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陈飞燕:浅谈珠心算与脑科学
2022-11-15 12:15 浏览次数:134次 来源:世界珠心算联合会

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今天我们来谈谈珠心算跟脑科学之间的关系。我们从脑科学角度了解一下珠心算是什么,珠心算练习能够给我们带来什么变化,为什么能够引起行为、脑的变化。

珠心算训练/珠心算练习,跟音乐训练、体育锻炼一样,都能带来行为上的变化。显然,在座各位以及家长、学生、老师都能够直观地体会到,经过珠心算练习之后,计算能力能够得到快速的提升。那么珠心算训练,特别是长期的珠心算训练,除了会提升计算能力,是否还会带来其他什么变化,有会带来哪些变化呢?

首先我们要了解数学能力包括计算能力,但不仅仅只有计算能力,还包括更高级数学视觉空间逻辑推理能力等。我们想要了解珠心算训练对数学能力有什么影响,对其他的高级认知能力又有什么样的影响(请注意,这里说的高级认知能力我们具体指执行功能)。如果珠心算训练会使数学能力、执行功能发生变化,我们更迫切地想知道,这些变化是如何发生的,为什么会发生,与此同时,我们的大脑是否也会发生变化呢?大脑又会发生怎样的变化?还有,大脑为什么会发生这样的变化?今天我想就这些问题和大家交流,希望通过探讨这些问题,能给珠心算实际的教学提供一些启示。

概括一下,今天我主要讲两个科学问题:

第一,珠心算训练的迁移能力。我们练习珠心算不仅仅考察计算能力,更关系珠心算训练对数学能力、执行功能的影响,也就是珠心算训练的迁移能力。

第二,脑的可塑性问题。大脑在长期的珠心算训练过程中发生了什么样的变化,为什么会发生这样的变化。

因为涉及到一些专业知识,我会把一些背景知识给大家做简单的介绍。我们会用到脑的影像手段,比如功能磁共振成像技术、脑电等,这些无损失的脑影像技术能帮助我们观测大脑内部的变化,我会经常提到大脑的激活、大脑的网络连接、大脑结构变化,这些又是指的是什么呢?我们经常用颜色来表示在某一项活动过程中,大脑的活跃程度/参与程度,颜色越亮表示大脑的活跃/参与程度越高,也就是激活越强。

大脑在工作的时候并不仅仅只有某个脑区在工作,大脑在任何一个任务中都是以网络的形式在工作的,某几个区域连成一个网络协同工作。所以当讲到脑网络,是指一些脑区以网络的形式协同工作。

还会讲到脑结构,如大脑的白质结构,白质纤维很重要,它起到支撑大脑,传递信息的作用,特别是左右脑之间信息交互,大脑前后之间信息传递等。

接下来讲具体的部分研究工作,我们关注珠心算训练对数学能力的影响,对于执行功能的影响,以及其脑机制。

先来讲数学能力,在我们几个研究当中都发现珠心算训练能够快速提升儿童的计算能力,这些研究结果都高度一致。珠心算训练对于计算能力/运算能力提升非常快速。最近一个研究也发现在2-3个月比较短的时间,也能大幅度提升计算能力。数学能力不仅仅包括计算能力,还包括视觉空间、逻辑推理能力,我们研究发现,珠心算训练不仅仅能够提升儿童的运算能力,它也能够提升更高级的数学能力——儿童视觉空间和逻辑推理能力,看起来这个结论很简单,但是这是一个非常重要的结论,因为数学能力对于儿童发展非常重要,有研究表明儿童时期的数学能力能够预测今后的学业成就、职业成就,也就说儿童时期数学能力好的话,那么今后学业成就、职业成就也可能更高。

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再看一个具体的实验,这个实验非常简单。在屏幕上显示两个大小变化的数字3和8,我们让小朋友做一个非常简单的任务,让他判断3跟8哪个数值大,或者让他判断这两个数字哪个形状大。我们用这样简单的实验,来探讨珠心算训练对于基本数字加工能力的影响。大家觉得珠心算训练是否会影响这样的简单任务的绩效?实验结果非常有趣,珠心算对于这样非常底层的数字加工能力也能够起到促进作用。珠心算训练能够加强儿童对于数字信息的加工效率,从而促进他们对于数字的敏感性以及数字认知的发展。那么这个能力提升有什么意义和作用呢?数字加工能力对于儿童的数学能力和今后数学能力的发展是非常重要的,就是说如果这个能力缺失或者比较弱的话,其数学能力的发展就会受到限制。这个研究告诉我们,珠心算训练不仅能够提升计算能力,能够提升高级的数学能力,也能够提升比较底层的数字信息加工能力。

以上是从数学能力角度介绍了珠心算训练对于儿童数学认知能力的影响。有人可能会说,这很容易理解,因为我们平常练的是珠心算,对于数字接触比较多,对于数学投入比较多,所以数学能力发展地比较好。那么,除了能够提升数学能力影响,珠心算训练是不是对于其他认知能力也有影响呢?这也就是我们所说的迁移能力。

接下来我讲迁移能力。我们关注珠心算训练对于儿童执行功能的影响。执行功能是心理学概念,是指我们能够快速、有效地进行任务的切换,解决冲突,制定计划,克服分心,做出决策的能力。简单地说,执行功能是指我们解决问题的能力。举个例子,电脑CPU性能的高低能够直接决定电脑功能高低,性能好坏。某种意义来讲,执行功能对于我们来讲就像CPU对电脑一样,执行功能是智力的核心成分,执行功能的高低也跟智商有很大的相关性。所以,执行功能非常重要,执行功能的高低能够决定或者预测今后的人生成就。

我们想了解珠心算练习对于这么重要的能力,能不能产生影响,能不能有促进作用,于是我们做了一系列研究,在这里把部分工作给大家分享一下。

刚才讲了执行功能的重要性。执行功能也可以分解,其中“工作记忆能力”是执行功能的很重要的一个成分。第二部分工作,我们来介绍珠心算训练对执行功能,特别是对工作记忆能力的影响。在几个研究中,我们都发现珠心算训练能够提升儿童记忆,工作记忆能力和记忆容量能力。珠心算训练能够提升儿童的记忆容量,日常教学当中老师们会发现参加珠心算训练的儿童,在数字记忆、英语单词记忆方面会表现得比较优秀。这里,我们从实验上证实了珠心算训练能够很好地提升儿童的工作记忆能力。

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执行功能的另外一个成分,我们称之为“认知灵活性”,认知灵活性怎么理解呢?介绍一个任务范式,屏幕上会出现一个条纹的圆或者灰色的圆,出现条纹圆的时候要按同侧的按键,灰色的圆则按对侧按键,这个规则很简单。如果条纹的圆和灰色的圆交替出现,那就要记住两个规则,且要在两个规则中不停切换。这个实验就能很好检测儿童的认知灵活性,也称为认知转换能力。那么珠心算训练对于认知灵活性有没有影响?我们这个任务跟珠算练习没有任何关系,它不涉及到数字,不涉及到数学,但是我们的研究结果说明,长期的珠心算练习能够提升儿童的认知灵活性,也就是说长期的珠心算训练能够产生一定的迁移效应。

我们更想知道的是,当行为上发生了变化时,大脑有没有发生变化,脑机制是什么?我在这里给大家举一个简单的例子,图中显示的是大脑的激活情况,彩色表示儿童在做条纹/灰色圆判断任务时,大脑的活动情况,大家先来看图,这些是大脑激活的脑区。

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普通儿童在做这些任务的时候,他做得越好(行为绩效越好),他们在这些脑区的脑活动程度越高,激活程度越高。这说明什么呢?当他们在完成这些任务的时候,要付出越多的努力才能做得越好,也就是说这个时候,大脑需要更多的神经元参与,需要更多的资源。只有更多的资源参与,才能更好地完成这个任务。这很容易理解,我付出的努力更多,我做得就更好。

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但是,请大家再看上图,对于练习珠心算的儿童来说,他们的脑活动模式发生了变化。做得越好、行为绩效越好的那些孩子,他们的脑活动程度反而越低,这说明什么?这表明,他们只需要很少的资源就能完成相同的任务,而且那些做得越好的孩子,需要的资源越少,也就是他们的脑神经效能越高。我们可以理解为,珠心算训练提高了脑活动的效率。

珠心算训练能够提升神经活动效能,这是从功能角度来考察的,训练对于大脑的结构会不会发生影响呢?刚才讲了大脑白质纤维,我们看看它对脑的结构、脑的网络会不会有影响呢?我们就此做了几项工作,这些工作都有一致的结论,长期的珠心算训练会影响儿童大脑的结构,珠心算组儿童的白质纤维一致性更高。

我们举个例子,比如说高速公路,从杭州到北京有高速公路也有普通国道,高速公路流量大、效率高,国道效率低得多。白质纤维一致性高说明这个脑区像高速公路一样,白质排列非常整齐,信息传递效率高。

这个研究表明,经过长期的珠心算训练,脑的白质纤维一致性会发生变化,比如说连接左右脑的区域,跟手指运动、视觉运动、视觉想象有关的脑区。我们认为,这些变化跟日常珠心算特殊的操作方式有关系,用左右手进行协同操作能够促进左右脑信息加工交互;想象算珠的移动进行心理表象操作,能够促进跟视觉运动/视觉想象加工有关的脑区白质纤维一致性的提升。注意,长期的珠心算练习会影响到儿童大脑的结构变化,这种变化并不是短期训练就能发生的。

我们再从网络角度考察珠心算练习对于脑网络的影响。几个研究都有较为一致的结论,珠心算训练能够提升网络效率。研究表明,数学能力越好的儿童,其脑区局部效率越高,数学能力跟珠心算能力有很好的相关性,换句话说,珠心算练得越好的孩子,大脑局部效率也可能会越高,这跟我们上述的功能方面的研究结论是一致的。

我们还从脑网络角度进一步进行探讨珠心算训练对儿童脑网络的影响。按照珠心算水平,我们将学习珠心算的孩子分成高水平组和低水平组,普通儿童为对照组,这三组孩子在数学能力上有非常大的差别。那么,他们在脑网络水平上有没有不一样的表现呢?先介绍一下“相似性”概念, “组内相似性”是怎么理解呢?比如说普通人跟运动员他们之间的差异是非常明显的,比如 800米比赛,运动员跑很快,运动员跟运动员之间差距非常小,可能差零点几秒,也就是说运动员群体之间的“组内相似性”很高,普通人有的跑得快有的跑得慢,个体差异很大,普通人的“组内相似性”很低。从大脑的组内相似性来观测,我们发现他们高水平组、低水平组和对照组的组内相似性有明显差异,高水平珠心算组明显优于低水平珠心算组,低水平珠心算组显著优于对照组,也就说,长期的珠心算训练在一定程度上提升了脑的模块化网络的组内相似性。

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也就是说,长期的珠心算训练在一定程度上使大脑朝更好更有效的组织模式发展,提升了个体之间的相似性,而且训练绩效越好的儿童,他们的脑网络的相似性越高。究其原因,可能是因为长期练习抑制无关的神经元活动给抑制掉,提高功能分化。

最后,我们做一个简单的小结。我们的研究表明,珠心算训练能够快速地提升儿童计算能力,长期的训练还能够提升儿童的数学能力,包括数学视觉空间和逻辑推理能力。请注意,在计算能力提升的时候用“快速”这个词,但是对于其他能力提升的时候往往用的是“长期训练”,这表明,珠心算训练要发生迁移效应需要一定的时间积累。

珠心算训练除了能够促进数学能力发展之外,还能够促进儿童认知能力(执行功能)的发展,特别是工作记忆能力和认知转换能力。

我们也观测到珠心算训练对儿童的脑功能、脑结构以及脑网络模式有显著影响,珠心算训练也提升了儿童脑的加工效率。

这些行为、脑的变化对我们有什么样的启示?不知道大家有没有注意到,我刚才讲的时候非常强调的一点是“长期训练”,长期的训练会产生迁移效应,长期训练会使脑功能、结构、网络发生一些变化。珠心算练习能够对于数学能力产生影响,对于认知能力产生影响,这个影响不是立马发生的,需要有一定时间积累。还需要强调一点,长期对珠心算训练能够发生迁移效应以及影响脑的可塑性,这和珠心算的特点有关。在珠心算训练中,双手协同操作有利于大脑信息交互;快速地信息更新、强调想象、强调视觉空间的操作,有利于迁移能力的发生。

希望我们研究能够给珠心算教育教学实践一些启示。

谢谢大家。

 

以上是浙江大学教授、博士生导师陈飞燕于2022年10月28日在纪念世珠联成立20周年国际学术研讨会(第七届珠心算教育学术交流研讨会)上的学术交流