看懂立方体展开图,需要怎样的空间想象力?

六个一样大的正方形连在一起,就能折成一个立方体吗?先看下面四个图形。它们都没有少画一格,也没有那种一眼就能排除的长条,但只有两个能折成功。

这类题要求我们把平面的方格想象成立体的面,还要跟住每一次折叠带来的位置变化。这是空间想象力的一种具体用法,在心理学研究中属于空间表象的变换。你可以留意自己的思路:是一眼认出了熟悉的轮廓,还是在脑中把纸片慢慢折起来?先选出答案,再往下看。

图1 四个待判断的展开图,每个方格中的数字用来追踪位置。
图1 四个待判断的展开图,每个方格中的数字用来追踪位置。

先固定一个面 再追踪另外五个

心理学家 Shepard 和 Feng 曾让参与者看立方体展开图,判断两支箭头在折起后是否相遇。各次折叠中需要移动的方格数合计越多,判断耗时越长。这支持了逐步进行“心理折叠”的解释。眼前的图虽是静止的,解题时却要不断更新它在想象中的状态。

答案是 A 和 C。先拆开看 A:把 1 当作盒子的上面,2 沿着它的下缘折下来,成为前面;3 接在 2 的右边,折起后成为右面。继续沿连接关系走,4 到下面,5 到后面,6 到左面。

上、下、前、后、左、右,六个位置各有一格,没有谁挤占别人的位置,盒子就能合上。下图用同一种颜色标出一对相对面:1 对 4,2 对 5,3 对 6。

图2 A折起后的上、前、右三面,以及三组相对面。
图2 A折起后的上、前、右三面,以及三组相对面。

C 看起来像两段错开的横条,反而容易让人犹豫。仍然固定 1 为上面,沿着 1、2、3、4、5、6 依次追踪,它们分别落在上、右、下、前、左、后。六个位置同样没有重复。它的相对面是 1 与 3、2 与 5、4 与 6。

B 和 D 为什么差一点却折不成

B 的问题出在两个向上伸出的方格。中间的 3、4、5 折成前、右、后三面后,1 从前面封顶,2 从后面封顶。它们在纸上隔得很远,折起来却盖到了同一处。此时 6 是底面,左面仍然空着。

D 更隐蔽。顺着它的连接路线走一遍,1 到 6 的落点依次是:上、前、下、右、后、上。最后一格没有补上缺口,而是又回到了第一格的位置。因此,D 的 1 和 6 重叠,也缺少左面。

图3 B与D的重叠方格标为红色,下方逐项列出六个空间位置。
图3 B与D的重叠方格标为红色,下方逐项列出六个空间位置。

这里说的上、下、前、后,只是方便追踪而选定的方向。换个面作为起点,方向名称会变,但哪两格重叠、哪两格相对,不会跟着变。

给想象留一条可以检查的路线

纸上共用一条边的两个面,折起后仍然相邻;纸上不相邻的两个面,却未必相对。例如 A 的 1 和 3 在纸上不共边,折好后却是上面与右面。空间想象需要保留相连的关系,也要更新折叠后新出现的关系,不能只凭纸上的远近判断。

如果脑中的盒子越转越乱,可以把每一格的去向写在纸上,再剪下来折一次,找出自己在哪一步想错了。随后换个起始面重新追踪,看看能否得到相同的相邻和相对关系。这样练习时,你能检查的是具体的一步变换;一次答对或答错,不足以给整体空间能力下结论。

参考资料

Shepard, R. N., & Feng, C. (1972). A chronometric study of mental paper folding. Cognitive Psychology, 3(2), 228–243。立方体心理折叠的原始实验。

Milivojevic, B., Johnson, B. W., Hamm, J. P., & Corballis, M. C. (2003). Non-identical neural mechanisms for two types of mental transformation: Event-related potentials during mental rotation and mental paper folding. Neuropsychologia, 41(10), 1345–1356。比较单次心理旋转与需要协调一系列变换的心理折叠任务。

Pearson. Drawing nets of 3D objects。立方体展开图及练习答案。

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