内外源性注意对数学学优生与学困生数字加工影响的眼动研究

摘要：研究应用EyelinkⅡ眼动仪，选取39名数学学优生和学困生为被试，采用Posner的内源性和外源性线索实验范式，材料为1-9的阿拉伯数字（不包括5），以判断目标数字是否大于5为任务，考察内源性和外源性注意对数学优困生数字加工的影响，结果发现：（1）内源性和外源性注意条件下，数学学优生在数字比较任务中的行为反应时、凝视时间和眼跳距离均显著短于学困生；（2）内源性有效线索提示条件下，数学优困生均表现出显著的数字距离效应，但内源性无效线索提示条件下，学优生的数字距离效应显著，而学困生只有小数字距离效应显著，大数字距离效应不明显；（3）外源性有效线索提示条件下，数学优困生均表现出明显的数字距离效应，但外源性无效线索提示条件下，只有学优生表现出明显的数字距离效应，而学困生的数字距离效应不显著。

关键词：内源性注意 外源性注意 数字距离效应 数学学优生 数学学困生

分类号：B842

1.问题提出

当前关于数字加工和数字如何在记忆中表征已成为研究热点之一。数字距离效应（number distance effect）是数字加工的一种特有认知效应，指对两个数字之间的大小进行比较时，反应时和错误率会随着两个数字之间距离的增加而下降。该效应的发现表明数量信息的表征是自动获取的，并且数字是被置于心理数字线上。

已有关于数字加工距离效应的发展研究大多发现，6岁儿童开始表现出明显的数字距离效应，表明6岁儿童已经能够自动地获取数量信息。然而，对儿童数字认知加工能力个体差异的研究大多发现，数学学习困难儿童在算术法则提取、问题解决、策略选择、策略执行、计数知识、数字命名、数字比较和工作记忆容量上不及普通儿童或学优生。如，Geary等的研究结果表明，学困生在数字加工速度、数字线评估和加法法则提取上都不如学优生。Rousselle等研究结果发现，数学学习困难儿童在数字比较任务中所表现出来的距离效应有明显减弱，不如学优生明显。

探讨个体在数字认知加工能力上的差异，注意是值得关注的一个重要领域。已有研究发现注意对数字加工有重要影响。如Fischer等实验发现对小数字的加工能够自动激活左侧空间注意，对大数字的加工能够自动激活右侧空间注意。Casarotti等的结果也表明，数字加工能够引起空间注意的自动分配。Ansari等采用fMRI技术研究加工符号与非符号的感数（1、2和3个数字）和计数（4个以上的数字）时大脑皮层的激活，结果发现对小数字的加工主要依赖刺激驱动的注意神经网络，而对大数字的加工则依赖目标定向的注意神经网络。我国潘运等的研究结果也发现，注意线索提示有效性对数字距离效应有显著影响。此外，已有研究也表明学业情境中的数字加工常受到注意因素影响，如Rousselle等研究发现数学学习不良儿童在数字问题解决过程中只能投入较少的注意资源，McLean和Hitch的研究表明，缺乏注意控制可能会导致儿童数学学习困难。

在视觉选择性注意领域，注意分为内源性注意和外源性注意。作为两种能够引起独立定向效应的注意系统，内源性注意和外源性注意之间的差异不仅表现在时间关系进程的发展上，还表现在受线索提示效度和预期值的影响不同上。既然是两种能够引起不同独立定向效应的注意系统，那么内源性和外源性注意对数学优困生的数字加工有何影响？哪种注意会对数学优差生的数字加工影响更大？这是本研究主要探讨的问题。为此，本研究将采用Posner的线索注意范式，利用眼动技术考察内源性注意与外源性注意对数学优困生数字加工的影响。由于线索注意范式包括内源性注意与外源性注意两种不同的研究范式，因此本研究设计了2个实验：实验1采用内源性注意范式，考察内源性注意不同线索提示条件对数学优困生数字加工的影响；实验2采用外源性注意范式，考察外源性注意不同线索提示条件对数学优困生数字加工的影响。

2.实验1内源性注意对数学学优生和学困生数字加工影响的眼动研究

2.1方法

2.1.1被试

本研究中的数学学优生与学困生的选取按照以下3个标准进行：（1）学业成绩标准：数学学优生（数学学困生）入组标准为最近一次期中和期末数学总平均成绩位于全年级前10%（后10%），语文成绩位于全年级中间50%；（2）教师评定标准：请班主任、语文和数学科任老师根据这些候选学生平时表现，对他们进行学习优秀和学习困难的评定；（3）排除标准：对经过班主任和科任老师筛选的候选学生进行瑞文推理测验，排除智力落后和智力超常学生。另外，询问学生的发病史，排除由于疾病因素导致学习困难的学生。

根据以上标准从天津某中学选取初中二年级学生39人，其中数学学优生20人，数学学困生19人，平均年龄13.59±0.59岁。所有被试的视力或矫正视力正常，无色盲。1名学生为左利手。所有被试均未参加过类似实验。

2.1.2仪器和材料

采用由加拿大sR公司的EYELINKⅡ型眼动仪呈现材料，并记录被试的眼动。该仪器的采样次数为每秒记录250次，屏幕刷新频率为120Hz。用于呈现材料的19英寸显示器实际显示面积为36×27cm，分辨率为1024×768。被试距屏幕60cm。

实验材料为计算机屏幕上所呈现的黑色圆盘上的白色数字，共1组8种（见图1）。

2.1.3实验设计

采用2（线索有效性：有效线索提示、无效线索提示）×2（数字大小：小数字为1～4、大数字为6～9）x4（数字距离，即数字与5的差值：1为数字4和6、2为数字3和7、3为数字2和8、4为数字1和9）×2（学业类型：学优、学困）混合实验设计。其中，线索有效性、数字大小和数字距离为被试内因素，学业类型为被试问因素。因变量为反应时、凝视时间和眼跳距离。

2.1.4实验程序

每个被试单独施测。被试进入实验室坐好后，带上眼动仪头盔。在实验开始前，先呈现指导语，然后在确保被试理解整个实验程序后对仪器进行校准。

被试按空格键开始试验。单次试验流程如图1所示：

在白色屏幕正中呈现视角为0.5度的黑色“+”字注视点300ms，随后间隔400ms，在屏幕正中“+”处出现一个红色箭头（1.3×0.5度视角）200rm作为方向线索提示，700ms有“+”字的间隔，在两侧圆环中的1个（80%与提示线索一致侧，20%与提示线索不一致侧；线索提示比率实验前在指导语中已告知被试）里随机呈现8个目标刺激中的1个刺激300ms，刺激消失后出现间隔，等待被试做出反应。目标刺激一出现，被试需要立即按键反应，眼动仪开始记录数据。在被试反应后空屏500ms，然后进入下一次试验。

被试的任务是判断目标刺激中的数字比“5”大还是比“5”小。一半被试按手柄“左”键对“比5小”做反应，按手柄“右”键对“比5大”做反应；另一半被试则反过来。

在正式实验之前，被试进行20次练习试验，正确率达到95%后才进行正式实验。正式实验中，每个数字刺激呈现10次（两侧各5次；8次出现在与提示线索一致侧，2次出现在与提示线索不一致侧）；8个刺激共出现80次。整个实验约需15分钟完成。

2.1.5实验数据分析与处理

实验的全部数据用SPSS 13.0和眼动数据分析软件Date Viewer进行统计处理。

2.2结果与分析

首先剔除被试反应错误、反应时小于300ms或大于1200ms的数据，删除数据占全部数据的4.67%。被试各实验条件下的因变量见表1。

2.2.1考察数学学优生和学困生的行为和眼动指标

对各因变量进行2（线索有效性）×2（数字大小）×4（数字距离）×2（学业类型）重复测量方差分析。

反应时结果发现：线索有效性主效应显著，F（1，37）=226.16，p

凝视时间结果发现：线索有效性主效应显著，F（1，37）=7.45，p

眼跳距离结果发现：线索有效性主效应显著，F（1，37）=67.33，p

2.2.2对数字加工距离效应的考察

根据数字距离效应的定义，本研究以反应时为指标考察数字距离效应。数字距离效应的考察参考Koechhn等的方法，即对不同提示线索条件下的反应时数据进行2（数字大小）×4（数字距离）方差分析，分别对数字距离主效应显著性和线性拟合显著性进行考察。

在有效线索提示条件下，数学学优生：小数字距离主效应显著，F（3，57）=53.22，p

在无效线索提示条件下，数学学优生：小数字距离主效应显著，F（3，57）=28.36，p

3.实验2外源性注意对数学学优生和学困生数字加工影响的眼动研究

3.1方法

3.1.1被试

同实验1。

3.1.2仪器和材料

同实验1。

3.1.3实验设计

除采用外源性提示控制线索有效性，其它同实验1。

3.1.4实验程序

单次试验流程如图2所示：

在白色屏幕正中呈现视角为0.5度的黑色“+”字注视点300ms，随后400ms间隔，在屏幕两侧的一个圆环变成红色200ms作为位置线索提示，100ms有“+”字的间隔，在两侧圆环中的一个里随机呈现8个目标刺激中的一个刺激300ms，刺激消失后出现间隔，等待被试做出反应。目标刺激一出现，被试需要立即按键反应。

被试的实验任务与刺激程序安排同实验1。整个实验约需10分钟完成。

3.2结果与分析

剔除被试反应错误、反应时小于300ms或大于1200ms的数据，删除数据占全部数据的4.89%。被试各实验条件下的因变量见表2。

3.2.1考察数学学优生和学困生的行为和眼动指标

对各因变量进行2（线索有效性）×2（数字大小）×4（数字距离）×2（学业类型）重复测量方差分析。

反应时结果发现：线索有效性主效应显著，F（1，37）=384.64，p

凝视时间结果发现：线索有效性主效应显著，F（1，37）=20.44，p

眼跳距离结果发现：线索有效性主效应显著，F（1，37）=102.77，p

3.2.2对数字加工距离效应的考察

对数字距离效应的考察同实验1。

在有效线索提示条件下，数学学优生：小数字距离主效应显著，F（3，57）=41.25，p

在无效线索提示条件下，数学学优生：小数字距离主效应显著，F（3，57）=20.88，p0.05。

4.讨论

本研究结果发现无论是内源性注意，还是外源性注意条件下，数学学优生在数字比较任务中的行为反应时均显著短于学困生，表明数学学优生的数字认知加工速度比学困生快。这与已有研究结果有着一致之处。如Geary和Brown的研究发现，数学学优生在数字计数任务中的加工速度已接近成人水平，且明显快于学困生。此外，本研究的眼动指标结果也发现，在内源性和外源性注意条件下，数学学优生数字加工任务中的凝视时间显著短于学困生，表明学困生的认知加工速度比数学学优生慢；而数学学优生的眼跳距离也明显小于学困生。分析其原因，可能与数学学优生和学困生使用不同的认知加工策略有关。由于本研究中的内源性和外源性线索提示有效性为80%，因此有效的方法是将注意朝向线索提示的位置或在注意被自动吸引向线索提示位置的同时，又不能离注视点太远，以便在线索无效时能迅速返回并指向非线索的位置。数学学优生可能较好地运用了这种认知加工策略，而学困生更容易受线索提示的影响。

实验1结果发现，在内源性有效线索提示条件下，数学学优生和学困生均表现出显著的大小数字距离效应；而在无效线索提示条件下，数学学困生的小数字距离效应显著，但大数字距离效应不明显，学优生则仍然表现出显著的大小数字距离效应。这些结果说明内源性无效线索对数学学困生的数字加工产生了显著影响，但对学优生没有影响。分析其原因，这可能是内源性无效线索提示干扰了数学学困生自动获取数量信息造成的。由于内源性线索所引导的注意朝向是受观察者的意图所控制的，并且被试能够忽视内源性线索。因此在内源性线索出现后，学优生可能会意识到数字目标不一定会出现在线索提示位置上，因此他们可能在将注意朝向线索位置上的同时，也将部分注意朝向了非线索位置上，这样线索提示与目标出现位置不一致时，由于非线索提示位置上得到部分注意资源的分配，学优生也能够自动获取无效线索提示位置上的数量信息。相对于学优生，学困生可能难以忽视内源性线索，更容易受到内源性线索的影响，因此当线索与目标出现位置不一致时，无效线索可能干扰了他们自动获取非线索提示位置上的数量信息。

实验2结果发现，在外源性有效线索提示条件下，数学学优生和学困生都表现出显著的大小数字距离效应，而在无效线索提示条件下，只有学优生表现出显著的大小数字距离效应，学困生的大小数字距离效应均不显著，表明外源性无效线索干扰了学困生对数量信息的表征，但没有影响学优生自动获取数量信息。分析其原因，与内源性注意不同，外源性注意引导的是自下而上的自动化加工，无论外源性线索对目标出现地点是否提供信息都能自动地吸引注意，不容易受被试忽视。因此在外源性线索出现后，被试的注意会被自动地吸引至线索提示位置上，即使线索与目标出现的位置是不一致的。数学学优生仍然能够在外源性无效线索提示条件下自动地获取数量信息，表现出数字距离效应，而学困生自动获取数量信息受到干扰，并未表现出数字距离效应，可能与个体抑制能力的差异有关。这一推论得到已有研究证据的支持。如Geary等的研究曾指出，数学学习困难儿童较差的信息表征能力和中央执行功能上的缺陷（如，缺乏注意控制和较差的抑制无关联系的能力）是导致他们在数字认知加工成绩上不如数学学习正常学生或学优生的主要原因。

综合实验1和2结果，尽管数学学困生在数字比较加工任务中自动获取数量信息的能力受到了内源性和外源性注意不同程度的影响，但从数字加工距离效应显著性的比较来看，数学学优生的数字距离效应比学困生的更显著，表明数学学优生在数字加工任务中自动获取数量信息的能力要比学困生强。这与Rous。selle等的研究结果一致。关于个体在数字认知加工能力上所表现出来的差异，研究者提出了不同解释：（1）Butterworth的缺陷数字模型假设认为，儿童之所以会出现数学学习困难是由于基本数字认知的内在机能障碍直接造成的，当这种加工数量的基本能力得不到正常发展时，就会导致他们在理解数字概念和表征数字信息上存在困难。（2）Rousselle等的提取缺陷假设认为，儿童在数学学习上的障碍并不是由于加工数量信息时的困难造成的，而是从数字符号中获取数量意义时出现了困难。

5.结论

本研究可得出如下结论：

（1）内源性和外源性注意条件下，数学学优生在数字比较任务中的行为反应时、凝视时间和眼跳距离均显著短于学困生；

（2）内源性有效线索提示条件下，数学优困生均表现出显著的数字距离效应，但内源性无效线索提示条件下，学优生表现出显著的数字距离效应，但学困生只有小数字距离效应显著。

（3）外源性有效线索提示条件下，数学学优生和学困生均表现出明显的数字距离效应，但外源性无效线索提示条件下，只有学优生表现出明显的数字距离效应。

（责任编校：刘在花）