一個名叫傑克的九歲男孩，蓬鬆的淺棕色頭髮隨著他猛烈敲擊鍵盤的動作而晃動。傑克的眼睛緊盯著一個有六根指標的時鐘，這些指標分別表示月份、日期、小時、分鐘、秒和秒的 60 分之一。他一輸入 10:28:2:14:56:32，一個新的時鐘就會出現，然後他迅速敲出另一組數字。一位名叫瑪蒂的和藹可親的 14 歲學生剛剛教我這個練習，我猜我可能幾分鐘就能解決其中一個時鐘。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。其他孩子都在默默地工作。一兩個孩子戴著眼罩，在網格上抄寫符號。一個黑髮女孩戴著耳機，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；他的任務是提煉出畫作的主要思想並寫下來。
傑克，他穿著藍色學校 T 恤，紅色長袖從 T 恤下露出，“EAS”的首字母印在 T 恤上，他幾乎不停地破解時鐘密碼 35 分鐘。和伊頓-阿羅史密斯學校的其他學生一樣，傑克在這所私立學校上六節腦力鍛鍊課，這所學校為有學習障礙的學生而設，位於溫哥華不列顛哥倫比亞大學校園內一棟建築的二樓。傑克的腦力鍛鍊課包括閱讀時鐘、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，但他其他的課都與普通學校的課程不同。
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阿羅史密斯學校的學生不學習政府部門或文學體裁。他們的時間專門用於加強諸如注意力、記憶和推理等心理過程。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，情況可能並非如此。
阿羅史密斯課程強度很大，要求學生每天將 80% 的時間投入到腦功能矯正訓練中，持續三到四年，然後才能回到正規學校。儘管該校擁有許多成功案例，但對其療法有效性的支援主要來自軼事。儘管如此，在科學、臨床甚至主流教育界，對兒童進行這種腦力健身的理念正逐漸受到重視。
近年來，神經科學和心理學實驗室湧現出少量腦力訓練方法，其中一些方法現在正在市場上銷售。有些方法旨在鍛鍊工作記憶（短期記憶），這是一種與智力相關的心理白板。另一些方法則針對基本的數字感（用於數學）或聲音感知（用於閱讀）。還有一種方法訓練推理能力。
在許多情況下，這些工具的目標是學習障礙，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腦力訓練。“我認為這項技術使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有弱點，如果能彌補這些弱點，他們會表現得更好。”
兒童透過腦力體操能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，但並非總是奏效。此外，研究人員現在才開始探索，兒童思維技能的測量性提高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相信，藉助適當的工具，學生可以提高他們的智力能力——這一想法可能會改變人們的生活。“問題是：作為人類，我們有什麼能力？”學習障礙專家霍華德·伊頓問道，他是伊頓-阿羅史密斯學校的創始人。他說，人們可以從根本上改變大腦的觀念，“改變了你對人類可能性的整體看法。”
學習的槓桿
當然，學校長期以來一直以大腦具有可塑性為前提：學習新資訊和技能涉及神經層面的變化。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（位於前額後方的一個結構）控制的能力。這些能力包括工作記憶、認知靈活性（尋找解決問題的替代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，也並非旨在調整基本的數學能力或聽語言的能力。它沒有做這些事情，部分原因是人們認為大腦的這些基本功能是不可改變的。
但環境會對智力能力產生強大影響，這已不是秘密。例如，貧困等壓力環境實際上會關閉執行功能。兒童的社會經濟階層也會強烈影響閱讀的基礎語言技能。“對於一個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 萬個單詞，”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。
有鑑於此，量身定製的輔導可以提升兒童的學習潛力的觀點就不那麼難以理解了。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，其他科學家開始設計更直接針對兒童個體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，需要有意識地記下重要資訊。“如果你不能在腦海中記住一個計劃，你就會分心，”瑞典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，當時他偶然讀到一篇論文，該論文表明，患有 ADHD 的兒童通常工作記憶容量有限。儘管工作記憶被廣泛認為是靜態的特徵，但克林伯格對它的可塑性持樂觀態度。“我把它看作是可以訓練的肌肉，”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用於回憶位置（例如購物中心的路線）以及語言資訊的訓練方法。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。與所有優秀的訓練計劃一樣，這些訓練會適應孩子：隨著孩子表現的提高，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。一項語言任務要求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 歲的患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。與 22 名使用相同遊戲但難度較低的 ADHD 兒童相比，這些孩子在工作記憶的標準評估中有了顯著提高。此外，受訓青少年的父母表示，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（現為教育公司 Pearson 所有）來銷售該軟體。（克林伯格已不再與 Cogmed 有關聯。）
此後，科學家們獲得了更多支援，認為這些遊戲可以作為 ADHD 的療法。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，根據他們的父母的說法，在家中進行訓練的 ADHD 兒童和青少年比那些不進行回憶鍛鍊的孩子更專注、更有條理，症狀也更少。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 兒童做功課時，訓練顯著減少了他們的“走神”行為——即目光從作業紙上移開，這是衡量注意力的一種更現實的方法。
工作記憶對整體學習具有深遠的影響。在工作記憶測試中得分在人群中最低 10% 的兒童中，超過五分之四的孩子在閱讀或數學方面，或兩者兼而有之，都存在相當大的問題。在對 345 名 8 歲至 11 歲兒童的測試中，心理學家達倫·L·鄧寧（現任英國東安格利亞大學）和他的同事們確定了 42 名工作記憶能力在最低 15% 的兒童。他們將其中 22 人分配到學校內進行強化 Cogmed 訓練，持續五到七週；其餘人接受了難度較低的課程。到教學結束時，接受更強化訓練的孩子在工作記憶的各個方面都表現出大幅提升，而其他孩子只獲得了極小的提升。此外，六個月後，接受真正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有素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、連線想法和解決問題的能力。推理能力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。傑克如此熟練地破解的時鐘謎題旨在透過培養孩子對時鐘上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能力的電腦和商業棋盤遊戲。在一個名為“交通堵塞”的棋盤遊戲中，玩家需要想辦法讓一輛汽車逃離交通堵塞，同時還要遵守交通規則。其他遊戲則依賴於邏輯或整合不同的資訊片段。
他們讓來自加利福尼亞州奧克蘭市一個貧困社群的一所小學的 17 名 7 歲至 10 歲的學生每週玩兩次遊戲，每次一小時，持續八週。另外 11 名學生玩的是考驗處理速度的遊戲——即他們能多快理解資訊。玩推理遊戲的孩子在推理技能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。玩考驗處理速度遊戲的學生在該能力測試中的排名提高了 30%。“我們真的對增幅之大感到驚訝，”麥基說。
她現在正試圖在更大規模的面臨學業失敗風險的兒童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。“如果我們能證明這類遊戲能帶來更好的考試成績，我們就向前邁進了一大步，”麥基指出。
在 2014 年的一項研究中，布宜諾斯艾利斯大學的安德里亞·寶拉·戈爾丁和她的同事們透過電腦訓練邁出了這一步。他們讓 100 多名來自弱勢家庭的六歲兒童中的一半人玩三款具有挑戰性的電腦遊戲，這些遊戲旨在訓練工作記憶、計劃和抑制控制。他們發現，10 周的干預措施提高了接受認知訓練且學習成績在研究開始時較低的兒童的數學和語言藝術成績。
五個點還是六個點？
計算機化訓練專案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。阿羅史密斯學校的一項練習包括將一個小數新增到下一個數字，因為數字是按順序出現的，保持一個執行總數，並在最後報告總和。
其他專案訓練數字感，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。科學家們已經將這種感覺與大腦中的一個位置聯絡起來：大腦表面一個狹窄的凹陷，稱為頂內溝。如果沒有良好的數字感，兒童在數學方面就會遇到困難，並可能患上計算障礙，這是一種數學學習障礙，影響高達 7% 的學齡人口。例如，一個患有計算障礙的九歲兒童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。
大約 10 年前，法國國家健康與醫學研究院的神經科學家斯塔尼斯拉斯·迪安和他的同事們建立了一個名為“數字競賽”的網路遊戲，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 名患有計算障礙的 7 歲至 9 歲兒童在玩“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提高[參見加里·斯蒂克斯的“如何培養更好的學習者”]。
三年後，研究人員在面臨數學困難風險的年幼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。一些孩子玩了六次每次 20 分鐘的“數字競賽”，另一些孩子使用了市售的閱讀程式，之後孩子們交換了任務。“數字競賽”提高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。該團隊此後開發了一款更高階的遊戲，名為“數字捕捉器”，該遊戲鍛鍊基本的計算技能，並以不同的方式表示數字。
Lumosity 是一家總部位於舊金山的公司，提供一套針對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，使用者比較成對呈現的數學表示式的值。
這些訓練方法已顯示出在提高患有先天學習障礙兒童的數學能力方面的潛力。在 2011 年的一項初步研究中，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，對於患有稱為特納綜合徵的遺傳疾病的 16 名女孩來說，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。訓練後，這些女孩在數字感、處理速度和認知靈活性測試中的得分顯著提高。
發音練習
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。閱讀障礙是一種大腦難以識別和處理單詞的閱讀障礙，影響 5% 至 17% 的兒童。20 世紀 90 年代初，羅格斯大學的神經科學家寶拉·塔拉爾假設，在許多情況下，根本原因是聽覺障礙，具體來說是檢測相似聲音（如“da”和“ba”）的快速變化方面的缺陷。她認為，這些困難阻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·梅爾策尼奇（現任加州大學舊金山分校榮譽教授）創立了 Scientific Learning 公司，旨在開發計算機軟體來糾正患有閱讀困難的兒童的聽覺處理問題。詹金斯說，該程式名為 Fast ForWord Language，透過首先放慢語速並強調某些快速變化的部分，幫助兒童聽到和辨別音素。然後，它逐漸加快語速並弱化強調。該軟體還會根據孩子的熟練程度，改變聲音，使其或多或少相似。
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 名每天使用該程式 20 分鐘、每週五天、持續八週的閱讀障礙兒童的語言和閱讀技能顯著提高。他們還在這些年輕人身上看到了負責處理快速變化聲音的大腦回路活動增強。在 2015 年的一項研究中，羅格斯大學的神經科學家薩賓娜·海姆領導的團隊也揭示，21 名學齡語言障礙兒童在使用 Fast ForWord 進行為期一個月的強化訓練後，大腦活動發生了微小變化。這些變化暗示了這些兒童在聲音、語言和認知處理方面的進步。
然而，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·胡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。混合的結果可能反映了軟體測試方式的差異，包括成人監督其使用和激勵兒童參與的程度。畢竟，因沮喪或厭倦而停止使用該程式的孩子不太可能受益。此外，並非所有閱讀障礙兒童都患有聽覺問題。事實上，最新版本的 Fast ForWord 旨在為更廣泛的學生群體服務，透過訓練閱讀技能（從音素意識到理解策略）以及執行功能。
主流遊戲
目前大多數學生腦力訓練專案主要針對那些患有可診斷缺陷的人。例如，許多采用 Cogmed 軟體的美國學校通常會為患有注意力缺陷和其他學習障礙的學生提供該軟體。美國和加拿大也有 500 多家診所使用 Cogmed，主要用於患有 ADHD 的客戶。
然而，這些專案也正在逐漸滲入主流教育。儘管 Fast ForWord 主要是針對有閱讀問題的孩子，但在擁有該軟體的 4000 多所學校中，許多學校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 14000 名學生已經玩過 Lumosity 教育訪問計劃 (LEAP) 提供的一套腦力遊戲，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已向其五年級和六年級的孩子提供 Cogmed 軟體。“這不僅限於有學習困難的學生，”前教師妮可·F·吳說，她現在負責管理 LEAP。“它適用於想要提高認知能力的健康學生。”
一些資料暗示，腦力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 小時的 28 款 Lumosity 遊戲。這些青少年在神經心理學測試中的得分顯著高於 443 名未進行鍛鍊的學生的得分。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。吳說，訓練時間至少達到 10 小時的學生看到了可衡量的益處。
然而，人們對這些益處的重要性產生了懷疑。2014 年 10 月，70 多位心理學家和神經科學家簽署了斯坦福大學長壽中心和柏林馬克斯·普朗克人類發展研究所釋出的一份宣告，宣告幾乎沒有科學依據支援“腦力遊戲”可以提高日常心理功能的說法。2016 年 1 月，美國聯邦貿易委員會指控 Lumosity 的廣告具有誤導性，聲稱每週玩三到四次他們的遊戲可以提高工作或學習成績。Lumosity 遊戲的開發者 Lumos Labs 支付了 200 萬美元來解決這些指控。
在來到伊頓-阿羅史密斯學校之前，瑪蒂在正規學校裡很掙扎。“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顯示成績全優。學校官員掌握著許多像瑪蒂這樣的孩子的資料，他們都受到了該課程的幫助。
外部科學家通常覺得阿羅史密斯的方法很有趣，但他們表示，這種方法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，不列顛哥倫比亞大學的教育心理學家琳達·西格爾領導的一項為期 8 個月的對該校課程的小型調查未能表明該課程顯著提高了學生在認知和成就測試中的得分。然而，新的資料很可能即將公佈。微軟執行長薩蒂亞·納德拉和他的妻子阿努捐贈了 10 萬美元用於腦成像和其他研究，以評估阿羅史密斯課程。
科學越來越多地表明，大腦遠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增加一點腦力健身。儘管沒有人確切知道這種訓練將採取何種形式，但定期讓孩子們的腦力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成為教育的重要組成部分，遠勝於現在的狀況，”麥基說。