如何培養更優秀的學習者

八個月大的盧卡斯·克朗米勒剛剛在他幾乎沒有頭髮的頭上戴上了一頂裝有 128 個電極的帽子。他面前的一位研究助理正在拼命地吹泡泡來逗他開心。但盧卡斯看起來平靜而滿足。畢竟，自從他四個月大以來，他已經多次來到羅格斯大學的嬰兒研究實驗室，所以今天的一切都很正常。他和之前的一千多名其他年輕人一樣，正在幫助 April A. Benasich 和她的同事們 выяснить，即使在最早的年齡，是否有可能確定一個孩子是否會在語言方面遇到困難，而這些困難將在剛進入小學時成為沉重的負擔。

貝納西奇是一批研究人員之一，他們一直在使用大腦記錄技術來理解學習早期階段的基本過程。神經教育這門新科學旨在尋找認知心理學家和教育家一直困惑的問題的答案。

例如，新生兒處理聲音和影像的能力與幾年後孩子學習字母和單詞的能力有何關係？幼兒在學前班保持精神集中的能力對日後的學業成功意味著什麼？教育工作者可以做些什麼來培養孩子的社交技能——這對課堂也很重要？這些研究可以補充心理學和教育研究專案已建立的豐富知識。

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它們還承諾為培養更優秀的學習者，以及為嬰兒和幼兒準備閱讀、寫作、算術以及在幼兒園及以後的複雜社交網路中生存提供基於腦科學的新思路。這項工作的大部分重點集中在生命的最初幾年和小學早期，因為一些研究表明，大腦在那段時間最容易發生改變。

頓悟時刻

貝納西奇研究的是最年幼的孩子感知聲音方式的異常現象，這是一種對語言理解至關重要的認知過程，而語言理解反過來又構成了閱讀和寫作技能的基礎。貝納西奇曾是一名護士，後來獲得了兩個博士學位，她專注於她稱之為“頓悟時刻”——大腦電活動的突然轉變，這表明已經識別出了新的東西。

貝納西奇在新澤西州紐瓦克市的實驗室的研究人員讓嬰兒接觸特定頻率和持續時間的音調。然後，他們記錄當播放不同頻率時，大腦中產生的電訊號的變化。通常，腦電圖 (EEG) 會對變化產生強烈的振盪——表明大腦基本上在說：“是的，有些東西改變了”；對不同音調的反應時間延遲意味著大腦沒有足夠快地檢測到新的聲音。

研究發現，六個月大時這種遲緩的電活動模式可以預測三到五歲時的語言問題。在幼兒和學齡前持續存在的活動差異可以預示大腦回路發展方面的問題，該回路處理語音基本單位感知過程中發生的快速轉換。如果兒童在幼兒時期未能足夠快地聽到或處理語音成分——例如“da”或“pa”——他們可能會在“拼讀”書寫字母或頭腦中的音節方面落後，這可能會在以後阻礙閱讀的流暢性。貝納西奇的其他研究表明，在處理這些聲音方面遇到早期問題的兒童在八九年後的心理語言測試中表現不佳，這些發現為這些研究提供了更嚴格的證實。

如果貝納西奇和其他人能夠診斷出嬰兒未來可能出現的語言問題，他們或許能夠透過利用發育中的大腦固有的可塑性——其應對新體驗而發生改變的能力來糾正這些問題。他們甚至有可能改善大腦正常發育的嬰兒的基本功能。“確保大腦以最適合學習的方式建立起來的最簡單時間可能是在第一年的前半段，”她說。

遊戲，即使在嬰兒床裡，也可能是一個答案。貝納西奇和她的團隊設計了一款遊戲玩具，訓練嬰兒透過轉頭或轉移視線（透過跟蹤感測器檢測）來對音調的變化做出反應。當發生移動時，會播放一段影片片段，這是對良好努力的獎勵。

2014 年報告的一項研究表明，經歷過這種訓練的嬰兒比僅被動聆聽或根本沒有接觸過聲音的兒童更快、更準確地檢測到聲音中的微小調製。基於這項研究，貝納西奇認為，這款遊戲將有助於那些在處理這些聲音方面有障礙的嬰兒更快地做出反應。她現在正在開發一款互動遊戲，可以訓練嬰兒感知快速的聲音序列。

數感

儘早鍛鍊認知能力也可能有助於嬰兒調整基本的數學技能。法國國家健康與醫學研究院的神經科學家 Stanislas Dehaene 是數字認知領域的領導者，他試圖開發幫助兒童解決早期數學難題的方法。嬰兒從出生起就具有一定的數字識別能力。德阿納說，如果這種技能從一開始就沒有到位，孩子以後可能會在算術和高等數學方面遇到困難。德阿納稱之為“數感”的干預措施可能有助於後進生避免在數學課上多年的困難。

這一研究方向與著名心理學家讓·皮亞傑的觀點相悖，後者認為，在嬰兒進行嬰兒床計算時，他們的大腦是一片空白，或者說是白板。皮亞傑認為，孩子們必須透過多年與積木、麥圈或其他物體的互動，才能形成數字的基本概念。他們最終會了解到，當小小的燕麥圈在桌子上被推來推去時，位置會發生變化，但數字保持不變。

神經科學界已經積累了大量研究，表明人類和其他動物具有基本的數字感。當然，嬰兒不會從子宮裡跳出來就在腦海中進行微分方程計算。但實驗發現，幼兒通常會去抓那排 M&M 豆，因為那排糖果最多。其他研究表明，即使是幾個月大的嬰兒也能理解相對大小。如果他們看到五個物體被藏在屏幕後面，然後再往第一組中新增五個物體，當螢幕被移除時，如果他們只看到五個物體，他們會表現出驚訝。

嬰兒似乎也天生具有其他數學能力。除了是冠軍估計器之外，他們還可以區分確切的數字——但僅限於三或四個數字。德阿納在確定大腦區域——頂葉的一部分（頂內溝）——方面發揮了重要作用，數字和近似數量就表示在那裡。（將手放在頭頂後部以確定頂葉的位置。）

估計群體大小的能力也存在於海豚、老鼠、鴿子、獅子和猴子身上，這可能是一種進化上的傳承，是衡量你的氏族是否應該在面對敵人時戰鬥還是逃跑，以及確定哪棵樹結出的果實最多以供採摘所必需的。德阿納與法國國家科學研究中心的語言學家皮埃爾·皮卡和他的同事們透過與巴西亞馬遜地區的蒙杜魯庫印第安人合作，發現了更多關於這種本能能力的證據。蒙杜魯庫印第安人是一個數字詞彙非常初級的部落。它的成年成員可以分辨出哪個點陣比另一個點陣大，他們的任務完成得幾乎與法國對照組一樣好，但大多數人無法回答從六個物體中移除四個物體後還剩下多少個物體。

這種近似系統是構建更復雜的數學的基石。這些先天能力中的任何缺陷都可能在以後帶來麻煩。在 20 世紀 90 年代初期，德阿納假設，隨著年齡的增長，兒童會在他們內部的棒球場估計系統基礎上構建更復雜的計算。事實上，自那以來的幾年裡，許多研究發現，幼兒原始數字估計系統的功能受損可以預測，孩子在小學及以後的算術和標準數學成績測試中表現不佳。“我們現在意識到，算術等領域的學習必須建立在嬰兒期已經具備的某些核心知識之上，”德阿納說。

事實證明，計算障礙（相當於閱讀障礙的計算障礙），其特徵是計算技能滯後，影響了 3% 到 7% 的兒童。與閱讀障礙相比，計算障礙受到的教育工作者的關注要少得多——但它可能同樣具有破壞性。發表在 2011 年 5 月《科學》雜誌上的一篇評論文章指出，“他們收入減少，消費減少，更容易生病，更容易觸犯法律，並且在學校需要更多幫助。”

與語言一樣，早期干預可能會有所幫助。德阿納和他的團隊設計了一個簡單的電腦遊戲，他們希望這款遊戲能夠提高數學能力。這款名為“數字競賽”的遊戲鍛鍊了四到八歲兒童的這些基本能力。在一個版本中，玩家必須在電腦控制的對手偷走最大的一堆金幣之前，選擇兩堆金幣中較大的一堆。這款遊戲會自動適應玩家的技能水平，在更高的級別中，孩子必須在進行比較以確定最大的一堆金幣之前，新增或減去金幣。如果孩子獲勝，他或她將向前邁進的步數等於剛剛贏得的金幣數量。第一個到達虛擬遊戲板上最後一步的玩家獲勝。

這款開源軟體已被翻譯成八種語言，它並沒有對大腦訓練的好處做出誇張的宣告。即便如此，已有超過 20,000 名教師從芬蘭一家政府支援的研究機構下載了這款軟體。德阿納的團隊開發了一款名為 Kalulu 的軟體新版本，並且正在法國學生中進行一項隨機試驗，測試它是否可以預防計算障礙並幫助健康兒童增強其基本的數感。

控制你自己

良好學習的認知基礎在很大程度上取決於心理學家所說的執行功能，這是一個涵蓋諸如注意力集中能力、將剛剛看到或聽到的內容儲存在工作記憶的心理草稿紙中以及延遲滿足感等認知屬性的術語。這些能力可以預測在學校甚至在工作世界中的成功。1972 年，斯坦福大學進行了一項著名的實驗——“這是一塊棉花糖，如果你在我回來之前不吃掉這塊棉花糖，我會再給你一塊”——這表明了執行功能的重要性。那些能夠等待的孩子，無論他們多麼想要這塊糖果，在學校和以後的生活中都表現得更好。

在 21 世紀，專家們已經接受了執行功能是一種可以教授的技能的觀點。“思維工具”教育課程在一些低收入學區取得了成功，與高收入學區相比，那裡的孩子通常在學業上表現不佳。該計劃訓練兒童抵制誘惑和干擾，並練習旨在增強工作記憶和靈活思維的任務。

在一個自我調節任務的例子中，孩子可能會大聲告訴自己該怎麼做。這些技術可能非常強大，以至於在高等教育中心，經濟學家現在正在考慮公共政策措施，以提高自我控制能力，以此作為“增強人口的身心健康和財務健康並降低犯罪率的一種方式”，2011 年發表在《美國國家科學院院刊》上的一項研究的作者評論道。

神經科學實驗室的研究結果支援了這一觀點，並揭示了可能不需要反覆練習來抵制隱喻的棉花糖。音樂訓練也可以奏效。研究人員發現，勤奮地練習樂器可能會在課堂上獲得回報——這讓人想起了“虎媽”作者蔡美兒，她堅持讓女兒們在小提琴和鋼琴上花費大量時間。演奏樂器可以提高注意力、工作記憶和自我控制能力。

提供此類研究結果的部分研究來自西北大學 Nina Kraus 領導的一個神經科學家小組。Kraus 是該校聽覺神經科學實驗室的負責人，她在多元化的聲音環境中長大。她的母親是一位古典音樂家，用她的母語義大利語與這位未來的神經科學家交談，Kraus 現在仍然會彈鋼琴、吉他和鼓。“我喜歡它——它是我生活的重要組成部分，”她說，儘管她認為自己“只是一個蹩腳的音樂家”。

Kraus 使用腦電圖記錄來測量神經系統如何編碼音樂作品的音高、節奏和音色——以及練習音樂所產生的神經變化是否會提高認知能力。她的實驗室發現，音樂訓練可以增強工作記憶，也許最重要的是，讓學生成為更好的聽眾，使他們能夠從有時在課堂上盛行的七嘴八舌的氛圍中提取語音。

將音樂訓練作為大腦補品仍處於起步階段，關於哪種型別的練習可以增強執行功能，仍有許多問題尚未解答：演奏鋼琴還是吉他，或者音樂是由莫扎特還是賈斯汀·比伯創作的，重要嗎？至關重要的是，音樂課是否會對有學習困難或來自低收入學區的學生有所幫助？

但 Kraus 指出了軼事證據，表明音樂訓練的影響甚至延伸到了學術課程。“和諧計劃”為洛杉磯的低收入青少年提供音樂教育。參與該計劃的數十名學生已經高中畢業並升入大學，通常是他們家中第一個這樣做的人。

Kraus 與“和諧計劃”合作，並在 2014 年發表了一項研究，該研究表明，其專案中的兒童練習樂器兩年後，比僅練習一年的兒童能夠更好地處理與閱讀和語言技能密切相關的聲音。Kraus 主張使用吉他而不是大腦遊戲。“如果學生必須在據稱可以提高記憶力的電腦遊戲或樂器之間做出選擇來支配自己的時間，在我看來，毫無疑問，哪一個對神經系統更有益，”Kraus 說。“如果你試圖複製一段吉他前奏，你必須把它記在腦子裡，並一遍又一遍地嘗試 воспроизвести 它。”

炒作警報

隨著對成功“四門功課”——三門傳統功課（閱讀、寫作和算術）以及自我衝動控制作為第四門功課——背後的大腦機制的研究繼續進行，許多參與神經教育的科學家都在努力避免過度炒作他們正在測試的干預措施。他們渴望將他們的研究成果轉化為對兒童的實際幫助，但他們也很清楚，研究還有很長的路要走。他們也知道，教師和家長已經被大量未經測試的增強學習的產品搞得暈頭轉向，而且一些備受吹捧的工具已被證明令人失望。

舉例來說，幾年前，圍繞著僅僅聽莫扎特奏鳴曲就能讓嬰兒更聰明的觀點，一個小產業發展起來了，但這種觀點未能經受住進一步的審查。Kraus 的研究表明，要獲得任何益處，你必須實際演奏樂器，鍛鍊大腦的聽覺處理區域：你練習得越多，你區分聲音細微差別的能力就越強。僅僅聽是不夠的。

同樣，即使是一些聲稱有確鑿科學證據證明其有效性的大腦訓練技術也受到了質疑。《兒童心理學和精神病學雜誌》2011 年 3 月號發表的一項薈萃分析回顧了可能是有史以來最著名的大腦訓練方法——由羅格斯大學的 Paula A. Tallal、加州大學舊金山分校的 Michael Merzenich 及其同事開發的名為 Fast ForWord 的軟體的研究。該分析未發現該軟體在幫助有語言或閱讀困難的兒童方面有效的證據。與貝納西奇（Tallal 的前博士後研究員）使用的方法一樣，該軟體試圖改善可能導致學習問題的聲音處理缺陷。該薈萃分析引起了該軟體製造商 Scientific Learning 的強烈反駁，該公司聲稱選擇標準過於嚴格，分析中的大多數研究實施不力，並且該軟體自研究進行以來已得到改進。

老生常談的說法——需要更多的研究——廣泛適用於神經教育領域的許多努力。德阿納的數字遊戲在獲得廣泛接受之前仍需要進行微調。一項對照研究表明，該遊戲幫助兒童比較數字，儘管這種成並沒有轉化為更好的計數或算術技能。研究人員希望新版本 (Kalulu) 能夠解決這些問題。然而，另一項發現質疑音樂訓練是否能提高執行功能，從而提高智力。

在一個新興領域，一項研究經常與另一項研究相矛盾，但緊隨其後的是第三項研究，它反駁了前兩項研究。這種曲折的軌跡是所有科學的基礎，有時會導致誇大的說法。在神經教育領域，教師和家長有時會成為“基於科學”的軟體和教育專案廣告的受害者。“這令人困惑。這令人費解，”Deborah Rebhuhn 說，她是新澤西州高地公園中心學校的一名數學教師，該學校是一所特殊教育機構，接收來自全州公立學校的學生。“我不知道該嘗試哪種方法。而且沒有足夠的證據可以去校長那裡說某種方法有效。”

學前微調

科學家們整天都在思考腦電圖波形和磁共振成像中的複雜數字模式，他們意識到他們還不能為改善學習提供明確的基於神經科學的處方。然而，這項工作正在引導人們看到可能的願景，也許是為 Z 世代或其後代。考慮一下哈佛大學和麻省理工學院之間合作專案的神經科學教授約翰·D·E·加布裡埃利的觀點。在 2009 年《科學》雜誌上的一篇評論文章中，加布裡埃利推測，最終，基於大腦的評估方法，結合傳統的測試、家族史，甚至可能是基因測試，可以在六歲時檢測出閱讀問題，並允許進行密集的早期干預，這可能會消除學齡兒童中的許多閱讀障礙病例。

一項研究已經發現，幼兒園兒童的腦電圖比標準的心理測量更能預測五年級學生的閱讀能力。透過接受腦部監測並結合標準方法，每個孩子都可以在入學前接受評估，如果需要，可以根據今天神經科學實驗室不斷湧現的研究結果，接受補救性訓練。如果加布裡埃利的願景得以實現，腦科學可能會賦予個性化教育的概念一個全新的含義——一種甚至在孩子踏入教室之前就增強學習能力的含義。

相信它：天生具有估算能力

從我們出生時起，我們就對數字有了一些概念。在這一先天技能方面有缺陷的兒童，往往會在以後的生活中苦苦掙扎。Stanislas Dehaene 和他的同事們建立了一個遊戲“數字競賽”，旨在增強我們天生的估計數量的能力。學齡前兒童在計算機的動物頭像偷走更大的一堆金幣之前，判斷哪一組金幣更大（左上）。兒童的正確猜測會使其頭像從之前的位置前進相應的步數；失敗者前進的步數等於較小數量的金幣（右下）。最先到達數字線末尾的人獲勝。

關於大腦的 5 個常見誤區

關於兒童學習方式的一些廣為流傳的觀點可能會導致教育工作者和家長採用錯誤的教學原則。

最佳大腦訓練：練習小提琴

從小進行密集的音樂訓練不僅培養了演奏樂器的能力，還培養了其他技能。音樂家對聲音的細微聲學特徵的專注有助於語言理解，並促進認知技能：注意力、工作記憶和自我調節。

更好的聽眾

音樂家比非音樂家更清晰地感知聲音，因為練習樂器可以訓練整個大腦。樂器的聲音從內耳的耳蝸傳播到原始腦幹，然後再移動到大腦皮層（高階大腦功能的位置），然後再返回到腦幹和耳蝸。這種反饋迴路使音樂家能夠調動各個大腦區域來產生，例如，曲調的適當音高。對腦幹中電訊號的監測（黃色曲線）揭示了音樂家對音高的敏銳度：音樂家比非音樂家更準確地跟蹤傳入的聲波（紅色曲線）。