基于虛擬現實的心理旋轉訓練對小學生空間能力的影響研究

◇浙江工業大學教育科學與技術學院 黃 愉

本文簡要介紹了傳統心理旋轉能力的訓練方法，定性分析了虛擬現實心理旋轉訓練的可行性及其優勢。開發了虛擬現實心理旋轉訓練軟件，并采用準實驗單組前后測的方法測量并分析了小學生空間能力測試結果。通過實例探究可知，小學生在使用了該虛擬現實的軟件后，空間能力有了顯著的提升。

1 引言

空間能力（spatial ability）是人類認知能力中很基礎的一方面，它是產生、提取、保持以及操作視覺空間信息的能力[1]。越來越多的研究者及教育家意識到，空間能力與人們日常生活的多方面都相關，比如運動、游戲、識路和學業等。更值得關注的是，空間能力在科學、技術、工程和數學領域也非常重要。

心理旋轉（mental rotation）是空間能力的一種，是個體在頭腦中圍繞一個軸或多個軸對二維物體或三維物體進行旋轉的能力。圖形旋轉的心理操作涉及到各種空間因素和表象運動，往往能反映人們的空間表象能力和視覺空間表象的體系，是空間能力的中心指標[2-3]。由于其心理操作較多設計表象運動，往往能揭示人的空間表象能力和視空間表象體系，因此在研究中選擇從心理旋轉的角度探索空間能力發展的特點和水平具有深遠意義。

2 傳統心理旋轉訓練方法及其局限性

對于心理旋轉能力的訓練，最常見的方法是傳統的紙和筆訓練。訓練中，訓練者對提供的三維物體進行心理上的旋轉，再在二維圖紙上匹配與之對應的不同幾何形式的復制圖形。另外，空間游戲，包括積木、玩拼圖和棋盤游戲都與空間能力的提高有關。Newman和Sharlene D.發現5～30分鐘的結構化方塊游戲會引起負責心理旋轉的神經網絡發生變化，提高心理旋轉的速度和準確性。這也說明了兒童在構建一個給定結構的結構化積木游戲中需要有分析空間表現的能力[4]。

折紙訓練也被證實是提高兒童空間能力的方法。該訓練方式主要結合具體的活動，如折疊和剪紙與空間訓練，來訓練二維到三維的空間思維，以培養學生的空間推理能力和空間思維能力。研究人員發現，在僅僅幾個小時的折紙教學和動手探索后，小學生在一項非常具有挑戰性的心理折疊任務中的表現得到了改善[5]。

除了方塊游戲和折紙訓練這兩種最具代表性的訓練方法外，國內對于空間能力的訓練大多依托于某項技術或某種工具，將空間能力的訓練融合與課堂教學中。孫江山、林立甲等人將3D打印與創意設計課程學習，探索性實證分析了3D CAD學習與學生空間能力和創造力發展的關系。研究結果表明：3D CAD學習能增強空間能力，特別是空間想象力，3D CAD學習中空間能力與創造力之間有正相關關系[6]。

通過整理歸納文獻可發現，上述空間能力的訓練方法均使用了形象化訓練工具對學生空間能力進行訓練，并依托于現實環境中來完成，主要集中在課堂教學活動中，在空間和時間上有局限性，具有不可重復性。課堂中，學生需要在教師的引導下進行。假如學生無法跟上教師的節奏，錯過了某環節，教師需要花更多精力進行額外指導。課堂外，學生也無法利用這些工具進行訓練。其次，以上方法嚴重依賴教師的個人素質水平的高低，教師需要針對學生的能力水品有意識地改進自己的教學方式，調動學生的主動性和積極性。另外，學生的空間能力水平存在差異性，如要滿足個性化需求，教師需要花費更多的精力對教學內容進行設計。

無論在平面紙張中進行的紙筆訓練還是使用傳統二維技術的電腦輔助訓練都是站在二維的角度對心理旋轉進行訓練，而在三維環境中進行心理旋轉訓練的有效性尚未得到研究。

3 利用虛擬現實技術進行心理旋轉訓練的設想

虛擬現實（VR）技術包含了立體三維圖像和和物理運動控制，為用戶提供了虛擬體驗和即時反饋，使訓練體驗更具沉浸性和互動性[7]。虛擬現實允許實驗者控制刺激材料，虛擬物體可以很容易地被創造和適應，這在使用真實物體時往往是很困難的。

相較于傳統的訓練工具，虛擬現實技術能夠打破時間和空間的局限性。除課堂訓練外，在課余時間學生也能單獨進行訓練。利用虛擬現實訓練工具提高學生空間能力的另一個優勢就是其具備沉浸感與互動性，能最大程度調動學生的主動性和求知欲。其次，虛擬現實訓練軟件可以對訓練內容進行不斷加深和豐富，以滿足不同學生的個性化需求，這都比課堂教學培養空間能力的途徑具有明顯的優勢。最后，通過虛擬現實訓練軟件可以重復訓練，也可保證學生沒有達成目的或任務時可以重復進行訓練直到完成訓練。

另外，紙張和電腦訓練都處于二維空間中，虛擬現實中的三維空間相較于二維空間則具有深度知覺（遠近知覺）。虛擬現實環境通過通過雙眼視差、雙眼分視的方式可構建深度知覺，所以利用VR設備來設計 具有深度感的心理旋轉的訓練變成可能。

但使用虛擬現實工具提高兒童的空間能力還處在理論假設階段，需要進一步的進行驗證。

4 實例分析

為檢驗基于虛擬現實的心理旋轉訓練軟件對于小學生空間能力的影響，筆者基于UNITY 3D軟件開發了訓練程序。它包含了Mental Rotation Test（心理旋轉測試），如圖1所示。該應用程序運行在Pico neo2設備上。

圖1 心理旋轉訓練場景

本文以某市某小學六年級學生為實驗對象，實驗圍繞四個變量展開，控制變量是年紀與訓練時間，自變量為一個月軟件訓練，因變量是心理旋轉能力的測驗成績。測量學生心理旋轉能力引用Vandenberg and Kuse Mental Rotation Test[8]，通過單組前后測的方式進行分析，以驗證應用程序在訓練空間能力的有效性和測驗可靠性。

本研究共有30人參加，最終收到有效且完整數據28份。由于收到的有效數據N=28<30，因此對其進行正態分析，如圖2所示。

圖2 學生心理旋轉能力前測、后測數據正態性分布

表1 學生心理旋轉數據正態分布分析

由表1可知，學生心理旋轉前測的W=0.926，sig=0.048<0.05，因此該數據符合正態分布；同理，學生心理旋轉后測的W=0.914，sig=0.048<0.05，因此該數據符合正態分布。因此，選擇配對樣本T檢驗來探究該訓練對學生是否由顯著性影響。

表2 學生數據的平均數、眾數、中位數、標準差和方差分析

從表2看出，學生心理旋轉能力前測平均分為22.257，后測分數為28.643，前后對比提高了6.377分，提高了15.9%，論證了基于虛擬現實的心理旋轉訓練對小學生空間能力有提高作用，另外心理旋轉能力前測、后測數據顯著性為0.000，明顯低于標準的0.05，表明通過心理旋轉訓練軟件的訓練，學生的空間能力有顯著提高。

5 結語

本文開發了虛擬現實心理旋轉訓練軟件，采用準實驗單組前后測的測量方法對學生的空間能力進行測量。通過實例分析可知，學生在使用了該虛擬現實的軟件后，空間能力有了顯著的提升。從學生的訓練過程中來看，學生對虛擬現實心理旋轉訓練充滿著較大的興趣。虛擬現實的沉浸感和互動性給學生帶來了非常大的學習動力，這都說明了虛擬技術在此類訓練中有著美好前景。