基于认知过程的中学生地理空间能力测度研究

朱菊萍

摘 要：通过理论建构、实证分析等过程开发中学生地理空间能力、空间认知能力及主要认知因素测量工具，并利用信度、效度检验结果良好的测量工具在南通市启秀中学初二年级施测。结果发现：学生地理空间能力与空间认知能力及所包含的感知、记忆、思维等认知因素均呈显著相关关系，但影响强度不同。因此，可以充分利用认知规律，在地理教学中渗透空间认知能力及相关认知因素的理念与方法来提升学生地理空间能力。

关键词：地理空间能力;认知规律;空间感知;空间记忆;空间思维

《地理国际宪章（2016）》指出：地理是一门以位置和区域知识为基础的学科。位置是生活中的一个关键因素，关注空间分异的地理为日常生活提供了一个非常实际且有用的视角[1]。这表明地理空间能力是地理学科的基本能力，地理空间认知能力的高低一定程度上制约着中学生地理学习的效果和教师开展地理教学的进程。而地理学习同认知紧密联系，地理学习过程是由感觉、知觉、思维、想象、记忆等方面组成的认知过程，地理认知活动是后续学习活动的基础和前提。可以说，从认知角度对中学生地理空间能力进行系统的研究和探讨是地理教育教学领域的一项具有重要理论与实践价值的研究课题。

一、研究方法

本研究在梳理分析有关地理空间能力及空间认知能力及相关认知因素文献等资料基础上，构建并开发地理空间能力、空间认知能力及认知因素评价指标体系;然后使用量表获取数据资料，并对资料进行综合处理和统计，分析地理空间能力与空间认知能力及认知因素的相关性及相关强度等，筛选出与中学生地理空间能力高相关的认知因素，并运用相关认知规律有重点地改善并加强这些关键认知因素以促进学生地理空间能力发展。

1.地理空间能力内涵及其测量

空间能力是地理学科的核心能力之一。地球表面的地理现象、地理事件、地理过程，统统发生在以地理空间为背景的基础上[2]。地理学研究空间更关注空间形状、大小、方位和距离等要素[3]。地理空间强调空间中事物的地理位置和事物之间的距离关系。因此，地理空间能力既具有一般空间能力的特征，又具有地理学科的独特性。概括地说，地理空间能力是建立在一般空间能力之上，对地理事象等进行认知活动，从而在头脑中形成它们的空间形象，并在此基础上进行分析地理事象的空间位置、形状、空间分布、相互关系及其动态变化的能力。

目前，有关空间能力的测试已较成熟，但是比较系统全面的地理空间能力测试工具尚未形成。在研究地理空间能力内涵的基础上，按照相关性、一致性、定义清晰准确等原则，结合国内外关于地理空间能力测量的相关理论研究和中学生实际情况进行综合分析，访谈数名有经验的中学地理教师及地理教学论专家，利用理论和实际相结合的编制策略，初步建立中学生地理空间能力评价指标体系，使用量表对被试学生进行测试，进而对量表内容及测验条目进行反复调整和修订，直至定稿。

量表主要包括3个一级指标和6个二级指标。一级指标中，地理空间形态能力主要是指初步观察地理事象等的能力;地理空间定位能力是指个体从不同角度去观察地理事象，并对其进行空间位置判定等，这种能力同空间感知与空间思维等密切相关;而地理空间关系能力主要指个体利用“心象地图”去快速综合地解决地理问题的能力，同空间记忆中的空间表象能力等有关。“心象地图”是驻留在记忆中的关于实体世界与空间特征的印象式表达，它是空间认知的结果[4]。综上所述，地理空间能力量表主要从地理学标准出发，较系统地测量了与地理空间能力密切相关的内容，进而实现对地理空间能力的初步评价。具体内容如表1所示。

从题目设计到试测修订，最后确定的中学生地理空间能力测量表包含3个维度，6个分测验，38 个测题。关于测量条目均采用 0/1 计分法。各分测验答对条目得分总和即该分测验原始分，然后对原始分进行数据标准化处理。

对“中学生地理空间能力测量表（GSCS）”（以下简称GSCS）进行信效度检验表明，量表内部一致性较好，具有较好的测量信效度，基本能够反映出不同被试样本在地理空间能力上的不同水平，在评价意义上是有价值的，基本达成了原命题计划。

2.空间认知能力及认知因素测量

概括地说，认知过程是人由现象到本质地反映客观事物特征与内在联系的心理活动，主要包括感知、记忆、思维和想象等内部过程[5]。而空间认知（ Spatial cognition ）是研究处理空间信息过程的科学。空间认知研究人类怎样认识空间环境中的物体、现象的空间位置、空间分布、相互关系，以及它们的变化和规律。空间认知的过程主要包括：感知过程，表象过程，记忆过程和思维过程等。对地理空间的认知作为认知科学和地理科学的交叉部分，需进行基于地理空间相关问题的特化研究。有研究者认为基于地图的地理空间认知研究是地理空间能力的重要内容，对地图使用者来说，其地图空间认知过程与客观世界认知过程是相同的。

物体的空间特性（形状、大小、远近、深度、方向等）直接作用于人的感觉器官或者通过语言、文字描述和图形示意等形式间接作用于感觉器官，经过大脑的综合反映产生知觉，再通过记忆、想象、思维等心理过程，可以获得对直接客体的全面而深刻的認识以及间接客体在头脑中的再现形象，甚至创造出新的形象。总的来说，空间认知过程主要包括空间感知、空间记忆、空间思维等。其中，空间感知是人类对空间环境认知的基础。而空间记忆则主要指在人脑中保持对感知过的空间事象具体形象或外部特征的记忆，一般具有直观性，有助于形成空间表象。另外，记忆能够使学生形成一定的地理空间观念，积累地理表象。空间记忆过程一定程度上涵盖了空间表象过程。而地理空间思维可以具体划分为具体的因子，如空间想象能力、空间分析能力等。综合考虑上述内容，本文把空间认知过程中包含的空间感知、空间记忆、空间思维等作为影响学生地理空间能力发展主要的认知因素考查对象（表2）。

表2 中学生空间认知能力及认知因素测量内容

[分量表 二级指标 相关说明 空间感知 空间视觉知觉 指物体的空间特性（形状、大小、远近、深度、方向等）直接作用于视觉为主的感觉器官或者通过示意等形式作用于感觉器官所引起的对事物空间特性的感知 空间认知地图 指通过各种形式作用于人的感觉器官形成表象后引起的有关事物空间特性在人脑中的反映 空间记忆 空间形象记忆 主要指对感知过的空间事象具体形象或外部特征的记忆，具有鲜明的直观性，有助于形成空间表象 空间逻辑记忆 主要指根据不同客观事物本身的意义和性质，以及客观事物之间的关系，对空间事象的有关空间特性形成概念、判断、推理等形式的记忆 空间思维 空间形象思维 主要指凭借事物的直观形象和空间表象等为支柱解决有关事物空间特性问题的思维形式，具有形象性 空间抽象思维 主要指以抽象的概念、判断、推理等思维形式来反映客观事物在空间特性方面的本质特征和内在联系 ]

综合相关理论研究及文献资料，并结合研究需要，初步编制“中学生空间认知能力及认知因素测量表（SCAS）”（以下简称SCAS），经过 2017 年 9 月的预试，并进行信度效度测查及收集，经过反复调整修改后，最后确定中学生空间认知能力及主要认知因素测量评价指标系统。测量表分 3 个维度，6 个分测验，共 36 个测题。测题按照并列直进式原则编制，每个分测验中按混合螺旋式排列的原则，由易到难编排。具体测量條目均采用 0/1 计分方法，各分测验答对的条目得分总和即该分测验的原始分，然后利用对原始分进行数据标准化处理。这样初步确定中学生空间认知能力及认知因素评价指标系统。

利用经过检验的GSCS、SCAS量表作为简单研究中学生地理空间能力、空间认知能力及主要认知因素的工具开展研究。2018年9月在南通市启秀中学初二年级选取5个班级，采取集体施测的方式进行，每次施测人数在50人次左右，每个测验均有明确且严格的时间限制，施测过程中应遵循时间要求。测验量表由被试者独立完成。测试涉及的系列指导语等录音统一播放，投影仪统一展示系列图片。测量最终获取244份有效问卷数据，其中男生124份（50.8%），女生120份（49.2%），性别比例相当。

二、研究结果与分析

1.中学生地理空间能力测量结果分析

从测量结果来看，被测学生的地理空间能力组成中，地理空间形态能力、地理空间定位能力、地理空间关系能力发展程度有高低。相对而言地理空间定位能力得分略偏低。

2.中学生空间认知能力及认知因素测量结果分析

从中学生空间认知能力及认知因素测量结果来看，被测学生的空间认知能力主要认知因素得分组成中，空间感知、空间记忆、空间思维3项认知因素水平有高低。相对而言，空间记忆水平较高，空间感知水平次高，而空间思维水平最低。

这样的结果与初中生认知发展水平密切相关。在感知觉方面，初中生能根据要求自觉地去知觉有关空间事象，说明知觉的目的性、概括性和精确性有了较大提高;另外，在空间知觉方面的抽象性得到增强，能比较熟练地掌握三维空间关系。从记忆能力来看，初中生形象记忆和抽象记忆都在飞速发展，他们还能利用一定的记忆策略来帮助记忆。这个阶段的学生具有一定的注意分配能力，他们可以边听讲边记笔记，利用多感官通道促进记忆效果。另外，他们利用空间推理等解决有关空间问题的能力也得到了很大的发展，但逻辑思维还不成熟，有待于有针对性地广泛演练。这也可能同传统地理课堂教学比较重视对主题空间事象有关信息的记忆是否达成有关。

3.性别差异显著性检验

分别对中学生地理空间能力、空间认知能力及主要认知因素测试结果进行男女分组差异显著性检验（表3、表4）。

表 3与表 4 结果表明男、女生之间不存在显著性差异，说明初中二年级学段男、女生在地理空间能力及空间认知能力上无明显差异。另外，在空间认知能力主要认知因素空间感知、空间记忆、空间思维3个分量表上，男、女生也没有明显差异。这与戈德斯坦（Goldstein D）等的“在控制了某些干扰因素的情况下空间认知能力不存在性别差异”研究结果基本一致。

4.地理空间能力与空间认知能力及认知因素的相关性分析

利用量表分别对被试者进行地理空间能力、空间认知能力及认知因素等相关测试，经过相关性分析发现，中学生空间认知能力及认知因素测量表中，空间感知、空间记忆、空间思维 3 个维度及各个维度下的分量表同地理空间能力在 0.01 水平上呈显著相关（表5）。

通过对地理空间能力、空间认知能力及认知因素各个维度及分量表的相关性分析可知，空间认知能力中空间感知、空间记忆、空间思维等空间认知因素与地理空间能力具有较高的正相关关系。可以通过运用促进这些空间认知因素发展的科学方法以提高中学生地理空间能力，即基于有效利用认知规律培养相关认知因素，进而采取提升地理空间能力的相关教学方法与策略。如在地理教学中通过渗透提高空间感知（如视觉感知能力训练）、空间记忆（如事象记忆术）、空间思维（如视觉思维训练）等来提升空间认知能力及相关认知因素。

5.地理空间能力与空间认知能力各认知因素的回归分析

运用 SPSS 多元逐步回归分析方法，建立中学生地理空间能力与空间认知能力各认知因素之间的回归模型（Y=21.63+0.301x1+0.189x2+0.229x3），进而研究空间认知能力各相关认知因素对地理空间能力的影响程度。

上述回归模型中涉及的3个自变量中，x1 是指空间认知能力中的空间感知，x2 是指空间记忆，x3 是指空间思维。从方程中自变量的系数大小可以看出，影响地理空间能力的认知因素按影响程度排列依次是：空间感知>空间思维>空间记忆。

但从测量结果看，目前被试学生空间感知和空间思维的发展略滞后于空间记忆。综合分析发现，空间感知和空间思维对学生地理空间能力作用程度较强，但在初中二年级学段的发展水平却略低于空间记忆。这可能与初中生认知发展水平及传统教学方式有关。

三、研究应用与展望

1.地理空间能力量表与空间认知能力及认知因素量表有一定的使用价值

本研究编制的“中学生地理空间能力测量表（GSCS）”“中学生空间认知能力及认知因素测量表（SCAS）”的难度、区分度均较好，信度、效度等也比较可靠。两个量表既相互独立又互成体系，通过相关分析研究，试图揭示空间认知过程中各个认知因素对地理空间能力的可能影响及影响程度。另外，分量表及总量表测试题目与应测内容范围的吻合程度较高，结构良好。因为地理空间能力的形成和发展是一个持续的、动态的养成过程，相关指标体系的建设应该在教学实践中不断改进和完善，以期提高生成性。

2.地理空间能力与空间认知能力及认知因素相关性研究為地理教学实践提供新思路

本研究试图建立认知心理学与地理空间能力发展的联系。通过使用编制的两套量表进行研究发现：中学生空间认知能力及主要认知因素测量表中，空间感知、空间记忆、空间思维等认知因素同地理空间能力呈明显相关关系，这说明地理空间能力受空间认知能力及认知因素影响显著。其中，空间感知的影响强度最大，其次是空间思维，空间记忆的影响强度最小。但是，初二学生空间记忆的发展水平略优于空间感知和空间思维。可以说，空间感知和空间思维对学生地理空间能力作用程度较强，但在初中二年级学段的发展水平却略低于空间记忆。这可能与初中生认知发展水平及传统教学方式有关。可以根据学生有关空间认知的发展水平现状及不同认知因素的作用强度有针对性地进行相关训练。如在地理教学过程中，教师可以引导学生进行负性空间辨认练习、视觉扫描空间事象练习、视象记忆加工练习、层次化心理地图构建等[6]，训练并提升空间感知、空间记忆及空间思维等。可以利用认知规律，根据学生有关空间认知的发展水平现状及不同认知因素的作用强度有针对性地进行相关训练，提高和改善学生薄弱项的发展。在教学中更有侧重点地加强对关键空间认知因素——空间思维、空间感知等的培养，进一步提高学生地理空间能力，进而提升其地理空间素养。

地理空间能力及空间认知能力相关认知因素内涵复杂，而地理空间能力的形成和发展是一个持续的、动态的养成过程，相关指标体系的建立应该在教学实践中不断改进和完善，以进一步提高适配度和生成性。教师可以通过对学生不同时间、不同阶段的地理空间能力、空间认知能力及主要认知因素的监测，掌握其发展变化情况，进而针对学生现状及时采取适合学情的相应教育教学手段，更好地贴合学生实际发展。

参考文献：

[1] 杨洁，丁尧清.地理教育国际宪章 2016[J].中学地理教学参考，2016（15）：22-24.

[2] 卢万合.中学生地理空间思维能力及其培养[D].长春：东北师范大学，2005.

[3] 袁孝亭.利用地理空间要素发展学生空间思维[J].课程·教材·教法，2009，29（08）：62-67.

[4] 高俊.地图学四面体——数字化时代地图学的诠释[J].测绘学报，2004（01）：6-11.

[5] 梁宁健.心理学导论[M].上海：华东师范大学出版社，2013.

[6] 王俊友.学生心理地图层次化构建策略[J].地理教育，2014（10）：59-60.