高等教育中数学能力的生理相关性研究：皮质醇、皮肤电导与心率变异性的交互作用

为解决数学焦虑与学业表现的复杂关系，研究人员通过测量唾液皮质醇、皮肤电导水平（SCL）和心率变异性（HF-HRV），探究了130名大学生数学能力与生理唤醒指标的关联。研究发现，数学能力提升与皮质醇水平整体上升相关，且在低神经质学生中，皮肤电导变化方向因专业领域而异。研究强调了神经质和专业背景对生理反应与数学能力关系的调节作用，为理解数学学习中的个体差异提供了新视角。

　　

数学在现代社会中扮演着关键角色，但数学学习障碍和全球数学能力下降的趋势引发了广泛关注。数学焦虑（math anxiety）作为一种负面情绪，不仅影响学生的学业表现，还可能阻碍其职业选择，尤其是在STEM（科学、技术、工程、数学）领域。尽管已有大量研究探讨数学焦虑与认知表现的关系，但生理机制的研究仍存在争议和空白。例如，生理唤醒指标如皮质醇、皮肤电导水平（SCL）和心率变异性（HRV）与数学能力的关系尚未明确，且个体差异如神经质（neuroticism）和专业背景可能调节这一关系。

为回答这些问题，意大利的里雅斯特国际高级研究学院（SISSA）的研究人员开展了一项研究，通过测量130名大学生的生理指标和数学能力，结合变量中心化和个人中心化分析方法，揭示了生理反应与数学能力的复杂关联。研究结果发表在《Trends in Ecology》上，为理解数学学习中的生理和心理机制提供了新证据。

研究采用了多种技术方法：首先，通过标准化数学测试（TECO-T）评估数学能力；其次，使用唾液样本分析皮质醇浓度变化，反映下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA轴）活动；同时，通过生物电记录系统（BIOPAC MP150）采集皮肤电导水平（SCL）和心电图（ECG）数据，分别评估交感神经活动和副交感神经活动（以HF-HRV为指标）；此外，通过问卷调查（如AMAS和BFI）评估数学焦虑和神经质水平。

研究结果分为两部分：

1. 变量中心化分析：

   • 皮质醇变化：数学能力与皮质醇水平上升显著正相关，且不受数学焦虑或神经质调节。
   • 皮肤电导变化：在低神经质学生中，SCL变化与数学能力的关系因专业领域而异（人文专业呈正相关趋势，STEM专业呈负相关趋势）。
   • 心率变异性：HF-HRV变化与数学能力无显著关联。

2. 个人中心化分析：

   • 识别出4种生理-特质组合的群体，其中“高数学焦虑与神经质”群体数学能力最低，尤其在人文专业学生中表现更差。
   • 女性更可能属于高数学焦虑和神经质群体，而男性更可能表现为SCL或HRV升高的群体。

研究结论表明，生理反应与数学能力的关系具有系统特异性：HPA轴激活（皮质醇升高）可能支持任务投入，而交感神经活动（SCL）的作用则受神经质和专业背景调节。此外，高数学焦虑和神经质的学生表现较差，但这一效应在STEM学生中较弱，提示专业背景可能缓冲负面情绪的影响。

这一研究的意义在于：

1. 为数学焦虑的异质性提供了生理学证据，强调其认知与情感成分的分离；
2. 揭示了神经质和专业背景在调节生理反应与数学能力关系中的关键作用；
3. 为针对性干预（如针对不同专业学生的心理支持）提供了理论依据。未来研究可结合任务难度操纵和生态化场景，进一步验证这些发现。