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        數學困難兒童估算策略運用的中央執(zhí)行負荷效應*

        2018-05-10 09:56:31楊偉星張?zhí)谜?/span>李紅霞張佳佳司繼偉
        心理學報 2018年5期
        關鍵詞:兒童策略

        楊偉星 張?zhí)谜?李紅霞 張佳佳 司繼偉

        (山東師范大學心理學院,濟南 250358)

        1 引言

        人類認知加工的一個重要方面便是個體的表現依賴于其所用策略(Uittenhove &Lemaire,2012)。策略指為達到某個更高水平目標或完成某個任務所采取的單個或一組認知加工程序(Si,Li,Sun,Xu,&Sun,2016)。策略運用是個體如何選擇并使用特定策略解決問題的過程(Lemaire &Lecacheur,2011)。策略運用分為策略執(zhí)行和策略選擇,前者指個體使用給定策略解決問題的時間和正確率(Mata,Josef,&Lemaire,2015),可以比較不同策略解決問題的效能差異以及不同個體有效執(zhí)行策略的能力差異,后者指個體在某一情境中如何選擇合適策略有效地解決問題?,F有大量證據表明,中央執(zhí)行(黃碧娟,封洪敏,司繼偉,張杰,王翔艷,2016;司繼偉,楊佳,賈國敬,周超,2012)、年齡(Si et al.,2016)、認知風格(司繼偉,劉亞瓊,賈國敬,黃碧娟,2016)、策略效率和難度(Hinault,Dufau,&Lemaire,2014;Uittenhove &Lemaire,2012)、策略使用順序(Hinault,Lemaire,&Phillips,2016;Hinault,Lemaire,&Touron,2017)、任務難度和問題情境(Hinault et al.,2014;Xu,Wells,Lefevre,&Imbo,2014)、文化差異(Xu et al.,2014)等內外因素都會不同程度地影響策略運用。因此,個體在面對具體任務時會傾向于適應性地選擇最佳策略來完成各種認知操作(艾繼如,張紅段,司繼偉,盧淳,張?zhí)谜?2016;Mata et al.,2015)。本研究主要關注中央執(zhí)行對個體策略運用的影響。

        目前一般認為,中央執(zhí)行作為工作記憶系統(tǒng)中最復雜的成分,主要起過程控制的作用,對認知活動會產生重要影響(艾繼如等,2016)。而對這一問題的探討主要分為兩個方面:一是側重于揭示中央執(zhí)行子成分對策略運用造成的差異性影響,如轉換(Ardiale &Lemaire,2013)、抑制、刷新(Lemaire &Lecacheur,2011)等。另一方面則側重于通過雙任務范式考察中央執(zhí)行負荷對策略運用過程的具體影響(黃碧娟等,2016;司繼偉等,2012)。而在算術認知領域中,對中央執(zhí)行功能參與算術認知活動的研究大多采用雙任務實驗范式。有研究發(fā)現,中央執(zhí)行負荷會降低兒童在算術認知中的策略執(zhí)行效果,對簡單和復雜任務都會產生整體性影響(王明怡,陳英和,2006)。Imbo,Duverne 和 Lemaire (2007)也發(fā)現,中央執(zhí)行負荷會導致成人的策略執(zhí)行變差,且上調策略比下調策略的表現更差,也會影響策略選擇,因為存在中央執(zhí)行負荷時,各種策略對認知資源的競爭變得更為激烈,個體會更多選擇占用認知資源較少的簡單策略,而非最佳策略,說明中央執(zhí)行參與了策略運用過程。而一些關于個體策略運用隨著年齡而變化的研究也在某種程度上證明了中央執(zhí)行參與了策略運用,因為策略運用的提高可能是因為中央執(zhí)行功能發(fā)展的結果,隨著年齡增長,兒童的策略選擇表現明顯提高,而中央執(zhí)行在不同年齡段均存在顯著預測效應(丁曉,呂娜,楊雅琳,司繼偉,2017)。Lemaire 和 Calliès (2009)曾發(fā)現,個體的策略運用與年齡變化相關更大,他們認為這可能是因中央執(zhí)行功能發(fā)展所致。Lemaire和Lecacheur(2011)的研究則顯示,中央執(zhí)行在策略運用的年齡相關差異中起著中介作用,且中央執(zhí)行功能的得分與選擇最佳策略的比例存在一定程度的相關。此外,中央執(zhí)行負荷對成人的策略選擇、執(zhí)行及策略選擇適應性都產生了影響,高負荷條件下個體的策略選擇適應性更差(司繼偉等,2012)。這說明中央執(zhí)行功能參與策略運用過程并對其產生重要影響。但前人這些研究大多采用相關設計,直接檢驗中央執(zhí)行功能在個體策略運用中的作用的實驗操縱還相當罕見。

        估算屬于算術估計類型的一種,是個體未經精確計算而只借助原有知識對問題提出粗略答案的一種估計形式(艾繼如等,2016)。作為一直以來被高度強調精算教學的學校數學教育所忽視但重要的算術技能,估算被看作是考察個體策略運用靈活性和多樣性的有效工具,同樣反映了個體的數學成就。而能否靈活選擇估算策略解決問題不僅是個體認知靈活性的重要標志,也是影響估算能力和整個估算加工過程的關鍵,這與中央執(zhí)行功能之間存在著高度關聯(艾繼如等,2016;黃碧娟等,2016;司繼偉等,2012)。

        在以往探討中,研究者往往側重于中央執(zhí)行對正常兒童或成人算術策略運用的影響(劉昌,2004;司繼偉等,2012),但忽視了關注數學困難兒童這一“特殊群體”。一般來說,數學困難(mathematical disability,簡稱 MD)是指兒童具有正常智力,沒有明顯神經或器質性缺陷,但在標準數學測驗上的得分低于正常學生,是學齡兒童較為普遍的一種學習困難類型(Fletcher,Stuebing,Morris,&Lyon,2013)。根據不同國家采用的MD診斷標準的不同,數困影響著大約3.5%~13.8%的正常智力的學齡兒童(華曉騰,司繼偉,盧淳,2012;李紅霞,司繼偉,陳澤建,張?zhí)谜?2015)。考慮到中國龐大的人口基數,對我國數困兒童的估算策略運用進行研究具有重要的理論和現實意義。以往研究發(fā)現,數困兒童在估算任務中的表現遠不如學優(yōu)兒童,對估算策略運用的有效性和靈活性均比正常組兒童差,策略選擇的適應性顯著低于正常組兒童(Torbeyns,Verschaffel,&Ghesquière,2004a,2004b)。由此可見,數困組兒童的策略運用表現一般都不如正常組兒童,但具體原因仍不清楚。有學者認為,數困兒童的情感因素方面可能存在問題(Passolunghi,2011),但Desoete和De Weerdt (2013)從認知角度對數困兒童進行研究,則發(fā)現工作記憶,特別是中央執(zhí)行,對數困兒童的行為抑制特別重要。張樹東和董奇(2012)也發(fā)現,存在數字加工和計算困難的學生,往往有明顯的中央執(zhí)行功能障礙。對此,Geary (2004)認為,個體的數學能力主要包括兩部分,概念性知識的累積和解決具體問題的程序性知識的運用,兩者都需要中央執(zhí)行功能的支持。數困兒童的通常表現是概念知識或者是運算程序上的困難,而這兩者最終應歸結于中央執(zhí)行功能的障礙。較差的中央執(zhí)行功能可能無法有效抑制額外干擾,這在某種程度上可能阻礙了數困兒童策略運用的表現。上述推測在一些研究中已得到某些證實(Passolunghi &Siegel,2004;Passolunghi,2011)??傊?研究者已就數困兒童的中央執(zhí)行功能較差,從而無法抑制與任務無關的信息干擾的觀點取得了較一致的認識。

        然而,以上研究雖然證實了較差的中央執(zhí)行功能可能會在一定程度上導致數困兒童較差的算術策略運用,但這些研究大多采用相關設計,對于中央執(zhí)行功能如何影響數困兒童的策略運用卻缺乏進一步直接的實驗研究,而將執(zhí)行功能分離開來研究也有所片面,因此,對中央執(zhí)行進行整體性操控可以更全面地理解其對個體策略運用過程的具體影響(司繼偉等,2012)。此外,前人研究忽視了不同中央執(zhí)行負荷水平對數困兒童估算策略運用可能存在不同影響,如果能嚴格操控負荷水平,或許會發(fā)現數困兒童與正常兒童在估算策略運用中更深層次的差異。即兩組兒童的策略運用都會受到負荷影響,但隨著負荷的增加,兩組兒童所受影響會發(fā)生變化,數困兒童受到的影響可能會相對更大。考察中央執(zhí)行負荷對數困兒童估算策略運用的影響,不僅可以揭示數困兒童與正常組兒童的估算策略運用存在差異的原因,也有助于豐富和完善對中央執(zhí)行功能在個體策略運用以及數學認知中所起作用的認識。此外,雖然國外也有少量類似研究(Torbeyns et al.,2004a,2004b),但是鑒于估算策略運用存在跨文化差異(Imbo &LeFevre,2009,2011;Xu et al.,2014),因此,以數困兒童為研究對象開展探討對于中國這一人口基數龐大的國家來說顯得尤為重要。

        鑒于前人的研究發(fā)現,二、三年級的數困兒童可能還存在某些基本數字知識和概念性知識的困難,不能完全理解計算原理,且在基本加減乘除的算術事實提取中也可能存在困難(黃大慶,陳英和,2016),這會混淆研究結論,從而分不清到底是中央執(zhí)行功能較差還是數學認知能力較差導致數困兒童的估算策略運用較差。此外,兒童估算策略最重要變化可能出現在四、六年級之間(Lemaire,Lecacheur,&Farioli,2000;Si et al.,2016),并且,考慮到中國小學生的實際情況,六年級是小升初的過渡階段(也可能是因為這一階段的特殊性,研究者或者被試的監(jiān)護人或者校方擔心影響兒童升學,所以相關的研究相對稀少),考察中央執(zhí)行負荷對數困兒童估算策略運用的影響不僅可探明其策略運用較差的原因從而更好地服務于這一群體,也能為提高數困兒童在數學運算中的策略運用以及為更好地面對初中時期的數學學習提供指導。因此,本研究選取了數學知識經驗較豐富的六年級這一特殊時期的兒童作為被試。此外,本研究采用高、低、無三種負荷條件可以避免先前研究只研究有無負荷的局限性,因為低負荷任務主要是保持信息,高負荷任務需要信息操作與更新,這會在更大程度上激發(fā)中央執(zhí)行的參與程度(司繼偉等,2012)。本研究擬采用數困兒童和數學能力正常發(fā)展的對照組為被試,采用選擇/無選法范式,通過設置無、低、高三種負荷條件的材料,更全面揭示中央執(zhí)行負荷對數困兒童算術策略的運用(包括策略選擇,策略執(zhí)行和策略適應性)的影響,以此考察其策略運用較差的可能原因,即數困兒童的中央執(zhí)行功能可能存在障礙,不能有效抑制額外干擾并合理分配認知資源,從而導致較差的策略運用。我們假設,隨著負荷的增加,兩組兒童的策略運用整體表現都會變差,但數困兒童的表現不同于正常組兒童,且可能受到負荷較大影響。

        2 方法

        2.1 被試

        參照前人標準選取數困兒童(劉昌,2004):(1)先篩選出兩所鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學6年級兒童最近兩次校級以上考試數學平均成績在后25%,為確保篩選出的數困兒童不是因為閱讀能力受限而導致數學學習困難,同時要求數困兒童的語文平均成績要在前50%;(2)再對這些兒童實施瑞文標準推理測驗,排除智力得分低于80的兒童;(3)然后采用臨床診斷法,將篩選出的兒童名單交給班主任和各科目代課老師進行確認,排除那些具有明顯感官缺陷和情緒障礙的兒童,最后即為本研究選取的數困兒童;(4)按名冊隨機抽取另外一部分 6年級兒童作為正常組兒童。總共從11個班級的657名6年級兒童中篩選出數困兒童40名(檢出率約為6.09%)以及正常組兒童 40名,最后完成實驗的有效被試為:數困兒童36名(男20名;平均年齡11.75歲);正常組兒童38名(男18名;平均年齡11.60歲)。需要說明的是,本研究與黃大慶和陳英和(2016)采用自編的數學認知能力問卷對數困兒童的檢出率3.32%存在一定出入,這是可以理解的。為使本研究所關注的數困兒童既不偏離數學困難的定義,也能使研究結果更切合小學教學,同時不脫離數學認知活動所依賴的背景和任務,我們采用了與兒童提高的認知能力以及變化了的數學任務相對應的6年級校級數學考試這一數學認知能力測驗來篩選數困兒童。這可能是檢出率存在一定出入的原因。所有被試之前未接觸過類似實驗,視力正常或矯正視力正常,實驗結束后贈送一份小禮物。

        2.2 實驗設計

        采用2(被試類型:數困組兒童、正常組兒童) ×3(任務類型:高負荷、低負荷、無負荷)×3(策略運用條件:最佳選擇、無選上調、無選下調)三因素混合實驗設計,其中被試類型為被試間變量,任務類型和策略選擇條件為被試內變量,因變量是被試的策略運用效率,包括策略執(zhí)行的反應時和正確率、策略選擇的反應時和正確率以及策略選擇適應性的正確率。

        2.3 實驗材料

        2.3.1 主任務材料

        30道兩位數加法估算問題,均為混合問題(一個加數個位小于5,另一個大于5,如53 + 48),其中15道下調題(個位不進位,41 + 76),15道上調題(個位進位,43 + 78)。一半問題的第一個加數個位數大于 5,第二個加數個位數小于 5,另一半問題相反。一半問題較大的加數在左側(63 + 28),另一半在右側(18 + 73)。根據前人研究(Lemaire &Calliès,2009),在確定加法題目時我們還注意了以下幾點:(1)加數的個位數不包含0或者5;(2)同一問題中,兩個加數的十位數或個位數不能重復(64 + 24);(3)加數個位與十位數不能重復(66 + 31);(4)不能用一個問題的兩個加數換位作另一問題(若有32 + 47就不能再有47 + 32);(5)兩個加數不能相同(23 + 23)。題目隨機呈現。

        2.3.2 次任務材料

        對次任務材料的選取,不同研究的結論不同。司繼偉等人(2012)假設,次任務類型會影響心算表現,估算與阿拉伯數字信息的操作會占用同一種認知資源(一致任務),而與字母信息的操作占用不同的認知資源(不一致任務),因此,阿拉伯數字作為次級任務對主任務(加法估算)的影響會比字母的影響更大。但研究結果發(fā)現,在反應時上,一致任務只有在高負荷下的干擾作用才大于不一致任務,在正確率上卻未發(fā)現任何差異,即沒有表現出不同次級任務對主任務的顯著差異性影響。Han和 Kim(2004)對執(zhí)行工作記憶是否影響視覺搜索的研究發(fā)現,主任務材料和次任務材料的一致性越高越能刺激被試的優(yōu)勢反應定勢。綜合考慮之后,我們選取了對主任務可能存在更大刺激的數字(一致任務)作為次任務材料。此外,結合算術認知領域(司繼偉等,2012)以及其他認知領域對工作記憶容量的有關研究(程家萍,羅躍嘉,崔芳,2017),我們對高低負荷進行了相應的操縱,具體的次任務設置如下:(1)高負荷任務,隨機依次呈現5個1~9中的阿拉伯數字,要求被試從大到小排列,然后按鍵回憶判斷屏幕呈現的數字串是否正確;(2)低負荷任務,隨機依次呈現3個0~9的阿拉伯數字,其它要求同(1);(3)無負荷任務,不呈現次任務材料。

        2.3.3 瑞文標準推理測驗

        瑞文標準推理測驗由英國心理學家瑞文(Raven)于1938年設計,是一種適用于6歲兒童到成人被試的非文字智力測驗,有5個黑白系列,共計60個項目組成。本研究采用張厚粲于 1986年主持修訂的瑞文標準型測驗。對被試在教室里進行 40分鐘的團體施測。

        2.4 實驗程序

        實驗程序由 E-prime 2.0軟件編寫,隨機呈現刺激,計算機自動記錄被試反應時(RT)和正確率(ACC)?;谶x擇/無選法范式的設計思想(司繼偉,徐艷麗,封洪敏,許曉華,周超,2014;Xu et al.,2014),實驗分為3種條件:(1) c1最佳選擇條件,可以考察策略選擇和策略選擇適應性。要求被試必須從上調和下調策略中選擇一種又快又準得出估算結果的策略來解決問題,如,23+48,被試可選擇上調或者下調策略來解決,輸入估算答案80和60都是策略選擇的正確結果,但只有 80反映了策略選擇適應性;(2) c2無選上調條件,要求被試必須使用上調策略來解決所有問題;(3) c3無選下調條件:要求被試必須使用下調策略來解決所有問題。有選條件能獨立考察策略選擇,而無選條件則獨立考察策略執(zhí)行。為避免無選條件下的策略執(zhí)行影響選擇條件下的策略選擇,所有被試均按照 c1→c2→c3的順序進行測驗(司繼偉等,2012)。每種實驗條件間隔5分鐘,每名被試需完成90個實驗試次,正式實驗之前告訴被試對于每道加法題都采用估算的方式解決。為確保被試理解實驗程序和任務要求,正式實驗之前有 8個練習試次,會有正誤反饋,練習試次不會出現在正式試驗中,且正式實驗沒有反饋。各負荷情境的具體實驗程序如下:

        (1) 高負荷實驗:被試進行數字大小排序和估算任務。每位被試單獨施測,視距保持60 cm,先在17英寸屏幕(屏幕分辨率為 800×600,刷新率為75 Hz)中央呈現紅色注視點“+”,500 ms之后在同一位置隨機依次呈現 5個 1~9的阿拉伯數字(灰底黑字,Times New Roman字體,48號),每個數字呈現200 ms,每個數字之后間隔500 ms,要求從大到小依次排序,所有數字呈現完之后,在屏幕中央呈現算術式(如,23 + 48) 1000 ms之后,被試需要對排序的數字先進行再認(正確按F鍵,錯誤按J鍵),然后輸入估算結果,按回車鍵之后進入下一試次。實驗流程詳見圖1。

        (2) 低負荷實驗:呈現 3個阿拉伯數字,其它設置同(1)。

        (3) 無負荷實驗:不呈現數字,其它設置同(1)。

        圖1 高負荷實驗程序

        2.5 數據統(tǒng)計與分析

        使用SPSS 16.0和Excel 2010對所獲數據資料進行統(tǒng)計分析。

        3 結果

        3.1 策略執(zhí)行

        選擇/無選法中的無選條件可以無偏考察各種策略的執(zhí)行時間和準確性,可以反映出各策略解決問題的相對優(yōu)勢。本研究中的c2和c3條件下的反應時和正確率分別反映了無選上調和無選下調策略的執(zhí)行情況。我們只統(tǒng)計分析了被試按照指定策略正確解決問題的反應時。剔除了超過±3個標準差以外的反應時數據(剔除率 2.73%)。無選條件下被試要用給定的某一策略解決問題。根據輸入的估算答案判斷被試使用了何種策略,若使用了給定策略則編碼為1,若沒有使用則編碼為0,我們只分析了編碼為1的反應時數據。正確率即為編碼為1的試次數/總試次數。c2和c3條件下的數據分別統(tǒng)計。

        我們首先考察了被試在正確率和速度上的分配模式,分別對兩組被試在無、低、高三種負荷條件下的正確率與反應時進行皮爾遜相關分析,發(fā)現,正常組中兩者均不存在顯著相關,r分別為-0.02、0.23、-0.01,ps >0.05,即不存在反應時與錯誤率的代償,數困組中,r分別為-0.03、0.03、0.18,ps >0.05,也不存在反應時與錯誤率的代償。

        表1 策略執(zhí)行的描述統(tǒng)計結果(M±SD)

        圖2 實驗條件與被試類型在策略執(zhí)行正確率上的交互作用

        此外,為探究數困兒童和正常兒童的策略執(zhí)行的表現受負荷影響的重要模式性差別,我們還比較了隨著負荷的增加,兩組兒童的中央執(zhí)行功能差異的變化情況,即無、低、高負荷三種條件下的正常組與數困組在策略執(zhí)行正確率上的差異的變化情況,對三種條件下的差值(三種條件下對應的的正常組的正確率減去數困組的正確率)進行了單因素方差分析。結果顯示,三種負荷條件間差異顯著,F(2,105)=3.18,p=0.045,η=0.054。多重比較顯示,兩組兒童之間的差值在低負荷之間的差異(0.36)顯著大于在無負荷(0.28)之間的差異,p =0.01;雖然在高負荷之間的差異(0.33)大于在無負荷之間的差異(0.28),但未達到顯著水平,p=0.14,高負荷與低負荷之間的差異也不顯著,p=0.30。從圖2也可以形象地看出,在無、低、高三種負荷條件下,兩組的差異是先變大再基本不變,可能是高負荷對兩組兒童來說認知負擔都很大,導致正常組的表現也變得很差,從而使得差異不明顯。此外,從圖 2可以初步認為,隨著負荷的增加,正常組以近似線性的變化,而數困組是非線性的。為了更可靠地比較兩組兒童的中央執(zhí)行功能對負荷增加所分別表現出的獨特差異,我們還對兩組兒童的正確率在三種負荷條件下的各自的變化程度(Δ)進行了分析。Δ的計算方法為,高負荷正確率(反應時)的Δ等于高負荷的正確率(反應時)減去低負荷的正確率(反應時),低負荷正確率(反應時)的 Δ等于低負荷的正確率(反應時)減去無負荷的正確率(反應時)。由此,我們對兩組兒童的策略執(zhí)行正確率的Δ進行了 2(被試類型:正常/數困組)×2(Δ:高負荷/低負荷)的兩因素混合設計的重復測量方差分析,結果顯示兩者交互作用顯著,F(1,72)=5.93,p=0.017,η=0.08。簡單效應分析顯示,正常組的Δ差異不顯著,F(1,72)=1.20,p=0.28;數困組的Δ差異顯著,F(1,72)=19.93,p <0.001;η=0.22,高負荷正確率的 Δ(0.10)顯著小于低負荷正確率的 Δ(0.39),呈現出先增加后降低的趨勢,從圖 2也可以看出,低負荷Δ的斜率比高負荷的更加陡峭。這說明,正常組的策略執(zhí)行表現的 Δ隨著負荷的增加并未出現顯著差異,即策略執(zhí)行的表現以近似線性降低,但數困組的表現卻隨著負荷增加而以先快后慢的非線性趨勢下降。

        此外,我們分析了三種負荷條件下對應的正常組與數困組在策略執(zhí)行反應時上差異的變化情況,對三種條件下的差值進行了單因素方差分析,結果顯示,負荷條件之間差異顯著,F(2,105)=3.18,p <0.001,η=0.16。多重比較顯示,兩組兒童在低負荷之間的差異(339 ms)顯著小于無負荷之間的差異(841 ms),p=0.001;高負荷之間的差異(210 ms)雖然小于低負荷之間的差異(339 ms),但未達到顯著水平,p=0.38;高負荷之間的差異顯著小于無負荷之間的差異,p <0.001。此外,與正確率類似,正常組反應時隨著負荷增加以近似線性的趨勢變化,而數困組是非線性的,我們對兩組兒童的策略執(zhí)行反應時的Δ進行了2×2的重復測量方差分析,結果顯示,二者交互作用邊緣顯著,F(1,72)=2.99,p =0.088,η=0.04。簡單效應分析顯示,正常組兒童的Δ差異不顯著,F(1,72)=0.076,p=0.78;數困組兒童的Δ差異顯著,F(1,72)=4.60,p=0.035;η=0.06,高負荷反應時的 Δ(308 ms)顯著大于低負荷反應時的 Δ(143 ms),表現出不斷變大的趨勢,從圖 3也可以看出,數困組中,高負荷的斜率比低負荷的更加陡峭。這表明,隨著負荷增加,正常組的策略執(zhí)行反應時以近似線性的趨勢上升,而數困組卻以不斷加快的非線性趨勢上升。從以上結果可看出,數困組有著區(qū)別于正常組的獨特的中央執(zhí)行負荷模式。

        圖3 實驗條件與被試類型在策略執(zhí)行反應時上的交互作用

        3.2 策略選擇

        在本研究中,被試在條件 c1下的反應時和正確率反映了策略選擇情況。根據被試輸入的估算答案判斷被試使用了何種策略。對策略選擇的反應時數據編碼如下:若被試使用上調策略編碼為 1,使用下調策略則編碼為2,使用其它策略則編碼為0。本研究只分析編碼為1和2的數據,編碼為0的數據不予分析。剔除了超過±3個標準差以外的反應時數據(剔除率3.13%)。策略選擇正確率的編碼如下:若被試使用了給定的上、下調策略中的一種正確解決了問題,則編碼為 1,若使用了其它策略(錯誤)則編碼為0。如,解決23 + 48可以使用上調策略30 + 50=80或者下調策略20 + 40=60,都反映了正確的策略選擇,策略選擇的正確率為編碼為1與2的試次數之和/總試次數。

        我們首先考察了被試在正確率和速度上的分配模式,分別對兩組被試在無、低、高三種負荷條件下的正確率與反應時進行皮爾遜相關分析,正常組中,發(fā)現兩者均不存在顯著相關,r分別為0.13、-0.14、0.007,ps >0.05,即不存在反應時與錯誤率的代償,數困組中,r分別為-0.03、0.03、-0.1,ps >0.05,也不存在反應時與錯誤率的代償。

        表2 策略選擇的描述統(tǒng)計結果(M±SD)

        圖4 實驗條件與被試類型在策略選擇正確率上的交互作用

        圖5 實驗條件與被試類型在策略選擇反應時上的交互作用

        3.3 策略選擇適應性

        在本研究中,策略選擇適應性指被試在策略選擇過程中,選擇了更接近于精確計算結果的策略,那么被試對這個策略的選擇是適應性的(Lemaire,Arnaud,&Lecacheur,2004)。例如:對于86+43,使用下調策略可以得到更為精確的結果,若被試使用了下調策略80 + 40=120,那么就說明被試在該題的策略選擇上具有良好的適應,若被試使用了上調策略90+50=140雖是正確的策略選擇結果,但卻不是適應性的。本實驗有一個策略運用條件(c1)涉及策略選擇的適應性。我們采用被試選擇最佳策略的正確率來衡量策略選擇的適應性(司繼偉等,2012)。將選擇適應性的策略編碼為“1”,沒有選擇適應性的策略編碼為“0”,策略選擇適應性的正確率即為編碼為1的試次數/總試次數,以被試類別作為被試間變量,以實驗條件(高負荷、低負荷、無負荷)作為被試內變量,對兩組兒童的策略選擇適應性的正確率(見表 3)進行 2×3的重復測量方差分析。結果發(fā)現:

        表3 最佳選擇條件下各負荷情境中兒童的策略選擇適應性正確率(M±SD)

        圖6 實驗條件與被試類型在策略選擇性上的交互作用圖

        4 分析與討論

        本研究旨在考察中央執(zhí)行負荷對數困兒童和正常兒童策略運用的差異性影響,揭示中央執(zhí)行功能在數困兒童的策略運用中所發(fā)揮的獨特作用。

        4.1 數困兒童的估算策略執(zhí)行

        本研究發(fā)現,數困組兒童在無、低、高三種負荷條件下的正確率均差于正常組,而在無負荷和低負荷下的反應時也慢于正常組。這基本符合我們的預期及前人研究(Torbeyns et al.,2004b),相較于正常組,數困組中央執(zhí)行功能較差,無法有效抑制額外或者不相關的干擾信息(Passolunghi,2011;呂娜,楊靜,華曉騰,司繼偉,王翔艷,2015),導致策略執(zhí)行表現較差。但兩組兒童的策略執(zhí)行反應時在高負荷條件下差異并不顯著。有研究發(fā)現,即使成年人也會受到負荷影響(司繼偉等,2012),因此,正常組兒童的中央執(zhí)行功能可能仍在發(fā)展,而高負荷任務太難,導致兩個組均不能較好完成策略執(zhí)行。而Δ分析也說明了這一點,在高負荷時,數困組正確率的Δ變小,但反應時的Δ卻變大。雖然兩組兒童反應時在高負荷條件下差異不顯著,但數困組平均反應時還是長于正常組(3717 ms vs.3498 ms),Δ分析也發(fā)現,在正確率和反應時上,中央執(zhí)行負荷會對數困組的策略執(zhí)行產生獨特影響,所以,整體來看,數困組的策略執(zhí)行較差,這可能是由于數困組的中央執(zhí)行功能較差所致。

        數困兒童較差策略執(zhí)行表現的深層原因可能是因為他們存在高水平的數學焦慮導致中央執(zhí)行功能變差。盡管數困兒童在其它學科中的焦慮水平與正常兒童類似,卻往往存在更高水平的數學焦慮,這可能導致中央執(zhí)行功能較差,不能協(xié)調認知資源(Passolunghi,2011)。高數學焦慮導致較差數學表現,這可能是數困兒童同時會伴有更高水平數學焦慮的原因(Wahid,Yusof,&Razak,2014)。數學焦慮會占用一部分認知資源,導致數困兒童的認知資源從一開始就處于劣勢,無負荷條件下數困組兒童較差的策略執(zhí)行表現也印證了這一點。此外,隨著年級升高,數學焦慮對策略運用的影響越來越突出,六年級受數學焦慮制約更多,表現為高焦慮兒童只顧及到速度而正確率較差(Si et al.,2016),這可能解釋了數困組在高負荷條件下正確率低于正常組但反應時沒有顯著差異的原因。因此,我們推測數學焦慮導致數困兒童認知資源不足,從而間接導致較差策略執(zhí)行,或者是直接因為認知資源不足所致。而成年人中高焦慮者的工作記憶負荷更高也印證了這一點(司繼偉等,2014)。至于數學焦慮是如何導致數困兒童認知資源不足可能解釋存在以下幾點:加工效能理論(Eysenck,Derakshan,Santos,&Calvo,2007)認為,焦慮對認知加工效能的影響依賴于中央執(zhí)行的抑制成分,負荷增加會導致中央執(zhí)行抑制功能受損,從而導致焦慮個體更容易受到外部(分心物)或者內部(擔心的想法)等無關刺激干擾,數困兒童有限的認知資源可能還會被調用一部分來抑制焦慮對主任務的干擾,而焦慮還會使有限的認知資源從估算任務(目標-導向注意系統(tǒng))轉移到焦慮情緒的注意(刺激-驅動注意系統(tǒng)) (Eysenck &Derakshan,2011),這些任務無關干擾都會與策略執(zhí)行競爭有限的認知資源,使得本來就存在中央執(zhí)行功能障礙的數困兒童的認知負荷更高,從而導致較差策略執(zhí)行表現。此外,數學焦慮可能并不直接導致較差策略執(zhí)行,而是通過中央執(zhí)行功能作為(部分或完全)中介作用于策略執(zhí)行(Si et al.,2016)。雖然正常組兒童的策略執(zhí)行也會受負荷影響,但相比于同輩的數困組,正常組由于中央執(zhí)行功能較正常,在策略執(zhí)行整體上的表現也就更好,其負荷模式表現出穩(wěn)定可預測的線性變化。而正常組在三種負荷上兩兩差異顯著,這表明,本實驗在負荷任務設置上具有良好區(qū)分度,從而保證了兩組兒童是在同樣實驗條件下進行比較,結論可信度較高??傊?數困兒童的中央執(zhí)行功能較差,導致較差的策略執(zhí)行,且存在不同于正常組的中央執(zhí)行負荷模式。

        4.2 數困兒童的估算策略選擇及適應性

        在認知加工中,策略選擇要比策略執(zhí)行更為復雜,需要個體調用更多認知資源來協(xié)調主次任務(艾繼如等,2016;Lemaire et al.,2004)。而本研究也顯示,數困組中央執(zhí)行功能較差,在策略選擇反應時和正確率上均劣于正常組,中央執(zhí)行負荷效應在兩組兒童的策略選擇正確率和反應時上差異均顯著,Δ分析也發(fā)現,數困組的策略選擇存在獨特的負荷模式,且與其在策略執(zhí)行上的反應時和正確率的變化模式也不一樣。完成策略選擇既需個體主動監(jiān)控目標行為,抑制次任務的干擾,又要根據任務要求在不同策略之間靈活轉換,協(xié)調運用認知資源(Lemaire &Lecacheur,2010),這都需要中央執(zhí)行功能的參與。此外,相較于簡單的策略執(zhí)行,策略選擇還存在一個策略判斷過程,而數困兒童的中央執(zhí)行功能可能較差,從而不能較好完成與策略選擇有關的中央執(zhí)行的抑制與轉換功能,這可能導致中央執(zhí)行負荷對策略選擇的制約作用更大(艾繼如等,2016),從而可能導致數困兒童在策略選擇上的反應時和正確率的變化模式不同于策略執(zhí)行。

        在最佳選擇條件下,被試要根據問題類型選擇適應性策略,比較兩種策略,選擇一種適應性策略并抑制住另一策略。Ardiale和Lemaire (2013)曾指出,在選擇策略時,認知系統(tǒng)會評估策略有效性并修正最初非最佳的選擇而轉向最佳策略,這些認知加工過程會消耗個體有限的認知資源。而數困兒童的中央執(zhí)行功能較差,認知資源相對不足,當執(zhí)行負荷任務時,沒有足夠認知資源評估策略,導致其在三種負荷下的策略選擇適應性表現均顯著差于正常組。但負荷與組別不存在顯著交互作用。將本結果與對成人的策略適應性(司繼偉等,2012)和用智力/年齡匹配設計研究刷新功能對數困兒童策略運用的影響(呂娜等,2015)的有關研究進行對比可發(fā)現,成人在雙任務協(xié)調和正常兒童在記憶刷新條件下的策略適應性都會變差,即成人和表現最佳的年齡匹配組兒童的策略適應性也會受到負荷影響。據此推測,負荷增加時,任務難度也增加,兩組兒童都更可能選擇較簡單的下調策略(呂娜等,2015),從而釋放一部分認知資源,任務難度反而下降。而數困組策略適應性在三種負荷下均低于正常組,說明雖然負荷和組別均對個體的策略適應性產生影響,但負荷對兩組兒童策略適應性的差異性影響低于個體在中央執(zhí)行功能上的差異對結果的影響,這可能是存在顯著組別差異和負荷條件差異卻未出現交互作用的原因。此外,有研究表明,轉換對策略適應性無顯著影響,而刷新的影響顯著(華曉騰,2013),而本研究可能主要涉及中央執(zhí)行的轉換功能,這可能也是未出現交互作用的原因。但整體來說,數困組策略選擇適應性還是顯著差于正常組。數困兒童中央執(zhí)行功能較差,而策略運用與中央執(zhí)行的轉換和抑制功能關系密切。對此,Lemaire和Lecacheur (2010)曾提出策略啟動程序,認為個體從一個試次轉換到另一個時,剛執(zhí)行過的策略仍處于較高激活狀態(tài),更容易獲得和回憶,個體會更傾向于重復相同的策略。但當任務要求選擇最佳策略時,正常組會協(xié)調認知資源來抑制重復同一策略的反應傾向,而數困組中央執(zhí)行抑制功能較差,不能在當前問題上適應性地選擇最佳策略,從而導致較差的策略選擇適應性。另一可能解釋是策略集的重構過程(Lemaire &Lecacheur,2010)。一旦用某一策略解決了某一問題,個體必須重構認知系統(tǒng),這一過程涉及一系列的中央執(zhí)行抑制和轉換過程,個體必須拋棄舊策略或抑制無關策略的激活,使用工作記憶中可獲得的或激活相關的策略來作為將要執(zhí)行的策略。這兩種假設可能分別或共同解釋了較差中央執(zhí)行功能的數困兒童的較差策略選擇適應性的內在原因。Lemaire和Lecacheur (2011)曾證實,中央執(zhí)行抑制功能影響策略選擇,抑制功能越高的兒童策略選擇適應性越好。這也佐證了本研究結果。

        此外,估算策略選擇適應性可能存在著跨文化差異,與其它文化背景的人相比,中國被試雖然策略執(zhí)行更快更精確,但適應性較差,尤其是存在認知負荷時,這可能是因為中國學校教育高度重視的數學練習與訓練雖然導致高度自動化解題,卻反而降低了適應性,而歐洲和北美教育所強調的靈活性和探索性反而增加了適應性(Imbo &LeFevre,2009)。中國被試更加不能容忍這種近似解題策略,當要求估算時,他們可能不得不抑制精確計算傾向(Imbo &LeFevre,2011),這加重了數困兒童的認知負荷。這些都將導致被試(包括正常組)沒有在所有題目上選擇最佳策略。

        總之在策略選擇及適應性上,雖然兩組兒童都會受到負荷影響,但數困組的表現更差,這與其中央執(zhí)行功能較差不無關系。之前有研究表明,數困兒童較差的策略運用既有發(fā)展缺陷(呂娜等,2015),也有發(fā)展延遲(華曉騰,2013),但本研究并不能得出確切結論,需要在未來研究中采用智力/年齡匹配設計繼續(xù)探討。但就數困兒童的中央執(zhí)行功能較差而言,本研究和前人一致(Passolunghi,2011)。那么能否通過訓練來提高其中央執(zhí)行功能呢?有證據顯示,抑制訓練已被廣泛應用于兒童和成人的認知能力訓練中(Manuel,Bernasconi,&Spierer,2013),可明顯提高數困兒童的抑制能力(劉翠珍,2013),也能有效提升其策略運用成績,尤其是在負荷條件和復雜策略下(Bergman-Nutley &Klingberg,2014)。因此,未來從中央執(zhí)行功能可塑性角度開展訓練工作,將有助于深入理解本研究中數困兒童策略運用的中央執(zhí)行負荷效應的理論基礎,以及為制定出有效提高數困兒童策略運用的干預方案提供科學依據。

        5 結論

        基于上述結果與分析,可得到如下結論:

        (1)在無、低和高三種負荷條件下,數困組兒童的估算策略執(zhí)行和策略選擇普遍差于正常組兒童,但二者在無負荷條件下的策略表現都比有負荷的更好;

        (2)無論是數困組還是正常組兒童,其策略執(zhí)行和選擇都會隨中央執(zhí)行負荷的增加而變差,但數困組受到負荷的影響更大,且負荷變化模式與正常組不同;

        (3)在不同中央執(zhí)行負荷條件下,數困組兒童的策略選擇適應性都較正常組差,隨著負荷的升高,兩組兒童的策略選擇適應性都顯著降低。

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