珠心算练习对儿童认知发展及脑可塑性的影响

提纲珠算、心算和珠心算珠心算相关研究珠心算练习对儿童认知能力的影响

(本实验室工作）珠心算练习对儿童脑结构的影响

（本实验室工作）当前第1页\共有47页\编于星期四\9点提纲珠算、心算和珠心算珠心算相关研究珠心算练习对儿童认知能力的影响珠心算练习对儿童脑结构的影响当前第2页\共有47页\编于星期四\9点一、珠算、心算和珠心算1.1筹算算筹/telecenter/CnHisScience/suanchou.htm十进制│─│─

（1111）祖冲之（公元429～500年），借助算筹作为计算工具，成功地将圆周率π值计算到小数点后的第7位，即在3.1415926至3.1415927之间，成为当时世界上最精确的π值，比西方国家数学家的相同成就要早1100多年。当前第3页\共有47页\编于星期四\9点1.2珠算算盘/telecenter/CnHisScience/suanchou.htm当前第4页\共有47页\编于星期四\9点1.3普通心算和珠心算普通心算主要基于语言策略

数字使用语言表征珠心算视觉、空间策略

数字使用珠像表征385三百八十五385当前第5页\共有47页\编于星期四\9点提纲珠算、心算和珠心算珠心算相关研究珠心算练习对儿童认知能力的影响珠心算练习对儿童脑结构的影响当前第6页\共有47页\编于星期四\9点二、珠心算相关研究行为表现数字记忆加工方式训练效应当前第7页\共有47页\编于星期四\9点2.1珠心算者在计算任务的行为表现哈塔诺等人(Hatanoetal.,1977,Cognition,)考察了珠算专家的计算技能10个珠算专家，完成3-5个十位数字相加结果：珠算专家可以不借助实际的算盘完成这项任务；珠算技能中等的人在完成任务的过程中手指要运动，好像在操作一个实际的算盘一样；在完成任务的同时能够回答数学无关的问题，但是很难回答数学相关的问题他们的实验表明：珠算专家头脑中有一个虚拟算盘；他们对想象的算盘进行操作；珠心算技能与数学认知系统相关当前第8页\共有47页\编于星期四\9点2.2a数字工作记忆的行为学研究哈塔诺和奥萨瓦（Hatano&Osawa,1983,Cognition）在1983年对珠算专家的数字记忆广度进行了研究发现珠算专家在数字记忆广度方面显著优于普通人，但是在其他方面和普通人一样。而且珠算专家在完成数字记忆任务时容易受到视空间任务的干扰，而语言任务对他们影响比较小。珠算专家的数字记忆广度依赖于珠像表征，具有特异性。语言任务的影响视空间任务的影响珠算等级:1)新手2)中等偏下3)中等4)中等偏上5)专家头脑中用来做计算的算盘转化成数字记忆的工具当前第9页\共有47页\编于星期四\9点塔纳卡（Tanakaetal.,2002,NeuroReport）用事件相关的功能磁共振成像实验对珠算专家的工作记忆进行研究发现：普通人

依赖语言工作记忆

神经结构为布洛卡区珠算专家

依赖视空间工作记忆神经结构涉及双侧额上回

和顶上小叶.2.2b数字工作记忆的神经基础当前第10页\共有47页\编于星期四\9点2.3珠心算加工的神经机制哈塔和艾克达（HattaandIkeda，1988，Neuropsychologia）1973年用行为学实验的方式发现：珠心算专家主要使用右脑进行计算普通人主要使用左脑进行计算哈纳卡瓦（Hanakawaetal.,2003，Neuroimage）2003年利用功能核磁共振成像实验发现：珠心算主要依赖二维视空间信息处理相关的神经资源，如前运动区和顶叶后部当前第11页\共有47页\编于星期四\9点台湾学者陈等2006年用功能核磁共振实验得到了与哈纳卡瓦类似的结果Chenetal.,2006,NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearch.fMRIstudy台湾学者吴等2009年用正电子发射断层扫描也得到了和上述两个实验相吻合的结果Wuetal.,2009EurJNuclMedMolImaging,PETstudy当前第12页\共有47页\编于星期四\9点2.4珠心算的训练效应提高计算能力--更快、更准、操作位数更多[斯蒂格勒(Stigler)1984，哈塔诺(Hatano),1977]提高数字工作记忆容量[哈塔诺和奥萨瓦(Hatano&Osawa)1983,哈塔诺等(Hatanoetal.)1987,塔纳卡等(Tanakaetal.)2002]提高儿童的推理能力[艾尔文等(Irwingetal.)2008]当前第13页\共有47页\编于星期四\9点艾尔文等人2008年所做的工作研究了珠心算训练对儿童推理能力的影响[Irwingetal.(2008)PersonalityandIndividualDifferences]苏丹被试量很大：3185，年龄在7到11岁，训练34周，每周训练2小时完成时间得分当前第14页\共有47页\编于星期四\9点当前第15页\共有47页\编于星期四\9点当前第16页\共有47页\编于星期四\9点对珠心算研究的一些结论珠心算练习者的算术计算能力比一般人强珠心算练习者的数字记忆广度比普通人高珠心算使用视空间策略和相应的神经结构来完成心算任务珠心算练习可能会影响到儿童的智力发展当前第17页\共有47页\编于星期四\9点局限和存在的问题被试大多都是成人都是视觉刺激珠心算者采用视空间策略几乎不关注珠心算对练习者的数字认知是否产生影响较少关注珠心算技能是否发生了迁移没有关注珠心算练习对脑可塑性的影响珠心算儿童是否有类似成人的心算网络？听觉和视觉刺激模式下的心算网络是否有差异？珠心算练习是否对数字的自动化加工产生影响？是否对练习者的数量表征产生影响？珠心算练习是否对儿童的工作记忆产生影响？是否对儿童的心理表象操作产生影响？珠心算练习是否影响到脑的结构？当前第18页\共有47页\编于星期四\9点提纲珠算、心算和珠心算珠心算相关研究珠心算练习对儿童认知能力的影响珠心算练习对儿童脑结构的影响当前第19页\共有47页\编于星期四\9点1.珠心算儿童是否有类似成人的心算网络？8个珠心算儿童(女生4个,年龄11.75±1.39岁)8个对照儿童(女生4个,年龄12.29±0.38岁)珠心算组被试的练习时间为4–6年(平均年龄5.5年)，每天练习0.5–1h被试当前第20页\共有47页\编于星期四\9点加法任务下fMRI的激活模式在复杂心算时珠心算专家组和对照组参与的脑区，专家组顶上小叶后部与视觉空间表征相关的区域有显著激活，而语言区域则没有参与，对照组则相反。珠心算组被试在简单任务中的脑激活珠心算被试在复杂任务中的脑激活对照组被试在简单任务中的脑激活对照组被试在复杂任务中的脑激活当前第21页\共有47页\编于星期四\9点儿童也有类似成人的珠心算网络从儿童在简单和复杂两种任务下的脑激活模式来看，双侧颞叶后部可能和静态珠像的识别更相关；而双侧顶叶后部和前运动区可能和珠像更新操作更相关当前第22页\共有47页\编于星期四\9点2.听觉和视觉刺激模式下的心算网络是否有差异？听觉视觉当前第23页\共有47页\编于星期四\9点3.珠心算练习是否对数字的自动化加工产生影响？数字自动化加工被试：本研究包括30名年龄在9-11岁珠心算儿童（男17人，女13人，平均年龄=10.20±0.535岁）和30名同样年龄段的普通儿童(15男，15女，平均年龄

=10.08±0.543岁)研究范式：数字冲突实验（stroop）中性条件顺应条件冲突条件数字任务形状任务产生效应易化干扰当前第24页\共有47页\编于星期四\9点在形状比较时，珠心算组的干扰效应要显著大于对照组（反应时：t(54)=-2.578,p=.013,准确率：t(54)=-2.841,p=.007）。反应时：准确率：干扰率=（冲突-中性）/中性；易化率=（中性-顺应）/中性数字比较反应时形状比较反应时数字比较正确率形状比较正确率易化干扰易化干扰易化干扰易化干扰易化\干扰率易化\干扰率易化\干扰率易化\干扰率对照组珠心算组当前第25页\共有47页\编于星期四\9点4.珠心算练习者是否对练习者的数量表征产生影响？两组都显著p<0.025，组间差异不显著对照组：

t(26)=-1.121,p>.10珠心算组：t(28)=-3.550,p<.005斯纳克（SNARC）效应：数字圆点珠算组对照组（右手反应时-左手反应时）=常数项

+K*(数量大小)数字大小与5比较圆点多少与5比较数字数字当前第26页\共有47页\编于星期四\9点距离效应距离效应有组间差异t(54)=3.462,p=.001反应时=常数项+K*log(距离)数字圆点距离效应没有显著组间差异珠算组珠算组对照组对照组距离距离当前第27页\共有47页\编于星期四\9点结论：珠心算练习对练习者的符号数量表征影响大，而对非符号的数量表征影响较小。当前第28页\共有47页\编于星期四\9点5.珠心算练习是否对儿童的工作记忆产生影响？数字（t=5.43,P=

0.00）字母(t=4.65,P=0.00)数字记忆广度与字母记忆广度是显著相关的(r=0.53,P=0.00)Huetal.,2010HBM,accepted儿童的珠心算训练也许会将对数字的记忆特长迁移到其它对象，比如字母。1.短时记忆广度：字母广度数字数字和字母记忆广度珠心算组对照组数字与字母记忆广度的关系数字字母数字广度记忆广度数字广度当前第29页\共有47页\编于星期四\9点Nback实验方式数字的0-back2-back空间位置的0-back2-back发现珠心算儿童和普通儿童在数字和空间位置的0-back、2-back任务中的准确率和反应时均无显著差异。2.工作记忆当前第30页\共有47页\编于星期四\9点

6.珠心算练习是否对儿童的心理表象操作产生影响？当前第31页\共有47页\编于星期四\9点心理旋转fMRI结果当前第32页\共有47页\编于星期四\9点提纲珠算、心算和珠心算珠心算相关研究珠心算练习对儿童认知能力的影响珠心算练习对儿童脑结构的影响当前第33页\共有47页\编于星期四\9点训练与脑的可塑性已有大量研究表明特殊技能的训练能够改变脑的物质结构比如音乐训练[Bengtsson,etal.2005;GaserandSchlaug2003;Imfeld,etal.2009;SchmithorstandWilke2002],高尔夫运动[Jancke,etal.2009]等等。当前第34页\共有47页\编于星期四\9点问题珠心算训练是否会影响到脑结构呢？如果是，那么这种训练引起的脑结构变化发生在呢些地方？当前第35页\共有47页\编于星期四\9点珠心算练习对儿童脑结构的影响假设：珠心算训练会对运动及视空间信息加工相关的神经通路（fibertracts）产生影响当前第36页\共有47页\编于星期四\9点被试组别性别年龄男女范围均值标准差珠心算组15109.61-11.5810.480.58对照组13128.89-11.5110.230.52珠心算组持续练习时间超过3年，期间每周练习3-4小时当前第37页\共有47页\编于星期四\9点脑的物质结构当前第38页\共有47页\编于星期四\9点脑的解剖名称当前第39页\共有47页\编于星期四\9点当前第40页\共有47页\编于星期四\9点当前第41页\共有47页\编于星期四\9点弥散扩散张量成像（DTI），直接测量的是水分子在脑组织中的扩散系数，能间接反映脑组织的结构形状各向异性分数(FA,0~1),综合反映脑组织中神经纤维的密度、排列的整齐度、神经元的直径和白质中突触髓鞘化的情况。[巴瑟尔(BasserP.J.1996)]径向扩散系数:Axialdiffusivity(D//orAD)

横向扩散系数:R