大班幼兒時空推理能力與執行功能的相關研究

高冰倩 王靜梅，2 盧英俊，2

（1 浙江師范大學兒童發展與教育學院，浙江杭州，310012）

（2 浙江師范大學國際兒童研究院，浙江杭州，310012）

目前，執行功能各子成分對認知能力發展的影響正備受學界關注，但對于執行功能及其子成分與時空推理能力的關系的探究仍不多見。時空推理能力是以幾何與空間推理為基礎的一種認知能力，涉及時間與空間兩方面因素，是幼兒學習數學等學科知識的基礎。〔1〕本研究擬探討大班幼兒的執行功能及其子成分與在時間序列中進行空間想象的時空推理能力之間的關系。

一、研究方法

（一）研究對象

本研究選取杭州市某幼兒園58 名5—6 歲幼兒為被試，排除無效樣本（1 名無法完成抑制控制任務，2 名無法理解時空推理任務）后，共55 名幼兒完成實驗，其中男童28 名，女童27 名，平均月齡68.4±3.2。

（二）研究工具

1.時空推理能力測試

本研究采用由浙江師范大學兒童發展與教育學院發展認知神經科學實驗室編制的、適用于5—6 歲幼兒的時空推理能力水平折紙剪紙測試材料（A、B 兩套，難度等值，每套測試都包括一折一剪、一折二剪、二折一剪、二折二剪的題目，參見圖1），將其按由易到難的順序裝訂成冊。每套測試共13 題，解答正確得1 分，共13 分。〔2〕A、B 測試材料在被試中交替使用。在正式測試開始前，先讓幼兒完成2 道練習題，確保其理解折紙剪紙任務，練習題都解答正確后再進行正式測試。施測時，每題答題時間為50 秒，主試在答題時間結束前5 秒給予提示。幼兒連續完成13 題測試。該測試的信度為0.836。

圖1 5—6 歲幼兒時空推理能力測試題示例

2.執行功能測試

本測試采用適用于5—6 歲幼兒的執行功能常用范式，分別為“白天-黑夜”斯特魯普（Stroop）任務、維度變化卡片分類任務與數字記憶任務。各任務介紹如下。

（1）“白天-黑夜”斯特魯普任務（測量抑制控制子成分）

材料為1 張太陽卡片和1 張月亮卡片。在任務開始前，呈現2 張卡片，確保幼兒能區分太陽和月亮，然后告知幼兒，在“太陽”出現時報告“黑夜”，在“月亮”出現時報告“白天”，要盡快說出答案。用太陽和月亮卡片各進行2 次練習，確保幼兒理解測試任務。測試分為2 組，測試內容相同，每組12 題，每題2 分，每組24 分，2 組共48 分。若連續4 次錯誤，則停止測試。如兒童能直接回答出“白天”或“黑夜”，得2 分；如兒童先說出“太陽”“月亮”之類的思考過程語句，之后再給出正確答案，得1 分。

（2）維度變化卡片分類任務（測量認知靈活性子成分）

材料包括4 個分類框（A4 紙上繪制）、2 張目標卡片（1 張藍色兔子、1 張紅色船）和14 張測試卡片（7 張紅色兔子、7 張藍色船）。測試分為2 組，第一組是根據顏色將6 張卡片分類，第二組是根據形狀將6 張卡片分類，第一組測試完畢后馬上進行第二組測試，中間不停頓。每組每張卡片正確分類得1 分，每組6 分，2 組共12 分。在進行顏色分類時，確保同樣顏色的卡片最多連續出現2 次；在進行形狀分類時，確保同樣形狀的卡片最多連續出現2 次。連續2 次錯誤，則停止測試。

（3）數字記憶任務（測量工作記憶子成分）

測試共分為2 組，第一組為順背數字任務，第二組為倒背數字任務，第一組測試完畢后立即進行第二組測試，中間不停頓。每組共8 種數字串，每完成1 種得1 分，每組8 分，2 組共16 分。

①順背數字任務：第一個試次為2 個數字，接下來的每個試次都增加1 個數字，直至第8 個試次增加到共9 個數字。測試員按照固定節奏念數字（1 秒1 個數字），念完后要求幼兒正序背出所聽到的數字序列。每個測次分為A 組與B 組數字：當幼兒通過A 組測試時，則不必參加B 組測試，繼續進入下一個試次；如A 組測試沒回答正確，則參加B 組測試，若B 組測試回答正確，則計為正確，繼續進入下一次試次；如果A、B 組測試都不正確，則停止測試。

②倒背數字任務：測試程序和計分規則與順背數字任務相同，不同之處是要求幼兒將所聽到的數字倒序背出。

（三）測試過程及統計分析

首先對幼兒進行執行功能測試，從抑制控制測試開始，之后是認知靈活性測試，最后是工作記憶測試，整個過程約20 分鐘。完成執行功能測試后幼兒休息5 分鐘，再進行時空推理能力測試，約10 分鐘。總施測時間約35 分鐘。

本研究應用統計分析軟件（SPSS23.0）進行數據分析。首先，將幼兒抑制控制、認知靈活性和工作記憶的得分轉換成標準分數，再疊加合成執行功能總分；之后，對執行功能總分、各子成分得分與時空推理能力得分進行相關分析；再以抑制控制、認知靈活性和工作記憶得分為自變量，以時空推理能力得分為因變量，進行逐步回歸分析；最后，對執行功能各項得分及時空推理能力得分的性別差異進行獨立樣本t 檢驗。

二、研究結果

（一）執行功能與時空推理能力的相關分析

結果顯示，執行功能總分及各子成分得分與時空推理能力得分均存在顯著正相關。其中，執行功能總分與時空推理能力得分相關程度最高，呈非常強正相關。在執行功能各子成分中，工作記憶得分與時空推理能力得分的相關程度最高，呈強正相關；其次是認知靈活性，呈中等強度正相關；最低為抑制控制，也呈中等強度正相關（見表1）。

表1 執行功能總分及各子成分得分與時空推理能力得分的相關系數（r）

（二）執行功能與時空推理能力的回歸分析

逐步回歸分析顯示，將工作記憶、抑制控制和認知靈活性都納入方程后，調整后的決定系數最高（R2=0.656），模型擬合效果最好，回歸模型的解釋率相對較高，且德賓-沃森值為1.315，接近2，說明殘差項之間不相關。方差分析顯示，F（3，51）=35.324，p<0.001，所建立的回歸方程有效。由表2可知，擬合的回歸方程為：時空推理能力得分=1.096×工作記憶標準分數+0.921×認知靈活性標準分數+0.803×抑制控制標準分數+6.145。

表2 回歸方程中的自變量系數及共線性分析

因為工作記憶標準分數、認知靈活性標準分數與抑制控制標準分數的回歸系數均為正（B分別為1.096、0.921、0.803），且極其顯著（p<0.001），所以這三者均能正向預測幼兒時空推理能力的發展，即工作記憶、認知靈活性和抑制控制水平越高的幼兒，其時空推理能力越強。

此外，納入回歸模型的工作記憶的容差為0.870、VIF=1.150，認知靈活性容差為0.909、VIF=1.100，抑制控制容差為0.945、VIF=1.058，上述容差均大于0.8，VIF 都接近1，說明3 個變量之間的共線性較弱，回歸方程模型有效。

（三）幼兒時空推理能力的性別差異

將男童、女童的時空推理能力得分由高到低繪制成對比圖，見圖2。

圖2 男童與女童時空推理能力得分

由圖2 可知，男童的時空推理能力得分高于女童。獨立樣本t 檢驗顯示，大班幼兒的時空推理能力在性別上存在顯著差異，t（53）=2.21，p<0.05，男童得分（6.82±2.63）顯著高于女童得分（5.44±1.93）。

（四）幼兒執行功能總分及各子成分得分的性別差異

獨立樣本t 檢驗結果顯示，大班幼兒的抑制控制得分不存在顯著性別差異，t（53）=-0.626，p>0.05；認知靈活性得分不存在顯著性別差異，t（53）=0.734，p>0.05；工作記憶得分不存在顯著性別差異，t（53）=0.758，p>0.05；執行功能總分不存在顯著性別差異，t（53）=0.416，p>0.05。

三、討論

（一）大班幼兒的執行功能總分及各子成分得分與時空推理能力得分均存在顯著正相關關系

本研究結果顯示，大班幼兒的時空推理能力得分與抑制控制、認知靈活性、工作記憶得分及執行功能總分都存在顯著的正相關關系，執行功能的3 個子成分都可以顯著正向預測幼兒時空推理能力的發展，回歸系數從高到低依次為工作記憶（1.096）、認知靈活性（0.921）、抑制控制（0.803）。該結果表明工作記憶是執行功能子成分中影響時空推理能力的最重要的因素。這與前人的研究結論相符。例如，有學者提出空間認知的學習是外顯記憶與內隱記憶加工的結果，空間認知與工作記憶之間存在顯著相關性，工作記憶可以預測空間認知的發展水平。〔3〕這可能是由于工作記憶對于理解隨時間展開的事件不可或缺，在腦中進行任何數學運算和空間推理都需要使用工作記憶，且在心理上重新排序項目也需要工作記憶的參與，故工作記憶對于完成時空推理任務至關重要。時空推理能力也與認知靈活性存在顯著正相關。認知靈活性任務要求幼兒能在主試的分類標準發生變化時，及時地改變和調整策略。它反映了幼兒根據任務需要，在腦中將解決問題策略進行靈活轉換的能力。故推測，認知靈活性較高的幼兒可以更好地根據時空推理圖形的特征來靈活地嘗試多種推理策略，以找到解決問題的有效途徑。〔4〕此外，幼兒的時空推理能力還與抑制控制能力顯著相關。在幼兒進行時空推理時，一些不利于準確解決時空推理問題的信息或反應過程會被自動激活，容易干擾問題的解決，而只有當幼兒的大腦能夠抑制這些干擾信息或反應時，才能更有效地解決時空推理問題。

（二）大班幼兒在時空推理能力上存在顯著性別差異

本研究結果顯示，大班幼兒在時空推理能力方面存在顯著的性別差異，男童的時空推理能力得分高于女童。這與前人相關研究一致。空間能力是反映性別差異最明顯的能力之一，也是與性別差異相關的認知活動中最難解釋和描述的能力，而且被認為是一種非常重要的認知能力。〔5〕麥科比的研究顯示，男童在視覺空間能力和數學能力上的表現比女童更具有優勢。〔6〕空間定向技能（spatial orientation ability）是人類認知中性別差異最明顯的技能。男性在諸如心理旋轉等任務中的表現通常優于女性。有學者認為這種差異是生理遺傳因素造成的，如性激素，因為出生前的性激素水平被證實會影響大腦的發育。空間認知的性別差異可能與早期睪酮素的影響有關，如一些研究發現睪酮素水平與空間能力呈正相關。還有的學者傾向于認為空間能力的性別差異可能是社會文化因素造成的，如性別刻板印象等。對于顯著性別差異產生的原因，目前還沒有統一結論，有待進一步的深入探究。〔7〕

此外，本研究結果顯示，大班幼兒在執行功能及其子成分上均不存在顯著的性別差異。這與國內外學者的研究結論基本一致。目前在關于執行功能的研究中，國內外學者均指出，執行功能與年齡顯著相關，而與性別無顯著相關。〔8〕

四、教育建議

（一）從幼兒執行功能和時空推理能力發展的特點出發開展教育活動

根據本研究結果，幼兒在執行功能上不存在顯著性別差異，而在時空推理能力方面存在顯著的性別差異。因此，教師在相關教學設計中應充分考慮不同性別幼兒的需要和特點，有意識地促進幼兒（特別是女童）的時空推理能力發展。折紙剪紙與紙筆迷宮游戲都是促進幼兒時空推理能力發展的有效方式。聆聽具有長時程周期性和高度結構化的音樂（如莫扎特的部分音樂作品），或參加長期的音樂訓練，也有助于提高幼兒的時空推理能力。〔9，10〕教師應注意在一日生活中為幼兒提供相關支持，以幫助幼兒累積時間或空間推理相關的知識與經驗。

工作記憶是執行功能的核心要素，且對時空推理能力影響最大，故應當重視促進幼兒工作記憶的發展。教師應抓住幼兒工作記憶發展的關鍵時期，在活動中重視調動幼兒的多種感官來參與記憶，還可以通過數學或科學等主題領域的問題解決來訓練幼兒的工作記憶。需要注意的是，待解決的問題應當具有一定的挑戰性，以滿足幼兒工作記憶的發展需求。

（二）通過訓練和實踐改善執行功能，促進時空推理能力發展

本研究表明，大班幼兒的執行功能與時空推理能力之間存在顯著的正相關關系。這說明我們可以通過訓練和實踐改善執行功能，進而促進時空推理能力發展。執行功能是可以訓練的，可以在任何年齡加以改進。有學者提出可以借助體育鍛煉（如有氧運動）或專門為培養執行功能而開發的計算機培訓課程來促進幼兒執行功能發展。例如，工作記憶游戲程序（可參考網址www.cogmed.com）可以訓練幼兒完成語言和視覺空間領域的工作記憶任務。

（三）家園共育，聯合促進幼兒的認知發展

幼兒的執行功能和時空推理能力是不斷發展的。這不僅要求幼兒園為幼兒創造發展條件，而且要求家庭為幼兒提供相關支持，因為認知發展是一個連續的整合的過程。本研究發現，不少家長和幼兒園教師并不理解執行功能和時空推理能力的含義與價值，對于幼兒的執行功能與時空推理能力發展情況更不了解。執行功能和時空推理能力對于幼兒未來的認知和社會性能力發展、入學準備等都是至關重要的。早期的執行功能訓練可以通過縮小執行功能的發展差距來營造更公平的學習環境，促進全體兒童（包括處境不利和特殊需要兒童）的發展。因此，我們不僅需要為幼兒園教師提供有關促進幼兒執行功能、時空推理能力等認知能力發展的培訓，而且有必要向家長科普執行功能、時空推理能力等概念及相關教育方法，以實現家園共育，聯合促進幼兒的認知發展。