化學學習中的空間能力研究

魏釗 王后雄

摘要： 針對學生在化學學習中，涉及空間信息的問題解決存在著困難的情況，回顧了心理學近百年來關于空間能力的研究成果。總結了化學學習中的空間能力的應用研究成果： 空間能力與化學學習成就的相關性、化學空間能力的測試工具的開發、化學學習中的空間問題解決的策略和促進化學空間能力提高的策略。針對我國目前研究現狀和中學化學教學提出了啟示與建議。

關鍵詞： 空間能力;化學學習;空間智能;空間問題解決

文章編號： 10056629（2018）3001206 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 引言

化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質及其變化規律的自然科學。學生在微觀水平上表征物質的能力對于解釋化學現象、化學反應來說是很重要的[1]。要微觀水平上理解，學生就必須與微粒結構的模型相聯系，而微粒結構的模型又是和符號相聯系的[2]。物質微觀結構的模型相當一部分是以三維的形式呈現的。從簡單的甲烷分子的四面體結構、氨氣分子的三角錐結構，到稍復雜一些的金剛石的空間網狀結構、氯化鈉離子晶體的晶胞，再到更復雜些的金屬晶體的4種典型密堆積方式等等，學生在解決這些涉及抽象的符號和微觀水平的三維空間問題時，出現了很大的困難。因此，空間能力從知覺的角度來看，空間能力包括視覺空間能力（Visuo-spatial ability）、聽覺空間能力（Audio-spatial ability）等，本文均特指視覺空間能力。和化學空間能力一直以來是心理學和化學教育關注的主題[3]。

2 心理學對空間能力的研究

空間能力是智力的一個研究領域，最早的研究開始于十九世紀中后期，弗朗西斯·高爾頓用“早餐桌”實驗來研究心理表象[4]。對于什么是空間能力，不同的研究者有不同的定義。Lohman[5]通過對空間能力相關文獻的綜述和再分析，把空間能力定義為： 產生、保持和處理抽象的視覺表象的能力。在最基礎的水平上，空間思維要求能夠編碼、儲存、轉換和匹配空間刺激。Lohman還提出了空間能力的因素結構（見表1）[6]。

空間能力的各個因素可以通過研究者開發的空間測試來測量。例如，空間關系可以用大量心理旋轉的測試工具來進行測量。Guay[7]開發的普渡空間視覺化測試（Purdue Spatial Visualization Tests）使用較多。圖1是一個典型例子。測試要求參與者首先辨別圖中第一排的左邊的三維物體是如何旋轉變成右邊的三維物體的，然后用同樣的方式，對第二排的物體進行旋轉，將會變成什么樣子。在第三排呈現的5種可能中進行選擇。這個測試要求參與者對空間信息表征進行心理旋轉。

除了空間能力的因素分析、空間測試等研究領域之外，心理學對空間能力的研究還有性別差異、個體差異、發展過程、視覺空間工作記憶、視覺空間表象和空間能力的生理基礎等眾多領域。

3 化學學習中的空間能力研究

心理學在空間能力的基礎研究中所取得的成果，被應用到其他學科中。為了更好促進空間能力在STEM（Science， Technology， Engineering and Mathematics）等各個領域中的應用，美國國家科學基金會資助建立了“空間智能與學習中心”（SILC），將科學家和教育家聯合在一起，共同開發項目與技術，來改進教育實踐[8]。

化學是科學的重要組成部分?；瘜W表達中，學生和教師、課本、多媒體之間的交流在視覺方面的重要途徑之一是分子透視圖。學生和教師之間的化學教與學是以分子、反應和理論的表征為中介的，其中空間能力必然要發揮作用[9]。表2是可能會涉及空間信息表征的化學知識的舉例。

3.1 空間能力與化學學習成就的相關性

學生在學習化學的過程中，空間能力是其能力的重要組成部分。多項研究表明，空間能力與化學學習成就存在正相關[10]。

Bodner和McMillen[11]研究了《普通化學》課程的教學。設計了4個測試（例如，普渡旋轉視覺化測試、尋找形狀拼圖測試等）來測量空間能力，4個分項分數來測量化學學習成就。其中4個分項分數中包括化學計量的多項選擇問題、晶體結構的多項選擇題、晶體結構的自由響應小測驗和第一學期期末的綜合測試。實驗數據表明，在4個空間能力測試的t檢驗的分值總和與晶體結構的多項選擇題之間，存在著統計學上的顯著相關，r=0.32（p<0.0001， N=587）;在同一個t檢驗的分值總和與有關晶體結構的自由響應小測驗的分值之間，也存在著統計學上的顯著相關r=0.35（p<0.0001， N=587）。也就是說，按教育與心理統計學的標準來看，這種相關性比中等要低，雖然較小，但是明確。因此，可以說，在為科學和工程專業的學生開設的《普通化學》課程中，空間能力與化學學習成就之間存在正相關。

Tuckey， Selvaratnam和Bradley[12]的研究從另一個側面說明了空間能力與學生化學學業成就的相關性。研究表明，通過前測，即使是大學生，在涉及到三維空間思維時仍然有困難。研究者對實驗組進行了2個小時的矯正教學，其主要內容是三維空間坐標的各個軸（x、 y、 z）各個平面（xy、 yz、 xz），表征三維結構的深度線索（Depth Cues）和物體沿各個軸或平面進行旋轉、反射等操作。通過后測發現，控制組的成績變化不顯著，實驗組的成績提高很顯著。

3.2 開發測評化學空間能力的工具

為了對學生的化學空間能力進行測評，研究者開發了各種測評工具。開發測評工具的一個目的是為了能夠對學生的空間能力進行診斷，以便于有針對性地提高其相應維度的能力。

Oliver-Hoyo和Sloan[13]以項目反應理論（Item Response Theory）為心理統計模型，使用因素分析的方法，編制了一共有47個問題的測試卷。測試卷被制作成網頁供學生使用，來自美國東南部部分大學的2713名學生，在學習過普通化學、有機化學、無機化學、物理化學和計算化學等課程其中之一后，參加了測試。通過第一輪測試后的主成分分析，將測試問題精簡為33個。第二輪和第三輪進行了探索性因素分析和確定性因素分析。通過分析，提出了三因素的結論。第一個因素： 一般的視覺空間技能。第二個因素： 包含多個視角（參考框架）。第三個因素： 與記憶能力相關。

3.3 涉及空間信息的化學問題解決策略

對于涉及空間信息的化學問題，新手和專家會采用什么策略來解決？以Stieff為主的學者對此進行了專注而深入的研究。新手通常策略單一，通常偏向于選擇表象推理的策略（Imagistic Strategies）[14]。專家選擇的策略靈活多變，通常偏向于分析策略（Analytical Strategies）。例如，在圖2中，學生的任務是判斷每組分子中的兩個分子是否為同一種分子。可以采用的第一種策略是表象推理中的心理旋轉。將其中一個分子在“大腦中”旋轉一定角度，然后與另一個分子疊加，看是否能夠完全重疊。操作后，可以發現B組兩個分子能夠完全重疊，是同一種分子;而A組兩個分子不能完全重疊，不是同一種分子，是同分異構體。第二種策略是分析策略。教師會教給學生，A組中，中心碳原子周圍的四個原子分別為氟、氯、溴和碘四種不同的原子，則中心碳原子是一個手性碳原子，兩個分子互為鏡像關系，不是同一種分子，而是互為手性異構體。B組中，中心碳原子周圍的四個原子中有兩個或兩個以上的原子是相同的，即都有兩個氯原子，則中心碳原子一定不是手性碳原子，兩個分子必定能夠通過旋轉完全重疊在一起，它們是同一種分子。兩種策略都可以正確地解決問題，第二種策略是有機化學家開發出來的簡單啟發式的分析策略，不必進行心理旋轉就可以快速地解決立體化學問題。兩種策略各有優點，第一種是與空間能力有關的策略，為學生提供了了解分子的空間關系的視角。第二種分析策略能夠更加準確和高效地解決問題[15]。

通過對以Stieff為主的研究者[16～21]的研究進行總結，在有機化學問題解決中，涉及空間信息的立體化學問題解決的策略可歸納如表3。

3.4 促進化學空間能力發展的策略

3.4.1 開發和使用視覺化工具

Wu和Shah[22]認為，因為在化學學習中視覺空間思維很重要，近年來研究者把注意力放在視覺化學習工具方面。這些工具有一個獨特的作用，可以把學生無法用肉眼看到的化學實體（分子、原子等）視覺化。以下是在化學教學中使用得最廣泛的3種視覺化工具。

3.4.1.1 實物模型

在化學教學中使用分子的實物模型是一種傳統的教學方法。實物模型的使用方式一般有兩種。一是，教師在課堂上向學生展示實物模型。例如，高中學生在學習有機化學時，教師在課堂上會向學生分別展示甲烷、乙烯、乙炔、苯和苯酚等有代表性的有機物的實物模型。二是，教師設計教學任務，引導學生制作和使用實物模型。兩種方式都有助于提高學生的空間能力。

“金屬晶體的密堆積方式”是學生在學習結構化學時，普遍感到非常困難的內容。Ohashi[23]精心設計了教學活動，引導學生來學習金屬晶體的密堆積方式。用各種顏色不同的乳膠球和透明的有機玻璃薄板為材料，按“均攤法”的原理，將圓形的乳膠球用小刀分別切割成1/2、 1/4、 1/8，然后填入透明的有機玻璃薄板制作而成的簡單立方、面心立方、體心立方、六方最密堆積的晶胞中。然后，向制成的晶胞模型中加水至滿，水的體積就是晶胞的“空余”體積，用水的體積除以有機玻璃容器的容積，就可以間接求出金屬原子各種堆積方式的空間利用率。同時，也可以利用立體幾何的知識，計算理論上的空間利用率，并與實驗值進行對比。通過這種非常巧妙的實物模型的制作活動，能夠幫助學生更好地在分子表征和化學概念之間建立認知聯系[24]。

Stull等[25]對實物模型的使用提出了建議。他們的研究工作顯示，僅僅只是從口頭上鼓勵學生使用分子的實物模型是不夠的，教師需要積極地展示如何使用實物模型來解決化學問題，并設計在課堂上、實驗室和家庭中的活動來引導學生用模型進行有關化學概念的推理，這樣才能促使學生真正體會到使用模型的好處。也只有真正理解了實物模型的價值，學生才會自覺地去使用它。

3.4.1.2 虛擬模型

隨著信息技術的快速發展，越來越多基于計算機的視覺化的工具被開發出來。例如，ACD公司開發的軟件包ChemSketch是一款被化學工作者廣泛使用的化學繪圖工具[26]。軟件包中的一個模塊3DViewer可以將書寫的分子的結構式、結構簡式、鍵線式等非常方便地轉換為三維的形式，如球棍模型、比例模型等，還可以操作模型在計算機屏幕上旋轉，從不同的角度來觀察分子的微觀結構，甚至還可以計算化學鍵的長度和鍵角等。

Stull和Hegarty[27]的研究發現，相對于沒有使用模型教學的控制組，使用了實物模型和虛擬模型的對照組在化學成績方面都取得了更大進步。但是，使用實物模型和使用虛擬模型，學生的成績進步大小并沒有差別。也就是說，實物模型和虛擬模型對學生的表征能力的培養均具有積極作用。

3.4.1.3 動畫

化學反應的本質特征之一就是過程是動態的。例如，化學平衡的建立和移動、原電池和電解等。學生在學習的過程中，通常只是建立了化學反應的靜態模型以及只是在宏觀水平上表征化學概念，因此學生的心理模型是不完整和不恰當的。通過技術工具來讓學生觀看動態的和三維的動畫，是幫助學生建構完整的和科學的心理模型的有效方法[28]。

Yang、 Andre、 Greenbowe和Tebel[29]的研究是利用計算機制作的動畫來向學習《化學導論》的大學生解釋電池內部的電化學反應，通過前后測對比發現，動畫比靜止的圖片能更好地幫助學生理解電化學的相關概念。

Wu和Shah[30]通過對文獻的綜述，提出了設計視覺化工具的5個原則：（1）提供多重表征和描述。（2）使各種表征間的聯結和參考作用的聯系更加明顯。（3）展示化學的動態和交互的本質。（4）促進二維和三維的相互轉換。（5）通過使信息明晰和整合信息減少學生認知負荷。

3.4.2 清晰而明確地表達深度信息

物質的微觀結構示意圖是通過繪制二維的圖像來呈現三維的結構。為了讓二維的圖像表達出深度信息，就需要依靠深度線索[31]。常見的三維深度線索有相對大小線索、重疊線索、透視線和扭曲角等4種[32]（如圖3）。這是學生必須掌握的空間語言。教師應該經常繪制和描述編碼了三維深度線索的二維圖像，來促進學生關于分子的二維和三維表征的視覺化的能力，減少和避免學生在識圖和繪圖中出現障礙。

圖3 表征了四個深度線索的正八面體

3.4.3 基于信息技術的訓練提高學生的空間能力

分子表征方面的教學、教師向學生不斷展示空間分析技巧，只是提高學生空間能力的第一步。研究表明[33， 34]，基于信息技術的訓練能夠提高學生的空間能力。特別是，已有學者利用最新的VR（虛擬現實）技術，來提高學生的空間能力[35]。一直以來，化學教師明白需要信息技術來輔助教學的領域，但是在信息技術方面存在短板;信息技術人員有技術優勢，卻不知道用在哪里和如何使用，能最大程度地發揮技術的作用。兩類專業人士的深度合作、協同創新應是未來的發展方向。

4 啟示

從化學教育的三重表征理論的視角出發，化學空間問題涉及的是微觀層面的原子、分子、離子和原子團等微粒在二維、三維空間的排列規律。對于這些空間問題，化學家一般是用包含深度線索信息的紙面示意圖來表征，二維的示意圖屬于符號表征的一種。因此可以說，學生的化學空間能力本質上是一種對物質的微觀結構的一種符號表征能力。通過已有的較豐富的研究成果，對中學化學教學策略主要有以下建議：

一是，開發和使用視覺化工具是幫助學生建立關于微粒的心理表象的起點策略。不管是實體的分子結構模型，還是計算機軟件在屏幕上模擬出的分子結構，甚至是目前較新的AR、 VR等信息技術模擬出的分子結構，如果教師在教學中使用這些手段，都可以幫助學生在大腦中建立心理表象，這是學生進一步學習的基礎。研究表明，僅僅只把工具交給學生是不夠的，教師還要設計各種教學活動，引導和鼓勵學生使用視覺化工具，才能更高效地建構微粒的心理表象。

二是，提高學生二維和三維相互轉換的能力。學生在化學空間問題解決的過程中，經常面對表征了深度信息線索的示意圖，教師可以有針對性地進行識別和繪制這類示意圖的教學，避免學生出現此類障礙。即使是只有文字信息，學生也能夠自己準確繪圖，從而在二維和三維信息之間較順暢地轉換。

三是，把握一般領域（General domain）和特殊領域（Specific domain）的辯證關系。心理學所研究的空間能力是一般領域，包括從宏觀到微觀各個尺度（Scale）和方面。化學空間能力是特殊領域，從化學史的角度來看，化學的空間問題主要出現在結構化學的三個研究領域：（1）化學家研究有機化合物的過程中萌發了有機物結構概念，從而產生了立體化學。（2）研究無機化合物，發展出一個獨立的研究領域——配位化學，產生了配位化合物的空間結構理論。（3）對晶體的觀察和研究，形成了晶體結構理論。因此，在問題解決的過程中要充分利用化學空間問題的特殊的化學意義。比如，能量最低原理對于分子結構穩定性的影響，利用手性碳原子來快速判斷手性異構體的策略等。

參考文獻：

[1]Gabel D， Samuel K V， Hunn D. Understanding the Particulate Nature of Matter [J]. Journal of Chemical Education，1987，64（8）： 695～697.

[2]Gabel D. Improving Teaching and Learning through Chemistry Education Research： A Look to the Future [J]. Journal of Chemical Education， 1999，76（4）： 548～554.

[3]Barke H. Chemical education and spatial ability. [J]. Journal of Chemical Education， 1993，70（12）： 968～971.

[4]Galton F. Mental imagery [J]. Fortnightly Rev. 1880，（28）： 312～324.

[5]Lohman D F. Spatial Ability： A Review and Reanalysis of the Correlational Literature， in Aptitude Research Project， Technical Report No.8， Aptitude Research Project[M]. School of Education， Stanford University： Palo Alto， CA， 1979.

[6]Lohman D F. Spatial abilities as traits， processes， and knowledge[M]. Advances in the psychology of human intelligence， Sternberg R J， Eds， Hillsdale， NJ， England： Lawrence Erlbaum Associates， Inc， 1988： Vol.4.， 181～248.

[7]Guay R B. Purdue spatial visualization test[Z]. West Lafayette， IN： Purdue Research Foundation， 1976.

[8]Spatial Intelligence and Learning Center [M/OL]. http：//spatialintelligence.org/. 201825

[9][31]Harle M， Towns M. A Review of Spatial Ability Literature， Its Connection to Chemistry， and Implications for Instruction [J]. Journal of Chemical Education， 2011，88（3）： 351～360.

[10][22][24][30]Wu H， Shah P. Exploring visuospatial thinking in chemistry learning [J]. Science Education， 2004，88（3）： 465～492.

[11]Bodner G M， Mcmillen T L B. Cognitive restructuring as an early stage in problem solving [J]. Journal of Research in Science Teaching， 1986，23（8）： 727～737.

[12]Tuckey H， Selvaratnam M， Bradley J. Identification and rectification of student difficulties concerning three-dimensional structures， rotation， and reflection [J]. Journal of Chemical Education， 1991，68（6）： 460.

[13]Oliver-Hoyo M， Sloan C. The development of a Visual-Perceptual Chemistry Specific （VPCS） assessment tool [J]. Journal of Research in Science Teaching， 2014，51（8）： 963～981.

[14][15][16]Stieff M， Ryu M， Dixon B， et al. The Role of Spatial Ability and Strategy Preference for Spatial Problem Solving in Organic Chemistry [J]. Journal of Chemical Education， 2012，89（7）： 854～859.

[17]Stieff M. Mental rotation and diagrammatic reasoning in science [J]. Learning and Instruction， 2007，17（2）： 219～234.

[18]Stieff M. A localized model of spatial cognition in chemistry [D]. US： ProQuest Information & Learning， 2004.

[19]Stieff M. When is a molecule three dimensional？ A task-specific role for imagistic reasoning in advanced chemistry [J]. Science Education， 2011，95（2）： 310～336.

[20]Stieff M， Hegarty M， Dixon B. Alternative Strategies for Spatial Reasoning with Diagrams [M]. Diagrammatic Representation and Inference： 6th International Conference， Diagrams 2010， Portland， OR， USA， August 911，2010. Proceedings， Goel A K， Jamnik M， Narayanan N H， Berlin， Heidelberg： Springer Berlin Heidelberg， 2010，115～127.

[21]Stieff M， Raje S. Expert Algorithmic and Imagistic Problem Solving Strategies in Advanced Chemistry [J]. Spatial Cognition & Computation， 2010，10（1）： 53～81.

[23]Ohashi A. Using Latex Balls and Acrylic Resin Plates To Investigate the Stacking Arrangement and Packing Efficiency of Metal Crystals [J]. Journal of Chemical Education， 2015，92（3）： 512～516.

[25]Stull A T， Gainer M， Padalkar S， et al. Promoting Representational Competence with Molecular Models in Organic Chemistry [J]. Journal of Chemical Education， 2016，93（6）： 994～1001.

[26]ACD/Chem Sketch for Academic and Personal Use [M/OL].

http：//www.acdlabs.com/resources/freeware/chemsketch/. 201825

[27]Stull A T， Hegarty M. Model Manipulation and Learning： Fostering Representational Competence With Virtual and Concrete Models. [J]. Journal of Educational Psychology， 2016，108（4）： 509～527.

[28]Williamson V M， Abraham M R. The effects of computer animation on the particulate mental models of college chemistry students [J]. Journal of Research in Science Teaching， 1995，32（5）： 521～534.

[29]Yang E， Andre T， Greenbowe T J， et al. Spatial ability and the impact of visualization/animation on learning electrochemistry [J]. International Journal of Science Education， 2003，25（3）： 329～349.

[32]Seddon G M， Moore R G. The structure of abilities in visualizing the rotation of threedimensional structures presented as models and diagrams. [J]. British Journal of Educational Psychology， 1986，56（2）： 138～149.

[33]Wu H， Krajcik J S， Soloway E. Promoting understanding of chemical representations： Students use of a visualization tool in the classroom. [J]. Journal of Research in Science Teaching， 2001，38（7）： 821～842.

[34]Stieff M. Improving representational competence using molecular simulations embedded in inquiry activities [J]. Journal of Research in Science Teaching， 2011，48（10）： 1137～1158.

[35]Merchant Z， Goetz E T， Keeney-Kennicutt W， et al. Exploring 3-D virtual reality technology for spatial ability and chemistry achievement [J]. Journal of Computer Assisted Learning， 2013，29（6）： 579～590.