一个名叫杰克的九岁男孩，蓬松的浅棕色头发随着他疯狂敲击键盘的动作而抖动。杰克的眼睛紧盯着一个有六个指针的时钟，这些指针分别表示月份、日期、小时、分钟、秒和秒的六十分之一。他一输入 10:28:2:14:56:32，一个新的时钟就出现了，他又迅速敲出一组数字。一位名叫玛蒂，和蔼可亲的 14 岁学生刚刚教我这个练习，我猜我可能要几分钟才能解决一个这样的时钟。而杰克每七秒就能完成一个。
杰克不停的敲击声几乎是这间由八岁和九岁孩子组成的小教室里唯一的声响。其他人都默默地工作着。一两个孩子戴着眼罩，在方格纸上抄写符号。一个黑头发的女孩戴着耳机，听着一连串的单词，她必须记住并复述给老师。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题思想并写下来。
杰克，他蓝色的校服T恤衫下露出了长长的红色袖子，T恤衫上印着首字母“EAS”，他几乎不停地破解时钟密码长达 35 分钟。和伊顿艾罗斯密斯学校的其他学生一样，这所私立学校位于温哥华不列颠哥伦比亚大学校园内一栋建筑的二楼，专门招收有学习障碍的学生。杰克每天上六节大脑训练课，其中包括阅读时钟、抄写符号、描摹复杂图案、记忆模式和进行心算。杰克有一节英语课和一节数学课，但他其他的课程都不像普通学校里的课程。
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艾罗斯密斯学校的学生不学习政府部门或文学体裁。他们的时间都用来加强注意力、记忆力和推理等心理过程。几十年来，心理学家们一直认为，这些基本的思维能力是固定的。但在研究领域，越来越多的证据表明，它们可能并非如此。
艾罗斯密斯课程强度很大，学生需要将每天 80% 的时间投入到大脑修复训练中，持续三到四年，然后才能回到普通学校。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还是来自于轶事。尽管如此，在科学、临床甚至主流教育界，对儿童进行大脑健身训练的理念正在逐渐兴起。
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，其中一些现在正在市场上销售。有些方法旨在培养工作记忆（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概念（用于数学）或声音感知（用于阅读）。还有一些训练推理能力。
在许多情况下，这些工具的目标是解决学习障碍，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。“我认为这项技术使得为每个人提供个性化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。“即使是表现相当不错的孩子也可能存在弱点，如果能弥补这些弱点，他们的表现会好得多。”
儿童可以通过心理健脑操在多大程度上克服智力缺陷或提高智商，这在很大程度上仍然未知。尽管数据表明训练可能有用，但并非总是有效。此外，研究人员现在才刚刚开始探索，他们测得的思维技能提升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，通过适当的工具，学生可以提高他们的智力能力——这个想法可能会改变人们的生活。“问题是：作为人类，我们有什么样的能力？”伊顿艾罗斯密斯学校的创始人，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个看法。”
学习的杠杆
当然，学校长期以来都基于大脑是可塑的前提：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，这是一组由前额叶皮层（位于前额后方）控制的功能。这些功能包括工作记忆、认知灵活性（寻找问题替代解决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（抑制竞争性或不适当行动的能力）。
传统上，学校并非旨在改变执行功能，也并非通常旨在调整基本的数学能力或听力语言能力。学校之所以不这样做，部分原因是人们认为大脑的这些基本功能是不可改变的。
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。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。
从这个角度来看，量身定制的辅导可以提升儿童的学习潜力的想法就更容易理解了。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会和情感成熟的关键技能。与此同时，其他科学家已经着手设计更直接针对儿童个人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本。特别是注意力，需要精神上记下重要信息。“如果你不能在脑海中记住计划，你就会分心，”斯德哥尔摩卡罗林斯卡学院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，当时他偶然看到一篇论文，该论文表明，患有 ADHD 的孩子通常工作记忆能力有限。尽管工作记忆被广泛认为是静态特征，但克林伯格对它的可塑性持非常乐观的态度。“我认为它可以像肌肉一样被训练，”他回忆道。
考虑到注意力缺陷，克林伯格和他的同事们创建了回忆位置（例如购物中心的路线）以及口头信息的训练方法。在一些练习中，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，这些计划会根据孩子的情况进行调整：随着她表现的提高，游戏难度也会增加。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倒序重复。
在克林伯格团队 2005 年发表的一项研究中，22 名 7 至 12 岁的、有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，受过训练的青少年的父母表示，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（现已归教育公司培生所有）来销售该软件。（克林伯格已不再与 Cogmed 有关。）
此后，科学家们获得了更多支持，将这些游戏作为 ADHD 的治疗方法。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没有进行回忆训练的孩子更专注、更有条理，并且症状更少（根据他们的父母的说法）。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，训练显着减少了他们的“离题”行为——即目光从工作表上移开，这是衡量注意力的更实际的方法。
工作记忆可能对整体学习产生深远的影响。在工作记忆测试中得分在人群中最低 10% 的儿童中，超过五分之四的人在阅读或数学或两者方面都有相当大的问题。在对 345 名 8 岁至 11 岁儿童的测试中，现任英国东安格利亚大学心理学家达伦·L·邓宁和他的同事们确定了 42 名工作记忆能力排在最低 15% 的儿童。他们将其中 22 人分配到强化、校内 Cogmed 训练，持续五到七周；其他人接受了强度较低的课程。到教学结束时，进行更强化训练的孩子在工作记忆的各个方面都表现出显着提升，而其他孩子只获得了极小的提升。此外，六个月后，接受真实训练的孩子在标准化数学推理测试中的得分明显高于试验开始时的得分，这表明他们利用训练过的大脑学习了更多的数学知识。
摆脱困境
学业成功的另一个关键组成部分是推理能力，即在新的情境中进行逻辑思考、联系想法和解决问题的能力。推理是一种更高层次的技能，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旨在通过培养孩子对时钟不同指针之间关系等关系的理解来训练推理能力。
几年前，当时还是加州大学伯克利分校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。在一种名为“交通堵塞”的棋盘游戏中，玩家需要想办法让汽车逃离交通堵塞，同时仍然遵守交通规则。其他游戏则依赖于逻辑或整合不同信息的能力。他们要求来自加利福尼亚州奥克兰市一所贫困小学的 17 名 7 岁至 10 岁的学生每周玩两次，每次一小时，持续八周。另外 11 名学生玩的是考验处理速度（他们理解信息的速度）的游戏。
玩推理游戏的孩子在推理能力的标准测试中得分提高了 30% 以上——他们的智商平均提高了 10 分。玩处理速度游戏的学生在处理速度能力测试中的排名提高了 30%。麦基说：“我们对收益如此之大感到非常惊讶。”
她现在正试图在更大规模的、有学业失败风险的孩子样本中重现她的结果，并确定训练是否能转化为学业成就的提高。“如果我们能够证明这些游戏能够提高考试成绩，我们就向前迈进了一大步，”麦基说。
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，我们用工作记忆来保持和操作数字。艾罗斯密斯学校的一项练习包括将一个小数字加到下一个出现的数字上，保持一个运行总数，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，两个不同数组中点的数量，或者加减点。科学家们已将这种感觉与大脑中的一个位置联系起来：表面上一个叫做顶内沟的狭窄凹陷。如果没有良好的数字感，孩子们在数学方面会遇到困难，并且可能会患上计算障碍，这是一种数学学习障碍，影响了高达 7% 的学龄人口。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 大于还是小于 100。
几年前，法国国家健康与医学研究院的神经科学家斯坦尼斯拉斯·迪昂和他的同事们创建了一个名为“数字竞赛”的在线游戏，玩家在游戏中比较点的数量，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运算。2006 年，研究人员报告说，15 名 7 岁至 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[参见加里·斯蒂克斯的文章“如何培养更好的学习者”]。
三年后，研究人员在更年幼的、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”改进了孩子们比较以符号表示的数字的能力，但阅读软件没有，这表明该程序磨练了将数字符号与数量联系起来的能力。此后，该团队开发了一个更高级的游戏，名为“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。
总部位于旧金山的 Lumosity 公司提供一套旨在提高各种能力的脑力训练游戏，其中包括一些与数学相关的游戏。其中一款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。在另一款游戏中，用户比较成对出现的数学表达式的值。第三款游戏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”。
这些训练方法已显示出提高先天学习障碍儿童的数学能力的希望。在 2011 年的一项试点研究中，斯坦福大学的精神病学家谢莉·R·凯斯勒和她的同事们发现，患有特纳综合征（一种遗传疾病）的 16 名女孩每天玩这些游戏 20 分钟，持续六周，可以改善她们典型的与数学相关的缺陷。经过训练后，女孩们在数字感、处理速度和认知灵活性测试中的得分显着提高。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，阅读也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 1990 年代初期，罗格斯大学的神经科学家宝拉·塔拉尔假设，在许多情况下，根本原因是听觉问题，具体而言，是检测相似声音（如“da”和“ba”）快速变化的缺陷。她认为，这些困难妨碍了儿童获得良好的语言技能，从而导致阅读障碍。
1996 年，塔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荣誉教授）创立了 Scientific Learning 公司，旨在开发计算机软件来纠正阅读困难儿童的听觉处理问题。詹金斯说，该程序名为 Fast ForWord Language，通过首先减慢语速并强调语音中某些快速变化的部分，帮助孩子们听到和区分音素。然后，它逐渐加快语速并柔化强调。该软件还会改变声音，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，该程序是有帮助的。2007 年，哈佛医学院的神经科学家纳丁·加布与塔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有了显着提高。他们还发现，在这些年轻人中，负责处理快速变化声音的大脑回路的激活增强了。在 2008 年的一项调查中，俄勒冈大学的神经科学家海伦·J·内维尔和她的同事们发现，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 的有效性。在 2011 年对六项大型研究进行的荟萃分析（定量回顾）中，英国约克大学的心理学家查尔斯·赫尔姆和他的同事们得出结论，该程序对儿童的语言或阅读困难几乎没有影响。结果不一可能反映了软件测试方式的差异，包括成人监督其使用并激励孩子们参与其中的程度。毕竟，因挫败感或厌倦而停止使用该程序的孩子不太可能从中受益。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 训练执行功能，以及其他对阅读能力至关重要的技能。这些练习可能会比原始程序覆盖更广泛的学生群体。
玩游戏以提高智商
目前大多数学生大脑训练计划主要针对那些有可诊断缺陷的人。例如，采用 Cogmed 软件的数百所美国学校通常会向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，这些计划也正逐渐渗透到主流教育中。尽管 Fast ForWord 针对的是有阅读问题的孩子，但拥有该软件的 3000 多所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 500 多个教室的 14,000 名学生已经玩过通过 Lumosity Education Access Program (LEAP) 提供的一套脑力游戏，并且超过四分之一的 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向五年级和六年级的孩子提供了 Cogmed 软件。“这不仅限于有学习困难的学生，”曾任教师，现在管理 LEAP 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，大脑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 岁至 18 岁的学生在一个学期内平均总共玩了 6 个小时的 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 名未进行练习的学生。吴说，学生训练的时间越长，他们在记忆力、处理速度和推理等技能方面的提高就越多。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 70 所学校领导两项不同的研究，以确定认知益处是否能转化为学业成绩的提高。
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们已经能够通过他们自己的工作记忆训练方案来提高普通小学生和中学生的智商分数，但该方法并非总是产生预期的效果。因此，训练可能对环境敏感。
在来到伊顿艾罗斯密斯学校之前，玛蒂在普通学校里苦苦挣扎。“我会熬夜重读和理解，”她在 2012 年告诉我。“我最终哭了，因为家庭作业让我不堪重负。”玛蒂后来从该课程毕业，她在 2012 年 12 月的九年级成绩单上成绩全优。学校官员掌握了许多像玛蒂一样，通过课程获得帮助的孩子的资料。
外部科学家通常觉得艾罗斯密斯方法很有趣，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题比我做得还快，”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，由不列颠哥伦比亚大学的教育心理学家琳达·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它显着提高了学生在一系列认知和成就测试中的得分。然而，新的数据可能即将公布。微软首席执行官萨蒂亚·纳德拉和他的妻子阿努正在捐赠 10 万美元用于脑成像和其他研究，以评估艾罗斯密斯课程。
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加入一点大脑健身训练。尽管没有人确切知道这种训练将采取何种形式，但定期让儿童的心理肌肉进行锻炼可能会带来持久的好处。“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，”麦基说。