兒童早期精細動作技能與認知發展的關系*

耿 達 張興利 施建農,3,4

(1中國科學院心理研究所, 北京100101) (2中國科學院大學, 北京100049) (3中國科學院行為科學重點實驗室, 北京100101) (4 Department of Learning and Philosophy, Aalborg University, Denmark)

1 引言

精細動作技能指個體主要憑借手以及手指等部位的小肌肉或小肌肉群的運動, 主要反映了在感知覺、注意等多方面心理活動的配合下完成特定任務的能力(李蓓蕾, 林磊, 董奇, von Hofsten,2002)。一個簡單的精細動作的執行, 需要意識的參與, 大腦中的計劃, 然后依靠肌肉的協調以及力量的控制, 同時加之感知覺的參與協調完成。

手的動作可能促進個體大腦皮層相應區域認知能力的發展, 身體的發展在某種程度上可以被視為認知的發展程度, 認知依賴于我們的感知和動作系統(曲方炳, 殷融, 鐘元, 葉浩生, 2012)。手在嬰幼兒認識事物的各種屬性和聯系、知覺的完整性和具體思維能力的發展方面起到至關重要的作用(李紅, 何磊, 2003; 曲方炳等, 2012)。孩子獲得知識的最好的方式是動手操作周圍的環境, 以此來鍛煉小肌肉技能, 同時為日后的學習奠定良好的認知基礎(Grissmer, Grimm, Aiyer, Murrah, &Steele, 2010)。

兒童的精細動作發展開始于先天性條件反射,如抓握反應, 然后經過一系列的過程逐漸發展到握筆書寫。隨著大腦的成熟及年齡的增長, 精細動作技能出現漸趨提高的現象 (Ulrike & Markus,2012)。在3～6歲期間, 出現“操作技能”的飛速發展, 如雙手技能、手的靈巧性、手眼協調能力、物品操作能力等迅速提高(Siu, Lai, Chiu, & Yip,2011); 對個體大腦及相關骨骼、肌肉的發育分析表明, 4～8歲是個體生理發展成熟最快的時期之一,神經細胞髓鞘化在這一時期內基本完成(李蓓蕾,林磊, 董奇, von Hofsten, 2003)。這說明, 動作能力與認知的關系早在6歲前就已經建立起來了(Pangelinan et al., 2011)。

動作協調困難的幼兒在執行認知功能任務時,比如動作抑制、任務切換、工作記憶方面存在困難(Pangelinan et al., 2011)。他們不僅在諸如吃飯、穿衣等日常生活中存在困難, 同時在學習用具(如蠟筆、鉛筆、剪刀等)的使用上也存在困難(Rule &Stewart, 2002), 進而影響到對書寫的掌握以及學習成績, 從而對學業成就造成負面的影響(O'Brien,2004; Stoeger, Ziegler, & Martzog, 2008)。反之, 熟練掌握精細動作的幼兒, 在上述的動作技能任務中可以做到自如操作、靈活運用, 具有良好的日常生活自理能力, 在學習任務中表現出得心應手,使幼兒產生自我感：感到自己是一個自在的實體(李紅, 何磊, 2003), 從而促進其學業上的表現。

2 精細動作能力與認知關系的行為研究

關于精細動作技能與認知關系的研究中, 早在10年前, 國內研究者通過綜述國內外研究發現,兒童手的抓握和手勢的發展在兒童與環境的相互作用過程中起到了重要的中介作用, 主要表現在對外界事物屬性的認識、語言的發展和數能力的發展中起到的積極作用(李紅, 何磊, 2003)。因此,本文將從精細動作與認知基礎(注意)、高級認知能力及認知能力表現(學業成績)三者關系來闡述精細動作技能與認知的關系。

2.1 精細動作能力與認知基礎(注意)的關系

注意表現為對一定對象的指向與集中, 同時忽略一些干擾因素, 在兒童認知發展中起著關鍵的作用(Ashkenazi, Rubinsten, & Henik, 2009;Trautmann & Zepf, 2012)。注意的分配是指在同時進行兩種或幾種活動的時候, 把注意指向不同的對象。在實際生活中常要求人們將注意很好地分配,例如一邊書寫一邊計算, 一邊彈奏樂器一邊欣賞音樂。注意分配的重要條件之一, 就是在同時進行的兩種或兩種以上活動中只有一種是不熟悉的,需要以集中的注意去觀察或思考它, 成為注意的中心, 而其余的動作都已經達到了相對“自動化”的程度。

精細動作的有些動作過程要求很強的能力,競爭有限的資源, 尤其是對注意力、認知和動作資源的競爭(Stoeger et al., 2008)。精細動作能力不足, 在執行復雜的新任務時就會出現注意資源分配不足的情況。在精細動作協調方面有困難的孩子, 本身精細動作能力較差, 完成動作又需要持續性的注意力, 精細動作任務對他們就顯得比較困難(Meyer & Sagvolden, 2006)。精細動作能力差的孩子在寫字的時候, 需要將注意力集中到動作監控上來, 分散了原本應分配到更高級認知任務的注意力(Stewart, Rule, & Giordano, 2007)。他們在書寫時主要依靠動作執行的反饋, 而不是運用動作控制進行調整(Smits-Engelsman, Wilson, Westenberg,& Duysens, 2003)。患有ADHD (Attention Deficit Hyperactivity Disorder)的孩子注意力持續時間非常短, 同時對需要注意力持續一段時間的任務缺乏興趣, 他們很少用視覺去引導手的活動 (李惠,王素娟, 張建萍, 施炳培, 2003), 這可能是由于他們在手的靈活性上以及動作的協調性上都比較差所致。研究者發現, 將注意力、精細動作能力和常識三者放在一起對后來的數學、閱讀成就的預測非常有效(Grissmer et al., 2010)。

2.2 精細動作能力與高級認知能力的關系

早期精細運動技能發育與腦認知發育存在時間和空間上的重合, 這是精細動作技能與認知發展具有密切關系的強有力證據, 早期精細運動技能的順利發育和有效發展可能利于早期腦結構和功能的成熟, 進而促進認知系統發展(李斐, 顏崇淮, 沈曉明, 2005)。研究表明, 認知和動作技能以基本相似的方式獲得, 兩者在學習率、學習效果、學習階段方面都高度相似(Son & Meisels, 2006),例如, 有研究發現在順序任務中智商和動作速度存在正相關, 動作熟練度和流體智力正相關, 動作表現和工作記憶成正相關 (Pangelinan et al.,2011)。人腦的發展變化引起并伴隨大范圍的動作和認知的變化(Fuchs, Jirsa, & Kelso, 2000), 手部肌肉動作與智力發展有著密切的關系, 因為手部肌肉動作不但表明了兒童動手的能力、視覺運動協調能力, 更主要的是它反映了人的一種精細感覺和對外界刺激分析和綜合的能力。對于5～7歲兒童的研究表明, 其精細動作和認知技能水平存在共變性關系(李斐等, 2005), 這和近年來提出的具身認知理論觀點一致。實際上, 幾乎所有的活動都在幫助孩子建構和提高認知技能并鍛煉小肌肉的使用。Roebers等人的實驗研究表明早期精細動作發展對一年以后的認知發展具有顯著的影響,但早期的認知發展并不能影響后來的精細動作技能(Roebers et al., 2014)。早期的動作發展可以作為認知進一步發展的控制參數, 有些動作能力是其他功能如知覺或認知練習以及習得的先決條件。同時, 高級認知能力(非語言理解、加工速度)較差的孩子, 在動作能力方面也較差, 尤其在精細動作的表現上較差(Miquelote, Santos, Ca?ola,Montebelo, & Gabbard, 2012)。

國內研究者陳緯采用縱向研究, 通過路徑分析中的時序滯后分析(Cross-lagged Analysis)方法考察精細動作與推理能力之間關系的方向(陳緯,2012)。以半年為周期追蹤考察4～5歲幼兒精細動作、推理能力與常識水平的發展及其關系的發展,結果發現4～5.5歲幼兒精細動作與推理能力密切相關, 并且推理能力對精細動作有顯著的預測作用。然而, 在國外一項新近研究中, 研究者同樣采用追蹤設計(Roebers et al., 2014), 對169名幼兒以一年為周期進行了兩次追蹤測量, 同樣采用時序滯后路徑分析發現, 精細動作技能和非言語智力在學前(5～6歲)具有顯著正相關(r=0.37), 這一時期的精細動作技能能顯著預測一年后的(6～7歲)的智力, 但是反過來, 智力并沒有表現出對精細動作的預測作用。這兩項追蹤研究提示我們精細動作與認知在發展中不斷地相互促進; 同時, 這兩項研究給后續有關精細動作與認知的關系研究提供了一個新的視角：兒童早期需要開展年齡跨度大的較長期的追蹤研究來探討精細動作能力和認知的關系, 及其相互影響的方式, 例如, 在今后可能需要開展更小兒童(如嬰兒、學步期兒童)直到青少年期甚至是成人期兩者的關系發展特點的研究。

2.3 精細動作能力與認知表現(學業成績)的關系

研究顯示, 在幼兒園階段精細動作能力的評估, 比如握筆能力, 與后來的總體學業成績相關,確切地說是與書寫和閱讀成績密切相關。精細動作能力的發展可以高度地預測孩子在小學的讀寫及數學成績(Son & Meisels, 2006; Wang, Huang, &Lo, 2011)。有研究考察了正常小學 5～7歲兒童中純粹動作信號與閱讀、語言成績間的關系, 發現兒童在精細動作能力測試方面的成績可顯著預測其12個月后閱讀和語言成績的變化(李斐等,2005)。精細動作能力比較好的孩子在幼兒園以及在小學一年級的閱讀成績好于精細動作能力較差的孩子(Reno, 1995)。精細動作技能及幼兒園階段的認知對小學一年級的學業成績具有顯著的預測作用(Roebers et al., 2014)。幼兒的寫字能力與老師在一年級對他們的閱讀、詞匯、數學能力的評估緊密相關(Grissmer et al., 2010)。書寫強的孩子比書寫差的孩子在學習數字、字母及復雜的學習任務方面進步較快, 這反過來也有助于他們在幼兒園期間學習閱讀、掌握發音和簡單的算術(Cameron et al., 2012)。基礎書寫技能掌握不好的孩子將影響書寫的可認讀性以及他們最終的書寫表現, 一定程度上精細動作能力可作為學習困難兒童的重要鑒別指標(李蓓蕾等, 2002)。

精細動作能力比較強的孩子在小學低年級可能取得更好的數學成績, 在數學上取得更大的進步(Luo, Jose, Huntsinger, & Pigott, 2007), 動作協調自動化的孩子有更強的處理復雜概念的能力,如字母、符號的意義(Cameron et al., 2012)。與之相反, 精細動作差的兒童可能存在學習困難。Marr(2002)選取9～11歲兒童為被試, 根據平時的學業成績將他們分成學業成績優秀和學業成績差的兩組, 考察兩組兒童的書寫能力。結果發現, 學業成績差的兒童中75%的孩子書寫較差。同時發現盡管有相同的學習能力可以掌握學業知識, 但是書寫差的孩子通常被老師給出較低的成績分數(Marr, 2002), 這和日常教學中教師要求學生注意卷面整潔是相一致的。同樣, 一項以4年級智力超常的學生為被試的研究發現, 學業成績差的超常學生和學業成績好的超常學生的差距可以用精細動作能力及其與專注力的相互關系進行解釋(Stoeger et al., 2008)。精細動作能力的不足可以用來預測超常兒童較差的學業成績。因此, 研究者提出精細動作可以運用于對低學業成就的超常兒童的鑒別上來。

最近有研究對以上現象進行了深入地探討：握筆有困難的孩子, 就必須在具體的寫字動作上花心思, 消耗了較多的注意資源, 因此在認讀復雜的字、閱讀理解、字的發音等方面的進步較慢(Cameron et al., 2012)。綜上我們可以看出, 精細動作技能不僅是預測孩子將來學業成績的指標,也是預測孩子課堂參與程度的方法, 比如專注在一項任務上的能力, 以及對任務的堅持性和完成任務的自制性。

3 精細動作能力與認知發展關系的大腦神經基礎

兒童早期精細動作發展伴隨著神經系統的成熟而出現, 神經系統的成熟來自于豐富的動作體驗(李紅, 何磊, 2003)。從大腦的發展來看, 出生后隨著年齡增長, 突觸及灰質的數量會因具體的經驗而出現修剪而下降, 進而出現白質數量的增加, 在感官和運動區增加的較早, 在前額和顳頂葉聯合區較晚, 白質的增加會出現兒童早期的精細動作提高的現象(Ulrike &Markus, 2012)。但隨著年齡的增長, 大腦皮層萎縮, 前額皮層似乎最受影響, 首先出現下降, 感覺運動皮層其后出現下降, 總體變化遵循后進先出的規律。最后發展的腦區先行開始萎縮, 這樣感覺運動區相對受損較晚, 當主要運動皮層萎縮時, 我們才看到了隨年齡, 動作開始緩慢的現象(Rachael et al., 2010)。有研究發現精細動作技能的下降和很多認知老化也表現出上述的同步化。Lacreuse 等人(2014)首次對雌性大猩猩展開3年的追蹤研究來探討動作和認知老化的關系(Lacreuse, Russell, Hopkins, &Herndon, 2014)。在該項研究中, 以38只成年雌性大猩猩(10～54歲)為被試, 要求他們用手(不能用嘴)卸走柱子上的螺絲帽作為對精細動作技能的測量, 結果發現, 有4只50歲以上的大猩猩在3年后表現出社會認知、注意獲得和注視追隨任務成績的顯著下降, 同時發現了年老大猩猩的精細動作技能顯著低于年幼大猩猩。

精細動作技能主要依靠大腦前額葉和小腦區域, 小腦被認為是精細運動的控制中樞, 參與動作的預測, 對于動作表現和動作過程至關重要。小腦在降低運動表象精確性方面發揮著重要的作用, 小腦主要負責編碼內模, 復現動作表現的基本特質(Carl, Priscila, & Tatiana, 2011)。一項動手敲擊學習與觀察敲擊學習的對比實驗表明, 小腦與動作執行高度相關, 主要負責后期學習階段的動作執行(Nyberg, Eriksson, Larsson, & Marklund,2006)。但同時日益增多的證據表明, 小腦在高級認知功能方面也起到了重要作用, 比如視覺空間能力、非文字的流暢性、工作記憶、內隱學習與外顯學習、語言等(Anja et al., 2010)。

近期研究表明, 小腦腦量的發展變化對兒童期認知功能的發展有積極的促進作用。總體的認知能力與皮層下的腦結構容量(小腦和尾狀葉)有顯著相關(Pangelinan et al., 2011)。前額葉不僅是記憶等多種認知功能的基礎, 同時在運動技能學習過程中也有一定作用(李斐等, 2005)。神經解剖表明前額區和小腦區在正常情況下是相互依賴的,對大腦皮層的研究也發現, 精細運動過程中大腦皮層除運動區、感覺區激活外, 與認知發育密切相關的前額葉也同時激活(Cameron et al., 2012)。

通過fMRI和PET等腦成像技術手段的研究顯示, 手的各部分在大腦皮層有相應固定的投射區, 隨著手的精細運動技能提高, 皮層相應代表區擴大, 同時皮層發生功能重塑(孫貴新, 徐文東,顧玉東, 2002), 皮層的厚度與認知能力密切相關(Pangelinan et al., 2011), 因此, 對幼兒精細動作的訓練可能會對幼兒的大腦神經系統的發育起到重要的促進作用。同時也有研究顯示, 通過精細動作的訓練可以有效地提高老年人腦部灰質和白質的數量, 而灰質和白質的數量與認知密切相關(Pangelinan et al., 2011), 認知的改善可以提高其身體平衡性和穩定性。在帕金森病人中, 患者表現出明顯的前額葉和枕葉的灰質減少, 使得病人的精細動作速度下降, 這表明精細動作速度和情景切換與前額皮層的灰質量相關(Lee et al., 2013)。

4 精細動作技能與認知損傷的相互關系

有研究顯示, 運用精細動作, 比如書寫的動作速度指標, 可以診斷個體是否患有阿爾茨海默氏癥(癡呆)或其他認知功能損傷(記憶減退、動作不足)的疾病。癡呆和認知損傷患者在動作速度控制的時間一致性上較差, 表明個體的感官動作功能受損, 在執行復雜的書寫任務時會出現多關節協調困難, 關節的協調困難引起書寫障礙(Yan,Rountree, Massman, Doody, & Li, 2008)。同時包括精細運動在內的動作發育遲緩通常也與某種程度的認知損傷有關(Anna, 2009)。患有腦水腫的孩子,在精細動作如書寫和繪畫的動作協調方面較差,在一些要求較快的臨時組織動作的任務表現上也有同樣的問題。其總體智商與簡單的精細動作表現相關不顯著, 但與復雜的視覺動作表現顯著相關(Anja et al., 2010), 這可能是因為復雜精細動作需要更多的認知能力參與。同樣, 來自染色體缺失綜合征及低智商兒童的研究表明, 因注意力的欠缺而對大腦的執行功能如選擇、抑制與處理能力的方面要求較高, 從而導致視覺動作結合困難及動作速度緩慢, 從而在某些精細動作控制上表現不佳, 在畫形狀方面呈現的與正常個體的差異可能與染色體缺失綜合征及低智商兒童的手的捏的力量不足、沖動、智商較低呈現的個性因素有關(Howley, Prasad, Pender, &Murphy, 2012)。

如今, 越來越多的動作領域專家(如體育、音樂等)及特殊群體的證據表明, 認知和感覺運動系統的活動和功能連接受到專業技能的調節(Tomasino,Maieron, Guatto, Fabbro, & Rumiati, 2013)。同時,精細動作技能發展不良和認知損傷的關系越來越多地受到臨床康復領域的研究者關注, 某些認知損傷的病癥也可以通過精細動作的訓練得到改善和提高。國內研究者運用精細動作訓練來提高智力落后兒童的認知能力(羅蘇群, 2009); 運用康復訓練對唐氏綜合癥患兒精細運動功能發育進行干預, 從而提高大腦神經的發育進而改善唐氏患兒的認知表現(劉紹云, 鐘寧, 黃華玉, 施炳培, 史惟, 2012); 運用作業訓練治療精神發育遲滯患兒精細運動障礙, 從而更好地促進他們認知發育水平(李惠, 王素娟, 張建萍, 施炳培, 2003)等。以上都是在行為層面通過對精細運動改善來提高認知的發育水平及能力。

5 研究小結與展望

綜上所述, 精細動作能力的發展標志著兒童操作環境的能力, 影響兒童認識事物、概念形成及理解等認知能力, 這些能力的習得直接關系到其學業表現。精細動作能力是兒童認知提高與進一步發展的基礎, 精細動作的獲得是其他高級認知活動的前提, 足夠的動作經驗積累, 形成了高級的認知活動, 同時精細動作的發展與認知的發展相互作用, 提高精細動作可以改善注意力, 提高大腦的執行功能。

縱觀全文, 我們發現在兒童早期發展領域的研究開展年齡跨度大的多時間點的追蹤研究, 采用時序交叉滯后路徑分析和成長模型已成為今后的設計和分析趨勢, 這樣才能更好地厘清兩種或多種心理特質的關系發展特點。同時, 在追蹤設計中需要加入腦功能連接方面的技術, 才能更好地從行為和神經基礎角度來闡釋某心理特質發展的機制問題。

最后, 在諸多研究中, 發現了認知損傷對個體精細動作發展的影響; 那么精細動作較為熟練的個體是否對認知的發展有積極作用呢？比如天才鋼琴家、雕塑家、手工藝家等, 他們熟練的精細動作能力, 對認知的發展起什么樣的作用呢？來自早期教育領域的成果也表明, 早期的動作訓練可以使得神經傳導時間減少, 并出現如反應時間減少、精細動作提高、動作速度加快和側抑制能力增加的現象(Watanabe, Savion-Lemieux, &Penhune, 2007)。這一時期進行相應的動作訓練,會收到事半功倍的效果, 而且會讓孩子記憶深刻,為以后其他技能的學習奠定良好的基礎。Knudsen證明了個體早期體驗形成的腦回路塑造了以后體驗的反應模式, 早期的動作塑造及感覺動作的體驗為以后奠定了良好的反響回路基礎, 并可以通過后來的學習機制得到優化, 使得我們一生保持可塑性(Knudsen, 2004)。幼兒早期, 有意識地進行精細動作的訓練是否可以讓孩子在早期的學習當中獲得一定的優勢？這種優勢對今后的認知能力發展、學業表現又起什么樣的作用呢？這一系列問題都需要在今后的實證研究和教育研究中做出回答, 以期對兒童早期發展的特點做出更深入的理論探討, 繼而對兒童早期發展的教育方案和內容提出指導。

精細動作技能和認知關系發展的影響因素(如家庭環境、早期教育等), 以及關系發展的理論模型如何, 在本文中并沒有回顧, 但這是非常重要的兩個理論問題, 這都需要在今后的研究中展開實證研究并進行模型的實踐和理論探索。

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