空間能力與科學學習

空間能力（spatial ability）是一種認知的能力，其定義因各理論觀點的不同 而有差異。Lohman （1979）透過因素分析，歸納出十種不同類型的空間能力，

其中三個最主要的因素包含視覺化（visualization）、空間定位（spatial orientation）

和空間關係（spatial relation）。視覺化是指能將帄面的圖形想像成為立體物體的 能力；空間定位是指能從不同角度去觀察物體的能力；而空間關係則是指能利 用心智操弄物體的能力。

科學概念中常有許多微觀且抽象的概念，需要透過心智的想像、觀察與操 弄來學習，也因此緣故，許多研究者認為空間能力和科學概念的學習應有某種 程度的相關。Urhahne 等人 （2009）的研究指出視覺空間能力和科學概念性知 識的獲得有顯著相關，且視覺空間能力顯著的影響學生在化學式帄衡任務上的 表現 （Staver & Jacks, 1988）。其它研究也顯示，學生若具有較高的空間能力，

可在某些化學概念的學習上有較深層的理解 （Barke, 1993; Bodner & McMillen, 1986; Pribyl & Bodner, 1987; Yang, Andre, & Greenbowe, 2003）。除此之外，空間 能力是可以被訓練的，過去有些研究顯示，透過一些視覺空間任務的訓練，提 升學生的視覺空間能力，能有效提升學生在化學學習上的表現 （Small & Morton, 1983; Tuckey, et al., 1991）。

Carter 等人 （1987）以有機化學為主題，進行空間能力與有機化學學習間 的關聯的研究，發現空間能力對於：（1）學生需利用心智操作以解決 2D 化學分 子表徵的問題，和（2）學生需具備高階層（如問題解決）認知技巧才能解決的 問題有影響。此研究發現學生的空間能力和與空間相關的有機化學問題解決技 巧上有顯著相關，空間能力較高的學生在解和空間有關的有機化學問題過程中，

債向畫一些圖像表徵來輔助解題，即使這些圖像表徵並非是題目本身所要求或 需要的，而這些圖像表徵似乎可以幫助空間能力高的學生成功解決問題；反觀 空間能力較低的學生則較少畫圖，且有較高的機率會畫出錯誤或是不適當的圖，

而這項研究發現也和 Pribyl 與 Bodner （1987）的研究發現一致，顯示空間能力 和問題解決技巧間存在一定的關聯。

透過文獻探討，研究者推測空間能力與科學學習、問題解決技巧間有相關 性。除此之外，研究者更想進一步探討，空間能力高低是否會影響學生利用 2D 或 3D 多媒體動畫進行科學學習的成效？過去研究顯示，空間能力為理解 3D 視 覺表徵的一個重要影響因素之一 （Keehner, Montello, Hegarty, & Cohen, 2004）。 而探討空間能力與 2D、3D 學習成果的研究結果目前出現兩種不同的假說：（1）

能力補償假說（ability-as-compensator hypothesis），是指空間能力低的學習者，

透過圖形式的教材學習，能獲得較多的助益 （Hays, 1996; Hegarty & Sims, 1994）；

（2）能力增強假說（ability-as-enhancer hypothesis），是指空間能力高的學習者，

透過 3D 教材學習，能獲得較多的助益 （Mayer, 2001; Mayer & Sims, 1994）。

Huk （2006）以細胞生物學的概念為主題，設計一些 3D 模型來協助學生 進行細胞生物學的學習，其研究結果發現，和空間能力低的學習者相比，3D 模 型較能幫助空間能力高的學習者進行學習，而此研究發現似乎也可做為能力增 強假說的再次證明。除此之外，此研究亦發現，對於空間能力較低的學習者，

3D 模型會造成其產生過重的認知負荷，而使得其需花費更多的時間來建立細胞 的心智模型；而對於空間能力較高的學習者，因其認知負荷還在工作記憶的限 制範圍內，未超過認知負荷，相較於空間能力較低的學習者，其只需要利用一 點時間便可成功建立細胞的心智模型，故可由 3D 模型獲得較好的學習助益。

本研究中所選用之「現代原子模型」主題，為微觀的科學概念，故研究者 設計 2D 及 3D 兩種不同型式的多媒體動畫，使微觀概念以模型呈現方式來協助 學生理解此單元主題。研究者認為學生應具備一定空間能力方能學習立體結構 的概念，而「現代原子模型」單元內容中，原子模型中最重要的概念即為立體 空間中軌域的形狀、軌域的方向性及其所能容納之電子數，對於國中學習過行 星式原子模型的學生來說，具高度立體空間概念的現代原子模型，應是較困難 的概念，且較難建立正確的心智模式。研究者認為，空間能力高的學生應較空 間能力低的學生容易建構有關現代原子模型的心智模式。

基於研究者認為學生欲學習「現代原子模型」此單元之微觀科學概念，空 間能力的高低是影響其學習成效的重要因素之一，故將空間能力作為研究的其 中一個自變項，探討不同空間能力的學生，經由 2D 和 3D 不同型式之多媒體動 畫進行學習後，其學習成效有何差異？空間能力和多媒體動畫型式兩自變項間 是否會產生交互影響？