近年來，遊戲化學習備受關注，眾多研究從不同視角證實了遊戲的教育功能。作為學習科學的重要研究領域，認知神經科學促進了人類對腦學習機制的探索研究，為遊戲化學習的研究與設計提供了重要支持。本文梳理了認知神經科學領域對學習過程的理解，介紹了可應用於教育研究的腦科學研究工具，以及認知神經科學在閱讀與數學領域的研究成果；在此基礎上，調研了利用腦科學研究方法證實的遊戲化學習對認知、情緒以及學科學習的相關研究，分析了認知神經科學對於遊戲化學習重要價值，並展望了基於認知神經科學的遊戲化學習研究的未來發展前景。
當前遊戲化學習備受關注，教育遊戲對於激發學習動機 [1,2]、發展認知能力 [3]、促進學生參與 [4, 5]，以及培養學生 21 世紀所需的高階能力 [6] 等功能得到了眾多研究的證明。寓教於樂的教學理念也逐漸得到認可，遊戲化學習與學校教育進行整合成為其發展趨勢。國內外一些學校已經進行了遊戲化學習模式的探索。例如，美國紐約公立學校 Quest to Learn 以遊戲化學習的方式開展教學活動，培養學生的創造力和系統性思維，其遊戲化教學機制的成果吸引了廣泛的關注。近年來，也出現了聲稱能夠促進認知能力發展的大腦遊戲，較為有代表性的是商業遊戲 Lumosity，並有研究者通過腦成像技術來評估遊戲化學習的成效 [7]。
認知發展與腦發展同步的這一假設是將心理、腦和教育整合在一起的動力 [10]。腦能夠學習是因為其具有可塑性，能夠根據環境刺激產生改變，適應環境的能力是腦與生俱來的固有屬性以及核心特徵——即可塑性 [11]。在出生時，所有的神經元都已經具備，然而腦皮層中的大部分神經元都還沒有充分建立連接，在出生之後經過幾年的發展，腦才最終形成複雜的功能結構 [12]。一篇發表在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構，發現讀寫方面的教育改變了大腦相應的腦結構功能 [13]。
認知神經科學的研究進展也得益於技術設備的快速發展，EEG、fNIRS 以及 fMRI 等技術已經應用於針對兒童的實驗研究，這些方法有助於人們更加清楚地了解大腦的功能。採用這些技術進行的神經科學研究的基本假設是任務對腦提出特別需求，這些需求導致化學的、電的神經活動的變化 [20]，這些變化引發了心律、肌肉活動、血壓等大量生理反應 [21]，可以通過技術設備捕捉到相關數據。
功能磁共振成像技術（fMRI）可以使我們得到關於血氧的一系列全腦影像，血氧與神經元互動緊密相連 [22]。這項技術可以讓神經科學家觀測到在執行任務時腦活動的變化。其原理是任務會激活特定的腦區，更多的血液流向這些細胞，這些區域的含氧量增加。而這項技術的巨大的筒狀磁體掃描器會形成由腦細胞中水分子產生的磁共振信號圖像；該技術的空間解析度較高，但同時也存在一定的缺陷，如噪音較大、參與者需要保持靜止、設備成本巨大等 [23]。
與 fMRI 原理類似，fNIRS 信號也能夠反應腦中血流量的動態狀況，這種技術能夠監測顱骨下幾毫米的地方，與學習有關的高級認知功能都位於大腦組織的表層；其限制在於不能監測深層的腦組織活動，頭髮對光學信號有幹擾，時間解析度較低，因此目前 fNIRS 大多是作為驗證工具使用，是其他腦成像技術（如EEG）的補充 [24]。
EEG 是一種測量腦電活動的非侵入性方法，它能夠反應腦電的變化。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的電極，對大腦自發的自然節律的記錄被稱為腦電圖（EEG）；EEG 和 ERPs 在追蹤腦電活動方面具有毫秒級的電位活動差異敏感度，能夠為神經處理的時間進程提供依據，這項技術使研究者能夠根據腦電波節律中神經震動的幅度、頻率和強度分析人類認知任務過程中的認知結構 [25]。
Antonenko 等人關於應用於教育研究的神經影像學的綜述介紹了 fMRI 等測量腦血流的方法具有較高的空間解析度，EEG 和 ERPs 可以直接測量腦電活動，時間解析度較高，但其共同的局限性是生態效度較低，因為神經科學研究中所使用的任務大部分都是短期的、脫離情境的，而教育研究所使用的任務是嵌入在複雜的社會環境中，涉及到「真實」學習境脈的教育神經科學研究尚處於起步階段 [26]。同時，部分方法對實驗環境有高度的依賴，如 fMRI 在掃描的過程中會產生很大的噪聲，因此廣泛地針對兒童開展研究是較為困難的。
將腦科學研究成果與教育行為相聯繫的領域已經碩果纍纍，並具有一定的科學嚴謹性，尤其是語言和算術領域 [27]。神經科學在診斷和確定有效的幹預中，在閱讀障礙、計算障礙和老年痴呆方面的貢獻是最明確的：雖然閱讀障礙的原因依然不清楚，但研究者認為閱讀障礙主要源於聽覺皮層（有時可能是視覺皮層）的非典型性特徵；而關於計算能力，正規的數學教育應當建立在已有的非正式數學的理解基礎上，因為人類出生就具有以數字的方式理解世界的生物本能；基於數字運算與空間認知所涉及的腦區研究，將數字與空間聯繫起來的教學方法是非常有效的 [28]。
腦中確實有專門負責語言功能的結構，研究已確定了左側額下回以及左側顳中回後部的功能：布洛卡區位於額下回，與語言的產生、言語加工和言語理解有關；威爾尼克區位於左半球顳葉與頂葉的交匯處，與言語識別功能有關，如詞彙理解 [29]。嬰幼兒在出生幾個月內就能辨別相似輔音和相似元音之間的細小區別，無論是母語還是外語都是如此 [30]。兒童和成人用於讀取字母文字的主要系統偏向左腦 [31]。當處理視覺特性、字母形狀及拼字法時，大腦的枕顳區最活躍 [32]，隨著閱讀技能的提升，發生在這些區域中的激活會增加 [33]；而對那些有發展性閱讀障礙的兒童來說，發生在這些區域的激活則會消失 [34]。
閱讀需要掌握一系列的複雜技能，對腦的閱讀加工進程了解得越多，教師和學生就能更好地應對閱讀障礙 [35]。目前為止，對閱讀理解最透徹、受到最廣泛認同的閱讀模型「雙通道理論」也得到了神經科學的研究支持 [36]，相關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的重要性 [37]。
語言發展存在著敏感期，第二語言學習涉及語法加工和語義加工這兩個過程，它們依賴於腦的不同的神經系統，語言學習越早，腦就能越有效地學習這門語言：如果將 1-3 歲的小孩兒放在外語的環境中，腦就會以加工母語的方式運用左半球加工語法信息；但如果 4-6 歲時開始學習外語，腦就需要通過兩個半球來加工語法信息；在 11-13 歲的時候開始接觸外語，腦成像研究發現其激活模式已經發生異常；同時語音知識在 12 歲前學習更有效 [38]。
雖然神經科學在計算能力方面的研究尚處於起步階段，但該領域已在過去十年中取得了顯著進展，部分腦結構被認為從基因上就是分配給數感的 [39]。耶魯大學的 McCrink 和 Wynn 教授的研究結果證明嬰兒有基於數量的估算能力，1 個月大的嬰兒就能注意到周圍物體的數量 [40]。在原始數感的基礎上，通過與環境的不斷聯繫，兒童就能發展自己的數學能力。
目前已經知道數感系統由兩側的內溝區支撐，頂葉在各種數學運算中發揮了根本性的作用，幾乎所有的算術與數量運算都要應用頂葉，尤其是頂內溝 [41]。頂內溝可能還是數學神經網絡的核心，近來的神經成像研究揭示了計算障礙兒童頂內溝的特殊結構和功能特徵，頂內溝受損會引起嚴重的加法和減法運算缺陷，而且基本的數字理解如近似、數量估計和比較能力也會受到嚴重影響 [42]。
一系列固定的腦區在算術過程中會有系統性的激活，其中左、右頂內溝及左、右前中溝激活最顯著 [43]。簡單的數量運算都需要多個腦區的協作，僅就數量表徵而言，認知神經科學的研究成果支持了「三重編碼模型」的三個層面的數量加工方式（數量、視覺和文字）：例如「threeness」的抽象數量表徵依賴於下頂葉迴路；視覺表徵涉及下枕-顳葉皮層，如阿拉伯數字「3」的數字表徵；而「three」的語言表徵則只依賴於左半球的下枕-顳葉 [44]。
也有研究基於腦成像實驗，考察了數學學習依賴於語言能力與視空間表徵（visuo-spatial representations）[45]。一些數學的計算知識，例如乘法口訣，是作為陳述性知識通過語言系統進行記憶加工的 [46]。而更加複雜的計算則涉及了視空間區域，這說明了多數位（multi-digit）運算中視覺心像（visual mental imagery）的重要性 [47]。手指計數是獲得計算技能的重要發展策略，手指數數所激活的頂葉前運動區（parietal-premotor）也在計算時被激活 [48]。
認知功能是指使信息處理和知識發展得以進行的一系列過程，不僅包括感知覺、學習與記憶、意識等功能，還包括社會行為、決策、推理等方面 [49]。近年來，遊戲對於促進認知能力發展的功能也被基於腦科學方法的一系列研究證實。
電子遊戲可以改善工作記憶。有研究表明玩超級瑪麗遊戲（Super Mario）可以增加與工作記憶能力對應腦區的大腦灰質。在這項研究中，實驗組的參與者每天玩 30 分鐘遊戲，總共持續兩個月，研究發現右側海馬結構（HC）、右側背側前額葉皮質（DLPFC）以及雙側小腦結構的灰質都有顯著的增加，這些區域與工作能力工作記憶相關 [50]。也有研究證明，採用自適應性軟體進行訓練可以引發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 [51]。
新一代三維遊戲對玩家的注意力提出了較高的要求，玩遊戲促進了注意力的發展。一項利用 ERPs 方法的研究證明玩第一人稱射擊遊戲能夠改變支持注意力的神經過程：在研究中，25 個參與者需要完成一個視覺區域注意任務（an attentional visual field task），總共時間是 10 小時，在遊戲前和遊戲後進行 ERPs 測量；雖然 ERPs 的結果顯示遊戲並沒有影響參與者的自下而上（bottom-up）的注意力，但任務成績顯著提高的參與者在後期的視覺 ERPs 的幅度增加；這些電勢被認為能夠通過對幹擾的抑制，促進自上而下（top-down）的空間選擇注意；但學習者的個體差異也讓遊戲玩家在遊戲中的受益是不同的 [52]。另外一項運用腦成像方法的研究通過比較遊戲玩家和非遊戲玩家的腦的注意神經網絡利用以及幹擾信息的處理過程解釋了動作遊戲促進視覺選擇注意的神經機制：在受到移動物體的幹擾時，遊戲玩家的視覺敏感區域的激活程度較非遊戲玩家更低，這說明遊戲玩家有更好的對早期無關信息進行篩選的能力；而隨著遊戲對注意力的要求提高，非遊戲玩家的頂葉區域有更多的利用，與之對比，在相同條件下，遊戲玩家很少利用這個區域，額頂葉區域的激活被抑制表明動作遊戲玩家可以更加輕鬆地進行注意力的分配，能夠更有效地對早期無關信息進行篩選 [53]。
動作遊戲促進了視覺能力的發展，包括視覺的空間解決、即時處理和敏感性 [54]。在玩電子遊戲方面投入較多時間的年輕人的一系列視覺能力比非電子遊戲玩家要好，他們能夠關注到更多的物體，並能對變化的視覺信息進行有效加工 [55]。在視力發展敏感期的非正常視覺體驗會中斷視覺皮層的神經迴路，進而導致非正常的空間視覺以及弱視，有研究證明玩電子遊戲能夠促進患有弱視的成人視覺系統的可塑性，實驗參與者用患有弱視的一側眼睛玩電子遊戲（動作遊戲或非動作遊戲），在短期內（40-80 小時，每天 2 小時）可以引發多重視覺功能的改善，包括視覺準確性（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 對電子遊戲促進空間認知的相關文獻進行綜述。該研究認為密集的電腦遊戲也有可能帶來大腦和行為的改變；其綜述的實驗表明玩動作遊戲能夠促進支持空間認知能力的許多基礎能力的發展，如感覺能力、知覺能力、以及注意能力。這些基礎的能力涉及空間解析、注意力、列舉計算、多重物體追蹤、視覺動作協調等。除了改善較為基礎的任務表現，玩動作遊戲對完成複雜的空間任務也有好處，例如「心像旋轉」，同時也能實現學習遷移 [57]。
電子遊戲有助於對抗由年齡增加造成的神經認知功能的下降。基於人腦的認知能力發展，也有商業公司開發了腦訓練遊戲。Lumosity 網站提供了一系列遊戲，並聲稱能夠改善各種核心認知技能，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注意力。有研究證明 Lumosity 遊戲對於促進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 小時的電子遊戲訓練，區別於控制組（20 位老人），接受遊戲訓練的老人的工作記憶有顯著改善，同時其效果可以保持 3 個月。電子遊戲訓練可能是改善老人工作記憶和其他認知功能的有效幹預工具 [59]。Nature雜誌也曾報導過一項利用腦科學研究方法開展的研究，該研究證明自適應性的三維電子遊戲（NeuroRacer）可以促進老年人的認知控制能力的發展，其效果會保持六個月，訓練也帶來了注意力保持和工作記憶等認知能力的改善 [60]。
Bavelier 等人的文章綜述了遊戲的複雜訓練環境（training environments）能夠塑造大腦並促進學習，將遊戲促進學習的機制理解為遊戲能夠增強人的學習能力，即學會學習的能力（Learning to Learn）。該文章的研究者認為遊戲雖然沒有教授新的概念或者事實，但遊戲培養了學生的注意力和控制力，這都是學校學習的基礎；動作遊戲促進了人的視力發展，以及視覺短期記憶、多任務處理、執行能力等認知能力，還促進了心理旋轉能力，提高了與學校的數學成就呈正相關的空間認知能力；文章同時綜述了遊戲對促進決策能力發展的作用，動作遊戲玩家單位時間的平均信息處理量比非動作玩家的信息處理量多了 20%，動作遊戲也加速了反應時間，讓人能夠對環境變化迅速而準確地做出決定，多重維度的注意力也可以在玩動作遊戲的過程中得到改善 [61]。
近年來，研究者也在逐步應用腦科學的研究成果進行教育遊戲的設計，試圖架起認知神經科學與教育科學的橋梁。同時，腦科學的研究方法也為遊戲化學習研究提供了新的工具。在教育範疇內研究的注意力、工作記憶、社會認知、焦慮、動機和獎勵也可以通過神經科學的方法研究 [62]。下面就來分析幾個典型案例。
Joseph 等人從行為與神經反應兩方面探究Refraction遊戲的效果，比較了大腦對數字運算、空間能力以及分數遊戲運算的激活反應的差異 [63]。該研究對比了大腦對空間活動、阿拉伯數字處理、以及遊戲的激活反應，發現從大腦激活強度上看，遊戲與數學活動有相似的神經運行結果。其結果顯示遊戲對左頂葉和右頂葉的激活程度大於空間活動，雖然遊戲對左頂葉的激活程度與阿拉伯數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，遊戲對於前額葉區域的激活程度要明顯高於阿拉伯數字處理與空間活動。該研究也對 4128 名三年級學生進行了分數測試，根據前後測成績的變化，發現玩分數遊戲可以提高分數成績。更重要的是在遷移性測試中從玩遊戲過程中獲得的分數理解的影響可以延伸到標準分數測試。
認知神經科學與教育領域的研究者達成的共識是學習是認知、情緒與生理層面進行多層次交流的過程 [72]。情緒是影響學習結果的重要因素，積極的情緒有助於學習，而負性情緒會導致失敗的學習，如果學習環境引起學生的恐懼或壓力，學生的認知能力會受到影響。而學校教育過程經常忽略情緒的作用。腦科學的研究不但闡明了負性情緒對學習和記憶的阻礙方式，還提供了對情緒進行測量和調控的方法。利用遊戲化教學，教師可以為學生提供一個輕鬆、積極的學習環境，進而克服消極情緒對學習的幹擾。
當大腦感受到額外的獎勵時，中腦的多巴胺神經元會被激活並釋放出多巴胺，這對整個大腦前額葉等腦區神經元的活性有重要影響 [73]。發表在Nature雜誌上的一項研究發現，在電子遊戲中，人腦的紋狀體會釋放內源性多巴胺，多巴胺能性神經傳遞與學習、注意、感覺有關 [74]。大量研究表明數學焦慮對於數學表現有顯著的消極影響，但可以通過訓練而降低 [75]，針對算術學習的遊戲對學生的認知成果和情緒改善都有有益的 [76]。
腦機交互設備（BCI：Brain-Computer Interface）能夠實時地捕捉人的情緒，可以被用於數學焦慮的訓練，一項採用了短期縱向研究設計的研究證明使用整合了 BCI 技術的數學教育遊戲可以降低學習者的數學焦慮：該數學遊戲顯示了 BCI 設備（Emotive EPOC）所提供的實時的可視化腦神經反饋，提示學習者自身的情緒狀態，將數學遊戲與 BCI 設備整合可以有效地對監控情緒和降低數學焦慮；先前的研究只關注了教育遊戲後的數學成績而並沒有關注遊戲對學習者情感因素的影響（如焦慮、失望、參與）[77]。
作為學習科學的重要研究領域，認知神經科學的發展拓展了人們對學習行為的理解，為教育幹預手段的設計開發提供了更多科學證據支持，未來在學習和教育研究中將發揮非常重要的基礎性支撐作用 [78]。
基於認知神經科學的遊戲化學習研究目前還處於起步階段，相關的研究不太多，但也已經取得了比較豐富的研究成果。基於認知神經科學研究成果開發的教育遊戲為促進認知能力發展與學科知識的學習提供了有效的支持工具，同時腦科學研究方法也是驗證教育遊戲功能的科學方式。情緒對學習的影響逐漸得到關注，遊戲化學習可以激發學生的學習興趣，讓學生更加快樂的學習。腦科學設備的發展，如BCI技術在遊戲中的應用有助於降低學習者學習過程的焦慮感。
未來，基於認知神經科學的遊戲化學習有望在早期教育、基礎教育、特殊教育以及終身學習等方面發揮重要作用。隨著腦科學研究技術與遊戲技術的不斷進步，基於認知神經科學的遊戲化學習有望實現更加快樂、更加科學的學習。
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