美國中小學(xué)空間思維教學(xué)概述

1、美國中小學(xué)空間思維教學(xué)概述             摘要空間思維能力是人類不可或缺的重要能力之一。伴隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，對在學(xué)校教育中培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力的呼聲越來越高。近年來，美國社會各界對此給予了高度的重視。本文擬從空間思維及其能力的界定、空間思維的重要性、教學(xué)途徑和方法以及空間思維教學(xué)的特點等四個方面，就美國中小學(xué)空間思維教學(xué)的現(xiàn)狀和特點作一簡要介紹和分析。 關(guān)鍵詞美國；中小學(xué)；空間思維；空間素養(yǎng) 隨著社會的發(fā)展，中小學(xué)教育對學(xué)生基本素養(yǎng)的培

2、養(yǎng)越來越引起人們的關(guān)注。素養(yǎng)(literacy)一詞成為了教育界的流行語,如讀寫素養(yǎng)、信息素養(yǎng)、文學(xué)素養(yǎng)等。值得注意的是，近年來，美國教育界和科學(xué)界開始關(guān)注空間素養(yǎng)（也稱空間能力）。根據(jù)全美研究委員會（National Research Council）的一份報告，空間素養(yǎng)（Spatial literacy）在當今信息經(jīng)濟中發(fā)揮著越來越重要的作用。美國心理學(xué)家將空間能力與計算能力、語言能力并列為現(xiàn)代教育應(yīng)當賦予人的“三大基本能力”，空間能力包括空間定位能力、空間信息收集、加工處理、儲存和提取能力、空間思維能力等。無論在人們的日常生活、工作還是科學(xué)研究活動中，空間思維（Spatial think

3、ing）都起著廣泛的作用。這種作用或是間接的和下意識的，或是直接的和顯性的。近年來,空間思維能力培養(yǎng)的重要性開始逐步為人們所認識，開始在科學(xué)、社會研究等課程中進行有意識的培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力。 一、空間思維及其能力的界定 空間思維作為一種思維形式，同時也是人類認知技能的綜合表現(xiàn),包括空間知識、技能和大腦的思維習(xí)慣，空間思維通過利用空間概念、呈現(xiàn)空間關(guān)系的工具和邏輯推理來創(chuàng)建問題、尋求答案并最終表達出這些問題的解決途徑?？臻g思維能力則涉及對空間意義的理解，利用空間的各種性質(zhì)形成問題，尋找答案并呈現(xiàn)解決方案，通過使空間結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各種關(guān)系可視化，觀察、記錄、分析物體之間的靜動態(tài)

4、關(guān)系。 （一）空間思維由具有積極意義的三大要素組成，即空間概念、呈現(xiàn)工具及推理過程 1.空間概念描述空間并理解空間關(guān)系 對空間的定義使得空間思維成為與眾不同的思維形式。通過對空間概念的理解（包括三種空間環(huán)境），可以利用其屬性來創(chuàng)建問題、尋求答案和互換結(jié)果。第一，生活空間；對所居住的世界進行思考，例如路徑尋找、航海路線導(dǎo)航等。甚至可以拓展到日常生活行為：用貼有標志的零件拼裝一個兒童玩具；給汽車車箱包裝以達到最大的載運量；用一些器具、一堆木頭和一個通用狗窩模型修建一個狗窩。第二，物理空間；對世界運行方式的理解，對時空四維世界的理解，包括原子結(jié)構(gòu)、地球構(gòu)造、宇宙世界等。

5、第三，智力空間；通過對抽象空間的媒介物的思考，其焦點是物體與概念的關(guān)系。若要將言語陳述的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成按順序回答問題，就必須要形成空間概念。 2.呈現(xiàn)工具知道地理空間如何展示并分析 利用各種各樣的樣本或媒介物作為呈現(xiàn)工具可以來描述、解釋并且理解物體的結(jié)構(gòu)、運用、功能以及相互關(guān)系。例如，視圖關(guān)系（建筑計劃書與立視圖；平面圖與全景透視圖）。 3.推理過程對有關(guān)空間概念進行推理并做決策 運用推理得出有關(guān)事物功能與發(fā)展的最終結(jié)果。英國瑞丁大學(xué)建筑管理及工程學(xué)院教授克萊曼和巴第斯塔（Derek J.Clements and Giovanni P.Battista）將空

6、間推理定義成一種認知過程，一種建構(gòu)并掌握存在于空間物體、物體間關(guān)系以及物體間相互轉(zhuǎn)型的思想展示的過程。例如，根據(jù)預(yù)設(shè)條件做出決策（廣播告知交通情況司機選擇路線）；外推和內(nèi)推的能力（推斷曲線圖的未來走向和從等高線地形圖上估算出山體的坡度）。 （二）空間思維是一種綜合能力 空間思維是一種需要啟用多項感官系統(tǒng)的技能，空間思維能力不是只依賴某一項感官機能，而是能使所有感官功能都均勻地發(fā)揮作用。（見圖1）空間思維作為一種非言語思維（non-verbal thinking），而且有時還添加圖片、聲音、氣味和其他感覺到大腦空間思維的“區(qū)或點”上。 圖1 空間思維 （三

7、）空間思維及能力表現(xiàn)多樣化 不同的人擁有不同的工作、學(xué)習(xí)和生活的經(jīng)驗，在空間思維能力的表現(xiàn)上也自然不同，存在著差異性，其表現(xiàn)也具多樣性。例如，在不同的學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)：地理科的學(xué)習(xí)非常強調(diào)空間思維的教與學(xué)，因為地理學(xué)科的性質(zhì)決定了其思維方式的空間特色，各種地理思維活動（記憶、想象、判斷、概括、推理、分析綜合）無一不借助各種形式的空間展開，并且常常是借助正確的心理地圖來進行；而哲學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)中，空間思維則是起著隱含且相對微小的作用。再如，對于不同的學(xué)習(xí)群體：依據(jù)年齡的不同，孩子們與成人并不是以相同的方式進行空間思維。 二、空間思維的重要性 空間思維作為一種滲透力極強的思維

8、形式，對于許多重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)來說它的地位首當其沖；現(xiàn)代社會的工作者擁有了它那就如虎添翼；而在日常生活中則是處處皆可觸及。具體而言，空間思維的重要性表現(xiàn)在下述幾個方面。 第一，空間思維與人類的日常生活密不可分。GIS（Geography Information System）的制造商ESRI的中小學(xué)教育項目主任喬治?戴利（George Dailey）說，空間思維技能在日常生活中無處不在，無論是計劃建動物保護棲息地的環(huán)保主義者，還是研究禽流感的公共衛(wèi)生官員，要完成任務(wù)，“都需要運用空間思維能力”。同時，日常生活中處處皆是平常而又瑣碎的事情，這些事務(wù)通常涉及空間概念和具體的空間，包括：全球

9、空間：八月底給在歐洲的女兒打電話必須掌握時區(qū)和時差并計算出適當?shù)耐ㄔ挄r間；車箱空間：一次送兒子上大學(xué)的旅途要將車箱空間利用最大、最有效化更可保證行李完整易移，同時利用網(wǎng)絡(luò)定位搜索引擎和地圖查出正確的行車捷徑到達學(xué)校；房屋空間：在不堵著熱風(fēng)孔、電源及電話插座、窗戶、衣柜和門的通道的情況下很好地將組合床鋪、書桌、書架擺進房間；鄰里空間、超市空間、機器空間、謎語空間、花園空間、鞋帶空間以及服飾空間等。這許多事情都通過呈現(xiàn)工具表示，包括時區(qū)表、網(wǎng)絡(luò)搜索引擎圖表、購物清單、服飾圖形等。同時，處理好這些空間事務(wù)要有復(fù)雜的操作技巧：例如，找出兩地區(qū)時算出適當?shù)耐ㄔ挄r間；挑出合適的有效的空間來放置行李等。&#

10、160;第二，空間思維與職業(yè)工作息息相關(guān)。許多司機駕駛汽車在家與公司兩點一線中簡易地處理復(fù)雜的二維空間事物，包括在一些路標處的拐彎認知行為與技能，有經(jīng)驗的出租車司機大腦中存有的城市交通圖讓他們更能在關(guān)鍵時候找到捷徑；在放射科醫(yī)生的診室中，外行人看X光片時，除了骨骼別無他物能看到，但是有多年學(xué)習(xí)或是受訓(xùn)經(jīng)驗的醫(yī)生卻是能察看出腫瘤、血塊、敗壞的心臟膜等；建筑設(shè)計師將腦中的想法在草圖或計算機屏幕上用一系列的二維圖片表達出來，但是當他們重新審視草圖時，經(jīng)?？吹绞孪葲]有明確設(shè)計出的空間圖示及其關(guān)系，但是卻是其他設(shè)計想法的表現(xiàn)結(jié)果。 第三，空間思維能力在很多偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)中扮演著重要的作用，許多

11、日常科學(xué)研究都廣泛地依賴空間思維過程。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者沃森和克里克（James D.Watson and Francis Crick）以及當年所有競相探尋基因分子結(jié)構(gòu)的科學(xué)家希望能發(fā)現(xiàn)一個滿足相關(guān)標準的三維立體模型20世紀人類最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。在獲得這個發(fā)現(xiàn)的過程中，空間思維能力的作用得到了最完美的詮釋。同時，通過運用基本隱喻技術(shù)（地圖）、分析技巧（趨勢層面分析）和呈現(xiàn)系統(tǒng)（光譜圖表），天文學(xué)、地質(zhì)學(xué)以及地理學(xué)成為發(fā)展和運用空間思維的領(lǐng)頭羊?？臻g思維對于科學(xué)家的研究工作和科學(xué)發(fā)現(xiàn)和探索過程來說是不可分割的一部分。首先，以天文學(xué)研究上看，天體物理學(xué)空間素養(yǎng)的培養(yǎng)形成是長期而且具有歷史

12、意義的；其次，在地質(zhì)科學(xué)上空間思維對于地球運動、地質(zhì)構(gòu)造的繪圖上有前瞻性；最后，克里斯泰勒（Christaller）的發(fā)現(xiàn)地球中心板塊學(xué)說，顯示著空間思維在地理學(xué)中最強大的生命力。 第四，空間思維能力影響著學(xué)生的多學(xué)科學(xué)習(xí)。美國賓西法尼亞州大學(xué)地理學(xué)院院長羅格.道斯（Roger M.Downs）說道“如果沒能明確地對空間思維加以重視，我們將擔(dān)負不起肩上的責(zé)任即培養(yǎng)21世紀會學(xué)習(xí)懂生活的年輕一代?！?2001年由田納西州納什維爾大學(xué)心理、人文及教育學(xué)院教授希爾、魯賓斯科和本勃（Jamie Shea, David Lubinski and Camilla Benbow）所進行的空間素養(yǎng)測

13、試來預(yù)測學(xué)生未來在科學(xué)、科技、工程學(xué)及建筑設(shè)計職業(yè)上的成功可能性研究中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)空間素養(yǎng)高的學(xué)生在工程、計算機科學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域中很快嶄露頭角；同時，培養(yǎng)和提高空間素養(yǎng)一直是小學(xué)幾何科學(xué)習(xí)的基本目標，高水平的空間素養(yǎng)通常可以取得數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)上的高分；另外，空間素養(yǎng)是學(xué)習(xí)地理、地球和環(huán)境科學(xué)的學(xué)生需要掌握的一項極其重要的技能，事實上，不僅僅對于地理、地球和環(huán)境科學(xué)，更有在數(shù)學(xué)和科學(xué)領(lǐng)域，空間素養(yǎng)都與學(xué)習(xí)者的優(yōu)秀成績息息相關(guān)。   三、空間思維教學(xué)的途徑與方法 正如波蘭科技學(xué)院教授貝那茲（Lukasz Bednarz）所言“空間思維是一個控制桿，它能夠通過課程學(xué)習(xí)使得學(xué)生對事

14、物的了解更深刻、具有更深的洞察力?！币虼?所有人都能夠而且應(yīng)該學(xué)會空間思維, 同時，大量研究表明通過訓(xùn)練，空間素養(yǎng)可以得到提高,基于此,為了達到空間素養(yǎng)教學(xué)的最終目的，我們應(yīng)該激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)環(huán)境，提高教育質(zhì)量和教學(xué)有效性。目前，美國中小學(xué)空間思維教學(xué)主要通過以下兩個主要途徑。         （一）利用地理信息系統(tǒng)（GIS)進行空間思維教學(xué) 地理信息系統(tǒng)，GIS通常被視為一種整合型技術(shù)工具能夠?qū)⒒ゲ幌嚓P(guān)的知識通過平常的地理相關(guān)系統(tǒng)將之聯(lián)系起來,就如一名化學(xué)教師可以使用GIS通過分析關(guān)于有害

15、化學(xué)物質(zhì)及人類泄漏物的影響圖，來使得日常生活跟化學(xué)息息相關(guān)。同時，GIS技術(shù)使用的是能夠呈現(xiàn)、搜索和分析地理特殊數(shù)據(jù)的“聰明”地圖。目前，GIS技術(shù)出現(xiàn)在了美國的全國地理課程標準中，教師在講授地球、環(huán)境、生物以及普通科學(xué)和社會學(xué)課時也會涉及地理空間技能。越來越多的學(xué)校利用GIS技術(shù)輔助基于真實問題的教學(xué)，幫助學(xué)生實施有關(guān)當?shù)氐纳鐣铜h(huán)境問題的研究工程。很多學(xué)區(qū)的教育管理者還在利用GIS幫助他們規(guī)劃和決策，涉及的問題包括教育設(shè)施建設(shè)、學(xué)生交通安全以及校園治安問題等。 學(xué)生們則通過應(yīng)用GIS可以使得他們可以將不同學(xué)科知識加以綜合，可以促進跨學(xué)科及多學(xué)科間的學(xué)習(xí)，所以GIS就象計算器和wo

16、rd程序一樣，它即可成為眾學(xué)科教學(xué)的主要工具之一。但自20世紀80年代開始，GIS被引進到校園中，在基礎(chǔ)教育課程設(shè)置中卻未被采用。更有甚者，在學(xué)校中對于GIS的采用率比起工商界及政界來說低得多。一直到2003年，美國也只有1%的高級中學(xué)使用GIS，當然這么少的使用率也基于GIS這一名稱，因為地理在中小學(xué)教學(xué)課程中僅占微不足道的地位，甚至可以忽略不計。 作為教學(xué)支持系統(tǒng)的GIS系統(tǒng)可以針對著教師和學(xué)生在最基礎(chǔ)層面上改變著教育教學(xué)的思維程序。一些入職前的師范生或教育工作者只學(xué)會怎么去教地理信息科學(xué)，很少懂得怎樣利用GIS進行教學(xué)。因此,全美研究委員會（NRC）提倡利用信息科技技術(shù)支持空間

17、思維教學(xué)，GIS的利用也將更有效地迎合教育目標：更真實地反映著促進探索、發(fā)現(xiàn)為本、學(xué)生中心的教學(xué)思想；盡可能使中小學(xué)（K12）學(xué)生更大范圍地接觸現(xiàn)實世界中的現(xiàn)實事件；實際地培養(yǎng)跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力及學(xué)科間知識的貫通；能為各年級學(xué)生提供豐富的、動人的、富有挑戰(zhàn)色彩的尋求問題解決方法的學(xué)習(xí)環(huán)境。 （二）通過各學(xué)科的相關(guān)教學(xué)進行空間思維教學(xué) 空間思維是一項基本技能，它貫穿在許多重要學(xué)科學(xué)習(xí)中，居中科學(xué)學(xué)科中心位置，在其他眾多學(xué)科中也被廣泛運用著。因此，為培養(yǎng)學(xué)生的空間素養(yǎng)，進行空間思維教學(xué)：(1)各級各類學(xué)校采取類似于在各門學(xué)科中加強寫作教育的做法，將空間素養(yǎng)的培養(yǎng)整合到各學(xué)科相關(guān)內(nèi)容

18、的教學(xué)中；(2)制定空間素養(yǎng)的教育標準和加快課程資源開發(fā)；(3)提高教師的信息素養(yǎng)，創(chuàng)造性地以多種方式活用信息于各種類型的課堂教學(xué)之中，同時，教師在課堂中是一個輔助者而不僅僅是信息的傳遞者；(4)將現(xiàn)有的GIS技術(shù)整合到現(xiàn)有的基于課程標準的各學(xué)科教學(xué)之中；利用認知發(fā)展理論和教育理論開發(fā)出適合各年齡段學(xué)生使用的GIS技術(shù)。 美國中小學(xué)空間思維教學(xué)的方法主要有以下兩種。 第一，以啟發(fā)式、探究式和計算機輔助教學(xué)綜合運用的教學(xué)方法。學(xué)校教育的目標是要教授學(xué)生學(xué)科基礎(chǔ)理論概念和培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能，而教學(xué)方法的運用就應(yīng)該給學(xué)生提供合適、有效的學(xué)習(xí)環(huán)境。同時,學(xué)校應(yīng)該提供豐富的信息材料和學(xué)習(xí)輔助工具讓孩子們學(xué)習(xí)，這樣一旦他們開始對原理問題和物品特性做出積極的探究、理解和創(chuàng)建的話，他們將會學(xué)得很好。那么教師們就應(yīng)該創(chuàng)設(shè)出一種課堂教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)問、動手實踐去發(fā)現(xiàn)事物間的真實情況和相互關(guān)系，換句話說，也就是教師要提供孩子們質(zhì)詢探究的一切可能的機會。 教師在教學(xué)過程中成為促進者和引導(dǎo)者，指導(dǎo)學(xué)生去探索、發(fā)現(xiàn)和理解，放棄了專家權(quán)威