◇浙江工業(yè)大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 黃 愉

本文簡要介紹了傳統(tǒng)心理旋轉(zhuǎn)能力的訓(xùn)練方法，定性分析了虛擬現(xiàn)實心理旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練的可行性及其優(yōu)勢。開發(fā)了虛擬現(xiàn)實心理旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練軟件，并采用準實驗單組前后測的方法測量并分析了小學(xué)生空間能力測試結(jié)果。通過實例探究可知，小學(xué)生在使用了該虛擬現(xiàn)實的軟件后，空間能力有了顯著的提升。

1 引言

空間能力（spatial ability）是人類認知能力中很基礎(chǔ)的一方面，它是產(chǎn)生、提取、保持以及操作視覺空間信息的能力[1]。越來越多的研究者及教育家意識到，空間能力與人們?nèi)粘Ｉ畹亩喾矫娑枷嚓P(guān)，比如運動、游戲、識路和學(xué)業(yè)等。更值得關(guān)注的是，空間能力在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域也非常重要。

心理旋轉(zhuǎn)（mental rotation）是空間能力的一種，是個體在頭腦中圍繞一個軸或多個軸對二維物體或三維物體進行旋轉(zhuǎn)的能力。圖形旋轉(zhuǎn)的心理操作涉及到各種空間因素和表象運動，往往能反映人們的空間表象能力和視覺空間表象的體系，是空間能力的中心指標[2-3]。由于其心理操作較多設(shè)計表象運動，往往能揭示人的空間表象能力和視空間表象體系，因此在研究中選擇從心理旋轉(zhuǎn)的角度探索空間能力發(fā)展的特點和水平具有深遠意義。

2 傳統(tǒng)心理旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練方法及其局限性

對于心理旋轉(zhuǎn)能力的訓(xùn)練，最常見的方法是傳統(tǒng)的紙和筆訓(xùn)練。訓(xùn)練中，訓(xùn)練者對提供的三維物體進行心理上的旋轉(zhuǎn)，再在二維圖紙上匹配與之對應(yīng)的不同幾何形式的復(fù)制圖形。另外，空間游戲，包括積木、玩拼圖和棋盤游戲都與空間能力的提高有關(guān)。Newman和Sharlene D.發(fā)現(xiàn)5～30分鐘的結(jié)構(gòu)化方塊游戲會引起負責心理旋轉(zhuǎn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，提高心理旋轉(zhuǎn)的速度和準確性。這也說明了兒童在構(gòu)建一個給定結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)化積木游戲中需要有分析空間表現(xiàn)的能力[4]。

折紙訓(xùn)練也被證實是提高兒童空間能力的方法。該訓(xùn)練方式主要結(jié)合具體的活動，如折疊和剪紙與空間訓(xùn)練，來訓(xùn)練二維到三維的空間思維，以培養(yǎng)學(xué)生的空間推理能力和空間思維能力。研究人員發(fā)現(xiàn)，在僅僅幾個小時的折紙教學(xué)和動手探索后，小學(xué)生在一項非常具有挑戰(zhàn)性的心理折疊任務(wù)中的表現(xiàn)得到了改善[5]。

除了方塊游戲和折紙訓(xùn)練這兩種最具代表性的訓(xùn)練方法外，國內(nèi)對于空間能力的訓(xùn)練大多依托于某項技術(shù)或某種工具，將空間能力的訓(xùn)練融合與課堂教學(xué)中。孫江山、林立甲等人將3D打印與創(chuàng)意設(shè)計課程學(xué)習，探索性實證分析了3D CAD學(xué)習與學(xué)生空間能力和創(chuàng)造力發(fā)展的關(guān)系。研究結(jié)果表明：3D CAD學(xué)習能增強空間能力，特別是空間想象力，3D CAD學(xué)習中空間能力與創(chuàng)造力之間有正相關(guān)關(guān)系[6]。

通過整理歸納文獻可發(fā)現(xiàn)，上述空間能力的訓(xùn)練方法均使用了形象化訓(xùn)練工具對學(xué)生空間能力進行訓(xùn)練，并依托于現(xiàn)實環(huán)境中來完成，主要集中在課堂教學(xué)活動中，在空間和時間上有局限性，具有不可重復(fù)性。課堂中，學(xué)生需要在教師的引導(dǎo)下進行。假如學(xué)生無法跟上教師的節(jié)奏，錯過了某環(huán)節(jié)，教師需要花更多精力進行額外指導(dǎo)。課堂外，學(xué)生也無法利用這些工具進行訓(xùn)練。其次，以上方法嚴重依賴教師的個人素質(zhì)水平的高低，教師需要針對學(xué)生的能力水品有意識地改進自己的教學(xué)方式，調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性。另外，學(xué)生的空間能力水平存在差異性，如要滿足個性化需求，教師需要花費更多的精力對教學(xué)內(nèi)容進行設(shè)計。

無論在平面紙張中進行的紙筆訓(xùn)練還是使用傳統(tǒng)二維技術(shù)的電腦輔助訓(xùn)練都是站在二維的角度對心理旋轉(zhuǎn)進行訓(xùn)練，而在三維環(huán)境中進行心理旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練的有效性尚未得到研究。

3 利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行心理旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練的設(shè)想

虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)包含了立體三維圖像和和物理運動控制，為用戶提供了虛擬體驗和即時反饋，使訓(xùn)練體驗更具沉浸性和互動性[7]。虛擬現(xiàn)實允許實驗者控制刺激材料，虛擬物體可以很容易地被創(chuàng)造和適應(yīng)，這在使用真實物體時往往是很困難的。

相較于傳統(tǒng)的訓(xùn)練工具，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠打破時間和空間的局限性。除課堂訓(xùn)練外，在課余時間學(xué)生也能單獨進行訓(xùn)練。利用虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練工具提高學(xué)生空間能力的另一個優(yōu)勢就是其具備沉浸感與互動性，能最大程度調(diào)動學(xué)生的主動性和求知欲。其次，虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練軟件可以對訓(xùn)練內(nèi)容進行不斷加深和豐富，以滿足不同學(xué)生的個性化需求，這都比課堂教學(xué)培養(yǎng)空間能力的途徑具有明顯的優(yōu)勢。最后，通過虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練軟件可以重復(fù)訓(xùn)練，也可保證學(xué)生沒有達成目的或任務(wù)時可以重復(fù)進行訓(xùn)練直到完成訓(xùn)練。

另外，紙張和電腦訓(xùn)練都處于二維空間中，虛擬現(xiàn)實中的三維空間相較于二維空間則具有深度知覺（遠近知覺）。虛擬現(xiàn)實環(huán)境通過通過雙眼視差、雙眼分視的方式可構(gòu)建深度知覺，所以利用VR設(shè)備來設(shè)計 具有深度感的心理旋轉(zhuǎn)的訓(xùn)練變成可能。

但使用虛擬現(xiàn)實工具提高兒童的空間能力還處在理論假設(shè)階段，需要進一步的進行驗證。

4 實例分析

為檢驗基于虛擬現(xiàn)實的心理旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練軟件對于小學(xué)生空間能力的影響，筆者基于UNITY 3D軟件開發(fā)了訓(xùn)練程序。它包含了Mental Rotation Test（心理旋轉(zhuǎn)測試），如圖1所示。該應(yīng)用程序運行在Pico neo2設(shè)備上。

圖1 心理旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練場景

本文以某市某小學(xué)六年級學(xué)生為實驗對象，實驗圍繞四個變量展開，控制變量是年紀與訓(xùn)練時間，自變量為一個月軟件訓(xùn)練，因變量是心理旋轉(zhuǎn)能力的測驗成績。測量學(xué)生心理旋轉(zhuǎn)能力引用Vandenberg and Kuse Mental Rotation Test[8]，通過單組前后測的方式進行分析，以驗證應(yīng)用程序在訓(xùn)練空間能力的有效性和測驗可靠性。

本研究共有30人參加，最終收到有效且完整數(shù)據(jù)28份。由于收到的有效數(shù)據(jù)N=28<30，因此對其進行正態(tài)分析，如圖2所示。

圖2 學(xué)生心理旋轉(zhuǎn)能力前測、后測數(shù)據(jù)正態(tài)性分布

表1 學(xué)生心理旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)正態(tài)分布分析

由表1可知，學(xué)生心理旋轉(zhuǎn)前測的W=0.926，sig=0.048<0.05，因此該數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布；同理，學(xué)生心理旋轉(zhuǎn)后測的W=0.914，sig=0.048<0.05，因此該數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。因此，選擇配對樣本T檢驗來探究該訓(xùn)練對學(xué)生是否由顯著性影響。

表2 學(xué)生數(shù)據(jù)的平均數(shù)、眾數(shù)、中位數(shù)、標準差和方差分析

從表2看出，學(xué)生心理旋轉(zhuǎn)能力前測平均分為22.257，后測分數(shù)為28.643，前后對比提高了6.377分，提高了15.9%，論證了基于虛擬現(xiàn)實的心理旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練對小學(xué)生空間能力有提高作用，另外心理旋轉(zhuǎn)能力前測、后測數(shù)據(jù)顯著性為0.000，明顯低于標準的0.05，表明通過心理旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練軟件的訓(xùn)練，學(xué)生的空間能力有顯著提高。

5 結(jié)語

本文開發(fā)了虛擬現(xiàn)實心理旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練軟件，采用準實驗單組前后測的測量方法對學(xué)生的空間能力進行測量。通過實例分析可知，學(xué)生在使用了該虛擬現(xiàn)實的軟件后，空間能力有了顯著的提升。從學(xué)生的訓(xùn)練過程中來看，學(xué)生對虛擬現(xiàn)實心理旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練充滿著較大的興趣。虛擬現(xiàn)實的沉浸感和互動性給學(xué)生帶來了非常大的學(xué)習動力，這都說明了虛擬技術(shù)在此類訓(xùn)練中有著美好前景。