STEAM训练提升小学生的注意抑制与注意集中能力*

苏明宇 王光明

(天津师范大学教育学部，天津 300387)

1 引言

在学习过程中，学生每时每刻都会接收大量信息。根据认知负荷理论，由于认知资源的有限性，学生不可能加工所有信息，只能选择其中一部分信息进行加工，这个过程就需要选择性注意的参与（魏萍, 周晓林, 2005）。选择性注意是指根据特定的任务和要求，学生将注意指向学习内容，同时还能够对与学习无关的信息加以抑制（沈德立, 白学军, 2006）。通过选择性注意，学生忽视或过滤掉大部分对自己来说不重要的信息，选择少部分重要信息或与学习目标相关的信息，使这些信息得到进一步加工（张学民, 申继亮, 林崇德, 王萍萍, 刘帅, 2008）。

研究表明，学生学习过程的注意加工具有两个特点。一是聚焦目标相关信息，学生将认知资源集中于一项或很少几项任务，而排除其他任务，就是注意集中能力；二是抑制目标无关信息，学生不仅能将认知资源集中于目标相关信息，还能够有效地排除或压抑无关信息的干扰，就是注意抑制能力（Wen, Duncan, & Mitchell,2019）。已有研究发现，小学生的注意抑制能力存在差异，并且注意抑制能力的高低决定着学生的学习效率（Lodge & Harrison, 2019）。注意抑制能力较高的学生，能较好抑制学习无关信息，较快完成学习任务；注意抑制能力较低的学生，不能很好抑制学习无关信息，从而导致学习任务完成较慢（沈德立, 白学军, 2006）。还有研究发现，部分小学生的注意集中能力和注意抑制能力均较低，从而导致学习效率低下（ 李蓓蕾, 张莉莉, 邓林园, 白瑄, 2019; 祝春兰, 丁烜红, 卢会志, 方慧, 黄洪基, 2015）。因此，探索提高学生注意抑制能力与注意集中能力的方法具有重要意义。

研究者从各个角度探讨促进学生注意抑制和注意集中能力的方法。李泉、宋亚男、廉彬和冯廷勇（2019）系统考察了正念训练对3～4岁幼儿注意和执行功能的影响，结果发现，正念训练能够提升幼儿的注意集中能力、抑制控制和认知灵活性。还有一项研究发现，经过一段时间的正念训练，实验组儿童的注意抑制能力和认知灵活性都优于对照组儿童（Flook, Goldberg, Pinger, &Davidson, 2015）。王岩等人（2012）以大学生为被试，将他们随机分为实验组和对照组，探讨正念训练对大学生注意能力和记忆能力的影响，研究采用Stroop任务考察注意能力的变化。结果发现，实验组被试在Stroop任务表现优于对照组。以上研究表明，训练能够提升儿童的注意抑制能力和注意集中能力。

STEAM课程是指由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）、数学（Mathematics）等学科共同构成的跨学科课程，是培养学生科学素养和科学技能的重要方法（胡焱, 蒋秋, 2019）。目前我国STEAM课程主要以主题学习与跨学科项目学习的形式展开，整合各学科的知识和思维方法，使儿童感受数学、科学、技术、工程、艺术等学科领域的融合，发展和促进儿童认知能力、创新意识和实践能力等（陶佳, 范晨晨, 张翠翠, 2020）。已有系列研究表明，STEAM训练可以有效提高小学生的认知能力，促进学生认知加工，从而实现高效率学习（Chen & Huang, 2020）。还有研究表明，恰当的STEAM训练可以促进儿童的认知发展、情绪发展，增强学习动机，对学生的心理发展与学业成就起着积极促进作用（Becker & Park, 2011）。

关于这种训练的内在机制，神经可塑性理论认为，脑可塑性是指大脑在环境和学习的共同作用下不断改变和塑造大脑结构与功能从而适应环境变化的能力（Garlick, 2002）。从神经元联结的角度，学习是形成新联结的过程，而练习则是巩固已有联结的过程（段旭君, 2013）。因此，采用恰当的训练方法，可以通过重塑大脑结构、建立巩固神经元联结的方式提高个体的注意、记忆等认知过程。

基于此，本研究将STEAM课程与促进小学生注意抑制能力与注意集中能力结合起来，利用STEAM课程系统训练小学生的注意加工，从而提高小学生的注意抑制能力和注意集中能力。研究采用实验组、对照组的前后测设计。借鉴已有研究，采用Stroop任务测量小学生的注意抑制能力（陈俊, 刘海燕, 张积家, 2007），采用划销测验测量小学生的注意集中能力（朱昭红等, 2009）。实验组学生进行14周的STEAM训练，对照组不进行任何STEAM训练，正常参与班级活动。研究假设，与对照组相比，实验组学生后测Stroop任务和划销测验上的成绩显著优于对照组。

2 研究方法

2.1 被试

天津市某小学四年级两个自然班的学生，共86人，其中男生46人，女生40人，每个班43人，平均年龄10.20±0.97岁。学生的视力或矫正视力均正常，无色盲、色弱等，无精神疾病史。其中一个班是实验组，另一个班是控制组。对两个班学生在过去一年里的期中、期末成绩进行差异检验，总体结果无显著差异。根据成绩结果进一步对两个班的学生进行了匹配，确保两组被试在学生成绩上无显著差异。对两个班学生参加课外兴趣班的情况进行调查，了解学生课外参与STEAM、乐高训练、科学素养拓展等课程情况，最终，每组各有5名学生由于参加了相关课程课外训练而不纳入统计分析范围。即，每组各有38名学生的有效数据。两组学生的性别、课外兴趣班等均无显著差异。实验期间，两组学生的任课教师、学习科目、校内活动等均相同。

2.2 实验设计

研究为2（组别：实验组、控制组）×2（测试类别：前测、后测）两因素混合实验设计。实验组是参加为期14周的STEAM课程训练的学生，控制组是没有参加STEAM课程训练的学生。

2.3 实验过程

研究从新学期第一周开始。第一周先对两组学生进行Stroop任务和划销测验测试，获取学生训练前在两个任务上的成绩。从第二周开始，对实验班学生进行STEAM课程训练。

训练部分采用了由SAE International开发的AWIM项目（https://awim.sae.org/）中的课程喷气小车（Jet-Toy）案例。该项目基于K−8年级（从学前到8年级）学生，通过设计与年龄相适应的教学活动，将STEAM课程中的科学、技术、工程、艺术、数学进行融合，发展儿童的科学素养和科学技能。本次训练所选课程为初级（四年级至六年级）课程，并根据我国小学四年级学生的学习情况及课程安排进行调整改编：首先，根据我国小学课程的前置安排，为改编课程增加了13课时，调整课时时长为40分钟；其次，增加了物理、科学方面的教学，为学生更好地完成课程提供帮助；最后，安排了课程展示部分，以增长学生参与课程、共同成长的积极性。最终形成符合实验班学生的训练课程，训练时长14周，每周2课时，共计28课时（每课时40分钟）。

控制组学生除了没有进行STEAM课程训练外，其他活动和学习内容均与实验班学生相同。第16周对两组进行后测。

2.4 测试任务

2.4.1 Stroop任务

Stroop任务是测量个体注意抑制无关信息能力的范式之一（王岩等, 2012）。经典的Stroop任务一般采用色字和色块命名的方法来考察Stroop干扰效应量。在命名书写颜色字词所用颜色时，如果词义本身与颜色不符（如用绿色墨水书写“红”字时），颜色命名时间要长于词义与颜色一致时（如用绿色墨水书写“绿”字）或其他中性条件（如用绿色墨水书写一个与颜色无关的匹配字），这之间的差异就是词义对颜色命名的干扰量。

本研究中，Stroop任务通过台式计算机完成，刺激通过19英寸液晶显示器呈现，分辨率1920×1024像素，刷新率60Hz。刺激呈现、被试反应记录均通过E-prime软件来实现。

测试分为6个阶段，每个阶段开始都是先进行10个项目的练习，然后是正式实验，正式实验每个阶段30个项目。这6个阶段如下。

第一阶段：呈现不同颜色的小圆，对颜色进行反应。

第二阶段：呈现黑色的色字，对字义进行反应。

第三阶段：呈现字色与字义相一致的字，对字色进行反应。

第四阶段：呈现字色与字义相一致的字，对字义进行反应。

第五阶段：呈现字色与字义不一致的字，对字色进行反应。

第六阶段：呈现字色与字义不一致的字，对字义进行反应。

第一阶段的测试指导语如下：“您好！屏幕上每次会呈现一个圆，如果它是红色，请按反应板上的红色键；如果是绿色，请按绿色键；如果是蓝色，请按蓝色键。请记住，按键时既要快又要准。如果你准备好了，请按开始键进入测试。”每一阶段的指导语基本相同。

2.4.2 划销测验

划销测验测量学生对视觉上相似的刺激进行辨别时的加工速度、对规则的遵守程度以及操作成绩，用来评估学生的注意集中能力。该方法能够在扫视无关信息的同时，有选择地朝向相关任务的内部或外部方面，并对刺激的维度进行迅速而正确的分析。根据这一定义，划销测验可以预测个体对外部视觉刺激的注意集中能力。本研究中，划销测验要求学生在规定的时间内从左到右、自上而下依次逐行用铅笔划掉数字“0”。共有25行，每行40个数字，其中“0”是目标，数目为4个，数字1～9为干扰项，各有4个，实验通过纸笔测验完成，采用团体测验的方式进行。所有被试在主试的要求下统一完成测试。

2.5 数据处理

数据采用SPSS22.0进行分析。Stroop任务中，因变量为正确反应条件下的反应时（陈俊等,2007）。注意促进效应和注意抑制效应计算方法为：第3阶段反应时减去第1阶段反应时为字义的注意促进效应，第4阶段反应时减去第2阶段反应时为颜色的注意促进效应，最终取两者的平均数作为注意促进效应值；第5阶段反应时减去第1阶段反应时为字义的注意抑制效应；第6阶段反应时减去第2阶段反应时为颜色的注意抑制效应，最终取两者的平均数作为注意抑制效应值（Kimura &Nakano, 2021）。划销测验中，因变量为正确划掉的目标字符数（戚红艳等, 2011）。

3 结果

3.1 实验组与对照组在Stoop任务上的前后测成绩

不同类别学生在Stroop任务上的前后测成绩见表1。在注意促进效应上，重复测量方差分析发现，测试类型主效应、组别主效应测试类型与组别的交互作用均不显著，表明两组学生在注意促进效应上的前后测成绩差异无显著差异。

表1 两组学生在前后测Stroop任务上的注意促进和注意抑制效应（M±SD）（ms）

在注意抑制效应上，重复测量方差分析发现，测试类型主效应与组别主效应均不显著；测试类型与组别的交互作用显著，F(1, 75)=4.93，p＜0.05，η2=0.33，表明不同组别学生在注意抑制效应上的前后测成绩差异显著。进一步分析发现：实验组学生在训练前后的注意抑制效应存在显著差异，F(1, 37)=4.39，p＜0.05，η2=0.31，表明实验组学生在训练前后的注意抑制效应具有统计学上的差异，训练后的注意抑制效应显著优于训练前。控制组在前后测试中的注意抑制效应不存在显著差异，表明经过一学期后，控制组学生的注意抑制能力没有发生统计学上的显著变化。

3.2 实验组与对照组在划销测验上的前后测成绩

不同类别学生在划销测验上的正确划销成绩见表2。

表2 两组学生在划销测验上的正确划销成绩（M±SD）

重复测量方差分析发现，测试类型主效应不显著，说明小学生在划销测验上的前后测成绩差异不显著；组别主效应不显著，说明实验组和控制组学生在划销测验上的成绩差异不显著；组别与测试类型的交互作用显著，F(1, 75)=6.82，p＜0.05，η2=0.30，表明不同组别学生在不同前后测条件下的划销测验成绩差异显著。进一步简单效应分析发现，对于控制组被试来说，测试类型主效应不显著，表明控制组学生在划销测验上的前后测成绩差异不显著；对于实验组学生来说，F(1, 37)=5.62，p＜0.05，η2=0.36，实验组学生的后测成绩显著优于前测成绩。前测条件下，组别主效应不显著，表明实验组与控制组的前测成绩无显著差异；后测条件下，组别效应边缘显著，F(1, 37)=4.11，p=0.051，实验组学生的成绩有高于控制组学生的趋势。数据结果表明，STEAM训练能显著提高小学生的注意集中能力。

4 讨论

选择性注意是学生高效率学习的前提（沈德立, 白学军, 2006）。为了探讨STEAM训练对小学生注意抑制与注意集中能力的影响，本研究对小学生进行14周的STEAM课程训练，采用Stroop任务测量学生的注意抑制能力，采用划销测验测量学生的注意集中能力（戚红艳等, 2011）。Stroop任务的结果表明，在注意抑制效应方面，经过STEAM课程训练后，实验组学生的后测成绩显著优于前测成绩，表明STEAM课程训练可能会促进学生注意抑制能力，但是还不能排除注意抑制能力的自然发展与提高。控制组的结果发现，控制组学生的前后测成绩无显著差异，说明经过一学期的自然成长与知识学习，控制组学生的注意抑制能力没有显著提高。综合实验组和控制组的结果就可以看出，经过一个学期的STEAM课程训练后，实验组学生的后测成绩显著优于前测成绩，表明STEAM课程训练能有效促进学生的注意抑制能力。

在注意促进效应方面，实验组学生的前测成绩与后测成绩没有显著差异，表明STEAM课程训练在提高小学生的注意促进能力方面的效果不显著。同时研究还发现，控制组学生的注意促进效应在前后测条件下也没有显著差异。综合实验组和控制组的结果可以看出，在本研究进行的一学期时间内，小学生的注意促进能力没有出现显著增加。已有研究表明，注意加工中的选择性注意能力在一定年龄段里比较稳定是一种较为稳定的现象（沈德立, 2006）。具体到本研究中，小学生的注意促进能力变化相对比较稳定，所以没有出现前测与后测的差异。

划销测验成绩表明，实验组学生的后测成绩显著高于前测成绩，表明实验组学生的注意集中能力在后测阶段显著优于前测阶段；控制组学生的前测成绩与后测成绩没有显著差异，说明随着自然成长，控制组学生的注意集中能力没有出现显著提高。结合实验组和控制组的结果可以看出，实验组学生后测成绩的提高是由学生参与了STEAM课程训练导致的。这个结果与已有相关研究的结果一致，恰当的训练方法可以提高学生的选择性注意能力（李泉等, 2019）。

一项采用正念训练方法来提高儿童认知能力的研究表明，经过一段时间的训练，儿童的注意抑制能力和认知灵活性都表现出优于对照组儿童的现象（Flook et al., 2015）。已有研究表明，在完成相关训练任务的过程中，儿童通过不断调整自己状态使之符合当前任务情境的需求，这个过程中，儿童的注意抑制、认知转换等认知能力均参与了训练目标的完成，且这些能力均能得到不同程度的提高（Moore, 2013）。本研究中，儿童在完成STEAM课程各项任务过程中，需要选择性注意的全程参与，主动抑制与任务无关的信息，把注意集中到任务相关信息上，这个过程中，儿童还需要在不断地变换任务情境，也就是在多个不同外界客体间灵活地切换注意，这就有效地促进了儿童的注意集中能力、注意抑制能力的发展（Zoogman, Goldberg, Hoyt, & Miller, 2015）。这说明，STEAM课程训练能有效提升儿童的注意抑制与注意集中能力。

已有研究发现，感觉统合的发展可以促进幼儿与儿童注意集中能力等认知能力的发展（毛斌斌, 2009），这也许能解释STEAM课程训练可以提高儿童选择性注意能力的作用机制。在完成STEAM课程各项任务过程中，学生的感知活动充分参与了这个过程，感知能力得到很好发展，从而促进了选择性注意能力的发展。从神经可塑性理论角度看，在完成STEAM课程训练的过程中，学生的视觉、听觉、触觉等感觉通道都得到了激活，形成了新的神经联结，以适应新的任务要求（Garlick, 2002）。这种联结在多次反复的STEAM训练中得到进一步的强化和巩固（段旭君,2013），从而实现对选择性注意能力的提高。

总之，本研究通过STEAM课程训练提高小学生的注意抑制与注意集中能力，这为儿童注意能力训练提供了新的思路和方法。当然本研究也有不足之处，比如，训练过程中没有设置测试，从而没有获得更为精确的注意抑制与注意集中能力变化曲线；研究没有进行学生的注意转换能力测试，无法看到学生注意转换灵活性的变化。未来研究需要进一步采取更完善的设计，探讨STEAM课程训练提高小学生注意抑制与注意集中能力的影响因素和认知机制。

5 结论

在本实验条件下发现，STEAM课程训练可以显著提高小学生的注意抑制能力和注意集中能力。