大班幼儿时空推理能力与执行功能的相关研究

高冰倩 王静梅，2 卢英俊，2

（1 浙江师范大学儿童发展与教育学院，浙江杭州，310012）

（2 浙江师范大学国际儿童研究院，浙江杭州，310012）

目前，执行功能各子成分对认知能力发展的影响正备受学界关注，但对于执行功能及其子成分与时空推理能力的关系的探究仍不多见。时空推理能力是以几何与空间推理为基础的一种认知能力，涉及时间与空间两方面因素，是幼儿学习数学等学科知识的基础。〔1〕本研究拟探讨大班幼儿的执行功能及其子成分与在时间序列中进行空间想象的时空推理能力之间的关系。

一、研究方法

（一）研究对象

本研究选取杭州市某幼儿园58 名5—6 岁幼儿为被试，排除无效样本（1 名无法完成抑制控制任务，2 名无法理解时空推理任务）后，共55 名幼儿完成实验，其中男童28 名，女童27 名，平均月龄68.4±3.2。

（二）研究工具

1.时空推理能力测试

本研究采用由浙江师范大学儿童发展与教育学院发展认知神经科学实验室编制的、适用于5—6 岁幼儿的时空推理能力水平折纸剪纸测试材料（A、B 两套，难度等值，每套测试都包括一折一剪、一折二剪、二折一剪、二折二剪的题目，参见图1），将其按由易到难的顺序装订成册。每套测试共13 题，解答正确得1 分，共13 分。〔2〕A、B 测试材料在被试中交替使用。在正式测试开始前，先让幼儿完成2 道练习题，确保其理解折纸剪纸任务，练习题都解答正确后再进行正式测试。施测时，每题答题时间为50 秒，主试在答题时间结束前5 秒给予提示。幼儿连续完成13 题测试。该测试的信度为0.836。

图1 5—6 岁幼儿时空推理能力测试题示例

2.执行功能测试

本测试采用适用于5—6 岁幼儿的执行功能常用范式，分别为“白天-黑夜”斯特鲁普（Stroop）任务、维度变化卡片分类任务与数字记忆任务。各任务介绍如下。

（1）“白天-黑夜”斯特鲁普任务（测量抑制控制子成分）

材料为1 张太阳卡片和1 张月亮卡片。在任务开始前，呈现2 张卡片，确保幼儿能区分太阳和月亮，然后告知幼儿，在“太阳”出现时报告“黑夜”，在“月亮”出现时报告“白天”，要尽快说出答案。用太阳和月亮卡片各进行2 次练习，确保幼儿理解测试任务。测试分为2 组，测试内容相同，每组12 题，每题2 分，每组24 分，2 组共48 分。若连续4 次错误，则停止测试。如儿童能直接回答出“白天”或“黑夜”，得2 分；如儿童先说出“太阳”“月亮”之类的思考过程语句，之后再给出正确答案，得1 分。

（2）维度变化卡片分类任务（测量认知灵活性子成分）

材料包括4 个分类框（A4 纸上绘制）、2 张目标卡片（1 张蓝色兔子、1 张红色船）和14 张测试卡片（7 张红色兔子、7 张蓝色船）。测试分为2 组，第一组是根据颜色将6 张卡片分类，第二组是根据形状将6 张卡片分类，第一组测试完毕后马上进行第二组测试，中间不停顿。每组每张卡片正确分类得1 分，每组6 分，2 组共12 分。在进行颜色分类时，确保同样颜色的卡片最多连续出现2 次；在进行形状分类时，确保同样形状的卡片最多连续出现2 次。连续2 次错误，则停止测试。

（3）数字记忆任务（测量工作记忆子成分）

测试共分为2 组，第一组为顺背数字任务，第二组为倒背数字任务，第一组测试完毕后立即进行第二组测试，中间不停顿。每组共8 种数字串，每完成1 种得1 分，每组8 分，2 组共16 分。

①顺背数字任务：第一个试次为2 个数字，接下来的每个试次都增加1 个数字，直至第8 个试次增加到共9 个数字。测试员按照固定节奏念数字（1 秒1 个数字），念完后要求幼儿正序背出所听到的数字序列。每个测次分为A 组与B 组数字：当幼儿通过A 组测试时，则不必参加B 组测试，继续进入下一个试次；如A 组测试没回答正确，则参加B 组测试，若B 组测试回答正确，则计为正确，继续进入下一次试次；如果A、B 组测试都不正确，则停止测试。

②倒背数字任务：测试程序和计分规则与顺背数字任务相同，不同之处是要求幼儿将所听到的数字倒序背出。

（三）测试过程及统计分析

首先对幼儿进行执行功能测试，从抑制控制测试开始，之后是认知灵活性测试，最后是工作记忆测试，整个过程约20 分钟。完成执行功能测试后幼儿休息5 分钟，再进行时空推理能力测试，约10 分钟。总施测时间约35 分钟。

本研究应用统计分析软件（SPSS23.0）进行数据分析。首先，将幼儿抑制控制、认知灵活性和工作记忆的得分转换成标准分数，再叠加合成执行功能总分；之后，对执行功能总分、各子成分得分与时空推理能力得分进行相关分析；再以抑制控制、认知灵活性和工作记忆得分为自变量，以时空推理能力得分为因变量，进行逐步回归分析；最后，对执行功能各项得分及时空推理能力得分的性别差异进行独立样本t 检验。

二、研究结果

（一）执行功能与时空推理能力的相关分析

结果显示，执行功能总分及各子成分得分与时空推理能力得分均存在显著正相关。其中，执行功能总分与时空推理能力得分相关程度最高，呈非常强正相关。在执行功能各子成分中，工作记忆得分与时空推理能力得分的相关程度最高，呈强正相关；其次是认知灵活性，呈中等强度正相关；最低为抑制控制，也呈中等强度正相关（见表1）。

表1 执行功能总分及各子成分得分与时空推理能力得分的相关系数（r）

（二）执行功能与时空推理能力的回归分析

逐步回归分析显示，将工作记忆、抑制控制和认知灵活性都纳入方程后，调整后的决定系数最高（R2=0.656），模型拟合效果最好，回归模型的解释率相对较高，且德宾-沃森值为1.315，接近2，说明残差项之间不相关。方差分析显示，F（3，51）=35.324，p<0.001，所建立的回归方程有效。由表2可知，拟合的回归方程为：时空推理能力得分=1.096×工作记忆标准分数+0.921×认知灵活性标准分数+0.803×抑制控制标准分数+6.145。

表2 回归方程中的自变量系数及共线性分析

因为工作记忆标准分数、认知灵活性标准分数与抑制控制标准分数的回归系数均为正（B分别为1.096、0.921、0.803），且极其显著（p<0.001），所以这三者均能正向预测幼儿时空推理能力的发展，即工作记忆、认知灵活性和抑制控制水平越高的幼儿，其时空推理能力越强。

此外，纳入回归模型的工作记忆的容差为0.870、VIF=1.150，认知灵活性容差为0.909、VIF=1.100，抑制控制容差为0.945、VIF=1.058，上述容差均大于0.8，VIF 都接近1，说明3 个变量之间的共线性较弱，回归方程模型有效。

（三）幼儿时空推理能力的性别差异

将男童、女童的时空推理能力得分由高到低绘制成对比图，见图2。

图2 男童与女童时空推理能力得分

由图2 可知，男童的时空推理能力得分高于女童。独立样本t 检验显示，大班幼儿的时空推理能力在性别上存在显著差异，t（53）=2.21，p<0.05，男童得分（6.82±2.63）显著高于女童得分（5.44±1.93）。

（四）幼儿执行功能总分及各子成分得分的性别差异

独立样本t 检验结果显示，大班幼儿的抑制控制得分不存在显著性别差异，t（53）=-0.626，p>0.05；认知灵活性得分不存在显著性别差异，t（53）=0.734，p>0.05；工作记忆得分不存在显著性别差异，t（53）=0.758，p>0.05；执行功能总分不存在显著性别差异，t（53）=0.416，p>0.05。

三、讨论

（一）大班幼儿的执行功能总分及各子成分得分与时空推理能力得分均存在显著正相关关系

本研究结果显示，大班幼儿的时空推理能力得分与抑制控制、认知灵活性、工作记忆得分及执行功能总分都存在显著的正相关关系，执行功能的3 个子成分都可以显著正向预测幼儿时空推理能力的发展，回归系数从高到低依次为工作记忆（1.096）、认知灵活性（0.921）、抑制控制（0.803）。该结果表明工作记忆是执行功能子成分中影响时空推理能力的最重要的因素。这与前人的研究结论相符。例如，有学者提出空间认知的学习是外显记忆与内隐记忆加工的结果，空间认知与工作记忆之间存在显著相关性，工作记忆可以预测空间认知的发展水平。〔3〕这可能是由于工作记忆对于理解随时间展开的事件不可或缺，在脑中进行任何数学运算和空间推理都需要使用工作记忆，且在心理上重新排序项目也需要工作记忆的参与，故工作记忆对于完成时空推理任务至关重要。时空推理能力也与认知灵活性存在显著正相关。认知灵活性任务要求幼儿能在主试的分类标准发生变化时，及时地改变和调整策略。它反映了幼儿根据任务需要，在脑中将解决问题策略进行灵活转换的能力。故推测，认知灵活性较高的幼儿可以更好地根据时空推理图形的特征来灵活地尝试多种推理策略，以找到解决问题的有效途径。〔4〕此外，幼儿的时空推理能力还与抑制控制能力显著相关。在幼儿进行时空推理时，一些不利于准确解决时空推理问题的信息或反应过程会被自动激活，容易干扰问题的解决，而只有当幼儿的大脑能够抑制这些干扰信息或反应时，才能更有效地解决时空推理问题。

（二）大班幼儿在时空推理能力上存在显著性别差异

本研究结果显示，大班幼儿在时空推理能力方面存在显著的性别差异，男童的时空推理能力得分高于女童。这与前人相关研究一致。空间能力是反映性别差异最明显的能力之一，也是与性别差异相关的认知活动中最难解释和描述的能力，而且被认为是一种非常重要的认知能力。〔5〕麦科比的研究显示，男童在视觉空间能力和数学能力上的表现比女童更具有优势。〔6〕空间定向技能（spatial orientation ability）是人类认知中性别差异最明显的技能。男性在诸如心理旋转等任务中的表现通常优于女性。有学者认为这种差异是生理遗传因素造成的，如性激素，因为出生前的性激素水平被证实会影响大脑的发育。空间认知的性别差异可能与早期睾酮素的影响有关，如一些研究发现睾酮素水平与空间能力呈正相关。还有的学者倾向于认为空间能力的性别差异可能是社会文化因素造成的，如性别刻板印象等。对于显著性别差异产生的原因，目前还没有统一结论，有待进一步的深入探究。〔7〕

此外，本研究结果显示，大班幼儿在执行功能及其子成分上均不存在显著的性别差异。这与国内外学者的研究结论基本一致。目前在关于执行功能的研究中，国内外学者均指出，执行功能与年龄显著相关，而与性别无显著相关。〔8〕

四、教育建议

（一）从幼儿执行功能和时空推理能力发展的特点出发开展教育活动

根据本研究结果，幼儿在执行功能上不存在显著性别差异，而在时空推理能力方面存在显著的性别差异。因此，教师在相关教学设计中应充分考虑不同性别幼儿的需要和特点，有意识地促进幼儿（特别是女童）的时空推理能力发展。折纸剪纸与纸笔迷宫游戏都是促进幼儿时空推理能力发展的有效方式。聆听具有长时程周期性和高度结构化的音乐（如莫扎特的部分音乐作品），或参加长期的音乐训练，也有助于提高幼儿的时空推理能力。〔9，10〕教师应注意在一日生活中为幼儿提供相关支持，以帮助幼儿累积时间或空间推理相关的知识与经验。

工作记忆是执行功能的核心要素，且对时空推理能力影响最大，故应当重视促进幼儿工作记忆的发展。教师应抓住幼儿工作记忆发展的关键时期，在活动中重视调动幼儿的多种感官来参与记忆，还可以通过数学或科学等主题领域的问题解决来训练幼儿的工作记忆。需要注意的是，待解决的问题应当具有一定的挑战性，以满足幼儿工作记忆的发展需求。

（二）通过训练和实践改善执行功能，促进时空推理能力发展

本研究表明，大班幼儿的执行功能与时空推理能力之间存在显著的正相关关系。这说明我们可以通过训练和实践改善执行功能，进而促进时空推理能力发展。执行功能是可以训练的，可以在任何年龄加以改进。有学者提出可以借助体育锻炼（如有氧运动）或专门为培养执行功能而开发的计算机培训课程来促进幼儿执行功能发展。例如，工作记忆游戏程序（可参考网址www.cogmed.com）可以训练幼儿完成语言和视觉空间领域的工作记忆任务。

（三）家园共育，联合促进幼儿的认知发展

幼儿的执行功能和时空推理能力是不断发展的。这不仅要求幼儿园为幼儿创造发展条件，而且要求家庭为幼儿提供相关支持，因为认知发展是一个连续的整合的过程。本研究发现，不少家长和幼儿园教师并不理解执行功能和时空推理能力的含义与价值，对于幼儿的执行功能与时空推理能力发展情况更不了解。执行功能和时空推理能力对于幼儿未来的认知和社会性能力发展、入学准备等都是至关重要的。早期的执行功能训练可以通过缩小执行功能的发展差距来营造更公平的学习环境，促进全体儿童（包括处境不利和特殊需要儿童）的发展。因此，我们不仅需要为幼儿园教师提供有关促进幼儿执行功能、时空推理能力等认知能力发展的培训，而且有必要向家长科普执行功能、时空推理能力等概念及相关教育方法，以实现家园共育，联合促进幼儿的认知发展。