发展性计算障碍——脑与认知科学研究的新成果及其对教育的启示，本文主要内容关键词为：发展性论文,其对论文,科学研究论文,认知论文,启示论文，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。
中图分类号 B844 文献标识码 A 文章编号 1002-0209(2004)03-0026-07
进入新世纪以来，随着科学技术不断进步，随着信息化与数字化的高度发展，“数字素养”(numeracy)已经成为个体正常生活、学习与工作的基本素质。但是，在世界范围内依然有数以亿计的计算障碍患者，他们很难学习数学知识与技能，甚至不能理解最基本的数量关系，他们的数学学业成就低下，甚至严重影响其正常的发展与生活。其中患有发展性计算障碍(developmental dyscalculia)的儿童，亟需获得针对性的帮助，更应引起我们的关注与重视。事实上，早在上世纪初，一些研究者就对发展性计算障碍进行了初步探讨。自上世纪70年代以来，有关研究逐步深入，研究者对其类型、特征、病因有了更多的了解，随着近年来fMRI、PET、ERP、MEG、MRS等无创性脑结构与功能研究技术的出现，研究者开始关注发展性计算障碍的脑机制问题。
一、发展性计算障碍的界定与诊断
发展性计算障碍具有较强的特异性与发展性。研究者对它的认识经历了一个逐步深入的过程。早期的一些研究发现，在智力正常的情况下，一些儿童的数字理解与产生、形成数概念与计算的能力（总称为数字加工能力，numerical ability）并不与智力发展同步。为此，研究者如Kosc等将发展性计算障碍定义为在没有智力障碍的情况下，数字加工能力的结构性失调[1]。后来的一些研究者，如Shalev等人则进一步指出，发展性计算障碍只存在于数字加工与计算领域，患者的其他认知功能，如语言、情绪等则基本正常[2][3]。国际疾病分类第10次修订版(ICD-10)与心理障碍诊断和统计手册第4版(DSM-IV)指出，发展性计算障碍是指数学能力的发展与一般智力的发展不匹配[4][5]。可以看到，发展性计算障碍具有两个基本特征：(1)数字加工与计算的发展水平明显滞后；(2)除数字加工与计算能力外，其他认知功能，如智力、言语等没有受到明显损伤。
发展性计算障碍并不等同于学习障碍(learning disability)。两种障碍的共同点在于，其障碍特征也较为相似，比如计算能力低下、数学学业不良等，且均不伴有智力发育障碍。但是，学习障碍包括听、说、读、写、推理或数字能力等多方面的障碍，在各个年龄段，甚至成人阶段都可能发生。在病因机制上，除了脑基础以外，学习障碍的可能原因还包括基因遗传、生化系统、物理环境、社会心理环境与教育等。而目前的研究则表明，发展性计算障碍可能与特定脑区的发育迟滞或损伤有关，这些脑区只与个体的数字加工能力相联系，并不参与其他认知加工过程[3]。同时，大多数发展性计算障碍都发生在儿童阶段，在成人阶段，除非有明显的脑损伤症状，不会表现出计算障碍。由此来看，发展性计算障碍可能是学习障碍中的一种特殊类型。
发展性计算障碍也不等同于注意力缺陷／多动障碍(ADHD)与发展性阅读障碍(developmental dyslexia)。这三类障碍的共同点在于，三者的脑结构与功能异常症状都不明显，但是又很难通过常规的医学检查进行鉴别，难以找到其障碍原因。同时，三类障碍具有很高的并发性。但是，相对于发展性计算障碍而言，ADHD的主要症状是注意力的缺损与控制减弱，数字加工能力并不必然受到损伤。另一方面，发展性计算障碍与发展性阅读障碍多表现出双分离现象，计算障碍儿童往往并不患有阅读障碍，即使出现并发现象，二者的矫治也不具有互补性[6]。因此，发展性计算障碍、ADHD与发展性阅读障碍，在具体的病因机制上往往较为类似，但是并不相同，表现为部分重叠的关系。
直至目前，发展性计算障碍的诊断仍然主要依赖于对儿童的算术技能进行评价。在具体诊断标准上，发展性计算障碍可以被操作性地定义为数字加工与计算能力的年龄水平比其智力年龄低1～2岁[7][8]。常用的诊断方法包括临床诊断与标准化测验两种。在临床诊断中，诊断者主要考察被试在各种数字加工任务的行为表现，判断是否符合其年龄发展特征。例如，对于刚入学的6～7岁儿童，发展性计算障碍的主要表现是不能提取出基本计算事实，在计算中的计数技能不完善[9]；而在9～12岁时，其主要表现则是不能回忆出需要超量学习的知识，如解答13-9或7×6等较为复杂的算术题，以及缺乏计算的程序性知识，多采用无效的策略，容易出现忽略计算符号、使用错误符号、忘记进位、错放数位等错误[36]。通过临床诊断，可以进行初步筛选，然后通过标准化测验进行系统诊断。目前常用的标准化测验主要包括数学学业成就测验与神经心理学测验两种类型。正数学学业成就测验中，常用的测验包括大范围成就测验(wide range achievement test)的计算子测验与数学能力测验(test of mathematical abilities)等[10][11]。由于学业成就测验容易造成高估或低估，因此，在诊断中更多采用针对性强、结构性好的神经心理学测验。例如，Shalev等人编制的计算测验就分为三个部分，分别考察数字理解、数字生成及计算加工等不同过程的障碍程度。欧洲研究网络编制的儿童数字加工和计算的神经心理学测验(neuropsychological test battery for number processing and calculation in children)则包括十余个子测验，分别对数字概念、数学知识和计算程序等过程的障碍程度进行评价[12]。
近年来，研究者分别在美国[13]、英国[14]、以色列[3]、德国[15]、印度[16]等国家进行了大量流行病学调查研究。研究结果表明，发展性计算障碍在不同国家的发生率大致相同，约为3%-6%。这一发生率与发展性阅读障碍的发生率[3]持平，远远超出过去的估计(1%)[4]。因此，对发展性计算障碍的关注日渐提高，有关研究成果大量增多。
二、发展性计算障碍的类型划分及两种理论观点
个体的数字加工是一个多成分、多阶段的认知加工过程。按照认知模块化的观点，在不同阶段、不同成分上均可能出现障碍，同时这些障碍不会影响其他阶段与成分的功能，从而会表现出不同的症状，形成不同的类型[17]。对成人获得性计算障碍(acquired dyscalculia)的研究发现，随着病人脑损伤部位的不同，其计算障碍的表现形式也不相同，表现为多个子类型。这样的类型划分思路，在发展性计算障碍的研究中也得到了应用。对于计算障碍的类型多样性，研究者分别提出了不同的理论观点来进行解释。其中，McCloskey等人的抽象表征模型与Dehaene等人的三重编码模型应用较广。
McCloskey等人在对脑损伤病人的研究中发现，病人对于数概念的掌握与其计算能力的损伤存在双分离的特点。除此之外，数字的理解与产生过程、不同数字符号的加工、算术事实与计算程序、数字与运算符号等之间均存在分离性的损伤特点。依据这些研究结果，McCloskey等人提出，个体具有一个对数字的抽象表征系统，对于不同的数字符号，个体均要将其转化为这一表征才能用于心理加工，同时，具体的数字产生，如读写数字等也需要通过这一表证。另一方面，个体还有一套相对独立于上述表征系统之外的算术加工系统，包括运算事实与计算程序[18]。这一模型认为，不同模块之间在功能与结构上均相对独立，其损伤也不会互相影响。McCloskey指出，不同的模块受损，个体均会表现出不同的症状。例如，如果数字输入加工受损，个体就可能不能听写数字，但是可以数数；相反，如果输出加上受损，个体可能不会数数，但是却可以理解数量概念；而如果算术模块受损，那么个体可能不能进行计算，但是却可以完成数字的听说读写。与获得性计算障碍相似，发展性计算障碍也可划分为不同的子类型。Temple指出，发展性计算障碍可以分为三种子类型：数字加工障碍，即数字的理解与产生过程发生了障碍；算术事实障碍，即基本算术事实，如乘法表的存贮与提取发生了障碍；计算程序障碍，即计算策略与规则的理解与掌握发生了障碍[19]。例如Temple报告的一例发展性计算障碍儿童，尽管掌握了基本的四则运算事实，却不知道解决计算问题需要哪些步骤[20]，表明算术事实与计算程序的障碍是互相分离的。
Dehaene等人提出的“三重编码模型”(triple codc model)则认为，数学认知能力由三个相对独立的功能模块组成，分别为数量表征模块(magnitude module)、言语表征模块(verbal module)和视觉—空间编码模块(visuo-spatial module)，模块间的差别在于其使用的心理表征不同[21]。这一模型还认为，不同的数字认知任务分别使用不同的认知模块。以计算为例，较为简单的计算可能以机械记忆的方式存贮，主要通过言语模块加上；较为复杂的运算，则会更多使用数量表征，会更多调用数量模块。与McCloskey等人一样，三重编码模型同样也认为不同模块之间具有相对独立性，模块受损不会互相影响，却会表现出不同的子类型。例如，数量表征模块受损的病人，可能不能比较数字的大小，但是却能够背诵乘法表，进行简单的计算；相反，如果言语模块受损，个体可能无法数数，也不能进行精确的计算，但是有可能能够判断算术题的答案是否正确。同样，对于发展性计算障碍，一些研究者，如Von Aster等，指出，其障碍类型也可能符合三重编码模型的假设。例如在Von Aster的一项研究中，通过聚类分析，34名发展性计算障碍儿童被分为三种子类型，其障碍特征正好符合对上述三个模块的假设[22]。
除此之外，还有一些研究者将发展性计算障碍分为深度障碍(profound)与次级障碍(secondary)两种类型。次级的发展性计算障碍更多发生在工作记忆、语言、视觉—空间加上等环节，与其他类型的队知障碍存在重叠；深度障碍则发生在与数字自身加工以及计算直接有关的环节，通常不与其他认知障碍重叠[6]。
综上所述，发展性计算障碍的症状存在多种类型，反映出个体数字加上过程的复杂性与模块化特征。目前的类型划分可能分别强调了个体数字加工的不同侧面与不同特征。例如McCloskey等人更多强调了数字加上的多阶段特点，而Dehaene等人则更多看到了其多成分的一面[23]。可以看到，现有的类型学观点带有较强的理论假设性质，而实际诊断中，发展性计算障碍往往具有较大的个体差异，难以全部囊括。因此，深入认识个体的数字加工，界定不同的障碍类型仍是当前的一项重要研究任务。
三、发展性计算障碍的脑结构与功能基础
当前研究者的一致共识是，发展性计算障碍最重要的成因就是发育过程中的脑结构与功能失调或病变[36]。但是，发展性计算障碍并没有明显的脑损伤症状，很难直接将障碍表现与特定的脑区联系起来。随着近年来一些脑结构与功能研究技术的兴起，研究者开始更精细地揭示与发展性计算障碍有关的脑结构与功能基础。
在早期的一些研究中，由于缺乏精细的定位工具，研究者更多考虑发展性计算障碍与脑单侧化之间的关系。如Rourke指出，儿童的计算或数学障碍存在两种形式，一种形式在数学困难的同时，还表现出在阅读和拼写方面的困难，另一种只表现为数学学习困难，在语言和书面语言方面则基本正常。Rourke将其定义为非言语学习障碍综合症(noverbal learning disability syndrom)[24]。基于言语的左侧化优势，Rourke把NLD儿童的障碍归因于大脑右半球的发育问题[25]。Mattson等人的一项EEG研究则证明，有计算障碍的儿童在执行非言语任务时，其右半脑的活动强度明显弱于阅读障碍儿童与正常儿童[26]。另一方面，许多研究结果也表明，发展性计算障碍可能并不完全由脑单侧化引起。如Von Aster发现，只有约50%的NLD儿童表现出计算障碍，另外50%的计算能力则基本正常，表明NLD与计算障碍并不完全对应[27]。其他一些神经心理学与神经影像学研究结果则表明，数字加上与计算更多与左半脑相联系。
随着研究的进展，目前的研究者多倾向于用认知模块的观点来解释发展性计算障碍。他们队为，数字加工与计算能力需要不同的认知模块，这些分别与特定的脑区结构相联系，如果不同脑区出现了发育异常，就会影响相应的模块，表现出发展性计算障碍。前述的McCloskey等人的抽象表征模型与Dehaene等人的三重编码模型就属于认知模块的观点。对正常成人被试的PET与fMRI研究结果表明，不同的数字加工与计算任务分别与不同脑区相联系，支持了认知模块的观点。例如，数量特征的加工，如比较与估算上要与双侧顶叶区域有关；算术事实的提取，如背诵乘法表主要与左侧额叶下部有关；数字视觉特征的加工，如数位的操作则与双侧颞叶区域有关[28][29][30]。近年来的一些研究结果更直接考察了与发展性计算障碍有关的脑结构与功能基础。例如，Levy等人采用MRS技术的研究发现，发展性计算障碍患者在左侧颞顶区域的神经代谢水平比正常被试明显偏低[31]。Isaacs等人采用VBM技术的脑形态学分析也表明，存在计算障碍的出生低体重儿童其左侧顶内沟区域的白质密度明显偏少。这些研究结果支持了左侧顶内沟区域与数量表征加工有关的观点[20]，表明这一区域的损伤或发育迟滞可能会诱发发展性计算障碍。
其他一些研究者则试图将脑单侧化和认知模块的观点结合起来，解释发展性计算障碍的病因机制。Anderson的最小认知结构(minimal cognitive structure)理论认为，个体获得知识的途径有两条：途径一是思维过程，由基础加工机制(basic processing machanism,BPM)和两项专门信息处理器(specific processor)构成。基础加工机制与智力的一般因素相对应，决定着信息加工的容量和速度；专门信息处理器则编写获得知识的程序，一台(SP1)负责言语顺序信息加工，另外一台(SP2)则负责视觉空间和整体的加工，分别对应于大脑的左半球和右半球。途径二则是通过不同的专门化模块获得知识，它们的计算并不受基础加工机制影响[33]。在上述观点基础上，Von Aster提出了一个发展性计算障碍的综合化观点。这一观点认为，一般性智力缺陷主要为BPM障碍，表现为学习的速度慢，接受数最少。在智力正常情况下，专门信息处理器受损则会导致不同类型的学习障碍，如前所述的NLD型计算障碍，即是由于非言语处理器受损。此外，数字处理还需要不同信息加上模块的参与，如Dehaene等人所指出的三种表征模块等。如果这些模块受损，也会表现出特定类型的计算障碍[22]。不同类型的发展性计算障碍如图1所示：
类型1·智力落后，所有的学业成绩都很差
类型2(1)智力正常，操作智商优于言语智商(SP1)
(2)智力正常，操作智商差于言语智商(SP2)
类型3·智力正常，模块功能缺陷
图1 发展性计算障碍的“最小认知结构”理论[22]
四、对开展发展性计算障碍研究与教育干预的建议
我国历来重视数学基础教育，儿童数学能力的发展一向居于世界前列。然而不可否认的是，我国仍有大量患有发展性计算障碍的儿童。对于这些儿童，不仅需要我们进行系统深入的研究，了解其脑与认知机制，开发出准确的诊断工具与方案，更需要制定有针对性的干预方案，提供改善性的教育对策与环境。然而，目前无论是学术界还是社会公众，对于发展性计算障碍的认识普遍不够，甚至不少研究者对于发展性计算障碍缺乏基本了解，将其与智力低下、学习障碍、注意力障碍或阅读障碍混为一谈。在此，我们就我国在发展性计算障碍方面亟需开展的几项重要工作提出一些建议。
第一，大力开展发展性计算障碍的调查研究，建立基本数据库。在国际上，美、英、德、以色列、印度等国一直重视儿童的发展性计算障碍，较为系统地对其发生率、典型症状、个体与人群差异、主要类型等方面进行了探讨。相比之下，我国至今尚未对发展性计算障碍开展正式研究，有关数据基本一片空白。我们的一项初步研究结果显示，在北京地区1200名学生样本中，发展性计算障碍的儿童比例为6%[34]，这一结果与国外研究的结果基本一致。因此，较大范围的流行病学调查无疑是当前一项亟需开展的工作。通过大范围的调查研究，我们不仅可以深入了解中国儿童的数学素质现状与发展性计算障碍的发生情况，同时也可以与国际有关研究相比较，了解其共同点与差异，以便提供更有针对性的教育干预方案。
第二，大力开发诊断工具与方案，准确有效地鉴别发展性计算障碍。发展性计算障碍的症状较为复杂，类型较难区分，容易与其他类型的障碍相混淆。因此，正面对数学学习困难的儿童时，首要的任务是鉴别其是否患有发展性计算障碍，进而分析其症状与类型，探讨可能成因。在许多情况下，由于发展性计算障碍儿童的智力与语言发展水平基本正常，容易被认为是学习不努力，不去就诊。因此，在当前有必要对教师与家长进行有关宣传，帮助他们更好地认识这一障碍。同时，在诊断时，最好包括多方面人员，例如心理治疗师、儿科医生，以及教师与家长等，以使诊断更为准确、有效。我国目前尚未开发专门化的发展性计算障碍诊断工具，也没有标准化的数学学业成就测验，需要在近期加强这方面的工作。
第三，系统、深入地探讨我国儿童发展性计算障碍的脑与认知机制。发展性计算障碍是一个诸多因素参与的过程，基因、神经、环境与教育等均与之有密切关系。但是，当前研究结果一致表明，认知神经因素、神经代谢水平、白质密度分布等是其中的核心成因。为此，有必要大力加强对发展性计算障碍的脑与认知机制的探讨，尤其是应用各类无创性功能与结构脑成像技术进行研究。目前在我国，无论是在神经心理学与认知心理学，还是在功能脑成像与电生理方面，对发展性计算障碍研究的关注与投入都很不够，极大地影响了对我国儿童发展性计算障碍问题的认识与采取措施。
第四，制定可操作性强、效率较高的针对性矫治方案。发展性计算障碍是一种特异性较强的障碍类型，需要采取有针对性的干预方案。在干预过程中，首先必须仔细分析儿童的数学困难问题是否由于发展性计算障碍引起的。通常来说，在患有发展性语言障碍的儿童中，大约26%存在计算障碍[35]，而患有注意力障碍(ADHD)的儿童，大约20%也存在计算障碍[36]。其次，在确认为发展性计算障碍时，还必须分析其障碍的成因。在某些情况下，儿童的发展性计算障碍可能是由于某些疾病引起的。例如，有研究结果表明，大多数患有癫痫、特纳综合症(Turner's syndrome)与X染色体易脆症(fragile X syndrome)的儿童均存在计算障碍[37][38]。在这些情况下，通过对其他障碍与疾病的治疗，可以明显减轻儿童的障碍。另一方面，对于发展性计算障碍，则需要对症下药，选择有针对性的干预方案。一些研究者建议对发展性计算障碍的不同子类型采取对应的矫正方案，例如对于数字理解与加工存在障碍的儿童，就可以着重训练其不同感知觉通道上的加工能力[25]，而对于算术事实存贮与提取存在障碍的儿童，则可以训练其使用计算器[39]。
第五，改进数学教育，有效改善儿童的发展性计算障碍。当前研究结果表明，在很多情况下，儿童的数学学习困难更多是一种学习障碍，可能与家庭教养、教学方式、同伴交往、师生交往乃至家庭与学校的物理环境有关[40][41]。对于发展性计算障碍来说，良好的教育环境有可能会促进障碍的改善，不良教育环境则可能导致其障碍症状的加剧。尤其是现阶段，在不能完全根治发展性计算障碍的条件下，更应着眼于帮助儿童能够进行较正常的生活与学习。因此，更需要我们为这些障碍儿童提供促进性的教育环境。目前我国数学教育大多以现代数学知识体系为依据，使用较严谨的语言逻辑方式，教师在课堂中也以语言为主要工具，采取知识讲授的方法进行教学，在教学评价时也偏重于以语言方式考察学生的数学知识。这样的教育方式可能不仅会造成某些儿童数学能力的片面发展，同时也不利于儿童计算障碍的改善[42]。因此，应高度重视数学教育方式方法的转变，为儿童提供更全面的数学教育。