在建构游戏与掌握数学技能的关系中,哪些大脑思维参与其中?

Swiya Murti、Denes Szucs

剑桥大学心理学与神经科学教育研究中心

Frontiers For Young Minds》2017年6月刊

通常,教师和家长习惯运用一个一个的数学词语来教儿童学习数学。但是,这是人类大脑学习数学的方式吗?


我们研究了7岁儿童的数学思维与记忆、智力、阅读间的关系发现,视觉信息(即能看到的东西)和空间信息(即事物在位置上的相互关系)的记忆与数学技能的关系要比单词和语言信息记忆与数学技能的关系更显著。

 

使用积木、沙子和其他类似的玩具材料搭建模型,被称为建构游戏。本研究探讨了在建构游戏和数学技能的关系中,哪些大脑思维过程参与其中,建构游戏与数学技能间的关系是否受视觉空间记忆的影响,以及建构活动是否能改善儿童的数学思维这一话题。

 


我们为什么做这项研究?

 

为了回答“建构游戏与发展数学技能之间的关系”这一问题,我们首先需要弄清楚学习数学涉及哪些大脑思维过程。


我们通过测试一般智力(人们完成任何活动所不可缺少的最基础的能力,如观察、想象)、记忆与孩子数学表现间的关系来完成这项任务。我们测试了不同类型的记忆(请参见下框)和7岁儿童的一般智力,比较了它们与学习数学和阅读的关系。


记忆的不同类型

 

记忆是一个非常大的话题,研究人员将记忆分为长时记忆、短时记忆和工作记忆。长时记忆可以让你在一段时间内记住信息——几分钟,或者一辈子。例如,某个团体被分成几个小组,你被分到其中一个小组并且得到一个组号,你在一段时间内会记住这个组号;以及,你会记住你的名字一辈子。

 

短时记忆储存即时信息,不到一分钟就会忘记。例如,有人告诉你一个电话号码,你立即拨打它,之后很快就会忘了这个电话号码。当你工作时使用短时记忆,则它被称为工作记忆。例如,当你读一个句子,你需要记住句子的第一个单词直到你读完它,否则,这个句子就没有任何意义。

 

一些研究人员将短时记忆分为言语记忆和视觉空间记忆。言语记忆储存的是用文字表达和听到的信息。视觉空间记忆储存的是看到的关于形状、颜色和位置的信息。当你使用言语或视觉空间短时记忆时,它被称为言语工作记忆(如记住整个句子)或视觉空间工作记忆(如记住地图上给出的方向)。


目前我们需要弄清楚建构游戏是否与学习数学相关,以及如何相关。虽然之前的研究已经发现了建构游戏和数学之间的关系,但这些研究并没有告诉我们建构游戏和掌握数学技能之间关系的大脑思维过程,即影响建构游戏和数学技能产生关系的重要因素有哪些。因此,我们测试了记忆和一般智力是否是影响建构游戏和数学技能之间关系的重要因素。

 


已有研究

 

已有研究测试了建构游戏与掌握数学技能间的关系。一项研究发现,那些能够搭建较高积木模型且模型没有倒塌的孩子比那些积木模型在较矮的时候倒塌的孩子的数学能力更好。Casey, B. M.,Pezaris, E. E., and Bassi, J.2012


另一项研究发现,3岁的孩子如果能在引导下建造积木模型,他们的数学能力会更好。Verdine, B.N., Golinkoff, R. M., Hirsh-Pasek, K., Newcombe, N. S., Filipowicz, A. T.,andChang, A. 2014


还有一项研究发现,在学龄前(34岁)能够建立复杂模型的孩子在7年级(12岁)时数学成绩更好。Stannard, L.,Wolfgang, C. H., Jones, I., and Phelps, P. 2001

 

这些研究告诉我们,搭建积木模型与发展数学技能有关。然而,这些研究并没有告诉我们,参与建构游戏和掌握数学技能之间的大脑思维过程。记忆是掌握数学技能的重要大脑功能,所以我们决定关注不同类型的记忆,来测试记忆与数学技能及建构游戏的关系。

 

有一项研究测试了言语短时记忆与空间技能在建构游戏和数学技能关系中发挥的作用。他们通过让参与者猜测如果纸以某种方式折叠会形成什么样的形状,来测试空间技能。他们发现建构游戏中的空间认知与数学技能相关,但建构游戏中的言语短时记忆与数学技能无关。(Richardson,M., Hunt, T. E., and Richardson, C. 2014


因此,我们认为用建构游戏测试视觉空间记忆更重要,因为要搭建积木模型,你需要看到并把积木放在正确的位置。

 

我们还测试了阅读技能、智力是否与数学技能有关,或者一般智力是否能解释为什么有些孩子在数学、阅读和建构游戏上表现都很好,而不仅仅是数学方面。


为了理解建构游戏和数学技能之间关系的大脑思维过程,我们测试了儿童的言语短时记忆和工作记忆、视觉空间短时记忆和工作记忆、一般智力、数学技能和阅读技能。



我们如何研究?


我们邀请了英国剑桥郡学校的66名7岁儿童作为我们的研究志愿者,其中女孩30名,男孩36名。

 

我们使用《韦氏个人成就测试英国版》(第二版)测试了他们的数学技能和阅读技能,题目难度由易到难递进;采用《瑞文彩色推理能力测验》测试一般智力,题目也是由易到难递进。我们在电脑上使用“自动工作记忆评估”的测试来测试儿童的4种记忆:

•言语短时记忆测试:阅读一串数字并让儿童重复。

 

•言语工作记忆测试:阅读一组句子,让儿童先回答每个句子是对还是错,然后重复句子的最后一个单词。

 

•视觉空间短时记忆测试:在网格上显示点,要求儿童按点出现的顺序指出点的位置。

 

•视觉空间工作记忆测试:显示一组形状的列表,每组三个形状中的一个与其他两个的不同。然后要求儿童指出不同的形状,并记住这些形状的位置。

 

在以上4个记忆测试中,如果儿童能全部正确完成,则可以进入下一阶段。当答错了3个时,我们停止测试。

 

我们通过提供指示以及乐高积木块,测试儿童的搭建技能。当所需搭建的模型越来越复杂,而儿童无法搭建出模型时,我们停止测试。下图是乐高搭建说明的一个示例。



我们运用相关分析测试了搭建能力、记忆、一般智力、阅读是否与数学和阅读技能有关,即测试了那些在搭建、记忆、一般智力和阅读上表现出色的儿童是否在数学或阅读上也表现出色。

 

为了回答搭建能力如何与数学能力相关,我们运用了中介分析。中介分析是指测试两个变量关系中是否涉及第三个变量。例如,我们假设一项研究发现,人们去游泳时冰淇淋的销量有所增加,这表明喜欢冰淇淋的人也喜欢游泳。


然而,中介分析向我们展示涉及的第三个变量。夏天,天气炎热的时候,人们会喜欢吃冰淇淋,也会去游泳,所以冰淇淋的销售和游泳的关系实际上是由炎热天气引起的!“炎热的天气”就是第三个变量。

 

同样地,我们使用中介分析来测试记忆或智力是否是参与建构游戏和数学技能之间关系的第三个变量,也就是说记忆或一般智力是否是影响建构游戏和数学技能产生关系的重要因素。



我们发现了什么?


首先,我们发现,数学技能与阅读技能、搭建能力、一般智力和视觉空间记忆有关。有趣的是,数学技能与言语短时记忆无关。阅读技能与言语工作记忆和数学技能有关。

 

与数学技能相关分析结果如下:

 

数学技能与这些相关

数学技能与这些无关

搭建能力

视觉空间短时记忆

视觉空间工作记忆

一般智力

阅读技能

言语短时记忆

言语工作记忆

 

与阅读技能相关分析结果如下:


阅读技能与这些相关

阅读技能与这些无关

言语工作记忆

数学技能

言语短时记忆

搭建能力

视觉空间短时记忆

视觉空间工作记忆

一般智力

 

其次,我们测试了与数学技能相关的变量(视觉空间短时记忆、视觉空间工作记忆和一般智力)是否与建构游戏和数学技能之间的关系有关。


研究结果表明,视觉空间短时记忆和视觉空间工作记忆参与了建构游戏与数学技能的关系。搭建能力和数学技能之间产生关系并不是因为一般智力,而是因为视觉空间记忆。

 


这一切意味着什么?


这项研究的目的是了解建构游戏和数学技能产生关系的大脑思维过程。


首先,我们发现,视觉空间记忆与数学技能有关,但与阅读技能无关。言语短时记忆与阅读技能有关,但与数学技能无关。


其次,我们发现建构游戏与数学技能相关,而视觉空间记忆是让建构游戏和数学技能产生关系的重要因素。

 

正如我们一开始所说的,我们感兴趣的是弄清楚搭建活动是否可能是改善数学学习的大脑思维能力的秘密。我们发现,视觉空间记忆是学习数学的大脑思维过程之一,而视觉空间记忆在建构游戏和数学技能之间的关系中发挥着重要作用。

 

那么,建构游戏能否改善儿童的视觉空间记忆,从而提高儿童学习数学的能力呢?

 

本研究可以回答这样一个问题,那就是在建构游戏和数学技能的关系中,大脑的视觉空间记忆参与其中。然而,它并不能回答建构游戏是否能提高孩子数学技能的问题。


我们不知道拥有更高数学技能的孩子是否碰巧也有更高的建构能力,或者建构游戏是否真的提高了他们的数学能力。为了回答这个问题,我们首先需要测试孩子的建构游戏技能和数学技能,然后指导一些孩子玩建构游戏。


如果在建构游戏中接受指导的孩子比没有接受指导的孩子更能提高自身的数学技能,那么我们可以得出这样的结论:建构游戏能提高数学技能。

 

本研究给我们的启示是,视觉空间记忆对于数学技能来说是一个重要而独特的大脑运作过程。教师和儿童应该多使用视觉空间记忆工具来教和理解数学,而不是仅仅使用言语记忆工具。例如,与其从图表或数字列表中学习加减法,不如采用将鹅卵石分组的方式学习,这样对理解加减法更有帮助,而不仅仅是记忆它们。

 

总之,这项研究表明,视觉空间记忆在学习数学中具有重要作用,与建构游戏和数学技能之间的关系有关,而不是一般智力所能解释的。未来,我们可以测试建构游戏是否能提高儿童的视觉空间记忆和数学能力。



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