諾貝爾物理學獎頒布：獲獎者背後的這項共同能力該如何有效培養？

美國賓夕法尼亞州立大學地理學院院長羅格·道斯曾說：「如果不對空間思維加以重視，將無法培養出21世紀會學習、懂生活的年輕一代。」從小培養空間認知能力能使孩子無論在學習還是生活中都受益無窮，無論是課堂上還是生活中，我們都需要重視空間認知能力的培養。

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10月6日，瑞典皇家科學院公布了2020年諾貝爾物理學獎的獲得者。英國科學家羅傑·彭羅斯因證明黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接結果而獲獎；德國科學家賴因哈德·根策爾和美國科學家安德烈婭·蓋茲因在銀河系中央發現超大質量天體而獲獎。

回顧2019年，諾貝爾物理學獎同樣授予了三位天體物理學學者，表彰他們為理解宇宙演化和地球在宇宙中的位置所作出的貢獻。

能獲得諾貝爾物理學獎，說明了獲獎者在物理學領域都取得了重要成就，儘管他們的研究為物理學研究做出的貢獻各異，但相信在他們之間存在著共同點——優秀的空間認知能力。

我們首先要了解，事物是多面的，空間對象更是多面的。空間認知總是針對事物的某個特定的面而進行，認知的過程是了解對象本體的過程，或者說是對本體建模的過程。簡而言之，空間認知是人們對物理空間或心理空間三維物體的大小、形狀、方位和距離等空間信息進行加工的過程。

在天體物理學中，空間認知能力在探討恆星結構、恆星演化、太陽系的起源等許多問題時，都會發揮著至關重要的基礎作用。

除了物理學家，空間認知能力對於各行各業而言都是一種關鍵能力。例如，對於建築師來說，繪圖、看圖、監工等一系列建造過程需要空間認知能力；對於醫生來說，看病人拍的片子的同時需要想像出這個片子對應的身體的部位，這也需要強大的空間認知能力；對於藝術家來說，繪畫也需要深厚的空間認知能力，把他們看過的景象變成呈現出來……

從深遠的現實角度思考，空間認知能力還對社會生活產生重要影響。北京大學教授宗秋剛、中科院地質與地球物理研究所研究員李國主、中國科學技術大學教授薛向輝都曾闡述過一個共同觀點：提高空間環境感知能力對提升我國國民經濟發展速度、維護國家安全具有重大意義。

斯特拉頓實驗：空間認知能力是後天習得的

空間認知能力是否能培養？

美國心理學家斯特拉頓做了一個著名的實驗，告訴了我們空間認知能力的培養真相。

他在眼睛上戴了一個一端開小孔的圓筒。因小孔成像原理，眼睛視網膜上的視像與外界事物一樣是呈正立的（正常是倒立），開始非常不適應，視覺和觸覺、動覺之間發生了矛盾，如想拿下面的東西，手卻伸向上方；寫字也只能依靠觸覺和記憶完成。這種異常的體驗使人感到頭痛和噁心。8天後，他的視覺逐漸與觸覺、動覺協調起來，不再感到是一個顛倒的世界。摘掉眼睛上的圓孔後，他又重新經歷了同樣痛苦的適應空間環境的過程。

這個實驗說明人對客觀世界的空間知覺不是天生的，而是後天學習獲得的，他是人腦將許多感覺器官所得到的信息，如知覺、觸覺、動覺等信息綜合分析後產生的。特斯拉頓實驗也說明了空間認知能力是可以從小培養的。

同樣也有科學研究表明，孩子在六個月大的時候，就能靠自己的意識感知多和少的概念。你把同樣的物品堆成大小不等的兩部分，讓孩子挑選，他能選出哪一部分多。由此可見，孩子能感知空間大小，但需要通過後天不斷的深化形成永久的記憶。

北大心理與認知科學學院的教授魏坤琳曾表示：大腦對數量的表徵和對空間的表徵密不可分，甚至兩者在大腦區域上都有很大的重疊，可以說空間認知能力是數學能力的重要基礎，也是STEM教育的核心之一。對於孩子而言，從小培養空間認知能力能使他們無論在學習還是生活中都受益無窮。

課堂與生活：多角度培養空間認知能力

既然空間認知能力可以培養，那麼我們就需要面對新的問題：如何培養孩子的空間認知能力？

1.在課堂中培養空間認知能力

一提及空間認知能力，我們總會想到數學。在《義務教育數學課程標準》中，「空間與圖形」是一個重要的學習領域，要求能培養學生的空間觀念，包括：能由實物的形狀想像出幾何圖形，由幾何圖形想像出實物的形狀，進行幾何體與其三視圖、展開圖之間的轉化……

在課堂教學中，我們可以通過圖形的演變培養孩子的空間認知能力。例如，面對三年級的學生，培養他們空間認知能力的目標是能進行二維空間和三維空間的轉換，認識到絕對坐標與相對坐標的優劣。因此，教師可以在課堂上通過圖片展示等手段，讓學生經歷在大腦中旋轉物體的過程，從而提升學生思維的靈活性，培養學生的空間認知能力。

一開始，教師可以通過「你能在大腦中把物體轉動起來嗎？」類似提問引入課堂教學，激發學生參與活動的興趣。

接著，教師可以展示立方體不同角度的圖片，讓學生想像並畫出兩個物體正面轉向我們時的樣子。在這個過程中，就需要將眼前看到的圖片在大腦中進行角度轉換。在學生畫完之後，教師可以展示立方體的正面圖片或者直接展示實物，為學生提供答案參考，讓學生檢驗自己畫得是否正確。

在此基礎上，教師可以擴展課堂教學的環節，提升難度，讓學生對空間的認知走向深度。比如展示每個面上都有不同圖案的正方體展開圖，讓學生仔細觀察，在頭腦中將二維展開圖轉換為三維立體圖，再從四個選項中找出錯誤的立體圖。

接著，教師可以讓學生按照展開圖動手製作一個正方體，通過這樣的活動驗證自己的判斷。最後，再引導學生總結如何進行二維空間和三維空間的轉換。

在這樣的課堂教學過程中，教師能夠將空間認知能力和數學課堂相結合，讓學生體會、學習二維空間和三維空間進行轉換的方法，培養空間認知能力。

2.將能力培養與生活相結合

課堂是培養空間認知能力的好途徑，但是這一能力的培養內容不僅僅局限於數學課堂，也可以和生活相結合。

在生活中，我們常常會遇到有人不識東西南北，甚至難分左右的情況，他們的感知能力差，缺乏方向感，容易迷路。這一方面說明他們缺乏空間認知能力，一方面也說明空間認知能力能應用在生活的方方面面。

在生活中如何培養孩子的空間認知能力？

交流是一個潛移默化的方式。在平時生活中和孩子的交流，我們可以儘可能多的使用一些方位詞彙，如大小、左右、上下、前後、正反等，再逐步增加一些諸如東西南北的方位詞來進行引導。

此外，創設生活情境是一個有效的途徑。例如，教師可以通過班級裡的學生和座位創設一個孩子熟悉的情境：

小雪的左邊是小海，小海的左邊是小蘭，小蘭的左邊是小慧，那麼小慧在小雪的哪一邊呢？答案只有一個嗎？

教師應可以給學生足夠的思考時間，然後讓學生站到講臺前說出答案及思考的過程，並在黑板上畫出示意圖，再教師進行評價和總結。教師還可以選出四個學生進行角色扮演，排排隊試一試。

而找到問題的答案，教師可以引導學生將四個人想像成一條繩子上的四個點，而繩子可以任意彎曲，那麼小慧既可以在小雪的左邊，也可以在小雪的右邊。

除了教室裡的情境，學生每天上下學經過的交通路線也可以成為培養空間認知能力素材。教師可以展示相關的地圖，創設問題情境，讓學生分別用「前後左右」和「東南西北」兩種方式指路。

在指路前，教師要提醒學生明確出發前自己是面朝哪個方向。如果用「東南西北」指路，學生還必須先辨明地圖上的各個方向。最後，讓學生分別用兩種方式描述路線，並帶領學生找出最近的路線。最後，教師再引導學生對整個過程進行回顧和總結，讓學生反思如何確定位置，從日常生活中培養空間認知能力。

空間認知能力與數學、科學、建築、醫學、藝術等各個領域都有關係，同時，它有很強的可塑性，我們可以通過後天訓練來培養學生的這種能力。但是這種能力常常被人們忽視。無論是課堂上還是生活中，我們需要重視空間認知能力的培養，並能尋找不同角度，依託不同素材為孩子打下空間認知的基礎。

本文部分重點內容取材自「學思維」活動課程

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