化學空間能力構成研究

王珊 魏銳

摘要： 從國內外現有的空間能力理論入手，通過梳理空間能力的研究成果，提取一般空間能力的構成要素。繼而結合現有的化學空間能力構成理論，基于對一般空間能力的歸納和總結，提出了化學空間能力的構成模型。化學空間能力主要由化學空間知覺能力、化學空間關系能力、化學空間想象能力、化學空間操作能力、化學空間建構能力五種能力構成。

關鍵詞： 空間能力; 化學空間能力; 能力結構

文章編號： 10056629（2020）12001107

中圖分類號： G6338

文獻標識碼： B

加德納的多元智能理論認為每個人都或多或少的具有七種智力，分別是語言智能、邏輯—數學智能、身體運動智能、音樂智能、人際的智能、自我認識智能、空間智能[1]。辛格提出空間能力與語言能力、計算能力同樣重要，三者并列為現代教育的“三大基本能力”[2]。國內外研究發現空間能力在數學、化學、物理、地理、工程等學科的學習中起了非常重要的作用，空間能力水平高的人往往在相應的學科領域中具有更高的學術成就。Cid等人研究大學工程系、物理系、化學系和數學系的入門課程中概念理解能力與空間能力的關系，發現概念的理解能力與空間能力高度相關[3]。周珍發現中學生的數學成績與空間圖形認知能力具有較高的相關性[4]。

通常，空間能力在特定學科的表現稱為該學科的空間能力。化學學科中需要的空間能力稱為化學空間能力。化學空間能力既具有一般空間能力的特征，又具有鮮明的學科特征。地理、物理、建筑等學科空間能力涉及大尺度的空間，即宏觀的空間，關注空間格局、空間組織、空間排布。化學空間能力更微觀化，即關注物質微觀構成世界，關注模型建構和空間想象。

化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科[5]。化學家探索分子的空間結構，提出物質結構理論需要空間能力;設計研發新材料，要根據材料的功能想象材料的特征結構，需要空間能力。中學生認識有機化合物的結構，基于結構分析或預測物質性質，也需要空間能力。空間能力可以促進學生對化學概念的理解[6]以及化學計量問題、化學晶體結構問題[7]的解決。

隨著空間能力研究的深入，研究者們更加明確了空間能力對各學科的學習、學生的發展的重要意義。由于不同研究者對空間能力的分析角度、分析方法不同，對于一般空間能力（以下簡稱“空間能力”）、化學空間能力的構成沒有一致的界定。因此，結合化學學科的特點，分析化學空間能力的構成，對于化學空間能力的培養具有重要的意義。

本研究通過對空間能力的相關文獻進行梳理，將空間能力各要素的內涵進行編碼。通過類比編碼的關鍵詞，將具有相似內涵的編碼歸類合并，提煉空間能力的構成要素，概括空間能力各要素的內涵。根據提煉的空間能力的構成要素與具體學科空間能力的關系，完善空間能力構成模型。基于對一般空間能力的歸納和總結，賦予其學科化含義，提煉出化學空間能力的要素模型。

1空間能力的構成

1.1關于空間能力構成的已有研究

不同研究者對空間能力定義不盡相同。Linn等[8]提出空間能力是表征、轉換、生成和提取符號、非言語信息的能力。鄭海蓮等[9]提出空間能力是指個體正確觀察客體、辨識客體，將辨識的客體圖像在大腦中記憶，并能夠達到在二維與三維空間任意移動、旋轉、翻轉、逆轉、復現、回憶圖像的能力。也有研究者指出空間能力是大腦對于空間信息的轉換和加工，由于大腦的轉換和加工機制不同，空間能力可以劃分為多個結構[10]。

盡管很多研究者提出的空間能力構成要素不同，但是描述的空間能力的內涵十分相近。早在1938年，Thurstone[11]就將空間能力劃分為三個方面。Lohman[12]認為空間能力最主要的三種因素為空間視覺化、空間關系、空間定向。為了梳理不同研究中空間能力的內涵，為進一步歸納分類打好基礎，對已有研究中空間能力的構成和內涵進行編碼，具體如表1所示。

1.1能夠從不同角度識別客體的能力，如識別兩張國旗圖片的差別。

1.2想象客體運動或轉換的能力。

1.3對觀察者自身所處空間關系（方位）的思考能力。

Guilford[13]2.1對客體進行心理操作的能力。

2.2個體判斷空間方位的能力。

McGee[14]3.1空間視覺化能力： 個體對二維和三維客體在心理上進行旋轉、操作、扭曲的能力。

3.2空間定位能力： 個體對視覺刺激的識別和理解（3.2.1），當表象方向改變后，能夠對表象進行匹配的能力（3.2.2），能夠理解自己的位置和客體的相對位置關系的能力（3.2.3）。

Bishop[15]4.1解釋圖形信息的能力： 個體對空間表征的理解能力以及能夠理解空間語言的能力。

4.2視覺加工能力： 空間想象能力以及能夠將想象的關系或非圖形信息轉換成視覺信息的能力（4.2.1），對表象進行心理操作和旋轉的能力（4.2.2）。

Lohman5.1空間視覺化： 個體能夠理解客體在三維空間中轉化的能力，如在頭腦中想象物體的組合和分解。

5.2空間定向： 能夠從不同的角度觀察客體的能力。

5.3空間關系： 個體可以將客體快速準確地進行心理旋轉的能力。

French[16]

6.1理解表象的三維運動或能夠對同一物體進行操作、想象的能力。

6.2精確地察覺空間模式并能夠進行比較的能力。

6.3保持不被空間模式的不同呈現方向困擾的能力。

Mathewson[17]7.1視覺空間思維包括感知： 使用眼睛來識別。

7.2定位： 思考世界中的物體和自己位置。

7.3想象： 在沒有圖像的情況下在心理中形成、保持和轉換圖像。

李敬敏[18]8.1人通過感官感受空間表象，在頭腦產生空間知覺。

8.2通過空間想象認識空間事物。

1.2空間能力構成要素的歸類合并

對于表1所示的空間能力內涵，依照相似性描述進行歸類、概括，可以將空間能力的內涵分為四個維度，具體如表2所示。

維度相關編碼及描述的關鍵詞特征

維度一1.1識別客體;3.2.1視覺刺激的識別和理解;4.1空間表征的理解;5.2從不同角度觀察客體;7.1感知、識別;8.1頭腦產生空間知覺;3.2.2對表象的不同方向進行匹配;6.2精確地察覺空間模式并進行比較的能力;6.3保持不被空間模式的不同呈現方向困擾的能力。涉及感知、識別、理解表象，最終在頭腦中形成表象，以及對表象不同方向的比較、匹配，將其命名為空間知覺能力。

維度二2.2判斷空間方位的能力;1.3思考觀察者自身所處空間方位;3.2.3理解自己的位置和客體的相對位置關系;7.2思考世界中的物體和自己位置。將個體置于空間當中，個體對方位（東南西北）的辨識，將其命名為空間定位能力。

維度三1.2客體運動或轉換;2.1心理操作;3.1心理上的旋轉、操作、扭曲;4.2.2心理操作和旋轉;5.1理解客體在三維空間中的轉化;5.3心理旋轉;6.1理解表象的三維運動，能夠進行操作、想象。涉及對客體的操作，將其命名為空間操作能力。

維度四4.2.1將想象的關系或非圖形信息轉化為視覺信息;7.3在沒有圖像的情況下在心理中形成、保持和轉換圖像;8.2通過空間想象認識空間事物。強調沒有圖像的情況下，仍然能夠通過想象獲得對事物的認識，將其命名為空間想象能力。

1.3空間能力構成模型

上述四個維度均是空間能力的重要組成部分。此外，還有兩個很重要的維度： 一個維度涉及個體對客體空間關系的判斷。現有研究將個體對空間物體方位、距離、形象的識別，歸納為空間知覺能力;將個體理解自己的位置和客體的相對位置關系歸納為空間定位能力，即判斷“我”與其他事物之間的關系;但是，還缺少一種個體對事物的不同部分之間以及不同事物之間的空間關系判斷的能力。已有研究者研發的化學學科空間知覺能力測試問卷，有例題能夠體現這種能力，但并未單獨提出這種能力[19]，本研究將其命名為空間關系能力。

另一個維度涉及立體結構的建構。有的研究者考查化學空間能力時，注重二維圖形到三維立體構型的轉化能力[20]，這種基于空間想象而建構空間結構的能力以及借助繪圖、動手搭建構建空間結構的能力等對于一般空間能力同樣適用，比如結構設計、工程設計都需要空間建構，本研究將這種維度命名為空間建構能力。空間構建能力是一種更加綜合的能力，需要通過推理或想象等建構空間結構，需要更強的抽象化思維和形象化思維。

此外，空間能力很難單獨考察，一般空間問題的解決都需要兩種或者兩種以上空間能力的組合。不同類型的空間能力并非截然不同，它們之間密切關聯、存在一定的交疊，甚至一些空間能力是另一些空間能力的基礎。

在上述分析的基礎上，本研究構建了空間能力模型。空間能力是指觀察、識別、感知、理解表象，在頭腦中形成表象，對表象進行表征、匹配，判斷表象的空間位置關系，將表象進行操作、想象、創造、建構的能力。空間能力主要由六個維度構成，即空間知覺能力、空間定位能力、空間關系能力、空間操作能力、空間想象能力、空間建構能力。相關描述如表3所示。

空間能力類別具體描述

空間知覺能力感知客體的形態，對物體（或一個物體的不同部分）形狀、大小、方位等空間特性的知覺。空間知覺能力是指能夠使個體更好地對表象進行識別，正確辯識客體的外觀輪廓，并能形成精確影像的能力;以及能夠在客體的方位、方向變化時，仍然能夠對表象進行比較、匹配的能力。

空間定位能力對空間方向、空間方位的辨識和定位能力。包括方向、方位變化時，個體對方向的準確定位。空間定位能力強調能夠判斷“我”與其他事物之間的關系，而其他空間能力更強調個體對事物之間關系的判斷。

空間關系能力分析多物體或多部件之間的空間關系。空間關系涉及方向關系、距離關系和拓撲關系等。

空間操作能力對空間模型在心理上進行旋轉、翻轉、轉換等操作的能力，強調對于已有客觀存在的表象進行操作的過程。

空間想象能力在沒有圖像的情況下，人腦基于想象建立新影像，對新的影像進行表征或操作的能力，強調創造影像的過程。

空間建構能力通過推理或者想象等建構空間結構并以繪圖、模型搭建、實物加工等形式表達出來，形成空間作品的能力。

2化學空間能力的構成

2.1化學空間能力構成模型的建構

與一般空間能力的相關研究相比，關于化學空間能力構成的研究相對較少。典型的化學空間能力構成模型例如，吳心凱[21]提出化學空間能力包括空間關系能力和空間可視化能力。再如，段戴平[19]提出化學視覺空間能力包括空間知覺能力、空間關系能力和空間想象能力。吳國英[22]提出化學空間能力是以化學知識為載體的，是學習化學知識、思考化學問題中必須具備的一種化學能力。化學學科中的空間能力包括空間知覺能力、空間關系能力和空間想象能力。

化學空間能力是空間能力在化學學科的具體化，因此可以根據一般空間能力的構成模型以及已有研究中化學空間能力的構成和內涵，對化學空間能力進行解構，

得到化學空間能力的構成模型，化學空間能力包括化學空間知覺、化學空間關系、化學空間操作、化學空間想象、化學空間建構等五種基本能力。如表4所示。

一般空間能力化學空間能力

空間知覺能力化學空間知覺能力是一般空間知覺能力在化學學科的具體化，包括正確辯識化學問題中立體模型的外觀輪廓，并形成該空間物體精確影像的能力。此外，根據本研究所定義的空間知覺能力的內涵，將吳心凱、段戴平、吳國英的“空間關系能力”納入到化學空間知覺能力中，即能夠判斷圖像與目標圖像是否一致，例如，判斷C3H7Cl分子的兩種結構式是否互為同分異構體。將吳心凱的“空間可視化能力”中側重“知覺”的內涵納入到化學空間知覺能力中，即獲取、編碼空間客體的能力。

空間定位能力空間定位能力是指個體對空間方向、空間方位的辨識和定位能力，一般在地理等學科中著重考察，在化學問題中基本不涉及，因此不認為是化學空間能力的重要組成部分。

空間關系能力化學空間關系能力是一般空間關系能力在化學學科的具體化，與空間知覺能力相比，是一種更深度、高級、復雜的方式，要求對對象的空間結構有更清晰的認識。化學空間關系能力強調在化學問題中能夠判斷對象各部分之間以及不同對象之間的空間位置關系。現有的“空間關系能力”更側重“知覺”，本文提出的化學空間關系能力與前述研究的化學空間關系能力含義不同。

空間操作能力化學空間操作能力是一般空間操作能力在化學學科的具體化，指將化學問題中已有的可視化模型進行操作的能力。由于“操作”一詞更能體現主體心理加工過程的特征，故將段戴平“空間想象”中側重“操作”的內涵納入這一類別，即能夠進行心理旋轉、編碼等過程，對空間體實施心理操作的能力。例如，給出一個正八面體分子，分析找出與該分子呈鏡像關系的圖片。將吳國英的“空間想象”中側重“操作”的內涵納入這一類別，即對空間體心理操作過程。例如，確定二溴甲烷是否是極性分子。

空間想象能力化學空間想象能力是一般空間想象能力在化學學科的具體化，指將化學問題中沒有向個體直接呈現客觀輪廓的客體進行再造性想象和創造性想象的能力。將吳國英的“空間想象能力”中非側重“操作”的內涵納入這一類別，即能夠對客體的形狀結構、量度及其位置關系進行想象，還包括對客觀事物的空間形式及其符號進行再造性想象和創造性想象的能力。

空間建構能力化學空間建構能力是一般空間建構能力在化學學科的具體化，化學空間建構的對象和形式都是非常豐富的，該能力強調以繪圖、模型搭建、實物加工等形式表達出來，形成空間作品。由此，將吳國英“空間知覺能力”中的根據實驗用書的化學實驗裝置圖搭建立體實物納入這一類別。

2.2化學空間能力構成模型的內涵及測評舉例

下文將對化學空間能力五種類型的內涵進行說明，并例舉了相應能力測評的試題以供空間能力培養和測評參考。

2.2.1化學空間知覺能力

化學空間知覺能力是指對化學問題中客體輪廓的感知、識別能力，以及進行不同客體對比、匹配的能力。要求個體能夠識別化學問題中立體模型的原子空間位置關系（遠近等）或正確判斷化學問題中平面結構的相互關系、平面結構是否一致以及立體模型的不同表征方式。具體示例如圖1，根據阿糖胞苷分子的球棍模型（黑色為碳，紅色為氧，藍色為氮，白色為氫）判斷結構式。此題主要考察立體模型的連接關系，要求個體首先能夠識別原子，判斷連接原子種類、連接關系。然后根據價鍵理論判斷連接鍵的價鍵類型，根據價鍵類型對原子數目（有些原子被遮擋）進行補充。最后，識別空間上基團的相互位置關系，判斷環上取代基的位置，即鄰位、間位等。

2.2.2化學空間關系能力

化學空間關系能力是指精細化地判斷化學問題中客體在空間的相對位置關系、內部結構之間關系的能力。要求個體能夠從空間結構中拆解部分結構、從平面結構中拆解部分結構或判斷立體模型中原子的相對位置和空間關系。具體示例如圖2，根據GaAs晶體結構模型，

按照圖中陰影部分將GaAs晶體模型切開，判斷截面圖形。要求個體能感知、判斷原子的空間位置關系，及其與截面的關系。

2.2.3化學空間操作能力

化學空間操作能力是指將化學問題中的客體在頭腦中進行旋轉、翻轉、對映、反演等操作的能力。要求個體能夠進行空間結構的旋轉操作或空間結構鏡像操作。具體示例如圖3，根據一個三角雙錐分子結構圖，已知A、 B、 C位于同一直線，D、 E、 F三個原子構成一個正三角形，A原子位于正三角形中心，且A、 B、 C所在直線垂直于該三角形所在的平面，判斷哪個分子與此分子互為鏡像對稱[23]。

2.2.4化學空間想象能力

化學空間想象能力是指對于沒有客觀輪廓或缺少必須的構成部件的化學問題進行空間想象的能力。涉

及將缺少的部分進行想象，然后依據想象構建輪廓。化學空間想象能力是最具有創新性的維度，在化學學科中，很多物質的發現和創造均需要空間想象。例如，晶胞的平移，判斷原子的空間位置。例如，晶胞復制，判斷與某一原子相連的其他原子的空間構型。具體示例如圖4，判斷SiC晶體結構模型中，與面心上的硅原子直接相連且距離最近的碳原子的空間構型。這要求個體能夠將晶胞在頭腦中進行平移、復制，想象兩個晶胞（其中一個是原有的可視的晶胞，另一個是想象的晶胞）中原子的空間位置關系，進而將其空間關系進行形狀抽象，做出判斷。

2.2.5化學空間建構能力

化學中通常要通過推理或想象等建構三維立體空

間結構，這涉及構建立體空間結構的能力。化學空間建構的對象和形式非常豐富，從建構物質微觀模型到搭建宏觀實驗裝置都需要化學空間建構能力。搭建球棍模型是化學教學中重要的教學活動，在這個過程中個體需要根據分子式或結構式判斷分子中各原子間的連接關系及空間結構。不僅要運用原子的成鍵規律、空間結構特點以及價電子對互斥規則等進行分析、判斷，是理性的推理過程;還需要把推斷出的結構轉化為實際搭建出的模型，生成符合抽象判斷的實物作品。例如，在讓化學專業師范生使用橡皮泥和牙簽根據甘氨酸的結構簡式（NH2CH2COOH）搭建其球棍模型的活動中，發現的典型錯誤如圖5（不連接小球的牙簽棍表示孤對電子）： 氨基應為三角錐形，但搭建為平面三角形（圖5A），或者三角錐的三個頂點間的空間位置不合理（圖5B）;此外，由于未考慮與羰基的共軛，使得羥基氫與羰基之間的空間關系有誤（圖5）。可見，通過實物模型的搭建，可以揭示學習者在分子結構理論和空間結構認識方面更深層次的不足。

（A）

（B）

3結語

“空間能力”作為智力的重要組成部分，對個人能力的發展有重要的作用。本研究通過對國內外空間能力、化學空間能力的相關研究進行文獻梳理、總結和概括，確定了空間能力以及化學空間能力的構成模型，并對概念和內涵進行了界定和描述。這使化學空間能力的內涵更加清楚，為化學空間能力的教學以及教學評價研究提供了參考。本研究仍然存在一些不足，空間能力本身復雜多樣，很難建立簡單的框架。本文提出的化學空間能力框架僅從文獻和化學教學的角度根據思維的主要特征性行為表現進行劃分，還需要進一步論證和實證。此外，本文提出的化學空間能力的類別、內涵仍然需要進一步豐富。

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