2 文献综述

2.1 空间及空间学习概述

2.1.1 空间和学习空间

人类的一切活动都是在一定的空间中进行的，都与空间环境有着密切的联系。迄今为止，人们已从不同的角度对人类是如何认知空间的问题进行了研究，并尝试建立了各种不同的空间模型。其中以Couclelis和Gale(1986)的模型最具代表性，该模型认为空间类型分为物理空间、符号空间、感觉运动空间、感知空间、认知空间5种形式。其中物理空间是客观世界中的空间形式，它是客观存在的，不以人的意志为转移；认知空间是人们对物理空间进行感知的结果；符号空间是人们利用某种特殊的符号表征出来的认知空间。符号空间是对空间的符号化表达。根据其表达符号的不同，符号空间又分为地图二维空间与虚拟三维空间(鲁学军，秦承志，张洪岩等，2005)。

学习空间是一种能让学习者开放获取、自由参与、互动交流的环境。它既包括实体空间也包括虚拟空间。学习空间与传统学习环境最重大而本质的区别在于，它高度重视学习资源、信息资源、技术资源、设备资源以及人力资源的无缝连接和集成，将学校的各个相关部门和机构都纳入学习空间的组织框架之中，在各种因素的共同支持下，为学习者的学习过程提供全面帮助(王继新，郑旭东，黄涛，2010)。学习空间的研究与实践起源于20世纪90年代，美国北卡罗来纳州立大学启动了一项名为SCALEUP的教学改革项目，该项目通过提供教学法、教学内容、学习空间等在内的一整套解决方案来促进“以学生为中心”的教学(许亚锋，叶新东，王麒，2013)。其中，SCALEUP环境的诞生标志着学习空间研究与实践的兴起。随后，美国麻省理工学院发起了依托TEAL环境进行大学物理课程的教学改革(许亚锋，张际平，2013)。受这两个项目所构建的学习空间的启发与影响，许多机构都开展了类似的研究与实践，例如，美国明尼苏达大学的“主动学习教室”项目、美国爱荷华大学的TILE项目、华东师范大学的“未来课堂”项目都是其中的代表(许亚锋，塔卫刚，2014)。

为了更加全面、多视角地审视学习空间，研究者从不同的领域、不同的角度对学习空间作了相关探索。从研究主题上看，国内关于学习空间的研究主要以设计开发为主，这种设计开发和国外的实践设计开发有很大的不同，其主要探究新技术环境下学习空间的设计与开发。但这些研究大多是集中于技术环境下的构思，实践检验方面较少。理论研究方面主要集中在学习空间的概念、研究物理环境布置(空间设置与分配、光照、温度、空间密度等)，真实空间与虚拟空间的结合模式探讨、评价研究以及具体学科(如：数学、语文、英语等)应用指导较少。从研究方法来看，国内相关研究主要采用文献分析法。学习空间的设计与开发大多是集中在技术环境下的探索与开发，建立新型学习空间，缺乏对应的实践、案例分析、技术开发应用评价。在实验研究、调查研究、行动研究等方面研究较少(李宝，2014)。

虚拟学习空间与真实学习空间都是学习空间，这些不同的学习空间使学习者可以直接或间接地获取经验，学习者通过直接或间接的经验学到知识并掌握技能。随着虚拟现实技术和网络技术的发展，虚拟学习空间的研究、开发与应用日益受到人们的关注。虚拟学习空间对原有的学习环境进行了扩充，也促进了教育资源的共享。结合网络的优势，它突破了传统教育形式的时空局限性。虚拟实验平台的应用降低了实验室建设的投入，同时还提供了多种交互功能，为更深层次的学习做好保障。虚拟学习空间的是传统学习空间的扩展，它的快速发展也必将带来学习方式的革命，促进教育信息化的进程。设计与实现虚拟学习空间时，需要关注两方面的因素：第一是用户接口，进入虚拟学习空间的用户具有社会性，即用户可能具有相当的计算机操作水平，也可能没有很好的操作经验，甚至不会操作计算机。因此，虚拟学习空间应该提供友好的用户接口和较强的功能，方便用户的学习和交互。第二是系统的有效性。由于虚拟学习空间是一个复杂的系统，涉及网络通信技术、虚拟现实技术、数据库管理技术及功能实现技术等，所以建构一个具有较强交互性、稳定性和扩充性的虚拟学习空间，有利于提高系统的可测量性、一致性和适应性(李欣，2014)。

2.1.2 空间认知与空间学习概述

空间认知是认知科学的一个重要研究领域，目前尚未有严格统一的定义，不同的研究者有着不同的理解，例如：陈毓芬教授(2000)认为空间认知是对现实世界的空间属性，包括位置、大小、距离、方向、形状、模式、运动和物体内部关系的认知，是通过获取、处理、存贮、传递和解释空间信息，来获取新的空间知识的过程。王家耀院士(2003)认为空间认知研究是空间信息的处理过程。高俊院士(2008)认为空间认知是人们认识自己赖以生存的环境，包括其中的诸事物、现象的形态与分布、相互位置、依存关系以及它们的变化规律和发展趋势的能力和过程。认知心理学家认为，空间认知是通过获取、处理、储存、传递和翻译空间信息，获取空间知识的过程。因此，空间认知与空间的概念、空间知识的分类、人类的空间认知能力有关。空间认知的程度是通过一定的认知手段由空间认知能力决定的。

空间能力是人类生活中不可缺少的一种基本能力。人类生活在一定的空间范围内无时无刻不在与空间信息打交道，空间意识是人类重要的生存先决条件，人们无论是上班还是购物，无论是去学校还是与人交谈等都要用到空间认知能力。一般认为广义的空间能力指的是非语言信息加工中的个体差异，也指在日常生活中的个体差异；狭义的空间能力指的是完成空间测验中的个体差异。空间能力涉及对物体内部的关系，物体与物体的关系，物体与观察者的关系把握。空间能力一般包含三个因素：空间定向、空间想象和空间关系。空间定向是保持不被空间模式以不同方向呈现而弄糊涂的能力；空间想象是理解表象在三维中运动或操作想象中物体的能力；空间关系是精确地觉察空间模式并相互比较的能力。空间认知技能是由三种能力构成：准确知觉世界的能力；对知觉到的事物进行改造或修改的能力；重建视觉经验的能力。因此可以肯定，个体利用地图对周围环境中的事物进行空间定位与个体的空间能力有着一定的相关性。因为对物体的空间定位需要掌握物体之间的空间关系，对物体进行定向，而且还要有一定的想象能力，甚至心理旋转能力，而这些都是和一个人的空间能力分不开的。空间能力的发展是个体认识事物、探索客观世界的必要基础，空间能力和言语能力是智力的基本组成部分，在人类的职能研究中人们发现，言语能力并不是唯一的与智力有关的能力，空间能力也是较为独立的智力结构。空间能力是一种认知图形，是不同于一般的形象思维和抽象思维的特殊能力，它运用图形在头脑中的表象图形操作能力，其主要内容是在解决任务的过程中运用图形表象。它的操作单位是能表现客体的空间特征各关系的表象，如构成客体的各种因素的形状、大小、相互位置以及客体的各种构成因素在二维平面上、三维空间上相对于任何特定位置的排列顺序。视觉空间能力及其认知加工性质的研究不仅对理解人类空间认知行为具有重要的理论意义，而且还具有重要的应用价值(许华君，2008)。

空间学习就是习得三维世界中物体所处的位置、大小、距离、方位、形状以及与其他物体之间的关系，并通过相关的技能对以上属性进行想象并不断理解的过程。由于在自然、科技、工程和数学学科(简称STEM )中涉及较多和空间位置、大小、距离、方位等相关的内容，故STEM课程和空间学习密切相关。空间学习汇聚了包括来自心理学、认知科学、神经科学、计算机科学、教育学、地理学和环境科学等各个领域的研究者与工程师们，各领域的研究者关注点各有侧重。例如，心理学领域的专家主要侧重空间学习的认知过程；认知神经科学的研究者则主要从认知神经科学的视角来分析空间学习；计算机科学的研究者主要从技术促进学习的角度来探究空间学习；教育学家则从提升教学绩效的角度来研究实验室和真实情境中的空间学习，并利用技术来促进空间学习。焦丽珍和江丽君(2011)将空间学习的主要研究归纳为：空间学习的认知过程、促进空间学习的思维表征工具系统、空间学习的实践探究，现概述如下：

1．空间学习的“微过程”——认知过程

空间学习的认知过程是从微观的认知角度对“空间学习”是如何发生的进行探究。长久以来，很多研究者都认为空间技能与生俱来，是由遗传和生物学决定的。然而，大量事实表明，通过培训可以提高空间学习效率(Baenninger&Newcombe,1989,1995; Hutten et al.,1994; Loewenstein&Gentner,1998; Uttal et al.,2010)。空间学习领域研究的一个基本主题就是如何将空间技能最大化以及解决空间认知中的个体差异问题，包括性别差异和社会经济地位差异。空间认知过程由空间认知能力决定，空间认知能力是世界上任何有机体生存的先决条件(Jacobs & Schenk,2003)。若干基本认知过程构成人类适应该领域的基础，如判断距离的能力(Huttenlocher et al.,2002)，结合距离和角度等相关信息形成对整个空间表征的能力(Wang& Spelke,2002)，在物体自身运动过程中保持空间信息的能力(Acredoloetal.,1984)，或者其他物体运动的空间信息的能力(Scholl &Pylyshyn,1999; Rochat& Hespos,1996)，以及对空间信息进行心理旋转的能力(Shepard & Metzler,1971)。基本认知过程的研究包括：如何理解这些能力，如何利用空间工具来提高这些能力，为什么会存在个体差异以及如何缩小个体差异。空间认知能力是逐步形成、发展和完善的，它是一个广泛的系统，既包括大小、形状和方位的概念，也包括空间区分和对空间关系的理解。对于空间认知过程的研究，主要研究对象是儿童，因为儿童时期是人类思维成长的黄金时期，儿童时期建立起空间感将会对今后产生重要影响。儿童空间认知发展是调动相应感官并借助于生活经验及对空间概念的认识过程。相关研究表明，学前儿童对距离的认知能力已发展到较为完善的水平，但对距离的理解水平还很低。在空间认知结构中，形状认知能力在学前期已逐渐趋于平稳。家长对儿童空间认知能力的发展起到非常重要的作用。有研究表明，空间认知受性别影响，如女性数学教师对学科的焦虑程度会影响女生的数学成绩(Beilocketal.,2010)；也有空间认知能力的测验研究大量采用空间知觉的测验，以鉴定其空间能力，并进一步证明了空间认知能力不受性别影响，是可以培养的。早期的家庭教育会导致空间学习的个体差异。在早期，家长会通过和儿童的对话培养其语言能力；通过儿童玩拼图、迷宫等其他建筑类玩具，并对这些物品进行分解、重组以加强其空间学习能力；有研究表明，家长还可以通过一定刺激来激发儿童的空间想象能力。总之，空间学习能力是可以培养的，并且早期教育作用重大。

2．空间学习的“金钥匙”——工具系统

空间学习能顺利进行，离不开支持表征空间学习的工具系统。空间学习的工具系统包括符号、推理以及类比等。符号包括体态、空间语言、空间地图、草图等。通过符号，人们可以对空间要素进行简化、关联与综合，对空间的组织、结构、关系进行符号化表达。大量研究表明，空间语言、图表和地图等符号正在广泛地应用于STEM实践中，而且研究证明，如果应用得当，将会对学习提供强有力的帮助。但是这些工具系统不能自发地提供学习支持，能够有效地运用是需要被教授的。例如，中学的教师和学生经常会忽略图表，因为他们不知道如何去阐释图表。理解外在符号系统如何作用于人类认知，对如何在教育中有效地使用符号至关重要。在空间工具系统中，体态和语言的使用是最自发的行为，它们对空间物体进行描述并表征；而草图、地图和图表则是对稍微复杂的空间关系进行描述并抽象，涉及思维的过程；而类比和推理作为高级的认知工具，对最复杂的空间关系进行抽象。

3．空间学习的“落脚点”——教育实践

空间学习终究是学习，无论是空间认知能力还是空间思维能力的培养，归根到底是为了更好地促进教与学。目前关于空间学习的教与学研究成果归纳总结如下：

(1)学科导向的空间学习教育实践

目前空间学习的教育实践应用已渗透到不同的学科之中并形成相关的研究成果，并且在一些学校课程中，已经涵盖了空间能力和空间思维的内容。比如化学中的分子结构、生物中的有机体结构、地理中的地形测量。空间能力和空间思维对艺术和设计课程的作用也至关重要。科学课程的特殊性导致空间思维不断地应用于科学研究的过程中。科学研究中要解决的问题大部分是空间问题，如DNA双螺旋结构。科学进步也许与某种空间智力的表现密切相关。在数学领域，空间学习能力和早期的数学能力之间的关联性在儿童学前阶段更加明显(Robinson et al.,1996)，与中学阶段的数学成绩也有关联性(Wolfgang et al.,2001)。空间推理对于非语言思维模式的创建是必要的，有助于培养儿童早期算术思维，以及理解和创建科学和工程领域的物理模型、图表的能力。Reynolds等人(2002,2005)开发出了一个通过动画来教授空间技能的软件，并对学生使用软件情况进行研究，前测结果是实验组的空间意识明显低于控制组，而后测结果是两组的空间意识相同，表明实验组通过学习明显提高了空间技能。Orion(1996)和Abbott以及Reynolds等人(2002,2005)均发现在教学测试中男性空间意识明显超越女性，但Ben—Chaim等人(1988)却发现女性和男性有同等的提升。Reynolds等人(2002,2005)指出，通过教学，女性可以增加的空间技能多于男性，因此在后测时的表现相同。

(2)方法导向的空间学习教育实践

在学习科学领域，基于设计的研究范式因其实现了从“实验室”到“真实情境”的过渡而备受关注。教育研究的核心问题是如何将实验室的研究转移到课堂实践中，而空间学习作为学习科学的一个研究主题，在学校中还尚未被认可，这大大加剧了将研究转移到实践的困难。如何运用空间智力来解决教育实践问题，一直是心理学家较为感兴趣的研究内容。有研究者(Bryk &Gomez,2008; Schoenfeld,2009)提出了可以连接研究和实践的模型。在该模型中研究者提供了一些关于空间智力研究场景的活动，这些活动允许教师灵活地将空间要素融合到课程中，而并不是专注于空间学习这个领域。教师可以自由选择和修改活动的材料，但是更改过后的材料可能和实验室环境下的研究结果存在差异。

(3)技术导向的空间学习教育实践——CogSketch

在信息化日益发达的今天，技术作为环境、工具等已经融入学习中，空间学习也不例外。在空间学习领域，来自计算机领域的研究者的主要兴趣在于“如何为空间学习提供技术支持”。基于以上设想，坦普尔大学KenForbus等人开发了用于支持草图理解的智能软件-CogSketch。Forbus等人(2011)认为，人类往往依赖语言对所绘制的草图进行解释，所以在CogSketch中采用对草图加上概念性标签的方法，用户可从知识库中选择一个或多个标签对所绘制的草图进行注释，这样系统就知道每个对象所表示的是什么，从而更有利于系统对各对象进行深层次的推理。CogSketch研究有两个目标，一是作为一种认知科学研究工具，用于构建空间推理与学习的计算模型以及自动收集实验室与课堂研究中的数据，旨在探索认识如何推理和学习；二是作为基于草图理解的智能教育软件平台，旨在探索如何把草图整合到教育中，以提高学生的学习效率。作为认知科学研究工具，CogSketch可以自动计算草图中图形之间的定量空间关系(包括拓扑关系、图形的相对位置以及相对大小)，还可以把图形分解为具体的边(edge)并通过旋转或映射等识别图形形状表征，从而判断形状是否发生了改变。CogSketch的一个核心特征就是使用结构映射理论对图形进行类比处理。此外，CogSketch还可自动收集用户绘制草图时的信息，并且可以输出一个特定的文件，这样就可以利用其他工具分析这些数据从而得到有用的信息(Lovett et al.,2008)。