（基础心理学专业论文）儿童数字认知的特征及其神经机制.pdf

摘要 数字认知是数学认知研究领域的一个核心问题，了解儿童数字认知 的特征及神经机制，有助于科学地认识和发展儿童的数学能力。本研究 采用视觉事件相关电位技术，对儿童数字认知的加工特征进行了探讨。 被试为1 6 名小学4 - 5 年级的学生，刺激材料选用阿拉伯数字和点阵数 字。实验任务分为两个，实验一要求被试判断从1 到9 ( 除5 ) 的阿拉 伯数字或点阵数字的数量是大于还是小于5 ( 5 点) ，目的在于考察儿童 数量认知的特征；实验二要求被试判断从1 到9 ( 除5 ) 的阿拉伯数字 或点阵数字的数序是排列在5 ( 5 点) 的前面还是后面，以考察儿童数 序认知的发展状况。实验结果如下： ( 1 ) 数量大小判断任务中：在早期知觉加工阶段，阿拉伯数字的p 1 波幅大于点阵数字，而点阵数字n l 的波幅则大于阿拉伯数字，但两类 刺激的p 1 和n 1 的潜伏期均不存在差异。在语义表征阶段，阿拉伯数字 的p 2 波幅大于点阵数字，潜伏期小于点阵数字。 ( 2 ) 数序前后判断任务中：在早期知觉加工阶段，阿拉伯数字，p 1 的波幅大于点阵数字，而点阵数字n 1 的波幅则大于阿拉伯数字，但两 类刺激的p 1 和n 1 的潜伏期均不存在差异。在语义表征阶段，两类材料 之间不存在差异。 ( 3 ) 不论是在数量大小判断还是数序前后判断任务下，在早期加工 阶段，阿拉伯数字与点阵数字之间表现出相似的认知特征，但在语义表 征阶段不存在这种现象。 关键词：数字认知，数量判断，数序判断，语义表征，e r p a b s t r a c t n u m e r i c a lc o g n i t i o ni sc r u c i a la n dac e n t r a lp r o p e r t yo f m a t h e m a t i c a l c o g n i t i o n ab e t t e r u n d e r s t a n d i n g o ft h e c h a r a c t e r i s t i c sa n di t sn e u r a ls u b s t r a t e so fc h i l d r e n s n u m e r i c a lc o g n i t i o nc a nb ei l l u s t r a t e di nt h eg o a lt ou n d e r s t a n d c h i l d r e n sn u m e r i c a la b i l i t i e s t h ep r e s e n ts t u d yi n v e s t i g a t e d t h e s p a t i o t e m p o r a l c o u r s eo fn u m e r i c a l c o g n i t i o nc o d i n g o p e r a t i o n su s i n ge v e n t r e l a t e dp o t e n t i a l s ( e r p s ) s i x t e e n4 - 5 g r a d ep r i m a r ys c h o o ls t u d e n t sp e r f o r m e daq u a n ti t yt a s k ( j u d g e n u m b e r sa ss m a ll e ro rl a r g e rt h a n5 ) a n da no r d e rt a s k ( j u d g e n u m b e r sa sc o m i n gb e f o r eo ra f t e r5 ) o nt h es a m em a t e r i a l ( a r a b i c n u m e r a l sa n das e to fv i s u a l l yp r e s e n t e dd o t so fac e r t a i nn u m b e r ) r e s u l t sa sf o ll o w e d ： ( 1 ) i ne x p e r i m e n t1 ，o nt h ee a r l yv i s u a li d e n t i f i c a t i o ns t a g e ， w h i c hw a sa f f e c t e db ys t i m u l im a t e r i a l ，s h o w sa l a r g e rp 1 a m p li t u d et ot h ea r a b i cm a t e r i a lt h a nd o t s ，a n dag r e a t e rn 1 a m p li t u d et ot h ed o t st h a na r a b i cn u m e r a l s ，b u tb o t hl a t e n c yh a v e n o s i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s d u r i n gs e m a n t i cr e p r e s e n t a t i o n p r o c e s s i n g ，s h o w sg r e a t e rp 2a m p l i t u d et ot h ea r a b i cn u m e r a l st h a n d o t s ，b u ts h o r t e rl a t e n c y ( 2 ) i ne x p e r i m e n t2 ，o nt h ee a r l yv i s u a li d e n t i f i c a t i o n s t a g e ，w h i c hw a sa f f e c t e db ys t i m u l im a t e r i a l ，s h o w sal a r g e rp 1 a m p li t u d et ot h ea r a b i cm a t e r i a lt h a nd o t s ，a n dag r e a t e rn 1 a m p li t u d et ot h ed o t st h a na r a b i cn u m e r a l s t h e r ei sn o s i g n i f i c a n td i f f e r e n c ed u r i n gs e m a n t i cp r o c e s s i n g ( 3 ) t h ev i s u a li d e n t i f i c a t i o ns t a g ew a sa f f e c t e db ys t i m u l u s n o t a t i o no nt w oe x p e r i m e n t a lt a s k s ，b u ts e m a n t i cr e p r e s e n t a t i o n isn o t a t i o n i n d e p e n d e n t k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o g n i t i o nm a g n i t u d ej u d g m e n t o r d e rj u d g m e n ts e m a n t i c r e p r e s e n t a t i o ne v e n t r e l a t e d p o t e n ti a l ( e r p ) 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 黟钓缸 少7 旷午多月荀日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密时。 、( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：穗p 甄知日期：3 0 。睥、，月g 日作者签名： l 畅抛知 日期：3 0 0 脚，月器日 导师签名：厅鼍懈日期猢年上月金g 日 v j 儿童数字认知的特征及其神经机制 1 绪论 人类在认识和探究世界的过程中，数字符号起着十分重要的作用， 通过对数字符号的学习、掌握和运用，个体认识事物的能力逐渐提高。 数字符号( 如阿拉伯数字、言语数字) 的产生在人类的历史文化进程中， 是一个重大的发明，但人类对数概念的意识却是古老的。很多研究显示， 除人类以外，某些灵长类动物同样能对数字进行表征。数字及数概念 对人类而言，既是形成人类更高级数学能力的基石，也是日常生活不可 缺少的一部分。 1 1 数学认知与数字认知 作为人类最重要的高级认知功能之一的数学认知，其意义可以从两 个方面来解释。广义而言，一切与数学有关的思维活动都可以被看作是 数学认知；具体而言，数学认知领域研究的是数字和数学能力认知与神 经加工过程的潜在机制。数学认知包括了三个基本成分：数字认知、算 术知识和计算心1 。个体只有在认识并理解数字的基础上才能形成算术知 识，并进行计算。因此，有关大脑是如何表征数字成为该领域所关注的 一个重点，即数字认知( n u m e r i c a lc o g n i t i o n ) 。一般来说，数字认知 是指个体对数字的认识活动，是大脑对数字的特征进行有效识别、判断 并作出合理反应的过程。 在数字认知中，数字的意义将随语境的不同而异。w i e s e 口1 ( 2 0 0 3 ) 指出，数字在不同的语境中含义不同：数的量( 即“多少 的含义，如 8 ) 、数的序( 即“第几 的含义，如第8 ) 、标签( 如8 号) 。一个数字 不仅能表达数量的含义，而且能传达它在一个常规序列中相对位置的信 息，即数的顺序含义。因此，在认识数序的过程中，也必然包含数量的 认识。同时，这种数的顺序意义，还广泛的存在于其他非数字序列当中， 如字母表、星期和年月等。 1 2 数字认知过程的理论解释 关于数字认知现象的解释，许多的研究者进行了大量的探讨。在广 硕士学位论文 泛研究的基础上，提出了一系列的理论模型，其中主要包括数量表征模 型和数序表征模型，并且在每一模型中都包含了一些具体类型。 1 2 1 数量表征模型 目前数字认知的研究主要集中在符号和数量表征的问题上，特别是 数量表征的特点和形式，并采用不同的数学模型进行了解释。其中 m c c l o s k e y 等人提出的抽象表征模型( 亦称m c c l o s k e y 模型) 以及 d e h a e n e 等人提出的三重编码模型( t r i p l e c o d em o d e l ) 最具代表性。 1 2 1 1m c c lo s k e y 模型 2 0 世纪9 0 年代初，m c c l o s k e y b l 等人提出一个有关数字认知的模型。 这个模型强调数字抽象语义表征系统的重要性，提出在数字输入、计算 和输出过程中，不论数字的符号形式如何，都必须经过内部抽象语义表 征系统转换为统一的内部抽象编码，再由抽象编码转化为具体的数字形 式而输出。与此同时，个体内部还具有一套与内部表征系统相对独立的 计算程序。数字的计算是数字输入转化为内部抽象编码后，再提交给计 算程序进行运算的过程。简言之，从数字输入到数字输出之间只有一条 通路，不论输入数字的形式如何，个体都将其转化为语义表征，然后通 过语义表征再转化为具体的数字形式。因此，该数字表征模型又被称为 语义表征理论。w a r r i n g t o n 等人1 在研究中发现，数字计算过程与数字 的输入输出过程在临床上表现出双重分离现象，其结果支持m c c l o s k e y 模型。 1 2 1 2 三重编码模型 虽然m c c l o s k e y 模型能够在一定程度上解释个体的数字认知过程， 但仍然受到了质疑。一些研究者通过脑损伤病人的研究“，指出个体无 须以抽象编码作为中介，便能实现阿拉伯数字和言语数字之间的直接转 化。i 临床发现，有的病人虽然数字理解过程正常，但在计算任务中，当 刺激分别以阿拉伯数字和言语数字形式呈现时，却表现出对两种数字符 号系统不同的表征形式与理解机制。因此，d e h a e n e 与c o h e nc 等提出三 重编码理论模型( t r i p e c o d em o d e l ) ，对m c c l o s k e y 模型进行修正。 三重编码理论模型认为，不同类型的数字加工往往涉及不同脑区， 儿童数字认知的特征及其神经机制 其中脑顶内沟是内部数字表征的优势区域。d e h a e n e 指出，数学认知能 力由三个功能模块组成：量的类比表征模块表征数字的意义，如大小和 数量等，它的优势的区域在大脑双侧的顶区，主要负责数字比较、快速 识量和估算等任务的操作；视觉一阿拉伯数字编码模块则主要负责加工 与数字的视觉物理特性有关的任务，受到数字字符号特征的影响，这种 符号既可以是书面的视觉的，也可以是存在于头脑中的数字符号的“表 象 ，这个模块主要负责阿拉伯数字的加工、多位数运算、奇偶判断等 认知功能，优势区域在大脑双侧颞枕区；听觉一母语编码模块则与个体 的语言感觉有关，主要负责加工与母语数字有关的任务，数字的表现形 式可以是视觉的，也可以是听觉的，它主要负责精确的运算、数数、数 学知识的存贮与提取等认知功能，其优势区域在左下额叶。三类功能模 块是彼此独立的，各自加工和操作不同形式的数字编码，并与不同的数 字认知能力相关，三者之间主要采取转换编码形式来互通。目前，已有 许多实验结果支持三重编码理论模型。例如，有些病人在遭受脑部创伤 后，虽然能理解和复述口头数字或本族语数字，而且能够利用此类形式 的数字进行计算，但却丧失了处理阿拉伯数字的能力。 1 2 2 数序表征模型 。 目前，关于数字的数序表征研究并不多，因而有关的理论模型大多 不很成熟，其中有代表性的是位置编码模型( p l a c e c o d i n gm o d e l s ) 和量值编码模型( m a g n i t u d e c o d i n gm o d e l s ) 。 1 2 2 1 位置编码模型( p 1 a c e - c o d i n gm o d e ls ) 位置编码模型阻1 假设，每个数字都会极大程度地激活数字线上的相 应位置，其最大强度在目标位置，同时向邻近位置传播，并随着距离增 大而减弱。例如，数字5 激活数字线上5 的位置，并传播到相邻数字4 和6 ，距离5 越远，激活越弱。因此，根据位置编码模型，一个数字仅 激活数字线的一部分( 限定的) ，就像一个带通滤波器。 n i e d e r 阳1 等人的一项研究支持了位置编码效应。实验中，研究者采 用“数字延迟匹配 任务对猴子进行研究，发现存在“数字选择神经元”。 这些神经元显示出典型的位置编码效应特征，即一个神经元对某一个数 硕士学位论文 字最大程度的作出反应，但对其邻近数字的反应则随距离的增加而减 弱。 对位置编码模型来说，它只能对数序表征做部分解释，因为模型中 数序的编码被局限于目标数字周围的一部分，而不是整个序列。例如， 数字8 激活数字线上8 的位置以及邻近数字7 和9 ，而数字3 激活2 、3 和4 ，这就很难判断在序列中，3 是出现在8 的前面还是后面( 数字线 上没有叠加，分别是2 - 3 - 4 和7 8 9 ) 。因此，位置编码模型不能全面地 解释数序表征。 1 2 2 2 量值编码模型( m a g n it u d e c o d i n gm o d e ls ) 量值编码模型n 们的解释范围包括一个从起始数字到目标数字的完 整区域，它就像一个温度计或累加器，小数字的激活范围是大数字激活 范围的子集。例如，数字4 激活1 、2 、3 、4 ，而3 激活l 、2 、3 ，因此 3 的激活范围是4 的子集。 根据量值编码模型，数序的表征能激活所有比目标数字小的数，是 一个无遗漏的范围，数序的关系可根据数量信息而推导。例如，可以根 据3 比5 的量值小而推断3 在5 的前面。由于这个模型不能很好地解释 诸如非数字信息的序列表征问题，因而它也存在一些缺陷。 1 3 数字认知的国内外研究 早在2 0 世纪6 0 年代，研究者们就开始采用认知心理学的方法对成 人阿拉伯数字的加工特征进行了研究。随着一系列采用不同实验材料和 加工任务研究的展开，数字认知的问题大小效应、距离效应、s n a r e 效 应等被一一揭示。近年来，伴随着认知心理学和认知神经科学的发展， 研究者们开始将心理学的行为实验与p e t 、f m r i 、e r p s 等无创伤性脑功 能成像技术相结合，对数字加工的过程、不同表征形式的数字认知特点、 数字加工的皮层定位等进行了系统直观的研究。 1 3 1 数字认知的行为学研究 1 3 1 1 问题大小效应 问题大小效应( p r o b l e ms i z ee f f e c t ) 是指在数字相关任务或计算 任务中，个体的反应时和错误率随数字数量的增大而提高的现象。即在 儿童数字认知的特征及其神经机制 对两个数字进行比较时，反应时和错误率会随两个数字绝对值之和的增 大而提高。例如，对7 和8 做比较判断的反应时要显著大于比较2 和3 的反应时。研究者认为，当数字被模拟表征到心理数字线上时，大数字 与其邻近数字的间距比小数字与其邻近数字的间距更小。因此，与小数 字相比，大数字之间更难分辨，从而产生问题大小效应或数量效应3 。 研究者们采用不同的刺激材料，如阿拉伯数字、文本形式的数字单 词、点阵、两位数字等进行了许多实验，均发现了问题大小效应，表明 该效应不会受到数字符号内容的影响。 1 3 1 2 罡巨离效应 在数量比较任务中存在这样一种现象：一个数字与距离它近的数字 相比较时，其反应时比距离远的数字要长，这种现象被称为距离效应 ( n u m e r i c a ld i s t a n c ee f f e c t ) 。m o y e r 和l a n d a u e r n 羽首次在阿拉伯数 字的比较任务中发现了距离效应。后来，这种效剧1 3 3 在一位数字、两位 数字、线段长度，点阵数量，物体大小等的比较任务中均被发现。因此， 研究者们认为，由于具体数量或数字首先被转化为一种抽象的数字基线 表征方式，然后再进行比较，造成在数字基线上，距离近的容易混淆， 比较的难度增大，而距离远则比较的难度相对较小，由此产生距离效应。 另外，由于数字相应数量的抽象表征，是一种从左到右的连续体形 式或数字线( n u m b e rl i n e ) 。因此，被试在判断诸如字母表n 们和月份顺 序n 乱等非数字序列时，同样存在距离效应，表明数量和顺序信息的加工 可能都是根据一个连续的( 数量或非数量) 纬度编码的相对位置来进行 的。 1 3 1 3s n a r c 效应。 d e h a e n e n 町等人在实验中发现，数字大小与双手反应速度之间存在 某种对应关系：对较大的数字，右手比左手反应快，而对较小的数字左 手反应比右手快。为此，他们将这一关系称为空间一数字的反应编码联 合效应( s p a t i a ln u m e r i c a la s s o c i a t i o no fr e s p o n s ec o d e s ) 。 s n a r c 效应被认为是一个内部幅度表征自动的激活，它是一种从左 至右的数字线的形式( 小数在左边，大数在右边) 。之所以出现左手对 硕士学位论文 小数字反应块，而右手对大数字反应快的现象，说明在数字( d , 大) 和空间( 左右) 的抽象表征的水平上，也许存在一个它们交互作用的 中心点。近年来在对字母表n 钊、月份顺序n 5 1 以及一个星期的天数顺序研 究中发现，不管是在顺序相关的任务( 如判断字母是在一个给定的标准 字母的前面还是后面) 还是顺序不相关的任务( 如辅音和元音的分类) ， 都显示了s n a r e 效应，表明非数字序列的内部表征也许是空间编码的。 1 3 2 数字认知的神经学研究 1 3 2 1 神经机制 相关的行为学实验虽然揭示出数字加工过程的某些效应，但无法对 数字处理的脑机制作出合理解释。目前，大量有关数字加工的脑机制研 究，主要集中于探讨数字认知的半球优势以及皮层定位等问题。 在数字加工的优势半球问题上，一直以来存在较大争议。一些研究 认为是左脑或右脑优势，另一些人则认为是前额叶双侧优势n 刀。1 9 8 9 年 至2 0 0 0 年，r o s s e l l i 、a r d i l a n 胡等学者相继对左右半球病变患者的数 字加工进行研究，实验结果均表明，左半球或右半球受损都会对患者的 数字加工带来一定程度的影响。右半球受损，会导致患者数字运算和数 字比较出现障碍。左半球受损，则会影响患者读数与连续数字运算，但 对数字大小比较不构成影响n 引。国内也有研究表明，数字加工障碍与左 右半球受损均有关联，并且左半球病变患者的计算功能障碍明显较右半 球病变严重瞳0 1 。 同时，在对割裂脑病人的数字加工进行研究时发现，呈现于病人左 半球的数字能被正常的命名，而呈现于右半球的则不能。由于割裂脑病 人只能计算呈现于左半球的数字，因此，当数字呈现于右半球时，他们 连简单的运算操作都无法完成，右半球所具有的唯一的计算能力只是求 近似值啪1 。 从上述研究中可以得到一个重要结论，即大脑左右两半球都参与数 字加工，只是各自的加工内容存在不同。 另外，有关数字认知的皮层定位研究中，从1 9 世纪末开始，一些神 经心理学的研究结果发现，在脑的特定部位受损后，病人的数学认知将 儿童数字认知的特征及其神经机制 会发生障碍，但并不影响他们的其他功能，如语言、记忆等。这促使研 究者思考，是否在人脑内部存在特定的数字认知区域。由于病人损伤的 部位存在深浅、大小的差异，受当时的技术条件限制，研究者很难进行 精确的皮层定位。随着p e t 和f m r i 等具备较高空间分辨率的成像技术的 运用，近年来研究者对数字认知的脑结构与功能基础进行了较为深入的 研究。 目前的研究结果均表明，顶叶是数加工的优势区域，特别是脑顶内 沟( i p s ) 。d e h a e n e 乜和他的同事们认为，数的加工涉及到三个顶叶环 路：1 ) 脑顶内沟的水平部分( h o r i z o n t a ls e g m e n to ft h e i n t r a p a r i e t a ls u l c u s ，h i p s ) 。脑成像显示，它是数加工的一个主 要激活部分，且不受数字形式限制，在数量加工时激活增强，可能类似 于一个空间的地图或“数字线”( n u m b e rl i n e ) ：2 ) 左角回联合左半球 的外侧裂区( l e f ta n g u l a rg y r u sa n dl e f t h e m i s p h e r i cp e r i s y l v i a n ) ， 这一区域支持言语数字形式的操作；3 ) 双侧的后上顶叶系统( b i l a t e r a l p o s t e r i o rs u p e r i o rp a r i e t a ls y s t e m ) ，支持心理数字线的注意朝向 操作，涉及到空间位置的选择。h i p s 区域在基本的数量表征和操作中， 起着一个中心作用。 对项叶区域而言，它的激活并不局限于数量的加工，也涉及到顺序 任务的加工。m a r s h u e t z 嘧1 等人指出，数量和非数字序列的加工具有相 同的神经基质。与数比较任务一样，由先前的学习记忆来判断两个字母 的顺序，同样激活了双侧顶叶皮质。一项f l v l r i 研究也发现3 ，数量和 非数字序列加工的联合反应都能激活脑顶内沟( i p s ) 。其中，数量任务 是比较数字和角度大小，非数字序列任务是判断字母在字母表中的相对 位置和一个圈中点的方向。 总之，很多研究都显示顶叶区域也涉及到非数字序列任务的加工， 不管这些序列任务是从短时记忆乜刀还是长时记忆当中提取，都会激活顶 叶区。 1 3 2 2e r p s 研究 事件相关电位技术( e r p s ) 具有精确到毫秒的高时间分辨率，通过 硕十学位论文 记录数字加工过程不同阶段、不同脑区的电位变化，能较好地研究数字 加工的神经机制。相对于其他认知领域，数字加工的e r p 研究较少。在 为数不多的研究中，d e h a e n e 口1 采用e r p 和相加因素法，运用阿拉伯数字 和英文数字1 、4 、6 、9 与5 分别进行数量大小比较，对成年人的数量认 知特征进行了考察。根据研究结论，他认为数字加工( 数量比较过程) 可分为三个连续阶段：视觉辨认阶段( 相应于n 1 成分) ：这一阶段受 刺激符号的影响，激活双侧( 阿拉伯数字) 或左侧( 言语数字) 的颞枕 区；抽象数量比较( 语义表征) 阶段：发生在右侧的项一枕一颞区域( p 2 p 点及部分p 3 成分) 。数字比较和选择阶段：运动皮质被激活( 大小判 断反应) 。这些阶段没有重叠，能有效地对数字进行加工。 t e m p l e 和p o s n e r 瞳钔等人以成人和5 岁的儿童为被试，采用阿拉伯数字 和点阵列为刺激材料，考察材料对个体数量判断的影响。结果发现，成 人和5 岁儿童的数量判断比较都发生在项区，说明数量比较机制在个体 发育的早期就已形成，且数字符号形式对数字加工具有影响，阿拉伯数 字和点阵列的数量比较阶段发生在刺激呈现后约2 0 0 m s 。在此基础上， l i b e r t u s 嘶3 等人应用e r p 继续考察这种符号形式对数字加工的影响，研 究采用相同的材料( 阿拉伯和点阵) ，结果发现：在阿拉伯数字条件下， 诱发的p 2 p 成分( 2 1 0 2 5 0 m s ) 显示了明显的数字距离效应。而该研究的 第二个实验采用了大数值( 8 、1 0 、1 1 、1 2 、1 9 、2 0 、2 3 、3 0 ) 和1 5 进 行数量大小比较，发现在两种刺激形式下( 阿拉伯数字和点阵列) 都显 示了明显的距离效应，这说明数量比较在抽象的语义加工阶段是独立于 符号输入形式的。在另一项研究中，研究者采用听觉形式呈现刺激，考 察字母的顺序表征嘶1 ，实验材料为匈牙利语发音的数字( 1 、4 、6 、9 和 5 进行大小比较) 和字母( a 、d 、f 、i 和e 进行顺序判断) 。结果 发现，不论是数字还是字母都引起了顶部p 2 波幅、额部n 2 与顶部n 2 潜伏 期的变化。同时，随着距离的变大，顶区p 2 的波幅增大，额区与顶区n 2 的潜伏期提前，出现了明显的距离效应，也反映出数量和字母顺序的编 码具有实质性的差异。 t u r c o n i j e m e l 瞳刀等人应用e r p 技术，研究了数量比较和顺序判断 儿童数字认知的特征及其神经机制 的关系，发现它们的加工存在时空差异。实验中，研究者采用阿拉伯数 字1 1 至i 1 9 ( 除1 5 ) 与1 5 进行数量大小比较和数序判断，以及字母顺序判 断( 判断字母i 到q ( 除m ) 是在m 的前面还是后面) 三个任务。结果显 示，每个任务在时间进程和脑电地形图上都有差异：字母加工的距离效 应诱发了位于顶叶双侧的n 1 和n 2 ；双数字数量加工的距离效应诱发了一 个位于项叶左侧的p 2 成分；数序加工诱发了一个延时的双侧效应。三个 任务都激活了额区，但是数序加工的激活更加显著。 1 4 儿童数字认知的研究 关于儿童数学认知能力的研究有着悠久的历史，研究者们从不同的 角度出发提出了各自的理论观点。c o l b u r n 乜明早在1 8 4 2 年就提出了数概 念获得的感知学习理论( t h e o r yo fp e r c e p t u a ll e a r n i n g ) ，成为儿童 早期数学认知能力发展研究领域的先驱。其理论观点是：儿童在获得抽 象的数概念过程中，往往借助于对现实生活中具体可感事物的数量的掌 握。在现实生活中，随着经验的丰富，儿童将获得的抽象概念运用到多 种情境之中，从而逐渐掌握了抽象的数字运算。数学认知能力为儿童认 知能力发展的一个重要方面，而数字认知能力是数学认知能力的主要 内容。数字认知的发展反映了儿童思维由具体实物表征向抽象表征的发 展过程，是思维或认知发展的一个重要方面，儿童数字认知能力的建立 是其数学能力发展的前提和基础。以往对儿童数认知的研究发现，儿童 早期数字认知的发生与发展经历了一个极为复杂的过程汹1 ，儿童对数概 念的认识离不开实物的支撑。通过对具体感知实物或实物的表征，儿童 既逐渐领会了数量的含义，即数值所反映的物体量的特征；也逐渐掌握 了数序的含义，即数字所反映的物体在总排列中的次序和位置。因此， 数量概念对建构数量关系意义重大。例如，儿童在点数两列物体后，得 到了一组为“3 ”，另一组为“2 ”，并在直观上得出“3 ”个物体多于“2 ” 个物体的结论。经过尝试不同的情境和可感知的物体，最终形成了抽象 的3 大于2 的认知，即掌握了3 与2 之间的数量关系。 b r a n n o n 啪1 采用三个实验，研究了婴儿的“数序知识 的能力。在 前两个实验中发现，1 1 个月大的婴j l , b 皂区别升序和降序的差异，但9 硕十学位论文 个月大的婴儿却做不到，说明1 1 个月大的婴儿具有区分数字之间谁大 谁小的能力，且这种能力是婴儿在9 个月到1 1 个月大之间发展起来的。 在第三个实验中，9 个月大的婴儿能有效区分单方块大小变化的序列， 说明婴儿非数字顺序判断能力的发展先于数字顺序。此外，b r a n n o n 口妇 的另一项研究考察了2 岁和3 岁儿童的数序知识能力，结果显示，2 岁 大的儿童完全具有数字辨别能力，并且他们还能表征6 以内的数字顺序 关系。但是，那些不具备任何言语数字知识的儿童却不能做出顺序判断。 对此，f u s o n 口3 认为，儿童的数序和数量理解能力的发展是处于不同阶 段的。w y n n 2 1 亦指出，儿童在学习背诵数字序列时，先理解数的顺序概 念，然后才发展出对数字数量意义理解的能力，即儿童刚开始并不理解 数序相应的数量概念( 知道5 在4 的后面，并不明白5 比4 大) 。数量 和数序在个体发展中的这种不同步，也许说明存在两种表征系统。儿童 认知心理学家p i a g e t b 3 3 强调，儿童数学概念的获得，是数量概念和数序 概念共同参与作用的结果，而且只有达到了数概念的守恒，才算儿童真 正掌握了数概念。 1 5 以往研究存在的不足 在以往的数字认知研究中，数量的意义一般被认为是最重要的。大 量的数字认知研究也主要阐明数量是怎样表征、加工和执行的，且其研 究对象主要是针对成人，所得结论是否适合于儿童的发展特征，尚需要 进一步验证。另外，有关数字的数序研究目前并不多，对数序的神经基 础以及它和数量认知的关系并不是很清晰。因此，有必要对数序加工的 特征作进一步的了解。 我国对于儿童数学能力问题的研究，长期以来主要是从儿童认知发 展的角度进行探讨，从认知神经心理学角度来考察儿童数学能力的认知 特征较少。发展心理学研究表明，儿童对数量与数序概念的掌握存在明 显差异。因此，对儿童数序认知特征及神经机制进行较深入探讨很有必 要。 1 6 本文的研究假设与构想 目前，在认知神经科学的研究领域，主要采用f m r i 、p e t 和e r p 1 0 儿童数字认知的特征及其神经机制 等手段，对个体的认知活动的脑机制开展研究。相对于其他认知领域， 数字加工的e r p 研究尚不多见，并主要局限于成人的研究，较少涉及儿 童。以往研究发现，儿童数概念的发展随年龄的增长而提高，7 8 岁是 儿童数概念的萌芽期，9 - 1 0 岁是初步掌握期，1 l 岁时进一步发展期口副。 因此，本研究采用e r p s 技术，考察小学4 5 年级的学生在进行简单数 字加工( 数量大小和数序前后) 时e r p s 的特点，比较数量加工和数序 加工的异同，以及数字加工过程的不同阶段、不同脑区的电位变化，以 了解儿童数字认知的特征及其神经机制，为儿童数字加工脑机制和认知 机制的系统研究提供一些实证依据。 本文的研究假设为： ( 1 ) 儿童对数量与数序的认知过程均受刺激材料的影响，表现出 不同的脑机制特征 ( 2 ) 儿童的数量加工和数序加工之间存在差异 2 实验研究 2 1 实验一：数量大, j , - 手l j 断 2 1 1 研究方法 2 1 1 1 研究对象 2 0 名被试者参加本试验( 1 0 男1 0 女) ，均为长沙市某小学4 5 年级 的学生，身体健康，视力或矫正视力正常，均为右利手，年龄在1 0 - 1 1 岁之间，平均年龄1 0 4 5 岁。智力正常，无任何精神疾患，实验后获得 一定奖励。 正式实验后，4 人数据因为脑电数据伪迹干扰太大等原因被剔除， 最终1 6 人的脑电数据纳入统计分析。在这1 6 名被试中，男生8 名，女生8 名，二者没有显著差异。 2 1 1 2 实验材料 实验材料为两类，分别是阿拉伯数字1 - 9 ( 除数5 ) 与点阵数量1 - 9 ( 除5 点) ，具体见图2 - 1 所示。所有刺激材料均采用p h o t o s h o p 7 。0 软 硕士学位论文 件制作成j p e g 格式图片，所有图片的尺寸大小均为1 0 0 1 0 0 像素( 2 5 4 2 5 4a m ) ，其背景、空间频率、对比度、亮度等物理属性相同，均呈 现于灰色背景上。经s t i m 2 软件编程后，在1 7 寸的电脑屏幕中央呈现刺 激，呈现时间均为2 5 0 m s ，问隔时间1 5 0 0 m s 。 23479 阿拉伯数字 ： ；至至 点阵数孚 图2 - 1 实验材料样本 2 1 1 3 实验环境和设备 实验在一个光线可控制的隔音实验室进行。实验装置主要由两台 d ell 电脑及n e u r o s c a n 全套脑电仪设备构成，显示器分辨率8 0 0 6 0 0 像 素，刷新频率为6 0 h z 。刺激呈现于1 7 寸显示器的屏幕中央，被试端坐屏 幕前的舒适椅子上，眼睛与显示器保持视距约为8 0 c m ，水平视角1 8 2 。， 垂直视角1 8 2 。 2 1 1 4 实验程序 通过电脑屏幕向被试依次随机呈现阿拉伯数字和点阵列，要求被试 在刺激呈现后，判断从1 到9 ( 除5 ) 的阿拉伯数字或点阵数字的数量 是大于还是小于5 ( 5 点) ，并按指导语的要求在反应键上作出相应的按 键反应。实验过程中注意平衡被试的左右手按键，要求一半被试进行数 量判断时，如果数量大于5 ( 5 点) 就用左手拇指按键，如果数量小于5 儿童数字认知的特征及其神经机制 ( 5 点) 时则用右手拇指按另一键；而另一半被试的按键方式正好相反。 实验分两段进行，每段之间让被试适当休息，然后再开始下一段的实验。 为了保证实验的有效性，在正式实验前分别进行了预备实验。同时， 在每次的正式实验开始前，均让每一位被试进行充分的练习，以熟悉实 验的操作。待被试熟悉并了解实验内容后，才开始正式实验并记录脑电 数据。所有参加了预备实验的被试则不再参加正式实验，预备实验和正 式实验都在湖南师范大学教育科学学院脑电实验室进行。 2 i 1 5 脑电记录 采用美国n e u r o s c a n 公司生产的脑电系统，3 2 导a g a g c i 电极帽， 电极放置参考国际脑电1 0 一2 0 标准系统( 见图2 2 ) ，包括f p l ，f p 2 ，t 3 ，t 4 ， t p 7 ，t p 8 ，c p 3 ，c p z ，c p 4 ，p 3 ，p z ，p 4 ，p 7 ，p 8 ，o l ，o z ，0 2 ，f 3 ，f z ， f 4 ，f 7 ，f 8 ，f t 7 ，f t 8 ，f c 3 ，f e z ，f c 4 ，c 3 ，c z ，c 4 ，共3 0 个记录电极。 以双侧耳垂的连线为参考电极，头顶g n d 点接地，两眼外侧和左眼垂直 上下2 c m 处放置眼电电极，分别记录水平眼电( h e o g ) 和垂直眼电( v e o g ) 。 脑电采集的采样频率( a dr a t e ) 为1 0 0 0 h z ，带宽0 0 5 l o o h z ，放大倍 数为1 0 0 0 。数据采集后进行离线分析，用s c a n 4 3 软件将原始脑电数据 和行为数据进行拟合，去除眼电，取刺激前2 0 0 m s 至刺激后1 0 0 0 m s 的 脑电进行分段与基线矫正，排除大于+ l o o u v 的各种伪迹，最后将数据进 行叠加平均，得到e r p s 波形。 2 1 1 6 数据处理及统计分析 ( 1 )叠加 实验研究包括刺激材料、数量大小、脑区和电极位置四个实验因素 ( 行为数据只分析前两个因素) ，其中刺激材料二个水平( 阿拉伯数字 和点阵数字) ，数量大小二个水平( 大和小) 、脑区因素( 早成分的分 析包括两个水平：左脑和右脑；晚成分的分析包括三个水平：左脑、中 线和右脑) 以及电极位置( 早成分的分析选择左右颞枕区4 个电极 p 7 p 8 、0 i 0 2 ：晚成分的分析选择中央区、额区和项区9 个电极： ( c 3 c z c 4 、f 3 f z f 4 、p 3 p z p 4 ) 。根据前面两个因素水平对e e g 分类叠加，可得到4 类e r p s 。 硕十学位论文 ( 2 ) 测量 从总平均图上来看，刺激产生的e r p s 早成分p 1 和n 1 波峰明显， p 1 的时间窗口为7 0 - - 1 2 0 m s ，n 1 的时间窗口为1 2 0 2 2 0 m s ，以此测量 左右颞枕区4 个电极位置记录的e r p 峰值。刺激产生的第二个正成分为 p 2 ，第二个负成分为n 2 ，时间窗口分别为2 6 0 - - 3 4 0 m s 和3 4 0 4 2 0 m s ； 选择的电极为中央区、额区和顶区9 个电极：c 3 c z c 4 、f 3 f z f 4 、 p 3 p z p 4 。 ( 3 ) 统计学处理 对行为学结果( 平均反应时和正确率) 和e r p s 成分分别进行重复 测量的方差分析( & n o v a ) 。早成分的因素为刺激材料( 2 个水平) 、数量 大小( 2 个水平) 、脑区( 2 个水平) 和电极位置( 2 个水平) ；第二个 正成分和第二个负成分的因素为刺激材料( 2 个水平) 、数量大小( 2 个水平) 、脑区( 3 个水平) 和电极位置( 3 个水平) 。有主效应的因素 的多重比较用“最小显著性差异 ( t h el e a s ts i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e ，l s d 法) ，并对交互效应做进一步分析。多因素方差分析 的p 值用g r e e n h o u s e - g eis s e r 法校正。 图2 - 23 2 导电极位置安放图 儿童数字认知的特征及其神经机制 2 1 2 结果分析 2 1 2 1 行为学数据 比较被试加工阿拉伯数字和汉字数字的反应时及正确率，结果见表 2 - 1 。 表2 1 数量判断二类材料的平均反应时( m s ) 和识别正确率( ) 冥中大数子为( 6 、7 、8 、9 ) ，小数为( 1 、2 、3 、4 ) 行为数据结果发现，在反应时( r t ) 上，刺激类型主效应不显著 ( f l l 。= o 6 4 4 ，p = o 4 3 6 ) ，数量大小主效应不显著( f 1 1 。= 1 6 4 0 ，p = o 2 2 1 ) 。 在反应正确性上，刺激类型主效应不显著( f 。= o 3 5 6 ，p = o 5 6 0 ) ，数量大 小主效应不显著( f 1 , 1 5 = - 0 1 11 ，p = o 7 4 3 ) 。因此，上述结果表明，被试的 反应时和正确率均无显著性差异。 2 1 2 2 脑电数据 根据本实验的目的，选取阿拉伯数字和点阵数字诱发的正确反应的 e r p s 数据进行分析，发现被试在数字加工的过程中出现了共同的特征， 即在双侧的颞枕区均诱发出了明显的p 1 和n 1 成分，这两个成分为e r p s 早成分；另外，在大脑皮层的中央区、额区和项区，所有的刺激均诱发 了明显的p 2 和n 2 成分。因此，本研究将重点分析代表早期知觉加工的 p 1 和n 1 成分以及p 2 和n 2 成分。 ( 1 ) p 1 成分的峰值与潜伏期 对数量大小判断实验所诱发的p 1 的峰值和潜伏期进行刺激类型 ( 2 ) x 数量大小( 数序前后) ( 2 ) 半球( 2 ) 电极位置( 2 ) 的被试内四因 素重复测量的方差分析。 p 1 的峰值结果表明：刺激类型主效应极其显著( f 。= 2 2 4 4 3 ，p 0 0 1 ) ，进一步作简单效应分析表明，显示阿拉伯数字的p 1 波幅比点阵 数字的波幅更大( f 。= 2 2 4 4 3 ，p 0 0 1 ) 。数量大小主效应不显著 硕士学位论文 ( f i , 1 5 = 4 3 7 6 ，p = o 0 5 4 ) 。半