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胡玉正 huyuzheng@gmail 浙江大学物理系交叉学科实验室 . 2010 年 1 月

珠心算练习对儿童认知发展及脑可塑性的影响. 胡玉正 huyuzheng@gmail.com 浙江大学物理系交叉学科实验室 . 2010 年 1 月. 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）. 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. 1.1 筹算. http://www.mmit.stc.sh.cn/telecenter/CnHisScience/suanchou.htm.

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胡玉正 huyuzheng@gmail 浙江大学物理系交叉学科实验室 . 2010 年 1 月

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Presentation Transcript

  1. 珠心算练习对儿童认知发展及脑可塑性的影响 胡玉正 huyuzheng@gmail.com 浙江大学物理系交叉学科实验室. 2010年1月

  2. 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）

  3. 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

  4. 1.1筹算 http://www.mmit.stc.sh.cn/telecenter/CnHisScience/suanchou.htm 一、珠算、心算和珠心算 算筹 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。 十进制 │ ─│─（1111）

  5. http://www.mmit.stc.sh.cn/telecenter/CnHisScience/suanchou.htmhttp://www.mmit.stc.sh.cn/telecenter/CnHisScience/suanchou.htm • 1.2 珠算 算盘 http://www.czssx.com/index/zhuanti/2005/02-shuxue/shudeshijie/manbushuxue/zhu1.htm

  6. 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 3 8 5 3 8 5 1.3 普通心算和珠心算 三百八十五

  7. 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

  8. 二、 珠心算相关研究 行为表现 数字记忆 加工方式 训练效应

  9. 2.1珠心算者在计算任务的行为表现 哈塔诺等人(Hatano et al., 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

  10. 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。 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 语言任务 的影响 头脑中用来做计算的算盘转化成数字记忆的工具

  11. 2.2b 数字工作记忆的神经基础 塔纳卡（Tanaka et al., 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： • 依赖语言工作记忆 • 神经结构为布洛卡区 普通人 • 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. 珠算专家

  12. 2.3 珠心算加工的神经机制 哈塔和艾克达（Hatta and Ikeda，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（Hanakawa et al., 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

  13. 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 Chen et al., 2006, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. fMRI study 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 Wu et al., 2009 Eur J Nucl Med Mol Imaging , PET study

  14. 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(Hatano et al.)1987, 塔纳卡等(Tanaka et al.) 2002] • 提高儿童的推理能力[艾尔文等(Irwing et al.)2008]

  15. 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 [Irwing et al. (2008) Personality and Individual Differences] 完成时间 得分 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

  16. 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

  17. 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？ 局限和存在的问题

  18. 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

  19. 1. 珠心算儿童是否有类似成人的心算网络？ 被试 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 0.5–1 h

  20. 加法任务下fMRI的激活模式 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 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。

  21. 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

  22. 2.听觉和视觉刺激模式下的心算网络是否有差异？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

  23. 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 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）

  24. 形状比较反应时 数字比较反应时 易化 \ 干扰率 易化 \ 干扰率 易化 干扰 易化 干扰 对照组 珠心算组 数字比较正确率 形状比较正确率 易化 \ 干扰率 易化 \ 干扰率 易化 干扰 易化 干扰 干扰率=（冲突-中性）/中性； 易化率=（中性-顺应）/中性 反应时： • 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）。 准确率：

  25. 数字 数字 4.珠心算练习者是否对练习者的数量表征产生影响？ 数字大小与5比较 圆点多少与5比较 斯纳克（SNARC）效应： （右手反应时-左手反应时）= 常数项+ K * (数量大小) 数字 圆点 珠算组 对照组 对照组：t(26) = -1.121, p >. 10 珠心算组：t(28) = -3.550, p < .005 两组都显著 p<0.025， 组间差异不显著

  26. 距离 距离 距离效应 反应时 = 常数项 + K * log( 距离) 数字 圆点 对照组 对照组 珠算组 珠算组 距离效应有组间差异 t(54) = 3.462, p = . 001 距离效应没有显著组间差异

  27. 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。

  28. 数字和字母记忆广度 数字与字母记忆广度的关系 数字 对照组 珠心算组 记忆广度 数字广度 数字 字母 数字广度 5.珠心算练习是否对儿童的工作记忆产生影响？ 1.短时记忆广度： 字母广度 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) Hu et al., 2010 HBM, 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。

  29. 2.工作记忆 • Nback实验方式 • 数字的0-back 2-back • 空间位置的0-back 2-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。

  30. 6.珠心算练习是否对儿童的心理表象操作产生影响？6.珠心算练习是否对儿童的心理表象操作产生影响？

  31. 心理旋转fMRI结果

  32. 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

  33. 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, et al. 2005; Gaser and Schlaug 2003; Imfeld, et al. 2009; Schmithorst and Wilke 2002], 高尔夫运动[Jancke, et al. 2009]等等。 训练与脑的可塑性

  34. 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？

  35. 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（fiber tracts）产生影响

  36. 被试 珠心算组持续练习时间超过3年，期间每周练习3-4小时

  37. 脑的物质结构

  38. 脑的解剖名称

  39. 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 Denis Le Bihan et al，1995 Mori，2006 径向扩散系数:Axial diffusivity (D// or AD)横向扩散系数:Radial diffusivity (D⊥ or RD) 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(Basser P.J. 1996)]

  40. 预处理结果 FA均值（灰度图）和FA骨架均值(绿色）R:右侧; L：左侧 MRI数据统计结果 顶颞枕联合区 右侧前运动区投射 胼胝体

  41. FA有差异的脑区 数字记忆广度 行为与结构之间的关系 短时记忆广度与FA有显著的相关关系 为什么发生在这些区域？

  42. 初级运动区 前运动区 和辅助运动区 体感运动区 顶叶 前额叶 枕叶 霍夫和弗拉姆（Hofer & Frahm, NeuroImage,2006） 颞叶 霍夫和弗拉姆（Hofer & Frahm, NeuroImage,2006）

  43. 小结 • 珠心算儿童的心算网络与普通儿童的不同，他们和成人珠心算专家一样采用视空间策略和相关的神经资源 • 无论在视觉还是听觉刺激下，珠心算儿童的心算网络都是一样的； • 珠心算练习会对儿童的某些认知能力产生影响，如数字的数量-空间联结、短时记忆广度，心理旋转等 • 珠心算练习对儿童的脑白质产生影响，这种结构上的改变可能是珠心算练习发生迁移、影响到其它认知能力的基础。

  44. 更多问题 • 珠心算练习的效应能保持多久？ • 珠心算练习对儿童的以后的认知发展、社会发展等存在什么样的影响？

  45. 感谢： 中珠协 黑龙江珠协 浙江省珠协 山东潍坊珠协 慈溪市珠协 七台河第一小学 潍坊北关小学 慈溪第三实验小学 杭州九堡镇九堡小学 杭州康桥小学 上海市普陀区小学 解放军军事经济学院 浙江大学第二附属医院 上海同济大学附属医院 哈尔滨医科大学附属医院 青岛大学附属医院

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