楊 文，肖艷麗

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)世界技能大賽中國(guó)研究中心，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)職業(yè)教育學(xué)院，天津 300222）

空間視覺化技能，尤其是三維視覺化能力，是與STEM（science，technology，engineering and mathematics）領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)習(xí)密切相關(guān)的認(rèn)知技能[1]，美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)也認(rèn)為空間技能是該領(lǐng)域?qū)W習(xí)的關(guān)鍵技能。以往研究發(fā)現(xiàn)空間技能水平存在明顯的性別差異，尤其是在心理旋轉(zhuǎn)測(cè)驗(yàn)中，男性表現(xiàn)顯著優(yōu)于女性，在空間視覺化任務(wù)中的表現(xiàn)可以直接影響學(xué)習(xí)者的自我效能感[2-3]。研究表明，訓(xùn)練是提高空間視覺化技能的有效方法，提高空間視覺化技能有助于提高其自我效能感，進(jìn)而堅(jiān)定其繼續(xù)學(xué)習(xí)本專業(yè)的信心[4-5]。本研究回顧了以往研究者對(duì)空間技能的定義，總結(jié)了空間技能在工作學(xué)習(xí)中的作用，尤其是在工科類專業(yè)學(xué)習(xí)中的作用，并對(duì)空間技能的測(cè)評(píng)做了簡(jiǎn)要總結(jié)。通過以往研究發(fā)現(xiàn)，空間技能是影響工科類專業(yè)學(xué)習(xí)的重要因素之一，而且這種技能是可以通過訓(xùn)練得到提高的，本文從學(xué)校教育的角度及學(xué)習(xí)者的角度探討了空間技能訓(xùn)練的方式及效果。

1 空間技能的定義

Sorby[2]對(duì)“空間能力”和“空間技能”做了區(qū)分，他認(rèn)為雖然這2個(gè)詞經(jīng)?？梢蕴鎿Q使用，但能力一般指的是天生的特點(diǎn)，即出生就具有或不具有，無法通過學(xué)習(xí)獲得或提高；而技能指的是后天習(xí)得的特點(diǎn)，即通過練習(xí)可以得到提高。目前研究者探討的大多是后者，因此本研究采用“空間技能”一詞。

一般來說，空間技能指的是認(rèn)知、感知和視覺表象技能的集合?？臻g技能不是單一的、靜態(tài)的能力，而是由許多子技能組成的，它們相互關(guān)聯(lián)，在個(gè)體的一生中不斷發(fā)展變化。雖然目前對(duì)于空間技能沒有統(tǒng)一的定義，但研究者一般認(rèn)為空間技能有4個(gè)核心成分，分別為：對(duì)物體心理旋轉(zhuǎn)并表象化的能力、從不同視角理解物體形象的能力、認(rèn)識(shí)物體在空間中的相互關(guān)系的能力、理解三維空間中物體的能力[6-7]。為了深入評(píng)估和研究空間技能，研究者將這4種核心空間技能分為2類：空間表象技能和空間關(guān)系技能。空間表象技能是指通過對(duì)物體表象進(jìn)行折疊和展開來想象物體或其部件在三維空間中的旋轉(zhuǎn)能力；空間關(guān)系技能是指把二維或三維物體作為一個(gè)整體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)想象的能力，包括心理旋轉(zhuǎn)和空間感知[8-9]。以往研究者主要關(guān)注個(gè)體對(duì)二維空間的理解和操作，較少涉及三維空間[10]。然而，在過去幾十年里，隨著計(jì)算機(jī)架構(gòu)技術(shù)、處理器速度和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的快速發(fā)展，面向?qū)W生的三維設(shè)計(jì)軟件越來越多，研究者也開始越來越多地關(guān)注三維空間的認(rèn)知。

2 空間技能的作用

2.1 空間技能的一般作用

視覺空間技能對(duì)個(gè)體成功完成日常生活中的許多任務(wù)非常重要[11]。如打包時(shí)判斷包裝箱是否能裝下要打包的物品；在不熟悉的地方使用地圖導(dǎo)航尋找目的地；駕車從高速公路輔路匯入主路；根據(jù)別人的位置，告知自己目前的方位等都是涉及空間技能的活動(dòng)。

2.2 空間技能對(duì)工科類專業(yè)學(xué)習(xí)的作用

以往研究發(fā)現(xiàn)空間技能在很多專業(yè)學(xué)習(xí)中都起著重要作用。數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程學(xué)、氣象學(xué)和建筑學(xué)都涉及空間技能的運(yùn)用，如天文學(xué)家把太陽系的結(jié)構(gòu)和天體的運(yùn)動(dòng)形象化；機(jī)械師將機(jī)器各部分的相互作用可視化；放射科醫(yī)生根據(jù)X光片上的空間信息解釋圖像。研究者發(fā)現(xiàn)視覺空間技能是工程專業(yè)和其他STEM專業(yè)學(xué)習(xí)的必要因素和關(guān)鍵因素[12-13]。Peters等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，工科類專業(yè)的學(xué)生在心理旋轉(zhuǎn)測(cè)驗(yàn)中的表現(xiàn)比文科類專業(yè)的學(xué)生更好，而且工科類專業(yè)男生的表現(xiàn)優(yōu)于女生。有研究表明學(xué)習(xí)成績(jī)和視覺空間測(cè)驗(yàn)分?jǐn)?shù)之間存在聯(lián)系[12-13]。Sorby等[13]對(duì)空間可視化教育開展了6年的縱向研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)密歇根理工大學(xué)大一學(xué)生工程制圖課成績(jī)預(yù)測(cè)效度最高的單一因素是普渡大學(xué)開發(fā)的空間視覺測(cè)驗(yàn)中的心理旋轉(zhuǎn)子測(cè)驗(yàn)（Purduespatialvisualizationtest：rotations，PSVTR）。另外2個(gè)重要的預(yù)測(cè)因素是數(shù)學(xué)成績(jī)以及之前在制圖和立體幾何方面的經(jīng)驗(yàn)。Sorby[15]發(fā)現(xiàn)第一門工程制圖課上表現(xiàn)不佳的學(xué)生中有80%沒有堅(jiān)持學(xué)習(xí)工科類專業(yè)。Uttal等[16]在一項(xiàng)研究中指出，教師認(rèn)為工程制圖應(yīng)該被視為入門課程，因?yàn)樵撜n程對(duì)學(xué)生是否能堅(jiān)持學(xué)習(xí)完本專業(yè)有很大影響。研究還表明，在建構(gòu)工程專業(yè)學(xué)習(xí)成績(jī)的預(yù)測(cè)模型時(shí)，如果在傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)因素（如數(shù)學(xué)、語言技能等）的基礎(chǔ)上加入空間技能，則預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)效度會(huì)有很大提升。Humphreys等[17]對(duì)40萬名高中生的縱向研究發(fā)現(xiàn)，空間-數(shù)學(xué)能力和語言-數(shù)學(xué)能力可以成功地預(yù)測(cè)學(xué)生對(duì)未來專業(yè)的選擇。與單純的數(shù)學(xué)成績(jī)相比，空間技能、使用直覺的意愿和數(shù)學(xué)成績(jī)的綜合評(píng)分對(duì)本科工程設(shè)計(jì)課程的成績(jī)預(yù)測(cè)效度顯著提升[18]。

3 評(píng)估空間技能的方法

個(gè)體的空間技能可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變，要想了解較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)個(gè)體的空間技能水平，需要經(jīng)常測(cè)評(píng)，個(gè)體年齡越小，需要測(cè)評(píng)的頻率越高。評(píng)估空間技能水平需要使用恰當(dāng)?shù)墓ぞ?，并?jù)此確定和實(shí)施適當(dāng)?shù)母深A(yù)措施，以有效地鼓勵(lì)空間技能的發(fā)展和提高。以往研究對(duì)空間技能各種評(píng)估方法的有效性進(jìn)行了討論[19-21]。最近關(guān)于空間技能測(cè)評(píng)的研究中提到最多的測(cè)驗(yàn)是心理切削測(cè)驗(yàn)（mental cutting test）、范登堡心理旋轉(zhuǎn)測(cè)驗(yàn)（Vandenberg mental rotations test）和普渡大學(xué)空間視覺測(cè)驗(yàn)中的心理旋轉(zhuǎn)子測(cè)驗(yàn)[22]。

研究者發(fā)現(xiàn)心理旋轉(zhuǎn)能力對(duì)工科類專業(yè)學(xué)習(xí)有重要作用后，Sorby[15]使用PSVTR對(duì)學(xué)習(xí)者的空間技能進(jìn)行了測(cè)評(píng)，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)者的空間技能存在較大的性別差異。Onyancha等[23]在空間技能評(píng)估和分析方面做了大量的工作，他們認(rèn)為在選擇空間測(cè)驗(yàn)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①測(cè)驗(yàn)是否經(jīng)過了足夠長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證；②對(duì)于受測(cè)者來說，測(cè)驗(yàn)難度是否得當(dāng)；③對(duì)于受測(cè)者來說，內(nèi)容是否足夠概括，還是過于專業(yè)化；④可以測(cè)評(píng)多個(gè)方面；⑤測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)是否易于分析；⑥測(cè)評(píng)成本和效益是否均衡。

4 空間技能的培養(yǎng)

空間技能是長(zhǎng)期學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的結(jié)果，可以通過實(shí)踐、訓(xùn)練和學(xué)習(xí)來提高[24]。學(xué)?？梢詾樵诳臻g技能測(cè)驗(yàn)中為表現(xiàn)不佳的學(xué)生開設(shè)空間技能培訓(xùn)課程，這些群體也可以通過視頻游戲、創(chuàng)作藝術(shù)品、玩積木等活動(dòng)提高空間技能。

4.1 從學(xué)校的角度提高學(xué)習(xí)者的空間技能

以往研究表明空間技能可以通過訓(xùn)練得到提高[25]。在訓(xùn)練空間技能時(shí)需要考慮訓(xùn)練任務(wù)范圍的廣泛性，避免在少數(shù)幾個(gè)訓(xùn)練任務(wù)上大量訓(xùn)練。研究表明，在少數(shù)幾個(gè)任務(wù)上集中訓(xùn)練可以在較短時(shí)間內(nèi)迅速提高空間技能，但空間技能長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定的提高需要通過多種任務(wù)的訓(xùn)練，工程制圖、實(shí)物三維建模、畫草圖均有助于發(fā)展和提高空間技能[9，15，26]。

以往大量研究發(fā)現(xiàn)空間技能發(fā)展與工科專業(yè)學(xué)習(xí)結(jié)果間存在關(guān)聯(lián)，這使得很多工科院校開始評(píng)估學(xué)習(xí)者的空間技能及其可發(fā)展性。Sorby等[13]以密歇根理工大學(xué)機(jī)械專業(yè)學(xué)生為被試，設(shè)計(jì)了一個(gè)課程訓(xùn)練學(xué)生的空間技能。該課程包括每周進(jìn)行2 h理論課和2 h計(jì)算機(jī)實(shí)踐練習(xí)，共3學(xué)分，課程結(jié)束后的測(cè)評(píng)發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)者的空間技能有了顯著提高。Hsi等[12]的研究也發(fā)現(xiàn)通過訓(xùn)練可以提高空間技能，基于“腳手架知識(shí)整合”框架，設(shè)計(jì)的空間策略指導(dǎo)課程包括以下幾個(gè)方面：①教授學(xué)習(xí)者所有空間策略，使得他們能夠區(qū)分不同的空間策略，用視覺化方式思考空間問題；②鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者監(jiān)控自己解決空間問題的過程，找出獨(dú)立學(xué)習(xí)時(shí)空間推理的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)；③鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者利用社會(huì)支持。在空間技能測(cè)評(píng)中分?jǐn)?shù)較低的學(xué)習(xí)者通過該課程的訓(xùn)練，在空間推理任務(wù)中的分?jǐn)?shù)顯著提高，且性別差異消失。

隨著空間技能的測(cè)評(píng)工具的開發(fā)越來越便利，研究者建議工科院校應(yīng)當(dāng)在學(xué)生選擇專業(yè)前安排一個(gè)20 min左右的空間技能測(cè)評(píng)。對(duì)于測(cè)評(píng)成績(jī)較差的學(xué)習(xí)者，可以開展6周左右的空間技能培訓(xùn)，提高其空間技能水平。培訓(xùn)既要有專業(yè)性較低的內(nèi)容（工程制圖），也要有專業(yè)性較高的內(nèi)容（3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）。

美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金資助的ENGAGE項(xiàng)目目前已有20所理工院校參與，該項(xiàng)目的總目標(biāo)是通過實(shí)施前期研究總結(jié)出的3大教學(xué)策略，提高工科院校大學(xué)生的保學(xué)率，而提高學(xué)生的空間技能是3大策略之一。參與院校均認(rèn)同需要開發(fā)項(xiàng)目評(píng)估學(xué)生的空間技能，然后為空間技能較弱的學(xué)生提供額外培訓(xùn)。實(shí)施空間技能試點(diǎn)課程后，參與項(xiàng)目的5所學(xué)校記錄總結(jié)了實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)和未來計(jì)劃[27]。參與學(xué)校使用Sorby等[28]提出的理論開發(fā)空間技能訓(xùn)練課程，使用PSVTR來評(píng)估學(xué)生的技能。該項(xiàng)目實(shí)施中遇到的最大挑戰(zhàn)是自愿選擇學(xué)習(xí)空間技能課程的學(xué)生很少。參與學(xué)校使用了多種方法來解決這個(gè)問題。除了使個(gè)別空間技能培訓(xùn)課程成為必修課外，弗吉尼亞理工大學(xué)還提出了一個(gè)進(jìn)入和退出機(jī)制，即系統(tǒng)默認(rèn)PSVTR測(cè)驗(yàn)中得分較低的新生選修空間技能課程，雖然他們可以選擇不學(xué)習(xí)這門課程，但大多數(shù)學(xué)生（約67%）會(huì)選擇默認(rèn)選項(xiàng)，繼續(xù)學(xué)習(xí)該課程。

Sorby[2]認(rèn)為關(guān)注學(xué)習(xí)者空間技能的學(xué)校應(yīng)當(dāng)注意2點(diǎn)：①入學(xué)前要對(duì)學(xué)習(xí)者的空間技能水平進(jìn)行評(píng)估，提前識(shí)別出空間技能較弱的學(xué)習(xí)者（PSVTR測(cè)驗(yàn)中有60%～70%的人技能較弱），入學(xué)后教育者要留意這部分學(xué)習(xí)者；②采取有效措施提高學(xué)習(xí)者的空間技能。如可以將空間技能訓(xùn)練作為暑期訓(xùn)練計(jì)劃的一部分；可以將空間技能訓(xùn)練作為必修課。研究者不鼓勵(lì)將空間技能訓(xùn)練課程作為選修課，但如果選修課計(jì)算學(xué)分，且考查出勤率，學(xué)習(xí)者就會(huì)認(rèn)真對(duì)待，訓(xùn)練效果也會(huì)提高。

4.2 從學(xué)習(xí)者角度提高空間技能

以往關(guān)于影響空間技能發(fā)展和表現(xiàn)的因素的研究主要關(guān)注空間技能表現(xiàn)的性別差異。然而，最近的研究表明，其他因素也會(huì)影響空間技能，如工作記憶能力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位[29-30]。已發(fā)現(xiàn)的有助于提高空間技能的活動(dòng)包括：觀看電子游戲視頻、創(chuàng)作藝術(shù)品、玩樂高積木等特定的玩具[1，6，31]。很多計(jì)算機(jī)軟件可以用于練習(xí)空間技能，雖然有些計(jì)算機(jī)游戲在開發(fā)時(shí)沒有考慮到要提高玩家的空間技能，但研究發(fā)現(xiàn)這些游戲有助于提高空間技能，如俄羅斯方塊[32]。此外，研究人員認(rèn)為，與男性相比，玩游戲?qū)ε园l(fā)展三維空間技能尤其有益[33]。入學(xué)前經(jīng)常參與手眼協(xié)調(diào)活動(dòng)的學(xué)習(xí)者在空間技能測(cè)驗(yàn)中的表現(xiàn)一般較好。男性比女性在空間技能測(cè)驗(yàn)中表現(xiàn)更好的原因可能是男性經(jīng)常參與某些體育項(xiàng)目，如籃球。

Sorby等[28]認(rèn)為，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的自我效能感對(duì)提高其空間技能至關(guān)重要，應(yīng)當(dāng)向?qū)W習(xí)者解釋空間技能不是與生俱來的，而是需要后天培養(yǎng)的，增強(qiáng)其提高空間技能的信心。Sorby等[13]設(shè)計(jì)了一門幫助學(xué)習(xí)者提高三維空間表象能力的課程，并進(jìn)行了6年的縱向研究，結(jié)果顯示，參與訓(xùn)練的學(xué)生在多項(xiàng)空間技能測(cè)驗(yàn)中的得分均有顯著提高，且女生的提高更大。空間技能訓(xùn)練課程能達(dá)到訓(xùn)練效果的原因包括在課程中允許學(xué)生大量練習(xí)并提供反饋，給學(xué)生充足的時(shí)間和必要的指導(dǎo)，幫助其探尋解決問題的方案等。學(xué)習(xí)者在這些訓(xùn)練中積累了空間技能相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，增加了問題解決策略的數(shù)量[29]。

5 結(jié)語

部分個(gè)體先天就具有較高的空間技能，還有一些個(gè)體擁有與空間技能相關(guān)的豐富經(jīng)驗(yàn)，他們的空間技能水平也比較高。但有一些個(gè)體空間技能水平較低，影響了其對(duì)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。與其他認(rèn)知技能一樣，空間技能是可以通過訓(xùn)練提高的。參加空間技能訓(xùn)練課程，增加相關(guān)活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，可以顯著提升個(gè)體的空間技能，增強(qiáng)其自我效能感，減少學(xué)習(xí)者改換專業(yè)的比率。入學(xué)前進(jìn)行空間技能測(cè)驗(yàn)，開設(shè)空間技能訓(xùn)練課程對(duì)學(xué)校的管理和學(xué)生的職業(yè)發(fā)展均有較大幫助。未來研究應(yīng)根據(jù)不同專業(yè)的特點(diǎn)，研究開發(fā)有針對(duì)性的空間技能訓(xùn)練課程，并深入研究技能訓(xùn)練對(duì)空間技能的影響機(jī)制。