儿童早期空间认知能力的发展

【关键词】空间认知；空间感知；心理旋转；空间视觉化；儿童早期

【中图分类号】G610 【文献标识码】A 【文章编号】1004-4604（2023）1/2-0030-05

空间认知能力是数学能力中的核心技能，是指人对环境或头脑中的空间图形（任意维度）在头脑中进行识别、编码、贮存、表征、组合与分解和抽象与概括的能力。空间认知能力影响个体科学、艺术思维水平的发展，是其从事科学、技术、工程和数学领域工作的前提。

儿童早期的空间认知能力能够预测其小学、高中、大学阶段的空间技能。儿童的空间认知能力是可塑的，其习得与儿童的后天经验，尤其是与儿童早期的生活和游戏经验密切相关。近年来，空间认知能力在早期教育中的重要性越来越得到认可，但空间认知作为一种内隐的知识或思维活动，对其活动过程和发展进行研究有较大的困难，导致我们对学前儿童空间认知能力的了解没有对其数概念的了解全面。本研究对相关已有研究进行梳理，以期为促进儿童早期认知能力发展和开展后续研究提供借鉴。

空间认知能力由多种认知技能整合而成。早在20世纪，林尼等人基于元分析的研究认为，空间认知能力包含空间感知、心理旋转和空间视觉化三个组成部分。加德纳也提出了相似的界定，只是更为宽泛。本研究也将从这三个维度进行阐释。

一、空间感知

空间感知，或称空间知觉，是认识外界物体空间特性（形状、大小、远近、深度、方向等）的知觉。

儿童运用空间感知能力，通过日常的身体运动来认识空间，并在与成人的互动中理解和学习使用空间相关术语。随着年龄的增长，儿童逐步参照自身位置或外部的环境特征进行编码，即空间定位。皮亚杰认为，儿童空间定位能力的发展是一个由自我中心编码向客体中心编码发展的过程，即先建构自身和物体之间的空间关系，再建构空间物体之间的关系。

1.基于自身的空间参照系统

儿童对空间的认识首先来自对自己身体的意识。身体是儿童理解空间概念的源头。基于自身的空间参照系统是指根据观察者本身（包括眼睛、头、身体坐标等）来表征空间位置和方向。例如，在6个月以前，婴儿似乎是以眼睛为中心，以视网膜中央协调的方式来感知位置。6个月以后，婴儿开始以自己的身体作为参照系统。这是儿童空间认知能力发展的一个重要成就，为其时空追踪能力的协调提供了可能性。基于自身的空间参照系统进行空间定位，包括反应性学习和路径综合两种路径。

反应性学习（response learning）即感知运动编码，指通过与目标有关的移动模式来记忆一个位置或路径。在出生后第一年，婴儿依赖反应性学习和线索学习来确定周围环境中物体的位置。其中，线索学习是运用基于外部环境的参照系统来确定位置，要到6个月大之后才会用到。

路径综合（path integration）是指基于自身移动的距离和方向来对位置进行编码，是一种动态的持续更新的过程。路径综合能力在昆虫、鸟类和哺乳动物身上都可以看到，也是人类生来就有的能力。1岁左右时婴儿能够自主移动，并在移动过程中使用路径综合技能，对距离和方向进行有一定准确性的编码。因此，自主移动对儿童的各方面发展，尤其是空间方位的发展至关重要。到16个月大时，婴儿可通过涉及转向的运动来进行路径综合，对方向更为敏感。

2.基于外部环境的参照系统

基于外部环境的参照系统是指根据环境中的元素和特征（如经纬度、地标或房间的地板、墙面等）来表征空间位置和方向，强调个体对物体的位置与空间关系都有表征的记忆，且较为持久和稳定。一般包括线索学习和地点学习两种路径。

线索学习（cue learning）是把物体和一个与该物体重合的地标联系在一起，如一只小狗总是卧在沙发上，成人问婴儿小狗在哪里，婴儿便会把头转向沙发寻找。有时成人也可能被婴儿当作一个重要的“地标”，他们可能会记住某个物品，如水杯总是在成人手上。

地点学习（place learning）是根据环境中的地标之间的距离和方向来确定位置。从2岁开始，儿童就开始用外部环境中的物体来对位置进行编码，并运用编码信息来解决问题。如，用对距离的编码信息来帮助自己寻找隐藏的物体。21个月大时，儿童开始用多个地标间的距离信息来确定位置。基于通过自身移动和使用地标获得确定物体方位的经验，其空间方位能力在3—5岁时得到进一步发展。到5岁时，儿童可以表征处于多个地标间的物体的位置。5—7岁时，儿童在迷宫或开放空间中确定自己位置的能力不断提高。在这种能力的基础上，儿童逐步形成了几种空间参照系统。他们先是提高使用每一种参照系统的有效性，然后不断提高选择和综合使用这些系统技能的能力。这些系统本身也随着儿童年龄的增长和儿童的运用不断融合、更新，系统的整体效率越来越高。至10岁时，儿童的地点学习基本完成。

与空间方位、空间关系的感知和学习关系非常密切的，是对与空间方位、空间关系有关的术语或空间概念的学习。婴儿自出生起就在积累空间方位的感知经验，而相关空间词汇的习得不仅有助于其理解空间关系，也可以促进其对空间方位、空间关系的思考与表达。儿童早期使用较多的空间语言一般是关于空间位置、指示词、范围和形状的词汇，有关空间特征或属性、空间方向或转换方面的词汇使用较少。

二、心理旋转

心理旋转指看到一个物体或物体的图片，能够想象把物体或图片在二维或三维空间中旋转之后的样子。心理旋转是空间认知能力中的重要组成部分，也是儿童未来数学成就的一个重要预测因素。传统的学前儿童数学教育中很少使用心理旋转这一心理学概念。随着近年来儿童发展领域对儿童早期心理旋转方面的研究增多，心理旋转对儿童早期数学发展的重要性也越来越清晰。

婴儿最早在4个月大时表现出心理旋转能力，14—26个月大的学步儿在把几何形状的积木插入盒子之前会表现出事先把物体旋转一下角度的行为。2岁儿童在同样的活动中能表现出部分旋转能力，22-38个月大的幼儿已经形成了一种清晰的物体表征以及旋转运动能力。3—5岁儿童和成人一样会使用多种策略解决二维的心理旋转任务，但使用整体性策略多于分析策略。5—6岁儿童能够解决大部分心理旋转任务。

心理旋转能力的性别差异在婴儿期已有表现，一般来说男孩好于女孩。有先天和后天两种原因。先天因素来自性激素睾酮的影响，即所谓“微小青春期”（mini-puberty）的影响。微小青春期是指3岁以下儿童体内性激素水平短暂上升，引起类似青春期的表现。后天因素是指父母对不同性别的孩子态度和期望不一样，对儿童的心理旋转能力影响也不一样。

心理旋转的另一种表现形式是视觉性观点采择（visual perspective-taking）。心理学中所说的观点采择是指被试从不同的方向（视角）来想象物体的外观。它不同于基于物体的心理旋转，而是一种基于个体身体的心理转换。个体需要想象自己身体的旋转或移动，或观察对象相对于其以自我为中心的参照框架的变化。基于物体的心理旋转和基于身体的视觉性观点采择既有共性又有不同，它们依赖于不同的神经基质：前者与顶叶皮层的活动变化有关，后者与左颞叶皮层的越来越多的活动有关。这两种能力相对独立又有着密切联系，且都与两个既分离又交叉的神经系统有关。

因为视觉性观点采择涉及心理上的转换能力，所以儿童的观点采择能力的发展较为缓慢。研究发现，儿童观点采择能力的表现取决于任务的参照点是什么，当观点采择任务是识别具体物品的位置，而不是要他们从一套照片中匹配相应视角的图片时，3—4岁儿童也能完成任务。4岁儿童知道移动的物体的远近与其看上去的大小有关。到5岁时，儿童能够依据对物体的参照，对小物品的位置进行编码。

三、空间视觉化

空间视觉化能力是一种想象物体和形状的空间运动的能力，如对所呈现物体的折叠和旋转，对物体之间位置的相对变化以及对机械运动形成表象。

大脑中产生的空间表象是对物体整体的表征。认知心理学和脑神经科学认为，表象由视觉表象和空间表象组成。视觉表象（visual imagery）是指对一个物体的可视外观特征的表征，相对来说是静态的，如形状、颜色或亮度；空间表象（spa-tial imagery）是指对物体各部分的空间关系和对物体的空间位置或物体运动的表征，往往是动态的。心理学家将视觉、空间表象能力视为空间智能的核心，认为它们在很大程度上决定哪些学生在科学、技术、工程和数学领域中能如鱼得水。在这两种表象中，儿童的视觉表象发展可能早于空间表象。3岁左右的儿童能再现他们看过的一张简单的图画或积木搭建的房子。随着经验的积累，他们还能够通过滑动、翻转和旋转一个形状来再现他们以前看到的形状。儿童对处于运动中的空间位置和空间运动的想象相对较困难。目前关于空间视觉化的研究大多关注6岁以上儿童相关能力的发展。

空间视觉化也与我们常说的空间表征有关。空间表征（spatial representation）指物体位置和空间关系在个体心理中的存在形式，是在符号的水平上对空间物体的定位、方向、空间关系等信息进行思考与推理的过程。语言是人类的一种符号系统，在空间领域还涉及模型、地图和图表等表现方式。这些表现形式的范围，有助于人类空间信息的储存和交流，及对其的反思、综合和推断。儿童的生活中常涉及的空间表征包括各种建构游戏、手工制作、绘画、泥塑以及认识和使用地图。这里主要谈谈儿童对地图的认识。

地图表征指运用一些类似物或符号来代表真实的环境。理解地图包含三个步骤：对符号表征的理解、使用空间关系、地图阅读中的心理旋转。尽管大多数3岁儿童已有符号表征的能力，但在地图的理解和使用上，儿童可能要到6—7岁才会有更为成熟的发展。

1.对地图符号表征的理解

作为一种空间表征，地图反映了物体、地点或物体和地点之间的关系，如方位、方向和比例等。知道地图上的一种符号代表了现实环境中的一种真实物体，显然是地图使用中最基本的核心技能。一旦儿童理解了这一点，就说明儿童对地图有了初步的认识。这种情况一般在2岁半会出现。在这一基础上，儿童关于具体的地图符号和环境元素之间的对应理解能力逐步发展。这一能力在儿童30—42个月大时，即儿童获得表征能力时会有较快发展。

儿童3岁时开始能够理解地图或模型与对应的空间之间的一些基本的象征关系，47%左右的3岁幼儿掌握了初步的符号表征，但在获取和使用复杂的地图信息时会遇到很多问题，如经常不能依据地图上的位置来确定物体的实际位置。4岁儿童在一些简单的情境中，如在地图与真实的地理环境的方向一致时，开始能够理解和解释地图，计划空间运动，通过地图来学习和推理。4岁时，63%左右的儿童掌握了符号表征。5岁或6岁时，儿童才能解释地图中所使用的各种符号。但在这一年龄，儿童对于实际空间和地图之间的对应的能力仍有限。儿童在5岁时开始在一些涉及与真实地理环境方向不一致的地图的简单情境中表现出某种程度的成功。到6岁时，儿童能够在有着多种选择的复杂环境中使用距离信息计划自己的日常生活行程，并开始使用地图和辨识坐标。

2.对地图中空间关系的理解

研究表明，儿童的距离编码发展较早，婴儿和被学步儿都具有距离编码的能力，因为距离是可以被直接感知的，可以在两个地点之间进行关联，不需涉及抽象的测量单位。3—4岁儿童能用最简单的地图来完成对距离的编码。使用地图空间关系的能力最初出现在4岁，但大多数儿童要到6岁以后才掌握。

确立空间关系之间的对应能力是使用地图或模型的另一种能力。从地图符号与真实物体之间的对应关系来看，6岁儿童的方位判断能力发展很快，但有着明显的地区差异。周欣等人开展的一项全国性研究发现，能够根据简单的房间地图信息，并在对应的实物房间模型中找到相应的方位放置物体的6岁儿童，比例为54%，而对上海示范幼儿园的6岁儿童的研究发现，能完成相同任务的比例高达91%。

一般认为，在元素一一对应上，对比例的理解是比表征发展更难、更晚的一种能力。从一张地图中获取正确的空间信息，首先需要能够理解比例的变化，然后把地图上的距离应用于对真实世界距离的评判。表征的比例是表征物和指称物之间几何对应关系的主要维度，四五岁的儿童不能解释和使用比例关系。环境与表征之间的比例越接近1：1时，儿童识别环境与表征之间关系的可能性越大；当比例超过1：8时，5岁以下儿童对地图表征的理解就有显著差异。

3.地图阅读中的心理旋转

当地图的位置和方向与实际环境不一致时，就需要进行思维转换。如果儿童能结合自己所处的位置进行思考，就说明他们已经开始尝试把自己置于动态的变化中来考察空间几何的关系。仅有少数5岁儿童具有地图阅读中的心理转换能力。

儿童早期空间认知能力的发展尽管与遗传和生物因素有一定关系，但后天的学习和经验的影响更为重要。以往的幼儿园数学课程中，与“形”相关的知识属于课程的核心内容，但较为关注形状、形状的组合、空间方位等方面，对儿童的空间认知能力的发展，特别是心理旋转、空间视觉化方面发展的关注还不够，对与这些技能相关的空间想象、空间表征和空间问题解决的能力的了解更少。这些内容是今后的研究和实践领域应多加关注的方面。