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1、二语学习者句法加工的神经认知二语学习者句法加工的神经认知机制研究：实验证据与设计机制研究：实验证据与设计张 辉南京师范大学 1.引言引言众所周知，针对二语习得的实验研究绝大部分采用行为实验的方法。这一现象在近十多年来有所改观。Hulstijn(2002)指出，二语语言知识的表征，加工和习得的统一的解释取决于实证研究的证据。这一证据的获得可以有几种形式，她强调需要进一步研究的是二语加工的过程神经语言学研究。她指出二语习得中一些饱受争论的理论问题可以通过认知神经科学的方法来加以解决和澄清（Hulstijn 2002:213）。近十多年来的认知神经科学的研究主要涉及二语的语义、句法、语音和双语转换等
2、方面(魏大为、武和平 2012)，但主要集中在与二语语法有关的加工过程上。本讲座综述运用事件相关电位（Event-related potentials or ERP）研究二语学习者句法加工的问题，主要讨论以下几个问题:1.二语学习者能否像母语者一样加工二语？如果有区别，二语学习者与母语加工的区别是什么？2.二语学习者加工认知神经机制差异是否与习得二语的初始年龄有关。3.二语学习者的认知神经机制的差异是否与二语的习得水平相关？4.二语习得的时间进程是什么？5.有哪些因素会影响二语的形态句法的加工过程？2 事件相关电位与二语习得研究事件相关电位与二语习得研究事件相关电位（下文简称为ERP）是认知神
3、经科学研究的方法之一，反映了认知过程的实时的电生理学指标，其时间分辨率具有毫秒级水平（1秒钟等于1000毫秒）。ERP technique ERP可以记录心理加工过程展开时脑电的活动，因此我们可以用ERP来探测语言理解过程中所包含的感知和认知过程。ERP成分由极性（polarity）、潜伏期（latency）、振幅（amplitude）和头皮的电极分布（topographic distribution）所界定。一个ERP成分具有正极（用P表示）或负极（用N表示）。潜伏期反映了信号的时间进程，包括启始潜伏期（onset latency）和峰位潜伏期（peak latency）(当成分到达峰值的振
4、幅)。成分通常用极性和潜伏期命名，如N400、P600等。在二语习得的ERP研究中，学者们通常采用母语研究中“违反范式违反范式”（violation paradigm）,即把某一具体的目标词明显的语法违反与语法正确的控制句子做比较（Steinhauer,et al.2009:18)。二语的ERP研究可分为三种实验设计的类型：（1）组群研究：组群研究：对比二语二语学习者与母语者或对比不同的二语二语学习者；（2）纵向研究（纵向研究（longitudinal studies）：考察二语学习者在掌握目标语时不同学习阶段的脑区变化；（3）使用人工微型语言（使用人工微型语言（artificial mini
5、ature languages）范式，）范式，考察学习者在短时间内达到较高水平的习得过程，这一研究不仅可以在短时间内研究不同水平的学习者的变化，而且还可以考虑二语学习者的初始状态，这在自然的二语学习者身上是很难做到的。这一范式的优点容易控制一些混淆因素的干扰(Steinhauer,et al.2009)。在成年人的母语句法加工中，认知神经科学家发现了三个ERP的成分：(1).早期左前额负波早期左前额负波（ELAN：early left anterior negativity）(2).左前额负波左前额负波（LAN：left anterior negativity）(3).P600。ELAN早期左
6、前额负波是出现在150至250毫秒时间窗口内的左半球的前额负波，反映的是自动的句法结构建构（Hahne&Friederici 1999）。LAN 左前额负波也是一个左半球的前额负波，出现在300至500毫秒的时间窗口内，标示了句法加工，特别是与形态句法相关加工（Friederici 2002）。P600 P600是出现在500至600毫秒正走向的脑电波，具有广泛的脑后部头皮分布，在中心顶叶脑区最为明显。P600对形态句法加工颇为敏感，并出现在句法加工或复杂句法结构的加工中（Steinhauer&Connolly 2008）。这些ERP成分体现了语言加工中不同的功能性阶段（Friederici
7、2002）。早期左前额负波早期左前额负波标示了初始的自动的结构构建的过程，如词类或范畴的识别；左前额负波左前额负波标示了形态句法信息的整合，以获得题元角色的分配；P600标示了费力的句法整合重新分析和修复等晚期受控的过程，反映了非自动的受控的认知加工过程（Kaan,et al.2000）这些ERP成分的极性、潜伏期、峰值振幅和头皮分布都是基于成年母语者的研究。二语或外语加工ERP研究表明，这些成分的典型特征要么稍微不同，要么就是这些成分中某一个成分没有出现。在加工中没有出现相应的成分说明被试在加工过程中缺少与之相应的认知过程。运用ERP研究二语习得具有一定的优势。(1).由于ERP具有很高的时
8、间分辨率，ERP可以提供语言加工在时间上展开时神经激活的时间和程度等重要信息。Steinhauer等人指出ERP在二语学习和加工研究中非常有用，因为ERP不需要被试做出明确的反应，使我们可以观察到隐含的学习过程。ERP可以使我们观察到二语学习者和母语者之间的质和量的差异。出现或不出现某些ERP成分说明二语学习者与母语者之间的质的差异，而量的差异由某一ERP成分的效应来测量。二语学习者句法加工二语学习者句法加工ERP研究研究首先对二语学习的句法加工进行ERP研究的是:Weber-Fox,F.M.&H.J.Neville.Maturational constraints on functional
9、 specializations for language processing:ERP and behavioral evidence in bilingual speakers.Journal of Cognitive Neuroscience,1996.8(1):231-256.该论文考察了在不同年龄阶段接触二语的汉英双语者。这一研究的目的是探讨在二语学习者中句法和语义的关键期效应。二语二语学习者在不同的年龄阶段接触到英语：1-3岁、4-6岁、7-10岁和11-13岁。刺激语料是包含语义违反和句法违反的句子（例如 The scientists criticized Maxs of pro
10、of the theorem)。所有的二语二语学习者对语义违反的ERP效应与母语者的类似，只是在11岁以后接触到英语的学习者（晚接触到英语的学习者），其N400的潜伏期稍微有些延迟。与语义违反形成对比的是，所有的二语二语学习者对句法违反的ERP反应与母语者的均有一定的差异。就母语者而言，短语结构违反引起了早期左前额负波，其后在300-500毫秒时间窗口内引起左前额负波，在500至700毫秒会出现P600。这一研究发现，所有二语二语学习者都没有引起早期左前额负波，在300至500毫秒时间窗口内二语学习者引起了一个负波，其头皮分布与母语者的则有不同。对于11岁以后接触到二语的学习者，其头皮分布是两
11、半球分布的，而不是左半球分布的左前额负波。P600也随着学习的初始年龄的增长而变化。早接触到英语的学习者（1-3岁、4-6岁、7-10岁的组群）的P600与母语者的相似，而在11岁和13岁以后接触到英语的学习者在P600上则表现出延迟的潜伏期，大约出现在700毫秒左右，而最晚接触到英语的学习者（16岁以后）则没有引起P600。这一研究具有一定的开创性，随后的研究大多是针对其实验设计的缺陷而设计的。这一研究的设计缺陷是，初始接触外语的年龄和外语学习者的水平没有区分开来，交叉在一起，研究者没有控制二语水平这一因素，因此实验结果由可以是由于不同的外语水平而导致的，而不是由于不同的初始接触外语的年龄而
12、导致的。目前，对二语短语结构违反的ERP研究中存在着一些相互矛盾的混乱的实验结果，主要集中在早期左前额负波、左前额负波和P600在二语加工中是否存在的问题上。Hahne&Friederici(2001)考察了较晚接触到德语的日本学习者对包含语义违反和句法违反的被动语态句子的加工。这一研究控制了外语学习者的水平，所有的学习者都是中等水平的德语学习者。这些学习者对语义违反的ERP与母语者的相似，而对于句法违反的句子，二语二语学习者与母语者的差异形成了鲜明的对比。对包含句法违反和句法正确的句子，二语二语学习者没有表现出任何差异，而母语者则表现出早期左前额负波和P600的差异。这一研究说明，语义整合的
13、过程对于母语者和二语二语学习者来说是相当类似的。二语二语学习者的句法加工与母语者的存在较大的差异，这表现在二语二语学习者中没有出现与句法相关的ERP成分。她们把二语学习者没有出现与句法相关的ERP成分归因于日语的短语结构没有介词。Hahne(2001)随后考察了俄国的德语学习者，因为德语和俄语在短语结构中都包含介词。刺激语料包括句法正确和不正确的句子，不正确的句子是在分词后面紧跟一个介词，违反了短语结构规则。在母语者中，短语结构违反在100毫秒至250毫秒之间引起了早期左前额负波和P600，与之形成对比的是，二语二语学习者没有引起早期左前额负波，却引起了P600，但P600的波峰比母语者延迟了
14、150毫秒。以上两个实验的被试水平存在较大的差异，前者的学习德语的日本人水平较低，而后者的学习德语的俄国人水平较高。到目前为止我们还不清楚没有出现早期左前额负波是由于语言的问题（日语短语结构没有介词）还是由于被试的语言水平的差异造成的（van Hell&Tokowicz 2010:57)。Isel(2007)注意到，在Hahne等人研究的刺激语料中，句法违反都是句法上非强制性的成分（non-obligatory constituents)。她在自己的实验中使用强制的成分（如The driver who is in the car is sleeping.介词短语“in the car”是必须出
15、现的强制性成分）。Isel认为，在二语加工中，自动的短语结构建构过程可能出现在强制性成分的加工之中。实验的被试是德语为母语的高水平晚接触法语的学习者。刺激语料是听觉呈现句法正确和句法不正确的句子。二语二语学习者的ERP出现了150毫秒至300毫秒的早期负波和随后的在300毫秒至600毫秒之间的前额负波以及在750毫秒至1500毫秒之间的两个半球分布的晚期前额负波，但没有出现P600。法语母语者控制组引起了早期左前额负波，随后的300毫秒至600毫秒时间窗口内的左前额负波以及600毫秒至1000毫秒时间窗口内的P600。这一研这一研究表明二语加工中自动结构建构过程究表明二语加工中自动结构建构过程
16、取决于句中成分的句法强制性和非强取决于句中成分的句法强制性和非强制性的问题。制性的问题。Rossi，et al.（2006）的研究对这一观点提出了挑战，他们在包含句法违反的非强制性成分中也观察到表示句法自动加工的早期左前额负波。目前，在二语学习者加工中，早期左前额负波、左前额负波或P600的出现与否的原因还是一个非常有争议的问题，需要进一步的研究才能确定它们出现的原因。Kotz,et al.(2008)认为，在二语句法加工的研究中，绝大部分的研究集中在句法违反现象，却很少关注句法歧义（syntactic ambiguity)问题。在ERP的句法加工研究中，句法违反和句法岐义均与P600成分相关
17、。他们的研究考察了早期接触外语的高水平西班牙英语学习者（五岁开始学习英语）对英语句法的加工。暂时句法歧义（由动词次范畴化信息引起的）作为二语独有的语言现象，而由短语结构限制所导致的句法违反是母语和二语相似的语言现象。被试的实验任务是判断句子在句法上是否可以接受的。母语者在暂时句法歧义的句子中引起了P600，二语二语学习者也有相同的表现。这一结果表明二语句法知识的早期习得（5岁左右）可使二语和母语的句法加工表现出类似的敏感性，即早期接受外语的二语学习者可以以类似于母语的加工方式来加工二语的句法知识。Chen,et al.(2007)运用ERP考察了学习英语的中国学生对英语主谓一致的加工。他们的研
18、究与以往的研究有所不同。以往的研究如Weber-Fox&Neville(1996),Tokowicz&MacWhinney(2005)等人的研究都是西方语言之间的习得（西班牙语、荷兰语与英语之间的习得等）。Chen,L.,H.Shu,Y.Liu,J.Zhao&P.Li.ERP signature of subject-verb agreement in L2 learning.Bilingualism:Language and Cognition,2007.10(2):161-174.与西方语言形成鲜明对比的是，汉语不使用任何语法形态来标示性、数或格，这一缺乏语法形态的现象对语言加工会产生重要
19、的影响（Li，et al.2006)。由于汉语中缺少主谓一致的形态标志，对主谓一致的习得对中国学生而言是一个较大的困难。对于母语者来说，他们对主谓一致的加工引起了左前额负波-P600双阶段句法加工的模式（biphasic LAN-P600 pattern),这与Weber-Fox&Neville(1996)和Hahne&Friederici(1999)的结果是一致的。对于中国学生而言，这一左前额负波和P600双阶段句法加工模式却没有出现。他们在500毫秒和700毫秒的时间窗口中出现了ERP的负波。我们目前还不是很清楚这一负波的功能意义，需要进一步的实验才能得到求证。McLaughlin，et
20、al.(2010)提出了语法实施（grammaticalization）的概念。语法实施是学习者把以规则为基础的知识（rule-based knowledge)具体运用到实时的语言加工系统之中去的过程。McLaughlin,J.,D.Tanner,I.Pitkanon,C.Fenck-Metre,K.Inoue,&G.Valentine.Brain potentials reveal discrete stages of L2 grammatical learning.Language Learning,2010,60(suppl.2):123-150.根据McLaughlin等人的研究，P6
21、00和N400表现得异常突显。历时研究（longitudinal studies)表明，在N400/P600的连续体上，学习者的脑反应存在系统的变化。随着学习者外语水平的提高，学习者的ERP会从N400到P600转换，在熟练的高水平双语者身上P600会最终代替N400。Tanner,et al.(2012)探讨了母语为英语的德语学习者对德语主谓一致的加工，重点考察二语语法习得不同阶段中学习者的个体差异。他们指出，传统的ERP研究采取总平均的波形探讨二语语法加工，这一方法掩盖了学习者的个体差异。因此他们首先采用总平均的方法分析学习者的ERP效应，然后用基于回归的模型分析了学习者ERP中的个体差异
22、。该研究最明显的发现是，学习者对主谓一致的ERP存在着系统的个体差异。有些主谓一致违反引起了N400效应，而有些则引起了P600效应。N400和P600效应在学习者中呈负相关。Tanner等人根据自己的研究和他人的研究 指出个体学习者经历了不同的学习阶段，而且其进步的速度存在差异。低水平的学习者与母语者相比更倾向于依靠浅层词汇或概率加工的提示，而高水平的学习者主要依靠简单的语法关系。向以P600为主的句法加工方式转换反映了二语语法逐渐向基于规则的加工方式发展，逐渐接近母语者的加工方式。N400和P600效应量值之间呈负相关说明，两者背后表示不同的加工方式，浅层的词汇加工方式与深层的基于规则的加
23、工方式之间存在着相互竞争的关系。Mueller(2006)论述了在微小语言模型（Miniature Language Model)中二语的加工问题。微小语言模式是基于自然语言的简化的人造语言。Mueller的微小模型是基于日语的人造语言叫微型日语（Mini-Nihongo)。他们让德语为母语的学习者学习这一人造语言，并把外语学习者的ERP与母语为日语的加以比较（他们选择日语作为微型语言模式的目标语言，是由于日语与印欧语言在类型学上的差异）。在Mueller et al.(2005)研究中，他们运用微型日语编写了四种类型的刺激语料：词范畴违反、格违反、量词违反和句法正确句子。三种句法违反条件在日
24、语母语者中引起了三种不同的ERP效应。词范畴违反引起了集中于前额的头皮分布广泛的负波（100至300毫秒）和P600。这说明日语母语者在短语结构的加工中运用了相对自动的句法加工机制和句法修复的控制过程。他们把这一负波广泛的头皮分布解释为这一负波前额分布的“句法”脑区和中心颞叶“韵律的”的脑区重叠。Morgan-Short,et al.(2010)使用人工语言学习范式（artificial language learning paradigm)和ERP技术考察了在显性学习和隐性学习方式下高低不同水平的二语学习者对语言的性一致（gender agreement）的习得情况。使用人工语言学习范式的优
25、点是，（1）学习者的学习起点基本上没有差异；（2）学习者可以在有限的时间内达到较高的外语水平，可以观察学习者横向的学习外语的过程。在低水平学习者中，形容词和定冠词性一致违反引起N400，但那只是对隐性训练的学习组而言。另外，在较晚的时间窗口（600毫秒至900毫秒）内，显性训练的学习组和隐性训练学习组之中，形容词性一致的违反产生了明显的N400。在高水平的学习组，名词与形容词性一致的违反在两个学习组中都引起了N400。而名词与冠词一致的违反却引起了P600。这一结果与母语加工中的性一致违反形成了鲜明的对比。在母语加工的研究中，定冠词与名词违反引起P600，其前面常常有左前额负波的出现。在句子语
26、境下，没有任何考察冠词-名词或形名违反的研究报道过N400。作者认为这一实验的结果表明，在低水平的学习者中，不管是否是显性学习组或隐性训练组，冠词和形容词的性一致违反的加工都没有依赖母语中性一致违反加工中使用的神经认知过程（没有P600的出现）。然而，在低水平学习组中，隐性训练的学习者依赖由N400所表示的词汇语义过程，很可能使用了程序性记忆。显性训练的学习者在低水平上也依赖词汇语义过程。对于两种训练组来讲，冠词名词一致的加工依赖于由P600表示的母语加工机制，而名词-形容词一致的加工则依赖由N400表示的词汇语义过程。这说明，在语言结构，语言水平和训练类型之间存在着相互作用的关系。Morga
27、n-Short，et al.(2012)使用了同样的人工语言范式纵向地考察了显性训练和隐性训练是否能改变句法加工的神经机制。他们的结果表明，不管是显性训练或隐性训练，其表现在低水平或高水平组都没有差别，与之形成对比的是，ERP的结果表明，在不同语言水平上学习者的神经活动之间存在着明显的差异。在低水平组，隐性训练引起了N400，而在高水平组，隐性训练引起了典型的母语者的ERP模式，即引起了前额负波以及其后的P600。这一研究结果表明，只有隐性训练才能导致了典型的母语ERP模式，成年人的外语学习者能够最终依靠类似于母语语言加工的脑机制，但外语学习的环境（如显性训练或隐性训练）在达到这一目标中会起到
28、至关重要的作用。总结与展望总结与展望二语学习者可以像母语者一样加工二语，但这主要取决于二语学习者初始接触二语的年龄和二语学习者的水平等因素。越早接触二语的和越高水平的学习者加工二语时越接近于母语者的加工方式。但习得二语的启始年龄并非是非常关键的因素。从上面的文献综述看，即使是晚接触外语的学习者，只要其外语水平能达到了较高的水平，他的二语加工的神经机制还是能达到或接近母语者的神经机制。二语学习者的时间进程与母语者的比较相似，这首先取决于二语学习者的水平。如前所述，高水平的二语学习者接近母语者，引起了早期左前额负波、左前额负波句法自动加工的ERP成分和受控的P600，而低水平学习者一般不会引起早期
29、左前额负波和左前额负波，反而会引起语义加工的N400，这说明低水平的学习者运用了不同的神经机制。许多因素会影响二语语法的加工，如二语水平、初始接触外语的年龄、母语和二语在结构上的类似度、学习的不同输入方式如显性学习和隐性学习以及不同的句法结构等。将来的研究方向将来的研究方向:(1).这一研究领域目前缺乏对二语习得系统的和各种方面的研究，包括对关键期假设（critical period hypothesis）、竞争模式(competition model)，陈述性/程续性模式（Declarative/Procedural Model）和浅结构假设（The Shallow Structure Hypothesis）等提出的观点的验证和反驳。(2).对二语习得中一些ERP成分缺失的原因还不清楚，需要更加细致的实验设计来探讨这一问题，例左前额负波缺失的原因到底是什么因素影响的。(3).二语的句法加工的研究只涉及有限的几种句法现象，涉及面比较窄，今后的研究将会对二语的句法加工有一个全面的考察。(4).中国的外语学习者的神经机制研究还处于起步阶段，尤其是中国外语学习者的每个学习阶段的脑机制的考察有待于进一步探讨。(5).上面的研究绝大部分涉及成人二语学习者的，很少涉及儿童的二语习得问题。关于中国儿童的外语习得的神经机制研究是一块未开拓的处女地。谢谢大家，请提问！谢谢大家，请提问！