基于虚拟现实的心理旋转训练对小学生空间能力的影响研究

◇浙江工业大学教育科学与技术学院 黄 愉

本文简要介绍了传统心理旋转能力的训练方法，定性分析了虚拟现实心理旋转训练的可行性及其优势。开发了虚拟现实心理旋转训练软件，并采用准实验单组前后测的方法测量并分析了小学生空间能力测试结果。通过实例探究可知，小学生在使用了该虚拟现实的软件后，空间能力有了显著的提升。

1 引言

空间能力（spatial ability）是人类认知能力中很基础的一方面，它是产生、提取、保持以及操作视觉空间信息的能力[1]。越来越多的研究者及教育家意识到，空间能力与人们日常生活的多方面都相关，比如运动、游戏、识路和学业等。更值得关注的是，空间能力在科学、技术、工程和数学领域也非常重要。

心理旋转（mental rotation）是空间能力的一种，是个体在头脑中围绕一个轴或多个轴对二维物体或三维物体进行旋转的能力。图形旋转的心理操作涉及到各种空间因素和表象运动，往往能反映人们的空间表象能力和视觉空间表象的体系，是空间能力的中心指标[2-3]。由于其心理操作较多设计表象运动，往往能揭示人的空间表象能力和视空间表象体系，因此在研究中选择从心理旋转的角度探索空间能力发展的特点和水平具有深远意义。

2 传统心理旋转训练方法及其局限性

对于心理旋转能力的训练，最常见的方法是传统的纸和笔训练。训练中，训练者对提供的三维物体进行心理上的旋转，再在二维图纸上匹配与之对应的不同几何形式的复制图形。另外，空间游戏，包括积木、玩拼图和棋盘游戏都与空间能力的提高有关。Newman和Sharlene D.发现5～30分钟的结构化方块游戏会引起负责心理旋转的神经网络发生变化，提高心理旋转的速度和准确性。这也说明了儿童在构建一个给定结构的结构化积木游戏中需要有分析空间表现的能力[4]。

折纸训练也被证实是提高儿童空间能力的方法。该训练方式主要结合具体的活动，如折叠和剪纸与空间训练，来训练二维到三维的空间思维，以培养学生的空间推理能力和空间思维能力。研究人员发现，在仅仅几个小时的折纸教学和动手探索后，小学生在一项非常具有挑战性的心理折叠任务中的表现得到了改善[5]。

除了方块游戏和折纸训练这两种最具代表性的训练方法外，国内对于空间能力的训练大多依托于某项技术或某种工具，将空间能力的训练融合与课堂教学中。孙江山、林立甲等人将3D打印与创意设计课程学习，探索性实证分析了3D CAD学习与学生空间能力和创造力发展的关系。研究结果表明：3D CAD学习能增强空间能力，特别是空间想象力，3D CAD学习中空间能力与创造力之间有正相关关系[6]。

通过整理归纳文献可发现，上述空间能力的训练方法均使用了形象化训练工具对学生空间能力进行训练，并依托于现实环境中来完成，主要集中在课堂教学活动中，在空间和时间上有局限性，具有不可重复性。课堂中，学生需要在教师的引导下进行。假如学生无法跟上教师的节奏，错过了某环节，教师需要花更多精力进行额外指导。课堂外，学生也无法利用这些工具进行训练。其次，以上方法严重依赖教师的个人素质水平的高低，教师需要针对学生的能力水品有意识地改进自己的教学方式，调动学生的主动性和积极性。另外，学生的空间能力水平存在差异性，如要满足个性化需求，教师需要花费更多的精力对教学内容进行设计。

无论在平面纸张中进行的纸笔训练还是使用传统二维技术的电脑辅助训练都是站在二维的角度对心理旋转进行训练，而在三维环境中进行心理旋转训练的有效性尚未得到研究。

3 利用虚拟现实技术进行心理旋转训练的设想

虚拟现实（VR）技术包含了立体三维图像和和物理运动控制，为用户提供了虚拟体验和即时反馈，使训练体验更具沉浸性和互动性[7]。虚拟现实允许实验者控制刺激材料，虚拟物体可以很容易地被创造和适应，这在使用真实物体时往往是很困难的。

相较于传统的训练工具，虚拟现实技术能够打破时间和空间的局限性。除课堂训练外，在课余时间学生也能单独进行训练。利用虚拟现实训练工具提高学生空间能力的另一个优势就是其具备沉浸感与互动性，能最大程度调动学生的主动性和求知欲。其次，虚拟现实训练软件可以对训练内容进行不断加深和丰富，以满足不同学生的个性化需求，这都比课堂教学培养空间能力的途径具有明显的优势。最后，通过虚拟现实训练软件可以重复训练，也可保证学生没有达成目的或任务时可以重复进行训练直到完成训练。

另外，纸张和电脑训练都处于二维空间中，虚拟现实中的三维空间相较于二维空间则具有深度知觉（远近知觉）。虚拟现实环境通过通过双眼视差、双眼分视的方式可构建深度知觉，所以利用VR设备来设计 具有深度感的心理旋转的训练变成可能。

但使用虚拟现实工具提高儿童的空间能力还处在理论假设阶段，需要进一步的进行验证。

4 实例分析

为检验基于虚拟现实的心理旋转训练软件对于小学生空间能力的影响，笔者基于UNITY 3D软件开发了训练程序。它包含了Mental Rotation Test（心理旋转测试），如图1所示。该应用程序运行在Pico neo2设备上。

图1 心理旋转训练场景

本文以某市某小学六年级学生为实验对象，实验围绕四个变量展开，控制变量是年纪与训练时间，自变量为一个月软件训练，因变量是心理旋转能力的测验成绩。测量学生心理旋转能力引用Vandenberg and Kuse Mental Rotation Test[8]，通过单组前后测的方式进行分析，以验证应用程序在训练空间能力的有效性和测验可靠性。

本研究共有30人参加，最终收到有效且完整数据28份。由于收到的有效数据N=28<30，因此对其进行正态分析，如图2所示。

图2 学生心理旋转能力前测、后测数据正态性分布

表1 学生心理旋转数据正态分布分析

由表1可知，学生心理旋转前测的W=0.926，sig=0.048<0.05，因此该数据符合正态分布；同理，学生心理旋转后测的W=0.914，sig=0.048<0.05，因此该数据符合正态分布。因此，选择配对样本T检验来探究该训练对学生是否由显著性影响。

表2 学生数据的平均数、众数、中位数、标准差和方差分析

从表2看出，学生心理旋转能力前测平均分为22.257，后测分数为28.643，前后对比提高了6.377分，提高了15.9%，论证了基于虚拟现实的心理旋转训练对小学生空间能力有提高作用，另外心理旋转能力前测、后测数据显著性为0.000，明显低于标准的0.05，表明通过心理旋转训练软件的训练，学生的空间能力有显著提高。

5 结语

本文开发了虚拟现实心理旋转训练软件，采用准实验单组前后测的测量方法对学生的空间能力进行测量。通过实例分析可知，学生在使用了该虚拟现实的软件后，空间能力有了显著的提升。从学生的训练过程中来看，学生对虚拟现实心理旋转训练充满着较大的兴趣。虚拟现实的沉浸感和互动性给学生带来了非常大的学习动力，这都说明了虚拟技术在此类训练中有着美好前景。