為了在學校取得成功，孩子們必須掌握“3R”——閱讀、寫作和算術——但並非所有學生都能輕易掌握這些基本技能。在說英語的兒童中，估計有 2% 到 15% 的人有閱讀或拼寫困難，這些問題通常被歸類為閱讀障礙。 1% 到 7% 的人難以進行數學運算，這種障礙被稱為計算障礙。統計資料各不相同；例如，在說英語的人中，閱讀障礙似乎比在說高度語音語言（如德語或義大利語）的人中更常見。儘管如此，可以公平地說，在美國大多數小學班級中，至少有一名兒童患有閱讀障礙或計算障礙。
這些學習障礙難以解釋。它們都不是視力或聽力缺陷的結果，視力或聽力缺陷也會延遲語言習得，但很容易透過眼鏡或助聽器矯正。相反，患有閱讀障礙和計算障礙的兒童具有正常運作的感官器官，明顯的正常感覺和運動發育，有時甚至具有高於平均水平的智力。
經過 15 年多的研究，研究人員現在認為，這些疾病通常涉及所謂的區域性功能缺陷，通常是感官方面的缺陷：在受影響的兒童中，眼睛和耳朵可以準確地記錄視覺和聲音、字母、數字、口語音節——但這些資訊在大腦處理時被誤解了。奇怪的是，女孩似乎患區域性功能缺陷的情況較少，並且總體上似乎較少受到感官知覺障礙的影響，儘管我們尚不知道為什麼會這樣。
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在德國弗萊堡大學的眼動實驗室（我是該實驗室的創始人和主任），我們對兒童進行感官處理錯誤測試，仔細研究大腦在發展出協調複雜活動（如理解言語、閱讀或計算）之前需要培養哪些專業知識。我們設計了有針對性的練習來磨練這些潛在的心理技能。我們的訓練確實可以幫助孩子們正確理解聽覺和視覺資訊，從而提高他們的閱讀、聽力、拼寫和數學能力。
建立眼腦協調
視覺僅在複雜處理步驟序列的開始階段依賴於我們的眼睛。在此過程中，會發生各種調整。例如，考慮到這樣一個事實，即只有視網膜的一小部分割槽域（眼睛後部的幾層感光細胞）能夠區分視覺細節。為了克服這種物理限制，大腦引導眼睛進行稱為掃視的快速運動，這使我們能夠將注意力從一個地方轉移到另一個地方。如果沒有這些跳躍，我們將永遠無法註冊超過我們視野的一小部分。特別是閱讀，需要高度精確的掃視控制。當我們閱讀時，我們的眼睛每秒在單詞之間跳躍三到五次。大腦必須能夠編排這些運動，使我們的眼睛以正確的順序掃描單詞和音節，而不會超前跳躍。為了實現這種眼腦協調，負責語言處理和眼球運動的大腦區域必須完全同步。
2000 年，我們在眼動實驗室的團隊探索了以下可能性：一些有閱讀困難的兒童也可能存在掃視控制不良的問題。我們與同樣在弗萊堡的物理學家克勞斯·哈特內格以及弗萊堡大學醫學中心的醫生莫妮卡·比斯卡爾迪-舍費爾合作，要求 620 名 7 至 17 歲的人執行兩項測量眼球運動控制的任務。
首先，參與者將目光從最初的焦點（雷射點）移開，朝向出現的第二個光點，然後，幾乎立即，他們必須將目光從新的刺激物上移開。第二個“反掃視”任務比聽起來更難，因為自然的反應是繼續注視新的光點；如果沒有出色的控制力，就很難克服這種本能。但是，在測試的這一部分中，任何朝向第二個光點的眼球運動都被視為錯誤。
結果證實了我們的想法：與非閱讀障礙兒童和青少年相比，閱讀能力差的受試者對掃視的控制也明顯較差。我們得出結論，視覺注意力控制障礙至少在一定程度上是導致某些閱讀障礙病例的原因。在分析了 3,224 名 7 至 17 歲的兒童和青少年（總數包括上述研究中的受試者）後，我們進一步得出結論，大腦似乎會隨著時間的推移學會如何控制視覺注意力。在我們的測試中，7 歲和 8 歲的參與者（無論是否患有閱讀障礙）在 200 次試驗過程中大約有 80% 的時間錯誤地注視了第二個光點；這個年齡段的兒童，無論是否患有閱讀障礙，通常都無法像成年人那樣快速或流利地閱讀（而且這些特定的孩子都才剛剛開始學習閱讀）。
然而，在 20 歲時，當大多數人都能流利地閱讀時，非閱讀障礙者平均有 20% 的時間出錯，並且很快糾正了任何錯誤的目光，而閱讀障礙測試物件在反掃視任務中大約有 40% 的時間繼續看向錯誤的方向，並且有 14% 的時間未能糾正這些錯誤。結果表明，在正常發育過程中，這兩組人的情況都得到了顯著改善，但控制組在 7 歲至 18 歲之間非常迅速地朝著可靠的掃視控制方向發展，而閱讀障礙組則越來越落後。
幸運的是，包括我們自己的幾項研究表明，訓練可以對掃視控制和閱讀能力產生影響。我們為 7 歲至 17 歲的閱讀障礙受試者制定了各種練習，讓他們每天在家中使用從實驗室借來的專用計算機裝置進行練習。
在一項練習中，他們僅用眼睛跟蹤裝置小螢幕上快速改變方向的符號。當符號消失時，參與者必須使用箭頭鍵指示符號的最後方向。符號在螢幕上移動的速度（這決定了練習的難度）緩慢增加，受試者的技能水平也隨之提高。三到六週後，我們的受試者在指導掃視方面明顯更好。尤其重要的是，經過訓練後，該計劃中的兒童在閱讀中犯的錯誤比以前減少了一半。
口語
掃視訓練的成功令人鼓舞，但閱讀障礙不僅僅是目光控制不良。許多研究人員認為，閱讀障礙兒童在理解口語方面也存在困難。特別是，一些閱讀障礙者似乎缺乏充分的音韻意識，即區分語音的能力，例如首音 b 和 g，或相似的音節。德國維爾茨堡大學的心理學家沃爾夫岡·施耐德已經證明，旨在培養音韻意識的練習可以普遍提高兒童的閱讀和寫作技能——並且它們特別有助於那些在家中可能說與學校所說語言不同的兒童。在其他活動中，這些練習要求兒童找到押韻的單詞，將單詞分成音節，並將音節分解為單個聲音。
不幸的是，並非所有兒童都能從這些練習中獲得同等的好處。為了培養音韻意識，個人必須首先能夠理解言語；訓練練習中使用的聲音是實際的單詞和音節。然而，有些孩子早在聲音到達大腦的語言中心之前，就難以理解聲音。聲音輸入要經過許多處理步驟，沿途的任何錯誤都可能嚴重損害理解能力。 2004 年，我們再次與哈特內格合作，開發了一系列測試，以探究哪些心理能力對於理解口語至關重要。
最初，我們專注於測量受試者區分音量和音調的能力。例如，在音調測試中，孩子們聽兩個不同頻率的聲音；這兩個聲音之間的差異逐漸縮小，直到孩子們無法再說出哪個更高。我們還測試了參與者識別間隙的能力。當我們發音時，某些音節或聲音會被中斷，例如，當舌頭短暫地接觸牙齒或我們的呼吸暫時停頓時。如果聽者未能感知到這些中斷，他或她將聽到與預期不同的音節。
在我們分析的 682 名兒童和青少年中，我們發現閱讀障礙與聽覺處理缺陷之間存在很強的關聯，例如辨別音調、柔和與響亮的聲音或音節之間的間隙。事實上，有閱讀問題的孩子在我們進行的所有測試中得分都較低。與之前一樣，我們的受試者在 20 歲左右之前變得越來越有能力，因此我們得出結論，大腦必須隨著時間的推移學會聽到聲音之間的細微差異。與掃視訓練一樣，我們設計了一種鍛鍊聽覺感知的方案，其中包括透過音調和聲音強度區分聲音以及感知聲音之間語音間隙的練習。受訓者在幾周內連續 10 天練習每項任務。一項對 509 名學生進行的研究表明，該計劃顯著提高了他們區分音調的能力。這些練習對拼寫也有積極影響：參與者的拼寫錯誤比以前減少了約 40%。相比之下，未接受訓練的受試者的錯誤率僅降低了 10%。
2001 年，芬蘭赫爾辛基大學的神經心理學家泰婭·庫亞拉及其團隊揭示，感知訓練會給大腦帶來永久性的變化。他們研究了視聽訓練（使用各種音調，但沒有與語言相關的聲音）對有閱讀問題的兒童的影響。經過七週的 14 種不同練習，學生們不僅減少了閱讀錯誤，而且還表現出大腦活動模式的改變，這是透過腦電圖測量的。特別是，科學家觀察到，在聽覺皮層（大腦中專門用於感知聲音的部分）中，神經元對預期音調序列中的異常反應更為強烈。
有多少？
基本的感知過程也在計算障礙中起著重要作用。例如，以速視化為例，即我們僅透過觀察感知數量的訣竅，而不是實際計數。這種能力有助於孩子們建立數字概念——即數字代表特定數量的想法。大多數四歲兒童可以輕鬆識別一到四個之間的數量。但我們假設，患有計算障礙的兒童可能不太能夠速視化。哈特內格、眼動實驗室研究員克里斯汀·格哈特和我在一項針對 375 名兒童和青少年的研究中測試了這個想法。我們在計算機螢幕上隨機閃爍一到九個小圓圈。圓圈出現得非常短暫，我們的參與者無法計數它們；相反，他們需要能夠憑視覺識別數量並在鍵盤上按下正確的數字。我們對反應時間特別感興趣。
我們於 2008 年釋出的結果表明，患有計算障礙的個體正如預期的那樣，不太擅長速視化，並且需要花費相當長的時間才能得出正確的圓圈數量。幸運的是，就像聽覺和視覺訓練一樣，一個人可以透過練習其估算能力、觀察點或圖形集合並猜測有多少來提高其速視化能力。我們實驗室的另一項研究（也於 2008 年釋出）表明，為期三週的培訓課程可以提高計算障礙兒童的速視化能力和算術能力。與訓練前的分數相比，參加練習的參與者在數學測試中犯的錯誤減少了 60%。相比之下，一組未參加培訓的兒童沒有表現出任何改善。我們的研究進一步表明，兒童在整個學齡期間都在擴充套件他們的速視化能力。與聽覺和視覺一樣，速視化（以及可能包括其他感知過程）也在不斷完善到成年。
遺憾的是，父母、老師和醫生很難辨別孩子的感知發展是否落後於同齡人。為了估計感知問題的普遍程度，我們從我們的研究中推斷，確定在患有閱讀障礙或計算障礙的兒童中，在我們的系列測試中得分低於對照組受試者的兒童百分比。在患有閱讀障礙或計算障礙的 8 歲兒童中，有 64% 的人在至少一項感知功能方面落後。並且由於這些孩子以比未受影響的孩子更慢的速度發展某些感知能力，因此這個比例隨著成熟度而增加：在 16 歲時，與對照組相比，約 85% 的有閱讀和數學困難的孩子表現出感知缺陷。當然，如果視覺和聽覺處理缺陷是導致閱讀障礙或計算障礙的唯一原因，那麼這個比率將是 100%。儘管如此，這些缺陷顯然加劇了許多學習障礙病例，值得進一步研究。
研究人員計劃在不久的將來研究學齡前兒童。然後，可以在兒童開始閱讀之前使用有針對性的訓練來減輕視覺和聽覺處理缺陷的影響。訓練是否可以幫助非常有能力的學生還有待觀察，初步研究表明，他們有時會表現出感知問題。例如，他們在目光控制測試中通常反應更強烈；他們的眼睛不是反應太慢，而是可能反應太快，這也可能使閱讀變得困難。感官處理缺陷似乎對有特殊需要的學生影響最大。 2008 年，我與德國黑博恩基希貝格舒勒學院的西爾維婭·德內克-法斯雷納合作，在特殊需要學生學校進行了一項研究。我們發現，在本文描述的測試中，49 名年齡在 9 歲至 16 歲之間的受試者均未達到與其年齡相適應的水平。隨後的訓練提高了這些孩子的學習技能，但不如通常發生在沒有特殊需要的學生身上那麼有效。
我們的發現對整個教育系統具有影響。如果 75% 的所有被診斷患有閱讀障礙和計算障礙的學生可能也存在感官處理問題——如果我們假設特殊訓練可以在大約三分之二的病例中加強至少一項學術才能——那麼我們可以顯著幫助一半的閱讀障礙和計算障礙學生。不幸的是，醫生只在感覺器官中尋找疾病；教師知道如何發現“更高”技能的缺陷。感官處理屬於灰色地帶。然而，使用本文討論的測試和練習對高危人群進行篩查不僅是可行的，而且從長遠來看將帶來巨大的社會紅利。