珠心算训练可影响高级执行功能：额叶极激活情况比较

渡部伸树（Nobuki Watanabe）

日本兵库县关西学院大学教育学院

*通讯作者： nobuki@kwansei.ac.jp

引用：Watanabe, N. (2023). 珠心算训练可影响高级执行功能：额叶极激活情况比较.

《国际数学教育电子杂志》, 18(3), em0742.  https://doi.org/10.29333/iejme/13220

摘要

执行功能训练在支持儿童发展中的作用已得到越来越多的研究。执行功能在很大程度上与前额叶皮层有关。前额叶皮层的前部，也就是布罗德曼（Brodmann）分区图中的第10区，对高阶执行功能的出现至关重要。越来越多的证据表明，珠心算训练与数学教育密切相关，可以激活前额叶皮层。基于这些发现，可以假设珠心算对训练更高级的功能很有价值。因此，本研究分析了儿童大脑的激活情况，重点关注额叶极（即布罗德曼分区图中的第10区）的激活情况。结果表明，相比钢琴演奏任务、棉花糖实验或字母数字排序任务，珠心算任务更能激活大脑。因此，我们认为珠心算对高级执行功能（即额叶极）的训练很有价值。

关键词：珠心算、额叶极、功能性近红外光谱、执行功能

引言

目前，提高儿童福祉是世界范围内的一项重要议题（经合组织, 2019）。世界卫生组织（世卫组织）将福祉定义为“个体和社会所经历的积极状态；福祉与健康类似，是日常生活的一种资源，由社会、经济和环境条件所决定”（世卫组织, 2021, p.10）。社会情感技能（非认知技能）会影响个体的福祉（Ikesako & Miyamoto, 2015）。在童年时期即开展非认知技能培养非常重要，因为这种技能可在决定未来成功方面发挥关键作用（Crehan, 2018; Heckman, 2013; 经合组织, 2015; Watanabe, 2019）。

非认知技能包括自我感知、动机、毅力、自我控制、元认知策略、社会能力、适应和应对能力以及创造力（Gutman & Schoon, 2013）。执行功能与非认知技能有关，特别是与“控制自己以实现目标的能力”有关（Moriguchi, 2019）。对这种执行功能进行评估相当具有挑战性。然而，随着科学技术的进步，生理评估现在已经成为可能。例如，非侵入性脑功能测量可用于进行这种评估（Fiske & Holmboe, 2019; Goddings et al., 2021; Moriguchi & Hiraki, 2013; Yasumura et al., 2014）。而且，前额叶皮层和执行功能之间的关系已经通过非侵入性脑功能测量进行了评估（Friedman & Robbins, 2022; Menon & D’Esposito, 2022; Moriguchi, 2022; Panikratova et al., 2020）。磁共振成像（MRI）和近红外光谱（NIRS）也属于非侵入性脑功能测量技术。虽然测量很容易获得神经生理学证据，但许多设备的设置难度较大，且对患者来说是一种负担。功能性近红外光谱（fNIRS）设备价格低廉，在使用时可减少了受试者在测量过程中的行为限制（Watanabe, 2021a, 2021b, 2023）。因此，在考虑提高儿童福祉时，很有必要去检查执行功能的支持性并在此过程中使用神经科学。因此，在本研究中，我想探索一种基于脑科学的执行功能支持性。

人们对支持儿童发展的执行功能训练越来越感兴趣。这是因为执行功能的水平决定了儿童后续的学业、经济和健康状况，并且容易受到支持和环境因素的影响（Moriguchi, 2019）。执行功能被描述为“目标导向、思想、行动和情绪控制”（Moriguchi, 2015）。执行功能虽然没有统一的模式，但常用的模式有以下两种：Baddeley等人的“中央执行系统与工作记忆”模式（Baddeley, 2007）是一种单一模式，而Miyake等人（2000）的模式将工作记忆分为多个组成部分，即“抑制、转移和更新”（Moriguchi, 2012）。然而，在这两种模式中，执行功能都与前额叶皮层密切相关（Duncan, 2001; Kane & Engle, 2002; Miller & Cohen, 2001; Moriguchi, 2012; Watanabe, 2021b, 2022）。 前额叶皮层分为背外侧前额叶皮层、内侧前额叶皮层和眶额叶皮层（Mushiake, 2019）。据说高级执行功能涉及更多的前部区域（Jeon & Friederici, 2015; Mushiake, 2019），即额叶极，在布罗德曼分区图中的第10区。

尽管还有很多不清楚的地方（Ramnani & Owen, 2004），但有研究指出，额叶极可能对高阶执行功能的出现至关重要。例如，据报道，额叶极与“任务集”（Sakai, 2008）、“在没有监督优化的情况下基于奖励预期对认知分支进行处理是核心功能”（Koechlin & Hyafil, 2007）、“门户假设（支持认知核心功能的可能性较高）”（Burgess et al., 2007）和“元认知”（Miyamoto et al., 2018）有关。执行功能被认为具有“热”和“冷”两个方面（Zelazo & Carlson, 2012）。在“冷”方面，韦氏儿童智力量表第五版（WISC-V）WMI任务测量的是工作记忆。字母-数字排序任务与执行功能有关（Wechsler, 2022）。相反，棉花糖实验评估的是“热”方面（Moriguchi, 2019）。在这些任务中，字母数字排序任务与前额叶皮层之间的关系已被确定（Haut et al., 2000）。对于棉花糖实验，其与前额叶皮层之间的关系也已被注意到（Mischel, 2014）。同时，“钢琴”和“珠心算”有时被认为是支持执行功能的熟悉训练内容（Bugos et al., 2007; Wang et al., 2017）。棉花糖实验本身也被描述为一项训练任务（Watanabe, 2022）。在本研究中，珠心算指的是通过在脑海中想象算盘来进行计算（Frank & Barner, 2012）。换言之，可以说珠心算是以实际算盘为基础。在日本，虽然算盘的使用已经大幅减少，但学校还在正式教授算盘课程（日本文部科学省, 2017）。因此，珠心算训练在数学教育中的应用值得探讨。虽然以往研究调查了珠心算训练对前额叶皮层的影响（Tanida et al., 2004），但很少有研究调查珠心算训练对额叶极的影响。然而，珠心算训练涉及特殊的大脑活动，因为这种训练需要与常规算盘训练同样高的能力（Hatano & Osawa, 1983）。因此，可以假设额叶极已被激活。

因此，本研究验证了珠心算训练会影响高级执行功能（额叶极）的假设；也就是说，珠心算具有训练价值。具体而言，这一假设是通过比较字母数字排序任务、棉花糖实验和钢琴演奏任务与珠心算任务的效果来进行检验。为检验这一假设，16通道功能性近红外光谱（fNIRS）设备被用来检查大脑激活情况。近年来，已有各种研究使用16通道功能性近红外光谱设备来检查前额叶皮层的大脑活动情况（Bigliassi et al., 2015; Ozawa et al., 2014; Rodrigo et al., 2016; Takeuchi et al., 2017, 2019; Yeung et al., 2021）。案例研究能够有效识别新问题，因此被采用（George & Bennett,  2005）。

材料与方法

研究对象

研究对象是当地一所公立小学的一名男孩和一名女孩。女孩是一名右撇子的五年级学生（10岁）。男孩是一名右撇子的一年级学生（6岁）。这名女孩从6岁起就开始上日本式算盘学校，从4岁开始上钢琴学校。这名男孩从5岁起就开始上日本式算盘学校，从6岁开始上钢琴学校。

大脑活动测量

2022年8月，对大脑活动进行了10次测量。通常，在每次测量中，每项任务的执行时间相同，任务之间有1分钟的基本休息时间。原则上，执行顺序为随机。这名10岁参与者需要在5分钟内完成字母数字排序、钢琴演奏和珠心算任务，在15分钟内完成棉花糖实验；而这名6岁参与者需要在3分钟完成字母数字排序、钢琴演奏和珠心算任务，在15分钟内完成棉花糖实验。在每项任务执行期间，测量前额叶皮层脑血流中的氧合血红蛋白（Ox-Hb）浓度变化。测量点如图1所示。

任务/协议

字母-数字排序任务

遵循韦氏儿童智力量表第五版的实施和评分手册（Wechsler, 2021）。但不执行中止条件，而是在限定时间内重复执行任务。具体操作是，调查人员一开始说出一串数字和平假名。受试者先按升序说出数字，然后按音节顺序说出平假名。例如，[3-a-1-0]需要被读成[1-3-a-0]。测试内容最初由两部分组成：即数字和平假名。然后，测试内容每次增加1列。如果受试者不能连续记忆相同行数的内容，则再次减少行数，重复进行测试。

棉花糖实验

原则上，棉花糖实验遵循此前所述的程序（Mischel, 2014）。在实验中，棉花糖（或喜欢的零食）被放在桌子上的一个盘子里。然后，实验对象被告知，如果他/她能坚持15分钟不吃棉花糖或零食，那么他/她就能得到双倍的零食；如果不能坚持，那么他/她将无法获得额外的零食。受试者可以按铃停止实验。

钢琴演奏任务

在这项任务中，受试者演奏一首他/她一直在钢琴学校练习的乐谱。

珠心算任务

女孩做一道5个三位数相加的题，男孩做一道2个一位数和3个两位数相加的题。他们需要在限定时间内做尽可能多的题。

计算

大脑测量采用OEG-16H 16通道功能性近红外光谱设备进行（Spectratech,日本）。在前额叶皮层16通道中，每0.655359秒测量一次氧合血红蛋白浓度。使用仪器附带的OEG16软件（Spectratech,日本）收集、分析和输出测量数据。对收集到的数据进行基线校正，采用血流动力学分离方法，并将数据作为大脑功能成分进行分析。将数据输出到Excel文件。

如果获得明显异常结果或无法收集数据，则忽略数据。对于棉花糖实验，采用实验开始后前5分钟的数值。在Excel中计算每次测量时间的平均值。为每个任务的每个通道创建盒须图。对每个平均值、第二个四分位数和四分位数范围之间的差异趋势进行检验。此外，对每个通道进行T检验，以确定珠心算任务的平均值与其他每个任务的平均值之间的差异，并使用社会科学统计软件包（SPSS）计算科恩值（Cohen's d）的效应量。

结果

图2显示了10岁女孩在每项任务中各通道的氧合血红蛋白浓度。在通道7、通道8、通道9、通道10、通道12、通道13和通道16，珠心算任务的氧合血红蛋白浓度高于其他任务。在通道4和通道6，珠心算任务和钢琴演奏任务的氧合血红蛋白浓度高于其他任务。

图3显示了6岁男孩在每项任务中各通道的氧合血红蛋白浓度。在通道1、通道4、通道5、通道7、通道8、通道9、通道10、通道12和通道16，珠心算任务的氧合血红蛋白浓度高于其他任务。在通道2，珠心算任务和钢琴演奏任务的氧合血红蛋白浓度高于其他任务。在通道3、通道15和通道16，钢琴演奏任务的氧合血红蛋白浓度高于其他任务。

两者的共同点是，在通道7、通道8、通道9和通道10，珠心算任务的氧合血红蛋白浓度高于其他任务。注意，通道7、通道8、通道9和通道10对应于额叶极，因为它们位于前额叶皮层的更前面。

表1显示的是使用T检验估计的珠心算任务和其他任务在通道7-10的平均值之间的差异p值，以及科恩值的效应量。珠心算任务的结果与其他任务的结果之间存在显著差异。对于位于前额叶皮层中央的通道7-10，10岁儿童的科恩值为0.79-3.56，6岁儿童的科恩值为0.85-2.83，表明效应量相当大。

讨论

珠心算任务对额叶极的激活情况

本研究发现，在珠心算任务中，额叶极表现特别活跃。在功能性近红外光谱中，氧合血红蛋白浓度的增加反映了维管床和流速的增加（Haida, 2012）。功能性近红外光谱的有效性得到了许多报告的支持（Cui et al., 2011; Sato et al., 2013）。一些研究使用近红外光谱（NIRS）方法，重点关注前额叶皮层的活动情况，通过激活氧合血红蛋白浓度对其进行评估（Ishii-Takahashi et al., 2014; Watanabe et al., 2015; Xiao et al., 2012; Yeung et al., 2020）。然而，针对隐式算法的近红外光谱研究仍然很少。珠心算设计用于模拟实际算盘的使用。算盘的每一行由一颗代表数字5的珠子和四颗代表数字1的珠子组成，这些珠子可根据需要进行移动，以代表不同的数字。因此，显然这项任务会给大脑带来相当大的负担。

与此同时，额叶极仍然是一个人类对其知之甚少的大脑区域（Tsujimoto et al., 2011）。然而，已知该区域在高级认知中可发挥重要作用（Burgess et al., 2007）。该区域还被发现与个体坚持不懈实现目标的毅力有关（Hosoda et al., 2020）。因此，可以合理地假设，要求高级执行功能的珠心算任务可以激活前额叶皮层的额叶极。

使用珠心算训练执行功能

关于执行功能训练的研究和实践仍然难以理解（Moriguchi, 2019）。然而，最近对工作记忆的训练研究表明，尽管工作记忆容量不太可能改变，但其影响具有普遍性，且研究人员正在收集远距离过渡的证据（Jaeggi & Buschkuehl, 2012）。最近，有研究表明，完成设有小目标的学习计划作为额叶极训练，会导致额叶极结构发生变化（即发展）（Hosoda et al., 2020）。因此，可以充分推断，珠心算训练可能对额叶极训练具有一定的价值。

然而，可以想象，尽管这些影响可能并不适用于所有形式的训练，但珠心算训练在解决日常生活中的问题方面，有着重要影响。可用的工作记忆越多，复杂问题的解决就越顺畅。然而，工作记忆容量是有限的。因此，如果计算占用大量的工作记忆，那么在解决问题时，可用于寻找解决办法的空间就会减少（Willingham, 2009）。在这一方面，执行珠心算训练的能力对学习非常有效，因为这有助于工作记忆的空间分配，且对工作记忆的利用有间接的积极作用。

本研究的积极意义

首先，本研究揭示了额叶极此前未被阐明的组成部分，这是神经心理学和认知心理学研究的一个突破，将产生重大影响。此外，通过展示珠心算训练的价值，本研究将对学校、家庭和其他需要实际应用的环境产生重大影响。特别是由于与数学教育密切相关，珠心算对数学教育的贡献非常显著。

结论

本研究采用16通道功能性近红外光谱仪器对6岁和10岁儿童进行珠心算时前额叶皮层被激活的情况进行评估。与字母数字排序任务、棉花糖实验和钢琴演奏任务相比，儿童在进行珠心算任务时，额叶极的激活尤为明显。因此，本研究显示珠心算可能对额叶极训练具有价值。

针对本论文提出的新方法和新见解，为确定高级执行功能，我使用16通道功能性近红外光谱仪器，对珠心算和心理测试（字母数字排序任务、棉花糖实验和钢琴演奏任务）导致的儿童额叶极大脑活动进行了比较，发现珠心算对额叶极的激活程度较高，显示珠心算训练在6岁（低年级学生）和10岁（高年级学生）儿童中都有可能产生效果。注意，考虑到珠心算有可能促进高阶执行功能，且数学教育与珠心算有很强的联系，因此非常有必要积极鼓励在数学教育中教授珠心算。这是因为数学是一门极其依赖计算的学科，且经常涉及需要高级执行功能技能的抽象概念。

本研究的限制因素如下。大脑活动的测量总会受到个体间差异的影响。然而，这些差异并不代表训练中的问题，因为已假定存在这些差异。无论如何，重要的是要澄清这些差异的存在。激活是否构成训练一直是个问题。另一个问题是所需的训练量和由此产生的执行功能强度。这些问题需要开展进一步研究才能回答。

资助情况：这项工作得到了日本学术振兴会（JSPS KAKENHI）科学研究费补助金（KAKENHI）的资助（资助号为JP22K02535）。

致谢：作者要感谢Enago（www.enago.jp）提供英语审核。

道德声明：作者声明，涉及人类参与者的程序已由关西学院大学人类参与者行为研究规范委员会进行了审查和批准（批准号：2020-06；批准日期：2020年6月12日）。参与者的法定监护人或近亲属提供了关于参与本研究的书面知情同意书。

利益关系声明：作者声明不存在任何利益冲突。

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