兒童早期空間認知能力的發展

【關鍵詞】空間認知；空間感知；心理旋轉；空間視覺化；兒童早期

【中圖分類號】G610 【文獻標識碼】A 【文章編號】1004-4604（2023）1/2-0030-05

空間認知能力是數學能力中的核心技能，是指人對環境或頭腦中的空間圖形（任意維度）在頭腦中進行識別、編碼、貯存、表征、組合與分解和抽象與概括的能力。空間認知能力影響個體科學、藝術思維水平的發展，是其從事科學、技術、工程和數學領域工作的前提。

兒童早期的空間認知能力能夠預測其小學、高中、大學階段的空間技能。兒童的空間認知能力是可塑的，其習得與兒童的后天經驗，尤其是與兒童早期的生活和游戲經驗密切相關。近年來，空間認知能力在早期教育中的重要性越來越得到認可，但空間認知作為一種內隱的知識或思維活動，對其活動過程和發展進行研究有較大的困難，導致我們對學前兒童空間認知能力的了解沒有對其數概念的了解全面。本研究對相關已有研究進行梳理，以期為促進兒童早期認知能力發展和開展后續研究提供借鑒。

空間認知能力由多種認知技能整合而成。早在20世紀，林尼等人基于元分析的研究認為，空間認知能力包含空間感知、心理旋轉和空間視覺化三個組成部分。加德納也提出了相似的界定，只是更為寬泛。本研究也將從這三個維度進行闡釋。

一、空間感知

空間感知，或稱空間知覺，是認識外界物體空間特性（形狀、大小、遠近、深度、方向等）的知覺。

兒童運用空間感知能力，通過日常的身體運動來認識空間，并在與成人的互動中理解和學習使用空間相關術語。隨著年齡的增長，兒童逐步參照自身位置或外部的環境特征進行編碼，即空間定位。皮亞杰認為，兒童空間定位能力的發展是一個由自我中心編碼向客體中心編碼發展的過程，即先建構自身和物體之間的空間關系，再建構空間物體之間的關系。

1.基于自身的空間參照系統

兒童對空間的認識首先來自對自己身體的意識。身體是兒童理解空間概念的源頭。基于自身的空間參照系統是指根據觀察者本身（包括眼睛、頭、身體坐標等）來表征空間位置和方向。例如，在6個月以前，嬰兒似乎是以眼睛為中心，以視網膜中央協調的方式來感知位置。6個月以后，嬰兒開始以自己的身體作為參照系統。這是兒童空間認知能力發展的一個重要成就，為其時空追蹤能力的協調提供了可能性。基于自身的空間參照系統進行空間定位，包括反應性學習和路徑綜合兩種路徑。

反應性學習（response learning）即感知運動編碼，指通過與目標有關的移動模式來記憶一個位置或路徑。在出生后第一年，嬰兒依賴反應性學習和線索學習來確定周圍環境中物體的位置。其中，線索學習是運用基于外部環境的參照系統來確定位置，要到6個月大之后才會用到。

路徑綜合（path integration）是指基于自身移動的距離和方向來對位置進行編碼，是一種動態的持續更新的過程。路徑綜合能力在昆蟲、鳥類和哺乳動物身上都可以看到，也是人類生來就有的能力。1歲左右時嬰兒能夠自主移動，并在移動過程中使用路徑綜合技能，對距離和方向進行有一定準確性的編碼。因此，自主移動對兒童的各方面發展，尤其是空間方位的發展至關重要。到16個月大時，嬰兒可通過涉及轉向的運動來進行路徑綜合，對方向更為敏感。

2.基于外部環境的參照系統

基于外部環境的參照系統是指根據環境中的元素和特征（如經緯度、地標或房間的地板、墻面等）來表征空間位置和方向，強調個體對物體的位置與空間關系都有表征的記憶，且較為持久和穩定。一般包括線索學習和地點學習兩種路徑。

線索學習（cue learning）是把物體和一個與該物體重合的地標聯系在一起，如一只小狗總是臥在沙發上，成人問嬰兒小狗在哪里，嬰兒便會把頭轉向沙發尋找。有時成人也可能被嬰兒當作一個重要的“地標”，他們可能會記住某個物品，如水杯總是在成人手上。

地點學習（place learning）是根據環境中的地標之間的距離和方向來確定位置。從2歲開始，兒童就開始用外部環境中的物體來對位置進行編碼，并運用編碼信息來解決問題。如，用對距離的編碼信息來幫助自己尋找隱藏的物體。21個月大時，兒童開始用多個地標間的距離信息來確定位置。基于通過自身移動和使用地標獲得確定物體方位的經驗，其空間方位能力在3—5歲時得到進一步發展。到5歲時，兒童可以表征處于多個地標間的物體的位置。5—7歲時，兒童在迷宮或開放空間中確定自己位置的能力不斷提高。在這種能力的基礎上，兒童逐步形成了幾種空間參照系統。他們先是提高使用每一種參照系統的有效性，然后不斷提高選擇和綜合使用這些系統技能的能力。這些系統本身也隨著兒童年齡的增長和兒童的運用不斷融合、更新，系統的整體效率越來越高。至10歲時，兒童的地點學習基本完成。

與空間方位、空間關系的感知和學習關系非常密切的，是對與空間方位、空間關系有關的術語或空間概念的學習。嬰兒自出生起就在積累空間方位的感知經驗，而相關空間詞匯的習得不僅有助于其理解空間關系，也可以促進其對空間方位、空間關系的思考與表達。兒童早期使用較多的空間語言一般是關于空間位置、指示詞、范圍和形狀的詞匯，有關空間特征或屬性、空間方向或轉換方面的詞匯使用較少。

二、心理旋轉

心理旋轉指看到一個物體或物體的圖片，能夠想象把物體或圖片在二維或三維空間中旋轉之后的樣子。心理旋轉是空間認知能力中的重要組成部分，也是兒童未來數學成就的一個重要預測因素。傳統的學前兒童數學教育中很少使用心理旋轉這一心理學概念。隨著近年來兒童發展領域對兒童早期心理旋轉方面的研究增多，心理旋轉對兒童早期數學發展的重要性也越來越清晰。

嬰兒最早在4個月大時表現出心理旋轉能力，14—26個月大的學步兒在把幾何形狀的積木插入盒子之前會表現出事先把物體旋轉一下角度的行為。2歲兒童在同樣的活動中能表現出部分旋轉能力，22-38個月大的幼兒已經形成了一種清晰的物體表征以及旋轉運動能力。3—5歲兒童和成人一樣會使用多種策略解決二維的心理旋轉任務，但使用整體性策略多于分析策略。5—6歲兒童能夠解決大部分心理旋轉任務。

心理旋轉能力的性別差異在嬰兒期已有表現，一般來說男孩好于女孩。有先天和后天兩種原因。先天因素來自性激素睪酮的影響，即所謂“微小青春期”（mini-puberty）的影響。微小青春期是指3歲以下兒童體內性激素水平短暫上升，引起類似青春期的表現。后天因素是指父母對不同性別的孩子態度和期望不一樣，對兒童的心理旋轉能力影響也不一樣。

心理旋轉的另一種表現形式是視覺性觀點采擇（visual perspective-taking）。心理學中所說的觀點采擇是指被試從不同的方向（視角）來想象物體的外觀。它不同于基于物體的心理旋轉，而是一種基于個體身體的心理轉換。個體需要想象自己身體的旋轉或移動，或觀察對象相對于其以自我為中心的參照框架的變化。基于物體的心理旋轉和基于身體的視覺性觀點采擇既有共性又有不同，它們依賴于不同的神經基質：前者與頂葉皮層的活動變化有關，后者與左顳葉皮層的越來越多的活動有關。這兩種能力相對獨立又有著密切聯系，且都與兩個既分離又交叉的神經系統有關。

因為視覺性觀點采擇涉及心理上的轉換能力，所以兒童的觀點采擇能力的發展較為緩慢。研究發現，兒童觀點采擇能力的表現取決于任務的參照點是什么，當觀點采擇任務是識別具體物品的位置，而不是要他們從一套照片中匹配相應視角的圖片時，3—4歲兒童也能完成任務。4歲兒童知道移動的物體的遠近與其看上去的大小有關。到5歲時，兒童能夠依據對物體的參照，對小物品的位置進行編碼。

三、空間視覺化

空間視覺化能力是一種想象物體和形狀的空間運動的能力，如對所呈現物體的折疊和旋轉，對物體之間位置的相對變化以及對機械運動形成表象。

大腦中產生的空間表象是對物體整體的表征。認知心理學和腦神經科學認為，表象由視覺表象和空間表象組成。視覺表象（visual imagery）是指對一個物體的可視外觀特征的表征，相對來說是靜態的，如形狀、顏色或亮度；空間表象（spa-tial imagery）是指對物體各部分的空間關系和對物體的空間位置或物體運動的表征，往往是動態的。心理學家將視覺、空間表象能力視為空間智能的核心，認為它們在很大程度上決定哪些學生在科學、技術、工程和數學領域中能如魚得水。在這兩種表象中，兒童的視覺表象發展可能早于空間表象。3歲左右的兒童能再現他們看過的一張簡單的圖畫或積木搭建的房子。隨著經驗的積累，他們還能夠通過滑動、翻轉和旋轉一個形狀來再現他們以前看到的形狀。兒童對處于運動中的空間位置和空間運動的想象相對較困難。目前關于空間視覺化的研究大多關注6歲以上兒童相關能力的發展。

空間視覺化也與我們常說的空間表征有關。空間表征（spatial representation）指物體位置和空間關系在個體心理中的存在形式，是在符號的水平上對空間物體的定位、方向、空間關系等信息進行思考與推理的過程。語言是人類的一種符號系統，在空間領域還涉及模型、地圖和圖表等表現方式。這些表現形式的范圍，有助于人類空間信息的儲存和交流，及對其的反思、綜合和推斷。兒童的生活中常涉及的空間表征包括各種建構游戲、手工制作、繪畫、泥塑以及認識和使用地圖。這里主要談談兒童對地圖的認識。

地圖表征指運用一些類似物或符號來代表真實的環境。理解地圖包含三個步驟：對符號表征的理解、使用空間關系、地圖閱讀中的心理旋轉。盡管大多數3歲兒童已有符號表征的能力，但在地圖的理解和使用上，兒童可能要到6—7歲才會有更為成熟的發展。

1.對地圖符號表征的理解

作為一種空間表征，地圖反映了物體、地點或物體和地點之間的關系，如方位、方向和比例等。知道地圖上的一種符號代表了現實環境中的一種真實物體，顯然是地圖使用中最基本的核心技能。一旦兒童理解了這一點，就說明兒童對地圖有了初步的認識。這種情況一般在2歲半會出現。在這一基礎上，兒童關于具體的地圖符號和環境元素之間的對應理解能力逐步發展。這一能力在兒童30—42個月大時，即兒童獲得表征能力時會有較快發展。

兒童3歲時開始能夠理解地圖或模型與對應的空間之間的一些基本的象征關系，47%左右的3歲幼兒掌握了初步的符號表征，但在獲取和使用復雜的地圖信息時會遇到很多問題，如經常不能依據地圖上的位置來確定物體的實際位置。4歲兒童在一些簡單的情境中，如在地圖與真實的地理環境的方向一致時，開始能夠理解和解釋地圖，計劃空間運動，通過地圖來學習和推理。4歲時，63%左右的兒童掌握了符號表征。5歲或6歲時，兒童才能解釋地圖中所使用的各種符號。但在這一年齡，兒童對于實際空間和地圖之間的對應的能力仍有限。兒童在5歲時開始在一些涉及與真實地理環境方向不一致的地圖的簡單情境中表現出某種程度的成功。到6歲時，兒童能夠在有著多種選擇的復雜環境中使用距離信息計劃自己的日常生活行程，并開始使用地圖和辨識坐標。

2.對地圖中空間關系的理解

研究表明，兒童的距離編碼發展較早，嬰兒和被學步兒都具有距離編碼的能力，因為距離是可以被直接感知的，可以在兩個地點之間進行關聯，不需涉及抽象的測量單位。3—4歲兒童能用最簡單的地圖來完成對距離的編碼。使用地圖空間關系的能力最初出現在4歲，但大多數兒童要到6歲以后才掌握。

確立空間關系之間的對應能力是使用地圖或模型的另一種能力。從地圖符號與真實物體之間的對應關系來看，6歲兒童的方位判斷能力發展很快，但有著明顯的地區差異。周欣等人開展的一項全國性研究發現，能夠根據簡單的房間地圖信息，并在對應的實物房間模型中找到相應的方位放置物體的6歲兒童，比例為54%，而對上海示范幼兒園的6歲兒童的研究發現，能完成相同任務的比例高達91%。

一般認為，在元素一一對應上，對比例的理解是比表征發展更難、更晚的一種能力。從一張地圖中獲取正確的空間信息，首先需要能夠理解比例的變化，然后把地圖上的距離應用于對真實世界距離的評判。表征的比例是表征物和指稱物之間幾何對應關系的主要維度，四五歲的兒童不能解釋和使用比例關系。環境與表征之間的比例越接近1：1時，兒童識別環境與表征之間關系的可能性越大；當比例超過1：8時，5歲以下兒童對地圖表征的理解就有顯著差異。

3.地圖閱讀中的心理旋轉

當地圖的位置和方向與實際環境不一致時，就需要進行思維轉換。如果兒童能結合自己所處的位置進行思考，就說明他們已經開始嘗試把自己置于動態的變化中來考察空間幾何的關系。僅有少數5歲兒童具有地圖閱讀中的心理轉換能力。

兒童早期空間認知能力的發展盡管與遺傳和生物因素有一定關系，但后天的學習和經驗的影響更為重要。以往的幼兒園數學課程中，與“形”相關的知識屬于課程的核心內容，但較為關注形狀、形狀的組合、空間方位等方面，對兒童的空間認知能力的發展，特別是心理旋轉、空間視覺化方面發展的關注還不夠，對與這些技能相關的空間想象、空間表征和空間問題解決的能力的了解更少。這些內容是今后的研究和實踐領域應多加關注的方面。