空間認(rèn)知：探索數(shù)學(xué)世界的“導(dǎo)航儀”

近日，上海兒童醫(yī)學(xué)中心的“空間與數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難門診”引起了廣泛關(guān)注與熱烈討論。空間認(rèn)知能力在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中扮演著重要角色：掌握幾何概念、分析統(tǒng)計(jì)圖表、利用豎式進(jìn)行運(yùn)算……空間認(rèn)知能力不足會(huì)嚴(yán)重影響學(xué)生的數(shù)學(xué)成績(jī)，還可能影響物理、化學(xué)、地理等自然科學(xué)的學(xué)習(xí)。而“數(shù)學(xué)門診”的出現(xiàn)，為學(xué)生和家長(zhǎng)提供了一種新的解決思路。

為什么數(shù)學(xué)等理科成績(jī)不好要去關(guān)注空間認(rèn)知能力？空間認(rèn)知能力可以提高嗎？我們?cè)鯓优袛嗪⒆邮欠駪?yīng)該去看“空間與數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難門診”？本文從認(rèn)知科學(xué)角度探討空間認(rèn)知與數(shù)學(xué)等STEM學(xué)科學(xué)習(xí)之間的聯(lián)系，介紹空間認(rèn)知能力的日常評(píng)估方式，并為提升空間認(rèn)知能力提供可操作的方法。

空間認(rèn)知是數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)最關(guān)鍵的支撐

空間認(rèn)知是指我們?cè)陬^腦中生成、操縱和推理物體（或物體的各部分）之間空間關(guān)系的認(rèn)知過程。它不僅有助于識(shí)別方向、尋找路線、定位目的地，還能使我們?cè)陬^腦中操縱物體的圖像，幫助我們快速將鑰匙插進(jìn)鎖孔、識(shí)別適合裝魚的盤子、將一堆衣物和日用品裝進(jìn)行李箱，等等。

空間認(rèn)知是數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，對(duì)于數(shù)學(xué)成績(jī)有著關(guān)鍵影響。心理學(xué)家和教育學(xué)家進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)空間認(rèn)知能力與數(shù)學(xué)能力之間有著密切而穩(wěn)定的正相關(guān)關(guān)系。

空間能力與幾何學(xué)習(xí)的關(guān)系是人們很容易想到的，解讀圖表或?qū)R豎式中的數(shù)位也明顯包含空間成分，但空間認(rèn)知對(duì)于數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的支撐性作用并不僅限于此。研究表明，在解決數(shù)量計(jì)算問題時(shí)，大腦中與空間有關(guān)的認(rèn)知過程會(huì)被自動(dòng)激活。我們?cè)陬^腦中旋轉(zhuǎn)物體表象（心理旋轉(zhuǎn)）時(shí)和在心算時(shí)激活的大腦區(qū)域有著高度的重疊，這表明空間認(rèn)知過程與計(jì)算加工存在共同的神經(jīng)機(jī)制。

這些來自認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究結(jié)果為心理學(xué)家探討多年的一個(gè)觀點(diǎn)提供了有力的證據(jù)，即：我們是以空間形式來表征數(shù)量的，在看到或想到一個(gè)數(shù)字時(shí)，我們頭腦中激活的并不僅僅是一個(gè)語言符號(hào)，還有與這個(gè)數(shù)值相對(duì)應(yīng)的空間的大小，類似一個(gè)長(zhǎng)度或一塊面積。

因此，空間認(rèn)知對(duì)于數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的作用是基礎(chǔ)性的。當(dāng)我們以空間形式表征數(shù)量時(shí)，所有與數(shù)量有關(guān)的計(jì)算和推理都要以這種空間表征為基礎(chǔ)。圖表、豎式和模型等并不是為數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)附加了空間成分，而是幫助我們將頭腦中的空間表征外化，為解決數(shù)學(xué)問題提供了必要的空間工具。

空間認(rèn)知能力是可以提高的嗎

空間認(rèn)知能力的個(gè)體差異顯而易見。有些人能依靠地圖在陌生而復(fù)雜的環(huán)境中熟練地找路，有些人卻會(huì)在生活了多年的小鎮(zhèn)里迷失方向；有些人熱衷于購買宜家家具只為了自己組裝的樂趣，有些人卻對(duì)著樂高圖紙一籌莫展。這種個(gè)體差異具有一定的遺傳性，但空間能力并非固定不變，大多數(shù)空間技能具有中度到高度的可塑性，即使是成年人也可以通過練習(xí)來提高，且練習(xí)效果持久、具有較高的遷移性。

一方面，對(duì)于孩子來說，最重要的練習(xí)機(jī)會(huì)來自環(huán)境中的空間材料和日常生活中的空間活動(dòng)。拼圖、積木，可供造型的泥和沙，是孩子們鍛煉空間技能的極佳材料。他們從各個(gè)角度觀察積木的幾何形狀，根據(jù)拼圖上的圖案思考它們之間的空間聯(lián)系，在捏制泥碗和堆砌沙堡的過程中體驗(yàn)形狀和位置的變化。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，早期拼圖和積木游戲能夠提高孩子的空間認(rèn)知能力，而且可能產(chǎn)生終生的積極影響。

另一方面，在更廣闊的空間環(huán)境中積累空間經(jīng)驗(yàn)也是極為重要的。社區(qū)街巷中的捉迷藏游戲、博物館中的按圖索驥、動(dòng)物園里的路線規(guī)劃，甚至在山頂、高樓或飛機(jī)上的俯瞰，都是珍貴的空間經(jīng)驗(yàn)，為孩子提供了有效的空間學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

在這些活動(dòng)中，空間語言是一個(gè)特殊的成分，對(duì)于低齡兒童的空間認(rèn)知能力發(fā)展起著關(guān)鍵的促進(jìn)作用。在生活情境中較多接觸“上”“下”“在……里”等空間關(guān)系表達(dá)的孩子，能夠更有效地解決空間問題，因?yàn)檫@些表達(dá)可以引導(dǎo)他們?nèi)リP(guān)注環(huán)境中的空間信息，積累更多、更豐富的經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)，這些孩子也會(huì)更熟練地掌握空間語言，為解決較為復(fù)雜的空間問題提供工具。因此，我們可以和寶寶一起玩積木、玩拼圖，聊一聊積木的形狀或大?。辉诤⒆酉胍婢邥r(shí)，家長(zhǎng)可以描述空間位置讓他自己去找……在潛移默化中，這些看似漫不經(jīng)心的日常對(duì)話可能為孩子的空間認(rèn)知能力發(fā)展起到關(guān)鍵的作用。

空間認(rèn)知能力是可以通過練習(xí)來提高的。對(duì)于大多數(shù)孩子，特別是年齡較小的孩子來說，更有效的練習(xí)方式并非進(jìn)行專門的訓(xùn)練，而是在游戲和日?；顒?dòng)中積累經(jīng)驗(yàn)。作為家長(zhǎng)，大可不必去尋找提高孩子空間能力的“專業(yè)性秘籍”，也不用讓孩子參加專門的“空間能力開發(fā)與輔導(dǎo)”，只需要在日常生活中多鼓勵(lì)孩子玩一玩積木（及其他空間成分較高的玩具）、多帶孩子出去游玩、在組裝家具或拆裝物品（哪怕是安裝電池）時(shí)多讓孩子觀察參與，并在這個(gè)過程中多和孩子聊一聊，就能達(dá)到更好的效果。

空間能力缺陷的鑒別與輔導(dǎo)

既然空間認(rèn)知能力可以通過日常活動(dòng)和游戲得到提高，“空間與數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難門診”又是做什么的？哪些孩子需要去這個(gè)門診呢？在絕大多數(shù)情況下，人們不會(huì)因?yàn)榭臻g認(rèn)知能力較弱尋求專業(yè)幫助，因?yàn)樵诂F(xiàn)代城市生活中，即使在尋路或拼裝家具等空間活動(dòng)中遇到了困難，我們也很容易通過各種輔助工具或社會(huì)性幫助來解決。但是，作為數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵支撐，空間認(rèn)知能力的不足很可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)學(xué)成績(jī)的嚴(yán)重落后，并對(duì)其他理科課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生長(zhǎng)期影響。

所以，“空間與數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難門診”主要針對(duì)已經(jīng)在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中感到明顯困難的孩子而開設(shè)，希望通過對(duì)空間認(rèn)知能力的評(píng)估，找到他們數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難的原因并提供針對(duì)性幫助。

當(dāng)然，這并不是說，孩子的數(shù)學(xué)成績(jī)不好就要去做評(píng)估、看醫(yī)生。數(shù)學(xué)成績(jī)不好有多種原因，大多數(shù)孩子并不存在空間認(rèn)知方面的缺陷。作為家長(zhǎng)，可以根據(jù)孩子的成長(zhǎng)經(jīng)歷和日常表現(xiàn)做出初步鑒別，判斷自己的孩子是否需要去“空間與數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難門診”就診。

在進(jìn)行這種判斷時(shí)，以下幾個(gè)方面是特別需要關(guān)注的。

第一，孩子在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中存在嚴(yán)重的“教不會(huì)”的情況。也就是說，孩子具有足夠的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，也付出了相當(dāng)?shù)呐?，教師或家長(zhǎng)給予了有針對(duì)性的學(xué)習(xí)指導(dǎo)，但孩子仍然難以學(xué)會(huì)某些數(shù)學(xué)知識(shí)或技能。這時(shí)，無論孩子的數(shù)學(xué)成績(jī)是嚴(yán)重落后還是輕度落后，都建議去尋求專業(yè)幫助。

第二，孩子在年齡較小時(shí)就表現(xiàn)出了空間活動(dòng)方面的困難或抵觸情緒。例如，3歲時(shí)不能將兩塊積木平穩(wěn)地摞在一起、4歲時(shí)不能將積木塞進(jìn)適當(dāng)形狀的孔里、6歲時(shí)還不能在居住的小區(qū)中找到回家的路、上小學(xué)后仍然看不懂簡(jiǎn)單的積木圖紙或地圖，都可能是空間認(rèn)知能力落后的表現(xiàn)。此外，拒絕拼圖、積木、折紙、棋類等玩具也是值得關(guān)注的跡象。這些孩子很可能在空間幾何類的題目中已經(jīng)表現(xiàn)出了嚴(yán)重的成績(jī)不良，甚至還會(huì)在算術(shù)和其他STEM學(xué)科的學(xué)習(xí)中遇到困難。

第三，平時(shí)寫字或畫畫時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)空間關(guān)系錯(cuò)誤。例如，寫字母、數(shù)字時(shí)常常上下或左右顛倒，畫出的小動(dòng)物四肢扭曲、植物的葉子長(zhǎng)在花瓣上，畫不出物體的遠(yuǎn)近關(guān)系或立體感。這種情況在剛?cè)雽W(xué)時(shí)偶爾出現(xiàn)是正常的，但如果情況較為嚴(yán)重或持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，則建議進(jìn)行專業(yè)評(píng)估。

綜上所述，空間認(rèn)知能力在數(shù)學(xué)等STEM學(xué)科的學(xué)習(xí)中至關(guān)重要。通過日常的活動(dòng)、游戲與對(duì)話，我們可以有效地提升孩子的空間能力，讓他們?cè)谕嬷袑W(xué)。不過，如果孩子已經(jīng)在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中遇到了明顯的困難，或者表現(xiàn)出強(qiáng)烈的負(fù)面情緒，那么建議及時(shí)尋求專業(yè)的幫助，獲得有針對(duì)性的評(píng)估與干預(yù)。最終，我們希望的是幫助孩子們克服學(xué)習(xí)困難、緩解焦慮，讓孩子們快樂而高效地學(xué)習(xí)。