首页 -> 2007年第7期
儿童数学认知障碍的执行功能解释
作者：魏勇刚 庞丽娟
关键词 数学认知障碍 执行功能 认知神经 工作记忆 抑制控制 问题解决
分类号 B842
1 引言
数学认知是儿童认知发展的一项基本能力，在儿童的认知发展中起着重要作用。儿童数学认知障碍不仅涉及到诸如注意、理解、表征、记忆、推理、顿悟、抑制、转换、迁移、策略、元认知等多项认知成分和心理过程的作用机制[1，2]，也涉及到诸如焦虑等非认知因素的影响[3]，还涉及到诸如前额叶皮层(prefrontal cortex)等认知神经机制[4]。执行功能(Executive Function)指对个体的意识和行为进行监督和控制的各种操作过程，例如自我调节(self-regulation)、工作记忆、认知灵活性(cognitive flexibility)、抑制控制(inhibitory control)、计划、错误觉察与纠正(error detection and correction)等[5]。执行功能是当前儿童认知发展研究中的一个热点话题，它除了有自身的发展规律与作用机制以外，还可以作为很多认知活动的影响因素，对这些认知活动起着预测和解释作用。例如，王淑珍和栗洪武[6]采用执行功能子成分的Stroop效应、转换任务效应及信息刷新任务效应对学业成就的逐步回归分析发现，抑制子功能的Stroop效应及信息刷新子功能的任务效应对学业成就具有负向预测作用，两者共同解释学业成就变异的15.1%；其中，抑制子功能的Stroop效应预测作用最大，可解释学业成就变异的8.5%。此外，Bull和Johnston等人[7]采用威斯康星卡片分类测试(Wisconsin Card Sorting Test)等任务，对学生的执行功能与数学的关系进行了研究，结果发现数学成绩较差的学生的持续性错误分数较高。周世杰等人[8]的研究也发现，工作记忆、执行功能、加工速度与数学障碍儿童推理和心算能力之间存在着密切相关。由此可见，儿童数学认知障碍与执行功能发展之间有密切的联系，二者不仅在许多心理成分与过程上有交叠，而且可能有着类似的认知神经机制[4，7]。因此，本文将从执行功能的发展特征及其机制的角度来揭示儿童数学认知障碍的某些心理或认知神经机制，以期能促进儿童数学认知障碍领域的相关研究进展。
2 执行功能假说与数学认知障碍
执行功能是一个复杂的认知系统，虽然自20世纪 80 年代中期以来，发展心理学领域出现了大量对执行功能的研究，但是到目前为止关于执行功能的本质却没有一个共论。研究者从不同的角度出发，提出了多种观点，例如认知神经观点、抑制控制观点、工作记忆观点、抑制控制与工作记忆相结合的观点、认知复杂性与控制理论(Cognitive Complexity and Control theory)以及问题解决模型等[9，10]。本文将以执行功能的这些理论假说为基础来探讨儿童数学障碍的认知加工机制。
2.1 认知神经假说与数学认知障碍
执行功能这一概念最初出自对前额叶皮层(prefrontal cortex)损伤病人的研究，前额叶皮层的损伤引起了一系列神经心理的缺陷，如计划、认知灵活性、工作记忆、抑制控制、对动作的监控等方面的困难[5，9]。执行功能的最初含义就是指与这些困难对应的一系列能力。因此，执行功能常常被看作主要是由前额叶调节的一种复杂的认知功能，是指个体的许多认知加工过程的协同操作，在实现某一特定目标时，个体所使用的灵活而优化的认知和神经机制， 包括计划、工作记忆、控制冲动、抑制、定势转移或心理灵活性以及动作产生和监控等一系列功能[10]。这些认知活动上的缺陷，往往是导致儿童数学认知困难的主要原因。同时，有关数量加工的认知神经科学研究表明，数量加工与前额叶也有着直接的联系。例如，Nieder等以短尾猴为研究对象，发现数字神经元主要位于前额叶皮层[11]。Sawamura 等人的研究认为有14%的数字神经元位于前额叶皮层[12]。Risberg与Ingvar发现，在进行数字倒数任务时，大脑优势半球的灰质出现了血流增长，其部位主要在脑前额叶附近区域[13]。前额叶，尤其是左侧额下回区域则与言语工作记忆的相关脑区存在较大的重叠，反映数字加工与语言功能也存在一定的联系[4]。Bull和Johnston等人采用133Xe注射显影技术发现，当被试在进行连续减法过程中，在左右双侧角回以及前额叶区域出现了显著的激活，被试在使用阿拉伯数字进行加法任务时，前额叶的主要激活区域集中在右侧[7]。
2.2 工作记忆假说与数学认知障碍
在执行功能的研究中，许多研究者把执行功能与工作记忆的实际容量或功能容量联系起来，认为执行功能的失败主要是因为工作记忆的实际容量或功能容量不足而造成的[9]。儿童数学认知方面的缺陷，与工作记忆也有着密切的联系。例如，陈英和等人[14]探讨了工作记忆广度对儿童算术认知策略的影响，结果表明儿童算术认知策略表现受到其工作记忆容量明显的限制性作用：不同工作记忆广度儿童在出声、手动、心里数数、竖式、分解、凑整、猜测和放弃策略的选择频次上具有显著差异，在算术认知策略的执行上差异明显；随着工作记忆广度的增加，出声策略表现出了波动型的变化曲线，手动、心里数数、凑整和猜测策略具有门槛型的变化趋势，竖式、分解和放弃策略呈现出阶梯状的变化特点。李晓东和林崇德等人[15]探讨了工作记忆对小学生解决比较问题的影响，结果发现一致问题和不一致问题的工作记忆负荷水平不同，不一致问题的工作记忆负荷大于一致问题；成功解题者的工作记忆容量大于不成功解题者的工作记忆容量。Bull等人[16]从工作记忆的角度探讨了执行功能与数学认知的关系。他们采用威斯康星卡片分类任务(Wisconsin Card Sorting Task)、双项反应任务(dual-task performance)、Stroop任务以及计算广度任务这些执行功能研究中的典型实验范式，探讨了执行功能与数学认知的关系，结果表明工作记忆的缺陷是导致儿童数学认知成绩较差的一个重要原因，另外工作记忆的缺陷往往导致儿童在抑制控制、认知转换方面的困难，从而间接地影响儿童的数学认知成绩。
2.3 抑制控制假说与数学认知障碍
有些研究者把执行功能定义为抑制控制，因为执行功能障碍通常表现为持续性错误(perseverative errors)，即持续重复不符合当前规则的强势反应，因而把执行功能障碍解释为个体因为抑制机制的不成熟而不能抑制与目标冲突的强势反应倾向[9]。通常认为抑制控制分为三类[17]：制止已激活但与任务无关的信息的通达，如对工作记忆的抑制；压抑不适宜的优势反应，如对注意和行为的抑制；压制不再相关的信息的激活，如对已有经历和动机的抑制等。抑制控制是个体顺利完成某项认知活动所必需的内在机制和基本前提，如果抑制控制存在困难，个体的认知活动将出现显著的障碍。大量关于数学学习困难和注意缺陷多动症的研究表明，儿童之所以难以完成数学认知任务，是因为他们存在着记忆抑制缺陷和注意控制缺陷[2]。对注意和工作记忆的抑制控制，可以影响数字比较任务中的许多认知加工效应，例如意义一致性效应[18](semantic congruency effect，指在判断哪个数更大时，对一对数字都大的反应时少于一对数字都小时，反之若判断哪个数字更小，一对数字都小比一对数字都大的反应时要少)以及大小一致性效应[18](size congruity effect，当呈现的数字大小与它在现实中的意义大小一致时，即大数呈现得较大而小数呈现得较小，如大的9和小的1，被试的反应时要少于不一致时)。Bull和Johnston等人选用数量大小与数字呈现的知觉大小构成的Stroop 效应，证明了执行功能的抑制控制在数量加工过程中的激活和调节作用[7]。
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