空间能力的性别差异以及空间能力对数学能力的影响：基因-脑-行为的研究

Spatial ability is considered to be the foundation of STEM education. There is good evidence that spatial ability relates to individual’s achievements, highest degree and career in STEM fields. In particular, children and adults who perform better on spatial tasks also perform better on tests of mathematical ability. To learn more about spatial ability and the relationship between spatial ability and mathematical ability, the current proposal will conduct a series of studies among kindergarten children to college students. Firstly, we aim to explore whether gender difference in spatial ability emerge at kindergarten children, and what kind of spatial ability shows gender difference. Then, various factors, including biological factors, social-cultural factors and genetic factors, will be investigated to explore their contribution to gender difference in spatial ability. Secondly, we aim to explore whether spatial ability has an impact on mathematical ability with meta analysis, cross-sectional research, longitudinal research, intervention research, and brain imaging research. If spatial ability has an impact on mathematical ability, the cognitive neural mechanisms will be further explored by using behavioral experiments, ERP and fMRI. These work will provide important practical value on how to develop children’s spatial ability, narrow gender gap in spatial ability and improve mathematical ability through spatial ability.

空间能力被认为是STEM教育的基础，与工程、技术、科学和数学密切相关，其中空间能力与数学能力的关系更是深受关注。为深入认识空间能力以及空间能力和数学能力的关系，本项目将空间能力进行系统的划分，对幼儿到大学生不同年龄段的群体展开一系列研究。主要关注两大问题：一是探讨3-4岁幼儿的空间能力是否存在性别差异，具体表现在空间能力的哪一成分，然后探讨了造成空间能力性别差异的基因，生物和心理社会文化因素；二是从元分析，横断研究，纵向研究，干预研究，脑成像研究多角度全方面考查空间能力是否对数学能力有影响，以及这些影响是否会随着年龄发生变化。如果存在影响，那么将结合行为实验，ERP和fMRI技术对空间能力影响数学能力的认知神经机制进行深入探讨。本项目的顺利开展对于如何培养儿童的空间能力，如何缩小空间能力的性别差异，以及如何通过空间能力提高数学能力提供有重要的教育实践价值。

空间能力被认为是STEM教育的基础，与个体在STEM领域的学业成绩和职业发展密切相关。其中，空间能力与数学能力的关系最受关注。课题探讨了空间能力的性别差异及影响因素，空间能力对数学能力的影响以及空间能力影响数学能力的认知神经机制三个内容。研究发现三个重要结果。其一，早到幼儿阶段儿童的导航能力开始出现性别差异，父母对男孩类玩具的态度是性别差异的来源，表明了家庭因素在空间能力性别差异中的重要作用。其二，基于对中学生数学和空间能力测查的横断和纵向研究发现不同空间能力对不同数学能力的影响不同。心理旋转与数学能力有更稳定的和密切的关系。进一步地，心理数字线在空间能力和数学能力关系中的中介效应受到空间能力类型和数学能力类型的调节，而视空间工作记忆的中介效应不受空间和数学能力类型的影响。通过筛选73篇文献，对14805名被试和263个效应量进行元分析，结果表明，整体的空间能力和数学能力存在正相关关系（r=0.27，95%CI[0.24, 0.32]），并且该关系受到数学能力类型的调节，即空间与逻辑推理的关系更紧密。其三，基于体素的形态学分析方法表明心理旋转和加法不存在共同的大脑基础，但静息态功能连接表明，左侧额上回和右侧顶叶的功能连接水平与心理旋转显著正相关，且通过心理旋转影响加法。这说明心理旋转和加法的行为相关不是源于共同的大脑结构基础，而是源于相同的大脑功能基础，即额顶网络的功能连接。此外，研究发现不同空间能力的结构脑区是不同的，额上回通过心理旋转进而影响计算能力，顶下小叶可以通过空间观点采择影响数量表征能力和计算能力。这些结果具有重要的理论和实践价值。