手指知觉、运动和定量表征对数字认知的促进作用_认知发展理论论文

手指的感知、运动以及数量表征对数字认知的促进作用，本文主要内容关键词为：表征论文,认知论文,手指论文,数量论文,作用论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      文章编号：1001 4918(2014)03-0329-336 中图分类号：B844 文献标识码：A

      1 引言

      手指感知也叫“手指辨别”或“手指定位”，是对“手指图示”(finger schema)的完整呈现(PennerWilger & Anderson，2008)。它的操作定义是，在没有视觉参与的条件下，能够辨别哪根手指被触摸。手指运动包括手指抓握和手指轻拍等，儿童使用手指来数数和计算时，这些操作都与手指运动有关。目前普遍认为，感知-运动系统可能在评估和产生与行为(Hauk，Jonhsrude，& Pulvermüller，2004)和可操作物体(Almeida et al.，2008)有关的单词语义时起作用。具身认知理论也认为，概念的形成和表征依赖于实施这些概念的感知-运动系统(叶浩生，2010；Gallese & Lakoff，2005)。作为儿童在习得符号数字之前最常使用的数数工具，手指感知和手指运动可能对数量表征这一抽象概念的形成起作用(Penner-Wilger et al.，2009；Penner-Wilger et al.，2007；Badets & Pesenti，2010；Ranzini et al.，2011)。

      手指数数是在基于自身感知-运动经验的基础上，使用手指来表征数量。可以将手指数量表征方式分为两种(Di Luca，Lefevre，& Pesenti，2010)，一种是标准的手指组合，是所在文化背景下的一种约定俗成的手指数量表征方式，人们会按照固定的顺序依次伸出手指来表征数量，如图1中德国人通常伸出拇指和食指来表示“2”；另一种是非标准的手指组合，相对于标准手指组合，它是一种不常使用的手指数量表征方式，如伸出左手的食指和右手的食指来表示“2”。儿童在发展早期就会习得这两种手指数量表征方式，这可能有助于儿童数字符号概念的形成(Di Luca et al.，2006；Di Luca & Pesenti，2008；Krinzinger et al.，2011)。

      

      图1 德国人手指数数方式(Domahs et al.，2010)

      本文拟对手指感知、手指运动以及手指数量表征与数字认知相关的研究进行总结，并在此基础上阐述手指与数字认知未来的研究方向。

      2 手指感知

      Gerstmann于1924年首先提出手指感知与数字加工有联系。他发现了一种特殊的病例，现在命名为格斯特曼综合症，它有四个并发症：手指失感(无法正确辨别每一根手指)、计算力缺失(无法完成哪怕是最简单的计算)、左右方向障碍(无法区分左右手)和失写症(无法书写)。四个并发症中的主要症状是手指失感，手指失感和左右方向障碍共同引发了计算力缺失(Gerstmann，1940)。在此基础上，研究者们对手指感知能力与数字加工进行了大量的研究。研究发现，手指感知不仅与计算能力(Costa et al.，2011；Reeve & Humberstone，2011)有关，与数量表征(Penner-Wilger et al.，2009；Rusconi，Walsh，& Butterworth，2005)、估计能力(PennerWilger et al.，2009)等其他数学能力都有关系。

      但是，手指感知究竟在数字加工中起到了怎样的作用？手指感知能力可能主要促进了数量表征能力的发展，它对其他数学能力(如计算能力)的影响可能都源于对数量表征的影响。一个研究发现，1年级儿童的手指感知能力能够预测1年以后儿童的数量表征能力(Penner-Wilger et al.，2009)。另一个研究运用回归分析发现，手指感知通过数字系统知识(以数字辨别测验、下一个数字测验、位数测验为指标)与计算能力有间接的相关。综合上述两个研究结果，可以推测，手指感知也许与计算能力没有直接的联系，而是通过影响数字系统知识间接地影响计算能力(Penner-Wilger et al.，2007)。

      已有研究都表明，手指感知与数学能力之间存在密切联系。然而，手指感知与数学能力之间存在联系的原因是什么呢？目前，主要有三种观点对其做了解释，分别是功能观点、定位观点和再利用观点，它们各自得到了一些研究的支持和反驳。

      功能观点(functionalist view)强调学习经验的影响。它认为，在数字发展的过程中，手指经常被用来表征数量、执行数数和计算任务，手指使用能力强弱也许就能影响上述数学任务完成的好坏。所以，与使用手指有关的一些能力，如手指感知、手指灵活性和手指精细动作能力，就和数学能力形成了一种功能的联系(Butterworth，1999；Penner-Wilger & Anderson，2008)。根据功能观点，儿童的手指感知能力、手指精细运动能力应该都能够预测其数学能力。有研究(Gracia-Bafalluy & Noёl，2008)对1年级儿童进行手指辨别能力训练，结果发现，训练后儿童的手指感知能力和数学能力都有显著的提高，支持了功能观点。另一个研究(Penner-Wilger et al.，2007)进一步发现，尽管手指感知能力能够预测数学能力，手指精细运动能力(以手指轻拍为指标)却无法预测数学能力，这与功能观点的预期不一致。

      定位观点(localizationist view)强调生物因素的影响。它认为，相邻脑区各自具有的一些功能也是相关的，手指感知能力与数学能力存在联系是因为与二者相关的脑区位于顶叶相邻的区域(Dehaene et al.，2003)。有研究表明，与格斯特曼综合症的四个并发症(手指失感、计算力缺失、左右方向障碍和失写症)有关的脑结构都位于顶叶的相邻区域(Dehaene et al.，2003)。根据定位观点，格斯特曼综合症的四个症状的测量结果应该相互关联，且手指感知、左右定向、书写能力对数学能力应该有同等的预测作用。根据功能观点，由于在发展过程中，手指感知比左右定向、书写能力更多的与数字联系在一起。因此，与二者相比，手指感知对数学能力应该有更好的预测作用。Noёl(2005)的研究发现，不仅手指感知能力，格斯特曼综合症的其他几个并发症的测量结果，也都与数学能力有显著的相关。这一结果支持了定位观点，反驳了功能观点。

      再利用观点(redeployment view)也更加强调生物因素的作用。它认为，在进化的过程中，最初为了某些具体的、初级的功能而形成的脑区会被再度用来产生新的、更高级的功能(Penner-Wilger & Anderson，2008)。数学运算时，需要先在脑中激活单个的数字，这与手指感知时，在大脑中表征哪一根手指被触摸是类似的(Anderson & Penner-Wilger，2007)。所以，最初与手指感知相关的脑区，后来有可能又被再利用来支持数量表征，二者也许共享了一些神经资源。定位观点和再利用观点都强调生物因素的影响，但二者也有所不同。定位观点认为，与手指感知和数学能力相关的脑区相邻；再利用观点则认为，与二者相关的脑区有重叠。再利用观点提出了四个预测(Penner-Wilger & Anderson，2008)，这四个预测的证实也许能够反驳功能观点和定位观点。预测一，在数字任务中，与手指表征相关的脑区会被激活。预测二，相关神经基质的损害既会影响手指感知，也会影响需要数量表征的任务。预测三，在完成同时涉及到手指感知和数量表征的任务时，由于要竞争共同的神经资源，二者会相互干扰。预测四，对于手指感知正常，但在发展期间不能用手指表征数量的个体，在执行数量表征任务时，手指相关的脑区仍有激活。四个预测中，如果预测一、预测二和预测三得到证实，则说明，与手指感知和数学能力相关的脑区不是相邻，而是有重叠，可以反驳定位观点。如果预测四得到证实，就表明，先天的生物因素也许比后天的学习经验更重要，反驳了功能观点。因此，如果上述四个预测都得到证实，也许可以认为，再利用观点是对手指感知与数学能力之间存在联系的正确解释。研究发现，成人在进行一些基础的计算任务时，左侧顶叶与手指表征相关的脑区会被激活(Zago et al.，2001)；执行数字和手指任务时，二者所激活的脑区有重叠(Andres，Seron，& Oliver，2007)。这两个研究表明，手指数量表征相关的脑区在数字任务中会被激活，支持了预测一。用重复经颅磁刺激作用于左侧脑回，结果对成人的大小比较任务和手指感知任务都有影响(Rusconi，Walsh，& Butterworth，2005)，说明相关神经机制的损害会同时影响手指感知和数量表征，支持了预测二。目前，预测一和预测二已经得到了一些研究的支持。但是，还没有看到与预测三和预测四相关的研究。

      综上，关于手指感知与数学能力存在联系的原因尚未获得一致的结论。上述三个观点各有一些研究的支持，但仍有一些不足，未来研究可能要考虑以下因素：(1)在对不同的观点进行研究时，要注意排除无关因素的影响。例如，通过手指感知训练能够提高儿童的数学能力(Gracia-Bafalluy & Noёl，2008)，这个研究支持了功能观点。但是并不能反驳定位观点和再利用观点，因为它也无法排除与二者有关的脑区可能存在联系这一额外因素。(2)注意对手指感知能力、手指灵活性以及手指精细运动能力的操作指标的选择。在反驳功能观点的研究中，使用手指轻拍作为手指精细运动能力的指标，但是，手指轻拍也许不能很好地表征手指精细运动能力。(3)再利用观点更进一步地提出了四个预测，如果这四个预测能够被证实，则能够反驳功能观点和定位观点。但是，预测三和预测四还没有得到证实。Penner-Wilger和Anderson(2008)对于如何检验预测四提出了一个思路。首先需要选择发展协调障碍儿童(developmental coordination disorder)，这类儿童的手指感知能力正常，但是手指精细运动能力差、较少使用手指数数。然后让发展协调障碍儿童完成大小比较任务，如果与手指相关的脑区仍然有激活，则说明预测四是正确的。

      3 手指运动

      近年来，有越来越多的关于手指运动与数字加工的研究。行为研究发现，数量大小加工会影响手指抓握行为(Andres et al.，2004；Lindemann et al.，2007)。脑成像研究也发现，计算(Stanescu-Cosson et al.，2000；Zago et al.，2001)、大小比较(Chochon et al.，1999；Pesenti et al.，2000)或者是非符号数量加工(Pinel et al.，2004)都会激活与抓握行为有关的顶叶和前运动区。上述研究表明，数量大小这一抽象概念的加工会对感知-运动系统产生影响。然而，从进化和发展的角度来说，二者之间形成功能联系的方向应该与上面相反，即从感知-运动系统到数量(Badets & Pesenti，2010)。Badets和Pesenti(2010)第一个研究了手指运动对数量大小加工的影响。实验中先向被试呈现两种手指运动(手指张开和手指紧握)中的一种，再同时呈现两个阿拉伯数字，要求被试根据呈现的手指运动种类来复述呈现的阿拉伯数字中的奇数或者偶数。结果发现，手指紧握时，被试对小数的反应显著快于对大数的反应。更进一步的研究都支持了这一结果。有研究采用与上述实验类似的方法，但是用手指抓握物体代替单纯的手指抓握行为，结果发现，被抓握物体的大小与数量大小也有相互影响(Ranzini et al.，2011)。还有研究先给被试呈现手指运动图片(手指张开、手指紧握)，然后要求被试从1～10的数字里随机说出一个数字，结果发现，在观察手指紧握的图片后，被试更倾向于说出较小的数字(Badets et al.，2012)。

      上述研究表明，手指运动对数量表征有影响，这与具身理论的观点相符。具身理论认为，感知-运动系统会影响概念的形成和表征(叶浩生，2010；Gallese & Lakoff，2005)。但是，手指运动为什么会影响数量表征？Walsh的理论也许可以解释上述结果。Walsh(2003)认为，时间、空间和数量是一个综合的大小维度编码系统的一部分，数量和行为通过对大小维度共同的度量被联系在一起。因为手指抓握行为与表征量有关，所以才会同数量大小加工有相互影响。

      但是，除了手指抓握行为之外，还有手指轻拍等其他没有涉及量的表征的手指运动方式。有研究发现，这些手指运动也可能会影响数量表征或数字加工。例如，用双任务范式来研究手指轻拍和加法运算的关系，结果发现，二者可能共享了一个次序加工资源(Soylu & Newman，2011)；实验过程中移动被试的手，会干扰其使用手指数数策略来完成计算任务(Imbo，Vandierendonck，& Fias，2011)。Walsh的观点还无法对上述结果进行解释。因此，关于手指运动对数量表征产生影响的原因仍需进一步探讨。

      4 手指数量表征

      关于手指数量表征在儿童数字认知发展中的作用尚存争议，目前主要有两种观点。一些研究者认为，在发展的某一阶段要利用手指数量表征这样的外在表征方式，然而，它仅仅是作为一个助手促进了非符号数量表征到符号数量表征的转换(Moeller et al.，2011)。有研究发现，标准手指组合是作为符号刺激被加工(Di Luca，Lefevre，& Pesenti，2010)。它也许有助于儿童将对数量的感知与数字符号联系起来，促进了非符号数量表征到符号数量表征的转化。有两个行为研究进一步支持了这一观点。一个研究中，要求被试用十根手指分别按十个按键完成数字-手指映射任务(digit-to-finger mapping task)，结果出现了手指-数字反应兼容效应，即当呈现的阿拉伯数字与反应手指之间的匹配符合被试自己的手指数数习惯时，反应更快(Di Luca et al.，2006)。另一个研究中，给被试呈现不同手指组合的图片，要求被试说出其表征的数量大小，结果发现，当呈现的手指组合图片与被试自己的标准手指组合一样时，被试的反应更快(Di Luca & Pesenti，2008)。这两个研究表明，标准手指组合也许促进了数字语义的形成。此外，功能成像研究也发现，在非符号加法和大小比较任务中，与手指相关的脑区会被激活，而在符号数字加工任务中，与手指相关的脑区没有激活(Krinzinger et al.，2011)，结果表明，手指数量表征也许促进了非符号数量表征向符号数量表征的转换。但是，上述研究对象主要是成人，研究结果只能是间接推测手指数量表征可能对非符号数量表征向符号数量表征的转换有促进作用。无法从发展的角度直接证实这一观点，并且也不能更明确地说出手指数量表征主要在发展的哪一阶段发挥作用。这些仍有待进一步的研究。

      另一些研究者则认为，存在多种数量语义表征方式(Kadosh & Walsh，2009)，手指数量表征可能是其中的一种(Moeller et al.，2011)。Iversen(2004)和Domahs(2010)等研究发现，德国聋哑人、德国人的手指数量表征方式(图1，图2)是5进制(sub-base-five)，即用手指来表征数量是以每只手的5根手指为一个单位，逢五进一。进一步研究发现，德国人和德国聋哑人的这种手指数量表征方式会影响阿拉伯数字的大小加工(Domahs et al.，2010)。在阿拉伯数字大小比较任务中，排除了距离效应和大小效应的影响后，德国人和德国聋哑人被试对4-6和5-7这两组数据的反应时显著高于其他数据组。随后，又对朝鲜聋哑人进行了研究，朝鲜聋哑人在用手指表征不同的数量时，手指的指向会发生变化(图3)，这不同与其他文化背景下的手指数量表征方式。结果发现，朝鲜聋哑人的手指数量表征方式会影响阿拉伯数字大小比较(Domahs et al.，2011)。上述研究表明，手指数量表征有一些不同于其他数量表征方式的特点，这些特点甚至会影响到与手指数量表征无关的阿拉伯数字大小比较任务(Klein et al.，2011；Domahs et al.，2011)。但是，仅此还不足以说明手指数量表征是一种数量语义表征方式。因为，手指数量表征也有一些局限性。首先，尽管在学前期和儿童早期手指经常被用来表征数量，但是成人很少使用；其次，很多文化中，手指只能用来表征1～10的数字，不能表征更大的数字。因此，手指数量表征是否是一种数量语义表征方式仍有待进一步研究。

      上述两种观点各自都有一些研究支持，但这些研究也都有一些不足之处。因此，手指数量表征在数字认知发展中究竟起到了怎样的作用，目前尚无定论。

      

      图2 德国聋哑人的手指数数方式(Domahs et al.，2010)

      

      图3 朝鲜聋哑人的手指数数方式(Domahs et al.，2011)

      5 小结与展望

      以上分别从手指感知、手指运动和手指数量表征三个方面总结了手指可能在数字认知中起到的作用。手指感知可能主要有助于儿童数量表征能力的发展，并通过影响儿童的数量表征能力来间接地影响其他的数学能力。与表征量有关的手指运动会影响数量表征。手指数量表征可能是作为一个中介促进了非符号数量表征向符号数量表征的转换，也可能是一个独立的数量语义表征方式。目前，关于手指与数字认知的研究还没有受到重视，主要因为研究还比较零散，缺少系统的研究。未来有待从以下几个方向开展。

      一是发展研究。目前仍不清楚手指在数字认知发展的过程中起到怎样的作用。未来研究有待从以下几个方面进一步探讨：(1)分别探讨手指感知、手指运动和手指数量表征的发展轨迹，以及这一发展轨迹与儿童数字认知发展的关系。有研究发现，5～7岁期间，儿童的手指感知能力会逐渐增强，并且手指感知能力的增强与儿童的计算能力以及在计算任务中手指的使用频率有关(Reeve & Humberstone，2011)。(2)分别探讨手指感知、手指运动以及手指数量表征在数字认知发展中所起的作用。目前，手指感知和手指运动的相关研究还局限于发现有预测作用或促进作用，有两种观点分别阐述了手指数量表征在数字认知发展中所起的作用，一种认为手指数量表征是一种数量语义表征方式，另一种则认为手指数量表征促进了非符号数量表征到符号数量表征的转换。但究竟哪一种观点是正确的，也仍然存在争议。因此，这三个方面在数字认知发展中起到怎样的作用，还有待研究。(3)研究手指使用频率的发展轨迹。在个体发展过程中，手指使用频率的发展轨迹是怎样的以及这一发展轨迹与儿童数字认知发展有怎样的联系？目前还没有一个系统的纵向研究对这一问题做出说明。(4)性别差异研究。研究发现，男孩比女孩更早地使用手指，也更早地放弃使用手指(Jordan et al.，2008)。手指使用上的性别差异对男女的数字认知发展有无影响？这一问题有待进一步的研究来回答。(5)手指数数对于数字认知发展是否是必要的？如果手指在儿童数字认知发展中是必不可少的一步，那么教育过程中，让儿童先学会使用手指来精确的表征数量，再学习使用数字符号，也许更有利于其数字认知的发展(Crollen，Seron，& Noёl，2011)。

      二是作用机制的研究。现有的研究还无法解释手指为什么在数字认知中起促进作用。关于手指感知与数字加工存在联系的原因目前共有三种不同的观点，哪一种观点更合理，仍有待进一步的研究。手指运动和手指数量表征与数字认知存在联系的原因也仍然不清楚。有研究发现，手指运动与心算存在功能相关(Michaux et al.，2013)。但是还不能确定这种相关是受生物因素的影响，还是学习经验的影响。未来研究可以从手指感知、手指运动以及手指数量表征三个方面分别探讨手指与数字认知存在联系的原因。

      三是手指与数字运算的研究。已有的手指与数字认知的相关研究主要是关注手指与数量表征的关系。但其实，手指在儿童学习简单运算中也发挥了重要的作用。Domahs，Krinzinger，Willmes(2008)研究发现，6～8岁的儿童在完成加减法任务时，经常会出现与正常答案偏离5个单位的错误(如2+7=14)。还有研究发现，成人在简单运算时，也会受到手指数量表征的影响(Klein et al.，2011；Badets，Pesenti，& Olivier，2010)；与手指表征有关的脑区是成人完成计算任务的生理基础(Andres et al.，2012)。因此，进一步的研究应该关注手指与数字运算之间的关系。

      四是综合研究。目前都是分别对手指感知、手指运动和手指数量表征进行研究，并且这三个方面都各自采用一些不同的研究方法，比如，手指运动的研究常采用双任务范式和刺激-反应兼容范式；手指数量表征的研究常采用大小比较任务和数字-手指映射任务等。但其实，手指感知、手指运动和手指数量表征是相互联系的。只有能够在心理表征每一根手指，才能用不同的手指来表征数量，并且依次伸出手指来表征数量的过程也涉及手指运动。三者的结合使得手指数量表征更加形象化，也更容易将手指的不同组合与数值联系起来(Di Luca & Pesenti，2011)。未来如果能够将手指感知、手指运动和手指数量表征综合起来，并结合这三个方面的一些不同研究方法，可能有助于我们更进一步的了解手指在数字认知中的作用。

      五是本土化研究。尽管不同文化背景中的人们都会使用手指数数，但是手指数数方式却存在文化多样性。因此，应该以具体文化背景为基础，研究手指在数字认知中的作用(Bender & Beller，2011)。中国人手指数数方式与其它国家有所不同，但目前为止，鲜有对中国人的研究，因此，未来研究应该将手指与数字认知研究本土化，专注于探讨手指在中国人数字认知中的作用。

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