化学学习中的空间能力研究

魏钊 王后雄

摘要： 针对学生在化学学习中，涉及空间信息的问题解决存在着困难的情况，回顾了心理学近百年来关于空间能力的研究成果。总结了化学学习中的空间能力的应用研究成果： 空间能力与化学学习成就的相关性、化学空间能力的测试工具的开发、化学学习中的空间问题解决的策略和促进化学空间能力提高的策略。针对我国目前研究现状和中学化学教学提出了启示与建议。

关键词： 空间能力;化学学习;空间智能;空间问题解决

文章编号： 10056629（2018）3001206 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 引言

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的自然科学。学生在微观水平上表征物质的能力对于解释化学现象、化学反应来说是很重要的[1]。要微观水平上理解，学生就必须与微粒结构的模型相联系，而微粒结构的模型又是和符号相联系的[2]。物质微观结构的模型相当一部分是以三维的形式呈现的。从简单的甲烷分子的四面体结构、氨气分子的三角锥结构，到稍复杂一些的金刚石的空间网状结构、氯化钠离子晶体的晶胞，再到更复杂些的金属晶体的4种典型密堆积方式等等，学生在解决这些涉及抽象的符号和微观水平的三维空间问题时，出现了很大的困难。因此，空间能力从知觉的角度来看，空间能力包括视觉空间能力（Visuo-spatial ability）、听觉空间能力（Audio-spatial ability）等，本文均特指视觉空间能力。和化学空间能力一直以来是心理学和化学教育关注的主题[3]。

2 心理学对空间能力的研究

空间能力是智力的一个研究领域，最早的研究开始于十九世纪中后期，弗朗西斯·高尔顿用“早餐桌”实验来研究心理表象[4]。对于什么是空间能力，不同的研究者有不同的定义。Lohman[5]通过对空间能力相关文献的综述和再分析，把空间能力定义为： 产生、保持和处理抽象的视觉表象的能力。在最基础的水平上，空间思维要求能够编码、储存、转换和匹配空间刺激。Lohman还提出了空间能力的因素结构（见表1）[6]。

空间能力的各个因素可以通过研究者开发的空间测试来测量。例如，空间关系可以用大量心理旋转的测试工具来进行测量。Guay[7]开发的普渡空间视觉化测试（Purdue Spatial Visualization Tests）使用较多。图1是一个典型例子。测试要求参与者首先辨别图中第一排的左边的三维物体是如何旋转变成右边的三维物体的，然后用同样的方式，对第二排的物体进行旋转，将会变成什么样子。在第三排呈现的5种可能中进行选择。这个测试要求参与者对空间信息表征进行心理旋转。

除了空间能力的因素分析、空间测试等研究领域之外，心理学对空间能力的研究还有性别差异、个体差异、发展过程、视觉空间工作记忆、视觉空间表象和空间能力的生理基础等众多领域。

3 化学学习中的空间能力研究

心理学在空间能力的基础研究中所取得的成果，被应用到其他学科中。为了更好促进空间能力在STEM（Science， Technology， Engineering and Mathematics）等各个领域中的应用，美国国家科学基金会资助建立了“空间智能与学习中心”（SILC），将科学家和教育家联合在一起，共同开发项目与技术，来改进教育实践[8]。

化学是科学的重要组成部分。化学表达中，学生和教师、课本、多媒体之间的交流在视觉方面的重要途径之一是分子透视图。学生和教师之间的化学教与学是以分子、反应和理论的表征为中介的，其中空间能力必然要发挥作用[9]。表2是可能会涉及空间信息表征的化学知识的举例。

3.1 空间能力与化学学习成就的相关性

学生在学习化学的过程中，空间能力是其能力的重要组成部分。多项研究表明，空间能力与化学学习成就存在正相关[10]。

Bodner和McMillen[11]研究了《普通化学》课程的教学。设计了4个测试（例如，普渡旋转视觉化测试、寻找形状拼图测试等）来测量空间能力，4个分项分数来测量化学学习成就。其中4个分项分数中包括化学计量的多项选择问题、晶体结构的多项选择题、晶体结构的自由响应小测验和第一学期期末的综合测试。实验数据表明，在4个空间能力测试的t检验的分值总和与晶体结构的多项选择题之间，存在着统计学上的显著相关，r=0.32（p<0.0001， N=587）;在同一个t检验的分值总和与有关晶体结构的自由响应小测验的分值之间，也存在着统计学上的显著相关r=0.35（p<0.0001， N=587）。也就是说，按教育与心理统计学的标准来看，这种相关性比中等要低，虽然较小，但是明确。因此，可以说，在为科学和工程专业的学生开设的《普通化学》课程中，空间能力与化学学习成就之间存在正相关。

Tuckey， Selvaratnam和Bradley[12]的研究从另一个侧面说明了空间能力与学生化学学业成就的相关性。研究表明，通过前测，即使是大学生，在涉及到三维空间思维时仍然有困难。研究者对实验组进行了2个小时的矫正教学，其主要内容是三维空间坐标的各个轴（x、 y、 z）各个平面（xy、 yz、 xz），表征三维结构的深度线索（Depth Cues）和物体沿各个轴或平面进行旋转、反射等操作。通过后测发现，控制组的成绩变化不显著，实验组的成绩提高很显著。

3.2 开发测评化学空间能力的工具

为了对学生的化学空間能力进行测评，研究者开发了各种测评工具。开发测评工具的一个目的是为了能够对学生的空间能力进行诊断，以便于有针对性地提高其相应维度的能力。

Oliver-Hoyo和Sloan[13]以项目反应理论（Item Response Theory）为心理统计模型，使用因素分析的方法，编制了一共有47个问题的测试卷。测试卷被制作成网页供学生使用，来自美国东南部部分大学的2713名学生，在学习过普通化学、有机化学、无机化学、物理化学和计算化学等课程其中之一后，参加了测试。通过第一轮测试后的主成分分析，将测试问题精简为33个。第二轮和第三轮进行了探索性因素分析和确定性因素分析。通过分析，提出了三因素的结论。第一个因素： 一般的视觉空间技能。第二个因素： 包含多个视角（参考框架）。第三个因素： 与记忆能力相关。

3.3 涉及空间信息的化学问题解决策略

对于涉及空间信息的化学问题，新手和专家会采用什么策略来解决？以Stieff为主的学者对此进行了专注而深入的研究。新手通常策略单一，通常偏向于选择表象推理的策略（Imagistic Strategies）[14]。专家选择的策略灵活多变，通常偏向于分析策略（Analytical Strategies）。例如，在图2中，学生的任务是判断每组分子中的两个分子是否为同一种分子。可以采用的第一种策略是表象推理中的心理旋转。将其中一个分子在“大脑中”旋转一定角度，然后与另一个分子叠加，看是否能够完全重叠。操作后，可以发现B组两个分子能够完全重叠，是同一种分子;而A组两个分子不能完全重叠，不是同一种分子，是同分异构体。第二种策略是分析策略。教师会教给学生，A组中，中心碳原子周围的四个原子分别为氟、氯、溴和碘四种不同的原子，则中心碳原子是一个手性碳原子，两个分子互为镜像关系，不是同一种分子，而是互为手性异构体。B组中，中心碳原子周围的四个原子中有两个或两个以上的原子是相同的，即都有两个氯原子，则中心碳原子一定不是手性碳原子，两个分子必定能够通过旋转完全重叠在一起，它们是同一种分子。两种策略都可以正确地解决问题，第二种策略是有机化学家开发出来的简单启发式的分析策略，不必进行心理旋转就可以快速地解决立体化学问题。两种策略各有优点，第一种是与空间能力有关的策略，为学生提供了了解分子的空间关系的视角。第二种分析策略能够更加准确和高效地解决问题[15]。

通过对以Stieff为主的研究者[16～21]的研究进行总结，在有机化学问题解决中，涉及空间信息的立体化学问题解决的策略可归纳如表3。

3.4 促进化学空间能力发展的策略

3.4.1 开发和使用视觉化工具

Wu和Shah[22]认为，因为在化学学习中视觉空间思维很重要，近年来研究者把注意力放在视觉化学习工具方面。这些工具有一个独特的作用，可以把学生无法用肉眼看到的化学实体（分子、原子等）视觉化。以下是在化学教学中使用得最广泛的3种视觉化工具。

3.4.1.1 实物模型

在化学教学中使用分子的实物模型是一种传统的教学方法。实物模型的使用方式一般有两种。一是，教师在课堂上向学生展示实物模型。例如，高中学生在学习有机化学时，教师在课堂上会向学生分别展示甲烷、乙烯、乙炔、苯和苯酚等有代表性的有机物的实物模型。二是，教师设计教学任务，引导学生制作和使用实物模型。两种方式都有助于提高学生的空间能力。

“金属晶体的密堆积方式”是学生在学习结构化学时，普遍感到非常困难的内容。Ohashi[23]精心设计了教学活动，引导学生来学习金属晶体的密堆积方式。用各种颜色不同的乳胶球和透明的有机玻璃薄板为材料，按“均摊法”的原理，将圆形的乳胶球用小刀分别切割成1/2、 1/4、 1/8，然后填入透明的有机玻璃薄板制作而成的简单立方、面心立方、体心立方、六方最密堆积的晶胞中。然后，向制成的晶胞模型中加水至满，水的体积就是晶胞的“空余”体积，用水的体积除以有机玻璃容器的容积，就可以间接求出金属原子各种堆积方式的空间利用率。同时，也可以利用立体几何的知识，计算理论上的空间利用率，并与实验值进行对比。通过这种非常巧妙的实物模型的制作活动，能够帮助学生更好地在分子表征和化学概念之间建立认知联系[24]。

Stull等[25]对实物模型的使用提出了建议。他们的研究工作显示，仅仅只是从口头上鼓励学生使用分子的实物模型是不够的，教师需要积极地展示如何使用实物模型来解决化学问题，并设计在课堂上、实验室和家庭中的活动来引导学生用模型进行有关化学概念的推理，这样才能促使学生真正体会到使用模型的好处。也只有真正理解了实物模型的价值，学生才会自觉地去使用它。

3.4.1.2 虚拟模型

随着信息技术的快速发展，越来越多基于计算机的视觉化的工具被开发出来。例如，ACD公司开发的软件包ChemSketch是一款被化学工作者广泛使用的化学绘图工具[26]。软件包中的一个模块3DViewer可以将书写的分子的结构式、结构简式、键线式等非常方便地转换为三维的形式，如球棍模型、比例模型等，还可以操作模型在计算机屏幕上旋转，从不同的角度来观察分子的微观结构，甚至还可以计算化学键的长度和键角等。

Stull和Hegarty[27]的研究发现，相对于没有使用模型教学的控制组，使用了实物模型和虚拟模型的对照组在化学成绩方面都取得了更大进步。但是，使用实物模型和使用虚拟模型，学生的成绩进步大小并没有差别。也就是说，实物模型和虚拟模型对学生的表征能力的培养均具有积极作用。

3.4.1.3 动画

化学反应的本质特征之一就是过程是动态的。例如，化学平衡的建立和移动、原电池和电解等。学生在学习的过程中，通常只是建立了化学反应的静态模型以及只是在宏观水平上表征化学概念，因此学生的心理模型是不完整和不恰当的。通过技术工具来让学生观看动态的和三维的动画，是帮助学生建构完整的和科学的心理模型的有效方法[28]。

Yang、 Andre、 Greenbowe和Tebel[29]的研究是利用计算机制作的动画来向学习《化学导论》的大学生解释电池内部的电化学反应，通过前后测对比发现，动画比静止的图片能更好地帮助学生理解电化学的相关概念。

Wu和Shah[30]通過对文献的综述，提出了设计视觉化工具的5个原则：（1）提供多重表征和描述。（2）使各种表征间的联结和参考作用的联系更加明显。（3）展示化学的动态和交互的本质。（4）促进二维和三维的相互转换。（5）通过使信息明晰和整合信息减少学生认知负荷。

3.4.2 清晰而明确地表达深度信息

物质的微观结构示意图是通过绘制二维的图像来呈现三维的结构。为了让二维的图像表达出深度信息，就需要依靠深度线索[31]。常见的三维深度线索有相对大小线索、重叠线索、透视线和扭曲角等4种[32]（如图3）。这是学生必须掌握的空间语言。教师应该经常绘制和描述编码了三维深度线索的二维图像，来促进学生关于分子的二维和三维表征的视觉化的能力，减少和避免学生在识图和绘图中出现障碍。

图3 表征了四个深度线索的正八面体

3.4.3 基于信息技术的训练提高学生的空间能力

分子表征方面的教学、教师向学生不斷展示空间分析技巧，只是提高学生空间能力的第一步。研究表明[33， 34]，基于信息技术的训练能够提高学生的空间能力。特别是，已有学者利用最新的VR（虚拟现实）技术，来提高学生的空间能力[35]。一直以来，化学教师明白需要信息技术来辅助教学的领域，但是在信息技术方面存在短板;信息技术人员有技术优势，却不知道用在哪里和如何使用，能最大程度地发挥技术的作用。两类专业人士的深度合作、协同创新应是未来的发展方向。

4 启示

从化学教育的三重表征理论的视角出发，化学空间问题涉及的是微观层面的原子、分子、离子和原子团等微粒在二维、三维空间的排列规律。对于这些空间问题，化学家一般是用包含深度线索信息的纸面示意图来表征，二维的示意图属于符号表征的一种。因此可以说，学生的化学空间能力本质上是一种对物质的微观结构的一种符号表征能力。通过已有的较丰富的研究成果，对中学化学教学策略主要有以下建议：

一是，开发和使用视觉化工具是帮助学生建立关于微粒的心理表象的起点策略。不管是实体的分子结构模型，还是计算机软件在屏幕上模拟出的分子结构，甚至是目前较新的AR、 VR等信息技术模拟出的分子结构，如果教师在教学中使用这些手段，都可以帮助学生在大脑中建立心理表象，这是学生进一步学习的基础。研究表明，仅仅只把工具交给学生是不够的，教师还要设计各种教学活动，引导和鼓励学生使用视觉化工具，才能更高效地建构微粒的心理表象。

二是，提高学生二维和三维相互转换的能力。学生在化学空间问题解决的过程中，经常面对表征了深度信息线索的示意图，教师可以有针对性地进行识别和绘制这类示意图的教学，避免学生出现此类障碍。即使是只有文字信息，学生也能够自己准确绘图，从而在二维和三维信息之间较顺畅地转换。

三是，把握一般领域（General domain）和特殊领域（Specific domain）的辩证关系。心理学所研究的空间能力是一般领域，包括从宏观到微观各个尺度（Scale）和方面。化学空间能力是特殊领域，从化学史的角度来看，化学的空间问题主要出现在结构化学的三个研究领域：（1）化学家研究有机化合物的过程中萌发了有机物结构概念，从而产生了立体化学。（2）研究无机化合物，发展出一个独立的研究领域——配位化学，产生了配位化合物的空间结构理论。（3）对晶体的观察和研究，形成了晶体结构理论。因此，在问题解决的过程中要充分利用化学空间问题的特殊的化学意义。比如，能量最低原理对于分子结构稳定性的影响，利用手性碳原子来快速判断手性异构体的策略等。

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