認知科學實驗：通過腦力訓練遊戲開發兒童大腦，真的有用嗎？

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本文選自Scientific Report，作者 Wexler, B. E. et al.，標題 Cognitive Priming and Cognitive Training: Immediate and Far Transfer to Academic Skills in Children. ，來源 Sci. Rep. 6, 32859; doi: 10.1038/srep32859 (2016).譯者穎傑，編輯阿槑。

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玩腦力訓練遊戲真的能提高智力，改善學習效果嗎？美國耶魯大學去年九月份的一項研究稱，特定的計算機腦力訓練遊戲確實有助於提高學生的數學和閱讀考試成績，甚至超過一對一輔導的效果。其理論依據在於，大腦的神經系統具有可塑性，經過嚴格設計的腦力訓練遊戲能夠幫助學生集中注意力，改善自我控制能力，工作記憶和認知靈活性。

整個實驗概括如下：

在以583名二年級兒童作為樣本的實驗研究中，研究者對學校所使用的計算機腦力訓練遊戲的效果進行評估，學校希望利用這種神經可塑性的潛力改善學習。由於認知操作由動態重構神經系統支持，而神經系統是廣泛分布於整個大腦處理組件集成，環境輸入有力地塑造了這些系統的神經元間的連接。

實驗結果顯示：

在數學或閱讀課上的遊戲開始之前，做一個 5 分鐘的腦力訓練遊戲，能夠提升學生們在課程遊戲中的表現。

而持續4個月每周進行三次20分鐘的腦力訓練，與對照組（同一時間進行測試，但未進行腦力訓練的學生）相比，學生整體的數學和閱讀考試成績有所提升。

以上結果證實了具有即時效果的認知啟動對學習的影響，以及具有長期遠遷移效果的腦力訓練對學業成就的影響。

實驗設計：BT遊戲能否激活學生的認知系統？

針對動物和人類的研究指出，大腦的結構和功能基本上由環境產生的神經元活動形成。只引用三個例子來說明：

當聽覺輸入被外科手術替換為視覺輸入，雪貂的聽覺皮層會表現其視覺皮層的結構和功能；

對老鼠的感官系統進行刺激和訓練，可以逆轉年齡相關的神經元校正、髓鞘和細胞結構的變化;

兒童長時間練習小提琴的行為，則與左手相對的右側感覺運動皮質的擴展有關，使得他能做出快速且複雜的手指運動。

醫學科學家已經發明了基於這種神經可塑性潛力的新治療手段。最引人注目的是可以讓盲人「復明」的感覺替代裝置。盲人佩戴一個眼鏡式的相機，將類似電視畫面的圖像發送到放置在舌頭上的小而密集的網格，交由大腦來處理，就好像是由眼睛傳入的。其他研究人員則通過用計算機呈現的神經認知練習，增強神經系統功能不足的精神分裂症或抑鬱症患者的活性依賴性。

這些基礎科學和臨床研究鼓勵研究人員和業界為兒童創造基於計算機的腦力訓練遊戲（brain-training games，簡稱BT），由於大腦具有高度可塑性，我們可以提高注意力，思維能力和學習成績等。然而，針對此項研究，最近有評論稱，對這些項目的評估顯示，其作用很小，甚至沒有超過打BT遊戲能力的提升。但是，神經可塑性的基礎和臨床證據表明，局限性可能在於這款BT遊戲，而非這件事本身，需要做進一步研究，確定BT遊戲可以幫助兒童，特別是在學校應用過程中。

表1.認知啟動效應（標準錯誤）對閱讀表現的影響

我們設計了四種計算機BT遊戲以增加學生的管控功能。管控功能是心理學理論中的一套認知操作系統，在自我管理和信息管理方面十分重要，包括注意力集中，反應抑制，工作記憶和認知靈活性。當我們預測 5-7 歲孩子在學校能否成功時，管控功能就發揮作用。

本研究中使用的第一個遊戲在其初始階段訓練簡單的持續關注，但會系統地添加由判別注意，反應抑制，認知靈活性，工作記憶和同時多重關注構成的管控功能訓練。其他遊戲也需要持續的注意力，但聚焦在使用類別，模式識別或空間工作記憶等方面。他們使用新的演算法，通過不同的任務配置使得每時每刻的難度和進度都達到個性化。

此外，總體上來講，BT遊戲也包括體育鍛煉，有一般的有氧運動和認知要素鍛煉，認知鍛煉用來激活神經認知系統。有研究數據顯示，數千名兒童在集中注意力、反應抑制和工作記憶的研究測試中有顯著提升，而這些遊戲在內容、形式和用戶體驗上都大相徑庭，這表明，其隱含價值超越了訓練遊戲本身，觸及底層認知操作。

本研究旨在評估BT遊戲對數學和閱讀表現的即時影響（認知啟動）和長期影響（學術成就）。

在即將開始數學或閱讀課遊戲之前進行腦力遊戲訓練，真的能提升學生在認知啟動上的表現嗎？

在這幾個月中，相較於那些沒有進行腦力訓練遊戲的學生，BT能提升學生在數學和閱讀標準化考試中的表現嗎？

已經可以確定的是，前置刺激可以改變之後的信息處理。「啟動」一詞表示，可以增強語義上相關單詞的識別、歸類或生成。刺激出現之前的警報提示增強了對刺激的反應，而任務相關的視覺刺激延遲了對視域中相同位置緊接而來刺激的反應。通過處理數學方程的認知操作可以促進後續的語言任務。在fMRI（功能性磁振造影）之前，讀取包含單獨的代詞「I」（「我」）而不是代詞「we」（我們）的文章，能夠增強與觀看自己照片相關聯的右前額葉區域的激活，這一增強又與更快的反應頻率相關。神經系統是分布在整個大腦，相對活躍且互連的運算資源，而認知操作由動態的重新配置的神經系統所支持。任務集是用於執行任務的神經系統配置。如上述研究中的操作啟動構成了部分後續的任務集。

構建有效的任務集是幼兒教育教學中的一項挑戰。在行為層面上，很明顯這需要讓孩子們參與、堅持、理解和記憶。在神經認知層面，學習課程材料所需的管控功能和相關的腦力資源在學校期間保持活躍的發展。

針對第一個問題，我們試圖確定，用於激活與管控功能相關的神經系統的BT遊戲是否可以啟動這些系統，從而幫助大腦構建更有利於學習數學或閱讀的神經認知任務集。如果可行，則可以系統地確定不同學習課程內容所需要的認知啟動類型，以及什麼樣的初始化學習對於每個孩子來說是最好的。

第二個問題則是，在為期幾個月的訓練中，更頻繁地使用BT遊戲來增強神經認知功能。其核心目標是促進與管控功能相關的神經活動的開發。其關鍵問題是，這些結果能否真正讓學生從日常的數學和閱讀課程中學到更多，並在學校的數學或閱讀成績測試中表現得更好。如果是這樣，這將證明BT在遠遷移和學業成績提升上的作用，而這在目前是一個有爭議的問題。

實驗結果：即時效果和長期遠遷移效果

問題1：認知啟動對閱讀和數學表現的影響

閱讀CC遊戲（curricular content game ）

通過啟動模式識別（p

數學CC遊戲（curricular content game ）

通過BT遊戲模式識別（p

根據Keith關於學校學習影響的規則，0.05和0.10之間的影響被認為是小而有意義的，0.10到0.25之間是中等，而0.25以上的影響很大。在評估的16種觸發影響中，11種具有統計學上的顯著性，並且依據指南，11種的八種具有中等影響（表1和2）。

表2.認知啟動效應（標準誤差）對數學表現的影響

圖1.學校數學測試成績。左側欄是控制類中沒有進行大腦訓練的兒童的冬季和春季分數。 右側欄是在兩個測試日期之間進行大腦訓練的兒童的冬季和春季分數。學校設置了熟練度的臨界分數及以下。

問題2：遠遷移之於學校數學和閱讀成就測試

實驗結果：項目參與者比沒有做BT遊戲但進行相同數學和閱讀測試的控制組學生顯示出更大的提升。

在數學考試中，學校系統會根據學生表現進行分類，分為熟練、有風險或有缺陷，如圖1所示（分別為綠色，黃色和紅色）。在年初，達到熟練程度的孩子很少，但到年底時，腦力訓練班比控制組多了12.8％的兒童達到熟練程度。相比於區域平均水平或同樣學校的對照班級，那些在數學和閱讀課程中使用了BT訓練的班級學生顯示出更高的熟練度，但我們並未獲得單個學生的數據進行統計分析。

探討：不同的腦力遊戲激活不同的神經處理系統

在計算機化的數學或閱讀課程內容學習遊戲開始之前，做一個五分鐘的腦激活視頻遊戲，能夠提高課程遊戲的表現。

考慮到這一點，老師們嘗試建立適宜學習的心智/大腦狀態（任務集），比如教室環境（例如，避免分心，良好的光線），以及教學技巧，如「如果你的眼睛不在看我的眼睛，即你沒有注意我」。我們的實驗表明，旨在激活特定的神經認知處理系統的短視頻遊戲可以作為大腦熱身操，提高在視頻遊戲後的認知表現。與教師目前可用的程序相比，視頻遊戲認知啟動可以更直接地建立內部狀態以促進學習，並且對緊隨其後的課程內容產生作用。此外，技術能輕而易舉地使得認知啟動進行調整，以適應不同兒童認知特性可能存在的差異。這些應用也同樣可以用於學校以外的學習和表現情境。

我們的數據顯示了四種BT遊戲之間不同的認知啟動效應，以及對不同的課程內容產生的作用。類別BT（Categories BT ）遊戲對數學CC遊戲的認知啟動影響最大，超過空間工作記憶以及模式識別類（ Pattern Recognition ）的BT遊戲。

相比之下，類別BT遊戲對閱讀CC遊戲的啟動效果是最弱的，模式識別類BT遊戲對其影響最大，這與我們的假設一致：即不同的BT遊戲激活不同的神經處理系統，同時，最合適於學習數學和閱讀的任務集也並不相同。

我們的第二個發現是，在12-16周之間，玩過BT遊戲的孩子在學校數學和閱讀測試中表現比對照組班級有更大的提高，其對數學測試結果（0.49）的影響力大於一對一輔導（0.40）。這一效果通過一個教師和超過20個孩子而不是一個教師對一個孩子來實現，並且在對每一主題需重複輔導的同時改善閱讀表現。數學（0.49）和閱讀（0.18）的結果明顯大於在課後周末和夏季課程的擴展教學。本研究中的發現與許多以前沒有遠遷移的兒童研究相反，這可能是由於BT遊戲本身的特性。本研究中的BT激活和訓練了多項神經認知功能，將其作為通道來激活支持管控功能的神經系統。這與以往最常研究的項目形成對比，那些方案僅關注單維度的認知功能。此外，該項目能夠以個性化的訓練方式來調節其難度配置。最後，當前的BT包括了體育鍛煉以及計算機化鍛煉，這同樣是此前的項目所缺乏的。計算機的呈現和體育鍛煉被設計為協同工作，雖然這可能是本研究中積極結果的一個原因，但這也意味著當前研究中不可能確定每個觀察結果的相對貢獻。此外，我們注意到，本研究不包括主動控制條件，因此留下實驗條件中一些其他非特定方面的可能性，例如放鬆孩子或誘導積極的情緒也可能有助於產生積極結果。然而，我們的BT干預措施效果明顯大於其他學校的干預效果，和「常規教育」相比，這與BT有特定影響的結論也是一致的。

BT的效果在數學測試表現上比在閱讀的更大，但這可能更多地與心理計量特質的表現相關，而非BT本身的屬性。數學測試是一個客觀的紙筆測試，這使其比更主觀化評分和個性化的閱讀測試更為可靠。而且，來自閱讀測試的數據表明，教師評分有限的內在打分可靠性潛在地增加了方差。

圖2.一般管控功能大腦訓練的兩個用戶界面。左側面板的版本是孩子跟著移動光線，並在當它變成一個符合目標標準的寶石時點擊它。在所示的遊戲級別有兩個移動光線，在這一屏幕截圖時，是一個剛剛變成的藍色寶石。屏幕頂部的線索顯示了目標是藍色的寶石。右側面板是相同認知需求和計算機代碼的第二用戶界面。在這一屏幕截圖時，移動透鏡（黃色圓圈）剛剛在板條箱中露出了目標猴子，孩子點擊了它，猴子從箱子中釋放出來並逃走了。遊戲的計算機代碼是使用文本編輯器Sublime（https://www.sublimetext.com/）和在Photoshop（http://www.photoshop.com/）中創建的藝術作品所形成的。

總之，這項研究提供了強有力的證據表明遠遷移大腦訓練對兒童的影響，這是學術界一個重要但存在爭議的問題。此外，這項研究首次表明，在開始在線課程內容遊戲之前，一個簡短的大腦熱身或認知啟動遊戲可以增強學生的表現。這為未來的研究開闢了道路，以確定適用於不同課程內容的大腦激活認知啟動類型，不同兒童之間的個性化差異，同一個兒童在不同時間段發生的變化，以及從長遠來看，即時認知啟動如何促進課程內容的學習。該研究在真實的學校環境中完成，表明BT和認知啟動可能被廣泛應用於基於神經科學和技術賦能的教學中。

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