圖片來源：Unsplash

近年來，游戲化學(xué)習(xí)備受關(guān)注，眾多研究從不同視角證實(shí)了游戲的教育功能。作為學(xué)習(xí)科學(xué)的重要研究領(lǐng)域，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)促進(jìn)了人類對腦學(xué)習(xí)機(jī)制的探索研究，為游戲化學(xué)習(xí)的研究與設(shè)計(jì)提供了重要支持。本文梳理了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)W(xué)習(xí)過程的理解，介紹了可應(yīng)用于教育研究的腦科學(xué)研究工具，以及認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)在閱讀與數(shù)學(xué)領(lǐng)域的研究成果；在此基礎(chǔ)上，調(diào)研了利用腦科學(xué)研究方法證實(shí)的游戲化學(xué)習(xí)對認(rèn)知、情緒以及學(xué)科學(xué)習(xí)的相關(guān)研究，分析了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)對于游戲化學(xué)習(xí)重要價(jià)值，并展望了基于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的游戲化學(xué)習(xí)研究的未來發(fā)展前景。

一、引言

當(dāng)前游戲化學(xué)習(xí)備受關(guān)注，教育游戲?qū)τ诩ぐl(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī) [1,2]、發(fā)展認(rèn)知能力 [3]、促進(jìn)學(xué)生參與 [4, 5]，以及培養(yǎng)學(xué)生 21 世紀(jì)所需的高階能力 [6] 等功能得到了眾多研究的證明。寓教于樂的教學(xué)理念也逐漸得到認(rèn)可，游戲化學(xué)習(xí)與學(xué)校教育進(jìn)行整合成為其發(fā)展趨勢。國內(nèi)外一些學(xué)校已經(jīng)進(jìn)行了游戲化學(xué)習(xí)模式的探索。例如，美國紐約公立學(xué)校 Quest to Learn 以游戲化學(xué)習(xí)的方式開展教學(xué)活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和系統(tǒng)性思維，其游戲化教學(xué)機(jī)制的成果吸引了廣泛的關(guān)注。近年來，也出現(xiàn)了聲稱能夠促進(jìn)認(rèn)知能力發(fā)展的大腦游戲，較為有代表性的是商業(yè)游戲 Lumosity，并有研究者通過腦成像技術(shù)來評估游戲化學(xué)習(xí)的成效 [7]。

有關(guān)教育游戲功能的實(shí)證研究來源于多學(xué)科研究領(lǐng)域，如心理學(xué)、社會(huì)學(xué)等，其中認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域 [8, 9]。作為神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知心理學(xué)的交叉學(xué)科，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)是學(xué)習(xí)科學(xué)研究的重要領(lǐng)域。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)對人腦以及認(rèn)知能力的研究可為教育游戲的開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)與理論支撐，也為驗(yàn)證教育游戲功能提供了科學(xué)的研究方法。

本文對基于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的游戲化學(xué)習(xí)的研究文獻(xiàn)進(jìn)行了全面調(diào)研，首先分析了大腦的核心特征——可塑性，大腦在時(shí)刻發(fā)生變化，這是證明教育能夠促進(jìn)人的認(rèn)知能力發(fā)展的前提；介紹了非侵入性腦研究技術(shù)的發(fā)展，闡述了腦科學(xué)與教育研究相結(jié)合在語言和算術(shù)領(lǐng)域的研究成果。其次分析了游戲在促進(jìn)人的工作記憶、視覺能力、注意力等認(rèn)知能力方面的作用，介紹了利用游戲進(jìn)行數(shù)學(xué)與閱讀學(xué)習(xí)的研究案例，同時(shí)探討了游戲化學(xué)習(xí)對學(xué)習(xí)過程中積極情緒的塑造作用。

二、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與教育

1、教育與人腦的可塑性：經(jīng)驗(yàn)決定的發(fā)展過程

認(rèn)知發(fā)展與腦發(fā)展同步的這一假設(shè)是將心理、腦和教育整合在一起的動(dòng)力 [10]。腦能夠?qū)W習(xí)是因?yàn)槠渚哂锌伤苄?，能夠根?jù)環(huán)境刺激產(chǎn)生改變，適應(yīng)環(huán)境的能力是腦與生俱來的固有屬性以及核心特征——即可塑性 [11]。在出生時(shí)，所有的神經(jīng)元都已經(jīng)具備，然而腦皮層中的大部分神經(jīng)元都還沒有充分建立連接，在出生之后經(jīng)過幾年的發(fā)展，腦才最終形成復(fù)雜的功能結(jié)構(gòu) [12]。一篇發(fā)表在Science期刊上的研究通過比較受教育程度不同的成人的大腦結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)讀寫方面的教育改變了大腦相應(yīng)的腦結(jié)構(gòu)功能 [13]。

對大腦可塑性的研究豐富了對教育的理解。Dehaene 基于在算術(shù)和閱讀領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)，將教育定義為一種神經(jīng)元的再利用過程 [14]。神經(jīng)科學(xué)家將學(xué)習(xí)看作腦加工的過程，是腦對刺激產(chǎn)生的反應(yīng)，它包括腦對信息的感知、處理和整合 [15]。將腦的生長周期與學(xué)習(xí)模式直接聯(lián)系起來的研究將會(huì)提供對學(xué)習(xí)過程的有效說明，將認(rèn)知發(fā)展周期與教育評價(jià)量表結(jié)合起來的研究是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)對教育研究與實(shí)踐的一項(xiàng)杰出貢獻(xiàn) [16]。教育者可以從對腦變化的最初狀態(tài)、發(fā)展軌跡及最終狀態(tài)的理解中獲益 [17]。

基于腦的可塑性，認(rèn)知神經(jīng)領(lǐng)域的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)腦在特定時(shí)期的發(fā)展極易受經(jīng)驗(yàn)的影響 [18]，在此期間，應(yīng)給予學(xué)習(xí)者適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)體驗(yàn)以促進(jìn)認(rèn)知能力的發(fā)展。在這些適合特定技能學(xué)習(xí)的“敏感期”或“機(jī)遇期”內(nèi)，腦需要特定類型的刺激，以實(shí)現(xiàn)并保持相關(guān)腦結(jié)構(gòu)的發(fā)展，科學(xué)家已經(jīng)提出了某些特定的學(xué)習(xí)敏感期，如語音敏感期、視覺敏感期以及一些特定的情緒敏感期等。例如，如果在 1 至 3 歲就接觸一門外語，語法是由大腦左半球來處理，說母語的人也是如此，但是當(dāng)這個(gè)過程被延遲時(shí)，大腦成像結(jié)果顯示出一種異常的活動(dòng)模式，即接觸第二語言太晚導(dǎo)致學(xué)習(xí)語法非常困難 [19]。對敏感期的學(xué)習(xí)過程的研究有助于開發(fā)與敏感期相適應(yīng)的教育方法，促進(jìn)更加有效的學(xué)習(xí)。

2、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的技術(shù)發(fā)展

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究進(jìn)展也得益于技術(shù)設(shè)備的快速發(fā)展，EEG、fNIRS 以及 fMRI 等技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于針對兒童的實(shí)驗(yàn)研究，這些方法有助于人們更加清楚地了解大腦的功能。采用這些技術(shù)進(jìn)行的神經(jīng)科學(xué)研究的基本假設(shè)是任務(wù)對腦提出特別需求，這些需求導(dǎo)致化學(xué)的、電的神經(jīng)活動(dòng)的變化 [20]，這些變化引發(fā)了心律、肌肉活動(dòng)、血壓等大量生理反應(yīng) [21]，可以通過技術(shù)設(shè)備捕捉到相關(guān)數(shù)據(jù)。

>>功能磁共振成像

功能磁共振成像技術(shù)（fMRI）可以使我們得到關(guān)于血氧的一系列全腦影像，血氧與神經(jīng)元互動(dòng)緊密相連 [22]。這項(xiàng)技術(shù)可以讓神經(jīng)科學(xué)家觀測到在執(zhí)行任務(wù)時(shí)腦活動(dòng)的變化。其原理是任務(wù)會(huì)激活特定的腦區(qū)，更多的血液流向這些細(xì)胞，這些區(qū)域的含氧量增加。而這項(xiàng)技術(shù)的巨大的筒狀磁體掃描器會(huì)形成由腦細(xì)胞中水分子產(chǎn)生的磁共振信號圖像；該技術(shù)的空間分辨率較高，但同時(shí)也存在一定的缺陷，如噪音較大、參與者需要保持靜止、設(shè)備成本巨大等 [23]。

>>功能近紅外光譜

與 fMRI 原理類似，fNIRS 信號也能夠反應(yīng)腦中血流量的動(dòng)態(tài)狀況，這種技術(shù)能夠監(jiān)測顱骨下幾毫米的地方，與學(xué)習(xí)有關(guān)的高級認(rèn)知功能都位于大腦組織的表層；其限制在于不能監(jiān)測深層的腦組織活動(dòng)，頭發(fā)對光學(xué)信號有干擾，時(shí)間分辨率較低，因此目前 fNIRS 大多是作為驗(yàn)證工具使用，是其他腦成像技術(shù)（如EEG）的補(bǔ)充 [24]。

>>腦電圖和事件相關(guān)誘發(fā)電位

EEG 是一種測量腦電活動(dòng)的非侵入性方法，它能夠反應(yīng)腦電的變化。EEG 和 ERPs 包括能夠套在頭皮上記錄顱骨表面低振幅腦電活動(dòng)的電極，對大腦自發(fā)的自然節(jié)律的記錄被稱為腦電圖（EEG）；EEG 和 ERPs 在追蹤腦電活動(dòng)方面具有毫秒級的電位活動(dòng)差異敏感度，能夠?yàn)樯窠?jīng)處理的時(shí)間進(jìn)程提供依據(jù)，這項(xiàng)技術(shù)使研究者能夠根據(jù)腦電波節(jié)律中神經(jīng)震動(dòng)的幅度、頻率和強(qiáng)度分析人類認(rèn)知任務(wù)過程中的認(rèn)知結(jié)構(gòu) [25]。

Antonenko 等人關(guān)于應(yīng)用于教育研究的神經(jīng)影像學(xué)的綜述介紹了 fMRI 等測量腦血流的方法具有較高的空間分辨率，EEG 和 ERPs 可以直接測量腦電活動(dòng)，時(shí)間分辨率較高，但其共同的局限性是生態(tài)效度較低，因?yàn)樯窠?jīng)科學(xué)研究中所使用的任務(wù)大部分都是短期的、脫離情境的，而教育研究所使用的任務(wù)是嵌入在復(fù)雜的社會(huì)環(huán)境中，涉及到“真實(shí)”學(xué)習(xí)境脈的教育神經(jīng)科學(xué)研究尚處于起步階段 [26]。同時(shí)，部分方法對實(shí)驗(yàn)環(huán)境有高度的依賴，如 fMRI 在掃描的過程中會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲，因此廣泛地針對兒童開展研究是較為困難的。

3、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究在語言、算術(shù)領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)

將腦科學(xué)研究成果與教育行為相聯(lián)系的領(lǐng)域已經(jīng)碩果累累，并具有一定的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性，尤其是語言和算術(shù)領(lǐng)域 [27]。神經(jīng)科學(xué)在診斷和確定有效的干預(yù)中，在閱讀障礙、計(jì)算障礙和老年癡呆方面的貢獻(xiàn)是最明確的：雖然閱讀障礙的原因依然不清楚，但研究者認(rèn)為閱讀障礙主要源于聽覺皮層（有時(shí)可能是視覺皮層）的非典型性特征；而關(guān)于計(jì)算能力，正規(guī)的數(shù)學(xué)教育應(yīng)當(dāng)建立在已有的非正式數(shù)學(xué)的理解基礎(chǔ)上，因?yàn)槿祟惓錾途哂幸詳?shù)字的方式理解世界的生物本能；基于數(shù)字運(yùn)算與空間認(rèn)知所涉及的腦區(qū)研究，將數(shù)字與空間聯(lián)系起來的教學(xué)方法是非常有效的 [28]。

>>語言

腦中確實(shí)有專門負(fù)責(zé)語言功能的結(jié)構(gòu)，研究已確定了左側(cè)額下回以及左側(cè)顳中回后部的功能：布洛卡區(qū)位于額下回，與語言的產(chǎn)生、言語加工和言語理解有關(guān)；威爾尼克區(qū)位于左半球顳葉與頂葉的交匯處，與言語識別功能有關(guān)，如詞匯理解 [29]。嬰幼兒在出生幾個(gè)月內(nèi)就能辨別相似輔音和相似元音之間的細(xì)小區(qū)別，無論是母語還是外語都是如此 [30]。兒童和成人用于讀取字母文字的主要系統(tǒng)偏向左腦 [31]。當(dāng)處理視覺特性、字母形狀及拼字法時(shí)，大腦的枕顳區(qū)最活躍 [32]，隨著閱讀技能的提升，發(fā)生在這些區(qū)域中的激活會(huì)增加 [33]；而對那些有發(fā)展性閱讀障礙的兒童來說，發(fā)生在這些區(qū)域的激活則會(huì)消失 [34]。

閱讀需要掌握一系列的復(fù)雜技能，對腦的閱讀加工進(jìn)程了解得越多，教師和學(xué)生就能更好地應(yīng)對閱讀障礙 [35]。目前為止，對閱讀理解最透徹、受到最廣泛認(rèn)同的閱讀模型“雙通道理論”也得到了神經(jīng)科學(xué)的研究支持 [36]，相關(guān)研究也證明了通過有聲方法以及全語言的方法開展閱讀教學(xué)的重要性 [37]。

語言發(fā)展存在著敏感期，第二語言學(xué)習(xí)涉及語法加工和語義加工這兩個(gè)過程，它們依賴于腦的不同的神經(jīng)系統(tǒng)，語言學(xué)習(xí)越早，腦就能越有效地學(xué)習(xí)這門語言：如果將 1-3 歲的小孩兒放在外語的環(huán)境中，腦就會(huì)以加工母語的方式運(yùn)用左半球加工語法信息；但如果 4-6 歲時(shí)開始學(xué)習(xí)外語，腦就需要通過兩個(gè)半球來加工語法信息；在 11-13 歲的時(shí)候開始接觸外語，腦成像研究發(fā)現(xiàn)其激活模式已經(jīng)發(fā)生異常；同時(shí)語音知識在 12 歲前學(xué)習(xí)更有效 [38]。

>>算術(shù)

雖然神經(jīng)科學(xué)在計(jì)算能力方面的研究尚處于起步階段，但該領(lǐng)域已在過去十年中取得了顯著進(jìn)展，部分腦結(jié)構(gòu)被認(rèn)為從基因上就是分配給數(shù)感的 [39]。耶魯大學(xué)的 McCrink 和 Wynn 教授的研究結(jié)果證明嬰兒有基于數(shù)量的估算能力，1 個(gè)月大的嬰兒就能注意到周圍物體的數(shù)量 [40]。在原始數(shù)感的基礎(chǔ)上，通過與環(huán)境的不斷聯(lián)系，兒童就能發(fā)展自己的數(shù)學(xué)能力。

目前已經(jīng)知道數(shù)感系統(tǒng)由兩側(cè)的內(nèi)溝區(qū)支撐，頂葉在各種數(shù)學(xué)運(yùn)算中發(fā)揮了根本性的作用，幾乎所有的算術(shù)與數(shù)量運(yùn)算都要應(yīng)用頂葉，尤其是頂內(nèi)溝 [41]。頂內(nèi)溝可能還是數(shù)學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心，近來的神經(jīng)成像研究揭示了計(jì)算障礙兒童頂內(nèi)溝的特殊結(jié)構(gòu)和功能特征，頂內(nèi)溝受損會(huì)引起嚴(yán)重的加法和減法運(yùn)算缺陷，而且基本的數(shù)字理解如近似、數(shù)量估計(jì)和比較能力也會(huì)受到嚴(yán)重影響 [42]。

一系列固定的腦區(qū)在算術(shù)過程中會(huì)有系統(tǒng)性的激活，其中左、右頂內(nèi)溝及左、右前中溝激活最顯著 [43]。簡單的數(shù)量運(yùn)算都需要多個(gè)腦區(qū)的協(xié)作，僅就數(shù)量表征而言，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究成果支持了“三重編碼模型”的三個(gè)層面的數(shù)量加工方式（數(shù)量、視覺和文字）：例如“threeness”的抽象數(shù)量表征依賴于下頂葉回路；視覺表征涉及下枕-顳葉皮層，如阿拉伯?dāng)?shù)字“3”的數(shù)字表征；而“three”的語言表征則只依賴于左半球的下枕-顳葉 [44]。

也有研究基于腦成像實(shí)驗(yàn)，考察了數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)依賴于語言能力與視空間表征（visuo-spatial representations）[45]。一些數(shù)學(xué)的計(jì)算知識，例如乘法口訣，是作為陳述性知識通過語言系統(tǒng)進(jìn)行記憶加工的 [46]。而更加復(fù)雜的計(jì)算則涉及了視空間區(qū)域，這說明了多數(shù)位（multi-digit）運(yùn)算中視覺心像（visual mental imagery）的重要性 [47]。手指計(jì)數(shù)是獲得計(jì)算技能的重要發(fā)展策略，手指數(shù)數(shù)所激活的頂葉前運(yùn)動(dòng)區(qū)（parietal-premotor）也在計(jì)算時(shí)被激活 [48]。

三、基于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的游戲化學(xué)習(xí)研究

1、電子游戲與認(rèn)知能力發(fā)展

認(rèn)知功能是指使信息處理和知識發(fā)展得以進(jìn)行的一系列過程，不僅包括感知覺、學(xué)習(xí)與記憶、意識等功能，還包括社會(huì)行為、決策、推理等方面 [49]。近年來，游戲?qū)τ诖龠M(jìn)認(rèn)知能力發(fā)展的功能也被基于腦科學(xué)方法的一系列研究證實(shí)。

電子游戲可以改善工作記憶。有研究表明玩超級瑪麗游戲（Super Mario）可以增加與工作記憶能力對應(yīng)腦區(qū)的大腦灰質(zhì)。在這項(xiàng)研究中，實(shí)驗(yàn)組的參與者每天玩 30 分鐘游戲，總共持續(xù)兩個(gè)月，研究發(fā)現(xiàn)右側(cè)海馬結(jié)構(gòu)（HC）、右側(cè)背側(cè)前額葉皮質(zhì)（DLPFC）以及雙側(cè)小腦結(jié)構(gòu)的灰質(zhì)都有顯著的增加，這些區(qū)域與工作能力工作記憶相關(guān) [50]。也有研究證明，采用自適應(yīng)性軟件進(jìn)行訓(xùn)練可以引發(fā)前額葉和頂葉皮層激活程度的提高，而前額葉和頂葉皮層的激活程度與工作記憶容量呈正相關(guān) [51]。

新一代三維游戲?qū)ν婕业淖⒁饬μ岢隽溯^高的要求，玩游戲促進(jìn)了注意力的發(fā)展。一項(xiàng)利用 ERPs 方法的研究證明玩第一人稱射擊游戲能夠改變支持注意力的神經(jīng)過程：在研究中，25 個(gè)參與者需要完成一個(gè)視覺區(qū)域注意任務(wù)（an attentional visual field task），總共時(shí)間是 10 小時(shí)，在游戲前和游戲后進(jìn)行 ERPs 測量；雖然 ERPs 的結(jié)果顯示游戲并沒有影響參與者的自下而上（bottom-up）的注意力，但任務(wù)成績顯著提高的參與者在后期的視覺 ERPs 的幅度增加；這些電勢被認(rèn)為能夠通過對干擾的抑制，促進(jìn)自上而下（top-down）的空間選擇注意；但學(xué)習(xí)者的個(gè)體差異也讓游戲玩家在游戲中的受益是不同的 [52]。另外一項(xiàng)運(yùn)用腦成像方法的研究通過比較游戲玩家和非游戲玩家的腦的注意神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用以及干擾信息的處理過程解釋了動(dòng)作游戲促進(jìn)視覺選擇注意的神經(jīng)機(jī)制：在受到移動(dòng)物體的干擾時(shí)，游戲玩家的視覺敏感區(qū)域的激活程度較非游戲玩家更低，這說明游戲玩家有更好的對早期無關(guān)信息進(jìn)行篩選的能力；而隨著游戲?qū)ψ⒁饬Φ囊筇岣?，非游戲玩家的頂葉區(qū)域有更多的利用，與之對比，在相同條件下，游戲玩家很少利用這個(gè)區(qū)域，額頂葉區(qū)域的激活被抑制表明動(dòng)作游戲玩家可以更加輕松地進(jìn)行注意力的分配，能夠更有效地對早期無關(guān)信息進(jìn)行篩選 [53]。

動(dòng)作游戲促進(jìn)了視覺能力的發(fā)展，包括視覺的空間解決、即時(shí)處理和敏感性 [54]。在玩電子游戲方面投入較多時(shí)間的年輕人的一系列視覺能力比非電子游戲玩家要好，他們能夠關(guān)注到更多的物體，并能對變化的視覺信息進(jìn)行有效加工 [55]。在視力發(fā)展敏感期的非正常視覺體驗(yàn)會(huì)中斷視覺皮層的神經(jīng)回路，進(jìn)而導(dǎo)致非正常的空間視覺以及弱視，有研究證明玩電子游戲能夠促進(jìn)患有弱視的成人視覺系統(tǒng)的可塑性，實(shí)驗(yàn)參與者用患有弱視的一側(cè)眼睛玩電子游戲（動(dòng)作游戲或非動(dòng)作游戲），在短期內(nèi)（40-80 小時(shí)，每天 2 小時(shí)）可以引發(fā)多重視覺功能的改善，包括視覺準(zhǔn)確性（visual acuity）、位置視力（positional acuity）、空間注意力（spatial attention）以及立體視覺（stereopsis）[56]。

Spence 和 Feng 對電子游戲促進(jìn)空間認(rèn)知的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述。該研究認(rèn)為密集的電腦游戲也有可能帶來大腦和行為的改變；其綜述的實(shí)驗(yàn)表明玩動(dòng)作游戲能夠促進(jìn)支持空間認(rèn)知能力的許多基礎(chǔ)能力的發(fā)展，如感覺能力、知覺能力、以及注意能力。這些基礎(chǔ)的能力涉及空間解析、注意力、列舉計(jì)算、多重物體追蹤、視覺動(dòng)作協(xié)調(diào)等。除了改善較為基礎(chǔ)的任務(wù)表現(xiàn)，玩動(dòng)作游戲?qū)ν瓿蓮?fù)雜的空間任務(wù)也有好處，例如“心像旋轉(zhuǎn)”，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)遷移 [57]。

電子游戲有助于對抗由年齡增加造成的神經(jīng)認(rèn)知功能的下降?；谌四X的認(rèn)知能力發(fā)展，也有商業(yè)公司開發(fā)了腦訓(xùn)練游戲。Lumosity 網(wǎng)站提供了一系列游戲，并聲稱能夠改善各種核心認(rèn)知技能，包括記憶、注意、速度處理、心理靈活性、空間定位、邏輯推理以及問題解決能力 [58]，圖1就是通過安排小火車來培養(yǎng)注意力。有研究證明 Lumosity 游戲?qū)τ诖龠M(jìn)老年人的視覺空間工作記憶和情景記憶的功能效果，19 位老年人接受了總共 15 次，每次 1 小時(shí)的電子游戲訓(xùn)練，區(qū)別于控制組（20 位老人），接受游戲訓(xùn)練的老人的工作記憶有顯著改善，同時(shí)其效果可以保持 3 個(gè)月。電子游戲訓(xùn)練可能是改善老人工作記憶和其他認(rèn)知功能的有效干預(yù)工具 [59]。Nature雜志也曾報(bào)道過一項(xiàng)利用腦科學(xué)研究方法開展的研究，該研究證明自適應(yīng)性的三維電子游戲（NeuroRacer）可以促進(jìn)老年人的認(rèn)知控制能力的發(fā)展，其效果會(huì)保持六個(gè)月，訓(xùn)練也帶來了注意力保持和工作記憶等認(rèn)知能力的改善 [60]。

圖 1   Lumosity 游戲界面

Bavelier 等人的文章綜述了游戲的復(fù)雜訓(xùn)練環(huán)境（training environments）能夠塑造大腦并促進(jìn)學(xué)習(xí)，將游戲促進(jìn)學(xué)習(xí)的機(jī)制理解為游戲能夠增強(qiáng)人的學(xué)習(xí)能力，即學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)的能力（Learning to Learn）。該文章的研究者認(rèn)為游戲雖然沒有教授新的概念或者事實(shí)，但游戲培養(yǎng)了學(xué)生的注意力和控制力，這都是學(xué)校學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)；動(dòng)作游戲促進(jìn)了人的視力發(fā)展，以及視覺短期記憶、多任務(wù)處理、執(zhí)行能力等認(rèn)知能力，還促進(jìn)了心理旋轉(zhuǎn)能力，提高了與學(xué)校的數(shù)學(xué)成就呈正相關(guān)的空間認(rèn)知能力；文章同時(shí)綜述了游戲?qū)Υ龠M(jìn)決策能力發(fā)展的作用，動(dòng)作游戲玩家單位時(shí)間的平均信息處理量比非動(dòng)作玩家的信息處理量多了 20%，動(dòng)作游戲也加速了反應(yīng)時(shí)間，讓人能夠?qū)Νh(huán)境變化迅速而準(zhǔn)確地做出決定，多重維度的注意力也可以在玩動(dòng)作游戲的過程中得到改善 [61]。

2、電子游戲與學(xué)科學(xué)習(xí)

近年來，研究者也在逐步應(yīng)用腦科學(xué)的研究成果進(jìn)行教育游戲的設(shè)計(jì)，試圖架起認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與教育科學(xué)的橋梁。同時(shí)，腦科學(xué)的研究方法也為游戲化學(xué)習(xí)研究提供了新的工具。在教育范疇內(nèi)研究的注意力、工作記憶、社會(huì)認(rèn)知、焦慮、動(dòng)機(jī)和獎(jiǎng)勵(lì)也可以通過神經(jīng)科學(xué)的方法研究 [62]。下面就來分析幾個(gè)典型案例。

案例一：分?jǐn)?shù)游戲：Refraction

Refraction 這款設(shè)計(jì)精良的分?jǐn)?shù)游戲吸引了眾多研究者的目光，先后有來自卡耐基梅隆大學(xué)、范德堡大學(xué)、休斯頓大學(xué)、特拉華大學(xué)、猶他州立大學(xué)等美國高校及研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者就其提高后進(jìn)生（at-risk students）的分?jǐn)?shù)概念性知識學(xué)業(yè)成就進(jìn)行研究。這款游戲描繪的情境是在太空中，有很多小型宇宙飛船需要補(bǔ)給能量，才能繼續(xù)飛行。學(xué)生需要以平分（splitting）的方式（如1/2，1/3）切斷能量繩，而能量繩的長度需要與飛船的大小匹配。匹配成功，小飛船則能夠繼續(xù)飛上太空。

圖2 Refraction 游戲界面

Joseph 等人從行為與神經(jīng)反應(yīng)兩方面探究Refraction游戲的效果，比較了大腦對數(shù)字運(yùn)算、空間能力以及分?jǐn)?shù)游戲運(yùn)算的激活反應(yīng)的差異 [63]。該研究對比了大腦對空間活動(dòng)、阿拉伯?dāng)?shù)字處理、以及游戲的激活反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)從大腦激活強(qiáng)度上看，游戲與數(shù)學(xué)活動(dòng)有相似的神經(jīng)運(yùn)行結(jié)果。其結(jié)果顯示游戲?qū)ψ箜斎~和右頂葉的激活程度大于空間活動(dòng)，雖然游戲?qū)ψ箜斎~的激活程度與阿拉伯?dāng)?shù)字處理的激活程度無顯著差別，但對右頂葉的激活卻更加顯著。同時(shí)，游戲?qū)τ谇邦~葉區(qū)域的激活程度要明顯高于阿拉伯?dāng)?shù)字處理與空間活動(dòng)。該研究也對 4128 名三年級學(xué)生進(jìn)行了分?jǐn)?shù)測試，根據(jù)前后測成績的變化，發(fā)現(xiàn)玩分?jǐn)?shù)游戲可以提高分?jǐn)?shù)成績。更重要的是在遷移性測試中從玩游戲過程中獲得的分?jǐn)?shù)理解的影響可以延伸到標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)測試。

案例二：數(shù)學(xué)游戲 Number Race

Number Race 游戲是全球數(shù)學(xué)認(rèn)知領(lǐng)域著名的科學(xué)家、三重編碼理論提出者 Stanislas Dehaene 教授的團(tuán)隊(duì)依據(jù)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究成果開發(fā)的數(shù)感游戲，該游戲的開發(fā)結(jié)合了數(shù)感的發(fā)展、數(shù)量表征模型、游戲的動(dòng)機(jī)等理論開發(fā) [64]。玩家在左右兩個(gè)寶箱中選擇一個(gè)打開，兩個(gè)寶箱各彈出若干個(gè)豆子，玩家選擇豆子數(shù)量較多的那一邊，把豆子的數(shù)量和已走的步數(shù)相加，點(diǎn)擊下面標(biāo)尺上和結(jié)果相對應(yīng)的數(shù)字，玩家控制的游戲角色就會(huì)前進(jìn)到這個(gè)數(shù)字。若干回合后，角色走到 12 即通過這一關(guān)。這款游戲能夠在很大程度上幫助計(jì)算障礙兒童進(jìn)行基本數(shù)學(xué)知識的學(xué)習(xí) [65]。9 名年齡在 7-9 歲之間有數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難的兒童曾每周使用該軟件兩小時(shí)，總共五周的訓(xùn)練中，其數(shù)字感知、比較以及簡單的運(yùn)算方面的能力都有提高 [66]。在法國開展的一項(xiàng)研究中，53 個(gè)來自法國社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況較差家庭的幼兒園兒童從游戲中受益 [67]。在芬蘭開展的一項(xiàng)針對兩種教育游戲的效果比較的研究證明 Number Race 可以促進(jìn)計(jì)算能力較差的幼兒園兒童的簡單的計(jì)算能力 [68]。

圖3 Number Race 游戲界面

案例三：字母游戲 Graphogame

語音意識（Phonological awareness）可以預(yù)測兒童的閱讀技能 [69]。存在閱讀障礙的兒童建立字母的視覺呈現(xiàn)與聲音表達(dá)的腦區(qū)聯(lián)結(jié)較為困難，Graphogame 游戲可以幫助兒童將注意力和決策努力聚焦于字母與聲音的對應(yīng)上 [70]。有研究發(fā)現(xiàn)，在八周的課程中，幼兒園的兒童玩 Graphogame 游戲，總共 3.6 小時(shí)的游戲時(shí)間會(huì)導(dǎo)致與字母觀看有關(guān)的視覺系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)的變化，這些變化包括在左側(cè)枕顳皮層的血氧水平的增加，以及相關(guān)區(qū)域的事件相關(guān)電位（ERPs）的變化 [71]。基于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的教育游戲有助于滿足特殊兒童的教育需要。

3、教育游戲與學(xué)習(xí)者情緒

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與教育領(lǐng)域的研究者達(dá)成的共識是學(xué)習(xí)是認(rèn)知、情緒與生理層面進(jìn)行多層次交流的過程 [72]。情緒是影響學(xué)習(xí)結(jié)果的重要因素，積極的情緒有助于學(xué)習(xí)，而負(fù)性情緒會(huì)導(dǎo)致失敗的學(xué)習(xí)，如果學(xué)習(xí)環(huán)境引起學(xué)生的恐懼或壓力，學(xué)生的認(rèn)知能力會(huì)受到影響。而學(xué)校教育過程經(jīng)常忽略情緒的作用。腦科學(xué)的研究不但闡明了負(fù)性情緒對學(xué)習(xí)和記憶的阻礙方式，還提供了對情緒進(jìn)行測量和調(diào)控的方法。利用游戲化教學(xué)，教師可以為學(xué)生提供一個(gè)輕松、積極的學(xué)習(xí)環(huán)境，進(jìn)而克服消極情緒對學(xué)習(xí)的干擾。

當(dāng)大腦感受到額外的獎(jiǎng)勵(lì)時(shí)，中腦的多巴胺神經(jīng)元會(huì)被激活并釋放出多巴胺，這對整個(gè)大腦前額葉等腦區(qū)神經(jīng)元的活性有重要影響 [73]。發(fā)表在Nature雜志上的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在電子游戲中，人腦的紋狀體會(huì)釋放內(nèi)源性多巴胺，多巴胺能性神經(jīng)傳遞與學(xué)習(xí)、注意、感覺有關(guān) [74]。大量研究表明數(shù)學(xué)焦慮對于數(shù)學(xué)表現(xiàn)有顯著的消極影響，但可以通過訓(xùn)練而降低 [75]，針對算術(shù)學(xué)習(xí)的游戲?qū)W(xué)生的認(rèn)知成果和情緒改善都有有益的 [76]。

腦機(jī)交互設(shè)備（BCI：Brain-Computer Interface）能夠?qū)崟r(shí)地捕捉人的情緒，可以被用于數(shù)學(xué)焦慮的訓(xùn)練，一項(xiàng)采用了短期縱向研究設(shè)計(jì)的研究證明使用整合了 BCI 技術(shù)的數(shù)學(xué)教育游戲可以降低學(xué)習(xí)者的數(shù)學(xué)焦慮：該數(shù)學(xué)游戲顯示了 BCI 設(shè)備（Emotive EPOC）所提供的實(shí)時(shí)的可視化腦神經(jīng)反饋，提示學(xué)習(xí)者自身的情緒狀態(tài)，將數(shù)學(xué)游戲與 BCI 設(shè)備整合可以有效地對監(jiān)控情緒和降低數(shù)學(xué)焦慮；先前的研究只關(guān)注了教育游戲后的數(shù)學(xué)成績而并沒有關(guān)注游戲?qū)W(xué)習(xí)者情感因素的影響（如焦慮、失望、參與）[77]。

四、結(jié)論

作為學(xué)習(xí)科學(xué)的重要研究領(lǐng)域，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展拓展了人們對學(xué)習(xí)行為的理解，為教育干預(yù)手段的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了更多科學(xué)證據(jù)支持，未來在學(xué)習(xí)和教育研究中將發(fā)揮非常重要的基礎(chǔ)性支撐作用 [78]。

基于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的游戲化學(xué)習(xí)研究目前還處于起步階段，相關(guān)的研究不太多，但也已經(jīng)取得了比較豐富的研究成果。基于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究成果開發(fā)的教育游戲?yàn)榇龠M(jìn)認(rèn)知能力發(fā)展與學(xué)科知識的學(xué)習(xí)提供了有效的支持工具，同時(shí)腦科學(xué)研究方法也是驗(yàn)證教育游戲功能的科學(xué)方式。情緒對學(xué)習(xí)的影響逐漸得到關(guān)注，游戲化學(xué)習(xí)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生更加快樂的學(xué)習(xí)。腦科學(xué)設(shè)備的發(fā)展，如BCI技術(shù)在游戲中的應(yīng)用有助于降低學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的焦慮感。

未來，基于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的游戲化學(xué)習(xí)有望在早期教育、基礎(chǔ)教育、特殊教育以及終身學(xué)習(xí)等方面發(fā)揮重要作用。隨著腦科學(xué)研究技術(shù)與游戲技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的游戲化學(xué)習(xí)有望實(shí)現(xiàn)更加快樂、更加科學(xué)的學(xué)習(xí)。

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號“俊杰在線”，作者尚俊杰、張露，原標(biāo)題為《基于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的游戲化學(xué)習(xí)研究綜述》，發(fā)表于電化教育研究 2017年第2期。

[參考文獻(xiàn)]

• [1] 尚俊杰，肖海明，賈楠.國際教育游戲?qū)嵶C研究綜述:2008年—2012年[J].電化教育研究,2014(01):71-78.

• [2] 尚俊杰，裴蕾絲.重塑學(xué)習(xí)方式:游戲的核心教育價(jià)值及應(yīng)用前景[J].中國電化教育,2015(05):41-49.

• [3] Spence, I., Feng, J.Video games and spatial cognition.[J]. Review of General Psychology, 2010,14(2):92-104

• [4] Annetta, L. A., Minogue, J., Holmes, S. Y., et al.Investigating the impact of video games on high school students’engagement and learning about genetics[J].Computers & Education,2009,53(1):74-85.

• [5] Islas Sedano, C., Leendertz, V., Vinni, M., et al.Hypercontextualized Learning Games: Fantasy, Motivation, and Engagement in Reality[J].Simulation & Gaming,2014,44(6):821-845.

• [6] Romero, M., Usart, M., Ott, M.Can Serious Games Contribute to Developing and Sustaining 21st Century Skills?[J].Games and Culture,2015,10(2):148-177.

• [7] Kesler, S. R., Sheau, K., Koovakkattu, D., et al.Changes in frontal-parietal activation and math skills performance following adaptive number sense training: Preliminary results from a pilot study [J]. Neuropsychological Rehabilitation, 2011,21(4):433-454

• [8] Steinkuehler, C., Squire, K. Videogames and Learning[M]. The Cambridge Handbook of The Learning Sciences, Sawyer R K, New York:Cambridge University Press, 2014.

• [9][78] 尚俊杰，莊紹勇，陳高偉.學(xué)習(xí)科學(xué):推動(dòng)教育的深層變革[J].中國電化教育,2015(01):6-13.

• [10][16] Fischer, K. W. Dynamic cycles of cognitive and brain development: Measuring growth in mind, brain, and education[M]. The Educated Brain: Essays in Neuroeducation, Battro A M, Fischer K W, Lena P J, 2008, 127-150.

• [11][15][28][30][38][44][72] OECD, Center for Education Research Innovation.Understanding the Brain: The Birth of a Learning Science[M].2007.

• [12] Singer, W. Epigenesis and brain plasticity in education[M]. The Educated Brain: Essays in Neuroeducation, Battro A M, Fischer K W, Lena P J, Cambridge:Cambridge University Press, 2008, 97-101.

• [13] Dehaene, S., Pegado, F., Braga, L. W., et al.How Learning to Read Changes the Cortical Cerebral constraints in reading and arithmetic: Education as a "neuronal recycling" process Networks for Vision and Language[J].Science,2010,330(6009):1359-1364.

• [14][35] Battro, A. M., Fischer, K. W., Lena, P. J. Introduction: The mind, brain, and education triad[M]. The Educated Brain: Essays in Neuroeducation, Battro A M, Fischer K W, Lena P J, Cambridge:Cambridge: Cambridge University Press, 2008, 3-19.

• [17][22][43]Dehaene, S. Cerebral constraints in reading and arithmetic: Education as a "neuronal recycling" process[M]. The Educated Brain: Essays in Neuroeducation, Battro A M, Fischer K W, Lena P J, Cambridge:Cambridge University Press, 2008, 232-247.

• [18]Singer, W. Epigenesis and brain plasticity in education[M]. The Educated Brain: Essays in Neuroeducation, Battro A M, Fischer K W, Lena P J, Cambridge:Cambridge University Press, 2008, 95-109.

• [19] Neville, H. J., Bruer, J. T. Language processing: How experience affects brain organization[M]. Critical thinking about critical periods, Jr. Bailey D B, Bruer J T, Symons F J, et al, 2001, 151-172.

• [20][34][47] Goswami, U. Neuroscience and Education[J]. British Journal of Educational Psychology, 2004,31(4):1-14

• [21] Tecce, J. J.Psychophysiology: Human Behavior and Physiological Response[J].International Journal of Psychophysiology,2007,65(2):174-175.

• [23][24][25][26][32][37][39][46] Antonenko, P. D., van Gog, T., Paas, F. Implications of Neuroimaging for Educational Research[M]. Handbook of Research on Educational Communications and Technology, Spector J M, Merrill M D, Elen J, et al, Springer, 2014, 51-63.

• [27] Bruer, J. T. Building bridges in neuroeducation[M]. The Educated Brain: Essays in Neuroeducation, Battro A M, Fischer K W, Lena P J, Cambridge:Cambridge University Press, 2008, 43-58.

• [29] Koizumi, H. Developing the brain: A functional imaging approach to learning and educational sciences[M]. The Educated Brain: Essays in Neuroeducation, Battro A M, Fischer K W, Lena P J, Cambridge:Cambridge University Press, 2008, 166-180.

• [31] Eden, G. F., Flowers, D. L., Gareau, L., et al.Development of neural mechanisms for reading[J].Nature Neuroscience,2003,6(7):767-773.

• [33]Shaywitz, B. A., Shaywitz, S. E., Pugh, K. R., et al.Disruption of Posterior Brain Systems for Reading in Children with Developmental Dyslexia[J].Biological Psychiatry,2002,52(2):101-110.

• [36]Jobard, G., Crivello, F., Tzourio-Mazoyer, N.Evaluation of the dual route theory of reading: a metanalysis of 35 neuroimaging studies[J].NeuroImage,2003,20(2):693-712.

• [40] Mccrink, K., Wynn, K.Large-Number Addition and Subtraction by 9-Month-Old Infants [J].Psychological Science,2004,15(11):776-781.

• [41] Butterworth, B., Varma, S., Laurillard, D.Dyscalculia: From Brain to Education[J].Science,2011,332(6033):1049-1053.

• [42] Lemer, C., Dehaene, S., Spelke, E., et al.Approximate quantities and exact number words: dissociable systems[J].Neuropsychologia,2003,41(14):1942-1958.

• [45]Dehaene, S., Spelke, E., Pinel, P., et al.Sources of Mathematical Thinking: Behavioral and Brain-Imaging Evidence [J].Science,1999,284(5416):970-974.

• [48] Zago, L., Pesenti, M., Mellet, E., et al.Neural Correlates of Simple and Complex Mental Calculation[J].NeuroImage,2001,13(2):314-327.

• [49][73]李澄宇，楊天明，顧勇，等.腦認(rèn)知的神經(jīng)基礎(chǔ)[J].中國科學(xué)院院刊,2016,31(7):755-764.

• [50] Kuhn, S., Gleich, T., Lorenz, R. C., et al.Playing Super Mario induces structural brain plasticity: gray matter changes resulting from training with a commercial video game[J].Mol Psychiatry,2014,19(2):265-271.

• [51] Olesen, P. J., Westerberg, H., Klingberg, T.Increased prefrontal and parietal activity after training of working memory[J].Nature Neuroscience,2003,7(1):75-79.

• [52] Wu, S., Cheng, C. K., Feng, J., et al.Playing a First-person Shooter Video Game Induces Neuroplastic Change[J].Journal of Cognitive Neuroscience,2012,24(6):1286-1293.

• [53] Bavelier, D., Achtman, R. L., Mani, M., et al.Neural bases of selective attention in action video game players[J].Vision Research,2012,61:132-143.

• [54][61] Bavelier, D., Green, C. S., Pouget, A., et al.Brain Plasticity Through the Life Span: Learning to Learn and Action Video Games[J].Annual Review of Neuroscience,2012,35:391-416.

• [55] Green, C. S., Bavelier, D.Action video game modifies visual selective attention[J].Nature,2003,423(6939):534-537.

• [56] Li, R. W., Ngo, C., Nguyen, J., et al.Video-Game Play Induces Plasticity in the Visual System of Adults with Amblyopia[J].Plos Biology,2011,9(8):1-11.

• [57] Spence, I., Feng, J.Video games and spatial cognition.[J].Review of General Psychology,2010,14(2):92-104.

• [58] Shute, V. J., Ventura, M., Ke, F.The power of play: The effects of Portal 2 and Lumosity on cognitive and noncognitiveskills[J].Computers & Education,2015,80:58-67.

• [59] Toril, P., Reales, J. M., Mayas, J., et al.Video Game Training Enhances Visuospatial Working Memory and Episodic Memory in Older Adults[J].Frontiers in Human Neuroscience,2016,10.

• [60] Anguera, J. A., Boccanfuso, J., Rintoul, J. L., et al.Video game training enhances cognitive control in older adults[J].Nature,2013,501(7465):97-101.

• [62][70] Mccandliss, B. D.Educational neuroscience: The early years[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2010,107(18):8049-8050.

• [63] Baker, J. M., Martin, T., Aghababyan, A., et al.Cortical Activations During a Computer-Based Fraction Learning Game: Preliminary Results from a Pilot Study[J].Technology, Knowledge and Learning,2015,20(3):339-355.

• [64] Wilson, A. J., Dehaene, S., Pinel, P., et al.Principles underlying the design of "The Number Race", an adaptive computer game for remediation of dyscalculia[J].Behavioral and Brain Functions,2006,2(1):14.

• [65] Butterworth, B., Laurillard, D.Low numeracy and dyscalculia: identification and intervention[J].Mathematics Education,2010,42(6):527-539.

• [66] Wilson, A. J., Revkin, S. K., Cohen, D., et al.An open trial assessment of "The Number Race", an adaptive computer game for remediation of dyscalculia[J].Behavioral and Brain Functions,2006,2(1):20.

• [67] Wilson, A. J., Dehaene, S., Dubois, O., et al.Effects of an Adaptive Game Intervention on Accessing Number Sense in Low-Socioeconomic-Status Kindergarten Children[J].Ming Brain and Education,2009,3(4):224-234.

• [68] R?s?nen, P., Salminen, J., Wilson, A. J., et al.Computer-assisted intervention for children with low numeracy skills[J].Cognitive Development,2009,24(4):450-472.

• [69] Mourgues, C., Tan, M., Hein, S., et al.Paired associate learning tasks and their contribution to reading skills[J].Learning and Individual Differences,2016,46:54-63.

• [71] Brem, S., Bach, S., Kucian, K., et al.Brain sensitivity to print emerges when children learn letter—speech sound correspondences[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2010,107(17):7939-7944.

• [74] Koepp, M. J., Gunn, R. N., Lawrence, A. D., et al.Evidence for striatal dopamine release during a video game[J].Nature,1998,393(6682):266-268.

• [75]Supekar, K., Iuculano, T., Chen, L., et al.Remediation of Childhood Math Anxiety and Associated Neural Circuits through Cognitive Tutoring[J].Journal of Neuroscience,2015,35(36):12574-12583.

• [76] Nú?ez Castellar, E., Van Looy, J., Szmalec, A., et al.Improving arithmetic skills through gameplay: Assessment of the effectiveness of an educational game in terms of cognitive and affective learning outcomes[J].Information Sciences,2014,264:19-31.

• [77] Verkijika, S. F., De Wet, L.Using a brain-computer interface (BCI) in reducing math anxiety: Evidence from South Africa[J].Computers & Education,2015,81:113-122.