一个名叫杰克的九岁男孩，一头浅棕色的蓬松头发随着他疯狂敲击键盘的动作而摇晃。杰克的眼睛紧盯着一个有六根指针的时钟，这些指针分别表示月、日、时、分、秒和秒的 60 分之一。他一输入 10:28:2:14:56:32，一个新的时钟就出现了，他又敲出另一组数字。一位名叫马蒂的和蔼可亲的 14 岁学生刚刚教我了这个练习，我猜我可以在几分钟内解决其中一个时钟。杰克每七秒钟就能完成一个。
在这间由八岁和九岁孩子组成的小教室里，几乎只有杰克不停的敲击声。其他人都默默地工作。一两个孩子戴着眼罩，在方格纸上抄写符号。一个黑发女孩戴着耳机听着单词列表，她必须记住这些单词并复述给老师。一个男孩盯着诺曼·洛克威尔的画作；他的任务是提取画作的主旨并写下来。
杰克穿着一件蓝色校服 T 恤，袖子上露出长长的红色袖子，上面印着“EAS”的首字母缩写，他几乎不停地破解时钟密码 35 分钟。和伊顿-阿罗斯米斯学校的其他学生一样，杰克在这所位于温哥华不列颠哥伦比亚大学校园内一栋建筑二楼的针对学习障碍的私立学校上学，他参加六节大脑锻炼课，其中包括阅读时钟、抄写符号、描摹复杂设计、记忆图案和进行心算。杰克有一节英语课和一节数学课，但他其他的课都不像普通学校里的课。
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阿罗斯米斯学校的学生不学习政府部门或文学流派。他们的时间专门用于加强注意力、记忆力和推理等心理过程。几十年来，心理学家一直认为这些基本的思维能力是固定的。在研究界，越来越多的证据表明，它们可能并非如此。
阿罗斯米斯课程是强化课程，要求学生每天投入 80% 的时间，持续三到四年进行大脑修复，然后才能重返正规学校。尽管该校吹嘘有很多成功案例，但对其疗法有效性的支持主要来自轶事。尽管如此，在科学、临床甚至主流教育界，对儿童进行这种大脑健身的承诺正在积聚力量。
近年来，神经科学和心理学实验室涌现出少量大脑训练方法，其中几种现在正在市场上销售。有些训练工作记忆（短期记忆），这是一种与智力相关的心理白板。另一些则针对基本的数字感，用于数学，或声音感知，用于阅读。还有一种训练推理能力。
在许多情况下，这些工具的目标是学习障碍，如阅读障碍、计算障碍或注意力缺陷多动障碍 (ADHD)。但一些教育工作者开始向普通学生群体提供大脑训练。“我认为这项技术使为每个人提供个性化的训练和学习成为可能，”麻省理工学院的心理学家艾莉森·P·麦基说。“即使表现相当不错的孩子也可能存在弱点，如果你弥补了这一点，他们就会表现得更好。”
儿童可以通过心理锻炼在多大程度上克服智力缺陷或提高智商，这在很大程度上是未知的。尽管数据表明训练可能有用，但它并非总是有效。此外，研究人员现在才开始探索他们在思维技能方面测得的进步是否能转化为学业成就。
尽管如此，许多科学家和教育工作者现在相信，借助适当的工具，学生可以提高他们的智力能力——这个想法可能会改变生活。“问题是：作为人类，我们有什么能力？”伊顿-阿罗斯米斯学校的创始人、学习障碍专家霍华德·伊顿问道。他说，人们可以从根本上改变他们的大脑的观念，“改变了你对人类可能性的整体看法。”
学习的杠杆
当然，学校长期以来都基于大脑是灵活的前提：学习新信息和技能涉及到神经层面的变化。然而，人们一直认为一个人的学习能力是相当稳定的。这种能力的一部分在于执行功能，这是一组由位于前额后方的称为前额叶皮层的结构控制的能力。这些能力是工作记忆、认知灵活性——寻找解决问题的替代方案以及从一个想法或行动转移到另一个想法或行动的能力——以及自我调节，即抑制竞争或不适当行动的能力。
传统上，学校的设计目的不是改变执行功能，通常也不是为了调整基本的数学能力或听语言的能力。它没有做这些事情，部分原因是人们认为大脑的这些基本功能是不可移动的。
然而，环境可以对智力能力产生强大影响，这已不是什么秘密。例如，贫困等压力环境实际上可以关闭执行功能[参见“治疗学习毒素”，作者：克兰西·布莱尔；《大众科学·心灵》，2012 年 9 月/10 月]。儿童的社会经济阶层也会强烈影响阅读的基础语言技能。“对于四岁或五岁的孩子来说，来自低社会经济阶层的孩子和来自高社会经济阶层的孩子之间的语言接触差异可能高达 3000 万个单词，”加利福尼亚州奥克兰市科学学习公司的首席科学官、神经科学家威廉·M·詹金斯说。
鉴于此，量身定制的辅导可以提高儿童的学习潜力的概念就不那么难以理解了。近年来，研究人员设计了旨在促进自我调节的课程，自我调节是学业成功以及社交和情感成熟必不可少的技能[参见“性格教育”，作者：英格丽·威克格伦；《大众科学·心灵》，2012 年 9 月/10 月]。与此同时，其他科学家开始设计更直接针对个体儿童智力能力的干预措施。
智力的一个关键杠杆是工作记忆。各种认知技能都依赖于这个心理草稿纸。特别是注意力，需要精神上注意重要信息。“如果你不能在头脑中保持一个计划，你就会分心，”斯德哥尔摩卡罗林斯卡研究所的认知神经科学家托克尔·克林伯格说。
1997 年，克林伯格正在研究工作记忆的神经基础，当时他看到一篇论文，表明患有 ADHD 的孩子通常工作记忆容量有限。尽管工作记忆被广泛认为是静态特征，但克林伯格对其可塑性非常乐观。“我把它想象成一块可以训练的肌肉，”他回忆道。
考虑到注意力缺陷，克林伯格和他的同事创建了用于回忆位置（如购物中心的路线）以及口头信息的锻炼方法。在某些练习中，用户尝试重现一系列红色灯泡或小行星亮起的顺序。与所有好的训练计划一样，这些计划会适应孩子：随着她的表现提高，游戏会变得更难。在更高的级别，小行星会移动，或者灯光网格会在玩家必须回忆顺序之前旋转。一项口头任务需要记住一系列数字并反向重复。
在克林伯格团队 2005 年发表的一项研究中，22 名 7 至 12 岁的严重注意力问题的孩子每天玩这些游戏 35 至 40 分钟，持续 25 天。在工作记忆的标准评估中，这些孩子比 22 名使用相同游戏的简单版本的 ADHD 孩子有了显着提高。此外，受训青少年的父母表示，他们的孩子变得更加专注。基于这些结果，克林伯格创立了一家名为 Cogmed 的公司，该公司现已归教育公司培生所有，以销售该软件。
此后，科学家们获得了更多支持这些游戏作为 ADHD 疗法的证据。2010 年，俄亥俄州立大学的心理学家威廉·B·本宁格和他的同事发现，在家中进行训练的 ADHD 儿童和青少年比那些不锻炼记忆力的孩子更专注、更有条理，并且症状更少，他们的父母说。2012 年，加州大学戴维斯分校医学院的心理学家朱莉·B·施韦策和她的同事报告说，在 12 名 ADHD 儿童做作业时，训练显着减少了“分心”行为——也就是说，目光从工作表上移开，这是衡量注意力的一种更真实的方法。
工作记忆可能对整体学习产生深远影响。在工作记忆测试中得分在人口中最差的 10% 的儿童中，超过五分之四的孩子在阅读或数学或两者方面都有相当大的问题。从对 345 名 8 至 11 岁儿童的测试中，英国约克大学的心理学家达伦·L·邓宁和他的同事确定了 42 名工作记忆能力处于最差的 15% 的儿童。他们将其中 22 人分配到为期五到七周的强化校内 Cogmed 训练；其他人则接受了不太费力的项目版本。到教学结束时，进行更强化锻炼的孩子在工作记忆的各个方面都表现出大幅提升，而其他孩子只获得了极小的进步。此外，六个月后，接受过真正训练的孩子在数学推理标准化测试中的得分明显高于试验开始时，这表明他们利用训练有素的大脑学习了更多数学知识。
摆脱困境
学业成功的另一个关键组成部分是推理，即在新的情况下进行逻辑思考、联系想法和解决问题的能力。推理是一种更高级的技能，它依赖于工作记忆和注意力等执行功能。杰克如此熟练地解决的时钟谜题应该通过培养孩子对时钟上不同指针之间关系等关系的理解来训练推理能力。
几年前，当时在加州大学伯克利分校攻读心理学研究生的麻省理工学院的麦基想看看她是否可以提高弱势儿童的推理能力。麦基与她的同事、心理学家西尔维娅·A·邦格合作，选择了严重依赖推理的电脑和商业棋盘游戏。在一款名为“交通堵塞”的棋盘游戏中，玩家需要弄清楚如何在遵守交通规则的情况下让汽车逃离交通堵塞。其他游戏则依赖于逻辑或整合不同的信息片段。他们要求来自加利福尼亚州奥克兰市一个高贫困社区的小学的 17 名 7 至 10 岁的学生每周两天、每天一小时玩这些游戏，持续八周。另外 11 名学生玩的是考验处理速度的游戏——他们能多快理解信息。
玩推理游戏的孩子在推理能力标准测试中的得分跃升了 30% 以上——他们的智商平均提高了 10 分。玩处理速度练习游戏的学生在该能力测试中的排名提高了 30%。麦基说：“我们真的对收益如此之大感到惊讶。”
她现在正试图在更大规模的面临学校失败风险的孩子样本中重现她的结果，并确定训练是否会转化为学业成就的提高。麦基说：“如果我们能证明这些类型的游戏可以带来更好的考试成绩，我们就向前迈进了一大步。”
五个点还是六个点？
计算机化训练计划也可以增强基本的数学能力。心算在很大程度上依赖于工作记忆，我们用它来保持和处理数字。阿罗斯米斯的一项练习包括将一个小数字添加到下一个数字，因为数字按顺序出现，保持运行总数，并在最后报告总和。
其他程序训练数字感，这是一种基本的数量感，使我们能够立即比较，例如，两个不同数组中的点数，或加减点数。科学家们已将这种感觉与大脑中的一个位置联系起来：表面上一个狭窄的凹陷，称为顶内沟。如果没有良好的数字感，孩子们将会在数学方面遇到困难，并可能患上计算障碍，这是一种影响大约 7% 人口的数学学习障碍。例如，一个患有计算障碍的九岁孩子可能会将五个点与六个点混淆，或者无法说出 50 是大于还是小于 100。
几年前，法国国家健康与医学研究所的神经科学家斯坦尼斯拉斯·迪汉恩和他的同事创建了一个名为“数字竞赛”的在线游戏，玩家在其中比较点数，并将它们与数字符号联系起来，并学习一些基本的加法和减法事实。2006 年，研究人员报告说，15 名 7 至 9 岁的计算障碍儿童在玩“数字竞赛”后，在比较数字、快速视觉评估数量和减去一位数方面有所进步。
三年后，研究人员在更小的、有数学困难风险的儿童身上测试了该软件：53 名来自低社会经济背景的法国幼儿园儿童。一些孩子玩了六次 20 分钟的“数字竞赛”，而另一些孩子则使用了市售的阅读程序，之后孩子们交换了任务。“数字竞赛”而不是阅读软件提高了孩子们比较以符号表示的数字的能力，这表明该程序提高了将数字符号与数量联系起来的能力。此后，该团队开发了一款更高级的游戏“数字捕捉器”，该游戏练习基本的计算技能，并以不同的方式表示数字。
Lumosity 是一家总部位于旧金山的公司，提供一套针对各种能力的脑力训练游戏，包括几种与数学相关的游戏。其中一个游戏涉及出现在雨滴中的算术题，必须在雨滴溅入屏幕底部的水中之前解决。在另一个游戏中，用户比较成对出现的数学表达式的值。第三个练习解决问题的能力。玩家推断单词或物体分类背后的规则——例如“蓝色”或“动物”。
这些练习已显示出提高先天学习障碍儿童数学能力的前景。在 2011 年的一项初步研究中，斯坦福大学的精神病学家雪莉·R·凯斯勒和她的同事发现，每天玩这些游戏 20 分钟，持续六周，可以减轻 16 名患有称为特纳综合征的遗传疾病的女孩的典型数学相关缺陷。训练后，女孩们在数字感、处理速度和认知灵活性测试中的得分明显更高。她们对数学事实和计算能力的掌握也有所提高，但程度较小。
读出声音
与数学一样，阅读涉及一套复杂的智力能力，包括推理和执行技能。阅读障碍是一种阅读障碍，大脑难以识别和处理单词，影响了 5% 到 17% 的儿童。在 20 世纪 90 年代初期，罗格斯大学的神经科学家宝拉·图拉尔假设，在许多情况下，其根本原因是听觉，具体而言，是检测相似声音（如“da”和“ba”）的快速变化方面的缺陷。她认为，这些困难阻碍了儿童获得良好的语言技能，从而导致阅读障碍。
1996 年，图拉尔和神经科学家迈克尔·默泽尼奇（现为加州大学旧金山分校的名誉教授）创立了 Scientific Learning 公司，旨在开发计算机软件来纠正患有阅读困难的儿童的听觉处理问题。詹金斯说，该程序名为 Fast ForWord Language，通过首先放慢语速并强调语音中某些快速变化的部分来帮助儿童听到和区分音素。然后，它逐渐加快速度并减弱强调。该软件还会变形声音，根据孩子的熟练程度，使它们或多或少相似。
几项小型研究表明，该程序很有帮助。2007 年，哈佛医学院的神经科学家纳丁·加布与图拉尔以及其他同事一起报告说，22 名患有阅读障碍的儿童每天使用该程序 20 分钟，每周五天，持续八周，他们的语言和阅读技能显着提高。他们还在这些孩子身上看到了负责处理快速变化声音的大脑回路的激活增加。在 2008 年的一项调查中，俄勒冈大学的神经科学家海伦·J·内维尔和她的同事发现证据表明，Fast ForWord Language 提高了有和没有语言障碍的儿童对听觉刺激的注意力。孩子们在语言理解方面也取得了进步。
并非所有研究都支持 Fast ForWord 的功效。在 2011 年对六项大型研究进行的荟萃分析（定量回顾）中，约克大学的心理学家查尔斯·赫尔姆和他的同事得出结论，该程序对儿童的语言或阅读困难几乎没有影响。混合的结果可能反映了软件测试方式的差异，包括成人监控其使用情况以及激励儿童参与其中的程度。毕竟，因挫败感或厌倦而停止使用该程序的孩子不太可能受益。此外，并非所有患有阅读障碍的儿童都患有听觉问题。事实上，最新版本的 Fast ForWord 练习执行功能，以及对阅读能力至关重要的其他技能。这些练习可能会比原始程序覆盖更广泛的学生群体。
玩游戏以获得智商
目前大多数学生脑力训练计划主要针对那些患有可诊断缺陷的人。例如，美国数百所采用 Cogmed 软件的学校通常会为患有注意力缺陷和其他学习障碍的学生提供该软件。美国和加拿大的 500 多家诊所也使用 Cogmed，主要用于 ADHD 患者。
然而，这些项目也正在渗透到主流教育中。尽管 Fast ForWord 专为有阅读问题的孩子设计，但超过 3000 所拥有该软件的学校中的许多学校都将其作为常规教学的一部分。到目前为止，全球 325 多所学校的 12,000 名学生通过 Lumosity 教育访问计划 (LEAP) 玩过一套脑力游戏，超过四分之一的 Lumosity.com 在线用户年龄在 21 岁以下。纽约市至少有一所私立教会学校已向五年级和六年级的孩子提供 Cogmed 软件。“这不仅限于有学习困难的学生，”曾任教师、现任 LEAP 经理的妮可·F·吴说。“它适用于想要提高认知能力的健康学生。”
一些数据暗示，脑力训练可能使普通学习者受益。在吴和她的同事进行的一项未发表的研究中，43 所学校的 949 名 6 至 18 岁的学生在一个学期内总共玩了平均 6 小时的 28 款 Lumosity 游戏。这些青少年在一系列神经心理学测试中的得分明显高于 443 名未进行锻炼的学生。吴说，学生训练时间越长，他们在记忆力、处理速度和推理等技能方面的进步就越大。训练时间至少达到 10 小时的学生看到了可衡量的益处。她现在正在领导一项针对 100 所学校的研究，以确定认知益处是否转化为更好的成绩和考试分数。
在其他研究中，密歇根大学的心理学家约翰·乔尼德斯和他的同事通过他们自己的工作记忆疗法提高了典型的小学和初中儿童的智商分数，但该方法并非总是产生预期的改进[参见“构建更好的大脑”，作者：约翰·乔尼德斯、苏珊娜·M·贾吉、马丁·布施库尔和普里蒂·沙阿；《大众科学·心灵》，2012 年 9 月/10 月]。因此，训练可能对环境敏感。
在来到伊顿-阿罗斯米斯学校之前，马蒂在普通学校苦苦挣扎。“我经常熬夜重读和理解，”她去年告诉我。“我最终哭了，因为家庭作业让我感到不知所措。”马蒂后来从该课程毕业，她九年级 12 月的成绩单上全是 A。学校官员掌握着许多像马蒂一样受到课程帮助的儿童的数据。
外部科学家通常觉得阿罗斯米斯方法很有趣，但表示它缺乏严格的科学支持。“我看到一个孩子在电脑上做数学比我做得还快，”不列颠哥伦比亚大学的发育认知神经科学家阿黛尔·戴蒙德说。但是，她警告说，“我想看到它有帮助的数据。”事实上，不列颠哥伦比亚大学教育心理学家琳达·西格尔领导的对该校课程进行的一项为期八个月的小型调查未能表明该课程显着提高了学生在一系列认知和成就测试中的得分。
然而，科学越来越多地表明，大脑比我们曾经认为的要灵活得多。最终，教育界可能会认为，数据支持在儿童的常规学业中至少增加一点脑力健身。尽管没有人确切知道这种训练会采取什么形式，但定期让儿童的脑力肌肉进行锻炼可能会带来持久的益处。麦基说：“我设想认知技能的提高将比现在更多地成为教育的一部分。”