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近一个世纪以来,特别是上世纪九十年代,脑科学对人脑的研究取得了前所未有的成就。 脑科学对于学习的脑区域、脑机制和学习原则的研究所取得的进展，为重新定位教学、 重新思考教学的作用提供了理论支撑。 教育作为以培养优秀人才为直接目标的活动，在新课改和强调培养学生全面发展、实施素质教育的今天，非常有必要关注和应用脑科学的研究成果， 为教育的发展提供新的思维方式和理论依据。鉴于此，珠心算这一新兴学科，遵循幼儿大脑的发育顺序，利用大脑成熟的关键期，给予多种感官的刺激，从而促进智力潜能得到很好的开发。 珠心算教育将脑科学对人学习方面的研究引入教学， 使教学建立在脑科学基础之上， 构建了符合人脑活动规律和学习原则的教学实践，形成以脑科学为基础的特色教学。
一、 珠心算教育符合儿童早期学习的关键期理论
关键期是发展神经生物学领域中的一个重要概念，后来为教育研究早期儿童发展所借鉴，即儿童大脑发展某种能力的关键时期。 人们将这一特殊时间称为关键期或敏感期。 脑科学研究发现：幼儿大脑的发育遵循严格的程序性，其发展是循序渐进的。 对儿童学习机制的研究以及一些早期教育工作者的研究和实践表明，儿童早期学习过程中的具体机能有不同的关键期。例如，在视觉系统内部，视觉敏感度、视觉优势、双眼功能就有不同的关键期。 大体上说，2—3岁是学习口头语言的关键期，4—5岁是学习书面语言的关键期，5岁左右是掌握数概念的关键期。 所有这些研究似乎都在坚定一个信念：儿童早期是学习最多的时期，是大脑对新经验最开放的时期。 实践也告诉我们，脑的发展在最早期是独特的， 经验必须限定在一定的时间段里才能起作用，也就是说它们将要深深的影响以后的发展。
珠心算是珠算式心算的简称， 是基于珠算操作方式的心算。 它是利用算盘这个计算工具来进行运算。 算盘上一颗上珠表示5，一颗下珠表示1，算珠就是数字，算珠的波动就是加减的过程， 算盘使抽象的运算具体化。 过程透明，简单易学。 利用算盘作为学习工具，更利于儿童形成数概念， 所以我们说学习珠心算的最佳时期是在学前的大班时期， 这恰恰与儿童大脑发育中掌握数概念的关键期相契合。 算盘既是学具又是玩具，不仅易于形成数概念，同时也能够有效提高学习兴趣，为“数学好玩”提供了工具。
二、珠心算教育符合大脑的可塑性理论
（一）突触的可塑性
大脑的可塑性更准确地说是神经细胞的可塑性，也就是大脑可塑性神经机制是学习的前提。 脑科学的新近研究发现， 神经细胞的可塑性主要表现为突触的可塑性。 一个人从出生起就不断地学习和记忆各种东西，在脑系统中相继形成一个个有序状态，相应地也引起突触的一层层生长。 就某一突触而言，突触前和突触后生长的历程，如实记载了该突触递质释放的历程，就整体而言，则是众多突出的层层生长历程，如实记载了不同地方突触递质释放的历程。 同时神经系统又受到内外环境的刺激，表现出高度的可塑性。 这些环境刺激维持和强化了经常加工信息的突触， 经常使用的突触得到经验的强化和保持，而不经常使用的就要被修剪。
儿童早期是突触建立连结的关键时期， 而环境和经验又影响了大脑突触的连结和大脑的发育， 也就是大脑可塑性神经机制似乎依赖于复杂环境， 这种复杂环境下突触的生长可以称为大脑经验———依赖的可塑性。 经验———依赖的可塑性能够使有机体通过与环境的相互作用获得发展。 也就是经验决定了哪些突触会被削减，更重要的那些突触会被保留。 这就形成了后来发展所依赖的联结图式， 我们大脑有一个神经联结的基线，丰富的环境会增加他们的联结。 神经科学家哈罗德·丘格尼（Harold.Chugani）指出：“学龄期儿童的大脑几乎是以能量消耗为主， 对葡萄糖的消耗是成年人的2.25倍，早期脑学习的效率比较高，学习也比较容易。”
①儿童早期的环境刺激对儿童发展的影响很大， 适宜的环境可以促进脑的发展和儿童的学习， 不良的环境则会损伤儿童的脑和阻碍学习，因而，要想调动大脑的学习能力，必须有一定的适宜环境。作为一种有目的、有计划的刺激，教学必然能够最大地激发儿童的学习能力。 近年的研究表明，人的大脑受到外界的刺激越多，就越具有灵活性。 大脑具有可塑性，如果给以均衡合理的刺激，人也会变的灵活起来。对于儿童来说， 创设一种适宜于儿童早起发育的环境至关重要。 充分调动儿童多种感官通道，对于儿童的学习和记忆有重要意义。
珠心算教学从一开始， 就利用算盘这一学具吸引了儿童的注意力，引起儿童学习知识的兴趣，给予大脑一个良好的刺激。 在教学初始，儿童用手拨动算珠，既能听到算珠上下攒动的声响， 又能看到相应的珠像运动，并且还有认真拨珠的动作表现，有形有声有兴趣，这种眼、手、脑并用的教学，能够使儿童整个注意力汇聚在算盘这一个点上，眼和手要分工协作，脑子里要运转数字的形式，最终实现看数拨珠的准确性和精确性，更进一步提高珠像的速度和准确程度。 这样就在儿童大脑发育的关键期，给予了大脑均衡合理的刺激，并且充分调动各种感官的参与， 成为一种适合于儿童发挥其优势智能的方法。 珠心算学习不仅能使儿童接受环境刺激引起大脑发生变化， 也有助于促进儿童全面发展。
（二）儿童早期数学能力的发展
对于儿童早期数学能力是如何发展的问题,长期以来的理论主要是从儿童认知发展角度进行阐述,忽略了从生理角度研究儿童数学能力发展的脑机制。 近年来脑科学的研究为我们从脑机制层面理解儿童数学能力的发展提供了新的视角。 其中一个视角就是根据现有研究成果， 提出了人类进行思维和数字操作的脑机制———“三重编码模式”。 该模式主要描述了儿童进行数学学习的脑机制。
【背景资料】不同脑区参与不同任务
OECD的研究人员Dr.Dehaene进行了两个貌似相似的计算实验， 而这两个计算过程使用的是不同的编码系统。 其中一个依赖于言语系统，另一个依赖于数量系统。 他向被试提供的是完全相同的加法问题（4+5），但是是在两种不同的情境下：一种情境下，要求被试从与正确答案相近的结果中选择一个，找到正确答案（要求他们做出正确的计算）；在另一种情况下，给出两个错误的答案，一个很明显是错误的，另一个貌似正确。 有证据显示，尽管这两项任务表面有某种程度的相似性，但是，他们激活的大脑兴奋区域是不同的。 在执行相似性任务时，较兴奋的脑区是数量亚系统；而执行准确的计算任务时，兴奋的脑区却是言语亚系统。
③三重编码模型已经超越了简单介绍儿童数学学习困难的可能原因，因为它证实了一些事实，而这些事实能够支持数学教育中一些数学推理的特征： 言语不参与的情况下进行思维的可能性。 无语言伴随思维的可能性是指，在表征系统中，数量系统是独立于言语系统之外的，并且提供的是一种纯粹非言语的数量表征。 在（MIT）进行的一项研究也支持该论点。 这项研究中，要求双语被试接受一学期的训练， 学习以一种语言方式对算术进行表征。 接下来在他们熟悉的双语情境下进行测试， 看被试是否由于与初始训练的语言环境不同而有困难。 从这项任务中观察到的是，在运用言语亚系统进行推理时，要依赖于学习的语言，并且要在语言之间进行转换时，计算过程的速度会受到影响。 然而，如果任务具有模糊性，这时即使需要言语转换，计算速度也不会受影响。
这种无语言伴随的数学思维强调在向儿童教授数字观念时， 我们要使用有助于激活儿童数量表征系统的活动和任务。 在珠心算的早期学习教育、教学活动中具体的数量亚系统都得到了锻炼， 因为珠心算的数学教学是建立在依靠儿童对周围物体进行操作的基础上， 也就是操作算盘。 对于无言语伴随的数学思维活动，机械的言语学习并不是对任何学习都足够了。 根据研究， 强调空间性或者代表数字的具体物体抽象隐喻的教学材料，例如我国使用的算盘，很可能特别适宜于教授数学，因为数字是以非语言的方式表征的。
（三）珠心算更多的是依赖于视觉空间表征
来自儿童数学学习研究的另一个有趣的和有价值的信息是： 它解释了为什么几乎所有的儿童在入学学习数学时都会遇到困难。 这种困难可能有两种解释：一方面可能是某些神经网络受伤或者是组织紊乱， 如数量亚系统， 结果一个人可能缺乏获得有关数字方面结论的信息的能力。 另一方面，更常见的就是他们在数量表征和视觉与言语符号之间建立连接方面存在障碍。
就是符号化过程之异常， 符号化的功能是心智作用高层次的一项能力， 中枢神经系统的这项作用是统合知觉作用。 数学是一种符号语言，要解决数学问题，个体就需要在数学的符号与视觉符号之间建立连接， 如果个体在符号之间的转换路径有缺陷， 他将无法在视觉和言语符号之间建立连接。 这就为幼儿教师和家长理解为什么有的聪明儿童在数学学习方面存在困难提供了一些依据，同时也为我们进行珠心算教学，开展儿童教育提供了科学依据。
珠算模式是将算珠幻化成符号进行计算， 形象直观，使符号操作与实务操作融为一体；而珠心算是依靠人的视觉、听觉、触觉等多种感觉器官的参与，将算盘在脑子里想象出来，把抽象的数字变成直观的珠像，按照实际拨珠法利用脑中形成的珠像进行计算的方法。这种操作方式就将数学的符号与视觉符号之间建立了一个直观形象的连接， 从而避免了符号之间的转换错位，为儿童数学学习提供了便利。
日本科学家Hatano是用行为测量实验手段研究珠心算的心理机制的先驱， 他发现珠心算专家比普通人有更强的数字记忆广度， 他推测珠心算专家在数字工作记忆时可能更多地采用了视觉空间表征的策略，在脑中形成了珠像。 芝加哥大学学者Stigler通过实验证实11岁的中国儿童经过珠心算练习有更强的心算技能 。着名学者Miller发现长期的珠心算训练会影响成人对数量的空间表征。④2009年-2010年 间 ，浙大科大课题组关于 《珠心算对认知功能的影响及其神经机制的研究》 获得两项重大研究突破。 一是珠心算的神经基础有别于普通心算。
在珠心算的加工过程中，采用了视觉空间表征，经典的语言区域没有参与珠心算的加工， 而普通心算加工则更多采用语言表征。 二是珠心算训练对儿童脑可塑性产生影响。 经过三年珠心算学习的儿童与相应的对照组儿童通过核磁共振脑成像实验后进行比较， 发现珠心算组脑白质的连接强度明显高于对照组， 在全脑没有发现对照组比实验组连接强度高的脑区； 实验组比对照组白质连接强度高的脑区主要集中在4个脑区，即左侧枕颞叶联合皮层、右侧运动区、胼胝体和右侧前额区⑤。 该两项成果分别发表在荷兰、美国出版的世界着名专业学术刊物《神经科学快报》（Neuroscience Letters）和《人脑成像》（HumanBrainMaping）杂志上，受到国际脑科学学术界瞩目。以上阐述和浙大科大课题组的实验研究结果，充分证明了珠心算教育对大脑可塑性具有促进作用的理论假设， 将脑科学理论应用于珠心算教育实践也具有了高度的科学性。
三、珠心算教学时帮助学习者构建图式的过程
“图式”是一个心理学名词,是指儿童对一个时间基本要素和相互关系的抽象表征。 这里引申为学习内容间的相互联系和相互作用在学习者头脑中形成的一个网络结构,类似于一个地图,因此可以说,学生学习的过程就是构建图式的过程。目前，关于珠心算的定义，主要有以下两种具有代表性的说法：定义一：珠心算(Abacus mental calculation)是传统的珠算运算模型在大脑中内化的产物。 长期的珠心算练习使练习者形成了独特的、 以 “珠像(Abacusimagery)”为媒介的数字感知 和计算方式 ，即把抽象的数字变成直观的算珠影像，并在头脑中“打算盘”。 定义二：珠心算是珠算式心算的简称，是一种特殊的心算策略。 它以珠算为基础，通过实际拨珠训练，到模拟拨珠训练，再过渡到映像拨珠，最终在脑中形成珠像运动⑥。
这种计算技能从依靠算珠到脱离算珠， 通过视觉、听觉、触觉把抽象的数码变成直观的珠映像，并在脑子里完成计算过程，形象地说就是在脑子里打算盘。 从以上关于珠心算的解释或定义中， 我们可以归纳出珠心算过程的两个核心环节：一是把数字或数码以“珠映像”或“珠像”形式映入脑中，二是操作这些脑中“珠像”来完成计算过程。 由此可见，珠像在珠心算中的极端重要性。 珠像的形成，正是利用儿童数学学习的关键期，以大脑可塑性理论，将珠算经过一定时间的学习和训练，映刻于大脑，在脑前额形成算盘图像，运用脑中虚拟算盘进行计算，最终形成脑映像。
构建图式的过程实际是将学习的内容相互联系的过程,所以大脑也在力求使学习的内容联系起来,这样不但学习效果最好,而且记忆起来也很容易。 俄国教授科密洛夫斯基在 《自然及人工脑能的形成》 一文中写道：“我们可以显示，人的10000亿个脑细胞当中的每一个脑细胞所可能产生的连接数为1后面加上28个零！ 如果一个单神经细胞具有这种潜力， 我们就无法想象整个大脑能够做什么了。 它的含义在于，人脑细胞可能的排列组合总数，如果写下来的话，其长度将为1后面加上1050万公里长的零。 ”⑦我们可以看到，大脑具有如此强大的联结能力，因为学习者总是在寻求建立联结，而教师则需要组织学习者从理解中提取经验。 头脑和存储信息的计算机不同， 它经常努力把获取的信息建立联结，形成“信息网络”。 但这种联结能力，必须有一定的环境刺激的支持。
从儿童初学珠心算到形成熟练的珠心算技能的过程中，通过合理的练习，才能掌握这项技能。 在训练的过程中， 大脑需要建立于技能相关联的稳固的神经网络，既把握住各项技能的不同环节与要点，又注意到各种感官刺激的交替作用。 脑中的珠象经历了由大到小、由全面到精简、由近似到神似的演进过程。 在珠心算学习初期，珠象比较接近实物算盘的映像，随着学习的深入，特别是珠码图的学习与应用，学生对算盘和计算有了更深刻的认识，脑中的珠象也出现了质的飞跃。 此时的珠象已经高度抽象，框已不复存在，梁和档由一横与多纵相交的暗细线所代表， 算珠被一个个细小的点所替代，算盘大小也是“按需定制”—————按照实际需要的计算位数来决定， 在珠心算成熟期的珠象带有更加缩微、更为抽象的空间特性。 早期的珠心算带有明显的双手拨珠动作，有的人手舞动作甚至很夸张，随着练习的深入，心算能力的提高，手部动作幅度逐渐变小，直至手部完全不动而内隐成依赖脑中的珠象操作。 在珠心算教学中，通过算盘自身的特点，激起儿童学习的积极性，通过手拨、眼看、耳听、脑算，调动起他们的多种感官，引起他们固有的好奇心，使他们参与到恰当的身体活动、交流、语言活动和创造活动中，这一阶段，学习者大脑中的突触联结能力最强，形成的“地图”也最真实，也就是珠心算研究中最重要的“脑映像”。
图式对认知结构具有积极的影响， 能够帮助学生建立良好的认知结构。 学生构建图式，不仅能够优化学生的认知结构，更便于知识的迁移。 相对于认知过程来说认知结构是静态的， 但作为认知结构自身来说它又是动态的、开放的，它需要不断地吸纳新知识，提高知识的抽象水平， 这些都是在知识的运用和图式的迁移中实现的。 系统的知识结构转化为图式后，可以举一反三，同化新的信息。 在图式迁移的过程中，学生的认知结构就会不断地得到丰富、发展。 珠心算学习会最终形成清晰的脑映像，帮助学生建立和形成了图式，在各科学习中， 都能够运用这个清晰的图式进行知识迁移，对于完善学生的认知结构起到了积极的作用。
四、珠心算教学有利于大脑整体功能的发挥
传统教学往往不顾学生的身心发展特点和规律，过于强调学生的记忆能力，扼杀学生的创造力，从更深层的分析来看， 即有些教学行为不符合人脑发挥功能的规律。从总体来看，教学强调学生的记忆能力、语言发展和数学推理能力，尤其是对学生记忆能力的强调更加推崇，认为教学就是为了记忆。从大脑发挥功能的角度来看， 这只是利用了人左脑的功能，而对右脑的利用却微乎其微。 脑科学家研究发现，左脑是处理语言，进行抽象逻辑思维、集中思维、分析思维的中枢。 它主管着人们的说话、阅读、书写、计算、排列、分类、言语回忆和时间感觉，具有连续性、有序性、分析性等机能。 而右脑则是处理表象，进行具体形象思维、发散思维、直觉思维的中枢。 它主管着人的视知觉、复杂知觉模型再认、形象记忆、认识空间关系、识别几何图形、想象、做梦、理解隐喻、发现隐蔽关系、模仿、音乐、节奏、舞蹈以及态度、情感等，具有非连续性、弥漫性、整体性等功能。 根据大脑“用进废退”的原则，过于使用左脑而忽视右脑的利用， 往往会造成人的片面发展。 尽管左右脑是协同发挥功能的，但由于刺激的单侧化和片面性，致使左右脑的功能不能协调发展。 脑科学的研究证明，人的左脑控制着右侧肢体的运动，也就是大部分人常使用的右手在一定程度上体现了左脑的优势。
珠心算采用双手拨珠的教学方式， 算盘操作者由于同时使用双手进行拨珠操作， 左手的使用频率远远高于非珠心算练习者， 这个因素可能加快右侧前运动区通路的成熟过程， 即有利于主管空间信息处理的右脑发育。 双手拨珠训练在促进儿童双手手指精细运动技能发展和相关神经网络发育的同时， 也促进了左右脑的信息互通与协同运作， 促进了大脑功能的整体发挥。 山东潍坊医学院课题组关于《珠心算训练开发儿童智能的脑机制研究》实验发现，未练习珠心算儿童在心算过程中，明显激活左脑，表现出双侧不对称，而珠心算练习3年以上者，无论是枕区还是额中央区，都表现出相对对称。 因此，珠心算训练减少了大脑功能的偏侧化倾向，从而有利于开发大脑的整体功能。
五、结语
近年来，关于全脑开发有这样一种看法，他们提出“全面开发人脑”的三层含义：“第一是指以人脑为核心的整个身心功能的开发，因为脑与整个身心密不可分；生理功能与心理功能应该一起开发； 生理功能与心理功能的开发在同一活动中。 第二是指脑的各个部分的全面开发（全脑开发），因为人脑的脑干和间脑等有着大脑不可替代的功能； 大脑左半球和右半球不能只开发某一单侧， 应该对左右两半球整体功能进行协调开发。 第三是指人脑三个层面水平的全面开发，三个层面是指：现有水平（显能）、潜在水平（潜能）和自我调控水平（“反思”功能）。 ”⑧最近几年， 大脑研究和生物化学科学方面取得的突破， 已经能够使我们更加清楚的和客观的理解了人类行为、心理机制和学习过程。 “这些新发现显示了一个惊人的事实： 人的大脑中还有很大一部分潜力未曾加以利用，而且根据某些权威多少带点武断的估计，这种未曾利用的大脑潜力竟高达90%。”（联合国教科文组织报告， 华东师范大学比较教育研究所译：《学会生存———教育世界的今天和明天》， 教育科学出版社，1996年，140—141页。 ）在《美国心理学会年度报告》中，心理学家曾经这样说过： 任何一个健康的人与伟大科学家之间，并没有不可跨越的鸿沟，他们的差别只是用脑的程度和方式不同，这个鸿沟不但可以填平，还可以超越，因为从理论上讲，人脑的潜能几乎是无穷尽的。
可见， 开发儿童的脑潜能已经成为当下一件重要的事情。 在开发儿童大脑潜能中多种方法和手段的应用是有益的。 研究表明，珠心算利用双手拨珠、听算、看算等多种方式对儿童进行训练，有助于开发儿童的脑潜能。 同时可以利用构建图式将形成的脑映像迁移到美术、 音乐和数学、 英语等各个学科之中， 对于儿童脑功能的开发具有积极的促进作用。脑科学作为一门前沿性的学科， 涵盖的知识面较广、研究的手段多样、研究成果比较丰富。 因此，要把脑科学研究与珠心算教育较好地结合起来是有相当的难度。 脑科学通过研究证实珠心算发展对于开发儿童脑潜能具有正面积极的作用， 这也有助于珠心算教育者掌握脑科学理论来理解儿童的学习准备状态。 在珠心算的教育实践和研究中， 教师们积累起来的以及正在进行的教学经验对于脑科学应用研究具有重要价值。 期待在今后的珠心算教育实践中，在关注脑科学研究的同时，会有更多的人关注珠心算教育对开发儿童脑潜能的特殊作用。
