國小不同知覺推理能力及不同性別學生在心智旋轉及眼動行為之調查研究

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(1)國立臺灣師範大學特殊教育學系碩士論文. 國小不同知覺推理能力及不同性別學生在心智旋轉及眼動行為之調查研究 A study in Mental Rotation and Eye Movement of Elementary Students with Different Perceptual Reasoning Index Ability and Gender.. 指導教授：郭靜姿博士研究生：盧儷玲撰. 中華民國一○四年七月.

(2) 誌謝「有夢想的人生才會美麗，有夢想才能實現不可能完成的事情，而輕而一舉的東西不被珍惜，咬牙堅持後的成果才會有價值。」. 在開始撰寫論文的過程中，自己常常在夢想與現實中拉扯與猶疑，常常想著，明明可以用最簡單的方式完成碩士學位，為何要拿石頭砸自己腳，找了一個不擅長的題目、沒學過的技術、自編測驗、還要扛著兩大箱器材親自跑各校一對一施測，每當歷經艱辛且遭遇困境時，有好幾次都想放棄，甚至到撰寫研究結果階段，也開始質疑自己的判斷與思維，當初想為教育界做出一點點貢獻的心願，是否太不自量力了……?. 所幸在這研究的過程中，身邊有許多貴人的幫助與支持，讓我得以繼續向前慢慢邁進，遇到撞牆期時，也能重新找到出路，感謝我的論文指導恩師郭靜姿老師，老師總是在百忙中抽空與我討論研究內容，包容我的迷糊及不專業，耐心的與我商討及提供新思維，若不是老師願意放手讓我摸索這麼一個特別的領域，支持我去向心理及神經科學的老師們學習，我不會有機會及勇氣鑽研這樣一個有趣又陌生的主題，每次 meeting 完的重組與思考，都讓我重新認識一次自己。我也要感謝我的口委陳學志老師及張世彗老師，謝謝學志老師提供的支援與教導，讓我對實驗心理及眼動儀有更進一步的涉略，也謝謝世彗老師的細心指點，讓我這份論文可以更臻專業，謝謝老師們的超認真指導與高度肯定，給予我無比力量把這份複雜論文修改得讓人更容易閱讀。除此之外，也要謝謝何榮桂老師、王曉嵐老師及陽明大學郭文瑞老師願意讓我旁聽課程，讓我不僅能對統計分析與神經心理的知識與技術有所了解，還能以更宏觀的角度去思索這份論文的研究成果。.

(3) 除此之外，在收集數據的過程中，得到了眾多老師們的協助，如果沒有這些老師們的穿針引線，我的研究成果不會如此豐碩，謝謝相宇老師、及好趴呢湘芸老師、美君老師的窩心協助，讓我在預試及建置心智旋轉測驗階段，可以順利找到適合的學生進行測試；我更要謝謝師大心輔系的清麟學長，若沒有您的眼動儀教學及經驗分享，電話 call out 的即刻救援，我的眼動實驗不會有機會圓滿產出，還要謝謝以下協助我招募學生參與研究的老師們，惠玲老師、佳茹老師、育書老師、輝龍老師及碧湖國小的資優團隊；健弘老師及士東國小的資優團隊；業盈恩師、金嬋老師及萬大國小的特教團隊；綉惠老師、聖安老師及大直國小的輔導團隊；鈞儀老師及北市附小的資優團隊；美惠老師、傳能老師、雍純老師、秋月老師、雅慧老師及中山的特教團隊和資優團隊；冠廷主任、盈雰老師、協信老師及幸安的資優團隊；淋靖老師及福德國小的學務團隊，若沒有老師們不厭其煩的協助我發放、回收招募書、家長同意書、協調課務和行政單位，並提供一對一的施測場域，這個研究根本無法順利執行。. 除此之外，我也要感謝宜君、韻婷、品妤、至韋、玉玲、璽威、子華等老師們，雖然最後沒有到貴校施測，但仍然感謝熱心的大家，願意在過程中幫忙詢問及尋找願意參與的學生；最重要的，感謝同意孩子參與這個研究的家長及協助此研究的孩子們；另外，還要感謝研究室的同學及學弟妹們，謝謝你們總是給予我無限關心、歡笑及陪伴，讓我們研究生活可以如此得多采多姿，另外還要感謝最棒的小幫手們柔安、育琳及昀曜，謝謝你們的全力協助，讓每次的論文發表都可以順利進行；以及謝謝佩蓉及燁虹，在我的研究過程中提供的專業建議及協助，還有謝謝采明、佩君、如譽老師，總不厭其煩的指點及回答我該注意的系上行政程序。.

(4) 這是個勞師動眾的研究，每個人對這個研究來說，都是好重要的螺絲釘，缺一不可，千言萬語仍然無法詮釋儷玲內心深深的感激，僅能以更認真謹慎的態度，真實呈現研究成果，不讓大家的點滴心血徒勞無功，這份論文是大家一起共築的，在此獻上深深感謝。. 最後，我要感謝一路上在背後支持我的家人們，謝謝爸媽對我的信任與關心，謝謝姑姑及阿嬤對我的照顧與提醒，謝謝公公、婆婆對我的愛護與體諒，謝謝弟妹、姐姐、姊夫及家人們對我的關心，我才有機會全心投入這份研究，以及最重要的，謝謝一級棒老公當我最堅強的靠山及救火隊，默默陪著我一起度過每個喜怒哀樂及研究歷程，讓我的研究之路可以如此順遂，感謝老天爺讓我如此幸運，可以和大家成為一家人，謝謝你們，僅以此嘔心瀝血及刻苦銘心之作，獻給各位及我最愛的家人們~~~遇見你們，真得是我此生最大的福氣!. 2015/7/10 颱風夜.

(5) 中文摘要本研究主要探討台北市國小六年級學生在心智旋轉測驗上的答題反應及眼動行為，主要研究工具為魏氏智力個別量表、自編心智旋轉測驗及眼動儀。在自編心智旋轉測驗時先進行普測(N=143)，接著調查另一批參與者(N=123)的答題反應及眼動行為。研究結果簡要說明如下: 一、本研究重新建構適合國小學生之 3D 心智旋轉測驗，並發現以學生資優或普通的身分作為能力分組會有實驗誤差。二、本研究參與者知覺推理指數平均略高於常模；答題反應與知覺推理有顯著相關，題型複雜度及答對率越高，答題時間越多。三、心智旋轉能力與「題目」的凝視次數有顯著關聯，高能力學生在腦中旋轉圖形時會運用支點，部分學生會利用手指輔助思考。四、在題型複雜度的部分，複雜度越高，答對率降低、答題時間增加、答對率與能力的關聯提高、不同性別在凝視位置及範圍的差異愈明顯、凝視路徑和面積增加，高組的凝視區塊會由中心擴散至兩端；但答題時間與能力的關聯僅在高複雜度的題型出現，且高組的答對率不受題型複雜度的影響。五、在能力結合性別差異的部分，高組男性的凝視的路徑簡潔且多集中於「題目」與「關鍵區」之間，在「題目」的主要凝視點會落在形體正中間；低組女性則明顯雜亂且沒有策略的凝視位置。六、在性別差異的部分，男性擅長圖形設計的作答，「答對率」顯著較高，答題速度較快，在 3D 空間思考比女性更具優勢，凝視路徑較少，找到答案後不會巡視其他選項；女性則擅長矩陣推理，在「圖畫概念」的分數與答題反應有顯著關聯，答題時間與答對率成正比，在 2D 空間思考較具優勢，凝視路徑多而混亂，數積木的凝視路徑明顯，找到答案後仍會檢視其他選項。. 關鍵字:空間能力、心智旋轉、眼動行為、性別差異. I.

(6) A study in Mental Rotation and Eye Movement of Elementary Students with Different Perceptual Reasoning Index Ability and Gender.. Li-Ling Lu Abstract This study focused on answer condition and the eye movement in the Mental Rotation Task (MRT). The participants are sixth-graders student with Different Perceptual Reasoning Index (PRI) Ability and Gender in the Taipei city. The main research tool is Wechsler Intelligence Scale for Children (WISC-IV), MRT and eye-tracking instrument. A whole sixth-grade survey (N=143) was implemented in the design stage of MRT, and another students (N=123) participated the formal test. The main research results were presented as follow: (I). First, the study reconstruct the 3D MRT for elementary school students, and found that if we use gifted or regular identity to classify students as ability grouping have experimental error.. (II). Participants in this study of the scale in Block Design (BD), Picture Concepts (PC), Matrix Reasoning (MR), and PRI are slightly higher than the norm (WISC-IV) if we investigate the PRI ability. The answer time and correct rate for all participants at the MRT showed a positive correlation with BD, PC, MR and PRI. Furthermore, the higher correct rate was yield by longer answer time.. (III) The positive correlation between Mental Rotation ability and fixation count on "topic area" is statistically significant.In addition, some participants selected a position as a fulcrum to think in the MRT. II.

(7) (IV) The more complexity MRT resulted in longer answer time, more gaze paths, bigger gaze area, fewer correct answer, the higher positive correlation between the PRI ability and correct rate and even the more difference. in. fixation. position. and. scope. for. gender.. The. higher-PRI-ability students were not affected by complexity questions but they needed more answer time, fixation duration and fixation count. Moreover, their focus region is in the center region initially and then spreading to both ends. (V). Male with high Mental Rotation ability have simple gaze path, and their main gaze path focus between "critical area" and "topic area". Besides, their main gaze path focus on the center of material in "topic area". For the female with low Mental Rotation ability, they show disorderly gaze path and not have strategy in the gaze position.. (VI) The male students are good at BD and PC, and they have higher correct rate and faster answer speed than the female students in the MRT. Moreover, they have more advantages than female in the 3D thinking, and their gaze path is significantly less than female. Male students would not search other areas after them finding the correct answer. On the other hand, female are good at MR, their whole answer time and whole correct rate in the MRT show a positive correlation to PC. Furthermore, the correct rate shows a positive correlation to the answer time. Moreover, female have good performs at the 2D space-based PRI test, and their gaze path is plenty and disorderly. Female students would search other options after them finding the correct answer.. Keywords: Perceptual Reasoning Index, mental rotation, eye movement, gender differences III.

(8) 目錄中文摘要........................................................................................................... I 目錄................................................................................................................ IV 圖次................................................................................................................ VI 表次................................................................................................................ VI 第一章緒論...................................................................................................1 第一節研究背景與動機 .............................................................................1 第二節研究目的 .........................................................................................8 第三節研究問題 .........................................................................................8 第四節名詞解釋 .......................................................................................10 第二章文獻探討 ......................................................................................12 第一節空間能力 .......................................................................................13 第二節知覺推理與心智旋轉 ...................................................................26 第三節眼動行為 .......................................................................................37 第三章研究方法與設計 ............................................................................48 第一節預先測試 .......................................................................................48 第二節研究設計 .......................................................................................56 第三節研究工具 .......................................................................................67 第四節資料蒐集與處理 ...........................................................................75 第四章結果與討論 ....................................................................................77 第一節自編心智旋轉測驗之研究 ...........................................................77 第二節資優生與普通生空間能力之調查 ...............................................84 第三節答題反應之調查 ...........................................................................93 第四節不同複雜度題型答題反應之調查 .............................................113 第五節眼動行為之調查 .........................................................................141 第五章結論與建議 ................................................................................182 第一節研究結論 .....................................................................................182 第二節研究限制與建議 .........................................................................188 IV.

(9) 參考文獻.......................................................................................................192 附錄 ...............................................................................................................210 附錄一自編心智旋轉測驗題目 .............................................................210 附錄二研究學生招募單 .........................................................................218 附錄三研究學生知情同意書(兒童版) ..................................................219 附錄四研究學生知情同意書(家長版) ................................................221 附錄五測驗授權書 .................................................................................223 附錄六電腦化自編心智旋轉測驗 .........................................................226. V .

(10) 圖次圖 2-1 SHEPARD & METZLER 的心智旋轉測驗圖 ........................................ 30 圖 2-2 COOPER & SHEPARD 的英文字母旋轉測驗。 .................................. 30 圖 2-3 VANDENBERG 與 KUSE 的心智旋轉測驗 ........................................ 31 圖 2-4 COOPER 不規則多邊形心智旋轉測驗 ............................................. 31 圖 3-1 研究架構圖 ..................................................................................... 56 圖 3-2 研究時程之甘特圖 .......................................................................... 58 圖 3-3 研究流程圖 ..................................................................................... 58 圖 3-4 眼動歷程研究示意圖 ..................................................................... 69 圖 3-5 試題流程圖 ..................................................................................... 74 圖 4-1 資優生與普通生之知覺推理能力分布圖 ....................................... 85 圖 4-2 資優生與普通生之心智旋轉能力分布圖 ....................................... 86 圖 4-3 所有學生知覺推理指數統計圖 ...................................................... 90 圖 4-4 所有學生知覺推理分測驗統計圖 .................................................. 90 圖 4-5 所有學生之心智旋轉測驗總答題時間統計圖 ............................... 95 圖 4-6 所有學生之心智旋轉測驗總答對率統計圖 ................................... 95 圖 4-7 所有學生之不同複雜度心智旋轉測驗答題時間統計圖 ............. 115 圖 4-8 所有學生之不同複雜度心智旋轉測驗答對率統計圖 ................. 116 圖 4-9 所有學生凝視時間統計圖 ............................................................ 144 圖 4-10 所有學生凝視次數統計圖 .......................................................... 145. 表次表 2-1 空間能力評量向度統計表 .............................................................. 16 表 3-1 預先測試的研究對象背景敘述 ...................................................... 49 表 3-2 不同空間能力的答對率統計表 ...................................................... 50 表 3-3 不同知覺推理能力的答題時間統計表 ........................................... 51 表 3-4 不同知覺推理能力的凝視時間與凝視位置統計表 ....................... 52 表 3-5 不同知覺推理能力的凝視時間與凝視位置熱區統計表 ............... 52 VI.

(11) 表 3-6 不同知覺推理能力的掃視路徑統計表 ........................................... 53 表 3-7 凝視時間與凝視位置之性別差異統計表 ....................................... 54 表 3-8 凝視次數與凝視位置之性別差異統計表 ....................................... 54 表 3-9 掃視路徑之性別差異統計表 .......................................................... 55 表 3-10 學生人數統計摘要表(知覺推理能力) .......................................... 59 表 3-11 學生人數統計摘要表(心智旋轉能力) .......................................... 59 表 3-12 學生來源摘要表 ............................................................................ 60 表 3-13 不同難度測驗試題範例表............................................................ 72 表 4-1 不同複雜度測驗試題範例表.......................................................... 78 表 4-2 自編心智旋轉測驗信度分析摘要表............................................... 79 表 4-3 自編心智旋轉測驗效度分析摘要表............................................... 80 表 4-4 自編心智旋轉測驗難度摘要表 ...................................................... 81 表 4-5 自編心智旋轉測驗鑑別度摘要表 .................................................. 82 表 4-6 資優生與普通生之知覺推理及心智旋轉能力變異數分析............ 85 表 4-7 所有學生知覺推理分測驗統計分析表 ........................................... 88 表 4-8 所有學生之心智旋轉測驗總答題時間及總答對率統計表............ 94 表 4-9 不同知覺推理能力學生總答題時間變異數分析 ........................... 97 表 4-10 心智旋轉測驗總答題時間性別差異 T 考驗分析表...................... 97 表 4-11 不同知覺推理能力學生總答對率變異數分析表 ......................... 98 表 4-12 心智旋轉測驗答對率性別差異 T 考驗分析表 ............................. 99 表 4-13 所有學生知覺推理能力與心智旋轉測驗答題反應積差相關 .... 100 表 4-14 低組學生知覺推理能力與心智旋轉測驗答題反應積差相關 .... 101 表 4-15 中組學生知覺推理能力與心智旋轉測驗答題反應積差相關 .... 102 表 4-16 高組學生知覺推理能力與心智旋轉測驗答題反應積差相關 .... 103 表 4-17 女性學生知覺推理能力與心智旋轉測驗答題反應積差相關 .... 104 表 4-18 男性學生知覺推理能力與心智旋轉測驗答題反應積差相關 .... 105 表 4-19 學生答題反應之變異數分析與 T 考驗統計表 ........................... 109 表 4-20 知覺推理與答題反應之積差相關統計表 ................................... 112 VII.

(12) 表 4-21 所有學生之不同複雜度心智旋轉測驗答題時間統計表............ 114 表 4-22 所有學生之不同複雜度心智旋轉測驗答對率統計表 ............... 117 表 4-23 不同知覺推理能力學生之不同複雜度答題時間變異數分析表 119 表 4-24 不同複雜度心智旋轉測驗答題時間性別差異 T 考驗分析表 .... 120 表 4-25 不同知覺推理能力學生之不同複雜度答對率變異數分析表 .... 123 表 4-26 不同複雜度心智旋轉測驗答對率性別差異 T 考驗分析表 ........ 124 表 4-27 所有學生知覺推理能力與不同複雜度心智旋轉測驗答題反應積差相關統計表 ............................................................................. 126 表 4-28 低組學生知覺推理能力與不同複雜度心智旋轉測驗答題反應積差相關統計表 ............................................................................. 127 表 4-29 中組學生知覺推理能力與不同複雜度心智旋轉測驗答題反應積差相關統計表 ............................................................................. 128 表 4-30 高組學生知覺推理能力與不同複雜度心智旋轉測驗答題反應積差相關統計表 ............................................................................. 129 表 4-31 女性學生知覺推理能力與不同複雜度心智旋轉測驗答題反應積差相關統計表 ............................................................................. 131 表 4-32 男性學生知覺推理能力與不同複雜度心智旋轉測驗答題反應積差相關統計表 ............................................................................. 133 表 4-33 學生在不同複雜度答題反應之變異數分析與 T 考驗統計表 .... 138 表 4-34 知覺推理與不同複雜度題型答題反應積差相關統計表............ 140 表 4-35 所有學生凝視時間統計表 .......................................................... 143 表 4-36 所有學生凝視次數統計表 .......................................................... 145 表 4-37 不同心智旋轉能力學生凝視時間變異數分析表 ....................... 149 表 4-38 關鍵區、題目、非關鍵區凝視時間性別差異分析表 ............... 150 表 4-39 不同心智旋轉能力學生凝視次數變異數分析表 ....................... 152 表 4-40 關鍵區、題目、非關鍵區凝視次數性別差異分析表 ............... 153 表 4-41 所有學生心智旋轉能力與眼動行為積差相關統計表 ............... 154 表 4-42 低組學生心智旋轉能力與眼動行為積差相關統計表 ............... 155 VIII.

(13) 表 4-43 中組學生心智旋轉能力與眼動行為積差相關統計表 ............... 156 表 4-44 高組學生心智旋轉能力與眼動行為積差相關統計表 ............... 157 表 4-45 女性學生心智旋轉能力與眼動行為積差相關統計表 ............... 158 表 4-46 男性學生心智旋轉能力與眼動行為積差相關統計表 ............... 159 表 4-47 心智旋轉測驗「題型 A」凝視路徑圖比較分析表 .................... 164 表 4-48 心智旋轉測驗「題型 B」凝視路徑圖比較分析表 .................... 165 表 4-49 心智旋轉測驗「題型 C」凝視路徑圖比較分析表 .................... 166 表 4-50 心智旋轉測驗「題型 D」凝視路徑圖比較分析表 .................... 167 表 4-51 心智旋轉測驗「題型 E」凝視路徑圖比較分析表 .................... 168 表 4-52 心智旋轉測驗「題型 A」凝視熱區圖比較分析表 .................... 172 表 4-53 心智旋轉測驗「題型 B」凝視熱區圖比較分析表 .................... 173 表 4-54 心智旋轉測驗「題型 C」凝視熱區圖比較分析表 .................... 174 表 4-55 心智旋轉測驗「題型 D」凝視熱區圖比較分析表 .................... 175 表 4-56 心智旋轉測驗「題型 E」凝視熱區圖比較分析表 .................... 176 表 4-57 學生眼動行為之變異數分析與 T 考驗統計表 ........................... 180 表 4-58 心智旋轉能力與眼動行為之積差相關統計表 ........................... 181. IX.

(14) 第 1章. 第一章緒論. 本章共分成六個小節。第一節為研究背景與動機，為本研究主題之想法說明；第二節為研究目的，為本研究欲探討方向之重點說明；第三節為研究假設，透過研究目的，擬定相關問題假設；第四節為名詞解釋，說明本文使用之相關名詞。. 第一節. 研究背景與動機. 壹、空間能力的多元與重要性一、空間智能是人類生存在這世界上最重要的本能德國哲學家康德（Immanual Kant）認為「空間」（space）和時間一樣，是我們用來處理和了解一切經驗的架構與基礎，綜觀地球上的所有生物，空間智能可說是目前為止唯一仍持續演化發展的一項能力，也是數百萬年前在各地區的人類文化、歷史、文明、科技與藝術就已發現的重要智能，而群性生活也與空間智能有關聯，無論是集會、打獵、辨路等都屬於空間智能的一環(Gardner,2011)，若缺乏空間智能，生物可能會走向滅亡。. 二、空間能力的面向多元且研究歷史悠久有關空間能力的研究可追溯至二十世紀初期，Gardner、Guilford、 Thurstone 等心理學家發現智能與空間能力的關聯後，開始探索空間因素（space factor），學者們發現視覺思考和許多空間的操作有關(McKim, 1972)，普遍認為空間能力是指能夠在二維及三維空間中，準確的辨識圖像、在心中想像與操弄形體及了解形體方位之轉換與移動的能力，空間能力測驗的主軸也往往包含「圖像辨識」、「心中想像與操弄」、「方位的轉換與移動」三要素。 1.

(15) 三、空間智能與其他智能是可分離且能高度發展的 Thurstone(1937)分析了 57 種測驗後，肯定空間智能的獨特之處，將空間要素（Space factor）列入智力的九種基本要素之一；Gardner(1983) 提出人類的多元智能論後，將空間智能獨立出來，列為其中一項智能。西元 1921 年~ 1927 年的世界西洋棋冠軍 Jose Raul Capablanca 曾說過:「下棋根本用不到智能」，Binet,(1966)也曾提到最佳的的棋手擁有高度的空間記憶，但有些知名學者智力雖然遲鈍，卻能有突出的表現，如：英國智能障礙畫家皮爾斯（Bryan Pearce）、英國自閉症藝術天才納迪亞（Nadia），都是具備一般智能與空間智能極度內在差異的個案，因此空間智能和其他能力是可以分開發掘的（Moir & Jessel, 1989）。. 四、空間能力是各種能力的混合，更是邁向卓越的重要因素空間能力是一種重要的認知能力，是許多專業領域的重要基礎，如飛行、機械製圖、外科醫學、數學，自然科學，工程技術，經濟預測，氣象和建築等等，都涉及利用空間技能（Fennema& Sherman, 1977； McGee, 1979）。過去在不同領域的傑出表現都可見空間智能的貢獻，如: 散文家湯瑪斯(Lewis Thomas)、科學家達爾文、心理學家佛洛伊德、化學家道爾吞(John Dalton)、發明家泰爾沙(Nikola Telsa)、現代雕塑大師摩爾 (Henry Moore)、科學家愛因斯坦、羅素、化學家凱庫勒(Friedrich Kekule)、生物學家華生(James Watson)、生物學家克里克(Friedrich Crick)、梵谷、建築師兼藝術家寇柏西耶(Le Corbusier)、米開朗基羅、藝術家賀加斯 (William Hagarth) 、藝術家夏恩 (Ben Shahn) 、畫家康斯塔柏 (John Constable)、塞尚、貝爾(Clive Bell)、小說家吳爾芙(Virginia Woolf)、畢卡索以及在科學、工程及藝術都有全才表現的達文西(Leonardo da Vinci)、博勒(Buckminster Fuller)、洛伯(Arthur Loeb)等，這些人往往比其他人擁有絕佳的空間感知、空間關係的連結、空間知覺的記憶與搜尋、空間的類比、轉換、推理、旋轉、分析與重組等天分，因為高人一等的空間智能，而能在有興趣的專業領域上大放其彩。 2.

(16) 研究者在資優班教學現場任教，發現空間能力對學生的強大影響，無論是數理或是文學思考，都可看到能力及性別的顯著個體差異及關連，更好奇於學生們在解題思考歷程是否有所不同，因此想針對「空間」此一議題進行探究，因為空間智能可以說是各種能力的混合，且能夠激發音樂、語言、美術、科學等領域的技巧發展，若能擁有敏銳的空間智能，未來在社會上將會非常受用（Howard Gardner, 1983）。. 貳、知覺推理著重空間訊息處理、知覺與流體推理及視動整合許多數學教育工作者認為，個體的空間推理能力和圖形運用能力在數學思考上相當重要（Usiskin,1998；Wheatley,1991）。而知覺推理在國際知名且被廣為使用的魏氏兒童智力量表中，又是一項與空間智能有高度相關的量化評定指數，它涉及利用控制的心理活動來解決新的問題，是一種著重於測量空間訊息處理、知覺和流體的推理、以及視–動整合的能力。知覺推理的問題解決情境通常以圖片，圖表和圖形為主，而不是文字，因此它不需依賴語言（ Stephen McConkey, 2015）。一個人的知覺推理能力是一種非常寶貴的資產，幾乎所有在生活中的東西，我們都會先使用知覺的判斷，因為這是最簡單、快捷的方式。. 空間智能所包含的向度非常多元，知覺推理雖然不能代表所有的空間智能，但目前為止也沒有一項測驗工具可 100%/呈現空間智能，為了能更客觀評定學生的空間智能，本研究採用在國際上具權威地位的魏氏兒童智力量表中與空間有高度關聯的「知覺推理」指數，當作學生空間智能的量化數據，深入探索學生在心智旋轉測驗上的表現差異。. 3.

(17) 參、心智旋轉最能呈現學生在空間能力的落差心智旋轉能力，可說是構成空間能力重要的因素之一（ Lynn & Petersen, 1985； Lohman,1988；McGee,1979），自從 Shepard(1975)和他的同事們發表了心智旋轉測驗後，開始有心智旋轉能力的相關研究（Cooper & Shepard, 1973； Shepard & Metzler, 1971）。根據文獻可以發現，在許多不同種類的空間測驗中，立體心智旋轉最能明顯判斷出不同學生的空間能力落差，不同性別及不同空間能力者在進行心智旋轉作業的策略及心理運作過程略有不同，也促成許多人著力於心智旋轉能力的研究（Richardson, 1994, Joanisse , 2008）。. 綜觀學者的論述，可發現心智旋轉對於內在思考的重要性及個別差異，因此本研究採用心智旋轉能力作為測驗主軸，並以立體積木旋轉（Block Rotation）為測驗材料，並加入題型複雜度的元素，期望能在過程中，探究擁有不同空間能力學生之思考歷程與答題反應，並且進一步比較不同學生視覺關注重點的差異，是否會影響到心智旋轉的答題速度與正確率。. 肆、眼動追蹤技術能透視學生的空間思考歷程在我們的認知過程裡，視覺是最重要的感官器官，而真正有生產力的思考都在形象領域(Arnheim, 1969)，而人類的學習中更是有 80%以上的訊息由視覺獲取，其中眼球運動是獲取感官訊息中最重要的來源（Sander & McCormick,1987），因此，許多學者認為人們在認知的過程裡，視覺所見和思考兼具備一定程度的關聯（Just & Carpenter,1980；Laeng & Teodorescu,2002； Mast & Kosslyn, 2002）。. 4.

(18) 近年來，無論是人文或科學領域，許多學者都透過眼動追蹤技術，發表許多豐碩的研究成果（陳學志，2010），過去認知心理學的研究方法其實存有一個很大的潛在問題-因研究者過於主觀而不易觀察到學生行為的內在歷程，因此為了有效收集及具體推測個體的內在認知歷程，使用眼動追蹤技術便可解決在研究時無法真實且客觀呈現的行為資料（鄭昭明，1996），而現今眼動追蹤技術之所以越來越被廣泛，最大原因在於它具有讓研究者在最自然的狀態下蒐集學生眼動軌跡，使研究結果不受到外在因素干擾的優勢（Nisbett, 1977）。. 有鑑於過去許多學者的研究經驗，眼動追蹤又是一個可以透視學生思索歷程的技術，研究者希冀利用眼球追蹤儀的輔助，掌握學生在眼球運動時的變化，修正過去心智旋轉研究中「放聲思考」與研究後的「晤談」之盲點，並藉由研究成果的產出，讓數學相關領域的老師，在進行空間相關教學時，可有更好的依據去了解學生們在心智旋轉題型所關注或誤解的重點區域，提升未來在空間的教學效能。. 伍、空間的性別差異一、男性具備優勢的空間能力 Anne Moir & David Jessel（1989）在腦內乾坤一書裡曾提到：「男性在空間能力上比較優越，是毋庸爭議的。」，數百篇不同的研究也都認同男性在空間的優勢(洪蘭譯，2001)，神經科學領域的學者更進一步提出在性別差異裡的研究，以空間能力的性別差異最為明顯。曾經有個典型的空間能力研究，要求學生把一個三維立體機器組裝完成，結果顯示，只有 25%的女性可以比一般的男性做得更好，而在表現得最好的學生群體中，男性更是女性的兩倍。. 5.

(19) 在不同學生群體中，男生往往數學成績都是表現最頂尖的; 史坦利博士（Dr. Julian Stanley）和班保博士（Dr. Camilla Benbow）發現數學有卓越表現的資優生，其性別比例特別懸殊，女生竟只僅佔 1/13，過去的眾多研究讓我們普遍存在男性表現優於女性的刻板印象，魏氏兒童智力量表的作者 Wechsler 更發現三十幾個測驗的區辨力都是來自於性別差異，因此他在設計智力測驗時，特別將對男性、女性有利的測驗各放一半在智力測驗裡面(Wechsler, Dowdall, Davenport & Rimm, 1995)。. 二、空間解題策略與歷程具有性別差異 Kimura(1987)曾說過:「假如兩性的腦沒有不同，那才真的令人訝異! 因為兩性在結構及行為上都有顯著差異」，在空間測驗研究中也發現男性傾向使用整體的解決策略進行心智旋轉的解題，而女性則擅長使用分析拆解的解決策略，然而使用整體的解決策略答對率會比較高(Peters, 2005)。. 除此之外，兩性在看東西的能力上也是有差別的，在過去的迷宮實驗中也發現女性的總凝視點比男生還要多，女性會花更多的時間在觀察地標的相關訊息，若沒有地標的提示，女性的錯誤率會大大的增加（Andersen, Dahmani, Konishi & Bohbot, 2012），女性在黑暗中看得比較清楚，擁有比較好的視覺記憶，看到的整體圖像比男性大，周邊視覺較寬，視網膜上有較多的椎體細胞及幹細胞，能接收更多的視覺訊息；男性的視野較窄，有比較好的隧道視覺，對事情的透視較佳 (McKim, 1972)。. 6.

(20) 在眾多性別差異研究中，男性大腦擅長處理物體與理論之時，女性大腦則對感覺刺激敏感，因此我們往往可發現男生強於理工、女性強於語文的現象，從過去文獻也能發現不論在答題反應及眼動歷程的研究中，性別差異仍然是存在的，因此我們不宜將兩性的表現混在一起研究，故本研究將深入探討性別的差異，是否會影響國小學生在進行心智旋轉作業的答題反應及之表現。. 陸、小結綜觀以上的研究背景與動機，我們發現空間能力是人類生存在這世界上最重要的本能，其面向多元且研究歷史悠久，並且能獨立高度發展的一項智能，空間能力是各種能力的混合，更是邁向卓越的重要因素，其中知覺推理及心智旋轉乃屬空間能力的其中一部份，知覺推理著重空間訊息處理、知覺與流體推理及視動整合；心智旋轉則最能呈現學生在空間能力的落差。. 除此之外，空間解題策略與歷程具有性別差異及能力差異，男性具備優勢的空間能力，我們藉由眼動追蹤技術，能進一步透視學生的空間思考歷程，但是至今仍有少數學者對於空間能力理論、現象有相異的觀點，且少有研究者以國小單一年級的學生為對象，以智力測驗作為能力分組的基礎，針對 3D 空間能力去探究，因此，研究者想針對知覺推理及心智旋轉這兩個面向去探索空間能力，重新自編一套 3D 心智旋轉測驗，並且藉由眼動追蹤技術去檢視空間能力的性別差異及能力差異，檢視過去的研究之餘，也提供教育現場工作者有關空間能力的客觀證據。. 7.

(21) 第二節. 研究目的. 本研究以「心智旋轉測驗」為測驗素材，觀察學生在答題過程中，眼動行為與答題表現的關係。研究目的如下詳述：壹、建構適合國小學生之心智旋轉測驗。貳、了解資優生與普通生知覺推理及心智旋轉能力的表現與分布。參、探討學生在心智旋轉測驗的答題反應之現況、差異及關聯。肆、探討學生在不同複雜度題型心智旋轉測驗的答題反應之現況、差異及關聯。伍、探討學生眼動行為之現況、差異、關聯及歷程。. 第三節. 研究問題. 本研究以「自編心智旋轉測驗」為研究材料，研究過程運用「眼動儀」進行追蹤，作為學生答題時的觀察與記錄。探討學生在進行測驗時的「凝視時間」、「凝視次數」、「凝視路徑」及「凝視熱區」等歷程，並且分析比較學生的現況、差異及關聯，依據上述的研究目的，相關研究問題如下所示：壹、建構適合國小學生之心智旋轉測驗。一、自編心智旋轉測驗的信效度是否符合標準? 二、自編心智旋轉測驗的難度及鑑別度是否符合標準?. 貳、了解資優生與普通生知覺推理及心智旋轉能力的表現與分布。一、資優生與普通生的知覺推理能力是否有顯著差異? 二、資優生與普通生的心智旋轉能力是否有顯著差異? 三、資優生與普通生的知覺推理能力的現況為何? 四、資優生與普通生的心智旋轉能力的現況為何? 五、學生的知覺推理指數與其分測驗的現況為何? 8.

(22) 參、探討學生在心智旋轉測驗的答題反應之現況、差異及關聯。一、不同知覺推理能力及不同性別學生在答題時間及答對率的現況為何? 二、不同知覺推理能力及不同性別學生在答題時間及答對率在組別及性別上的差異為何? 三、不同知覺推理能力及不同性別學生在答題時間及答對率在組別及性別上的關聯為何?. 肆、探討學生在不同複雜度題型心智旋轉測驗的答題反應之現況、差異及關聯。一、不同知覺推理能力及不同性別學生在不同複雜度題型的答題時間及答對率的現況為何? 二、不同知覺推理能力及不同性別學生在不同複雜度題型的答題時間及答對率在組別及性別上的差異為何? 三、不同知覺推理能力及不同性別學生在不同複雜度題型的答題時間及答對率在能力及表現上的關聯為何?. 伍、探討學生眼動行為之現況、差異、關聯及歷程。一、不同心智旋轉能力及不同性別學生在「關鍵區」、「題目」、「非關鍵區」的凝視時間及凝視次數之現況為何? 二、不同心智旋轉能力及不同性別學生在「關鍵區」、「題目」、「非關鍵區」的凝視時間及凝視次數在組別及性別上的差異為何? 三、不同心智旋轉能力及不同性別學生在「關鍵區」、「題目」、「非關鍵區」的凝視時間及凝視次數在組別及性別上的關聯為何? 四、不同心智旋轉能力及不同性別學生在「關鍵區」、「題目」、「非關鍵區」的凝視路徑圖及凝視熱區圖的歷程表現有何特徵?. 9.

(23) 第四節. 名詞解釋. 壹、國小學生國民小學(Elementary School)，是小學校的簡稱，是人們接受最初階段正規教育的學校，是基礎教育的重要組成部分。本研究所指的國小學生，乃是國小六年級，年齡 11 歲~13 歲的在學學生，包含在一般智能資優資源班就讀的學生。. 貳、知覺推理知覺推理能力是一個人非常寶貴的資產，涉及有控制的利用心理活動來解決新的問題，知覺推理能力是知覺和流體的推理、空間訊息處理，以及視–動整合的能力。本研究所指的知覺推理能力，是指學生能觀察、辨識、透視圖像變化，並以認知與記憶，正確操弄心像的抽象能力。採用魏氏兒童智力量表（WSIC–IV 中文版）的知覺推理指數（Perceptual Reasoning Index）作為學生知覺推理能力的量化描述。. 參、心智旋轉心智旋轉被認為是一種在心中旋轉物體的抽象思考能力，而在空間能力的研究中，心智旋轉可說是構成空間能力重要的因素之一（Lynn & Petersen, 1985； Lohman, 1988； McGee, 1979），本研究所指的心智旋轉為能夠快速且正確在心中操弄、旋轉、扭轉或翻轉二維或三維形體的複雜心智活動，並以研究者參考國內外學者與三維心智旋轉相關之測驗題型，以自編「心智旋轉測驗」的得分表現作為三維的圖像操控能力之量化描述，在本研究稱為「心智旋轉能力」（Mental Rotation ability）。. 10.

(24) 肆、眼動行為眼動行為在視覺空間的產生具備重要的功能（ Laeng & Teodorescu,2002； Mast & Kosslyn, 2002），透過眼球運動，視神經可以捕捉影像訊息並傳達給大腦，讓我們看到物體（Volkmann, 1986）。本研究所指的眼動行為乃是以「凝視時間」、「凝視次數」、「凝視路徑」、「凝視熱區」作為解析學生進行認知歷程的依據；在眼動行為之興趣區域的劃分，則分為「關鍵區」、「題目」、「非關鍵區」三大區塊，「關鍵區」指的是正確解答的圖形區域、「題目」則為題目圖形所在的區域、「非關鍵區」指的是除了正確解答的選項以外其他選項之區域範圍。. 11.

(25) 第 2章. 第二章文獻探討. 由於空間能力所涵蓋的範圍包羅萬象，本研究為了以下五點研究目的，將相關文獻主題統整分析如下: 目的一：建構適合國小學生之心智旋轉測驗，因此針對空間能力這個主題先有初步的探究，並且鎖定心智旋轉這個主題的相關文獻去符應研究目的。目的二：了解資優生與普通生知覺推理及心智旋轉能力的表現與分布狀況，因此以知覺推理及心智旋轉這兩個主題去深入探討不同身分學生的能力表現。目的三：探討學生在心智旋轉測驗的答題反應之現況、差異及關聯，由於此調查是針對不同知覺推理能力學生及不同性別學生在心智旋轉測驗上的表現進行探究，因此在文獻上則以知覺推理及心智旋轉這兩個主題，深入探討不同能力及不同性別學生的答題時間與答對率等相關研究結果。目的四：探討學生在不同複雜度題型心智旋轉測驗的答題反應之現況、差異及關聯，由於此調查是針對不同知覺推理能力學生及不同性別學生在在不同複雜度題型心智旋轉測驗上的表現進行探究，因此在文獻上則以知覺推理及心智旋轉這兩個主題，深入探討不同能力及不同性別學生在不同複雜度題型的答題時間與答對率等相關研究結果。目的五：探討學生眼動行為之現況、差異及歷程，則以眼動行為這個主題去探究相關學者的研究理論及成果。總觀以上分析，可發現與本研究有關的文獻主題包含空間能力、知覺推理能力與心智旋轉能力、眼動行為這三大向度，因此研究者將本章分成三個小節。第一節為空間能力，探究空間能力之相關文獻；第二節 12.

(26) 為知覺推理與心智旋轉，針對本研究所使用的心智旋轉與知覺推理測驗之相關文獻整理；第三節為眼動行為，說明本研究眼動歷程之相關文獻及回顧。. 第一節. 空間能力. 本節將把國外學者對於空間能力的定義、評量向度與相關研究加以歸納整理，茲分述如下：. 壹、空間能力的定義而空間能力此一概念，可追溯至二十世紀初期，Gardner、Guilford、 Thurstone 等心理學家發現智能與空間能力的關聯後，界定出空間因素（space factor），並提到擅長此種因素的人，特別專精於視覺空間圖像之判斷（蔣家唐，1995）。空間能力起源於智力或稱為空間智能，為心理學上最重要的研究問題之一，Thorndike 於 1921 年提出空間能力這個名詞，也是最早學者提出空間能力這個名詞的學者，藉由空間能力的研究，他定義了智力多因論，並將空間能力視為是一種可以辨識物件關係及物理空間運作的能力(Mohler, 2008)，此後便開始有許多學者進行對空間能力的研究。而綜觀這九十四年來各方學者對於空間能力的定義眾說紛紜，研究者發現大家對空間的定義普遍提及此三個要素，分別是「圖像辨識」、「心中想像與操弄」、「方位的轉換與移動」，相關的敘述如下: 一、定義空間能力僅提及「心中想像與操弄」這要素認為空間能力是在思考時產生心中想像及轉化、變換心像的能力 (Lord, 1985) ；認為空間能力是個體在實境下透過心理的轉換，進而想像、回想、翻轉形體的組合能力(Carroll, 1993) ；認為空間能力是指個體在心中製造、操弄或修正形體的能力(McVey, 2001)。 13.

(27) 二、定義空間能力僅提及「方位的轉換與移動」這要素空間能力是個體了解形體在空間中移動之能力(French, 1951) 。. 三、定義空間能力提及「圖像辨識」、「心智想像與操弄」這兩種要素認為空間能力乃是對幾何圖形的認知、辨識與記憶，以及在心中操作物體形狀的能力(Kelley, 1928)；認為空間能力為一種空間與視覺的能力，且能對圖像進行辨識、記憶與心像操作的能力(Thurstone, 1937）；認為空間的核心能力乃是精準的辨識視覺世界，對於形體在心中想像、修改與重建的能力(Gardner,1983)；認為空間能力是一種知覺形體與心像操作的能力(Crawford, Chaffin & Fitton, 1995)；認為空間能力為結合心智想像、關係、轉換以解決空間任務所需要的能力，包含解讀空間資訊、空間轉換以及溝通空間資訊的能力(Gorgorió,1998)；認為空間能力是一種能察覺空間關係並在心中操作視覺與非視覺形體的認知能力(Michalis, 2003）。四、定義空間能力提及「心中想像與操弄」、「方位的轉換與移動」這兩種要素認為空間能力是能夠在心中想像物體的旋轉，或是在空間中形體位置之改變關係的能力(Guilford & Lacey, 1947)；認為空間能力分別為能對圖像刺激物在心中進行操弄、旋轉、扭轉或翻轉的能力，以及對於形體改變方位後，仍可保持清晰不亂的空間方位能力(McGee , 1979)；認為空間能力乃個體將形體在心中重製、保留、提取與轉換的抽象過程，並可加以移動及組合轉換的能力(Lohman ,1979) 。五、定義空間能力提及「圖像辨識」、「心中想像與操弄」、「方位的轉換與移動」這三種要素認為空間能力指的是由不同角度辨識同一物體、在心中想像模擬圖象的移動或替換的能力，以及思考身體方位與空間關係的能力(Thurstone, 14.

(28) L. L. & Thurstone, T. G., 1941)；認為空間能力是人類能夠辨識形體、在心中想像形體的旋轉及了解形體在空間中改變關係的能力 (Shepard & Metzler, 1971)；認為空間能力是一種能夠辨識空間概念與訊息，在心中想像、類化、回憶、推理、旋轉象徵性非語言資訊及辨認空間關係的能力 (Linn & Petersen, 1985)。. 貳、空間能力的評量向度空間能力是一種抽象的非語文表達能力，學者們對於空間能力的分類不盡相同，同屬一個空間種類裡的空間因素卻往往擁有不同的名稱，為了確實掌握學者們對空間能力組成因素的詮釋，作為空間能力相關測驗的內容制定依據，研究者發現各種與空間能力有關的評量向度普遍具備「空間知覺(spatial perception)」、「心智旋轉(mental rotation)」及「空間定位(spatial orientation)」三個要素，「空間知覺」指的是能夠正確辨識並比較不同物體空間關聯的能力；「心智旋轉」則是能夠快速且正確在心中操弄、旋轉、扭轉或翻轉形體的能力，屬於複雜的心智活動；「空間定位」則是能觀察者觀看角度或方位改變時，仍可清楚掌握複雜空間形體的表徵資訊，不受定位點影響，不涉及複雜的心智活動。針對不同學者對於空間能力的評量向度，整理與下表 2-1:. 15.

(29) 表 2-1 空間能力評量向度統計表「空間知覺」空間因素 French (1951) (spatial factor) McGee (1979). 視覺化 (Visualization):複雜的心智運作. Lohman (1979； 1988). Linn & Petersen (1985). Mccormack (1988). 「心智旋轉」「空間定位」空間視覺化空間方位 (spatialvisualization) (spatial orientation) 空間視覺空間方位 (spatial (Spatial orientation) visualization). 空間關係 (Spatial relation) :快速的心智運作空間視覺 (spatial visualization) 空間感觀（spatial perception）空間記憶（spatial memory）. 空間定位 (Spatialorientation). 心智旋轉 (mental rotation). 空間知覺 (spatialperception). 邏輯空間思考（logical spatial thinking）. 創造性空間思考（creative spatial thinking）. 測驗例題 Embedded Figures Shepard-Metzler Test Mental Rotation 選出具有上方目辨別立體圖形的異標圖形的選項同. Chair Window Test 從不同方位辨別物體在該視角的成像. 測驗例題引用自: Linn & Petersen (1985)藏圖測驗、Lohman (1979；1988). 16.

(30) 參、與本研究有關的空間研究空間能力的性別與能力差異是過去許多研究者所探究的議題，對於心智旋轉這種較為複雜困難的空間能力表現，一般社會上普遍存在男性表現優於女性的刻板印象，然而，空間能力是否存在性別差異至今未有一致的看法，有研究結果顯示出空間能力是存在性別差異，亦有研究持相反觀點。以下為與空間能力有關之國內外文獻:. 一、不同空間能力學生會有不同的答對率、答題時間及解題策略在答對率的部分，可發現高空間能力的科學概念成就測驗成績與低空間能力學生之間的測驗分數達顯著差異，且高空間能力的學生的成績顯著高於低空間能力的學生（蕭米珊，2011）；數學幾何成就低、中、高組學生在空間能力量表之表現有顯著差異，且無論是空間能力總分或是在立體旋轉及方位景象的得分，得分表現由高而低分別為高組、中組、低組學生(馮雅惠，2006)。. 在答題時間的部分，空間測驗分數與測驗時間在各種分組情形下皆顯示正相關，表示得分越高者，所需時間越多（劉俊甫，2012）；心智旋轉測驗表現優劣的關鍵，不在於旋轉歷程，差別在於學生對圖形的編碼、重建與視覺空間記憶的歷程，而學生在「先呈現圖形參考軸的部件」的答題時間比「先呈現圖形的方塊部件」的時間短(韓承靜，2008)。. 在解題策略的部分，國小學生在處理心智旋轉的過程中，有些學生會使用搭配手部動作去模擬旋轉積木、轉動頭部來改變視角、利用手勢去細數和比對積木細節等解題策略(劉俊甫，2012)；若將 3D 多角力方塊圖比擬為扭曲的人體時，可以提升學生的答對率及降低答題時間 (Amorim, Isableu & Jarraya, 2006)；空間訓練的練習效果無法遷移到新的圖形上，對於空間能力不佳的學生，可以引導其瞭解不同參考軸及其部件之間的空間方位，以降低學生的心智負荷量 (韓承靜，2008)。 17.

(31) 二、題型複雜度會對不同空間能力學生產生影響心像旋轉的時間與答對率只和旋轉的角度有關，不受圖形複雜度影響（Cooper, 1975）；圖形的複雜度愈高，需要更多的時間來重建片段式旋轉的心像，當學生遇到熟悉的圖形答題時間較短(Folk & Luce, 1987) ；觀看有意義的圖形時，學生習慣採用片段式旋轉策略，因此答對率隨複雜度及角度差異增加而降低，當圖形是無意義時，學生習慣採用整體式旋轉策略，因此答對率不受複雜度及角度差異的影響(Smith & Dror, 2001)；發現圖像整合性會影響心智旋轉的反應時間與角度差異的線性關係；圖像的複雜度會影響學生在答題的反應，圖像越複雜，反應的時間就越長；題數越多、難度越高，答題的正確率就下降；不同結構題型的得分顯著高於鏡像題型的得分，進行鏡像題型的解題顯著需要更好的空間能力(李志謙，2012)。. 當圖像的關鍵部位越不易確定時，學生遇到複雜圖形時，必須仰賴容易對應出圖形中其他部件的參考軸來重建整個圖像結構，若圖像複雜到沒有一個適合做為參考軸的關鍵部位，容易出現失誤或錯認的情形，因此，低心智旋轉能力學生當圖形越複雜且空間關係不明確時，容易因心智負荷過大導致表現下降，而在教學上，則可引導學習者標示輔助線確定適當的參考軸位置與結構，當圖形過於複雜時，則以簡單的代號取代，藉以降低視覺空間記憶的負荷，將注意力投注在必要的運作歷程中，且學生會依據刺激圖形的不同，而微調片段式或整體是這兩種解題策略的比重，在簡單且整合性高的圖形，部件的相對位置明確，因此不需參考軸就可直接進行重建，多採用整體式旋轉的解題策略，而複雜且僅需判斷圖形間的微小差距時，則習慣採用片段式的心像旋轉策略，且複雜度的提高，學生的答對率會下降，且反應時間會增加(韓承靜，2008) 。. 18.

(32) 三、二維空間與三維空間能力的關聯「空間聯對」是將二維及三維的空間畫面進行連結的心智能力，可從片段的影像資訊中建立完整的空間心像，也是進行空間設計的基本能力，藉由經驗累積可提升空間聯對能力，而熟練的「空間聯對」運作常被視為設計思考的重要技能(陳乃鳳，2006)；在 2D 對照 3d 的「空間聯對」中，發現學生解題時會根據題性複雜度及難度使用整體式及分割式的解題策略，在簡單的題型使用整體式的解題方式，在困難及複雜的題型則是用分割式的解題策略(Cooper, 1988)。. 四、空間能力具有性別差異在空間認知能力上已被證明具有明顯的性別差異，具有男性優勢的心理作業包括 3D 圖形的心像旋轉、空間視覺化、空間知覺、迷途導航以及追蹤攔截物體等多像空間相關的能力 (Kimura, 1999; Rahman, Abrahams, & Jussab, 2005; Rahman &Wilson, 2003; Voyer & Saunders, 2004; Voyer, Voyer, & Bryden, 1995)。在許多空間相關心理作業中，心像旋轉作業的性別差異是最大的(Kimura, 1999; Linn & Petersen, 1985)。. (一) 僅有心智旋轉這個空間類別具備性別差異 Linn & Petersen 利用後設分析的方法探討過去 172 篇與空間能力有關的性別差異研究後，發現並非全部的空間能力測驗皆具有性別差異，然而心智旋轉測驗是目前為止唯一被大部分研究一致且穩定的認為具備顯著性別差異的空間測驗類別，且不受學生的年齡的影響 (Linn & Petersen, 1985)；二至七年級的學生在高層次(三維圖像之心智旋轉)空間能力上有顯著差異，且男生表現比女生好(Guay & McDaniel, 1977)。. 19.

(33) 以電腦多媒體進行心智旋轉的研究，研究發現心智旋轉之正確性與速度，男性皆優於女性(Samsudin & Ismail, 2004) ；在心智旋轉測驗分數與自信級分上，男性皆優於女性達顯著差異(Cooke-Simpson & Voyer, 2007)；國小五年級男學生心智旋轉能力的表現顯著優於女學生(劉屾壵， 2007）；男童、女學生之平均分數差異最大為「心智旋轉」面向，且國小三年級學生在「心智旋轉」的空間類型存在性別差異 (林浚傑，2007）；心智旋轉存在著性別差異 (McGee, 1979) 。. 物體旋轉的次數或指定面摺疊的次數與受測者作答所需的時間成正比，女生在解決這些問題也比男生需要更多的時間（Metzler & Shepard, 1974）。男性習慣採取跳躍式的作答策略，而女性則習慣保守的作答策略，使得男性的答對率較女性高，答題時間較女性短(Hirnstein, Bayer & Hausmann, 2009)。在 Peters 測驗中發現男性傾向使用整體的解決策略進行空間旋轉的解題，而女性則擅長使用分析拆解的解決策略，然而使用整體的解決策略答對率較高（Peters, 2005）。. 當我們針對空間旋轉測驗的標準時間與雙倍時間進行分析，若限制男女的作答時間，並給予兩倍的答題時間，男女的答對率皆明顯提高，並且男性會表現的比女性還要好，但若沒有限制作答時間，性別開始沒有顯著差異（Masters, 1998； Peters, 2005）。. (二) 不同複雜度之心智旋轉測驗具備性別差異隨著題型複雜度的增加，學生的心像旋轉時間也隨之增長，其中女性的反應時間隨題型複雜度的增加，時間比男性明顯變長許多，然而題型複雜度對男性的影響是相對比較少的(Shepard & Metzler, 1971；Linn & Petersen, 1985； Neuburger, Jansen, Heil & Quaiser-Pohl, 2011)，若使用文字、動物圖形及三維方塊等不同複雜度的材料當作國小二和四年級學生的心智旋轉測驗，發現複雜度越高，學生們的答對率越低，且性別差異 20.

(34) 只發生在高複雜度的三維方塊題型上(Neuburger et al., 2011)；男性的心智旋轉速度比女性還要快，且當複雜度增加，反應時間也會增加，性別差異也隨之增加(Heil, M & Jansen-Osmann, 2008)。男女在處理空間任務的策略上可能有性別差異，男性較偏好使用整體的心像旋轉處理模式進行解題，女性則偏好使用局部分析、零碎的心像旋轉處理模式，因此當題型變複雜時，男性的心智旋轉處理速度得以比女性快(Janssen & Geiser, 2010)；過去常使用 Flags、Card、范登堡等測驗來當作學生心像旋轉能力的檢視，但常有題目過於簡單或太困難的情形而無法得到測驗成效(Jansen & Heil, 2007；Linn & Petersen, 1985) ；若心智旋轉測驗的題型有時間限制，則會有明顯的性別差異，且男生會比女生的答題速度快(Hahn, Jansen & Heil, 2010；Neuburger et al., 2011)，但若是在簡單的測驗題型，答題時間則無性別差異(Jansen & Heil, 2007； Hahn et al., 2010)。. (三) 造成心像旋轉測驗性別差異的可能原因大部分研究都會發現男女生的表現有差異，目前差異的起源還不清楚，但推測可能與大腦皮質的側化差異以及睪固酮組織活化的影響有關 (Collaer & Hines, 1995; Hines, Brook & Conway 2004)，在神經科學的研究中，發現在 2D 及 3D 的心像旋轉作業中，男女生的表現以及腦部活動區域並不太相同，在 2D 的心像旋轉作業中，男生女生的表現並沒有差異，但是活化區域的表現情況卻不太相同，男生的左頂葉活化大於右頂葉，而女生則相反，但在 3D 的心像旋轉作業中，男女生的表現有差異，男生表現較女生好，但是在腦部活化情況，兩者卻非常類似，皆是右頂葉活化大於左頂葉(Roberts & Ann Bell, 2003)，無論使用何種認知神經科學大腦造影技術，都會發現這樣活化區域以及表現在男女生上的差異(Dietrich et al., 2001; Jordan, Wustenberg, Heinze, Peters & Jancke,2002; Tagaris et al., 1996; Weiss et al., 2003)。這樣的結果可能暗示著男女生在心像旋轉作業上的策略以及心智過程細節略有不同。 21.

(35) 生理的因素也可能造成心想旋轉的性別差異，男女賀爾蒙的不同讓空間能力的性別差異到青春期才浮現(Johnson & Meade, 1987；Neuburger et al.,2011)；女性的雌激素含量下降及睪丸酮含量高時空間能力表現較佳，但男性則在睪丸酮含量低時空間能表現較佳(Moffat & Hampson, 1996； Celec, Ostatniková, Putz & Kudela, 2002；Packard, 1998；Silverman, Choi & Peters, 2007；Ostatníková, Hodosy, Skokňová, Putz, Kúdela & Celec, 2010)，且異卵雙胞胎的空間能力表現會比女性同卵雙胞胎表現更好，若女性能在產前接觸較多的睪丸酮，心像旋轉能力較佳(Heil, Kavšek, Rolke, Beste & Jansen, 2011)。. 遺傳學則認為男性在嬰兒時期的心像旋轉能力就比女嬰好(Quinn & Liben, 2008)，而過去研究也顯示五歲男童的心智旋轉能力表現比女童好 (Hahn et al., 2010)，因此，早期研究雖然認為心智旋轉能力要到青春期才有性別差異，但越來越多的研究發現心智旋轉的性別差異早在青春期前就已經存在。. (四) 除了心智旋轉測驗，其他類別的空間能力測驗也具備性別差異空間方位存在著性別差異，且男性的表現比女性好 (McGee, 1979； Contreras, Colom, Shih, Á lava & Santacreu, 2001)；在地圖測驗發現男生的方向感表現較女生好，而且伴隨著受測者年齡層的增長，性別差異的情形也越趨明顯(Alexander, Money & Walker, 1965）；在皮亞傑所研發的觀角測驗（Perspectives task）、水平面測驗（Water Level task）、軌道測驗（Tracks task）、幾何圖形測驗（Geometric Forms task）和建築房屋測驗（House Plans task）等量化測驗中，發現除了軌道測驗外，其餘男生在所有測驗的表現明顯較女生好(Tuddenham, 1970；Rilea, Roskos-Ewoldsen & Boles, 2004)；對高難度及高複雜度的平面幾何圖型空間能力測驗時，性別差異開始出現，男性的表現較女性佳(吳慧詩，2011)。. 22.

(36) 答題時間限制與否，也與性別差異有關，當有時間限制時，男性的答題速度及答題反應會比女性還要好（Peters,2005）；但是當時間無上限時，性別差異則不顯著（Voyer, 1997）。在莫里斯水迷宮（Morris Water Maze）的研究發現，男性在完成任務的速度比女性來的更快，男性也比較能以最短途徑抵達迷宮的終點，在策略的使用上，女性傾向於記憶沿途景物的方式來辨認，而男性則喜歡利用空間關係的相對位置，來找到終點（Mueller, Jackson & Skelton,2008）；在迷津研究中也顯示男性在視覺空間的規劃能力比女性佳，男性在作答的過程中，會依據過往的路徑重新修正、部段的規劃新的路徑，而女性往往是從一而終的執行一開始所規劃的路徑，並且依賴地標的輔助，找到終點，若該研究將困難度降低，提供地標給學生，則性別間的差異就能消除（Cazzato, Basso, Cutini, & Bisiacchi, 2010）。. 五、空間能力不具備性別差異現代的女性比起過去，擁有更多的機會接受與空間能力訓練有關的教育，造成近年來空間能力的性別差異已逐漸消失(Richardson, 1994； Larson, Rizzo, Buckwalter, van Rooyen, Kratz, Neumann, & van der Zaag, 1999；Neuburger et al., 2011)，認為女性在執行空間能力相關工作時也可表現得跟男性一樣好，性別差異是不存在的(Richardson, 1994)，也認為教育可以縮短性別之間空間能力的差距(Hoffman, Gneezy & List, 2011)，且在低層次(二維圖像視覺想像) 空間能力上，男女生的表現沒有顯著差異(Guay & McDaniel, 1977) 。. 性別差異可能並不存在於空間能力之中 (Smith, 1964)，許多學者們的研究結果都顯示空間無性別差異，簡述如下: 空間能力在青春期之前沒有性別差異 (Maccoby & Jacklin, 1974)；研究顯示出在「二維人形圖案」旋轉沒有性別差異；在「二維數字和字母」與「三維籃球運動員」旋轉表現上，八歲男童與女童無性別差異(Roberts & Bell,2002)；無論是小學 23.

(37) 學生或是中學學生，在空間旋轉測驗總分及各分量表(二維旋轉與三維旋轉)上皆無性別差異(Michaelides, 2003)；國小各年級組內男、女學生在空間能力全量表得分未達顯著差異。. 在「移動旋轉能力」分量表之得分各年級間亦無性別差異(洪志盈， 2004）；國小六年級男童與女童在「空間能力」總量表之表現未達顯著差異，其「立體物旋轉」分量表的表現亦未達顯著差異(馮雅慧，2005）；國小六年級學生的空間能力無顯著性別差異 (劉屾壵，2007）；國小男、女學生平面視覺空間能力之表現沒有顯著差異(林浚傑，2007）；國小不同性別學生在整體空間能力表現沒有差異，在「立體轉動圖」分量表中，男、女學生亦未達顯著差異(張秋雁，2008）；國小學生在整體空間能力表現沒有性別差異，在「立體轉動圖」分量表中，男、女學生亦未達顯著差異（張秋雁，2008）；桃園市國小高年級男、女學生在空間旋轉能力表現沒有性別差異(施幸玟，2010）。. 肆、小結空間能力是一種重要的認知能力，是許多專業領域的重要基礎，如飛行、機械製圖、外科醫學、數學，自然科學，工程技術，經濟預測，氣象和建築等等，都涉及利用空間技能（Fennema& Sherman, 1977； McGee, 1979）。綜觀以上學者對空間能力的定義，研究者將空間能力涵蓋「圖像辨識」、「心中想像與操弄」、「方位的轉換與移動」這三要素，定義為能夠在二維及三維空間中，準確的辨識圖像、在心中想像與操弄形體及了解形體方位之轉換與移動的能力。. 從過去的研究發現因研究者觀點、分析角度之不同，對於空間能力的評量向度也有所不相同，研究者認為空間能力的評量向度可歸納為「空間知覺」、「心智旋轉」及「空間定位」三大類，其中「心智旋轉」這個空間評量向度又是各研究者普遍所認同且皆有提及的因素，因此研究 24.

(38) 者將深入探討心智旋轉這個空間測驗向度，認為心智旋轉能力指的是能夠快速且正確在心中操弄、旋轉、扭轉或翻轉二維或三維形體的複雜心智活動。. 根據文獻探討，題數越多、難度越高，答題的正確率就下降；當圖像的關鍵部位越不易確定時，學生就會越依賴本身所擁有的空間旋轉能力來處理不同角度的圖像；若圖像複雜到沒有一個適合做為參考軸的關鍵部位，容易出現失誤會錯認的情形（韓承靜，2008）。研究中也發現男性傾向使用整體的解決策略進行空間旋轉的解題，而女性則擅長使用分析拆解的解決策略，然而使用整體的解決策略答對率較高（Peters, 2005），因此我們可發現圖像越複雜，反應的時間就越長；男性的答題速度及答題反應會比女性還要好（Peters, 2005），. 雖然性別差異這個議題目前尚無一致看法，但研究者認為在文獻的研究設計中可發現一些造成爭議的蛛絲馬跡，當研究發現無性別差異時，深入研究後常常都只是涉及特定的測驗種類才無性別差異，但大部分的研究，在空間測驗之種類挑選總是包含三維旋轉、立體幾何(水平截面)、立體幾何(垂直截面)、立體幾何(斜截面)、紙張摺和、圖形推理、圖形旋轉、圖形歸納、圖形鏡射、圖形類比、圖像拆解、積木計數、圖形完成等 2D 與 3D 的空間測驗種類來當作研究材料，而眾多學者測驗類型中，發現男性只要涉及與心智旋轉有關的各種題型表現，就會顯著的比女性好（Bors & Vigneau, 2011； Geiser, Lehmann, Corth & Eid, 2008； Janssen & Geiser, 2010； Voyer & Hou, 2006），因此研究者推論在看似沒有性別差異的空間測驗研究成果裡，其實某部分的測驗種類如心智旋轉是具有顯著性別差異的，若研究者當時沒有再深入探究，就不會發現其性別差異，而誤以為所有的空間測驗皆無性別差異，因此也是本研究想深入探究心智旋轉在國小學生間是否有性別差異的原因。. 25.

(39) 第二節. 知覺推理與心智旋轉. 為了更全面的了解學生的二維及三維空間能力，本研究使用了知覺推理及心智旋轉兩種空間測驗來測量學生的空間能力，本節將對於知覺推理與心智旋轉能力之定義、分類、解題歷程的相關文獻加以歸納整理，茲分述如下：. 壹、知覺推理與心智旋轉的定義一、知覺推理知覺推理是魏氏兒童智力量表中，與空間能力有高度相關的一個評定指數，著重在測量知覺和流體的推理、空間訊息處理，以及視–動整合的能力。知覺推理能力是一個人非常寶貴的資產，因為幾乎所有在生活中的東西，我們都會先使用視覺的判斷，因為這是最簡單、快捷的方式，所以第一印象幾乎總是根據知覺推理能力來判斷; 知覺推理涉及有控制的利用心理活動來解決新的問題，而心理活動通常包括不涉及語言的繪畫、推論和形成概念; 知覺推理的問題解決情境圍繞著圖片，圖表和圖形，而不是文字，不像言語推理，它不需依賴語言; 一個知覺推理測試的典型問題包括：對稱、旋轉、鏡像、形狀、大小和方向，並以圖像為主而非文字（ Stephen McConkey,2015）。. 二、心智旋轉在空間能力的研究中，心智旋轉可說是構成空間能力重要的因素之一（Lynn & Petersen, 1985； Lohman, 1988； McGee, 1979），心智旋轉也被認為是一種在心中旋轉物體的抽象思考能力，我們在生活中也非常依賴視覺心像來協助解決問題，而心智旋轉測驗則是常被用來研究視覺心像的工具(Kosslyn, 1980)若想在學術和職業領域，特別是科學，技術，工程和數學（STEM）領域有成功表現，心智旋轉能力是其中一項非常重要的要素，智力的個體差異，空間能力，策略選擇也都與是否精通心理 26.

(40) 旋轉有關 (von Károlyi, C., 2013)，自從 Shepard 和他的同事們發表了心智旋轉測驗後，開始有心智旋轉相關的研究（Shepard & Metzler, 1971； Shepard & Cooper, 1982），因此，培養和提高心理旋轉能力的能有效地提升未來在學術和職業領域的效能。. 雖然現在有許多可以直接看到大腦活動的技術及儀器，但我們對於心智旋轉的本質及內在運作方式其實並未有比較深入的了解（Kosslyn, 1994, Hegarty, 2007），然而決定人在科學進展的關鍵卻是空間能力（McFarlane Smith, 1964），因此國外的科學課程已開始將學生的心智旋轉能力作為訓練的主軸（Moreau, Clerc, Mansy-Dannay, & Guerrien, 2010； Peters, Lehmann, Takahira, Takeuchi, & Jordan, 2006），而無論是在電玩（Boot, Kramer, Simons, Fabiani, & Gratton, 2008； Feng, Spence, & Pratt, 2007）、音樂（Brochard, Dufour, & Despres, 2004）、運動空間（Jansen, Titze, & Heil, 2009； Moreau, Clerc, Mansy-Dannay & Guerrien, 2012； Pietsch & Jansen, 2012）等也開始認同心智旋轉能力在人類認知的重要性。. 貳、知覺推理與心智旋轉的分類一、知覺推理在魏氏兒童智力量表（WISC-Ⅳ）共有十項核心分測驗和四項交替分測驗。這些分測驗分別屬於四種不同的指數分數，分別為：語文理解指數（VCI）、知覺推理指數（PRI）、工作記憶指數（WMI）和處理速度指數（PSI）。. 知覺推理能力由圖形設計、圖畫概念、矩陣推理三個分測驗評量，匯集而成每位學生的知覺推理指數（PRI）。三個分測驗簡述如下：. 27.

(41) (一) 圖形設計-觀看目標圖像，並使用有紅白面的方塊，在規定的時限內將立體方塊拼成與目標圖像相同的樣子。此分測驗主要測量學生視覺空間推理、視覺結構能力、分析，綜合的抽象設計、邏輯和推理的能力。 (二) 圖畫概念-在多個目標圖像中，分別選出具有共同特性的圖像。此分測驗主要測量學生圖畫概念、抽象推理、類別推理、流體推理、知覺組織的能力。 (三) 矩陣推理-觀察不完整的矩陣圖後，從答案選項中選出能填補其缺少部分的圖像，其矩陣類型分別有：類推和系列推理、連續與分離的花樣填補、歸類。此分測驗主要測量矩陣推理、非言語推理、概念的形成、視覺處理的能力。. 根據魏氏兒童智力量表對學生能力的分組定義，魏氏兒童智力量表的平均數為 100，標準差為 15，若組合分數高於兩個標準差（PR98）以上，則屬非常優秀，若組合分數介於一又三分之一到兩個標準差之間（PR91-98），則屬優秀; 若組合分數介於三分之二到一又三分之一個標準差之間（PR75-91），則屬中上; 若組合分數介於三分之二到負三分之二個標準差（PR25-75），則屬中等; 若組合分數介於負三分之二到負一又三分之一個標準差之間（PR9-25），則屬中下; 若組合分數介於負一又三分之一到負二個標準差之間（PR2-9），則屬臨界; 若組合分數低於負兩個標準差（PR）以下，則屬非常低，因此我們可以常參考魏氏兒童智力量表來為學生進行能力分組。. 而在魏氏兒童智力量表的研究中曾提到，魏氏兒童智力量表測量之認知能力包含結晶智力、視覺處理、流體推理、短期／工作記憶及處理速度，而不論將流體推理與視覺處理以 Cattell 與 Horn 發展的智力雙元論中的流體智力與晶體智力分開或結合成魏氏兒童智力量表四因素內之知覺推理指數，兩種均為可行的詮釋方式（陳心怡，2009）。 28.