美国中小学空间思维教学概述

美国中小学空间思维教学概述

福建师范大学教育与科技学院陈荷盈许明

摘要：空间思维能力是人类不可或缺的重要能力之一。伴随着现代信息技术的快速发展，对在学校教育中培养学生空间思维能力的呼声越来越高。近年来，美国社会各界对此给予了高度的重视。本文拟从空间思维及其能力的界定、空间思维的重要性、教学途径和方法以及空间思维教学的特点等四个方面，就美国中小学空间思维教学的现状和特点作一简要介绍和分析。

关键词：美国；中小学；空间思维；空间素养

随着社会的发展，中小学教育对学生基本素养的培养越来越引起人们的关注。素养(literacy)一词成为了教育界的流行语,如读写素养、信息素养、文学素养等。值得注意的是，近年来，美国教育界和科学界开始关注空间素养（也称空间能力）。根据全美研究委员会（National Research Council）的一份报告，空间素养（Spatial literacy）在当今信息经济中发挥着越来越重要的作用。美国心理学家将空间能力与计算能力、语言能力并列为现代教育应当赋予人的“三大基本能力”，空间能力包括空间定位能力、空间信息收集、加工处理、储存和提取能力、空间思维能力等。无论在人们的日常生活、工作还是科学研究活动中，空间思维（Spatial thinking）都起着广泛的作用。这种作用或是间接的和下意识的，或是直接的和显性的。近年来,空间思维能力培养的重要性开始逐步为人们所认识，开始在科学、社会研究等课程中进行有意识的培养学生的空间思维能力。

一、空间思维及其能力的界定

空间思维作为一种思维形式，同时也是人类认知技能的综合表现,包括空间知识、技能和大脑的思维习惯，空间思维通过利用空间概念、呈现空间关系的工具和逻辑推理来创建问题、寻求答案并最终表达出这些问题的解决途径。空间思维能力则涉及对空间意义的理解，利用空间的各种性质形成问题，寻找答案并呈现解决方案，通过使空间结构内部的各种关系可视化，观察、记录、分析物体之间的静动态关系。

（一）空间思维由具有积极意义的三大要素组成，即空间概念、呈现工具及推理过程

1.空间概念－描述空间并理解空间关系

对空间的定义使得空间思维成为与众不同的思维形式。通过对空间概念的理解（包括三种空间环境），可以利用其属性来创建问题、寻求答案和互换结果。第一，生活空间；对所居住的世界进行思考，例如路径寻找、航海路线导航等。甚至可以拓展到日常生活行为：用贴有标志的零件拼装一个儿童玩具；给汽车车箱包装以达到最大的载运量；用一些器具、一堆木头和一个通用狗窝模型修建一个狗窝。第二，物理空间；对世界运行方式的理解，对时空四维世界的理解，包括原子结构、地球构造、宇宙世界等。第三，智力空间；通过对抽象空间的媒介物的思考，其焦点是物体与概念的关系。若要将言语陈述的内容转换成按顺序回答问题，就必须要形成空间概念。

2.呈现工具—知道地理空间如何展示并分析

利用各种各样的样本或媒介物作为呈现工具可以来描述、解释并且理解物体的结构、运用、功能以及相互关系。例如，视图关系（建筑计划书与立视图；平面图与全景透视图）。

3.推理过程—对有关空间概念进行推理并做决策

运用推理得出有关事物功能与发展的最终结果。英国瑞丁大学建筑管理及工程学院教授克莱曼和巴第斯塔（Derek J.Clements and Giovanni P.Battista）将空间推理定义成一种认知过程，一种建构并掌握存在于空间物体、物体间关系以及物体间相互转型的思想展示的过程。例如，根据预设条件做出决策（广播告知交通情况司机选择路线）；外推和内推的能力（推断曲线图的未来走向和从等高线地形图上估算出山体的坡度）。

（二）空间思维是一种综合能力

空间思维是一种需要启用多项感官系统的技能，空间思维能力不是只依赖某一项感官机能，而是能使所有感官功能都均匀地发挥作用。（见图1）空间思维作为一种非言语思维（non-verbal thinking），而且有时还添加图片、声音、气味和其他感觉到大脑空间思维的“区或点”上。

图1 空间思维

（三）空间思维及能力表现多样化

不同的人拥有不同的工作、学习和生活的经验，在空间思维能力的表现上也自然不同，存在着差异性，其表现也具多样性。例如，在不同的学科领域内：地理科的学习非常强调空间思维的教与学，因为地理学科的性质决定了其思维方式的空间特色，各种地理思维活动（记忆、想象、判断、概括、推理、分析综合）无一不借助各种形式的空间展开，并且常常是借助正确的心理地图来进行；而哲学学科的学习中，空间思维则是起着隐含且相对微小的作用。再如，对于不同的学习群体：依据年龄的不同，孩子们与成人并不是以相同的方式进行空间思维。

二、空间思维的重要性

空间思维作为一种渗透力极强的思维形式，对于许多重大的科学发现来说它的地位首当其冲；现代社会的工作者拥有了它那就如虎添翼；而在日常生活中则是处处皆可触及。具体而言，空间思维的重要性表现在下述几个方面。

第一，空间思维与人类的日常生活密不可分。GIS（Geography Information System）的制造商ESRI 的中小学教育项目主任乔治?戴利（George Dailey）说，空间思维技能在日常生活中无处不在，无论是计划建动物保护栖息地的环保主义者，还是研究禽流感的公共卫生官员，要完成任务，“都需要运用空间思维能力”。同时，日常生活中处处皆是平常而又琐碎的事情，这些事务通常涉及空间概念和具体的空间，包括：全球空间：八月底给在欧洲的女儿打电话必须掌握时区和时差并计算出适当的通话时间；车箱空间：一次送儿子上大学的旅途要将车箱空间利用最大、最有效化更可保证行李完整易移，同时利用网络定位搜索引擎和地图查出正确的行车捷径到达学校；房屋空间：在不堵着热风孔、电源及电话插座、窗户、衣柜和门的通道的情况下很好地将组合床铺、书桌、书架摆进房间；邻里空间、超市空间、机器空间、谜语空间、花园空间、鞋带空间以及服饰空间等。这许多事情都通过呈现工具表示，包括时区表、网络搜索引擎图表、购物清单、服饰图形等。同时，处理好这些空间事务要有复杂的操作技巧：例如，找出两地区时算出适当的通话时间；挑出合适的有效的空间来放置行李等。

第二，空间思维与职业工作息息相关。许多司机驾驶汽车在家与公司两点一线中简易地处理复杂的二维空间事物，包括在一些路标处的拐弯认知行为与技能，有经验的出租车司机大脑中存有的城市交通图让他们更能在关键时候找到捷径；在放射科医生的诊室中，外行人看X光片时，除了骨骼别无他物能看到，但是有多年学习或是受训经验的医生却是能察看出肿瘤、血块、败坏的心脏膜等；建筑设计师将脑中的想法在草图或计算机屏幕上用一系列的二维图片表达出来，但是当他们重新审视草图时，经常看到事先没有明确设计出的空间图示及其关系，但是却是其他设计想法的表现结果。

第三，空间思维能力在很多伟大的科学发现中扮演着重要的作用，许多日常科学研究都广泛地依赖空间思维过程。DNA双螺旋结构的发现者沃森和克里克（James D.Watson and Francis Crick）以及当年所有竞相探寻基因分子结构的科学家希望能发现一个满足相关标准的三维立体模型—20世纪人类最伟大的科学发现之一。在获得这个发现的过程中，空间思维能力的作用得到了最完美的诠释。同时，通过运用基本隐喻技术（地图）、分析技巧（趋势层面分析）和呈现系统（光谱图表），天文学、地质学以及地理学成为发展和运用空间思维的领头羊。空间思维对于科学家的研究工作和科学发现和探索过程来说是不可分割的一部分。首先，以天文学研究上看，天体物理学空间素养的培养形成是长期而且具有历史意义的；其次，在地质科学上空间思维对于地球运动、地质构造的绘图上有前瞻性；最后，克里斯泰勒（Christaller）的发现—地球中心板块学说，显示着空间思维在地理学中最强大的生命力。

第四，空间思维能力影响着学生的多学科学习。美国宾西法尼亚州大学地理学院院长罗格.道斯（Roger M.Downs）说道：“如果没能明确地对空间思维加以重视，我们将担负不起肩上的责任—即培养21世纪会学习懂生活的年轻一代。”2001年由田纳西州纳什维尔大学心理、人文及教育学院教授希尔、鲁宾斯科和本勃（Jamie Shea, David Lubinski and Camilla Benbow）所进行的空间素养测试来预测学生未来在科学、科技、工程学及建筑设计职业上的成功可能性研究中，结果发现空间素养高的学生在工程、计算机科学和数学领域中很快崭露头角；同时，培养和提高空间素养一直是小学几何科学习的基本目标，高水平的空间素养通常可以取得数学学习上的高分；另外，空间素养是学习地理、地球和环境科学的学生需要掌握的一项极其重要的技能，事实上，不仅仅对于地理、地球和环境科学，更有在数学和科学领域，空间素养都与学习者的优秀成绩息息相关。

三、空间思维教学的途径与方法

正如波兰科技学院教授贝那兹（Lukasz Bednarz）所言：“空间思维是一个控制杆，它能够通过课程学习使得学生对事物的了解更深刻、具有更深的洞察力。”因此,所有人都能够而且应该学会空间思维, 同