一個名叫傑克的九歲男孩，蓬鬆的淺棕色頭髮隨著他瘋狂敲擊鍵盤的動作而抖動。傑克的眼睛緊盯著一個有六個指標的時鐘，這些指標分別表示月份、日期、小時、分鐘、秒和秒的六十分之一。他一輸入 10:28:2:14:56:32，一個新的時鐘就出現了，他又迅速敲出一組數字。一位名叫瑪蒂，和藹可親的 14 歲學生剛剛教我這個練習，我猜我可能要幾分鐘才能解決一個這樣的時鐘。而傑克每七秒就能完成一個。
傑克不停的敲擊聲幾乎是這間由八歲和九歲孩子組成的小教室裡唯一的聲響。其他人都默默地工作著。一兩個孩子戴著眼罩，在方格紙上抄寫符號。一個黑頭髮的女孩戴著耳機，聽著一連串的單詞，她必須記住並複述給老師。一個男孩盯著諾曼·洛克威爾的畫作；他的任務是提取畫作的主題思想並寫下來。
傑克，他藍色的校服T恤衫下露出了長長的紅色袖子，T恤衫上印著首字母“EAS”，他幾乎不停地破解時鐘密碼長達 35 分鐘。和伊頓艾羅斯密斯學校的其他學生一樣，這所私立學校位於溫哥華不列顛哥倫比亞大學校園內一棟建築的二樓，專門招收有學習障礙的學生。傑克每天上六節大腦訓練課，其中包括閱讀時鐘、抄寫符號、描摹複雜圖案、記憶模式和進行心算。傑克有一節英語課和一節數學課，但他其他的課程都不像普通學校裡的課程。
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艾羅斯密斯學校的學生不學習政府部門或文學體裁。他們的時間都用來加強注意力、記憶力和推理等心理過程。幾十年來，心理學家們一直認為，這些基本的思維能力是固定的。但在研究領域，越來越多的證據表明，它們可能並非如此。
艾羅斯密斯課程強度很大，學生需要將每天 80% 的時間投入到大腦修復訓練中，持續三到四年，然後才能回到普通學校。儘管該校吹噓有很多成功案例，但對其療法有效性的支援主要還是來自於軼事。儘管如此，在科學、臨床甚至主流教育界，對兒童進行大腦健身訓練的理念正在逐漸興起。
近年來，神經科學和心理學實驗室湧現出少量大腦訓練方法，其中一些現在正在市場上銷售。有些方法旨在培養工作記憶（短期記憶），這是一種與智力相關的心理白板。另一些則針對基本的數字概念（用於數學）或聲音感知（用於閱讀）。還有一些訓練推理能力。
在許多情況下，這些工具的目標是解決學習障礙，如閱讀障礙、計算障礙或注意力缺陷多動障礙 (ADHD)。但一些教育工作者開始向普通學生群體提供大腦訓練。“我認為這項技術使得為每個人提供個性化訓練和學習成為可能，”麻省理工學院的心理學家艾莉森·P·麥基說。“即使是表現相當不錯的孩子也可能存在弱點，如果能彌補這些弱點，他們的表現會好得多。”
兒童可以透過心理健腦操在多大程度上克服智力缺陷或提高智商，這在很大程度上仍然未知。儘管資料表明訓練可能有用，但並非總是有效。此外，研究人員現在才剛剛開始探索，他們測得的思維技能提升是否能轉化為學業成就。
儘管如此，許多科學家和教育工作者現在相信，透過適當的工具，學生可以提高他們的智力能力——這個想法可能會改變人們的生活。“問題是：作為人類，我們有什麼樣的能力？”伊頓艾羅斯密斯學校的創始人，學習障礙專家霍華德·伊頓問道。他說，人們可以從根本上改變他們的大腦的觀念，“改變了你對人類可能性的整個看法。”
學習的槓桿
當然，學校長期以來都基於大腦是可塑的前提：學習新資訊和技能涉及到神經層面的變化。然而，人們一直認為，一個人的學習能力是相當穩定的。這種能力的一部分在於執行功能，這是一組由前額葉皮層（位於前額後方）控制的功能。這些功能包括工作記憶、認知靈活性（尋找問題替代解決方案以及從一個想法或行動轉移到另一個想法或行動的能力）以及自我調節（抑制競爭性或不適當行動的能力）。
傳統上，學校並非旨在改變執行功能，也並非通常旨在調整基本的數學能力或聽力語言能力。學校之所以不這樣做，部分原因是人們認為大腦的這些基本功能是不可改變的。
然而，環境可以對智力能力產生強大影響，這已不是什麼秘密。例如，貧困等壓力環境實際上可以關閉執行功能。兒童的社會經濟階層也會強烈影響閱讀的基礎語言技能。“對於四歲或五歲的孩子來說，來自低社會經濟階層的孩子和來自高社會經濟階層的孩子之間的語言接觸差異可能高達 3000 萬個詞，”加利福尼亞州奧克蘭市科學學習公司的首席科學官，神經科學家威廉·M·詹金斯說。
從這個角度來看，量身定製的輔導可以提升兒童的學習潛力的想法就更容易理解了。近年來，研究人員設計了旨在促進自我調節的課程，自我調節是學業成功以及社會和情感成熟的關鍵技能。與此同時，其他科學家已經著手設計更直接針對兒童個人智力能力的干預措施。
智力的一個關鍵槓桿是工作記憶。各種認知技能都依賴於這個心理草稿本。特別是注意力，需要精神上記下重要資訊。“如果你不能在腦海中記住計劃，你就會分心，”斯德哥爾摩卡羅林斯卡學院的認知神經科學家托克爾·克林伯格說。
1997 年，克林伯格正在研究工作記憶的神經基礎，當時他偶然看到一篇論文，該論文表明，患有 ADHD 的孩子通常工作記憶能力有限。儘管工作記憶被廣泛認為是靜態特徵，但克林伯格對它的可塑性持非常樂觀的態度。“我認為它可以像肌肉一樣被訓練，”他回憶道。
考慮到注意力缺陷，克林伯格和他的同事們建立了回憶位置（例如購物中心的路線）以及口頭資訊的訓練方法。在一些練習中，使用者嘗試重現一系列紅色燈泡或小行星亮起的順序。與所有好的訓練計劃一樣，這些計劃會根據孩子的情況進行調整：隨著她表現的提高，遊戲難度也會增加。在更高的級別，小行星會移動，或者燈光網格會在玩家必須回憶順序之前旋轉。一項口頭任務需要記住一系列數字並倒序重複。
在克林伯格團隊 2005 年發表的一項研究中，22 名 7 至 12 歲的、有嚴重注意力問題的孩子每天玩這些遊戲 35 至 40 分鐘，持續 25 天。在工作記憶的標準評估中，這些孩子比 22 名使用相同遊戲的簡單版本的 ADHD 孩子有了顯著提高。此外，受過訓練的青少年的父母表示，他們的孩子變得更加專注。基於這些結果，克林伯格創立了一家名為 Cogmed 的公司（現已歸教育公司培生所有）來銷售該軟體。（克林伯格已不再與 Cogmed 有關。）
此後，科學家們獲得了更多支援，將這些遊戲作為 ADHD 的治療方法。2010 年，俄亥俄州立大學的心理學家威廉·B·本寧格和他的同事發現，在家中進行訓練的 ADHD 兒童和青少年比那些沒有進行回憶訓練的孩子更專注、更有條理，並且症狀更少（根據他們的父母的說法）。2012 年，加州大學戴維斯分校醫學院的心理學家朱莉·B·施韋策和她的同事報告說，在 12 名 ADHD 兒童做作業時，訓練顯著減少了他們的“離題”行為——即目光從工作表上移開，這是衡量注意力的更實際的方法。
工作記憶可能對整體學習產生深遠的影響。在工作記憶測試中得分在人群中最低 10% 的兒童中，超過五分之四的人在閱讀或數學或兩者方面都有相當大的問題。在對 345 名 8 歲至 11 歲兒童的測試中，現任英國東安格利亞大學心理學家達倫·L·鄧寧和他的同事們確定了 42 名工作記憶能力排在最低 15% 的兒童。他們將其中 22 人分配到強化、校內 Cogmed 訓練，持續五到七週；其他人接受了強度較低的課程。到教學結束時，進行更強化訓練的孩子在工作記憶的各個方面都表現出顯著提升，而其他孩子只獲得了極小的提升。此外，六個月後，接受真實訓練的孩子在標準化數學推理測試中的得分明顯高於試驗開始時的得分，這表明他們利用訓練過的大腦學習了更多的數學知識。
擺脫困境
學業成功的另一個關鍵組成部分是推理能力，即在新的情境中進行邏輯思考、聯絡想法和解決問題的能力。推理是一種更高層次的技能，它依賴於工作記憶和注意力等執行功能。傑克如此熟練地解決的時鐘謎題旨在透過培養孩子對時鐘不同指標之間關係等關係的理解來訓練推理能力。
幾年前，當時還是加州大學伯克利分校心理學研究生的麻省理工學院的麥基想看看她是否可以提高弱勢兒童的推理能力。麥基與她的同事，心理學家西爾維婭·A·邦格合作，選擇了嚴重依賴推理的電腦和商業棋盤遊戲。在一種名為“交通堵塞”的棋盤遊戲中，玩家需要想辦法讓汽車逃離交通堵塞，同時仍然遵守交通規則。其他遊戲則依賴於邏輯或整合不同資訊的能力。他們要求來自加利福尼亞州奧克蘭市一所貧困小學的 17 名 7 歲至 10 歲的學生每週玩兩次，每次一小時，持續八週。另外 11 名學生玩的是考驗處理速度（他們理解資訊的速度）的遊戲。
玩推理遊戲的孩子在推理能力的標準測試中得分提高了 30% 以上——他們的智商平均提高了 10 分。玩處理速度遊戲的學生在處理速度能力測試中的排名提高了 30%。麥基說：“我們對收益如此之大感到非常驚訝。”
她現在正試圖在更大規模的、有學業失敗風險的孩子樣本中重現她的結果，並確定訓練是否能轉化為學業成就的提高。“如果我們能夠證明這些遊戲能夠提高考試成績，我們就向前邁進了一大步，”麥基說。
五個點還是六個點？
計算機化訓練計劃也可以增強基本的數學能力。心算在很大程度上依賴於工作記憶，我們用工作記憶來保持和運算元字。艾羅斯密斯學校的一項練習包括將一個小數字加到下一個出現的數字上，保持一個執行總數，並在最後報告總和。
其他程式訓練數字感，這是一種基本的數量感，使我們能夠立即比較，例如，兩個不同陣列中點的數量，或者加減點。科學家們已將這種感覺與大腦中的一個位置聯絡起來：表面上一個叫做頂內溝的狹窄凹陷。如果沒有良好的數字感，孩子們在數學方面會遇到困難，並且可能會患上計算障礙，這是一種數學學習障礙，影響了高達 7% 的學齡人口。例如，一個患有計算障礙的九歲孩子可能會將五個點與六個點混淆，或者無法說出 50 大於還是小於 100。
幾年前，法國國家健康與醫學研究院的神經科學家斯坦尼斯拉斯·迪昂和他的同事們建立了一個名為“數字競賽”的線上遊戲，玩家在遊戲中比較點的數量，並將它們與數字符號聯絡起來，並學習一些基本的加法和減法運算。2006 年，研究人員報告說，15 名 7 歲至 9 歲的計算障礙兒童在玩“數字競賽”後，在比較數字、快速視覺評估數量和減去一位數方面有所進步[參見加里·斯蒂克斯的文章“如何培養更好的學習者”]。
三年後，研究人員在更年幼的、有數學困難風險的兒童身上測試了該軟體：53 名來自低社會經濟背景的法國幼兒園兒童。一些孩子玩了六次 20 分鐘的“數字競賽”，而另一些孩子則使用了市售的閱讀程式，之後孩子們交換了任務。“數字競賽”改進了孩子們比較以符號表示的數字的能力，但閱讀軟體沒有，這表明該程式磨練了將數字符號與數量聯絡起來的能力。此後，該團隊開發了一個更高階的遊戲，名為“數字捕捉器”，該遊戲練習基本的計算技能，並以不同的方式表示數字。
總部位於舊金山的 Lumosity 公司提供一套旨在提高各種能力的腦力訓練遊戲，其中包括一些與數學相關的遊戲。其中一款遊戲涉及出現在雨滴中的算術題，必須在雨滴濺入螢幕底部的水中之前解決。在另一款遊戲中，使用者比較成對出現的數學表示式的值。第三款遊戲練習解決問題的能力。玩家推斷單詞或物體分類背後的規則——例如“藍色”或“動物”。
這些訓練方法已顯示出提高先天學習障礙兒童的數學能力的希望。在 2011 年的一項試點研究中，斯坦福大學的精神病學家謝莉·R·凱斯勒和她的同事們發現，患有特納綜合徵（一種遺傳疾病）的 16 名女孩每天玩這些遊戲 20 分鐘，持續六週，可以改善她們典型的與數學相關的缺陷。經過訓練後，女孩們在數字感、處理速度和認知靈活性測試中的得分顯著提高。她們對數學事實和計算能力的掌握也有所提高，但程度較小。
讀出聲音
與數學一樣，閱讀也涉及一套複雜的智力能力，包括推理和執行技能。閱讀障礙是一種閱讀障礙，大腦難以識別和處理單詞，影響了 5% 到 17% 的兒童。在 1990 年代初期，羅格斯大學的神經科學家寶拉·塔拉爾假設，在許多情況下，根本原因是聽覺問題，具體而言，是檢測相似聲音（如“da”和“ba”）快速變化的缺陷。她認為，這些困難妨礙了兒童獲得良好的語言技能，從而導致閱讀障礙。
1996 年，塔拉爾和神經科學家邁克爾·默澤尼奇（現為加州大學舊金山分校的榮譽教授）創立了 Scientific Learning 公司，旨在開發計算機軟體來糾正閱讀困難兒童的聽覺處理問題。詹金斯說，該程式名為 Fast ForWord Language，透過首先減慢語速並強調語音中某些快速變化的部分，幫助孩子們聽到和區分音素。然後，它逐漸加快語速並柔化強調。該軟體還會改變聲音，根據孩子的熟練程度，使它們或多或少相似。
幾項小型研究表明，該程式是有幫助的。2007 年，哈佛醫學院的神經科學家納丁·加布與塔拉爾以及其他同事一起報告說，22 名患有閱讀障礙的兒童每天使用該程式 20 分鐘，每週五天，持續八週，他們的語言和閱讀技能有了顯著提高。他們還發現，在這些年輕人中，負責處理快速變化聲音的大腦回路的啟用增強了。在 2008 年的一項調查中，俄勒岡大學的神經科學家海倫·J·內維爾和她的同事們發現，Fast ForWord Language 提高了有和沒有語言障礙的兒童對聽覺刺激的注意力。孩子們在語言理解方面也取得了進步。
並非所有研究都支援 Fast ForWord 的有效性。在 2011 年對六項大型研究進行的薈萃分析（定量回顧）中，英國約克大學的心理學家查爾斯·赫爾姆和他的同事們得出結論，該程式對兒童的語言或閱讀困難幾乎沒有影響。結果不一可能反映了軟體測試方式的差異，包括成人監督其使用並激勵孩子們參與其中的程度。畢竟，因挫敗感或厭倦而停止使用該程式的孩子不太可能從中受益。此外，並非所有患有閱讀障礙的兒童都患有聽覺問題。事實上，最新版本的 Fast ForWord 訓練執行功能，以及其他對閱讀能力至關重要的技能。這些練習可能會比原始程式覆蓋更廣泛的學生群體。
玩遊戲以提高智商
目前大多數學生大腦訓練計劃主要針對那些有可診斷缺陷的人。例如，採用 Cogmed 軟體的數百所美國學校通常會向有注意力缺陷和其他學習障礙的學生提供該軟體。美國和加拿大的 500 多家診所也使用 Cogmed，主要用於 ADHD 患者。
然而，這些計劃也正逐漸滲透到主流教育中。儘管 Fast ForWord 針對的是有閱讀問題的孩子，但擁有該軟體的 3000 多所學校中的許多學校都將其作為常規教學的一部分。到目前為止，全球 500 多個教室的 14,000 名學生已經玩過透過 Lumosity Education Access Program (LEAP) 提供的一套腦力遊戲，並且超過四分之一的 Lumosity.com 線上使用者年齡在 21 歲以下。紐約市至少有一所私立教會學校向五年級和六年級的孩子提供了 Cogmed 軟體。“這不僅限於有學習困難的學生，”曾任教師，現在管理 LEAP 的妮可·F·吳說。“它適用於想要提高認知能力的健康學生。”
一些資料暗示，大腦訓練可能使普通學習者受益。在吳和她的同事進行的一項未發表的研究中，43 所學校的 949 名 6 歲至 18 歲的學生在一個學期內平均總共玩了 6 個小時的 28 款 Lumosity 遊戲。這些青少年在一系列神經心理學測試中的得分明顯高於 443 名未進行練習的學生。吳說，學生訓練的時間越長，他們在記憶力、處理速度和推理等技能方面的提高就越多。訓練時間至少達到 10 小時的學生看到了可衡量的益處。她現在正在 70 所學校領導兩項不同的研究，以確定認知益處是否能轉化為學業成績的提高。
在其他研究中，密歇根大學的心理學家約翰·喬尼德斯和他的同事們已經能夠透過他們自己的工作記憶訓練方案來提高普通小學生和中學生的智商分數，但該方法並非總是產生預期的效果。因此，訓練可能對環境敏感。
在來到伊頓艾羅斯密斯學校之前，瑪蒂在普通學校裡苦苦掙扎。“我會熬夜重讀和理解，”她在 2012 年告訴我。“我最終哭了，因為家庭作業讓我不堪重負。”瑪蒂後來從該課程畢業，她在 2012 年 12 月的九年級成績單上成績全優。學校官員掌握了許多像瑪蒂一樣，透過課程獲得幫助的孩子的資料。
外部科學家通常覺得艾羅斯密斯方法很有趣，但表示它缺乏嚴格的科學支援。“我看到一個孩子在電腦上做數學題比我做得還快，”不列顛哥倫比亞大學的發育認知神經科學家阿黛爾·戴蒙德說。但是，她警告說，“我想看到它有幫助的資料。”事實上，由不列顛哥倫比亞大學的教育心理學家琳達·西格爾領導的，對該校課程進行的一項為期八個月的小型調查未能表明它顯著提高了學生在一系列認知和成就測試中的得分。然而，新的資料可能即將公佈。微軟執行長薩蒂亞·納德拉和他的妻子阿努正在捐贈 10 萬美元用於腦成像和其他研究，以評估艾羅斯密斯課程。
科學越來越多地表明，大腦比我們曾經認為的要靈活得多。最終，教育界可能會認為，資料支援在兒童的常規學業中至少加入一點大腦健身訓練。儘管沒有人確切知道這種訓練將採取何種形式，但定期讓兒童的心理肌肉進行鍛鍊可能會帶來持久的好處。“我設想認知技能的提高將比現在更多地成為教育的一部分，”麥基說。