空間能力與天體概念學習的關係

一、空間能力的定義、重要性與相關研究

關於空間能力的定義一直以來其實並不明確，而綜合學者 （李侑巡，2009；林信全，

2005；高元彬，2008）對於空間能力的定義，我們可以發現空間能力主要是指針對學習者能 透過視覺觀察物體之間的關係，轉換成心象進行操作，並能正確的辨識方位與應用，將將物 體的運動情形、形狀、位置、旋轉等，正確地由三維空間轉換成二維圖像顯示在腦海中的抽 象思考能力，總而言之就是方位辨識、空間視覺化以及空間移動旋轉的能力。而空間能力與 學童的學習又有什麼關係呢？

邱美虹與陳英嫻（1995）指出相關於空間能力的研究顯示，在不同科學學科的學習成就 與空間能力密切相關。例如Bishop（1987）指出空間能力與天文方面的學習關係密切。而在 物理方面，Pallrand 與 Seeber（1984）之研究表明，能成功學習物理的學生大多具有高空間能 力。Orion、Ben-Chaim 與 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。而在數學方面，許多學者（Guay & McDaniel, 1977；Quaiser-Pohl

& Lehmann, 2002）的研究也顯示國小學童的數學成就與空間能力或是空間視覺化存在著關聯 性。

而Rudmann （2002）的研究中指出由一個認知觀點來看，當個體對一個觀念進行心理 模型建造的模擬過程時，這是一個需要進行計算的認知活動，個體模擬著自然界的空間關係。

以天文學為例子，是非常需要空間推理能力去進行計算，才能模擬出結果，而此活動的成功 與否和個體本身的科學知識多精準無關，端看各體本身的空間能力的是否受到限制。由以上 可以知道空間能力在不同科學學科間的學習上，扮演著重要的角色，而本研究主要將探討空 間能力與天文星體概念學習的關係。從許多天文教育的相關研究也表明空間能力高低與天文 學習有相關。在何玉婷（2005）的研究中也發現，具備中、高空間能力的高中生，在二度空 間的太陽視軌跡與三度空間的太陽運動軌跡的問題達對率比較高。而且Kikas（2006）的研究 中也表明，空間視覺化能力可能會顯著而且積極地影響個體在學習有關天文知識的學習效 率。因此，綜合以上學者的看法可知，個體的空間能力與天文學習的學習成效有顯著相關，

與其他種類的科學學習也有著密不可分的關係。

二、空間能力與天文學習

由上一段中，我們知道個體的空間能力與學習天文息息相關，而且也有許多學者針對空 間能力與天文學習的相關性提出看法。Yair、Mintz 與 Litvak （2001）認為天文教學對於小 學和中學的科學教師是一個很大的挑戰。雖然天文對兒童而言是有相當強烈吸引力的現代科 學，但是它包含了複雜的物理學問題。兒童要能夠了解天文的概念，除了需要能理解動態的 三維空間概念並且本身必須具備比較好的認知能力。邱美虹與陳英嫻（1995）指出要學生憑 空去想像巨觀世界星體間的空間關係是一件非常困難的事。根據Ault Jr.（1994）的研究，要 在心裡進行空間模擬來解決問題的能力可能會受限於個體的空間能力，而空間能力也已經被 地球科學教育者認為是一種關鍵的但卻虛無而無法研究的的因素。Yair、Mintz 與 Litvak（2001）

也認為，為了暸解基本的天文概念，例如：晝夜的形成、季節的變化、日蝕、月亮與行星的 運動，學生必須要具備對能將這些物體與關係事件視覺化的能力，因為這些天文星體與所發

生的現象可能會從不同的角度同時出現，而上述所指的視覺化能力也就是空間視覺化能力。

由此可見空間能力的重要性，但是學生是否有進行空間能力的學習或訓練呢？Bertoline

（1987）的研究中發現，學生們往往很少或者是沒有被教師正式要求去使用或者是發展空間 能力。Bertoline、Burton 與 Wiley（1992）的研究也表明了沒有開發個體空間能力的學生，在 其所選擇的學習領域環境中學習時會比較容易受到阻礙。由以上探討大概可以知道個體的空 間能力是學習天文學科的關鍵能力之ㄧ，但是空間能力的訓練往往並不受到教師重視，學生 也很少會有訓練空間能力的機會，通常學生只能自行發展空間能力，而空間能力發展不足的 學生則可能在學習天文觀念的時候，因為無法妥善運用空間視覺化等能力進行像是空間旋轉 等等空間操作，致使學習受阻。

三、空間能力與教學輔具

而為了幫助學童學習這些比較抽象、不易理解的天文概念，教師除了利用口頭講述、繪 圖、類比等方式外進行說明，比較具體的方法便是使用模型教學（Zoller, 1990）。因此在邱 美虹與陳英嫻（1995）的研究也指出學生在學習「月相盈虧」的單元時，若是從平面的教材 觀看月相變化的圖形，尚須將二維空間的圖像轉換成三度空間的心像，假使學生的空間能力 不足，學習月相盈虧的概念將會發生困難；相對的，若是學生使用模型觀察，可以直接看到 在不同角度上月亮受太陽光照的情形與月相變化，就少去了心像轉換的過程。但是根據學者

（Bailey, Prather, & Slater, 2004）的研究，學生和成年人在嘗試使用以太陽為中心的模型進行 日常天文現象的解釋時，卻仍然有著相當的困難。而之所以學生與成年人都有如此的學習問 題原因在哪裡？根據Hegarty 與 Waller（2004）的研究，空間能力是使我們能夠處理圖像或 模型，推導或解釋後果，也就是說空間能力仍然是個體是否能使用具體模型學習天文並進行 推理的關鍵因素之ㄧ。所以如何利用教學輔具或是提供更有力的教學輔具來彌補學生空間能 力的不足之處，應該是教師在進行天文教學時不可忽略的教學策略。

而我們從邱美虹與陳英嫻（1995）的對 24 位國三學生進行以「地球影子遮住月亮」解 釋盈虧現象，並以空間能力測驗將學生分成高空間能力與低空間能力兩組，的研究結論中，

也發現下列三個觀點佐證我們的想法：

（一）高空間能力的學生在學習月相盈虧概念時有比較好的解釋能力與學習成效。

（二）高空間能力的學生就算沒有模型輔助學習，也能運用本身的空間能力進行解釋，

以解決問題。但是低空間能力的學生則因其空間能力不足，無法合宜的進行問題解釋，甚至 可能產生另有概念。

（三）運用模型學習可以幫助低空間能力的學生有比較好的學習成效。

透過這三點研究結論可以歸納：

1. 擁有高空間能力的學生在天文學習上確實比較佔優勢，而且就算沒有利用模型輔助其 進行空間思考，仍能以自身的能力進行解釋。

2. 低空間能力的學生在此教學實驗中則處於弱勢，若是不提供模型且放任其自行以思考 的方式解釋所觀察到的的天文現象，有時甚至會再產生新的迷思概念。

3. 模型學習可以幫助低空間能力學生提升學習成效。

因此由此教學實驗研究的結論可以說明空間能力高低確實會影響學生的天文學習成 就，也說明提供實體模型輔助低空間能力學生進行學習的重要性。

然而學習成效的提升並非只是讓低空間能力學生使用模型教學的唯一優點。根據

Padalkar 與 Ramadas（2009）綜合學者（Gilbert, 2005; Hegarty, 2004; Nersessian, 1999; Ramadas, 2007）的研究指出，教學工具在幫助學生瞭解與演示天文觀念中的空間關係與運動方式之後，

學生獲得的天文觀念也有可能再幫助學生進而發展他們的空間推理能力。也就是說當學生發 展天文概念之後，學生的空間概念也有可能因天文概念的發展而成長，如此將更有利於其他 學科科學概念的學習。因此，發展輔助學生學習天文的輔具可能具有多方面的潛在效益。

雖然因為學校資源不足的關係，並無法提供毎人一具模型進行星體操作。但是科技日新 月異，進步神速，幫助學生學習天文的教學輔具也產生改變，由早期的模型，演變到現今電 腦多媒體教材與虛擬實境、3D 模型等數位化工具。學者（Yair, Mintz, & Litvak，2001）認為 由於科技的進步，利用結合以多媒體為基礎的資料庫進行視覺化的科學資訊說明，可以解釋

許多複雜而抽象的現象，而教師與學生也期待這種方式能整合進科學教學的課程之中。而且 教育工作者也能藉由3D 圖形工具的幫助，建造一個視覺化的語言來橋接縮短以具體存在的 自然世界與以概念模式存在的抽象世界之間的距離。但是Dalgarno & Lee（2010）也認為「科 技本身並不能直接讓學生產生學習，但可以擔任能讓學生可能進行學習的任務。」所以，假 使我們若能正確的設計天文教學策略並妥善使用電腦多媒體與虛擬實境技術，應該能從虛擬 實境的特性中獲益匪淺，以下將介紹資訊科技融入天文教學的相關研究。