空间技能在工科类专业学习中的作用及其培养

杨 文，肖艳丽

（1.天津职业技术师范大学世界技能大赛中国研究中心，天津 300222；2.天津职业技术师范大学职业教育学院，天津 300222）

空间视觉化技能，尤其是三维视觉化能力，是与STEM（science，technology，engineering and mathematics）领域专业学习密切相关的认知技能[1]，美国国家科学委员会也认为空间技能是该领域学习的关键技能。以往研究发现空间技能水平存在明显的性别差异，尤其是在心理旋转测验中，男性表现显著优于女性，在空间视觉化任务中的表现可以直接影响学习者的自我效能感[2-3]。研究表明，训练是提高空间视觉化技能的有效方法，提高空间视觉化技能有助于提高其自我效能感，进而坚定其继续学习本专业的信心[4-5]。本研究回顾了以往研究者对空间技能的定义，总结了空间技能在工作学习中的作用，尤其是在工科类专业学习中的作用，并对空间技能的测评做了简要总结。通过以往研究发现，空间技能是影响工科类专业学习的重要因素之一，而且这种技能是可以通过训练得到提高的，本文从学校教育的角度及学习者的角度探讨了空间技能训练的方式及效果。

1 空间技能的定义

Sorby[2]对“空间能力”和“空间技能”做了区分，他认为虽然这2个词经常可以替换使用，但能力一般指的是天生的特点，即出生就具有或不具有，无法通过学习获得或提高；而技能指的是后天习得的特点，即通过练习可以得到提高。目前研究者探讨的大多是后者，因此本研究采用“空间技能”一词。

一般来说，空间技能指的是认知、感知和视觉表象技能的集合。空间技能不是单一的、静态的能力，而是由许多子技能组成的，它们相互关联，在个体的一生中不断发展变化。虽然目前对于空间技能没有统一的定义，但研究者一般认为空间技能有4个核心成分，分别为：对物体心理旋转并表象化的能力、从不同视角理解物体形象的能力、认识物体在空间中的相互关系的能力、理解三维空间中物体的能力[6-7]。为了深入评估和研究空间技能，研究者将这4种核心空间技能分为2类：空间表象技能和空间关系技能。空间表象技能是指通过对物体表象进行折叠和展开来想象物体或其部件在三维空间中的旋转能力；空间关系技能是指把二维或三维物体作为一个整体进行旋转想象的能力，包括心理旋转和空间感知[8-9]。以往研究者主要关注个体对二维空间的理解和操作，较少涉及三维空间[10]。然而，在过去几十年里，随着计算机架构技术、处理器速度和应用程序设计的快速发展，面向学生的三维设计软件越来越多，研究者也开始越来越多地关注三维空间的认知。

2 空间技能的作用

2.1 空间技能的一般作用

视觉空间技能对个体成功完成日常生活中的许多任务非常重要[11]。如打包时判断包装箱是否能装下要打包的物品；在不熟悉的地方使用地图导航寻找目的地；驾车从高速公路辅路汇入主路；根据别人的位置，告知自己目前的方位等都是涉及空间技能的活动。

2.2 空间技能对工科类专业学习的作用

以往研究发现空间技能在很多专业学习中都起着重要作用。数学、自然科学、工程学、气象学和建筑学都涉及空间技能的运用，如天文学家把太阳系的结构和天体的运动形象化；机械师将机器各部分的相互作用可视化；放射科医生根据X光片上的空间信息解释图像。研究者发现视觉空间技能是工程专业和其他STEM专业学习的必要因素和关键因素[12-13]。Peters等[14]的研究发现，工科类专业的学生在心理旋转测验中的表现比文科类专业的学生更好，而且工科类专业男生的表现优于女生。有研究表明学习成绩和视觉空间测验分数之间存在联系[12-13]。Sorby等[13]对空间可视化教育开展了6年的纵向研究，发现对密歇根理工大学大一学生工程制图课成绩预测效度最高的单一因素是普渡大学开发的空间视觉测验中的心理旋转子测验（Purduespatialvisualizationtest：rotations，PSVTR）。另外2个重要的预测因素是数学成绩以及之前在制图和立体几何方面的经验。Sorby[15]发现第一门工程制图课上表现不佳的学生中有80%没有坚持学习工科类专业。Uttal等[16]在一项研究中指出，教师认为工程制图应该被视为入门课程，因为该课程对学生是否能坚持学习完本专业有很大影响。研究还表明，在建构工程专业学习成绩的预测模型时，如果在传统的预测因素（如数学、语言技能等）的基础上加入空间技能，则预测模型的预测效度会有很大提升。Humphreys等[17]对40万名高中生的纵向研究发现，空间-数学能力和语言-数学能力可以成功地预测学生对未来专业的选择。与单纯的数学成绩相比，空间技能、使用直觉的意愿和数学成绩的综合评分对本科工程设计课程的成绩预测效度显著提升[18]。

3 评估空间技能的方法

个体的空间技能可能会随着时间的推移而改变，要想了解较长时期内个体的空间技能水平，需要经常测评，个体年龄越小，需要测评的频率越高。评估空间技能水平需要使用恰当的工具，并据此确定和实施适当的干预措施，以有效地鼓励空间技能的发展和提高。以往研究对空间技能各种评估方法的有效性进行了讨论[19-21]。最近关于空间技能测评的研究中提到最多的测验是心理切削测验（mental cutting test）、范登堡心理旋转测验（Vandenberg mental rotations test）和普渡大学空间视觉测验中的心理旋转子测验[22]。

研究者发现心理旋转能力对工科类专业学习有重要作用后，Sorby[15]使用PSVTR对学习者的空间技能进行了测评，发现学习者的空间技能存在较大的性别差异。Onyancha等[23]在空间技能评估和分析方面做了大量的工作，他们认为在选择空间测验时应考虑以下几点：①测验是否经过了足够长时间的验证；②对于受测者来说，测验难度是否得当；③对于受测者来说，内容是否足够概括，还是过于专业化；④可以测评多个方面；⑤测评数据是否易于分析；⑥测评成本和效益是否均衡。

4 空间技能的培养

空间技能是长期学习和训练的结果，可以通过实践、训练和学习来提高[24]。学校可以为在空间技能测验中为表现不佳的学生开设空间技能培训课程，这些群体也可以通过视频游戏、创作艺术品、玩积木等活动提高空间技能。

4.1 从学校的角度提高学习者的空间技能

以往研究表明空间技能可以通过训练得到提高[25]。在训练空间技能时需要考虑训练任务范围的广泛性，避免在少数几个训练任务上大量训练。研究表明，在少数几个任务上集中训练可以在较短时间内迅速提高空间技能，但空间技能长时间、稳定的提高需要通过多种任务的训练，工程制图、实物三维建模、画草图均有助于发展和提高空间技能[9，15，26]。

以往大量研究发现空间技能发展与工科专业学习结果间存在关联，这使得很多工科院校开始评估学习者的空间技能及其可发展性。Sorby等[13]以密歇根理工大学机械专业学生为被试，设计了一个课程训练学生的空间技能。该课程包括每周进行2 h理论课和2 h计算机实践练习，共3学分，课程结束后的测评发现，学习者的空间技能有了显著提高。Hsi等[12]的研究也发现通过训练可以提高空间技能，基于“脚手架知识整合”框架，设计的空间策略指导课程包括以下几个方面：①教授学习者所有空间策略，使得他们能够区分不同的空间策略，用视觉化方式思考空间问题；②鼓励学习者监控自己解决空间问题的过程，找出独立学习时空间推理的优点和缺点；③鼓励学习者利用社会支持。在空间技能测评中分数较低的学习者通过该课程的训练，在空间推理任务中的分数显著提高，且性别差异消失。

随着空间技能的测评工具的开发越来越便利，研究者建议工科院校应当在学生选择专业前安排一个20 min左右的空间技能测评。对于测评成绩较差的学习者，可以开展6周左右的空间技能培训，提高其空间技能水平。培训既要有专业性较低的内容（工程制图），也要有专业性较高的内容（3D计算机辅助设计）。

美国国家自然科学基金资助的ENGAGE项目目前已有20所理工院校参与，该项目的总目标是通过实施前期研究总结出的3大教学策略，提高工科院校大学生的保学率，而提高学生的空间技能是3大策略之一。参与院校均认同需要开发项目评估学生的空间技能，然后为空间技能较弱的学生提供额外培训。实施空间技能试点课程后，参与项目的5所学校记录总结了实施的经验、教训和未来计划[27]。参与学校使用Sorby等[28]提出的理论开发空间技能训练课程，使用PSVTR来评估学生的技能。该项目实施中遇到的最大挑战是自愿选择学习空间技能课程的学生很少。参与学校使用了多种方法来解决这个问题。除了使个别空间技能培训课程成为必修课外，弗吉尼亚理工大学还提出了一个进入和退出机制，即系统默认PSVTR测验中得分较低的新生选修空间技能课程，虽然他们可以选择不学习这门课程，但大多数学生（约67%）会选择默认选项，继续学习该课程。

Sorby[2]认为关注学习者空间技能的学校应当注意2点：①入学前要对学习者的空间技能水平进行评估，提前识别出空间技能较弱的学习者（PSVTR测验中有60%～70%的人技能较弱），入学后教育者要留意这部分学习者；②采取有效措施提高学习者的空间技能。如可以将空间技能训练作为暑期训练计划的一部分；可以将空间技能训练作为必修课。研究者不鼓励将空间技能训练课程作为选修课，但如果选修课计算学分，且考查出勤率，学习者就会认真对待，训练效果也会提高。

4.2 从学习者角度提高空间技能

以往关于影响空间技能发展和表现的因素的研究主要关注空间技能表现的性别差异。然而，最近的研究表明，其他因素也会影响空间技能，如工作记忆能力和社会经济地位[29-30]。已发现的有助于提高空间技能的活动包括：观看电子游戏视频、创作艺术品、玩乐高积木等特定的玩具[1，6，31]。很多计算机软件可以用于练习空间技能，虽然有些计算机游戏在开发时没有考虑到要提高玩家的空间技能，但研究发现这些游戏有助于提高空间技能，如俄罗斯方块[32]。此外，研究人员认为，与男性相比，玩游戏对女性发展三维空间技能尤其有益[33]。入学前经常参与手眼协调活动的学习者在空间技能测验中的表现一般较好。男性比女性在空间技能测验中表现更好的原因可能是男性经常参与某些体育项目，如篮球。

Sorby等[28]认为，增强学习者的自我效能感对提高其空间技能至关重要，应当向学习者解释空间技能不是与生俱来的，而是需要后天培养的，增强其提高空间技能的信心。Sorby等[13]设计了一门帮助学习者提高三维空间表象能力的课程，并进行了6年的纵向研究，结果显示，参与训练的学生在多项空间技能测验中的得分均有显著提高，且女生的提高更大。空间技能训练课程能达到训练效果的原因包括在课程中允许学生大量练习并提供反馈，给学生充足的时间和必要的指导，帮助其探寻解决问题的方案等。学习者在这些训练中积累了空间技能相关的经验，增加了问题解决策略的数量[29]。

5 结语

部分个体先天就具有较高的空间技能，还有一些个体拥有与空间技能相关的丰富经验，他们的空间技能水平也比较高。但有一些个体空间技能水平较低，影响了其对专业课程的学习。与其他认知技能一样，空间技能是可以通过训练提高的。参加空间技能训练课程，增加相关活动的经验，可以显著提升个体的空间技能，增强其自我效能感，减少学习者改换专业的比率。入学前进行空间技能测验，开设空间技能训练课程对学校的管理和学生的职业发展均有较大帮助。未来研究应根据不同专业的特点，研究开发有针对性的空间技能训练课程，并深入研究技能训练对空间技能的影响机制。