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(huì)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(diǎn)等四個(gè)方面，就美國中小學(xué)空間思維教學(xué)的現(xiàn)狀和特點(diǎn)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(huì)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(huì)（National Research Council）的一份報(bào)告，空間素養(yǎng)（Spatial literacy）在當(dāng)今信息經(jīng)濟(jì)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(jì)算能力、語言能力并列為現(xiàn)代教育應(yīng)當(dāng)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(chǔ)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(dòng)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(shí)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(rèn)識(shí)，開始在科學(xué)、社會(huì)研究等課程中進(jìn)行有意識(shí)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(shí)也是人類認(rèn)知技能的綜合表現(xiàn),包括空間知識(shí)、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(dá)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(dòng)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(jìn)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(biāo)志的零件拼裝一個(gè)兒童玩具；給汽車車箱包裝以達(dá)到最大的載運(yùn)量；用一些器具、一堆木頭和一個(gè)通用狗窩模型修建一個(gè)狗窩。第二，物理空間；對世界運(yùn)行方式的理解，對時(shí)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(diǎn)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(yùn)用、功能以及相互關(guān)系。例如，視圖關(guān)系（建筑計(jì)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(jìn)行推理并做決策 運(yùn)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(rèn)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(jī)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(xiàng)感官系統(tǒng)的技能，空間思維能力不是只依賴某一項(xiàng)感官機(jī)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(shí)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(diǎn)”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(yàn)，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(qiáng)調(diào)空間思維的教與學(xué)，因?yàn)榈乩韺W(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(dòng)（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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(dāng)其沖；現(xiàn)代社會(huì)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(gè)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(xiàng)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(jì)劃建動(dòng)物保護(hù)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(yùn)用空間思維能力”。同時(shí)，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(shí)區(qū)和時(shí)差并計(jì)算出適當(dāng)?shù)耐ㄔ挄r(shí)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(shí)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(dá)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(jìn)房間；鄰里空間、超市空間、機(jī)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(shí)區(qū)表、網(wǎng)絡(luò)搜索引擎圖表、購物清單、服飾圖形等。同時(shí)，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(shí)算出適當(dāng)?shù)耐ㄔ挄r(shí)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(jī)駕駛汽車在家與公司兩點(diǎn)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(biāo)處的拐彎認(rèn)知行為與技能，有經(jīng)驗(yàn)的出租車司機(jī)大腦中存有的城市交通圖讓他們更能在關(guān)鍵時(shí)候找到捷徑；在放射科醫(yī)生的診室中，外行人看X光片時(shí)，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(yàn)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(jì)師將腦中的想法在草圖或計(jì)算機(jī)屏幕上用一系列的二維圖片表達(dá)出來，但是當(dāng)他們重新審視草圖時(shí)，經(jīng)?？吹绞孪葲]有明確設(shè)計(jì)出的空間圖示及其關(guān)系，但是卻是其他設(shè)計(jì)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?？茖W(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(dāng)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(gè)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的三維立體模型20世紀(jì)人類最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。在獲得這個(gè)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(shí)，通過運(yùn)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(yùn)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(yùn)動(dòng)、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(qiáng)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(fù)不起肩上的責(zé)任即培養(yǎng)21世紀(jì)會(huì)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(jìn)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(jì)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(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域中很快嶄露頭角；同時(shí)，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(biāo)，高水平的空間素養(yǎng)通?？梢匀〉脭?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(xiàng)極其重要的技能，事實(shí)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(gè)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(huì)空間思維, 同時(shí)，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(dá)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(gè)主要途徑。         （一）利用地理信息系統(tǒng)（GIS)進(jìn)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(shí)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(shí)，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(biāo)準(zhǔn)中，教師在講授地球、環(huán)境、生物以及普通科學(xué)和社會(huì)學(xué)課時(shí)也會(huì)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(shí)問題的教學(xué)，幫助學(xué)生實(shí)施有關(guān)當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)和環(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(shí)加以綜合，可以促進(jìn)跨學(xué)科及多學(xué)科間的學(xué)習(xí)，所以GIS就象計(jì)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(jì)80年代開始，GIS被引進(jìn)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(jí)中學(xué)使用GIS，當(dāng)然這么少的使用率也基于GIS這一名稱，因?yàn)榈乩碓谥行W(xué)教學(xué)課程中僅占微不足道的地位，甚至可以忽略不計(jì)。 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(huì)怎么去教地理信息科學(xué)，很少懂得怎樣利用GIS進(jìn)行教學(xué)。因此,全美研究委員會(huì)（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(biāo)：更真實(shí)地反映著促進(jìn)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(shí)世界中的現(xiàn)實(shí)事件；實(shí)際地培養(yǎng)跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力及學(xué)科間知識(shí)的貫通；能為各年級(jí)學(xué)生提供豐富的、動(dòng)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(jìn)行空間思維教學(xué) 空間思維是一項(xiàng)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(yùn)用著。因此，為培養(yǎng)學(xué)生的空間素養(yǎng)，進(jìn)行空間思維教學(xué)：(1)各級(jí)各類學(xué)校采取類似于在各門學(xué)科中加強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)，教師在課堂中是一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的各學(xué)科教學(xué)之中；利用認(rèn)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(jì)算機(jī)輔助教學(xué)綜合運(yùn)用的教學(xué)方法。學(xué)校教育的目標(biāo)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(yùn)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(shí),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(huì)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(dòng)手實(shí)踐去發(fā)現(xiàn)事物間的真實(shí)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(jī)會(huì)。 教師在教學(xué)過程中成為促進(jìn)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