芥末翻｜认知科学实验：通过脑力训练游戏开发儿童大脑，真的有用吗？
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本文选自Scientific Report，作者 Wexler, B. E. et al.，标题 Cognitive Priming and Cognitive Training: Immediate and Far Transfer to Academic Skills in Children. ，来源 Sci. Rep. 6, 32859; doi: 10.1038/srep32859 (2016).译者颖杰，编辑阿槑。
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玩脑力训练游戏真的能提高智力，改善学习效果吗？美国耶鲁大学去年九月份的一项研究称，特定的计算机脑力训练游戏确实有助于提高学生的数学和阅读考试成绩，甚至超过一对一辅导的效果。其理论依据在于，大脑的神经系统具有可塑性，经过严格设计的脑力训练游戏能够帮助学生集中注意力，改善自我控制能力，工作记忆和认知灵活性。
整个实验概括如下：
在以583名二年级儿童作为样本的实验研究中，研究者对学校所使用的计算机脑力训练游戏的效果进行评估，学校希望利用这种神经可塑性的潜力改善学习。由于认知操作由动态重构神经系统支持，而神经系统是广泛分布于整个大脑处理组件集成，环境输入有力地塑造了这些系统的神经元间的连接。
实验结果显示：
在数学或阅读课上的游戏开始之前，做一个 5 分钟的脑力训练游戏，能够提升学生们在课程游戏中的表现。
而持续4个月每周进行三次20分钟的脑力训练，与对照组（同一时间进行测试，但未进行脑力训练的学生）相比，学生整体的数学和阅读考试成绩有所提升。
以上结果证实了具有即时效果的认知启动对学习的影响，以及具有长期远迁移效果的脑力训练对学业成就的影响。
针对动物和人类的研究指出，大脑的结构和功能基本上由环境产生的神经元活动形成。只引用三个例子来说明：
当听觉输入被外科手术替换为视觉输入，雪貂的听觉皮层会表现其视觉皮层的结构和功能；
对老鼠的感官系统进行刺激和训练，可以逆转年龄相关的神经元校正、髓鞘和细胞结构的变化;
儿童长时间练习小提琴的行为，则与左手相对的右侧感觉运动皮质的扩展有关，使得他能做出快速且复杂的手指运动。
医学科学家已经发明了基于这种神经可塑性潜力的新治疗手段。最引人注目的是可以让盲人“复明”的感觉替代装置。盲人佩戴一个眼镜式的相机，将类似电视画面的图像发送到放置在舌头上的小而密集的网格，交由大脑来处理，就好像是由眼睛传入的。其他研究人员则通过用计算机呈现的神经认知练习，增强神经系统功能不足的精神分裂症或抑郁症患者的活性依赖性。
这些基础科学和临床研究鼓励研究人员和业界为儿童创造基于计算机的脑力训练游戏（brain-training games，简称BT），由于大脑具有高度可塑性，我们可以提高注意力，思维能力和学习成绩等。然而，针对此项研究，最近有评论称，对这些项目的评估显示，其作用很小，甚至没有超过打BT游戏能力的提升。但是，神经可塑性的基础和临床证据表明，局限性可能在于这款BT游戏，而非这件事本身，需要做进一步研究，确定BT游戏可以帮助儿童，特别是在学校应用过程中。
表1.认知启动效应（标准错误）对阅读表现的影响
我们设计了四种计算机BT游戏以增加学生的管控功能。管控功能是心理学理论中的一套认知操作系统，在自我管理和信息管理方面十分重要，包括注意力集中，反应抑制，工作记忆和认知灵活性。当我们预测 5-7 岁孩子在学校能否成功时，管控功能就发挥作用。
本研究中使用的第一个游戏在其初始阶段训练简单的持续关注，但会系统地添加由判别注意，反应抑制，认知灵活性，工作记忆和同时多重关注构成的管控功能训练。其他游戏也需要持续的注意力，但聚焦在使用类别，模式识别或空间工作记忆等方面。他们使用新的算法，通过不同的任务配置使得每时每刻的难度和进度都达到个性化。
此外，总体上来讲，BT游戏也包括体育锻炼，有一般的有氧运动和认知要素锻炼，认知锻炼用来激活神经认知系统。有研究数据显示，数千名儿童在集中注意力、反应抑制和工作记忆的研究测试中有显著提升，而这些游戏在内容、形式和用户体验上都大相径庭，这表明，其隐含价值超越了训练游戏本身，触及底层认知操作。
本研究旨在评估BT游戏对数学和阅读表现的即时影响（认知启动）和长期影响（学术成就）。
在即将开始数学或阅读课游戏之前进行脑力游戏训练，真的能提升学生在认知启动上的表现吗？
在这几个月中，相较于那些没有进行脑力训练游戏的学生，BT能提升学生在数学和阅读标准化考试中的表现吗？
已经可以确定的是，前置刺激可以改变之后的信息处理。“启动”一词表示，可以增强语义上相关单词的识别、归类或生成。刺激出现之前的警报提示增强了对刺激的反应，而任务相关的视觉刺激延迟了对视域中相同位置紧接而来刺激的反应。通过处理数学方程的认知操作可以促进后续的语言任务。在fMRI（功能性磁振造影）之前，读取包含单独的代词“I”（“我”）而不是代词“we”（我们）的文章，能够增强与观看自己照片相关联的右前额叶区域的激活，这一增强又与更快的反应频率相关。神经系统是分布在整个大脑，相对活跃且互连的运算资源，而认知操作由动态的重新配置的神经系统所支持。任务集是用于执行任务的神经系统配置。如上述研究中的操作启动构成了部分后续的任务集。
构建有效的任务集是幼儿教育教学中的一项挑战。在行为层面上，很明显这需要让孩子们参与、坚持、理解和记忆。在神经认知层面，学习课程材料所需的管控功能和相关的脑力资源在学校期间保持活跃的发展。
针对第一个问题，我们试图确定，用于激活与管控功能相关的神经系统的BT游戏是否可以启动这些系统，从而帮助大脑构建更有利于学习数学或阅读的神经认知任务集。如果可行，则可以系统地确定不同学习课程内容所需要的认知启动类型，以及什么样的初始化学习对于每个孩子来说是最好的。
第二个问题则是，在为期几个月的训练中，更频繁地使用BT游戏来增强神经认知功能。其核心目标是促进与管控功能相关的神经活动的开发。其关键问题是，这些结果能否真正让学生从日常的数学和阅读课程中学到更多，并在学校的数学或阅读成绩测试中表现得更好。如果是这样，这将证明BT在远迁移和学业成绩提升上的作用，而这在目前是一个有争议的问题。
阅读CC游戏（curricular content game ）
通过启动模式识别（p <0.001），普通管控功能（p <0.001）和空间工作记忆（p = 0.01）等脑力训练游戏，学生阅读CC游戏的准确率有所提高。当速度和准确率一起考虑时，所有四种BT游戏的积极效果是更大且显着（类别p = 0.05，所有其他p <0.0001）。模式识别游戏具有最大的效果，而类别游戏效果最小，两者之间差异显著（p = 0.08）（表1）。
数学CC游戏（curricular content game ）
通过BT游戏模式识别（p <0.001）启动，数学CC游戏的准确率明显增强，并且通用管控功能和空间工作记忆，BT游戏的效果显著（p=0.07）。BT游戏在模式识别和空间工作记忆上的效果差异也十分大（p = 0.095）。当速度和准确性一起考虑时，所有四个BT游戏的积极效果再次更大且显著：一般管控功能p = 0.000001，类别p <0.000001，模式识别p = 0.001，以及空间工作记忆p = 0.008。类别BT游戏比空间工作存储器（p = 0.016）或模式识别（p = 0.034）BT游戏（表2）有更大的性能增强。
根据Keith关于学校学习影响的规则，0.05和0.10之间的影响被认为是小而有意义的，0.10到0.25之间是中等，而0.25以上的影响很大。在评估的16种触发影响中，11种具有统计学上的显著性，并且依据指南，11种的八种具有中等影响（表1和2）。
表2.认知启动效应（标准误差）对数学表现的影响
实验结果：项目参与者比没有做BT游戏但进行相同数学和阅读测试的控制组学生显示出更大的提升。
在数学（74.10 +/- 16.7 vs. 74.23 +/- 15.6）或阅读（22.65 +/- 5.5 vs. 22.54 +/- 5.8）中，BT和对照组之间基线分数（平均值+/- sd）没有差异。如由时间交互组所显示的，在测试后组中的差异更大，数学（91.67 +/- 10.8 vs. 86.25 +/- 12.4）和阅读（29.92 +/- 6.2 vs. 29.18 +/- 4.8 ）。效应大小（Cohen's d）对于数学为0.49，对于阅读为0.18。当不排除具有完美或接近完美基线得分的受试者（参见“方法”）时，对数学的影响在p <0.001时仍显著，但是对阅读的影响不显著。
在数学考试中，学校系统会根据学生表现进行分类，分为熟练、有风险或有缺陷，如图1所示（分别为绿色，黄色和红色）。在年初，达到熟练程度的孩子很少，但到年底时，脑力训练班比控制组多了12.8％的儿童达到熟练程度。相比于区域平均水平或同样学校的对照班级，那些在数学和阅读课程中使用了BT训练的班级学生显示出更高的熟练度，但我们并未获得单个学生的数据进行统计分析。
在计算机化的数学或阅读课程内容学习游戏开始之前，做一个五分钟的脑激活视频游戏，能够提高课程游戏的表现。
考虑到这一点，老师们尝试建立适宜学习的心智/大脑状态（任务集），比如教室环境（例如，避免分心，良好的光线），以及教学技巧，如“如果你的眼睛不在看我的眼睛，即你没有注意我”。我们的实验表明，旨在激活特定的神经认知处理系统的短视频游戏可以作为大脑热身操，提高在视频游戏后的认知表现。与教师目前可用的程序相比，视频游戏认知启动可以更直接地建立内部状态以促进学习，并且对紧随其后的课程内容产生作用。此外，技术能轻而易举地使得认知启动进行调整，以适应不同儿童认知特性可能存在的差异。这些应用也同样可以用于学校以外的学习和表现情境。
我们的数据显示了四种BT游戏之间不同的认知启动效应，以及对不同的课程内容产生的作用。类别BT（Categories BT ）游戏对数学CC游戏的认知启动影响最大，超过空间工作记忆以及模式识别类（ Pattern Recognition ）的BT游戏。
相比之下，类别BT游戏对阅读CC游戏的启动效果是最弱的，模式识别类BT游戏对其影响最大，这与我们的假设一致：即不同的BT游戏激活不同的神经处理系统，同时，最合适于学习数学和阅读的任务集也并不相同。
我们的第二个发现是，在12-16周之间，玩过BT游戏的孩子在学校数学和阅读测试中表现比对照组班级有更大的提高，其对数学测试结果（0.49）的影响力大于一对一辅导（0.40）。这一效果通过一个教师和超过20个孩子而不是一个教师对一个孩子来实现，并且在对每一主题需重复辅导的同时改善阅读表现。数学（0.49）和阅读（0.18）的结果明显大于在课后周末和夏季课程的扩展教学。本研究中的发现与许多以前没有远迁移的儿童研究相反，这可能是由于BT游戏本身的特性。本研究中的BT激活和训练了多项神经认知功能，将其作为通道来激活支持管控功能的神经系统。这与以往最常研究的项目形成对比，那些方案仅关注单维度的认知功能。此外，该项目能够以个性化的训练方式来调节其难度配置。最后，当前的BT包括了体育锻炼以及计算机化锻炼，这同样是此前的项目所缺乏的。计算机的呈现和体育锻炼被设计为协同工作，虽然这可能是本研究中积极结果的一个原因，但这也意味着当前研究中不可能确定每个观察结果的相对贡献。此外，我们注意到，本研究不包括主动控制条件，因此留下实验条件中一些其他非特定方面的可能性，例如放松孩子或诱导积极的情绪也可能有助于产生积极结果。然而，我们的BT干预措施效果明显大于其他学校的干预效果，和“常规教育”相比，这与BT有特定影响的结论也是一致的。
BT的效果在数学测试表现上比在阅读的更大，但这可能更多地与心理计量特质的表现相关，而非BT本身的属性。数学测试是一个客观的纸笔测试，这使其比更主观化评分和个性化的阅读测试更为可靠。而且，来自阅读测试的数据表明，教师评分有限的内在打分可靠性潜在地增加了方差。
图2.一般管控功能大脑训练的两个用户界面。左侧面板的版本是孩子跟着移动光线，并在当它变成一个符合目标标准的宝石时点击它。在所示的游戏级别有两个移动光线，在这一屏幕截图时，是一个刚刚变成的蓝色宝石。屏幕顶部的线索显示了目标是蓝色的宝石。右侧面板是相同认知需求和计算机代码的第二用户界面。在这一屏幕截图时，移动透镜（黄色圆圈）刚刚在板条箱中露出了目标猴子，孩子点击了它，猴子从箱子中释放出来并逃走了。游戏的计算机代码是使用文本编辑器Sublime（https://www.sublimetext.com/）和在Photoshop（http://www.photoshop.com/）中创建的艺术作品所形成的。
总之，这项研究提供了强有力的证据表明远迁移大脑训练对儿童的影响，这是学术界一个重要但存在争议的问题。此外，这项研究首次表明，在开始在线课程内容游戏之前，一个简短的大脑热身或认知启动游戏可以增强学生的表现。这为未来的研究开辟了道路，以确定适用于不同课程内容的大脑激活认知启动类型，不同儿童之间的个性化差异，同一个儿童在不同时间段发生的变化，以及从长远来看，即时认知启动如何促进课程内容的学习。该研究在真实的学校环境中完成，表明BT和认知启动可能被广泛应用于基于神经科学和技术赋能的教学中。
点击阅读原文，查看实验完整结果。
声明
本翻译仅作了解之用，并非用于学术研究或商业决策。芥末堆海外翻译社群的小伙伴们力求将关键理念与思想更广泛地传播至中文区域，故部分表达可能与原文有所差异。
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脑力开发游戏真的有用吗？
作者：Wexler, B. E. et al
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