————《從認知神經科學角度對中國學生記憶英語單詞的規律研究》之系列3
《從認知神經科學角度對中國學生記憶英語單詞的規律研究》，分為十篇系列文章。在系列1和系列2裡，我們從現代認知科學和腦神經科學的角度，闡述了中國學生學習英語的認知機理和特點，我們已經講到：背單詞是一種生理上的神經突觸生長，從生理學的角度和生物化學的角度來看，背單詞跟練健美很類似，都是通過一定的刺激，增加了供血量，促進了新基因轉錄和蛋白質的合成——只不過練健美生長的是身體的肌肉纖維，而背單詞生長的是大腦的神經突觸。
為了方便讀者理解，我們比照練健美長肌肉，提出了大腦記憶英語單詞的4個關鍵要素：第一靠合理的運動計劃與安排;第二是每一次鍛鍊時要保證足夠的運動量;第三靠周期性的訓煉;第四靠充分的營養供應和休息。
關於第一項合理的運動計劃與安排，在系列文章2裡，我們已經探討了中國學生背英語單詞的最優宏觀學習策略，同時發現，絕大部分中國學生在攻克英語單詞這件事情上，在宏觀策略與規劃方面採用了最不經濟的學習策略;關於第三項周期性的訓練，也就是記憶的抗遺忘策略，我們將在系列文章中的第5篇來論述;關於第四項充分的營養供應和休息，我們將在系列文章中的第8篇來論述。
今天我們專門談一談第二項：每一次學習時，如何讓大腦在短時間內產生足夠的神經刺激，換句話說就是背單詞的短期效率問題。
我們日常所說的「提高背單詞的效率」，實際上有兩種涵義。效率是結果產出與所耗費時間的比率。這裡面有兩個關鍵因子：第一是如何定義背單詞的結果，第二是如何計算背單詞的時間。依據對結果和對時間的不同定義，我們記憶工場的認知神經科學工作者將背單詞效率分為宏觀層面的記憶效率(又稱長期效率)和微觀層面的記憶效率(又稱短期效率)。
背單詞的結果對應的是對特定單詞的記憶加工深度。在記憶工場將英語單詞的記憶深度又分為AB兩個維度：維度A是抗遺忘的程度，也就是屬於短時記憶還是屬於長時記憶和永久記憶。維度B是記憶的認知模式，是程序性記憶還是非程序性記憶，通俗地說就是需要思考和回憶才能想起來，還是不經大腦脫口而出的記憶。這裡面說的長時記憶，肯定不是指背單詞當天的記憶效果，而是經過很多天以後，至少是經過多次隔夜遺忘後的記憶效果。對於很多難詞長詞，如果編碼和提取的質量不高，或者複習的頻率不夠，則可能需要累計花費很長的記憶時間，經過反覆的記憶-遺忘循環，才能達到長時記憶的效果。
全面掌握一個單詞的時間，嚴格地說，應該是從第一次接觸這個單詞，到徹底將該單詞轉化為長時記憶乃是永久記憶所耗費的總時間，這就是背單詞的宏觀記憶時間。而背單詞的微觀記憶時間，就是指背單詞當天的學習時間。有些人可以在短時間內背會很多單詞，但是很快就會遺忘。實際上，這只是將短時記憶或工作記憶的效果誤認為長時記憶的錯覺。現在人類已經知道，短時記憶和長時記憶在大腦內部是兩套完全並行的系統，在腦神經機制方面是完全不同的。研究表明，前者僅僅是信息在神經迴路中的傳遞，而後者則真正合成了新的蛋白質，也就是生理上形成了新的神經突觸的聯結。
基於以上「背單詞的效果」(當天學習的記憶成果)和「背單詞的時間」(當天的學習時間)的定義來研究「單詞的短期記憶效率」，也就是短時記憶或工作記憶的加工效率，是本文討論的命題。需要特別指出的是，當認知科學從認知心理學進入到認知神經科學之後，記憶工場的腦科學工作者更願意使用「第一級記憶」、「第二級記憶」、「第三級記憶」來取代短時記憶、長時記憶這類傳統概念，但是為了照顧讀者大眾過去約定俗成的習慣，在本系列文章中，我們仍然會使用短時記憶和長時記憶這些傳統概念(見下圖)。
提高學習當天的記憶效率(短期記憶效率或微觀記憶效率)所需要的，就是在一定時間內給大腦足夠的神經刺激，提升對單詞內容的加工深度，也就是如何使大腦對認知內容「印象足夠深刻」。
大家都知道，如果讓我們看電影，玩遊戲，去遊樂園，做令我們感興趣的事情，令我們產生強烈感官或精神刺激的事情，我們的大腦一定會做到「印象足夠深刻」。但是，像背英語單詞這種26個文字符號的排列組合，恐怕是世界上最無聊、最枯燥的事情，怎麼可能做到讓大腦印象深刻呢?
從神經生理學的角度，必須要做到四點;第一是注意力要專注;第二是編碼要讓大腦有足夠印象;第三，要有足夠全面的生理刺激，包括嘴部肌肉、舌頭聲帶、呼吸等發音系統以及聽覺系統在內的神經刺激;第四，合理的大腦運動量。下面我們逐一來論述：
（1）關於注意力。
注意力，又稱專注力，指一個人專心於某一事物或活動時的心理狀態。當大腦專注於某件事情時，會聚精會神，而對周圍的人和事聽而不聞、視而不見，這就是注意力。
注意是記憶的最前端——感覺記憶的前提，或者說，是一切記憶的前提，沒有注意力就沒有記憶力。注意力決定了學習者信息採集、信息處理、信息加工的能力。保持良好的注意力，是學習者大腦進行感知、記憶、思維等認識活動的基本條件。法國生物學家喬治·居維葉說：「天才，首先是注意力。」
注意力的高低，來源於大腦對認知對象的感興趣程度，更來源於自控力。自控力一般與年齡正相關，兒童時期和青少年時期，人的興趣點容易轉移，注意力很難集中，俄國教育家烏申斯基認為「注意是兒童智力開發的門戶」，一旦注意力渙散或無法集中，孩子智慧的門戶就關閉了，一切有用的知識信息都無法進入。
2018年9月22日，我在MIT麻省理工學院大腦與認知科學系參加了一個學術講座，報告人研究的課題方向是：大腦如何對海量的高維數據做降維處理。
我們知道，大腦無時無刻不在收集來自身體各種感官的超級海量信息，但大腦是如何將複雜龐大的高維數據，通過可視化、降噪，解碼和概括，變成簡單實用的低維數據，也就是對大腦行使判斷與決策有用的簡單數據?研究表明，大腦主要是通過兩種機制在工作：一是通過興奮與專注，二是通過有目的的訓練，就能避免將繁雜的信息隨機傳導而導致的海量無序神經聯結，轉化為特定腦細胞之間的有序聯結，從而極大程度地對數據降維，最後變成對大腦認知與決策有關的簡單指令。
在Memoryer記憶者英語單詞記憶系統裡，我們內置了一個注意力指標——專注度。專注度是一個非常精確的實時數據，除了能在學習結束後的《學習評價報告》裡看到電腦給出的數值和評語之外，系統裡的四個AI人工智慧老師，會在學習過程中，對頻繁走神等注意力不集中的行為進行提醒和幹預。四個老師性格脾氣不大一樣，老夫子常常發脾氣摔東西，小丸子老師會向你發起挑戰，Lily老師俏麗知性，BoBo老師總是笑著鼓勵你……這麼安排的原因，除了依靠人工智慧老師幹預的方式提醒用戶不要走神之外，更是為了使得軟體系統更加有趣更加人性化，富有親切感和趣味性，從而全面提升用戶使用時的注意力集中度。
越是年幼的學生，家長和老師越要關注其「專注度」指標，幫助其提升注意力，因為他們缺乏自控的能力。這裡要注意，鼓勵而不是懲罰，是提高兒童注意力的有效激勵方式，因為自控力與意願正相關。
看看，背單詞不僅僅是個學習過程，更是一個自控力的訓練過程。在認知科學家和教育學家的眼裡，培養自控力要遠比學習知識對孩子的成長更重要，耶魯大學的研究表明，自控力的高低決定了一個人一生的成就——請家長和老師們務必把這個道理講給學生們聽。
在Memoryer記憶者的實際應用中，後臺系統給出了幾十個指標。但是啟慧工場的老師們在實踐中發現，對於一般小學和初中的學生，我們的輔導老師和家長，平時最關心的就是專注度指標，其背後原因就在於：對於這類學生，影響當日背單詞效率的最大問題就是自控力問題，而專注度是自控力最精確的量化指標。等學生進入高中後期，自我意識和自我控制能力強化，以及對於那些小學初中就自控力極強的學霸們，老師和家長一般會關注效率指標、速度指標、進度指標和腦疲勞度指標。
值得特別指出的是：注意缺陷多動障礙(ADHD，簡稱多動症)，在我國兒童、青少年精神疾病中，ADHD是發生率最高、影響最大的一個疾病。在12周歲以下兒童中，各國統計的發病率都在5%左右。美國疾控中心數據顯示，4歲-17歲未成年人的發病率高達9%，也就是每20個兒童中就有一個患者。在世界衛生組織的《世界通用疾病分類手冊》中編號為F90，又稱為「過度活躍症」。患者多表現為注意力無法集中、好動而行為無目的性。
2013年暑假期間，記憶工場曾經與天津大學醫學院合作，針對ADHD兒童採用腦波注意力訓練軟體進行認知行為治療，取得了一定的成效。
考慮到ADHD患者在兒童和青少年中的比例是如此之高，所以我們常常會發現在使用「記憶者」的過程中，確實有一些學生的「專注度」指標始終都提高不上來，或者維持一定專注度的時間很難超過15分鐘，超過這個時間專注度指標就會突然下降，且長期如此。現實生活中的這類「皮孩子」確實比較多，常見於低年級的小學生中。家長老師們總以為是這些孩子太好動太活潑，管不住自己，而沒有意識到這其實是一種腦神經發育不良或心理髮育不良導致的疾病。
對於這類學生，家長和老師不要過度施加壓力或指責，而是要科學對待，積極治療。對ADHD的治療分為兩種方式，一種是藥物治療，一種是心理治療，特別是認知行為治療。而通過「記憶者」學習英語單詞的過程，其實恰好就是訓練孩子注意力的一種認知行為治療過程，記憶者系統對專注度指標的量化算法是極為精確的，老師、家長和學生通過每天觀察當日專注度指標，再輔之以正向的引導和激勵，鼓勵孩子一步步提高注意力，逐漸擺脫ADHD的影響。
（2）如何有效編碼才能讓大腦對單詞印象深刻。
在認知科學領域有兩個英文單詞，一個是coding,另一個是encoding，兩個英文詞都被翻譯成中文：編碼，但意義不太一樣。前者是指信息呈現的方式，分為聽覺編碼，視覺編碼和語義編碼，在背單詞過程中，主要出現在工作記憶階段;後者是指把信息放入長時記憶的過程，其目的是為了將來回憶單詞時的解碼，所謂解碼就是將以前通過編碼放入長時記憶的信息重新提取到工作記憶中，又叫做提取。
記憶的牢固程度取決於信息編碼的加工水平，深層次的加工比淺層次的加工更有利於編碼和提取。這就是1972年Fergus Craik和Robert Lockhart提出的「加工水平」這個觀點。
在這裡，我們需要引入一個新的概念：工作記憶(working memory，WM)。WM這個詞在認知心理學和認知神經科學領域非常有名，但人類迄今為止對WM的定義與研究還有很多爭議。目前比較公認的說法：工作記憶指的是個體在執行認知任務中,對信息暫時儲存與操作的能力。
記憶工場的腦科學工作者曾經打過一個比方，如果大腦的長時記憶類似電腦的硬碟空間的話，工作記憶就有點類似電腦的內存。它是執行英語單詞編碼和存儲的地方，是連接感覺、知覺和長時記憶的中間信息加工環節。工作記憶可以認為是一種特殊的短時記憶，或者說：工作記憶=短時記憶+控制加工系統。
目前針對WM的機制，國際上已經提出十幾個有影響的理論模型，其中最著名的是Baddeley等人提出的4成分模型(見下圖)。
該模型認為WM由語音迴路、視覺空間模板、情景緩衝區和中央執行系統組成。其中，語音迴路、視覺空間模板、情景緩衝區就是短時記憶，而中央執行系統就是控制加工系統。
1.基於語音的語音迴路(又叫語音環)：以語音形式保持信息，它的容量由保持時間決定，記憶廣度由複述率決定，主要用於記住詞的順序，保持信息。
2.視空展板：主要用於加工視覺和空間信息。
3.情景緩衝區：是一種用於保存不同信息加工結果的次級記憶系統，在中樞執行系統的控制之下保持加工後的信息，支持後續的加工操作。
4.中央執行系統：類似於注意的中樞系統，主要用於分配注意資源，控制加工過程，這是工作記憶的關鍵成分。
工作記憶WM概念的引入，使得人類對記憶加工的過程，特別是感覺信號如何被大腦加工存儲到長時記憶，有了突破性的認識。
比如說，我們上面剛剛提到的注意力，被認為是影響工作記憶容量的重要因素。將注意力從關注的項目轉移開，會干擾工作記憶的維持。總之，把注意力集中在某個事物上，會使得它更容易被記住。並且，集中注意力同樣意味著忽略外界的幹擾信息。Gaspar的研究表明，工作記憶容量小的人不能很好地排除那些影響力大的、讓人分心的信息。因此，我們認為維持專注的注意力是形成較高工作記憶容量的重要保障。
又比如說，工作記憶告訴我們，在單詞記憶過程中，呈現的單詞主要通過語音迴路、視覺圖形和空間關係這三個維度。也就是說我們的每一個單詞，要通過語音的、視覺圖像的、空間位置的三種方式來加工，這裡面的語音、視覺圖形和空間位置，不僅僅是指物理上的概念，還包括了大腦的想像場景，以及語義方面的邏輯關係——我們通過想像呈現在腦海裡的一個個邏輯關係形成的「腦圖」。(在這裡，我們推薦各類教育機構開展對學生進行「腦圖(思維導圖)」的培訓課程，這類課程有助於學生建立語義空間中的邏輯關係，對記憶、學習、思考有較大的幫助。)
通過工作記憶的原理，很容易推導出人類大腦在認知編碼時，一共會有聽覺編碼，視覺編碼和語義編碼三類編碼方式。對於背單詞這件事來講，上述三類編碼正好對應的是每個單詞的「音-形-義」。如果能夠對某個單詞同時採用三類編碼，那麼這個單詞的音-形-義就會被完整全面地掌握。
記憶工場的認知科學家在研究了背英語單詞的編碼規律之後，將其劃分為四種類型的編碼，又叫做四種助記方法：諧音法，聯想法，詞素法和類比法。其中，諧音法主要是聽覺編碼;聯想法是以視覺編碼為主的綜合性編碼;詞素法和類比法都屬於語義編碼，但是屬於兩個不同的方向。
例如，利用諧音法，將economy經濟，編碼為「依靠農民」，將pregnant懷孕，編碼為「撲來個男的」，將custom海關，編碼為「卡死他們」。利用聯想法，將zoo編碼為數字200，或一個蛇+兩個圈圈;將family編碼為father and mother I love you;將tenant房客聯想為十隻螞蟻(ten+ant)。詞素法就是我們說的詞根詞綴法，對於掌握一定英語詞根詞綴的的同學，是一個單詞倍增器。類比法就是將每個單詞的同義近義反義，同音近音近形，同類等單詞放在一起，建立起大腦解構和提取的腦圖。
Memoryer記憶者英語單詞記憶系統，內置了4萬多種助記方法，加上學生個人的助記法和網友分享的助記法，成為迄今為止全球最大的英語單詞編碼庫。同時我們發現，隨著英語單詞水平的提高，學生的助記法會從諧音法逐步向聯想法和詞素法轉移，最終進入類比法——記憶工場的科學家將這種現象定義為中國學生背單詞過程中的「編碼進化現象」。
為什麼會出現這種現象?這與背單詞本身的認知發展規律有關，也與漢字是表意文字，而英語是表音文字有關。中國人學習表音文字，就會出現這種奇怪的現象。
關於中國學生背英語單詞過程中的編碼和助記法使用的研究，論述起來篇幅非常長，我們將在系列文章4裡專門來撰述。同時，關於Baddeley工作記憶4成分模型中提到的晶體系統和流體系統的概念，我們將在系列文章5關於抗遺忘的研究中重點討論。
（3）發音系統和聽覺系統的肌肉神經刺激：
人們發現，欲學英語，先背單詞;欲背單詞，先學發音。實際上，人類語言的習得都是從發音開始的，而且是一種天賦本能，聽說能力在語言發展上要遠遠早於閱讀寫作。對於人類群體來講，在文字沒有被發明之前，人類早已經能夠用語言來溝通。但是中國人學英語恰恰相反，都是先會認會寫，後會聽會說，甚至學了一輩子「啞巴英語」，這本身就是違背語言學習的天然規律的。
在人類的記憶中，長時記憶被分為外顯記憶和內隱記憶，又稱程序性記憶和非程序性記憶，內隱記憶的內容無法用語言來描述，多次重複練習後，一旦形成不易遺忘。例如遊泳和騎自行車等，都已經形成本能。內隱記憶是不需要經過編碼——記憶——提取過程的，效率高又很難遺忘。因此，內隱記憶要優於外顯記憶。
在系列文章2中我們已經提到過，學習learning和習得acquisition是兩種不同的認知類型，語言與其他學科不同，其他學科一定是通過學習得到知識，而語言既可以是學習的知識，又可以是習得的技能。
如果說，我們寫文章還需要外顯記憶來組織、回憶和思考的話，我們的日常母語說話是不經過思考脫口而出的，完全是一種習得的技能，這就屬於內隱記憶。內隱記憶是習得而不是學習，而且往往是與肌肉記憶有關，例如我們的語言發音器官：嘴部肌肉，舌頭，聲帶，呼吸系統，耳朵等聽覺系統，以及嘴型表情身體語言等視覺系統等，這些一旦形成生理性神經記憶，在人們相互溝通之時就會脫口而出，完全是一種不經大腦思考的神經反饋行為，要比我們經過大腦回憶——思考——組織出來的外語，強很多倍。
因此，凡是我們能用肌肉神經記憶的，就叫儘量少用大腦記憶。怎麼做到?跟練習健美一樣，就是要給這些負責發音和聽力的肌肉神經系統以強烈、超常規的、高頻的刺激。對應在背單詞這一行為上，就是要用最大的聲音，最誇張的咬舌，最快的速度，反覆高頻練習。還記得「瘋狂英語」的李陽老師嗎?他就是用這種方法來學英語的。所以，我們鼓勵學生，在使用Memoryer記憶者背單詞時，大聲地、高頻地、快速地對單詞和例句進行發音練習。作為學生背單詞支援體系的教師家長，要關注發音的準確性，可以比照系統裡的發音進行學習，或者在網上找發音純正的老師專門跟讀，因為一旦形成肌肉記憶，就如同我們的地方口音一樣，很難改正過來。
如果是培訓機構，在用戶使用Memoryer記憶者系統之前，可以先教會學生「英語自然拼讀法」，以便學生能夠準確地進行發音。與此同時，Memoryer記憶者系統內置了幫助學生進行英語自然拼讀法的功能，這也是其他軟體所不具備的。
(4)合理的大腦運動量安排。用神經科學方面的術語來說，就是合理的記憶強度和腦負荷。
健美是通過對肌肉的刺激以促進生長，背單詞形成長時記憶的神經突觸聯結，其原理也很類似：那就是必須遵從科學定律。
記憶的本質是一種心智上的建構，又叫記憶的建構性。建構是一個需要心智加工的過程，編碼是加工的重要組成部分，淺加工無助於長時記憶，因為編碼和提取本身就屬於長時記憶的範疇，而深加工就需要在工作記憶的語音迴路和時空展板上，通過中央執行系統來進行記憶加工，這些都需要耗用腦力。特別是對英語初學者，其難度類似於對無規則符號的組合順序進行記憶，這對於習慣了語言文字是象形文字的中國學生來講，尤其困難。
在認知領域，有很多個效應都與背單詞有關。例如1984年Baddeley等發現了「詞長效應」，也就是短詞的記憶效果遠好於短詞的記憶效果。這個很容易理解，讓你背red,he,of,hot,go五個單詞容易，還是背apprcieated，Wednesday,Spectacular三個單詞容易?因此，背單詞的重點難點就放在難詞長詞上，需要用好的編碼方法來助記。但這一切，都需要耗用腦力，也就是大腦要加速供血供氧，科學家們用特定的設備(例如功能性近紅外光譜技術fNIRS)，是可以看到大腦在背單詞時，哪些部位被「點亮」，也就是響應部分的血氧量在增加。
大腦是人的神經中樞，一刻也離不開氧氣，一個成人的大腦約重1500克左右，約佔其體重的2.5-3.0%，而大腦需要提供的血流量佔心臟搏出量的15—20%，它的氧耗量則佔全身總耗氧量的25%。大腦的一個特點是高氧消耗，低氧儲備，也就是說，它對缺氧的耐受力極弱，它不能片刻缺血缺氧，僅幾秒種的缺氧就會引起頭暈、眼前發黑等，是個嬌弱的生理部件。
因此，必須給大腦合理的「運動量」。但是在背單詞的過程中，怎麼樣才叫合理，如何判斷運動量的大小?
首先，對於背單詞，每個人的英語基礎不同。例如，對於同一課本同一單元的單詞，英語底子好的小紅同學其實已經率先掌握了50%以上的單詞，同時對於生詞涉及到的詞根詞綴，也已經基本掌握。但是英語底子差的小蘭同學，可能100%都是生詞。小紅和小蘭背同樣的單詞，其難度差了不止一倍!
其次，假設小紅和小蘭同樣背了50個單詞，但不是同一個年級或同一個單元的單詞。如果小紅背的50個單詞裡，長詞難詞有5個，而小蘭的長詞難詞則有15個，其學習難度也不一樣。
最後，如果小紅剛剛從戶外散步回來，大腦內的血氧量充足，而小蘭已經連續學習了4個小時，又困又乏，讓他們學習同樣的單詞，其學習難度和效率也完全不同。
上述問題困擾了記憶工場的科學家們很多年，直到我們發現了一個巧妙的方法，才解決了這個問題。
我們不管學生在背單詞時的學習內容和大腦的狀態(血氧含量)如何，只要學生的學習速度非常慢，學習效率非常低，同時學習時的出錯率遠高於一個合理的閾值，那麼我們就可以初步判斷，該學生的學習強度和大腦疲勞度已經超負荷，如果再加上連續學習的時間數量和長詞難詞的比例，就可以進一步驗證該學生的大腦「運動量」是不是在合理的區間內了。
對此，在Memoryer記憶者系統裡，內置了學習強度和大腦疲勞度兩個指標，前者與學生在當天的學習量和長詞難詞比例有關;後者與學生的學習效率，學習速度，出錯率相關。這兩個指標相互印證，當達到一定閾值時，人工智慧老師會主動跳出來，提醒學生中止當天的學習，或者充分休息之後在學習。
因此，從效率的角度，我們不建議中學生每天背單詞的時間超過30分鐘。這是一個經驗值，越是年齡小的學生，這個值越低。例如小學一年級的小朋友，每天高效學習15分鐘就足夠了，時間再長，學習效率就會極大降低。高中高年級的學生，時間可以放寬到40分鐘。即便是因考試需要，必須在短期內大量突擊單詞，高速學習30~40分鐘後，一定要在有氧環境中充分休息一段時間，可以再次進行高速學習。大量實踐表明，這樣做的短期記憶效率最高。
以上闡述了提高大腦短期記憶效率的原理，明白了這些原理，就更加容易理解Memoryer記憶者系統的設計機理，從而更好地了解和使用該系統。期待中國學生在啟慧工場老師們的專業指導下，不斷提高學習效率。
Know Brain，Learn Smart.(了解大腦，聰明學習)
【作 者】：Dr.Bing
附：《從認知神經科學角度對中國學生記憶英語單詞的規律研究》系列：
1、中國人記憶英語單詞與老外有什麼不同
2、中國學生掌握英語單詞的最優學習策略
3、如何提高記憶英語單詞的微觀效率
4、中國學生背英語單詞的編碼策略及編碼轉移現象
5、對英語單詞學習過程中的抗遺忘研究
6、LRRP英語單詞認知記憶模型
7、聽讀閱寫說：全面掌握單詞的技術
8、單詞記憶與大腦的營養發育
9、量化評估分析影響學生掌握英語單詞的主要因素
10、人工智慧在教育領域的應用前景