论文精读 || 眼动追踪为空间能力研究带来全新视角

很多初学者在刚开始他们的研究生涯时，会误将“相关”与“因果”搞混。例如在专家-新手研究中，两位研究者都得到了专业经验与任务表现正相关的结果，且这种效应非常显著。这时，初学研究者会认为是长期的专业训练带来的知识经验优势使专家组的任务表现显著优于新手组。而一位成熟的研究者会从多个方面考虑这个数据结果，例如“是否在专家身上存在一种特质，使其能够成为专家？”因此，成熟的研究者会更倾向于审慎地解释他们的结果：“专家在解决该问题时，成绩更好，效率更高，但其中的原因和机制有待进一步探究”。除非实验者在实验中完全操控了因变量，否则不能说自变量的改变导致了因变量变化。

在这一点上，来自北京师范大学地理科学学院的董卫华老师为我们做出了表率。在董老师团队的研究 Using Eye Tracking to Explore Differences in Map-Based Spatial Ability between Geographers and Non-Geographers 中，他们使用了四个空间地图任务，来检测地理专业学生和非地理专业学生之间的空间能力差异，并使用眼动追踪技术探知任务完成过程中的视觉认知资源分配和认知过程。在本期的论文精读中，董老师授权我们解读了这项研究。

作者谈

“科学家们对空间能力的研究由来已久，空间能力也被认为是除语言能力和数学能力外的人类第三大认知能力。空间能力在人们的日常工作和生活中发挥着重要的作用，例如日常寻路、认识新环境、紧急避难等均需要发挥空间能力。对空间能力进行定量评估和训练一直是我们关注的话题。我们想到要是能建立视觉注意与空间能力之间的关联，那么它将比传统问卷测量更客观、更具有实用价值。本研究是我们团队在这个方向上一个小探究，研究结果为我们以后使用眼动跟踪来度量空间能力提供了一种可能性”

——董卫华教授，

北京师范大学

地理科学学院

原文链接：https://www.mdpi.com/2220-9964/7/9/337

推荐该研究的理由：

本研究探究了地理专业学生和非地理专业学生空间能力的认知过程差异；

审慎地解释了基于被试自变量的实验结果；
使用一个清晰的单因素被试间实验设计，专注于回答提出的研究问题；
使用了三个基于注视和眼跳的指标，揭示空间任务认知过程。

通过本文您能够了解到：

空间能力的个体差异研究；
眼动追踪工具在空间认知领域中的应用；
促进地理教学的改进可能。

1. 研究背景

空间能力的概念起源于Tolman，定义为感知，学习，记忆，推理和传递空间信息的能力。训练可以提高空间能力，但地理学者和非地理学者之间的空间任务认知过程差异研究仍处于空白。作为空间思维的基础，空间能力对于个体在STEM（Science, Technology, Engineering, Mathematics）领域的发展非常重要。空间能力分为三个子成分：

空间定位（Spatial Localization）：根据局部的，相关的或全局的参考框架定位自己；
空间定向（Spatial Orientation）：指在给定的参考框架下确定自己面朝的方向；
空间可视化能力（Spatial Visualization Capabilities）：通过想像旋转，扭转或变换二维或三维空间客体的能力。

在以往的研究中已经证实，专业背景不同的个体，空间能力存在差异。且这一差异受到性别差异的调节作用，具体表现为有地理专业背景的女性的空间能力强于同背景的男性。但这些研究普遍关注任务表现，而缺乏对空间任务认知过程的研究。

2. 研究问题和假设

为了进一步探究空间能力及其相关任务的认知过程，本研究主要关注两个研究问题和与之对应的研究假设：

研究问题１：地理专业背景的个体，是否空间能力更强？

研究假设１：受地理专业训练的个体的空间能力较强，这体现在对四个实验任务更高的正确率和更低的反应时上。

研究问题２：这一促进效应是否体现在视觉认知过程中？

研究假设２：受地理专业训练的个体在空间任务中的视觉注意策略更佳，这体现在更少的视觉认知资源投入和更集中的视觉注意模式上。

3. 实验设计

采用一个单因素二水平被试间实验设计。

自变量为被试的专业背景。有两个水平，地理专业学生和非地理专业学生。

采用5个因变量评估被试任务表现和认知过程：

4. 方法

4.1 实验材料

实验包含4类，共12道空间能力测试题，所有测试题目都是在前期研究的基础上精心挑选的。4个类型题目的概况如下：

等高线地图中的点定位（Point localization with contour lines），在等高线地图上的几个点中找出海拔高度最高的那个；

等高线地图的剖面线定向（Section line orientation based on contour map），匹配同一地形的等高线地图和剖面线地图；

等高线地图的坡度可视化（Slope visualization from contour map），指出等高线地图中坡度最大的线；

从等高线判断地形（Terrain determination by visualizing contour map），向主试描述等高线地图中标注地区的地形。

题目的编制和选取遵循以下四条原则：

题目对于非地理学专业的学生来说不能太难；
地图须关注重点，没有无关信息；
解决的问题无需先验知识；
所有必要信息都能够从地图上获得。

4.2 实验流程

先首先向非地理专业学生解释山峰（Mountain Peaks）和山谷（Mountain Valleys）的定义。而后做了背景信息调查，包括性别和使用地图的频率等信息。然后开展预实验，向被试展示与正式实验无关的地图并提问，在这一过程中被试可提出任何问题。随后开始正式实验，同时记录眼动行为。

4.3 实验被试

北京某高校的32名本科生和研究生参与了实验，其中16名为地理专业的学生。地理学专业的学生修读过测绘学，地质地貌学，地理信息系统和地理田野实践课程。非地理专业的学生在高中修读的是理科，没有接受过任何地理领域的课程或训练。所有被试的母语均为中文，视力或矫正视力良好。

4.4 实验仪器

采用Tobii T120眼动仪，采样率为60hz，刺激材料呈现在17英寸的显示器上，分辨率为1280x1024pix，实验环境的光环境可控，眼动数据的有效采样比率）（Gaze Sample）大于80%，眼动实验持续20-30min。

（Fusion动图）

5. 结果与讨论

5.1 结果

任务1的结果显示，地理专业学生的任务时间显著短于非地理专业的学生（以下简称为专业组和非专业组）；注视时长无显著差异；但专业组的注视频率显著大于非专业组；专业组的眼跳次数显著小于非专业组。

从注视的空间分布图中可以看出，地理专业学生的注视更有规律，集中在关键信息周围。非专业学生的注视更分散，注视顺序更混乱无序，包含一些无关信息。

在任务二中，专业组的任务时间短于非地理专业学生；专业组的注视和眼跳次数低于非地理学生；专业组的注视频率显著高于非地理专业学生。

从热点图来看，专业组将注视更多地集中在海拔和等高线信息上，而非专业组的注视则偏向于分散。专业组在两幅图之间的注视转换次数、注视等高线次数和时间也更短。

在任务三中，专业组的任务时间，注视次数和眼跳次数少于非专业组。但注视频率高于非专业组。

热点图显示，专业组读图时表现出更高的效率，注视顺序相对统一。

在任务四中，专业组的任务时间，注视次数和眼跳次数低于非专业组，而注视频率高于非专业组。

从热点图来看，专业组更关注问题相关的区域。在读图时，专业组的读图模式有相似性，而非专业组则会扫描整个地图。

5.2 讨论和结论

结合四个任务来看，专业组答题时间更短，准确率更高，且更善于提取和理解。专业组在扫描地形图时更关注关键信息，表现出更统一的规律性，在搜索信息时眼跳较少。

专业组提取和理解关键信息方面效率更高，也表现出对关键区域更集中的注意力，更少分心。在动态刺激的处理和排序中，专业组更关注与任务相关的区域。专业组可以在更短的时间内从给定的地图中获得更多的信息。而非专业组既关注关键信息，也关注不相关的区域，如比例尺和多余的等高线。

5.3 研究结论

与非地理专业学生相比，地理专业学生阅读地图的时间更短，准确率更高，更关注关键信息点，注视数量更少，信息提取速度更快。这些发现表明，地理专业学生在解决空间问题时有效性更高也更有效率。但很难确定这一优势是由于先天空间能力(由遗传或性别因素决定)还是后天地理训练导致的。

6. 评论与总结

在传统的空间能力领域的专家新手研究中，研究者能够探知专家在哪些方面，何种程度上优于新手。但却达不到“知其所以然”的认识，这是因为传统行为研究注重理性推论与行为结果的解释，容易忽略认知过程。正如全国心理学学术会议眼动追踪工作坊中，Tobii AB的科学作家Dr. Ieva Miseviciute曾经论述的：“在诸如按键反应、鼠标轨迹追踪和口头报告等行为反应中，认知的过程很难追踪，只有最后的行为反应会被记录下来。而眼动追踪可持续揭示连续的认知过程。”

通过眼动追踪技术的应用，董老师等人不仅探究了地理专业学生和非地理专业学生的任务表现，还从认知过程的角度探究了这一差异形成的机制和原理。眼动追踪这样的过程性数据能够为研究者带来的新的视角。并且这些行为过程数据经过提炼总结后也可以对专业教学有所启示，例如在读图时，根据专家的眼动轨迹，教师可以引导学生重点关注一些区域，而忽略不重要的区域以节省认知资源。

在本期的【论文精读】中，我们为您介绍了北京师范大学董卫华老师团队的空间认知研究 Using Eye Tracking to Explore Differences in Map-Based Spatial Ability between Geographers and Non-Geographers 。从理论意义上来讲，该研究为能力差异研究提供了一个新的，过程性的研究视角。从实践意义上讲，该研究有利于从认知过程角度进一步细化空间能力的组成，从而为学术和专业训练带来启示。

直播预告

在2023年4月1日（本周六上午）10:00-12:00，我们将会邀请本次论文精读的作者——来自北京师范大学的董卫华教授，协同湖南师范大学的廖华副教授，为我们带来【地理空间认知研究中的眼动追踪技术】专题。

董教授将为我们带来以【地图学空间认知眼动实验原理与方法】为题的主旨报告；廖华副教授将为我们分享地理空间认知眼动研究领域的相关实战经验：【地图眼动研究实践案例】。我们欢迎对于本期线上活动感兴趣的朋友们联系下方二维码进行踊跃报名~

参考文献

Dong W, Zheng L, Liu B, Meng L. Using Eye Tracking to Explore Differences in Map-Based Spatial Ability between Geographers and Non-Geographers. ISPRS International Journal of Geo-Information. 2018; 7(9):337.

致谢

感谢北京师范大学的董卫华老师授权我们报道并解读这篇文章，也感谢董老师和湖南师范大学的廖华老师在本文写作中给予的大力支持。