数学与科学在大脑中形影不离

近日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室周新林脑与数学学习课题组在《Cerebral Cortex》在线发表了题为“Mathematics meets science in the brain”的研究论文，揭示了数学知识和科学知识的加工具有基本一致的脑机制。

数学和科学的学习是每个人教育历程中至关重要的内容。数学和科学不仅对个人发展的非常重要，而且影响着国家的发展。例如，Hanushek等(2008)发现，如果一个国家的数学和科学成绩比其他国家在20世纪60年代高出0.5个标准差，那么在接下来的40年里，这个国家每年的经济增长率都比其他国家高出1个百分点。因此，揭示数学和科学加工的神经机制就显得尤为重要。

本研究使用功能磁共振成像(fMRI)扫描了34名大学生（17名男生，平均年龄20.3 ± 1.64岁）在加工数学原理（例，绝对值大的负数比绝对值小的负数小）、物理原理（例，质点是指代替物体的有质量的点）、化学原理（例，化学反应前后的各物质质量总和不变）、算术计算（例，数字十三减去五后等于数字二乘以四）和句子理解（例，工业的发展需要重视环境可持续发展）时的大脑活动。

结果表明，和句子理解相比，数学原理、物理原理和化学原理在视空网络（额中回和顶下小叶）中引发了相似的神经激活水平和神经激活模式，如图1；和算术计算相比，数学原理、物理原理和化学原理在语义网络（颞中回、角回、额下回和背内侧前额叶皮层）中也引发了相似的神经激活水平和神经激活模式，如图2。功能连接分析表明，数学原理、物理原理和化学原理的语义网络（颞中回）和视空网络（顶下小叶）之间存在功能连接，如图3。

图1 数学原理(Math)、物理原理(Physics)和化学原理(Chemistry)与句子理解(Sentence)相比较的大脑激活。

图2 数学原理(Math)、物理原理(Physics)和化学原理(Chemistry)与算术计算(Arithmetic)相比较的大脑激活。

图3数学原理(Math)、物理原理(Physics)和化学原理(Chemistry)比句子理解在左侧颞中回和顶内沟的连通性分析结果。

这些结果表明，视空网络和语义网络对于数学和科学的加工都至关重要。本研究为未来数学与科学在教学中的整合提供了来自大脑的证据。在数学课程中引入科学可以丰富数学的具体情境，帮助学生理解抽象数学。同时，数学可以帮助学生在特定的情境下(如物理、化学、生物)建模问题，促进抽象思维。具体的教育教学方法包括基于项目的学习(例如，探索新的现实世界问题)，基于探究的学习(例如，探索新的概念和发展新的理解)，基于设计的学习(例如，让学生参与工程设计挑战) 和合作学习(例如，促进团队合作和与他人的协作)等(Thibaut et al., 2018)。过去的研究表明，在基于项目的学习中，数学和科学的结合显著提高了学生的数学问题解决能力(Surya & Syahputra, 2017)和科学成绩(Afriana et al., 2016)。

该论文的第一作者是在读博士生王丽、李梦怡，以及中国基础教育质量监测协同创新中心杨涛老师，通讯作者是周新林教授。论文合作作者还包括中国基础教育质量监测协同创新中心在读博士生王迣。该项目工作得到了国家自然科学基金、高等学校学科创新引智计划、未来教育高精尖创新中心基金项目的支持。

Wang, L.,Li, M., Yang, T., Wang, L., Zhou, X. (2021). Mathematics Meets Sciencein the Brain, Cerebral Cortex,https://doi.org/10.1093/cercor/bhab198