作者更好地提升学生在实际生活中的地图应用能力，以满足多样化的实践需求。

地图常被称为地理学的“第二语言”，其独特之处在于依赖地理图像来传递空间信息（Bednarz, 1994）。地理图像指的是对空间信息的视觉表达（Philips, 1993）。一方面，它包括通过实地摄影、遥感技术等方法获得的直观地理特征图像（Roberts, 2013）。这些图像包括卫星影像地图，能够准确反映地理要素的分布和形态，如地形、植被和地表水体。另一方面，它也涵盖由地理数据经过可视化处理后生成的图像，例如三维地理景观模拟地图（Li & Hsu, 2022），这些地图以更加直观和易于理解的方式向读者传递地理信息，有助于加深对相关现象的理解。地图阅读是一项复杂的认知任务，它依赖于读者已有的经验和既定的解释规则（Streeter & Vitello, 1986）。在日常生活中，能够理解和使用地图的能力，与识字和沟通技能一样，构成了基本的生活技能（Clarke, 2003）。目前，地图在日常生活中更加普及和频繁使用（Ooms et al., 2016），因此学生在早期阶段获得的地图知识，对其日常行为和与地图的互动方式具有重要影响（Kamil et al., 2020）。然而，当前高中学生的地图阅读能力仍显不足（Zhang, 2023），他们对地图的理解往往停留在表面层面。许多学生难以提取关键的、深层次的地理信息，并且无法将这些信息与已有的地理认知框架相结合，或有效应用于问题解决的情境（Yun, 2023）。因此，培养学生有效运用知识解决实际问题的能力，已成为学校教育中的紧迫任务（Jonassen, 2010）。在这里，“问题”指的是超越学校教育范围的真实问题解决情境。Perkins（2014）认为，从工业时代向信息时代过渡过程中，教育的最大变化是信息时代教育围绕“现实世界中的真实问题和机会”展开。当前教育面临的最大挑战是学校教育与现实世界的脱节，学生无法将所学知识应用于未来问题的解决。随着地图使用情境的多样化，有必要评估地理教育所培养的地图阅读能力是否足以满足多样化的实际需求。因此，本研究设计了学科知识情境和生活实践情境的实验材料，以验证这一问题。Jonassen（1991）认为，在建构主义学习环境的设计中，“情境”是决定性的因素（Jonassen, 1991）。情境指的是问题（任务）的物理和概念结构，以及活动的目的、与问题（任务）相关的社会环境。Choi和Hannafin（1995）认为，情境包括整体氛围、物理环境以及当前的“背景”事件。在本研究中，我们将生活实践问题情境定义为学生在日常生活中遇到的问题情境，这些情境需要使用地图阅读技能进行解决，例如导航和旅行规划。我们将学科知识问题情境定义为学生在学科学习过程中遇到的问题情境，这些情境需要使用地图阅读技能来理解和分析学科知识，例如解读地理中的等高线地图和分析天气地图。这种评估对于理解当前地理教育的状况以及评估其有效性至关重要。

大多数关于地图阅读的研究依赖于定性分析（Nie, 2022）或传统的评估工具，如问卷调查（Ooms et al., 2016）和书面测试（Wagner, 1953）来评估学生地图阅读能力。然而，随着科学技术的显著进步，信息可视化方法在教育研究中逐渐被采用，以弥补这一研究空白。例如，Lee（2016）引入了“可视化素养评估测试”（VLAT），使教育者能够定量测量学生的视觉素养，并据此调整教学策略。在地理教育的实证研究中，眼动追踪技术作为一种先进的计算机交互方法，被广泛用于客观捕捉学生进行地图阅读任务时的复杂认知过程，并提供实时的眼动数据（Shadiev & Li, 2023）。此外，利用这一工具评估高中生的地图阅读能力，提供了一种直观的方式，并能够很好地与定性方法结合，从而获得更全面的理解。地图阅读是一项复杂的视觉-认知过程（Dong, 2023），但现有的关于学生地图阅读能力的研究主要依赖于回答准确性的评估标准，并使用基于知识的材料作为评估媒介。因此，它们无法全面评估当前地理教育实践是否有效培养了学生在实际应用中的地图使用能力。因此，本研究采用眼动追踪技术，探讨通过地理教育获得的地图阅读能力是否能够满足多样化的实际需求，同时分析影响这些能力的因素。本研究收集了76名贵阳市某高中学生的的眼动数据，分析了反应时间、注视次数、注视频率和扫视次数等因素，以评估学生在不同问题情境下的地图阅读能力差异。

本研究的其余部分将按如下结构组织。第二部分将介绍关键概念并回顾地图阅读能力的相关文献，包括与本研究相关的视觉追踪研究。第三部分详细描述了本眼动追踪实验的方法。第四部分将分析眼动追踪数据，评估学生在不同问题情境下的地图阅读能力差异，并构建一个概念模型以探讨潜在影响这些结果的因素。第五部分将讨论当前高中生地图阅读能力的状况及其影响因素。最后，第六部分将呈现研究结论和对未来研究的建议。

地图阅读能力是指个体在实际情境中理解并有效使用地图的能力（Bluestein & Acredolo, 1979）。它是学生发展核心地理能力的重要组成部分（Dewi et al., 2023）。通过在地理教学中培养地图阅读能力，学生能够通过逻辑推理、空间想象和综合分析，形成全面的地图思维能力，并能够挖掘地图中隐藏的信息。地图阅读能力不仅关系到学生对地理信息的获取和理解，还影响其在实际生活中的应用能力。因此，评估地图阅读能力对于地理教育的发展具有重要意义。然而，当前的研究大多关注学生对地图内容的理解程度，而忽视了他们在实际情境中使用地图的能力。此外，许多研究仅通过学生的最终答案来评估其地图阅读能力，而未能深入分析他们在阅读过程中所经历的认知过程。因此，本研究采用眼动追踪技术，从更全面的角度评估学生在不同情境下的地图阅读能力，并探讨影响这些能力的因素。通过分析学生在地图阅读过程中的视觉行为，如注视时间、扫视路径和认知负荷，我们能够更深入地理解学生在面对不同类型的地图任务时的表现差异。

本研究的参与者来自中国贵州省贵阳市的一所高中。我们从该校的高年级学生名单中随机抽取样本，作为初始的候选参与者。在最终的实验样本中，排除了有严重视力障碍、无法配合眼动追踪程序、或近期参与过类似实验的学生。最终，共有80名学生被纳入实验。在实验过程中，我们收集了这些学生在不同问题情境下的眼动数据，并对其进行了分析。眼动数据的收集和分析为评估学生在不同情境下的地图阅读能力提供了重要的实证依据。通过观察学生在地图阅读任务中的视觉行为，我们能够更准确地判断他们在不同情境下的表现差异，并进一步探讨这些差异背后的原因。

本研究的实验结果如图1所示的箱形图所示。在生活实践情境中，学生的答案准确率（M = 0.386，SD = 0.267）显著低于学科知识情境中的准确率（M = 0.553，SD = 0.286）。同时，生活实践情境中的任务完成时间（M = 128.163，SD = 50.066）也显著长于学科知识情境中的任务完成时间（M = 54.419，SD = 22.163）。两种情境之间存在显著差异（P = 0.000 < 0.001，d > 0.5），表明学生在面对不同类型的地图阅读任务时表现出明显的能力差异。进一步的分析表明，学生在生活实践情境中的反应时间更长，视觉搜索范围更广，信息处理方式更为复杂，但其认知负荷并未显著增加。这说明学生在面对现实生活中的地图任务时，虽然在任务完成上面临更多挑战，但其认知资源并未被过度消耗。这种现象可能与学生在面对学科知识情境时所具有的更熟悉的地图类型和更明确的任务目标有关。在学科知识情境中，学生通常需要阅读特定类型的地图，如等高线地图或天气地图，这些地图的结构和内容较为标准化，学生在学习过程中已经形成了相应的认知框架和解读策略。因此，他们在这种情境下的表现更为稳定和高效。

然而，在生活实践情境中，学生需要面对的是更加复杂和多样化的问题，例如导航、旅行规划或环境问题的分析。这些情境通常没有明确的指导，学生需要依靠自己的经验和知识来解读地图信息，并将其应用于实际问题的解决。因此，学生在这些情境中的表现往往受到更多外部因素的影响，如地图的复杂性、信息的不确定性以及任务的现实性。此外，学生在面对现实生活中的地图任务时，可能需要结合多个信息来源，如文字说明、图标和注释，以形成完整的理解。这种多源信息整合的过程可能增加了学生的认知负担，导致他们在任务完成上需要更多的时间和精力。然而，研究结果表明，尽管任务完成时间较长，学生的认知负荷并未显著增加，这可能意味着学生在面对现实生活中的地图任务时，已经形成了一定的适应机制，能够在不增加认知负担的情况下完成任务。

在分析学生在不同情境下的表现时，我们还发现了一些值得注意的模式。例如，在生活实践情境中，学生更倾向于进行广泛的视觉搜索，而较少专注于特定的信息区域。这表明他们在面对现实生活中的地图任务时，可能需要更多的探索和信息筛选，以找到与任务相关的内容。相比之下，在学科知识情境中，学生通常能够更快地定位到关键信息区域，并以更高效的方式完成任务。此外，学生的反应时间在生活实践情境中也更长，这可能与任务的复杂性和不确定性有关。然而，尽管反应时间较长，学生的准确性却相对较低，这表明他们在面对现实生活中的地图任务时，可能更倾向于采取保守的策略，以减少错误的风险。

进一步的分析还表明，学生的地图阅读能力受到多种因素的影响。其中，教师的教学方法和课程设计在培养学生地图阅读能力方面起着至关重要的作用。许多研究指出，传统地理教育过于强调学科知识的传授，而忽视了学生在实际情境中的应用能力（An et al., 2023）。这种教学模式可能导致学生在面对现实生活中的地图任务时缺乏必要的技能和经验。因此，为了提高学生的地图阅读能力，教育工作者需要在教学过程中更加注重情境教学和实践应用。通过将地图阅读与实际问题相结合，学生能够在更真实的环境中学习和应用地图知识，从而提高其综合能力。

此外，学生的个人特质和学习习惯也对地图阅读能力产生重要影响。例如，学生的学习兴趣、学习动机和认知风格可能影响其在不同情境下的表现。那些对地理学科感兴趣的学生，通常更愿意主动探索地图信息，并尝试不同的解读方法。相比之下，对地理学习缺乏兴趣的学生可能更倾向于依赖已有的知识和经验，而忽视地图中的新信息。此外，学生的认知风格，如视觉型学习者或语言型学习者，也可能影响其地图阅读能力。视觉型学习者通常能够更有效地利用地图的视觉信息，而语言型学习者可能更依赖文字说明和注释。因此，在教学过程中，教育者需要根据学生的个体差异，采取相应的教学策略，以提高他们的地图阅读能力。

另一个值得关注的因素是学生的家庭背景和环境支持。研究表明，家庭环境对学生的认知发展和学习能力具有重要影响（Zhang, 2023）。那些在家庭中经常接触地图或地理相关材料的学生，通常在地图阅读能力方面表现更优。这可能是因为他们在日常生活中积累了更多的地图使用经验，并形成了相应的认知框架。相比之下，那些缺乏相关环境支持的学生可能在地图阅读任务中表现较差，因为他们缺乏必要的经验和技能。因此，在培养学生的地图阅读能力时，教育者需要考虑家庭环境的影响，并尽可能提供更多的支持和资源，以帮助学生更好地发展这一能力。

此外，学生的年龄和学习阶段也对地图阅读能力产生影响。高中生正处于认知发展的关键阶段，他们的抽象思维和空间想象能力正在逐步成熟。因此，在这一阶段，学生通常能够更好地理解和应用地图信息。然而，不同年级的学生在地图阅读能力上可能存在差异。例如，高年级学生可能比低年级学生具备更强的阅读能力和分析能力，因为他们已经积累了更多的地理知识和经验。因此，在评估学生的地图阅读能力时，需要考虑他们的年龄和学习阶段，并根据这些因素调整评估标准和教学方法。

在实验过程中，我们还发现了一些关于学生地图阅读能力的其他重要发现。例如，学生在面对不同类型的地图时，其阅读策略和认知过程可能存在差异。有些学生可能更倾向于使用系统化的阅读方法，如按顺序查看地图的各个部分，而另一些学生可能更倾向于跳跃式阅读，直接寻找与任务相关的信息。这种阅读策略的差异可能影响他们在不同情境下的表现。此外，学生在地图阅读任务中的注意力分配和信息处理方式也可能影响其准确性。例如，一些学生可能在阅读过程中容易分心，导致信息处理不完整或错误。而另一些学生则能够保持较高的注意力集中度，从而更准确地完成任务。

综上所述，本研究通过眼动追踪技术，探讨了高中学生在学科知识情境和生活实践情境中地图阅读能力的差异。研究结果表明，学生在生活实践情境中的表现通常不如在学科知识情境中的表现，这可能与任务的复杂性、信息的不确定性以及学生的认知适应能力有关。此外，本研究还指出，传统地理教育在培养学生的地图阅读能力方面存在一定的局限性，特别是在提升其实际应用能力和空间推理能力方面。因此，为了更好地提升学生的地图阅读能力，教育工作者需要在教学过程中更加注重情境教学和实践应用，以帮助学生更好地适应现实生活中的地图使用需求。同时，教育者还需要关注学生的个体差异，包括学习兴趣、认知风格和家庭背景等因素，并根据这些因素调整教学策略，以提高学生的整体地图阅读能力。通过这种方式，学生不仅能够在课堂上更好地理解和应用地图知识，还能够在日常生活中更有效地使用地图，从而提升其综合地理素养和实际应用能力。