化学空间能力构成研究

王珊 魏锐

摘要： 从国内外现有的空间能力理论入手，通过梳理空间能力的研究成果，提取一般空间能力的构成要素。继而结合现有的化学空间能力构成理论，基于对一般空间能力的归纳和总结，提出了化学空间能力的构成模型。化学空间能力主要由化学空间知觉能力、化学空间关系能力、化学空间想象能力、化学空间操作能力、化学空间建构能力五种能力构成。

关键词： 空间能力; 化学空间能力; 能力结构

文章编号： 10056629（2020）12001107

中图分类号： G6338

文献标识码： B

加德纳的多元智能理论认为每个人都或多或少的具有七种智力，分别是语言智能、逻辑—数学智能、身体运动智能、音乐智能、人际的智能、自我认识智能、空间智能[1]。辛格提出空间能力与语言能力、计算能力同样重要，三者并列为现代教育的“三大基本能力”[2]。国内外研究发现空间能力在数学、化学、物理、地理、工程等学科的学习中起了非常重要的作用，空间能力水平高的人往往在相应的学科领域中具有更高的学术成就。Cid等人研究大学工程系、物理系、化学系和数学系的入门课程中概念理解能力与空间能力的关系，发现概念的理解能力与空间能力高度相关[3]。周珍发现中学生的数学成绩与空间图形认知能力具有较高的相关性[4]。

通常，空间能力在特定学科的表现称为该学科的空间能力。化学学科中需要的空间能力称为化学空间能力。化学空间能力既具有一般空间能力的特征，又具有鲜明的学科特征。地理、物理、建筑等学科空间能力涉及大尺度的空间，即宏观的空间，关注空间格局、空间组织、空间排布。化学空间能力更微观化，即关注物质微观构成世界，关注模型建构和空间想象。

化学是在原子、分子水平上研究物質的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科[5]。化学家探索分子的空间结构，提出物质结构理论需要空间能力;设计研发新材料，要根据材料的功能想象材料的特征结构，需要空间能力。中学生认识有机化合物的结构，基于结构分析或预测物质性质，也需要空间能力。空间能力可以促进学生对化学概念的理解[6]以及化学计量问题、化学晶体结构问题[7]的解决。

随着空间能力研究的深入，研究者们更加明确了空间能力对各学科的学习、学生的发展的重要意义。由于不同研究者对空间能力的分析角度、分析方法不同，对于一般空间能力（以下简称“空间能力”）、化学空间能力的构成没有一致的界定。因此，结合化学学科的特点，分析化学空间能力的构成，对于化学空间能力的培养具有重要的意义。

本研究通过对空间能力的相关文献进行梳理，将空间能力各要素的内涵进行编码。通过类比编码的关键词，将具有相似内涵的编码归类合并，提炼空间能力的构成要素，概括空间能力各要素的内涵。根据提炼的空间能力的构成要素与具体学科空间能力的关系，完善空间能力构成模型。基于对一般空间能力的归纳和总结，赋予其学科化含义，提炼出化学空间能力的要素模型。

1空间能力的构成

1.1关于空间能力构成的已有研究

不同研究者对空间能力定义不尽相同。Linn等[8]提出空间能力是表征、转换、生成和提取符号、非言语信息的能力。郑海莲等[9]提出空间能力是指个体正确观察客体、辨识客体，将辨识的客体图像在大脑中记忆，并能够达到在二维与三维空间任意移动、旋转、翻转、逆转、复现、回忆图像的能力。也有研究者指出空间能力是大脑对于空间信息的转换和加工，由于大脑的转换和加工机制不同，空间能力可以划分为多个结构[10]。

尽管很多研究者提出的空间能力构成要素不同，但是描述的空间能力的内涵十分相近。早在1938年，Thurstone[11]就将空间能力划分为三个方面。Lohman[12]认为空间能力最主要的三种因素为空间视觉化、空间关系、空间定向。为了梳理不同研究中空间能力的内涵，为进一步归纳分类打好基础，对已有研究中空间能力的构成和内涵进行编码，具体如表1所示。

1.1能够从不同角度识别客体的能力，如识别两张国旗图片的差别。

1.2想象客体运动或转换的能力。

1.3对观察者自身所处空间关系（方位）的思考能力。

Guilford[13]2.1对客体进行心理操作的能力。

2.2个体判断空间方位的能力。

McGee[14]3.1空间视觉化能力： 个体对二维和三维客体在心理上进行旋转、操作、扭曲的能力。

3.2空间定位能力： 个体对视觉刺激的识别和理解（3.2.1），当表象方向改变后，能够对表象进行匹配的能力（3.2.2），能够理解自己的位置和客体的相对位置关系的能力（3.2.3）。

Bishop[15]4.1解释图形信息的能力： 个体对空间表征的理解能力以及能够理解空间语言的能力。

4.2视觉加工能力： 空间想象能力以及能够将想象的关系或非图形信息转换成视觉信息的能力（4.2.1），对表象进行心理操作和旋转的能力（4.2.2）。

Lohman5.1空间视觉化： 个体能够理解客体在三维空间中转化的能力，如在头脑中想象物体的组合和分解。

5.2空间定向： 能够从不同的角度观察客体的能力。

5.3空间关系： 个体可以将客体快速准确地进行心理旋转的能力。

French[16]

6.1理解表象的三维运动或能够对同一物体进行操作、想象的能力。

6.2精确地察觉空间模式并能够进行比较的能力。

6.3保持不被空间模式的不同呈现方向困扰的能力。

Mathewson[17]7.1视觉空间思维包括感知： 使用眼睛来识别。

7.2定位： 思考世界中的物体和自己位置。

7.3想象： 在没有图像的情况下在心理中形成、保持和转换图像。

李敬敏[18]8.1人通过感官感受空间表象，在头脑产生空间知觉。

8.2通过空间想象认识空间事物。

1.2空间能力构成要素的归类合并

对于表1所示的空间能力内涵，依照相似性描述进行归类、概括，可以将空间能力的内涵分为四个维度，具体如表2所示。

维度相关编码及描述的关键词特征

维度一1.1识别客体;3.2.1视觉刺激的识别和理解;4.1空间表征的理解;5.2从不同角度观察客体;7.1感知、识别;8.1头脑产生空间知觉;3.2.2对表象的不同方向进行匹配;6.2精确地察觉空间模式并进行比较的能力;6.3保持不被空间模式的不同呈现方向困扰的能力。涉及感知、识别、理解表象，最终在头脑中形成表象，以及对表象不同方向的比较、匹配，将其命名为空间知觉能力。

维度二2.2判断空间方位的能力;1.3思考观察者自身所处空间方位;3.2.3理解自己的位置和客体的相对位置关系;7.2思考世界中的物体和自己位置。将个体置于空间当中，个体对方位（东南西北）的辨识，将其命名为空间定位能力。

维度三1.2客体运动或转换;2.1心理操作;3.1心理上的旋转、操作、扭曲;4.2.2心理操作和旋转;5.1理解客体在三维空间中的转化;5.3心理旋转;6.1理解表象的三维运动，能够进行操作、想象。涉及对客体的操作，将其命名为空间操作能力。

维度四4.2.1将想象的关系或非图形信息转化为视觉信息;7.3在没有图像的情况下在心理中形成、保持和转换图像;8.2通过空间想象认识空间事物。强调没有图像的情况下，仍然能够通过想象获得对事物的认识，将其命名为空间想象能力。

1.3空间能力构成模型

上述四个维度均是空间能力的重要组成部分。此外，还有两个很重要的维度： 一个维度涉及个体对客体空间关系的判断。现有研究将个体对空间物体方位、距离、形象的识别，归纳为空间知觉能力;将个体理解自己的位置和客体的相对位置关系归纳为空间定位能力，即判断“我”与其他事物之间的关系;但是，还缺少一种个体对事物的不同部分之间以及不同事物之间的空间关系判断的能力。已有研究者研发的化学学科空间知觉能力测试问卷，有例题能够体现这种能力，但并未单独提出这种能力[19]，本研究将其命名为空间关系能力。

另一个维度涉及立体结构的建构。有的研究者考查化学空间能力时，注重二维图形到三维立体构型的转化能力[20]，这种基于空间想象而建构空间结构的能力以及借助绘图、动手搭建构建空间结构的能力等对于一般空间能力同样适用，比如结构设计、工程设计都需要空间建构，本研究将这种维度命名为空间建构能力。空间构建能力是一种更加综合的能力，需要通过推理或想象等建构空间结构，需要更强的抽象化思维和形象化思维。

此外，空间能力很难单独考察，一般空间问题的解决都需要两种或者两种以上空间能力的组合。不同类型的空间能力并非截然不同，它们之间密切关联、存在一定的交叠，甚至一些空间能力是另一些空间能力的基础。

在上述分析的基础上，本研究构建了空间能力模型。空间能力是指观察、识别、感知、理解表象，在头脑中形成表象，对表象进行表征、匹配，判断表象的空间位置关系，将表象进行操作、想象、创造、建构的能力。空间能力主要由六个维度构成，即空间知觉能力、空间定位能力、空间关系能力、空间操作能力、空间想象能力、空间建构能力。相关描述如表3所示。

空间能力类别具体描述

空间知觉能力感知客体的形态，对物体（或一个物体的不同部分）形状、大小、方位等空间特性的知觉。空间知觉能力是指能够使个体更好地对表象进行识别，正确辩识客体的外观轮廓，并能形成精确影像的能力;以及能够在客体的方位、方向变化时，仍然能够对表象进行比较、匹配的能力。

空间定位能力对空间方向、空间方位的辨识和定位能力。包括方向、方位变化时，个体对方向的准确定位。空间定位能力强调能够判断“我”与其他事物之间的关系，而其他空间能力更强调个体对事物之间关系的判断。

空间关系能力分析多物体或多部件之间的空间关系。空间关系涉及方向关系、距离关系和拓扑关系等。

空间操作能力对空间模型在心理上进行旋转、翻转、转换等操作的能力，强调对于已有客观存在的表象进行操作的过程。

空间想象能力在没有图像的情况下，人脑基于想象建立新影像，对新的影像进行表征或操作的能力，强调创造影像的过程。

空间建构能力通过推理或者想象等建构空间结构并以绘图、模型搭建、实物加工等形式表达出来，形成空间作品的能力。

2化学空间能力的构成

2.1化学空间能力构成模型的建构

与一般空间能力的相关研究相比，关于化学空间能力构成的研究相对较少。典型的化学空间能力构成模型例如，吴心凯[21]提出化学空间能力包括空间关系能力和空间可视化能力。再如，段戴平[19]提出化学视觉空间能力包括空间知觉能力、空间关系能力和空间想象能力。吴国英[22]提出化学空间能力是以化学知识为载体的，是学习化学知识、思考化学问题中必须具备的一种化学能力。化学学科中的空间能力包括空间知觉能力、空间关系能力和空间想象能力。

化学空间能力是空间能力在化学学科的具体化，因此可以根据一般空间能力的构成模型以及已有研究中化学空间能力的构成和内涵，对化学空间能力进行解构，

得到化学空间能力的构成模型，化学空间能力包括化学空间知觉、化学空间关系、化学空间操作、化学空间想象、化学空间建构等五种基本能力。如表4所示。

一般空间能力化学空间能力

空间知觉能力化学空间知觉能力是一般空间知觉能力在化学学科的具体化，包括正确辩识化学问题中立体模型的外观轮廓，并形成该空间物体精確影像的能力。此外，根据本研究所定义的空间知觉能力的内涵，将吴心凯、段戴平、吴国英的“空间关系能力”纳入到化学空间知觉能力中，即能够判断图像与目标图像是否一致，例如，判断C3H7Cl分子的两种结构式是否互为同分异构体。将吴心凯的“空间可视化能力”中侧重“知觉”的内涵纳入到化学空间知觉能力中，即获取、编码空间客体的能力。

空间定位能力空间定位能力是指个体对空间方向、空间方位的辨识和定位能力，一般在地理等学科中着重考察，在化学问题中基本不涉及，因此不认为是化学空间能力的重要组成部分。

空间关系能力化学空间关系能力是一般空间关系能力在化学学科的具体化，与空间知觉能力相比，是一种更深度、高级、复杂的方式，要求对对象的空间结构有更清晰的认识。化学空间关系能力强调在化学问题中能够判断对象各部分之间以及不同对象之间的空间位置关系。现有的“空间关系能力”更侧重“知觉”，本文提出的化学空间关系能力与前述研究的化学空间关系能力含义不同。

空间操作能力化学空间操作能力是一般空间操作能力在化学学科的具体化，指将化学问题中已有的可视化模型进行操作的能力。由于“操作”一词更能体现主体心理加工过程的特征，故将段戴平“空间想象”中侧重“操作”的内涵纳入这一类别，即能够进行心理旋转、编码等过程，对空间体实施心理操作的能力。例如，给出一个正八面体分子，分析找出与该分子呈镜像关系的图片。将吴国英的“空间想象”中侧重“操作”的内涵纳入这一类别，即对空间体心理操作过程。例如，确定二溴甲烷是否是极性分子。

空间想象能力化学空间想象能力是一般空间想象能力在化学学科的具体化，指将化学问题中没有向个体直接呈现客观轮廓的客体进行再造性想象和创造性想象的能力。将吴国英的“空间想象能力”中非侧重“操作”的内涵纳入这一类别，即能够对客体的形状结构、量度及其位置关系进行想象，还包括对客观事物的空间形式及其符号进行再造性想象和创造性想象的能力。

空间建构能力化学空间建构能力是一般空间建构能力在化学学科的具体化，化学空间建构的对象和形式都是非常丰富的，该能力强调以绘图、模型搭建、实物加工等形式表达出来，形成空间作品。由此，将吴国英“空间知觉能力”中的根据实验用书的化学实验装置图搭建立体实物纳入这一类别。

2.2化学空间能力构成模型的内涵及测评举例

下文将对化学空间能力五种类型的内涵进行说明，并例举了相应能力测评的试题以供空间能力培养和测评参考。

2.2.1化学空间知觉能力

化学空间知觉能力是指对化学问题中客体轮廓的感知、识别能力，以及进行不同客体对比、匹配的能力。要求个体能够识别化学问题中立体模型的原子空间位置关系（远近等）或正确判断化学问题中平面结构的相互关系、平面结构是否一致以及立体模型的不同表征方式。具体示例如图1，根据阿糖胞苷分子的球棍模型（黑色为碳，红色为氧，蓝色为氮，白色为氢）判断结构式。此题主要考察立体模型的连接关系，要求个体首先能够识别原子，判断连接原子种类、连接关系。然后根据价键理论判断连接键的价键类型，根据价键类型对原子数目（有些原子被遮挡）进行补充。最后，识别空间上基团的相互位置关系，判断环上取代基的位置，即邻位、间位等。

2.2.2化学空间关系能力

化学空间关系能力是指精细化地判断化学问题中客体在空间的相对位置关系、内部结构之间关系的能力。要求个体能够从空间结构中拆解部分结构、从平面结构中拆解部分结构或判断立体模型中原子的相对位置和空间关系。具体示例如图2，根据GaAs晶体结构模型，

按照图中阴影部分将GaAs晶体模型切开，判断截面图形。要求个体能感知、判断原子的空间位置关系，及其与截面的关系。

2.2.3化学空间操作能力

化学空间操作能力是指将化学问题中的客体在头脑中进行旋转、翻转、对映、反演等操作的能力。要求个体能够进行空间结构的旋转操作或空间结构镜像操作。具体示例如图3，根据一个三角双锥分子结构图，已知A、 B、 C位于同一直线，D、 E、 F三个原子构成一个正三角形，A原子位于正三角形中心，且A、 B、 C所在直线垂直于该三角形所在的平面，判断哪个分子与此分子互为镜像对称[23]。

2.2.4化学空间想象能力

化学空间想象能力是指对于没有客观轮廓或缺少必须的构成部件的化学问题进行空间想象的能力。涉

及将缺少的部分进行想象，然后依据想象构建轮廓。化学空间想象能力是最具有创新性的维度，在化学学科中，很多物质的发现和创造均需要空间想象。例如，晶胞的平移，判断原子的空间位置。例如，晶胞复制，判断与某一原子相连的其他原子的空间构型。具体示例如图4，判断SiC晶体结构模型中，与面心上的硅原子直接相连且距离最近的碳原子的空间构型。这要求个体能够将晶胞在头脑中进行平移、复制，想象两个晶胞（其中一个是原有的可视的晶胞，另一个是想象的晶胞）中原子的空间位置关系，进而将其空间关系进行形状抽象，做出判断。

2.2.5化学空间建构能力

化学中通常要通过推理或想象等建构三维立体空

间结构，这涉及构建立体空间结构的能力。化学空间建构的对象和形式非常丰富，从建构物质微观模型到搭建宏观实验装置都需要化学空间建构能力。搭建球棍模型是化学教学中重要的教学活动，在这个过程中个体需要根据分子式或结构式判断分子中各原子间的连接关系及空间结构。不仅要运用原子的成键规律、空间结构特点以及价电子对互斥规则等进行分析、判断，是理性的推理过程;还需要把推断出的结构转化为实际搭建出的模型，生成符合抽象判断的实物作品。例如，在让化学专业师范生使用橡皮泥和牙签根据甘氨酸的结构简式（NH2CH2COOH）搭建其球棍模型的活动中，发现的典型错误如图5（不连接小球的牙签棍表示孤对电子）： 氨基应为三角锥形，但搭建为平面三角形（圖5A），或者三角锥的三个顶点间的空间位置不合理（图5B）;此外，由于未考虑与羰基的共轭，使得羟基氢与羰基之间的空间关系有误（图5）。可见，通过实物模型的搭建，可以揭示学习者在分子结构理论和空间结构认识方面更深层次的不足。

（A）

（B）

3结语

“空间能力”作为智力的重要组成部分，对个人能力的发展有重要的作用。本研究通过对国内外空间能力、化学空间能力的相关研究进行文献梳理、总结和概括，确定了空间能力以及化学空间能力的构成模型，并对概念和内涵进行了界定和描述。这使化学空间能力的内涵更加清楚，为化学空间能力的教学以及教学评价研究提供了参考。本研究仍然存在一些不足，空间能力本身复杂多样，很难建立简单的框架。本文提出的化学空间能力框架仅从文献和化学教学的角度根据思维的主要特征性行为表现进行划分，还需要进一步论证和实证。此外，本文提出的化学空间能力的类别、内涵仍然需要进一步丰富。

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