紙筆測試中空間觀念的測評維度與試題設計

潘紅娟

【摘 要】具備空間觀念是小學生基本的數學能力，通過紙筆測試診斷小學生空間觀念發展水平是當前評價研究的難點。本文基于空間觀念的內涵與具體表現，對空間觀念從“圖形想象”“圖形分析”“方位想象”“運動想象”四個維度，進行相應的能力分解與能力描述，并用具體試題加以解釋與分析，為空間觀念的評價研究提供實踐案例。

【關鍵詞】小學數學 紙筆測試 空間觀念

具備空間觀念是小學生基本的數學能力，課程標準中提出培養學生“具有初步的邏輯推理能力與空間觀念”的要求。顯然，發展學生的空間觀念是小學數學教學的重要目標，其發展水平標志著學生數學能力水平的高低。

當前國內關于空間觀念的研究，主要集中于基礎研究與教學策略研究，如何通過紙筆測試來診斷小學生空間觀念的發展特點，仍是小學數學教學與評價研究的難點與瓶頸。查閱相關文獻，雖有一些零散的測評試題，但是較為全面反映空間觀念表現的測評工具十分缺失。筆者嘗試對空間觀念進行細化分解，并用試題列舉的方式加以解釋，試圖起到使能力維度與試題內容之間互為解釋、互為支持的作用。

要談空間觀念測評，就有必要對空間觀念進行相應的內涵界定。事實上，當前對空間觀念并沒有十分明晰、統一的概念界定。很多時候，我們很難將空間觀念與空間能力、空間思維等概念區別開來。根據以往研究與課程標準的具體描述，我們對空間觀念做如下定義：空間觀念是以空間形式為主要對象，以空間知覺、表象為主要心理活動過程，在頭腦中進行幾何抽象、分析與綜合（包括圖形的分解與重組）、判斷與推理（包括圖形的運動及二維、三維間的轉換）的思維能力。

本文無意于給出空間觀念測評的嚴謹測試框架，僅是從教學與評價實踐的需要出發，將空間觀念分為“圖形想象”“圖形分析”“方位想象”“運動想象”四個維度，對這些能力進行相應的能力分解與描述，并提供相應的試題列舉與分析，以期為后續空間觀念的評價研究提供一些實踐案例。

一、圖形想象

空間想象是以空間知覺和空間表象作為基礎的。而空間表象，是指在大量空間知覺的基礎上，形成關于物體、圖形的形狀、大小以及相互位置關系的印象。空間想象則是在空間表象的基礎上，經過加工、改造、結合，產生新表象的心理過程。

圖形想象能力，指學生能否根據圖形形狀聯想生活中的相關物體;能否根據數學語言的描述想象幾何圖形或圖形之間的關系;能否想象從不同位置觀察到的幾何體的形狀;能否根據不同位置看到的形狀，想象出物體的形狀;能否根據部分圖形想象或推斷整個圖形;等等。

（一）實物形狀與幾何圖形的互逆轉換

關于實物形狀與幾何圖形的轉換，具體表現為三個方面：一是能夠識別所學的幾何形體;二是能根據圖形的形狀、大小，在頭腦中形成具體表象，并由此聯想到具體實物;三是能根據實物或實物圖，聯想到它的三視圖、展開圖，能想到它的面、棱、頂點等。

試題列舉：圖1是一個長方體物品的長、寬、高，請你根據具體數據估計這可能是一個（ ）。

試題考查學生“由幾何體想象實物”的能力。需要學生根據圖形名稱及長、寬、高的實際長度，在頭腦中形成關于形狀、大小的表象，由此判斷出這是一個類似于文具盒的實物。顯然，試題的指向與空間觀念的內涵十分契合。

（二）幾何體與三視圖的互逆轉換

指向“幾何體與三視圖互逆轉換”的命題：一方面，可以給出幾何體，根據幾何體判斷或畫出三視圖，考查學生將“立體”轉化為“平面”的能力;另一方面，可以設計“由不同方向的形狀圖”還原“幾何體的形狀”，考查學生由“平面”想象“立體”的能力。

試題列舉：由一些同樣大小的立方體搭成的幾何體，圖2是從上往下看到的形狀，數字表示該位置立方體的個數。如果從右面看，則這個幾何體可看到的是（ ）。

此題是對學生“幾何體與三視圖互逆轉化”能力的綜合考查。首先，需要學生根據左圖中從上往下看到的形狀與數量，在頭腦中形成這個幾何體的具體表象;其次，想象出這個立體圖形從不同方向看到的平面形狀。從這個意義上說，學生經歷了“二維”與“三維”的兩次轉換，顯然，空間觀念考查便得到極好的體現。

試題列舉：圖3是一個長方體，其陰影部分的面積是多少平方厘米？

我們大多會將三視圖與幾何體的轉換作為“不同方向觀察物體”內容學習的專屬，事實上，結合圖形認識、圖形測量等內容進行考查同樣可為。此題便是將長方體知識融入空間觀念測評的極好例子，用“求陰影部分面積”這一任務，來考查學生是否能想象出長方體每個面的形狀與大小。所以，通過平面想象空間立體，是直觀幾何學習的重要內容與重要方式。

（三）幾何體與展開圖的互逆轉換

“幾何體與展開圖的轉換”同樣是二維、三維間轉化的重要視角。根據展開圖或立體圖，在頭腦中經歷“折”或“展”的過程，其中必然涉及關于“形狀”、關于“位置”的表象建立。

試題列舉：圖4是一個長方體的展開圖。

①長方體的棱長總和是（ ）cm。

②如果以A為底，請用字母“B”標出這個面的對面。

試題并不滿足于“已知長、寬、高，求棱長和”的技能考查，題①需要學生將展開圖還原成長方體，由此判斷出長、寬、高，求得棱長總和;題②更是需要學生經歷“折的過程”與“折的結果”想象，由此判斷A為底面時相對面的形狀與位置。

（四）圖形拼組想象

根據語言提示，進行圖形拼組的想象，同樣是可以考查的維度之一。因為在拼組過程中，需要學生在頭腦中進行幾何分析、判斷與推理。

試題列舉：圖5中五個圖形都是由相同的小正方體搭成的。選擇（ ）能搭成這個模型。

A. ① ②? ? ? ? B. ① ④? ? ? ? ?C. ② ④? ? ? ? D. ③ ④ ⑤

解答此題同樣需要經歷“空間知覺—空間表象—空間想象”的過程，五個圖形怎樣可以搭成長方體，需要對頭腦中的表象進行加工與改造。通過嘗試，學生將不同的組件拼組，想象出每一次拼組的過程、拼搭的位置，以及拼搭所形成的形狀。

二、圖形分析

（一）復雜圖形的分解與重組

能在頭腦中進行幾何抽象、分析與綜合、判斷與推理，是重要的空間思維能力。因此，能從復雜的圖形中分析出基本圖形，能分析其中的基本元素及其關系，應該是空間觀念測評的維度之一。

試題列舉1：

圖6中缺了（ ）塊。

試題所涉及的基礎知識不多，側重于考查圖形的分析能力。由空白部分與小長方形的大小關系，想象出缺了幾塊小長方形，顯然，圖形分解、估計、推理的能力蘊含其中。

試題列舉2：如圖7，每個小方格的邊長為1cm，求△ABC的面積。

此題著眼于“多邊形的面積”的知識內容，為平面圖形的分析。

學生需要將三角形劃歸為若干個基本圖形的“差”或若干個基本圖形的“和”。這就需要學生在頭腦中進行圖形分析，可分解成“正方形-空白三角形”（如圖8a），可分解成“三個三角形相加”（如圖8b），或通過等積變形，轉化為“已知底、高的三角形”（如圖8c）。當然，除了這幾種方法，圖形分解、重組、轉化的方法策略還有很多。同樣，這需要空間觀念的支持。

（二）以運動的眼光分析圖形

讓靜態圖形動起來，使圖形在學生頭腦中產生運動變化，使較復雜的圖形變化成簡單的圖形，同樣是空間觀念考查的重要視角。

試題列舉：如圖9，每個方格邊長是1cm，求圖中陰影部分①②的面積和。

我們可以將圖①向右平移，將兩部分拼成一個長方形，求面積和。算式與結果：（? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?）;

我們也可以將圖①或圖②割補轉化成梯形，求面積和。算式與結果：（? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?）。

這道題考查的意義在于將面積計算與圖形運動有機結合，根據描述，將靜態的圖形動態化，頭腦中進行平移運動或旋轉運動，轉化為長方形或梯形來解決。

上文中“求三角形面積”一題，將不規則三角形轉化為已知底和高的三角形，同樣是“運動思維”在空間圖形問題解決中的極好運用。

三、方位想象

能想象出物體的方位與相互之間的位置關系，是空間觀念中關于“方向與位置”內容的能力表現。具體表現為：能根據物體或圖形相對于參照點的方向和距離確定其位置;能根據方位描述或運動路線，想象物體所在的位置;能想象物體運動的方向與路線;等等。

（一）方向的想象與描述

試題列舉：選擇“東、南、西、北”填空。

（1）傍晚放學，小遠走出校門，迎面看到太陽，校門對著（ ）面;

（2）接著，小遠坐公交車回家，他看到太陽在他的左邊，公交車向（ ）方向開;

（3）到了十字路口，公交車右轉彎，現在向（ ）方向開;

（4）此時，小遠看到他右邊是醫院的大門，醫院大門對著（ ）方。

顯然，這道試題凸顯了“方位想象”的鮮明特征，需要學生置身于真實的空間中，進行方位想象，并推理判斷出運動的方向以及物體相對于參照物的方向。

（二）位置的想象與描述

試題列舉：圖10中，小方格的邊長是1千米，小方格對角線的長度是m千米。

（1）在圖中找到點A（5，2）和B（2，5），點A在點B的（ ）偏（ ）（ ）度方向，距離是（ ）千米。

（2）若過A、B兩點畫一條直線，則從A點出發沿此直線去B點，是向（ ）偏（ ）（ ）度。

此題融合了三個方面的能力考查：“根據方位描述找到物體的位置”“根據位置用方向與距離進行描述”“能想象并描述物體運動的路線”。尤其是A點與B點的位置關系、A點到B點的運動路線，無論是方向、角度還是距離，不僅需要空間觀念支持，同時需要邏輯推理。因此，本題是一道融合了“數對”“極坐標”等多個“位置”相關知識，融入了空間觀念與推理能力等多項能力考查的綜合試題。

四、運動想象

相較于其他維度，“運動想象”與空間觀念水平聯系更為緊密。為了將基于圖形幾何領域中所要學習的“運動變換”內容與其他運動區別開來，我們簡單地將其分為“圖形變換想象”與“一般運動想象”。圖形變換想象，僅指向于“全等變換”和“相似變換”。其中，全等變換包括平移、旋轉、對稱，相似變換指向于“圖形的放大與縮小”。

（一）運動變換想象

要考查學生關于“運動變換”的想象能力，以對稱、平移、旋轉等相關內容作為載體進行命題，便是可行的方式。

試題列舉：如圖11，將一張正方形紙片對折，再對折，剪去三角形，得到五邊形AMNCD，將折疊的五邊形展開后的圖形是（ ）。

本題是對“對稱變換”的考查，試題并不是簡單的圖形再現，而是要求學生基于“對稱”的概念理解，想象對稱變換的過程，分別形成正方形對折后的圖形表象和圖形展開后的形狀表象。

試題列舉：如圖12，一個小圓沿著一個等邊三角形滾動一周，若小圓半徑是2cm，三角形邊長是10cm，那么，小圓圓心滾動一周留下的軌跡是（ ）cm。

本試題如果從知識技能維度考慮，是考查“圓周長”的試題，但同時又很好地將“平移運動”與“旋轉運動”有機綜合，學生在頭腦中形成運動的表象，從而推理出小圓圓心滾動一周的軌跡。

（二）一般運動想象

這里所指的一般運動，是指區別于小學階段“圖形變換”學習內容的其他運動情況。

試題列舉：如圖13，長方形ABCD的長為6cm，寬為2cm，E為AD的中點，如果將長方形ABCD繞軸L旋轉一周，那么三角形EBC陰影部分掃過的立體圖形的體積是多少立方厘米？

這道題的經典意義在于融入了空間觀念中“圖形運動想象”與“圖形分析分解”兩個方面的能力。不僅需要由平面運動想象出立體圖形，同時需要對運動后形成的組合形體進行分解，并分析其底面半徑、高等要素與平面圖形中長方形長、寬之間的關系。

試題列舉：如圖14，院子的兩堵墻分別為5m和8m，墻外是一片草地，墻上拴著一只小羊，繩長4米。如果將小羊A和小羊B分別拴在圖14a、圖14b中的位置，哪只小羊能吃到草的面積更大一些？相差多少？請用算式或其他方法說明。（結果可用含有π的式子表示）

試題雖蘊含了“旋轉”運動，但因考查重心并不落腳于“旋轉”運動的要素，因此，將其納入“一般運動想象”的范疇。本題并不僅僅依賴于公式的運用，還需要想象出小羊運動的范圍，并能分析運動后形成的半圓、四分之一圓的要素，以及其圓心的位置與半徑的長度。從這個角度說，此題應該是考查運動想象的好題。

最后，值得說明的是，因測試材料本身所具有的綜合性特征，每一道試題與能力維度間會存在并非完全一一對應的關系，可能某些測試材料會涉及多個維度，本文只是從能力側重的角度進行相應歸類。筆者以為，試題的分類并不重要，如何設計指向空間觀念考查的好題才是重要的。