一个名叫杰克的九岁男孩，蓬松的浅棕色头发随着他猛烈敲击键盘的动作而晃动。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份、日期、小时、分钟、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会出现，然后他迅速敲出另一组数字。一位名叫玛蒂的和蔼可亲的 14 岁学生刚刚教我这个练习，我猜我可能几分钟就能解决其中一个时钟。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。其他孩子都在默默地工作。一两个孩子戴着眼罩，在网格上抄写符号。一个黑发女孩戴着耳机，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；他的任务是提炼出画作的主要思想并写下来。
杰克，他穿着蓝色学校 T 恤，红色长袖从 T 恤下露出，“EAS”的首字母印在 T 恤上，他几乎不停地破解时钟密码 35 分钟。和伊顿-阿罗史密斯学校的其他学生一样，杰克在这所私立学校上六节脑力锻炼课，这所学校为有学习障碍的学生而设，位于温哥华不列颠哥伦比亚大学校园内一栋建筑的二楼。杰克的脑力锻炼课包括阅读时钟、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，但他其他的课都与普通学校的课程不同。
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阿罗史密斯学校的学生不学习政府部门或文学体裁。他们的时间专门用于加强诸如注意力、记忆和推理等心理过程。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，情况可能并非如此。
阿罗史密斯课程强度很大，要求学生每天将 80% 的时间投入到脑功能矫正训练中，持续三到四年，然后才能回到正规学校。尽管该校拥有许多成功案例，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，对儿童进行这种脑力健身的理念正逐渐受到重视。
近年来，神经科学和心理学实验室涌现出少量脑力训练方法，其中一些方法现在正在市场上销售。有些方法旨在锻炼工作记忆（短期记忆），这是一种与智力相关的心理白板。另一些方法则针对基本的数字感（用于数学）或声音感知（用于阅读）。还有一种方法训练推理能力。
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脑力训练。“我认为这项技术使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有弱点，如果能弥补这些弱点，他们会表现得更好。”
儿童通过脑力体操能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，但并非总是奏效。此外，研究人员现在才开始探索，儿童思维技能的测量性提高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相信，借助适当的工具，学生可以提高他们的智力能力——这一想法可能会改变人们的生活。“问题是：作为人类，我们有什么能力？”学习障碍专家霍华德·伊顿问道，他是伊顿-阿罗史密斯学校的创始人。他说，人们可以从根本上改变大脑的观念，“改变了你对人类可能性的整体看法。”
学习的杠杆
当然，学校长期以来一直以大脑具有可塑性为前提：学习新信息和技能涉及神经层面的变化。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（位于前额后方的一个结构）控制的能力。这些能力包括工作记忆、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（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，也并非旨在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改变的。
但环境会对智力能力产生强大影响，这已不是秘密。例如，贫困等压力环境实际上会关闭执行功能。儿童的社会经济阶层也会强烈影响阅读的基础语言技能。“对于一个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。
有鉴于此，量身定制的辅导可以提升儿童的学习潜力的观点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会和情感成熟的关键技能。与此同时，其他科学家开始设计更直接针对儿童个体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，需要有意识地记下重要信息。“如果你不能在脑海中记住一个计划，你就会分心，”瑞典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，当时他偶然读到一篇论文，该论文表明，患有 ADHD 的儿童通常工作记忆容量有限。尽管工作记忆被广泛认为是静态的特征，但克林伯格对它的可塑性持乐观态度。“我把它看作是可以训练的肌肉，”他回忆道。
考虑到注意力缺陷，克林伯格和他的同事们创建了用于回忆位置（例如购物中心的路线）以及语言信息的训练方法。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。与所有优秀的训练计划一样，这些训练会适应孩子：随着孩子表现的提高，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。一项语言任务要求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 岁的患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。与 22 名使用相同游戏但难度较低的 ADHD 儿童相比，这些孩子在工作记忆的标准评估中有了显著提高。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（现为教育公司 Pearson 所有）来销售该软件。（克林伯格已不再与 Cogmed 有关联。）
此后，科学家们获得了更多支持，认为这些游戏可以作为 ADHD 的疗法。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，根据他们的父母的说法，在家中进行训练的 ADHD 儿童和青少年比那些不进行回忆锻炼的孩子更专注、更有条理，症状也更少。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 儿童做功课时，训练显著减少了他们的“走神”行为——即目光从作业纸上移开，这是衡量注意力的一种更现实的方法。
工作记忆对整体学习具有深远的影响。在工作记忆测试中得分在人群中最低 10% 的儿童中，超过五分之四的孩子在阅读或数学方面，或两者兼而有之，都存在相当大的问题。在对 345 名 8 岁至 11 岁儿童的测试中，心理学家达伦·L·邓宁（现任英国东安格利亚大学）和他的同事们确定了 42 名工作记忆能力在最低 15% 的儿童。他们将其中 22 人分配到学校内进行强化 Cogmed 训练，持续五到七周；其余人接受了难度较低的课程。到教学结束时，接受更强化训练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提升。此外，六个月后，接受真正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有素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、连接想法和解决问题的能力。推理能力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。杰克如此熟练地破解的时钟谜题旨在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能力的电脑和商业棋盘游戏。在一个名为“交通堵塞”的棋盘游戏中，玩家需要想办法让一辆汽车逃离交通堵塞，同时还要遵守交通规则。其他游戏则依赖于逻辑或整合不同的信息片段。
他们让来自加利福尼亚州奥克兰市一个贫困社区的一所小学的 17 名 7 岁至 10 岁的学生每周玩两次游戏，每次一小时，持续八周。另外 11 名学生玩的是考验处理速度的游戏——即他们能多快理解信息。玩推理游戏的孩子在推理技能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。玩考验处理速度游戏的学生在该能力测试中的排名提高了 30%。“我们真的对增幅之大感到惊讶，”麦基说。
她现在正试图在更大规模的面临学业失败风险的儿童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。“如果我们能证明这类游戏能带来更好的考试成绩，我们就向前迈进了一大步，”麦基指出。
在 2014 年的一项研究中，布宜诺斯艾利斯大学的安德里亚·宝拉·戈尔丁和她的同事们通过电脑训练迈出了这一步。他们让 100 多名来自弱势家庭的六岁儿童中的一半人玩三款具有挑战性的电脑游戏，这些游戏旨在训练工作记忆、计划和抑制控制。他们发现，10 周的干预措施提高了接受认知训练且学习成绩在研究开始时较低的儿童的数学和语言艺术成绩。
五个点还是六个点？
计算机化训练项目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。阿罗史密斯学校的一项练习包括将一个小数添加到下一个数字，因为数字是按顺序出现的，保持一个运行总数，并在最后报告总和。
其他项目训练数字感，这是一种基本的数量感，使我们能够立即比较，例如，两个不同阵列中点的数量，或者加减点。科学家们已经将这种感觉与大脑中的一个位置联系起来：大脑表面一个狭窄的凹陷，称为顶内沟。如果没有良好的数字感，儿童在数学方面就会遇到困难，并可能患上计算障碍，这是一种数学学习障碍，影响高达 7% 的学龄人口。例如，一个患有计算障碍的九岁儿童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。
大约 10 年前，法国国家健康与医学研究院的神经科学家斯塔尼斯拉斯·迪安和他的同事们创建了一个名为“数字竞赛”的网络游戏，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 名患有计算障碍的 7 岁至 9 岁儿童在玩“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提高[参见加里·斯蒂克斯的“如何培养更好的学习者”]。
三年后，研究人员在面临数学困难风险的年幼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。一些孩子玩了六次每次 20 分钟的“数字竞赛”，另一些孩子使用了市售的阅读程序，之后孩子们交换了任务。“数字竞赛”提高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。该团队此后开发了一款更高级的游戏，名为“数字捕捉器”，该游戏锻炼基本的计算技能，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，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，用户比较成对呈现的数学表达式的值。
这些训练方法已显示出在提高患有先天学习障碍儿童的数学能力方面的潜力。在 2011 年的一项初步研究中，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，对于患有称为特纳综合征的遗传疾病的 16 名女孩来说，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。训练后，这些女孩在数字感、处理速度和认知灵活性测试中的得分显著提高。
发音练习
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。阅读障碍是一种大脑难以识别和处理单词的阅读障碍，影响 5% 至 17% 的儿童。20 世纪 90 年代初，罗格斯大学的神经科学家宝拉·塔拉尔假设，在许多情况下，根本原因是听觉障碍，具体来说是检测相似声音（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，塔拉尔和神经科学家迈克尔·梅尔策尼奇（现任加州大学旧金山分校荣誉教授）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某些快速变化的部分，帮助儿童听到和辨别音素。然后，它逐渐加快语速并弱化强调。该软件还会根据孩子的熟练程度，改变声音，使其或多或少相似。
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 名每天使用该程序 20 分钟、每周五天、持续八周的阅读障碍儿童的语言和阅读技能显著提高。他们还在这些年轻人身上看到了负责处理快速变化声音的大脑回路活动增强。在 2015 年的一项研究中，罗格斯大学的神经科学家萨宾娜·海姆领导的团队也揭示，21 名学龄语言障碍儿童在使用 Fast ForWord 进行为期一个月的强化训练后，大脑活动发生了微小变化。这些变化暗示了这些儿童在声音、语言和认知处理方面的进步。
然而，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·胡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。混合的结果可能反映了软件测试方式的差异，包括成人监督其使用和激励儿童参与的程度。毕竟，因沮丧或厌倦而停止使用该程序的孩子不太可能受益。此外，并非所有阅读障碍儿童都患有听觉问题。事实上，最新版本的 Fast ForWord 旨在为更广泛的学生群体服务，通过训练阅读技能（从音素意识到理解策略）以及执行功能。
主流游戏
目前大多数学生脑力训练项目主要针对那些患有可诊断缺陷的人。例如，许多采用 Cogmed 软件的美国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。美国和加拿大也有 500 多家诊所使用 Cogmed，主要用于患有 ADHD 的客户。
然而，这些项目也正在逐渐渗入主流教育。尽管 Fast ForWord 主要是针对有阅读问题的孩子，但在拥有该软件的 4000 多所学校中，许多学校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 14000 名学生已经玩过 Lumosity 教育访问计划 (LEAP) 提供的一套脑力游戏，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其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，”前教师妮可·F·吴说，她现在负责管理 LEAP。“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 岁至 18 岁的学生在一个学期内平均总共玩了 6 小时的 28 款 Lumosity 游戏。这些青少年在神经心理学测试中的得分显著高于 443 名未进行锻炼的学生的得分。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。吴说，训练时间至少达到 10 小时的学生看到了可衡量的益处。
然而，人们对这些益处的重要性产生了怀疑。2014 年 10 月，70 多位心理学家和神经科学家签署了斯坦福大学长寿中心和柏林马克斯·普朗克人类发展研究所发布的一份声明，声明几乎没有科学依据支持“脑力游戏”可以提高日常心理功能的说法。2016 年 1 月，美国联邦贸易委员会指控 Lumosity 的广告具有误导性，声称每周玩三到四次他们的游戏可以提高工作或学习成绩。Lumosity 游戏的开发者 Lumos Labs 支付了 200 万美元来解决这些指控。
在来到伊顿-阿罗史密斯学校之前，玛蒂在正规学校里很挣扎。“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显示成绩全优。学校官员掌握着许多像玛蒂这样的孩子的资料，他们都受到了该课程的帮助。
外部科学家通常觉得阿罗史密斯的方法很有趣，但他们表示，这种方法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，不列颠哥伦比亚大学的教育心理学家琳达·西格尔领导的一项为期 8 个月的对该校课程的小型调查未能表明该课程显著提高了学生在认知和成就测试中的得分。然而，新的数据很可能即将公布。微软首席执行官萨蒂亚·纳德拉和他的妻子阿努捐赠了 10 万美元用于脑成像和其他研究，以评估阿罗史密斯课程。
科学越来越多地表明，大脑远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将采取何种形式，但定期让孩子们的脑力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成为教育的重要组成部分，远胜于现在的状况，”麦基说。