空間能力與物理學習

一、 空間能力

空間能力（Spatial Ability）歷史上源於針對機械性向（Mechanical Aptitude）

與實作能力（Practical Ability）的研究。從 1925 年開始，許多學者們已使用因素 分析法將空間能力從語文能力中區分出來，並進一步探討空間能力的內涵與其在 學習者上的個別差異(McGee, 1979)。而接續的一系列研究開始轉而討論空間能 力與邏輯推理能力、數學能力、各學科學習成效等之間的關係，自此空間能力已 普遍地被視為心智能力的成分之一，如 Turstone（1941）提出之心理能力論

（Primary Mental of Intelligence）(引自 Linn & Petersen, 1985)或是 Gardner 的多元 智能(Gardner & Hatch, 1989) 均強調空間能力為其重要因素。Linn 和 Petersen (1985)整理出研究空間能力的觀點大致可分為四類，分別為：

 差異觀點（the differential perspective）：比較空間能力在各種母群體的差 異，如空間能力在性別上的差異等。

 心理計量觀點（the psychometric perspective）：比較各種空間任務的相關 性，藉此定義空間能力的因素（factors）。

 認知觀點（the cognitive perspective）：探討人們解決特定空間任務時的 心智過程。

 策略觀點（the strategic perspective）：探討人們解決給定空間任務時使用 的策略。

上述四種研究觀點顯示了空間能力的複雜性，且在此領域形成了百家爭鳴的 景況。雖然如此，研究結果都不約而同地指向，進而與數學、科學、機械領域的 學習成效有相當大的關聯(Pellegrino, Alderton, & Shute, 1984; Shea, Lubinski, &

Benbow, 2001)。依據研究者們所抱持的理論架構與基本假設不同，空間能力也有 著許多不同的定義與內容，以下茲將國內外學者對空間能力的定義整理如表 2-3-1：

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表 2-3-1 國內外學者對於空間能力之定義

研究者 空間能力之定義

Thurstone（1938） 空間能力是能夠在心中記住一個空間圖像，並在腦海中扭 轉、移轉或者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的圖像進行比對的表現能力（引自李 琛玫，1996）。

Guilford & Lacey（1947） 空間能力是能夠在心裡想像物體的旋轉，及在平面上想像物 體被展開後的平面圖或摺起後的立體圖形，或是瞭解空間中 物體位置改變之關係的能力（引自李琛玫，1996）。

Lohman（1979） 空間能力是能夠類化、保留及轉換抽象視覺圖像的能力。

McGee（1979） 空間能力是對視覺刺激形式內部安排的理解，即不受方位改 變而產生混淆的能力，並且能在心理操作、旋轉或扭轉以視 覺呈現的刺激物的能力。

Cooper & Regan（1982） 個體將平面或立體的視覺刺激，進行編碼、轉換、產生及記 憶成內在表徵的能力。

Gardner（1983） 空間能力是在腦中想像事物（picturing things in the head），包 含想像摺疊和旋轉物體的能力、描繪二度空間的物體視覺化

（想像）三度空間物體，以及分辨由不同角度觀看同一物體 的能力。

Linn & Petersen（1985） 空間能力是一種關於空間的知覺、概念、表徵及推理的能力。

Lord（1985） 空間能力是在思考時產生心像，以及轉換變化心象的能力。

Pellegrino & Hunt

（1991）

空間能力是視覺圖像的推理能力。

Kelly（1992） 空間能力是對視覺形式的認知與記憶，即心理操作物體形狀 的流暢能力（引自蔣家唐，1995）。

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綜合以上學者對空間能力的研究可以得知，雖然空間能力的定義略有差異。

但大多數研究均強調空間能力是一種心智運作的能力，知覺二度或三度空間的物 體進而使用對其使用各種心智功能（如辨別、操弄、轉化、邏輯推理)的能力。

二、 空間能力的類型

瞭解空間能力的定義後，也確認了空間能力的內涵並非單一且簡單化的。藉 由早先眾多學者的研究，特別是以因素分析法作的探討，已可以對空間能力至少 擁有兩種以上因素的說法提供強而有力的支持(McGee, 1979)。因此從 1940 年代 以後探討其因素與架構已經成為了一個專門的研究領域，但至今還是眾說紛紜，

未有一個非常明確的答案(Yilmaz, 2009)。其中較為大家廣泛引用的分類列舉如 下：

1. Lohman（1988）所提出較為重要的三種因素(鄭海蓮 & 陳世玉, 2007)：

(1) 空間視覺化（Spatial Visualization）：在心智中將兩度空間的圖形摺疊成三 度空間圖形、拆解成平面圖形或操弄物體的各元件的能力，可由方塊設計

（Block Design）、摺紙作業（Paper Folding）來進行測量。

(2) 空間關係（Spatial Relations）：在心智中快速又正確地旋轉操弄並辨識物 件的能力，可由圖形作業進行測量。

(3) 空間方位（Spatial Orientation）：藉由想像將物體重新排列，而後從不同角 度推理觀看情形的能力，可由窗-椅測驗（Chair-Window Spatial Orientation Test）來進行測量。

2. McGee (1979)整理前人研究總結兩種主要的因素：

(1) 空間視覺化（Spatial Visualization）：藉由想像操作、旋轉、扭轉、倒置物 體的能力。

(2) 空間方位（Spatial Orientation, SO）：想像物體在不同觀點時的樣貌。

3. Carroll（1993）整理使用現代分析方法的研究並列出五個主要因素(Lohman, 1996)：

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(1) 空間視覺化（Spatial Visualization）：操作視覺圖形的能力，依可以掌握其 視覺材料的難度與複雜度決定能力高低，無關乎解決任務的速度。

(2) 快速旋轉（Speeded Rotation）：相對簡單地操弄視覺圖像（如心智旋轉、

轉化）的速度。

(3) 完形速度（Closure Speed）：領會與辨認視覺圖像的速度，不包含進一步 的理解。

(4) 完形變通（Closure Flexibility）：尋找、理解與辨認視覺圖像的速度，包含 事先知道什麼需要被理解、什麼應該被隱藏。

(5) 空間知覺速度（Spatial Perceptual Speed）：尋找已知視覺圖像或是比較圖 像的速度。

4. 國內部分有鑑於現階段將發展多元智能視為教育發展的重要目標之一，教育 部頒定之九年一貫課程內容即包含了圖形與空間（教育部技職司，1998）。因 而康鳳梅等人(2006)自 2003 開始由構念層次的成因指標（cause indicators）發 展針對我國高職學生的空間能力指標。各指標如下（引自簡慶郎，2005）：

(1) 空間方位（Orientation）：受試者能從不同的角度想像物體或圖形在空間的 旋轉變化，且對改變方向的物體或圖形擁有想像的能力。

(2) 空間關係（Spatial Relations）：受試者能夠想像在空間中將不同的物體面 互相關聯，並想像操弄其摺合、展開或旋轉組合與分解的能力。

(3) 空間感觀（Spatial Perception）： 受試者能夠正確辨識物體相結合外觀所 形成之線，且對所觀看的物體能夠形成精確影像的能力。

(4) 空間視覺化（Spatial Visualization）：受試者能夠經由心理旋轉、移動，而 將相對位置改變的物體操作或轉換其空間模式的能力。

(5) 空間組織（Spatial Organization）：受試者能夠組織經由觀察物體不同方向 之空間影像，而揣想其另一方向之影像或立體之能力。

由上述可知在各學者強調之空間能力因素中，有許多項目重複出現，代表基 本核心已經成形，總括的來說均對應空間能力為心智上的心像操弄，內含數種運

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作形式且考慮速度的變項。但值得注意的是某些變項（variences）就算眾多研究 使用因素分析法也難以完全釐清(Stumpf & Eliot, 1999)，該名詞在不同的理論架 構中，均有或多或少定義與解釋上的差異。如重複出現多次的「空間視覺化」， Lohman 的解釋與 McGee、Carroll 的解釋在操作任務的描述有相當出入，也提醒 我們不同因素的定義將左右其適合的測量方式，反之，不同的測量方式對應的操 作任務、空間能力內涵都將不同(Yilmaz, 2009)，我們在探討某空間能力因素時必 將其測量方式與操作任務都納入考量。

三、 空間能力與學習之關係

為數眾多的研究都已指出，空間能力與科學學習成效有相當大的關係(Lord, 1985; Pribyl & Bodner, 1987; Yang, Andre, Greenbowe, & Tibell, 2003)。Shepard

（1979）總結地說到，由報告指出科學家如愛因斯坦（Einstein）、法拉第（Faraday）、 華生（Watson）在發展想法時的思考流程應是使用內在心像或視覺表徵(Pallrand

& Seeber, 1984)。化學學習方面，Pribyl 和 Bodner(1987)認為對於需要在心智上處 理一個分子之二度空間表徵的問題解決時，高空間能力學生的表現顯著優於低者。

Bonder 和 McMillen 之研究顯示空間能力測驗與一班化學成就測驗有正相關。生 物學習方面，Macnab 和 Johnstane 指出三度空間至二度空間、二度空間至三度空 間的轉換等空間能力在生命科學中扮演相當重要的腳色，且這些能力都與顯微鏡 的使用有關。Lord(1985)的研究結果指出，在產生及控制心像有困難的學生，會 對解讀圖表產生困難，生命科學課程的表現也較差。地球科學學習方面，Bishop

（1987）指出空間能力與天文的學習關係密切。Orion，Ben-Chaim，和 Kali（1994）

的研究結果顯示，地質簡介課程之成績與學生空間透視能力之表現呈高度相關。

物理方面，Pallrand 和 Seeber（1984）發現能成功學習物理的學生大多具有較高 的空間能力。

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