第二章、 文獻探討
第二節、 空間能力
本研究將以學生之空間能力為背景變項，空間智能是人類的一項重要智能。
根據教育心理學家 Gardner(1983)多元智能理論所提出的八大智能中的其中一項，
本節將從學生空間能力的意義了解後，探討空間能力的相關研究、最後了解科學 和空間概念之間的發展。
一、兒童發展與空間能力
空間能力與人類生活息息相關，舉凡生活中眼睛所見之事物，全都有著空間 的概念。例如：上下、左右、前後、遠近等。空間能力是一項重要的心智技能是 無法否認的，教育心理學家 Gardner(1983)多元智能理論所提出的八大智能（如圖 4）其中一項就是空間智能（Spatial Intelligence），空間智能運用肉眼對外在的觀察 與運用心眼對內在的觀察。若是在此方面有優勢的學生習慣使用心像和圖畫來思 考；對環境中的物體、形狀、顏色和型態具有高度的覺察力。鄭博真（2006）定 義視覺空間智能：能以三度空間思考，準確的感覺視覺空間，並表現內在的空間 世界的能力。主要的內容包含：對色彩、線條、形狀、形式、空間和他們之間的 關係的敏感性，以及能重現、轉變或修飾心像，隨意操控物件的位置，產生或解 讀圖形訊息。
22
每個人都有一種潛在的抽象心智能力使我們去吸收、組織、儲存和處理有關 的環境信息(Environmental information)，而這種心智能力依年齡、發展和學習而改 變，依賴每天的空間行為慢慢累積而成，稱為空間認知能力（歐陽鍾玲，1999）。
也就是說，空間能力會隨著不同人的發展狀況、成長經驗而有所不同，不同的空 間能力，就可能在未來解讀空間相關問題時，造成不同空間能力所產生的效果。
論及兒童空間發展理論，不得不提著名的教育心理學家 Piaget(1967)，他將兒童空 間概念分成三大階段：一是拓樸空間概念(Topological Stage)、二是投影空間概念 (Projective Stage)、第三階段是平面空間(Euclidean Stage)，共三個階段發展，茲以 表 5 呈現。
表 5
皮亞傑兒童空間概念發展與認知發展表
多元 智能 語言
音樂
運動
邏輯 空間
自然 內省
人際
辨別方向、走迷宮、玩拼圖、想像、繪圖、設計
圖 4 多元智能理論
23
階段 年齡 認知發展 特徵 說明
拓樸空間概 念
(Topological Stage) 念(Projective Stage) (Euclidean Stage) 段的空間智能表現形態以及空間相關問題解決能力，Piaget 和 Inhelder（1967）曾 對學生做了一個容器中水面的觀察實驗，期後將兒童空間發展階段分成七個階段，
24 容、形狀、效用、人造程度、熟悉度都包含在內(Cohen, 2013)。國內學者陳淑敏（2011）
認為兒童的發展階段並非如 Piaget 和 Inhelder 所說的階段發展，年齡到了就會自然 的發展到某個階段依序質變，而是混合使用拓樸、投影、幾何三種空間能力，然 後此三種能力逐漸分化的連續性過程。表 7 為兒童空間認知心智圖（陽鍾玲，
1983）：
25 類，接著 1979 年 McGee 認為空間能力包含空間知覺（Spatial orientation）、空間定 位（Spatial visualization）兩大類。到了 1983，Gardner 認為空間能力是精確的知覺 世界，並對個體原有的知覺進行轉換與修改，以重建個體視覺經驗的觀點。Lohman 和 Kyllonen（1983）將空間能力分成：空間關係（Spatial relations）、空間方位（Spatial
拓
26
orientation）及空間視覺化（Spatial visualization）。Linn 和 Petersen（1985）則分 成：空間知覺（spatial perception）、心理旋轉（mental rotation）、空間視覺化（spatial Visualization）。綜上所述，空間能力為個人總體能力中的一部分，協助我們經驗 外在世界，並將其外在透過內在運行抽象思考，將物體位置旋轉、移動、改變方 向，甚至運用僅有之空間線索做內在心像的空間推測。下表 8 為空間能力之定義，
而表 9 為空間能力的向度分析：
表 8
空間能力定義
研究者 空間能力的定義
Thurstone（1938） 在心中記住一個空間圖像，並在腦海中扭轉、移 轉，或者是旋轉這個圖像至一個新的位置，再將此 變動過的圖像與研究者所提供之圖像進行比對的 能力。
Guildford & Lacey（1947） 一種能夠在心裡想像物體的旋轉，以及在平面上想 像物體被展開後的平面圖或是摺起後的立體圖 形，或是一種了解空間中物體位置改變之關係的能 力。
French（1965） 能夠了解物體在三度空間中移動圖像的能力。
McGee（1979） 面對一個以圖像呈現的刺激物時，能在心中做操 弄、旋轉、扭轉或翻轉的能力；能理解及操作物體 位置之關係，也就是在面對所呈現的空間輪廓或方 位改變時，不至於會暈頭轉向的空間方位能力
Gardner（1983） 精確的知覺世界，並對個體原有的知覺進行轉換與 修改，以重建個體視覺經驗的觀點，即使是在缺乏 一些相關物理刺激的情況下，也能進行這些操作
27
Lord（1987） 在思考時產生心像以及轉換、變化心像的能力。
丁振豐（1994） 一種對心像操弄的能力
李琛玫（1996） 能正確的辨識、觀察、透視圖形，而且能將圖形記 憶在心中，然後在心理「想像」性的操弄、變化圖 形的能力
戴文雄（1998） 空間能力係指個體因人而異之揣想或思考三度空 間，以及依據圖解或圖案在心裡想像或做物體旋 轉、移動及改變方向、位置的抽象能力
康鳳梅（2002） 空間能力涵蓋認知能力，超越了如記憶、複製或配 對等認知能力，它含有感觀、記憶、邏輯思考以及 創造性空間思考之能力
表 9
空間能力向度分析
研 究 者 空間能力的向度分析
French（1951） 空間能力應該至少包含空間（spatial）因子、定位 (orientation)因子、視覺(visualization)因子等三個因 子。
Piaget and Inhelder（1971） 圖畫式思考能力和操作性思考能力。。
McGee（1979） 空間方位（Spatial orientation）、空間視覺化（Spatial visualization）。
Bishop （1983） 解讀圖形資訊的能力(interpreting figural
28
information，IFI)、視覺處理能力(visual processing，
VP)。
Liben（1981） 空間思考（spatial thought）、空間儲存（spatial storage）及空間成品（spatial product）。
Pellegrino and Kail（1982） 空間關係及空間視覺。
Lohman and Kyllonen
（1983）
空間關係（Spatial relations）、空間方位（Spatial orientation）及空間視覺化（Spatial
visualization）。
Linn andPetersen（1985） 空間知覺（spatial perception ）、心理旋轉（mental rotation ）、空間視覺化（spatial Visualization ）。
McCormack（1988） 空間感觀（Spatial Perception）、空間記憶力（Spatial Memory）、邏輯空間思考（Logical Spatial
Thinking）、創造性空間思考（Creative Spatial Thinking）。
戴文雄（2003） 空間知覺、空間辨識、空間旋轉、空間組織和空間 推理五種
張鳳梅（2003） 空間定位能力、空間關係能力、空間感觀能力、空 間視覺能力和空間組織能力五種
洪志盈、鍾瑞國（2003） 辨認覺察能力、移動旋轉能力、空間推理能力
29
三、空間能力與科學教育
空間能力的高低與抽象思考、數理、科學、繪圖能力等有密切的關係，特別 是在研究數學、科學、藝術與工程時更是如此，即使在日常生活中，看路標或地 圖時，也需要使用到空間能力(Stanic & Owens, 1990)。
空間能力在複雜的學習與工作環境中造成個別差異，在造型專業上的發展、
創造性成就發展，空間能力被忽略(Lubinski, 2010)。天文的學習涉及時間、空間及 運動方面的探討，其中太陽、月亮、地球三者之間的運動關係，屬於抽象的概念，
此和學生的空間能力有很大的關係。存在有許多學生不易了解的抽象概念，因此 學生往往難以建立正確的概念（翁雪琴，1994）。陳玉玲、井敏珠、周宣光（2005）
研究顯示，空間能力與學習方式有交互作用的存在，在學生學習地球的運動時，
不管是透過個別學習還是合作學習的學習模式，高空間能力的學生在透過不同的 教學模式下比低空間能力的學生擁有較好的學習成效。
科學教育發展多年，科學的範疇也包含的越來越廣，從一般學科生物、物理、
化學、數學到地球科學，多數領域都會運用到空間能力。例如：消化系統在人體 內的相對位置、心臟血液流動的方向和腔室位置辨別；物理當中加速度、離心力 間速度的關係、化學個分子結構的組裝、數學幾何旋轉空間概念到地球科學太陽 地球月球的相對位置及旋轉，這些都可能受到空間能力的影響。表 10 為近期空間 能力與科學的相關研究：
表 10
空間能力與科學
研究者 研究主題
Münzer, Seufert &
Brünken.(2009) 從多媒體展示中學習：動畫及空間能力的促進
30
作用
Lubinski. (2010)
空間能力和 STEM：一個沉睡的巨人對人才識 別與發展
Moreau. (2012) 培養空間能力：評論和前瞻性的研究趨勢
Hung, Hwang, Lee, &
Su.(2012)
認知成分分析法應用於開發遊戲為基礎的空間 學習工具
Gutierrez, Trujillo, &
Gonzalez.(2013)
擴增實境應用程式協助空間能力的培養：頭盔 顯示器與電腦屏幕使用研究
四、空間能力與擴增實境
空間能力與擴增實境之關聯，本研究將空間能力當中三維空間結構的概念及 空間能力指標比較討論。三維空間結構中的「3D 旋轉」及「視點移動」。此兩個 空間能力指標定義如下：
（一）3D 旋轉：能正確選出物體在旋轉後正確位置的能力
（二）視點移動：能從不同視點判斷正確圖形的能力
又根據鍾瑞國、洪志盈（2003）提出的國小學生空間能力項度中能力向度分 項有三項，如下圖 5 分類，分別為：(1)辨認覺察能力；(2)空間推理能力；(3)移動 旋轉能力三項，其中第一項「辨認覺察能力」又分為：(1)一般知覺辨別能力；(2) 空間關聯記憶能力兩項。在行動載具中的擴增實境去疊加 3D 模型資訊的時候，多 會搭配不同的控制功能。而這些功能與空間能力有所對應的主要是「視點轉換」
與「旋轉模型」兩種，如表 11：
31
32
的學生能夠利用這些圖片進行推理，以形成腦中的心智模型；對文字推理能力較 強的學生而言，圖片的提供，能讓他們修正或加強腦中的心智模型。同樣的概念 轉化為本研究的觀點，或許我們可以藉此推論空間能力較差的學生，3D 立體模型 的呈現更能取代傳統靜態圖片的的動態效果，以達到我們希望他們能夠達到的學 習目標。
陳明鴻（2006）一篇對於國中生物遺傳單元的相關研究中說明了生物課本當 中插圖的協助學習的重要性，其傳統生物科教學最常使用的輔助教學媒體即是圖 片，但他認為圖片所能表現的概念有限，每個學生對「圖」的認知也都不一定相 同。對於動態實況的呈現，例如胃的蠕動、細胞分裂、精卵受精等只能以連續圖 片來說明，讓學生自行發揮想像力，同一張圖每個學生「看到」的可能都不相同。
陳明鴻（2006）一篇對於國中生物遺傳單元的相關研究中說明了生物課本當 中插圖的協助學習的重要性，其傳統生物科教學最常使用的輔助教學媒體即是圖 片，但他認為圖片所能表現的概念有限，每個學生對「圖」的認知也都不一定相 同。對於動態實況的呈現，例如胃的蠕動、細胞分裂、精卵受精等只能以連續圖 片來說明，讓學生自行發揮想像力，同一張圖每個學生「看到」的可能都不相同。