音乐训练对认知能力的影响*

王 杭 江 俊 蒋存梅

(1上海师范大学音乐学院, 上海 200234) (2上海师范大学教育学院, 上海 200234)

1 引言

在当今中国社会, 随着经济的发展, 越来越多的儿童加入业余学习音乐的队伍, 比如, 参加合唱团、钢琴培训班、小提琴培训班。许多家长认为, 音乐学习可以提高孩子的认知能力, 使他们变得更加聪明(Lynn, Wilson, & Gault, 1989;Schellenberg, 2004; Sergeant & Thatcher, 1974)。音乐训练由此变成提升认知能力的有效手段之一。

问题是, 音乐训练是否与认知能力相关, 并可能提高人们的认知能力？或者说, 音乐训练究竟在多大程度上可以提高认知能力？早在1993年, Nature杂志就报道了音乐聆听与空间认知能力的关系(Rauscher, Shaw, & Ky, 1993), 研究发现,在聆听10分钟莫扎特的D大调双钢琴奏鸣曲(K448)第一乐章后, 大学生的空间推理能力得到短暂的提高。这种现象被称为“莫扎特效应”。尽管后续的一些研究验证了“莫扎特效应”的存在(如, Gilleta, Vrbancic, Elias, & Saucier, 2003; Jones& Estell, 2007; Wilson & Brown, 1997), 但是也有一些研究发现, 聆听音乐与空间认知能力之间不具有相关(如, Chabris, 1999; Steele, Bass, & Crook,1999; Steele, Bella, et al., 1999)。最近, Pietschnig,Voracek和Formann (2010)使用元分析方法对已有相关研究的数据进行了分析, 分析结果表明, “莫扎特效应”基本不存在。

也许聆听音乐的时间过于短暂, 导致音乐聆听与空间能力的关系不够稳定, 那么, 较长时间的音乐训练是否可以影响认知能力？纵观近十几年的研究, 许多学者在这个领域做了大量工作。考虑到当今中国社会的现状, 本文将围绕语言能力、空间能力和数学能力, 探究音乐训练与认知能力的关系, 试图为当今学校音乐教育和业余音乐学习提供实证依据。

2 音乐训练对语言能力的影响

音乐和语言都是人类意识活动的产物, 对人类社会的生存具有独特的意义。由于音乐和语言存在一些相似的构成要素和组织原则(Patel, 2008),因此, 许多学者关注于音乐训练与语言能力相关的问题。下文将从语言知觉和产生两个方面论述音乐训练对语言能力的影响。

2.1 音乐训练与语言知觉能力

语言知觉能力不仅涉及语音知觉, 而且还包括个体对词汇和段落的理解。许多研究考察了音乐训练与语音知觉的关系。相关研究显示, 不仅儿童的音乐音高能力与音素意识具有正相关(Anvari, Trainor, Woodside, & Levy, 2002; Lamb &Gregory, 1993; Loui, Kroog, Zuk, Winner, & Schlaug,2011), 而且节奏能力与音素意识(Anvari et al.,2002)、语音意识(David, Wade-Woolley, Kirby, &Smithrim, 2007; Holliman, Wood, & Sheehy, 2010;Moritz, Yampolsky, Papadelis, Thomson, & Wolf,2013)都存在相关。

Escalda, Lemos和França (2011)发现, 与未受过音乐训练的儿童相比, 受过音乐训练的儿童在语音意识任务中表现更好。音乐训练形成的语音知觉优势也得到了认知神经研究的支持(Chobert,Marie, François, Schön, & Besson, 2011; Parbery-Clark, Tierney, Strait, & Kraus, 2012; Strait, O'Connell,Parbery-Clark, & Kraus, 2014; White-Schwoch, Carr,Anderson, Strait, & Kraus, 2013)。例如, 与未受过音乐训练的儿童相比, 受过音乐训练的儿童对元音/a/时长和起始时间变异的加工诱发了更大的MMN波幅(Chobert et al., 2011); 学前儿童音乐训练的时间与脑干语音编码具有显著的正相关(Strait et al., 2014); White-Schwoch等(2013)发现,在音节/da/诱发的脑干神经活动潜伏期方面, 音乐训练年限较长的被试短于无音乐训练和音乐训练年限较短的被试, 而后二者之间的差异不显著。研究者认为, 早期较长时间的音乐训练将逐渐改变皮层下听觉功能, 而且这种变化可能会持续一生。即便在噪音背景下, 音乐训练对脑干语音编码的促进作用也能在学前儿童(Strait,Parbery-Clark, O’Connell, & Kraus, 2013)、学龄儿童(Strait, Parbery-Clark, Hittner, & Kraus, 2012)、青年人(Parbery-Clark, Anderson, Hittner, & Kraus,2012a; Parbery-Clark, Strait, & Kraus, 2011;Parbery-Clark, et al., 2012)以及中老年人(Parbery-Clark, et al., 2012a; Parbery- Clark,Anderson, Hittner, & Kraus, 2012b; Parbery- Clark,Anderson, & Kraus, 2013)中得到验证。

追踪研究进一步说明, 音乐训练对语言知觉具有促进作用。Overy (2003)发现, 通过15周的音乐学习, 阅读障碍儿童的语音意识能力得到显著提高。类似地, Degé和Schwarzer (2011)随机将41名学前儿童分配到音乐、语音或运动训练3个小组。经过20周的训练后, 接受音乐和语音训练的儿童在语音意识测验上的成绩都明显提高, 而接受运动训练儿童的成绩没有提高, 同时, 音乐训练组与语音训练组的分数不存在差异。该研究结果表明, 与语音训练一样, 音乐训练可以促进语音知觉能力。音乐训练对语言知觉的促进作用也得到其他研究的验证(Chobert, François, Velay,& Besson, 2014; Gromko, 2005; Herrera, Lorenzo,Defior, Fernandez-Smith, & Costa-Giomi, 2011;Moritz et al., 2013)。

另一方面, 研究表明, 音乐训练与语言理解也存在联系。在词汇理解方面, 已有研究主要使用韦克斯勒智力量表中的类同和词汇分测验进行探究。Schellenberg (2004)发现, 通过36周的音乐训练, 144名儿童在类同分测验上的分数显著高于未受过音乐训练的儿童。该结果得到后续研究的验证(Schellenberg, 2011)。在词汇分测验上, 相关研究表明, 音乐训练年限能够预测词汇测验的成绩(Forgeard, Winner, Norton, & Schlaug, 2008)。的确, 受过音乐训练的儿童比未受过音乐训练的儿童具有较好的词汇理解能力(Forgeard et al., 2008;Schellenberg, 2011; Swaminathan & Gopinath, 2013)。追踪研究验证了音乐训练对儿童词汇理解的影响。无论是接受36周的音乐表演(键盘或声乐)训练(Schellenberg, 2004), 还是接受4周的音乐听觉训练(Moreno et al., 2011), 受过音乐训练儿童的词汇理解能力都高于非音乐训练的儿童。以上研究进一步表明, 音乐训练对词汇理解具有促进作用。

在段落理解方面, Corrigall和Trainor (2011)考察了6～9岁儿童的音乐训练年限与段落理解能力的关系。研究结果表明, 尽管在控制了音乐听知觉分数、单词解码分数、IQ以及每周阅读时间的影响后, 音乐训练年限与阅读理解能力仍具有显著的正相关, 但是, 在控制了年龄、父母教育水平和儿童开始学习音乐的年龄后, 二者的相关接近显著水平。的确, Moritz等(2013)也发现, 学前儿童的音乐节奏能力不能够预测他们二年级时的段落理解成绩。对语言障碍儿童的追踪研究表明,通过6周的音乐节奏训练, 阅读障碍儿童的段落理解成绩得到提高(Long, 2014); 通过4周的音乐训练, 言语产生能力较差的被试在段落理解上的成绩也明显提高(Register, Darrow, Swedberg, &Standley, 2007)。但是, 针对正常人段落理解的研究结果存在差异：尽管8周(Lowe, 1995)或 4周的音乐训练(Register et al., 2007)都不能提高儿童的段落理解能力, 但是, Schellenberg (2004)发现,一年的音乐训练可以对儿童的段落理解能力产生促进作用。以上研究结果的不一致可能缘于音乐训练时间的差异。从这些研究可以看出, 对于正常儿童来说, 短暂的音乐训练可能无法提高他们的段落理解能力, 至少一年的音乐训练才有可能促进段落理解能力。

总之, 已有研究表明, 音乐训练可以在一定程度上促进个体对语音、词汇和段落的理解。音乐训练的这种促进效应可能缘于音乐和语言加工共享认知资源或神经机制(Patel, 2003, 2008,2012), 使得音乐技能可能迁移到语言领域。

2.2 音乐训练与语言产生能力

语言产生包括口头语言产生和书面语言产生(张清芳, 杨玉芳, 2003)。口头语言产生实质上就是指言语产生, 它主要是通过对单词或句子发音的准确性和速度进行评估(Corrigall & Trainor, 2011;Hille, Gust, Bitz, & Kammer, 2011)。书面语言产生主要指拼写和写作。

在言语产生方面, 相关研究发现, 言语产生能力与音高分辨(Anvari et al., 2002; Lamb & Gregory,1993)、和弦分析(Barwick, Valentine, West, &Wilding, 1989)、节奏分辨(Moritz et al., 2013)以及节奏再现(Douglas & Willatts, 1994; Strait, Hornickel,& Kraus, 2011)等能力都存在相关。通过对比受过与未受过音乐训练的被试, 一些研究发现, 受过音乐训练的本科生在言语产生测验上的成绩好于未受过音乐训练的被试(Bugos & Mostafa, 2011;Jakobson, Lewycky, Kilgour, & Stoesz, 2008; Stoesz,Jakobson, Kilgour, & Lewycky, 2007), 然而, 另一些研究表明, 是否受过音乐训练对5～9岁儿童的言语产生能力(Tsang & Conrad, 2011)、8～9岁小学生言语产生成绩和速度(Hille et al., 2011)以及老年人的言语产生能力(Hanna-Pladdy & MacKay, 2011)都不具有影响。以上研究结果的不一致可能缘于被试年龄的差异。与本科生相比, 儿童的音乐训练时间总体上较短, 短暂的音乐训练可能无法影响儿童的言语产生能力, 而对于老年人来说, 由于他们拥有较为成熟、稳定的言语产生能力, 因此,音乐训练可能对他们不产生作用。

追踪研究表明, 音乐训练可以促进个体言语产生能力。无论是阅读能力较差的儿童(Long, 2014),还是具有阅读障碍的儿童(Register et al., 2007),他们在经过音乐训练之后, 言语产生能力都得到明显提高。后续研究进一步验证了以上研究结果。Cogo-Moreira, de Ávila, Ploubidis和Mari (2013)以阅读能力较差的小学生为被试, 将其随机分配到实验组和控制组。实验组被试参加5个月的音乐课程, 控制组被试不参加音乐课程。5个月之后,实验组被试的言语产生测验成绩显著高于控制组被试。针对正常被试的研究也得出相似的结论,比如, Fisher (2001)发现, 通过19个月的音乐训练,接受音乐训练儿童的言语产生测验分数高于未接受音乐训练儿童。后续研究发现, 即便经过一年的音乐表演训练, 6岁儿童的言语产生能力明显高于未接受音乐训练的儿童(Schellenberg, 2004)。

此外, 音乐训练与第二语言言语产生能力也存在联系。相关研究表明, 芬兰人的音乐能力与英语的发音技能具有相关(Milovanov, Pietilä,Tervaniemi, & Esquef, 2010); 日本人的音乐能力与英语单词和句子产生能力也存在相关(Slevc &Miyake, 2006; Tanaka & Nakamura, 2004); 以英语为母语的被试的音高知觉能力与西班牙语发音技能也存在显著相关(Posedel, Emery, Souza, &Fountain, 2012)。反过来, 与英语发音技能较低的被试相比, 英语发音技能较高的芬兰小学生具有较好的音高与音色分辨能力、节奏感和调性感(Milovanov, Huotilainen, Välimäki, Esquef, &Tervaniemi, 2008)。此外, Milovano等(2010)还发现, 音乐能力较高的芬兰大学生在英语单词发音技能方面好于音乐能力较低的大学生。然而,Swaminathan和Gopinath (2013)的研究表明, 受过与未受过音乐训练的印度儿童在英语单词产生测验上的成绩没有差异。研究结果的差异可能是由于两个研究分配被试方法的不同造成的。Milovano等(2010)是根据被试在音乐才能测验上的分数进行分组的, 因而能够确保组间在音乐能力上存在差异; 而Swaminathan和Gopinath (2013)是按照被试自我报告的音乐训练年限进行分组,难以保证组间在音乐能力上具有显著差异。

在书面语言产生方面, Schellenberg (2006)的研究发现, 音乐学习年限与拼写成绩具有显著的正相关。同时, 个体拼写能力与节奏分辨(Douglas& Willatts, 1994)、节奏再现(Overy, Nicolson,Fawcett, & Clarke, 2003)能力也存在相关。该结果得到Hille等(2011)研究的验证。在该研究中, 研究者发现, 受过乐器训练的小学生在拼写测验上的成绩比未受过乐器训练的学生更好。尽管非言语IQ与拼写错误具有显著的负相关, 但是在控制了非言语IQ的影响后, 受过乐器训练的学生在拼写测验中仍然显示出优势。追踪研究结果表明,受过8周音乐训练的特殊儿童在写作测验上的成绩明显好于未受过音乐训练的同类儿童(Standley& Hughes, 1997)。类似地, 在接受15周的音乐训练后, 阅读障碍儿童的拼写测验成绩也明显提高(Overy, 2003)。

由上可见, 音乐训练在一定程度上可以提高母语的言语产生和书面语产生能力。音乐训练之所以对语言产生能力具有积极的影响, 其原因可能在于, 音乐训练改善了个体的注意力和言语记忆力(Bidelman, Hutka, & Moreno, 2013; Chan, Ho,& Cheung, 1998; Jakobson et al., 2008; Rodrigues,Loureiro, & Caramelli, 2013; Seinfeld, Figueroa,Ortiz-Gil, & Sanchez-Vives, 2013; Strait, Kraus,Parbery-Clark, & Ashley, 2010), 进而提高了他们的语言产生能力。但是, 对于第二语言的言语产生能力来说, 是否存在音乐训练效应还需追踪研究的验证。

3 音乐训练对空间能力的影响

空间能力指的是人们产生、保持、提取和转换视觉表象的能力。它由空间定位(spatial orientation)能力和空间视觉化(spatial visualization)能力组成(McGee, 1979)。前者涉及对视觉刺激模式内部元素组合的理解能力、把握空间构型的方位关系以及确定事物空间位置的能力, 后者涉及在头脑中对图形或物体进行旋转、操作或翻转的能力(McGee, 1979)。

3.1 音乐训练与空间定位能力

根据上述空间定位能力的定义, 评估该能力的测验主要包括空间关系(Space/Spatial Relations)测验、卡片旋转(Card Rotations)测验、镶嵌/隐蔽图形(Embedded/Hidden Figures)或闭合(Closure)测验、迷宫(Maze)测验以及与方向感(Sense of Direction)相关的测验(McGee, 1979)。

Hassler, Birbaumer和Feil (1985)考察了120名9～14岁儿童的音乐能力对空间关系加工的影响。根据Wing的标准化音乐智力测验成绩以及是否具有即兴创作或演奏能力的标准, 研究者将被试分为三组：具有音乐天赋且能进行即兴创作或演奏的儿童、具有音乐天赋但不能进行即兴创作或演奏的儿童、不具有音乐天赋的儿童。具有音乐天赋的被试都接受过音乐训练。所有儿童完成了空间关系测验。次年, 研究者再次对其中103名被试的空间关系能力进行测量。尽管第一次实验结果没有发现组间差异, 但是, 在第二次实验中,研究者发现, 具有即兴创作或演奏能力的被试在空间关系测验上的分数明显高于没有音乐天赋的控制组被试; 不具有即兴创作或演奏能力的青少年在空间关系测验上的分数与控制组被试相近。该结果表明, 音乐训练并不影响个体对空间关系的加工, 但是音乐创造力(是否具有创作或即兴演奏能力)影响个体的空间关系加工能力。Hassler(1992)的研究进一步证实了“音乐创造力对空间关系加工具有积极影响”的结论。然而, 后续研究却发现, 无论是音乐专业学生(Brandler &Rammsayer, 2003; Helmbold, Rammsayer, &Altenmüller, 2005), 还是具有绝对音高感的音乐家(Costa-Giomi, Gilmour, Siddell, & Lefebvre, 2001),他们对空间关系的加工能力与非音乐家没有显著差异。以上研究结果的差异可能缘于音乐创造力的特殊性。尽管音乐表演艺术家可能也涉及音乐创造力, 但是从本质说, 音乐创造力是一种特殊的能力, 它主要与音乐创作相关, 因此, 并不是所有音乐家都具备这种能力。这可能是后续研究中音乐家与非音乐家对空间关系加工相似的原因之一。

许多研究还通过直线与圆点的关系考察空间构型方位关系的加工。在Brochard, Dufour和Després (2004)的研究中, 首先, 在计算机屏幕上呈现一条水平或垂直的直线, 呈现时间为500 ms。然后, 一个小圆点快速闪现(200 ms)在直线的一侧。被试需要判断圆点出现在直线的哪一侧。结果表明, 音乐家与非音乐家在所有任务中的准确率没有显著差异。但是, 在反应时方面, 音乐家在水平线条件下的反应时比非音乐家短, 而在垂线条件下的反应时与非音乐家接近。这可能缘于水平线条件下的任务与读谱之间的相似性。的确,五线谱上音符的高低与空间高低存在对应关系(Pratt, 1930; Rusconi, Kwan, Giordano, Umiltà, &Butterworth, 2006), 在读谱过程中, 音乐家需要快速地判断音符符头在五线谱上的位置, 由此可能潜在地影响了音乐家对水平线条件下点线关系的加工。Patston, Hogg和Tippett (2007)进一步探究音乐训练与点线方位的关系。他们发现, 当圆点出现于垂线左侧时, 音乐家与非音乐家的准确率都比较高; 当圆点出现于垂线右侧时, 二者的准确率都降低, 但是, 音乐家的准确率高于非音乐家。在反应时方面, 当圆点距离垂线较远时, 音乐家的反应时短于非音乐家; 反之, 二者的差异不显著。研究者认为, 音乐家可能具有更强的视觉空间注意力。这种注意力有助于钢琴演奏时双手的配合。即便在纯粹由直线构成的空间方位关系上, 音乐训练的效应仍然存在。音乐家在空间构型方位关系方面的优势可能缘于他们大脑布洛卡区的灰质体积大于非音乐家的缘故(Sluming et al., 2002)。

在卡片旋转测验方面, Barrett和Barker (1973)发现, 随着音乐能力水平的提高, 儿童的卡片旋转加工能力并没有明显提高。类似地, Burton,Morton和Abbess (1989)的研究也表明, 非音乐家、音乐专业学生、专业音乐家在镶嵌图形测验上的成绩没有显著差异。但是, 后续研究得出相反的结果：受过音乐训练的学生或音乐家在镶嵌图形或闭合测验上的成绩比未受过音乐训练的控制组被试(Stoesz et al., 2007; Helmbold et al., 2005)更好。研究结果的差异可能是由于以上研究中受过音乐训练的被试在音高能力上的差异造成的。比如, Stoesz等(2007)研究中受过音乐训练的学生具备绝对音高感, 而Burton等(1989)研究没有考察音乐家是否具有绝对音高感。事实上, 具有绝对音高感的音乐家在隐蔽图形测验上的成绩比具有相对音高感的音乐家和非音乐家更好, 但是,具有相对音高感的音乐家和非音乐家对隐蔽图形的加工却不存在差异(Costa-Giomi et al., 2001)。

方向感不仅包含视觉空间的定位, 也包含听觉空间的方位定向。在听觉空间方位定向方面,Escalda等(2011)发现, 受过与未受过音乐训练的5岁儿童在声音定位测验中的分数没有显著差异。该结果暗示, 声音的方位定向能力与音乐经验无关。这可能是由于声音方位定向能力在婴儿期就已发展至成人水平(Bower, 1982), 因此听觉经验的增加并不能使这种能力产生太大的变化。

综上所述, 在空间定位方面, 尽管音乐训练与空间构型方位关系的加工存在相关, 但是与空间关系和方向定位的加工无关。此外, 由于以上研究主要从横断视角探究音乐训练与空间定位能力的关系, 无法厘清二者的因果关系, 因此需要追踪研究进一步揭示二者的关系。

3.2 音乐训练与空间视觉化能力

在空间视觉化研究中, 研究者通常使用物体拼凑(Object Assembly)测验、积木图案(Block Design)测验与心理旋转(Mental Rotation)测验评估个体的空间视觉化能力(McGee, 1979)。

在物体拼凑测验方面, 相关研究表明, 儿童的物体拼凑测验成绩与音乐能力(Norton et al., 2005)、音乐训练年限都不存在显著相关(Schellenberg,2006)。与未受过音乐训练的儿童相比, 受过音乐训练的儿童在物体拼凑测验成绩上没有优势(Forgeard et al., 2008; Hurwitz, Wolff, Bortnick, &Kokas, 1975); 即便是具有绝对音高感的音乐家,他们在物体拼凑测验上的成绩也接近于非音乐家(Costa-Giomi et al., 2001)。但是, 追踪研究则表明,音乐训练可以提高物体拼凑测验的分数。Rauscher等(1997)发现, 经过两年的钢琴演奏训练, 3～5岁儿童在物体拼凑测验上的得分高于未受过钢琴演奏训练的儿童。后续研究(Rauscher &Zupan, 2000; Schellenberg, 2004)也表明, 音乐训练对儿童物体拼凑测验成绩具有积极的影响。

在积木图案测验方面, 相关研究显示, 音乐能力与积木图案测验分数不存在相关(Norton et al., 2005)。同时, 受过演奏训练的儿童在积木图案测验上的成绩没有明显不同于未受过演奏训练的儿童(Forgeard et al., 2008)。但是, Schellenberg(2011)和Stoesz等(2007)发现, 受过音乐训练的学生在积木图案测验上的得分高于未受过音乐训练的学生。研究结果的不一致可能缘于被试的家庭因素。在Schellenberg (2011)和Stoesz等(2007)研究中, 音乐训练组被试的父母教育水平和社会经济地位明显高于控制组, 然而, 在Forgeard等(2008)研究中, 音乐训练组与控制组被试的父母教育水平和社会经济地位没有显著差异, 因此, 音乐训练组被试在积木图案测验上的优势可能缘于家庭教育的结果。

追踪研究结果表明, 音乐训练可以提高个体的积木图案测验成绩。Schellenberg (2004)发现,在经过一年的音乐表演训练后, 6岁儿童在积木图案测验上的成绩明显高于未受过音乐表演训练的儿童。Tai (2010)也发现, 即便仅仅接受4周(每周45分钟)的音乐表演训练, 4～7岁儿童的积木图案测验分数也显著提高。但是, Moreno等(2011)研究发现, 通过20天(每天45分钟)的音乐训练, 4～6岁儿童的积木图案测验分数并没有明显提高。这种差异可能缘于音乐训练的差异。在Schellenberg(2004)和Tai (2010)研究中, 音乐训练由专业音乐教师执行, 且音乐训练旨在提高儿童演奏或演唱技能。然而, Moreno等(2011)研究的音乐训练是由计算机程序提供的, 其主要目的是提高音乐聆听的技能, 因此, 训练性质的差异可能产生不一致的结果。

在心理旋转测验方面, Sluming, Brooks, Howard,Downes和Roberts (2007)发现, 交响乐团演奏家对三维图形心理旋转的加工能力高于非音乐家,同时, 随着图形旋转角度的增加, 音乐家的反应时没有明显变化, 而非音乐家的反应时逐渐增加;fMRI的结果与之一致：在心理旋转加工中, 音乐家布洛卡区、右角回和左侧前扣带回的激活程度高于非音乐家。Pietsch和Jansen (2012)也发现, 音乐专业学生在心理旋转加工任务中具有优势。这种优势可能缘于音乐家在加工心理旋转任务时,额叶皮层与右顶叶皮层之间的同步化程度更高(Bhattacharya, Petsche, Feldmann, & Rescher, 2001)。另一个原因可能在于, 音乐家具有较好的乐谱视奏能力, 而乐谱视奏与空间加工涉及共同的大脑区域, 比如包括布洛卡区的左额下回(Ng et al., 2000;Sergent, Zuck, Terriah, & MacDonald, 1992; Sluming et al., 2002; Sluming et al., 2007)。

综上所述, 音乐训练可以提高个体在物体拼凑与积木图案测验的成绩。尽管心理旋转加工与音乐训练存在相关, 但是, 未来的追踪研究才能进一步确定二者是否存在因果关系。

4 音乐训练对数学能力的影响

音乐和数学的关系由来已久。早在古希腊时期, 毕达哥拉斯就提出音程的和谐性与琴弦比率存在关系。音乐的音高组合与节拍节奏无不体现出数理逻辑关系(Vaughn, 2000)。比如, 一个全音符等于2个二分音符; 等于4个四分音符; 16个八分音符; 等等。但是, 对于个体来说, 音乐训练是否可以提高数学能力？音乐训练与个体数学能力之间的关系是否受到其他因素的影响？这些问题至今尚未明了。

音乐训练对学生数学成绩具有积极的影响作用。相关研究表明, 音乐能力与数学能力存在相关(Anvari et al., 2002; Gouzouasis, Guhn, & Kishor,2007; Hobbs, 1985)。通过对比接受和未接受音乐训练学生的数学加工能力, 已有研究表明, 接受音乐训练的学生不仅对数概念的理解能力更强(Geoghegan & Mitchelmore, 1996), 而且在数学成就测试上的分数也更高(如, Cabanac, Perlovsky,Bonniot-Cabanac, & Cabanac, 2013; Cheek & Smith,1999; Gouzouasis et al., 2007)。这些差异也得到脑成像研究结果的支持。当被试进行分数的加减心算时, 音乐家左侧梭状回与前额叶皮层(BA 46)的激活程度高于非音乐家, 而视觉联合区与左侧顶下小叶的激活程度明显低于非音乐家(Schmithorst& Holland, 2004)。

追踪研究验证了音乐训练促进数学能力的结果。在Zafranas (2004)研究中, 研究者发现, 61名儿童在接受7个月的钢琴演奏训练之后, 其算术测验分数显著提高。通过对6岁儿童进行一年的键盘或声乐训练, Schellenberg (2004)也发现, 受过键盘或声乐训练的儿童在数学测验上的成绩高于未受过音乐训练的儿童。Yang, Ma, Gong, Hu和Yao (2014)对被试进行了追踪研究, 研究结果表明, 通过11个学期的音乐训练, 受过音乐训练学生的数学成绩高于未受过音乐训练的学生。

然而, 另一些研究并不支持“音乐训练对数学加工能力具有促进作用”的结果。比如, 受过音乐演奏训练的8～11岁儿童在数学概念、运算和数学应用上的成绩与未受过演奏训练的儿童不存在差异(Forgeard et al., 2008); 是否获得音乐奖项并不影响高中生的数学成绩(Cox & Stephens, 2006);音乐家与非音乐家在数字运算能力上不存在差异(Brandler & Rammsayer, 2003)。反过来说, 数学博士的音乐能力也不比文学或语言博士高(Haimson,Swain, & Winner, 2011)。在追踪研究中, Mehr,Schachner, Katz和Spelke (2013)发现, 接受6周音乐训练的儿童在计数能力方面没有高于未接受音乐训练的儿童。类似地, Rickard, Bambrick和Gill(2012)对实验组被试进行一个学期的音乐训练,研究结果表明, 接受音乐训练的被试在数学能力方面与未接受音乐训练的被试没有差异。

可见, 尽管许多研究关注音乐训练与数学能力关系的问题, 但是, 迄今为止, 该问题尚未得出一致的结论。这可能缘于二者关系的复杂性。的确, 研究已经表明, 许多因素影响音乐训练对数学加工能力的效应。第一, 音乐训练年限与个体的数学能力有关。研究表明, 音乐训练年限与数学成绩具有显著的正相关(Schellenberg, 2006;Vaughn, 2000)。Vaughn (2000)对已有相关研究进行了元分析, 探究音乐学习年限与数学成绩的关系。结果表明, 音乐学习时间与数学成绩具有显著的相关。Schellenberg (2006)使用Kaufman教育成就测验中的数学分测验计算了音乐学习时间与数学成绩的相关系数。研究者发现, 二者具有显著的相关。即使在排除了IQ的影响后, 二者的相关仍然显著。第二, 音乐训练的强度与个体的数学能力也存在联系。Yang等(2014)的相关分析表明, 儿童每周音乐练习的时间与数学成绩具有显著的正相关。Spelke (2008)的研究表明, 与未受过音乐训练的儿童和青少年相比, 受过中等强度音乐训练的儿童和青少年并没有表现出较好的表征几何图形性质与关系的能力。然而, 与受过较少音乐训练或高强度非音乐艺术(比如舞蹈、戏剧和视觉艺术)训练的被试相比, 那些受过高强度音乐训练的被试具有较高的几何图形分辨能力。研究者认为, 前者组间差异不显著可能是由于样本容量太小造成的。本文认为, 只有音乐训练时间达到一定年限, 它才可能对认知能力产生影响。因为已有研究发现, 那些课外音乐学习时间超过2年的学生在数学测试上的成绩高于没有学习音乐的学生(Cheek & Smith, 1999)。第三, 数学刺激类型也影响到音乐训练与数学能力的关系。Bahr与Christiansen (2000)的研究发现, 在音乐和数学深层结构相似的项目任务中(比如模式识别和符号用法), 受过音乐训练学生的加工比未受过音乐训练的学生更好。然而, 在结构不相似的项目任务中, 两组学生的加工没有显著不同。这说明音乐训练效应取决于任务的相似性。因此, 在探究音乐训练与数学能力关系时, 应考虑数学刺激类型这个潜在的影响因素。

5 研究展望

已有研究在探索音乐训练与认知能力的关系方面取得了一定的进展, 为我们理解音乐训练对认知能力的效应提供了基础。然而, 如前所述, 许多研究都属于相关研究, 这些研究只能说明音乐训练与认知能力存在联系, 无法阐明二者的因果关系。未来研究应加强该领域的追踪研究。只有这样, 才可能厘清音乐训练与认知能力的关系,为音乐教育提供借鉴。

其次, 未来研究应当进一步区分音乐训练类型对认知能力的影响。例如, 研究发现, 合唱与言语产生或拼写成绩没有相关, 而乐器演奏与言语产生或拼写成绩相关(Hille et al., 2011)。该结果暗示, 并不是所有的音乐训练类型都与语言能力有关。因此, 未来的研究应该进一步澄清究竟是哪一种音乐训练类型影响语言、数学或空间能力。

最后, 已有研究主要是根据被试自我报告的接受正规音乐训练的年限将被试分为音乐家或非音乐家, 但是这种方法不能有效区分音乐能力的高低(Law & Zentner, 2012)。换句话说, 未受过正规音乐训练的人或受过正规音乐训练年限较少的人也可能具有较高的音乐能力, 而受过正规音乐训练时间较长的人也可能音乐能力一般。因此,对于音乐家和非音乐家的区分应该以可靠而有效的音乐能力测验为依据。

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