数学脑存在吗?

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  众所周知,语文和数学是教育中最重要的两大学科,分别是人文科学和自然科学的核心所在。一个世纪以来,数不清的科研工作者围绕着这两大学科进行了大量工作,从教育方法、性别差异、认知机理和大脑活动等多方面发现语言和数学是截然不同的两个学科。那么,语言和数学背后的大脑机理有何不同呢?
  是否存在数学脑
  用左脑说话。经过科学家们长期不懈的探索,科学界已经公认存在“语言脑”。百余年前,法国医生和神经学家布罗卡(Paul Broca)提出,我们人类是用左脑说话的。后续认知神经科学研究证实左脑存在以颞叶和额下回为主的神经网络,可以被认为是“语言脑”的最核心部分。
  1861年,布罗卡发现了一个特殊的病例,该患者能听懂别人说话,能进行阅读,也清楚自己想说什么,而且其喉部肌肉和发音器官也都是正常的,但就是无法正常说话。布罗卡在其死后进行了解剖,发现他的大脑左侧第三个前额沟回有损伤。后续布罗卡又发现了几个类似的病例。在此基础上,布罗卡得出结论:左侧额下回后部的某一区域专门负责言语发音,也就是“说话”。后来,科学家们利用功能磁共振技术证实了布罗卡区的存在及其发音功能,并发现该区域在儿童期的语言学习中发挥了重要作用。这个神奇的脑区是认知神经科学的里程碑式发现,也是认知神经科学的现代研究肇始之基,后人将此區域命名为“布罗卡区”,以纪念这一伟大发现。
  1874年,德国医生威尔尼克(Wernicke)又发现了另一个重要的语言中枢——威尔尼克区。威尔尼克区主要负责处理语义信息,它发生病变或受伤时,可能导致接受性失语症,病人能正常说话和发音,但是不能正确理解语义,常常语无伦次。
  随着科技的进一步发展,近30年的各种脑电脑成像研究都证实了处理语言的关键脑区就在包括布罗卡区和威尔尼克区在内的左侧颞叶和前额叶。在我们加工语言信息,进行听说读写时,就会引起左脑的颞叶和前额叶部分脑区的明显活动。
  那么,在我们大脑中,是否像“语言脑”那样,也存在一个专门负责学习数学和做数学题的“数学脑”?也就是说,是否存在某些大脑区域或者一个脑网络,它们在处理数学信息或者解决数学问题时,会表现出一些活动特点或者模式,与处理其他信息或者解决其他问题时的表现明显不同?
  用顶叶学数学。关于“数学脑”是否存在的问题,认知神经科学研究者们也做了大量工作,其中大部分工作通过对比数学和语言的不同大脑活动模式来寻找“数学脑”。经过不懈努力,科学家们发现数学加工所涉及的脑区在左右脑都有,但顶叶的顶内沟区域可能是“数学脑”的最重要组成部分。
  顶叶,顾名思义,就位于我们头顶部分。到目前为止,大脑两侧顶叶,特别是顶叶中的一个叫作顶内沟的沟回,是科学界公认的进行数学加工的特异性区域。顶内沟区域在数学学习中发挥重要作用,主要体现在基础的数量加工、数字加工和算术计算上,另外在其他数学领域,如数学问题解决等也有重要贡献。最经典的数学脑成像研究范式是让志愿者在磁共振仪器中完成数量加工、数字加工或者计算题目,将其大脑活动与加工词语或句子时的典型大脑活动作对比。
  数量加工和数字加工主要引起顶叶的顶内沟及其附近区域的活动。例如,在我们2013年发表的一篇脑成像文章中,志愿者需要完成圆点数量距离判断任务(给出3个由多个圆点组成的点阵,需要判断呈现在屏幕下方的两个点阵哪一个与上方呈现的点阵在数量上更接近,如判断9个点组成的点阵和3个点组成的点阵哪个与5个点组成的点阵更接近)和数字大小距离判断任务(给出3个数字,需要判断呈现在屏幕下方的两个数字哪一个与上方呈现的数字在数量上更接近,如判断89和27哪个与56更接近),将其脑活动与完成词语语义距离判断任务(给出3个表示工具的词语,需要判断呈现在屏幕下方的两个工具词哪一个与上方呈现的工具词在意义上更接近,如判断“镰刀”和“镊子”哪个与“斧子”更接近)相比,结果发现点阵加工比词语加工更多激活右侧顶上和顶下小叶及右侧楔前叶等区域,数字加工比词语加工更多激活了右侧顶上小叶、双侧顶下小叶和双侧楔前叶等区域,而词语加工比点阵加工和数字加工更多激活了左脑语言区的额下回。
  算术计算也主要引起顶叶的顶内沟区域的活动。在我们2017年发表的另一篇脑成像文章中,我们让志愿者完成正误判断任务,材料分别是用中文呈现的连续计算题目和语句,如“当数字8除以数字4,再乘以数字3后,其结果等于数字6”和“如今,电子银行越来越流行,人们很少用现金结账了”。我们用脑区激活比较分析方法发现,计算引起了双侧顶内沟、前额叶和枕叶的更强活动,而语句引起了左侧颞中回和额下回的更强活动(如图1)。
  脑损伤研究发现,颞叶损伤患者的语言能力受到严重影响,但他们的数学能力基本没有受损。例如,我们发表于2013年的一篇脑损伤文章发现,两名左侧颞叶损伤的中风病人的数学能力都基本完好,包括比较圆点数量、数圆点数量、读数字、比较数字数量大小、简单加减法、简单乘法、估算和解应用题,但是两个人在加工频率副词和数量代词时的得分都低于正常人,并且左侧颞叶损伤更严重的病人得分比轻症病人低得多,他在比较动物凶猛程度时的得分也非常低。
  相反地,很多关于顶叶脑损伤病人的研究都发现顶内沟区域发生病变或受伤会导致某些数学能力受损,而语言能力基本保持正常。例如,顶内沟区域损伤的病人在比较物体数目方面的得分要明显低于正常人。左侧顶内沟区域梗塞的患者在读写阿拉伯数字时仅能达到猜测水平(正确率为50%)。顶内沟损伤患者做简单减法的正确率只能达到20%-50%,但他们的语言能力却基本无损。
  综上所述,顶叶的顶内沟区域是负责数学学习最重要的脑区,其结构和功能水平均与数学能力密切相关。
  为何存在数学脑
  顶叶的顶内沟区域之所以是负责数学加工的特殊脑区,可能与顶叶主要负责加工空间信息有关,所以以顶叶为主要部分的负责数学加工的大脑网络也可称为视空网络。数学加工对顶叶的顶内沟区域的依赖可以被解释为因为数学加工需要大量空间加工的参与,包括空间的表征、推理、想象等各环节。   数学脑对顶叶的顶内沟区域的依赖来源于数字对视空间信息的依赖。认知与脑科学研究发现,数学脑对顶叶的顶内沟区域的依赖首先来源于数字对视空间信息的依赖。我们的数学课本上有“数轴”的概念及其应用,事实上,我们大脑中也存在着类似的数字表征模式,称为“心理数轴”。心理数轴和数学上的数轴一样是有方向的,数字按照从小到大、从左到右的顺序排列。但是并不像数学上的数轴那样每两个相邻的自然数间的距离相等。心理数轴是自发形成的,在未曾接受过正式教育的幼儿园阶段即可形成。当我们在日常生活中看到一系列数字时,即使数字是无序排列的,我们的大脑也会将其自动排列成一条心理数轴。例如,当我们依次看到3、1、2、27、14、7、12等数字时,我们的大脑会将它们重新排列成:1、2、3、7、12、14、27。患有视空间加工障碍的病人在识别数字时,不能形成正确的心理数轴,有些患者不能正确比较两个数字谁大谁小(如24和36哪个更大),还有些患者不能正确找到两个数字的中间值(如24和36的中间值是30)。
  数学要素具有视空间属性。脑科学研究还发现,数学要素(例如数量比较、计算)和视空间加工都依赖顶内沟区域的神经活动,从大脑加工角度进一步证实了视空网络对数学脑的支持。当我们在估计超市哪个收费口排队的人更少时,我们的大脑已经激发了顶叶的神经环路,而这个区域与空间表征的神经环路相重叠。在日常生活中的加减乘除运算中,我们大脑的顶内沟区域也发挥了重要作用。我们2007年的研究发现,加法相对于乘法在大脑右侧顶内沟后部区域有更多的激活;乘法在语言加工脑区有更多激活(见下页图2)。不同计算任务在脑区上的分离主要来自于这些数学要素所包含的不同程度的空间属性。加法和减法需要以数字的视觉表象加工为基础,在运算过程中包含了更多的视空间属性,所以更多依赖视空间网络的核心区域——顶内沟区域的激活;而乘法是通过背诵乘法口诀策略来计算的,相对而言需要更多的语言加工,所以依赖与言语运动相关的大脑区域。
  空间能力的训练可以有效提高数学成绩。我们已经证实了数学成绩与空间能力的紧密关系,发现个体的计算、甚至是高等数学成绩都依赖于个体的空间能力。而基于空间能力的训练也可以有效提高个体的数学成绩。研究发现基于三维心理旋转、空间定向等空间能力的训练,可以有效提高小学生的几何和数学推理能力。结合空间与数字联合表征的心理数轴训练,可以促进计算障碍儿童的数字识别、数字比较和数字运算能力。我们的研究也发现,对学前儿童进行基于心理数轴的“拔萝卜”游戏训练,有效地提高了他们的数量识别、数量估计和计算能力。
  由此看来,视空网络所依赖的顶内沟区域是数学脑的加工基础。顶内沟区域在数学学习中发挥着重要作用,也意味着视空间加工能力是数学认知加工的重要基础。
  数学脑的可塑性
  视空网络是可塑的,我们可以通过教育手段、认知训练或者电磁刺激等方法改变顶叶的结构和功能水平。
  我们可以通过后天的数学学习能力培养提升以顶叶为主的视空网络的结构水平,从而促进其数学能力。例如,数学能力超常的人群通常也有超常的顶叶结构。有研究发现,数学家的顶叶灰质密度比普通人更大,特别是从事数学的时间比较长的数学家,比时间短的数学家的顶叶灰质密度更大。也就是说,数学家的顶叶可能比普通人的神经元个数更多、神经元之间的连接更强。我们比较了32位珠心算高手与32名普通人的脑结构,发现他们的差异也主要在顶叶,即右侧顶内沟和顶下小叶后部。我们还调查了一位具有超级计算能力的小学生,他的大脑也是顶叶部分的灰质密度明显高于随机挑选的40名小学生的灰质密度。
  数学学习还可以改变大脑进行数学任务时的功能水平,也就是说,不同的学习方法會导致大脑在进行同样的数学任务时表现出不同的脑电或者脑成像模式。例如,我们的一项脑电研究表明,不同的乘法口诀学习方法会引起不同的大脑放电模式。我们比较了学习乘法小九九表的内地本科生和学习大九九表的港澳本科生的脑电活动,发现内地学生在做大数在前的题目(如7×3=21)时明显比做小数在前的题目(如3×7=21)时引发了更强的头皮负电位,而港澳学生则无此情况。
  计算障碍人群普遍具有顶叶发育不良状况,可以通过认知训练来促进其顶叶发育水平和计算能力。我们让计算障碍小学生做“小猪收苹果”游戏,通过促进他们的视觉形状知觉能力提升了其计算能力。
  科学家们还发现,利用经颅直流电/磁刺激方法还可以双向调整大脑的数学能力。如果我们短暂刺激数学能力正常的志愿者的顶内沟,会使得他们的数学任务得分明显低于刺激前。而如果我们长期用另一种频率刺激计算困难儿童的顶叶,就可能提高他们的计算能力。
  数学脑的教育启示
  如前所述,数学脑的核心区域是负责空间加工的顶叶,这一事实提示我们,要想学好数学,就需要培养学生的空间加工能力,促进其顶叶的发育。
  脑科学的研究已经表明,数学学习和视觉空间信息加工都依赖顶内沟区域,这就提示我们:把数学学习与视空间信息处理能力联系起来,是更为合理的数学教学方式,是更为有效的提升个体数学能力的训练方式。在具体数学课堂教学中,要重视数学知识的可视化和图形化,充分利用图表、动画、模型等空间表达形式进行数学学习与教学。例如,教师在讲解分数概念时,可以转换抽象符号为可视化图形,促进学生的理解:可将   转化为     ;将       转化为        );在小学应用题中,可以将题目中的数量关系表达为空间图形,利用相同形状但是不同长度或者不同面积的图形来帮助儿童理解数量的大小及加减乘除关系;在数学实践中,可以多运用数轴和具体的空间操作,例如堆积木拼图、有刻度的尺子等教学工具,帮助加强和巩固儿童对数字、数量关系等数学知识的理解,在活动游戏中增强儿童对数学学习的热爱;在个体数学能力评估中,要重视对视空间加工能力的测评;运用基于视空间加工训练,例如空间定位、空间记忆训练等方式来有效提升学生的数字加工能力和数理关系理解能力。
  总之,我们广大教育工作者平时要多注重培养儿童的空间能力,尽量将数学信息进行可视化和图形化,将数字和形状结合起来,尽可能多地用空间方式表示数学问题,从而帮助学生理解和解决数学问题,提升他们的数学能力。
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