在化學教育上，我們對於學生的要求非常多，除了瞭解抽象的理論、一些必 備的數學運算技巧、必須要有的實驗技術、還要能夠用口語或是寫作的方式互相 溝通彼此的概念，以及從二維符號表徵中視覺化三維的資訊(Jones, Jordan, &
Stillings, 2001)。化學領域的核心在於分子的空間結構與化學反應過程的瞭解。化 學的許多概念本身包含了大量的視覺空間資訊，學生在學習中必須使用視覺空間 能力來理解概念。像是視覺化分子或是晶體結構的三度空間分佈，在有機分子上 確定官能基的位置。因此如何幫助學生視覺化及理解物質的分子層次上的資訊，
成了化學學習上的重點。
一、化學領域所使用的表徵包含的視覺空間資訊
化學家組合了三個不同但彼此相關的層次─巨觀的(macroscopic)、次微觀的 (submicroscopic)及符號的(symbolic) 表徵來增進化學概念的解釋。巨觀表徵是對化 學現象的觀察，包含日常生活中的經驗。為了溝通巨觀現象的觀察，化學家使用 許多符號，像是元素符號、方程式…來表示其概念。而亞微觀層次的表徵則以特 殊的物質理論為基礎，用來解釋巨觀現象，像是電子、分子、原子等概念。這些 次微觀的實體是存在的，但是無法直接觀察到(Treagust, Chittleborough, & Mamiala, 2003)。分子的表徵像是個具體空間敘述以及抽象視覺編碼的複雜混合體(Jones et al., 2001)，敘述著原子與原子之間的距離、結合方式以及角度，再加上應有的化 學概念，甚至包含了可能產生何種反應的資訊。
二、化學學習需要視覺空間能力
視覺空間能力在化學學習中形成化學分子結構的表徵上非常重要。在化學學 習當中，學生有時候必須從教科書上的二度平面圖形獲得資訊，在腦海中形成該 物質的三度空間結構(Balaban, 1999; Habraken, 1996; Hoffmann & Laszlo, 1991; Kozma et al., 2000; Mathewson, 1999; Nye, 1993)，並旋轉這些結構來判斷鍵角以及是否有可能 產生化學反應的活化位置。學生常常因為無法在化學表徵上三個層次間轉換，以 致於無法理解必要的化學概念，特別是在次微觀層次以及符號層次的表徵上，這 兩個層次的表徵看不見且抽象，而學生的學習往往依賴著感官資訊(Ben-Zvi, Eylon,
& Silberstein, 1987; Wu, Krajcik, & Soloway, 2000)。
三、化學解題依賴視覺空間能力
在化學解題上，過去的研究還發現學生的解題能力都與視覺空間能力呈現高 相關，無論是與空間相關的問題或與空間不相關的問題 (Bodner & McMillen,1986;
Carter, LaRussa, & Bodner, 1987)。甚至在化學反應方程式的平衡，這類明顯地非空 間相關的化學問題上，視覺空間能力與學生的表現也呈現高度相關(Staver & Jack, 1988)。同樣的情形出現在數學學習上，Pattison 及 Grieve(1984)發現學生的空間能 力，同時與空間相關（幾何問題）及非空間相關（代數）的數學解題成就呈現高 度相關(Wu, Krajcik, & Soloway, 2001)。這些顯示，視覺空間能力在科學的學習上非 常重要，不只是化學學習而已。
目前並沒有很一致的結論來解釋視覺空間能力的改善為何可以幫助空間相 關與非相關的科學學習及解題，大部分的研究認為視覺空間能力與化學問題解決 表現顯著相關的主要原因，可能奠基於一般認知因素上(general cognitive factor)，但 目前並沒有研究能有系統地分開視覺空間能力與一般認知因素（如智商或是學科 能力）(Wu & Shah, 2004)。部分的研究認為這或許是因為這些運算能力是由類似的 腦區來運作的關係(D’Esposito et al., 1998)。儘管不確定原因為何，我們還是發現學 生接受訓練或是練習視覺空間的相關作業，可以有效地改善化學學習成就(Wu &
Priti, 2004; Small & Morton, 1983; Tuckey, Selvaratnam, & Bradley, 1991)。因此僅能知道我 們可以藉由訓練或是練習視覺空間能力來改善化學的學習，但如何有效地改善視 覺空間能力，甚至直接幫助學生建構視覺表徵及轉換視覺表徵的能力，則需要更 進一步的研究。
在化學教育上，我們無法直接地瞭解視覺空間能力所需要的心智歷程有哪 些，必須藉助於心理學上關於視覺空間能力的研究。下一節將討論心理學上對於
資訊的表徵相關的理論，特別是人類如何儲存「心像」。