如何提高英语单词学习的短期记忆效率
————《从认知神经科学角度对中国学生记忆英语单词的规律研究》之系列3
《从认知神经科学角度对中国学生记忆英语单词的规律研究》，分为十篇系列文章。在系列1和系列2里，我们从现代认知科学和脑神经科学的角度，阐述了中国学生学习英语的认知机理和特点，我们已经讲到：背单词是一种生理上的神经突触生长，从生理学的角度和生物化学的角度来看，背单词跟练健美很类似，都是通过一定的刺激，增加了供血量，促进了新基因转录和蛋白质的合成——只不过练健美生长的是身体的肌肉纤维，而背单词生长的是大脑的神经突触。
为了方便读者理解，我们比照练健美长肌肉，提出了大脑记忆英语单词的4个关键要素：第一靠合理的运动计划与安排;第二是每一次锻炼时要保证足够的运动量;第三靠周期性的训炼;第四靠充分的营养供应和休息。
关于第一项合理的运动计划与安排，在系列文章2里，我们已经探讨了中国学生背英语单词的最优宏观学习策略，同时发现，绝大部分中国学生在攻克英语单词这件事情上，在宏观策略与规划方面采用了最不经济的学习策略;关于第三项周期性的训练，也就是记忆的抗遗忘策略，我们将在系列文章中的第5篇来论述;关于第四项充分的营养供应和休息，我们将在系列文章中的第8篇来论述。
今天我们专门谈一谈第二项：每一次学习时，如何让大脑在短时间内产生足够的神经刺激，换句话说就是背单词的短期效率问题。
我们日常所说的“提高背单词的效率”，实际上有两种涵义。效率是结果产出与所耗费时间的比率。这里面有两个关键因子：第一是如何定义背单词的结果，第二是如何计算背单词的时间。依据对结果和对时间的不同定义，我们记忆工场的认知神经科学工作者将背单词效率分为宏观层面的记忆效率(又称长期效率)和微观层面的记忆效率(又称短期效率)。
背单词的结果对应的是对特定单词的记忆加工深度。在记忆工场将英语单词的记忆深度又分为AB两个维度：维度A是抗遗忘的程度，也就是属于短时记忆还是属于长时记忆和永久记忆。维度B是记忆的认知模式，是程序性记忆还是非程序性记忆，通俗地说就是需要思考和回忆才能想起来，还是不经大脑脱口而出的记忆。这里面说的长时记忆，肯定不是指背单词当天的记忆效果，而是经过很多天以后，至少是经过多次隔夜遗忘后的记忆效果。对于很多难词长词，如果编码和提取的质量不高，或者复习的频率不够，则可能需要累计花费很长的记忆时间，经过反复的记忆-遗忘循环，才能达到长时记忆的效果。
全面掌握一个单词的时间，严格地说，应该是从第一次接触这个单词，到彻底将该单词转化为长时记忆乃是永久记忆所耗费的总时间，这就是背单词的宏观记忆时间。而背单词的微观记忆时间，就是指背单词当天的学习时间。有些人可以在短时间内背会很多单词，但是很快就会遗忘。实际上，这只是将短时记忆或工作记忆的效果误认为长时记忆的错觉。现在人类已经知道，短时记忆和长时记忆在大脑内部是两套完全并行的系统，在脑神经机制方面是完全不同的。研究表明，前者仅仅是信息在神经回路中的传递，而后者则真正合成了新的蛋白质，也就是生理上形成了新的神经突触的联结。
基于以上“背单词的效果”(当天学习的记忆成果)和“背单词的时间”(当天的学习时间)的定义来研究“单词的短期记忆效率”，也就是短时记忆或工作记忆的加工效率，是本文讨论的命题。需要特别指出的是，当认知科学从认知心理学进入到认知神经科学之后，记忆工场的脑科学工作者更愿意使用“第一级记忆”、“第二级记忆”、“第三级记忆”来取代短时记忆、长时记忆这类传统概念，但是为了照顾读者大众过去约定俗成的习惯，在本系列文章中，我们仍然会使用短时记忆和长时记忆这些传统概念(见下图)。
提高学习当天的记忆效率(短期记忆效率或微观记忆效率)所需要的，就是在一定时间内给大脑足够的神经刺激，提升对单词内容的加工深度，也就是如何使大脑对认知内容“印象足够深刻”。
大家都知道，如果让我们看电影，玩游戏，去游乐园，做令我们感兴趣的事情，令我们产生强烈感官或精神刺激的事情，我们的大脑一定会做到“印象足够深刻”。但是，像背英语单词这种26个文字符号的排列组合，恐怕是世界上最无聊、最枯燥的事情，怎么可能做到让大脑印象深刻呢?
从神经生理学的角度，必须要做到四点;第一是注意力要专注;第二是编码要让大脑有足够印象;第三，要有足够全面的生理刺激，包括嘴部肌肉、舌头声带、呼吸等发音系统以及听觉系统在内的神经刺激;第四，合理的大脑运动量。下面我们逐一来论述：
（1）关于注意力。
注意力，又称专注力，指一个人专心于某一事物或活动时的心理状态。当大脑专注于某件事情时，会聚精会神，而对周围的人和事听而不闻、视而不见，这就是注意力。
注意是记忆的最前端——感觉记忆的前提，或者说，是一切记忆的前提，没有注意力就没有记忆力。注意力决定了学习者信息采集、信息处理、信息加工的能力。保持良好的注意力，是学习者大脑进行感知、记忆、思维等认识活动的基本条件。法国生物学家乔治·居维叶说：“天才，首先是注意力。”
注意力的高低，来源于大脑对认知对象的感兴趣程度，更来源于自控力。自控力一般与年龄正相关，儿童时期和青少年时期，人的兴趣点容易转移，注意力很难集中，俄国教育家乌申斯基认为“注意是儿童智力开发的门户”，一旦注意力涣散或无法集中，孩子智慧的门户就关闭了，一切有用的知识信息都无法进入。
2018年9月22日，我在MIT麻省理工学院大脑与认知科学系参加了一个学术讲座，报告人研究的课题方向是：大脑如何对海量的高维数据做降维处理。
我们知道，大脑无时无刻不在收集来自身体各种感官的超级海量信息，但大脑是如何将复杂庞大的高维数据，通过可视化、降噪，解码和概括，变成简单实用的低维数据，也就是对大脑行使判断与决策有用的简单数据?研究表明，大脑主要是通过两种机制在工作：一是通过兴奋与专注，二是通过有目的的训练，就能避免将繁杂的信息随机传导而导致的海量无序神经联结，转化为特定脑细胞之间的有序联结，从而极大程度地对数据降维，最后变成对大脑认知与决策有关的简单指令。
在Memoryer记忆者英语单词记忆系统里，我们内置了一个注意力指标——专注度。专注度是一个非常精确的实时数据，除了能在学习结束后的《学习评价报告》里看到电脑给出的数值和评语之外，系统里的四个AI人工智能老师，会在学习过程中，对频繁走神等注意力不集中的行为进行提醒和干预。四个老师性格脾气不大一样，老夫子常常发脾气摔东西，小丸子老师会向你发起挑战，Lily老师俏丽知性，BoBo老师总是笑着鼓励你……这么安排的原因，除了依靠人工智能老师干预的方式提醒用户不要走神之外，更是为了使得软件系统更加有趣更加人性化，富有亲切感和趣味性，从而全面提升用户使用时的注意力集中度。
越是年幼的学生，家长和老师越要关注其“专注度”指标，帮助其提升注意力，因为他们缺乏自控的能力。这里要注意，鼓励而不是惩罚，是提高儿童注意力的有效激励方式，因为自控力与意愿正相关。
看看，背单词不仅仅是个学习过程，更是一个自控力的训练过程。在认知科学家和教育学家的眼里，培养自控力要远比学习知识对孩子的成长更重要，耶鲁大学的研究表明，自控力的高低决定了一个人一生的成就——请家长和老师们务必把这个道理讲给学生们听。
在Memoryer记忆者的实际应用中，后台系统给出了几十个指标。但是启慧工场的老师们在实践中发现，对于一般小学和初中的学生，我们的辅导老师和家长，平时最关心的就是专注度指标，其背后原因就在于：对于这类学生，影响当日背单词效率的最大问题就是自控力问题，而专注度是自控力最精确的量化指标。等学生进入高中后期，自我意识和自我控制能力强化，以及对于那些小学初中就自控力极强的学霸们，老师和家长一般会关注效率指标、速度指标、进度指标和脑疲劳度指标。
值得特别指出的是：注意缺陷多动障碍(ADHD，简称多动症)，在我国儿童、青少年精神疾病中，ADHD是发生率最高、影响最大的一个疾病。在12周岁以下儿童中，各国统计的发病率都在5%左右。美国疾控中心数据显示，4岁-17岁未成年人的发病率高达9%，也就是每20个儿童中就有一个患者。在世界卫生组织的《世界通用疾病分类手册》中编号为F90，又称为“过度活跃症”。患者多表现为注意力无法集中、好动而行为无目的性。
2013年暑假期间，记忆工场曾经与天津大学医学院合作，针对ADHD儿童采用脑波注意力训练软件进行认知行为治疗，取得了一定的成效。
考虑到ADHD患者在儿童和青少年中的比例是如此之高，所以我们常常会发现在使用“记忆者”的过程中，确实有一些学生的“专注度”指标始终都提高不上来，或者维持一定专注度的时间很难超过15分钟，超过这个时间专注度指标就会突然下降，且长期如此。现实生活中的这类“皮孩子”确实比较多，常见于低年级的小学生中。家长老师们总以为是这些孩子太好动太活泼，管不住自己，而没有意识到这其实是一种脑神经发育不良或心理发育不良导致的疾病。
对于这类学生，家长和老师不要过度施加压力或指责，而是要科学对待，积极治疗。对ADHD的治疗分为两种方式，一种是药物治疗，一种是心理治疗，特别是认知行为治疗。而通过“记忆者”学习英语单词的过程，其实恰好就是训练孩子注意力的一种认知行为治疗过程，记忆者系统对专注度指标的量化算法是极为精确的，老师、家长和学生通过每天观察当日专注度指标，再辅之以正向的引导和激励，鼓励孩子一步步提高注意力，逐渐摆脱ADHD的影响。
（2）如何有效编码才能让大脑对单词印象深刻。
在认知科学领域有两个英文单词，一个是coding,另一个是encoding，两个英文词都被翻译成中文：编码，但意义不太一样。前者是指信息呈现的方式，分为听觉编码，视觉编码和语义编码，在背单词过程中，主要出现在工作记忆阶段;后者是指把信息放入长时记忆的过程，其目的是为了将来回忆单词时的解码，所谓解码就是将以前通过编码放入长时记忆的信息重新提取到工作记忆中，又叫做提取。
记忆的牢固程度取决于信息编码的加工水平，深层次的加工比浅层次的加工更有利于编码和提取。这就是1972年Fergus Craik和Robert Lockhart提出的“加工水平”这个观点。
在这里，我们需要引入一个新的概念：工作记忆(working memory，WM)。WM这个词在认知心理学和认知神经科学领域非常有名，但人类迄今为止对WM的定义与研究还有很多争议。目前比较公认的说法：工作记忆指的是个体在执行认知任务中,对信息暂时储存与操作的能力。
记忆工场的脑科学工作者曾经打过一个比方，如果大脑的长时记忆类似电脑的硬盘空间的话，工作记忆就有点类似电脑的内存。它是执行英语单词编码和存储的地方，是连接感觉、知觉和长时记忆的中间信息加工环节。工作记忆可以认为是一种特殊的短时记忆，或者说：工作记忆=短时记忆+控制加工系统。
目前针对WM的机制，国际上已经提出十几个有影响的理论模型，其中最著名的是Baddeley等人提出的4成分模型(见下图)。
该模型认为WM由语音回路、视觉空间模板、情景缓冲区和中央执行系统组成。其中，语音回路、视觉空间模板、情景缓冲区就是短时记忆，而中央执行系统就是控制加工系统。
1.基于语音的语音回路(又叫语音环)：以语音形式保持信息，它的容量由保持时间决定，记忆广度由复述率决定，主要用于记住词的顺序，保持信息。
2.视空展板：主要用于加工视觉和空间信息。
3.情景缓冲区：是一种用于保存不同信息加工结果的次级记忆系统，在中枢执行系统的控制之下保持加工后的信息，支持后续的加工操作。
4.中央执行系统：类似于注意的中枢系统，主要用于分配注意资源，控制加工过程，这是工作记忆的关键成分。
工作记忆WM概念的引入，使得人类对记忆加工的过程，特别是感觉信号如何被大脑加工存储到长时记忆，有了突破性的认识。
比如说，我们上面刚刚提到的注意力，被认为是影响工作记忆容量的重要因素。将注意力从关注的项目转移开，会干扰工作记忆的维持。总之，把注意力集中在某个事物上，会使得它更容易被记住。并且，集中注意力同样意味着忽略外界的干扰信息。Gaspar的研究表明，工作记忆容量小的人不能很好地排除那些影响力大的、让人分心的信息。因此，我们认为维持专注的注意力是形成较高工作记忆容量的重要保障。
又比如说，工作记忆告诉我们，在单词记忆过程中，呈现的单词主要通过语音回路、视觉图形和空间关系这三个维度。也就是说我们的每一个单词，要通过语音的、视觉图像的、空间位置的三种方式来加工，这里面的语音、视觉图形和空间位置，不仅仅是指物理上的概念，还包括了大脑的想象场景，以及语义方面的逻辑关系——我们通过想象呈现在脑海里的一个个逻辑关系形成的“脑图”。(在这里，我们推荐各类教育机构开展对学生进行“脑图(思维导图)”的培训课程，这类课程有助于学生建立语义空间中的逻辑关系，对记忆、学习、思考有较大的帮助。)
通过工作记忆的原理，很容易推导出人类大脑在认知编码时，一共会有听觉编码，视觉编码和语义编码三类编码方式。对于背单词这件事来讲，上述三类编码正好对应的是每个单词的“音-形-义”。如果能够对某个单词同时采用三类编码，那么这个单词的音-形-义就会被完整全面地掌握。
记忆工场的认知科学家在研究了背英语单词的编码规律之后，将其划分为四种类型的编码，又叫做四种助记方法：谐音法，联想法，词素法和类比法。其中，谐音法主要是听觉编码;联想法是以视觉编码为主的综合性编码;词素法和类比法都属于语义编码，但是属于两个不同的方向。
例如，利用谐音法，将economy经济，编码为“依靠农民”，将pregnant怀孕，编码为“扑来个男的”，将custom海关，编码为“卡死他们”。利用联想法，将zoo编码为数字200，或一个蛇+两个圈圈;将family编码为father and mother I love you;将tenant房客联想为十只蚂蚁(ten+ant)。词素法就是我们说的词根词缀法，对于掌握一定英语词根词缀的的同学，是一个单词倍增器。类比法就是将每个单词的同义近义反义，同音近音近形，同类等单词放在一起，建立起大脑解构和提取的脑图。
Memoryer记忆者英语单词记忆系统，内置了4万多种助记方法，加上学生个人的助记法和网友分享的助记法，成为迄今为止全球最大的英语单词编码库。同时我们发现，随着英语单词水平的提高，学生的助记法会从谐音法逐步向联想法和词素法转移，最终进入类比法——记忆工场的科学家将这种现象定义为中国学生背单词过程中的“编码进化现象”。
为什么会出现这种现象?这与背单词本身的认知发展规律有关，也与汉字是表意文字，而英语是表音文字有关。中国人学习表音文字，就会出现这种奇怪的现象。
关于中国学生背英语单词过程中的编码和助记法使用的研究，论述起来篇幅非常长，我们将在系列文章4里专门来撰述。同时，关于Baddeley工作记忆4成分模型中提到的晶体系统和流体系统的概念，我们将在系列文章5关于抗遗忘的研究中重点讨论。
（3）发音系统和听觉系统的肌肉神经刺激：
人们发现，欲学英语，先背单词;欲背单词，先学发音。实际上，人类语言的习得都是从发音开始的，而且是一种天赋本能，听说能力在语言发展上要远远早于阅读写作。对于人类群体来讲，在文字没有被发明之前，人类早已经能够用语言来沟通。但是中国人学英语恰恰相反，都是先会认会写，后会听会说，甚至学了一辈子“哑巴英语”，这本身就是违背语言学习的天然规律的。
在人类的记忆中，长时记忆被分为外显记忆和内隐记忆，又称程序性记忆和非程序性记忆，内隐记忆的内容无法用语言来描述，多次重复练习后，一旦形成不易遗忘。例如游泳和骑自行车等，都已经形成本能。内隐记忆是不需要经过编码——记忆——提取过程的，效率高又很难遗忘。因此，内隐记忆要优于外显记忆。
在系列文章2中我们已经提到过，学习learning和习得acquisition是两种不同的认知类型，语言与其他学科不同，其他学科一定是通过学习得到知识，而语言既可以是学习的知识，又可以是习得的技能。
如果说，我们写文章还需要外显记忆来组织、回忆和思考的话，我们的日常母语说话是不经过思考脱口而出的，完全是一种习得的技能，这就属于内隐记忆。内隐记忆是习得而不是学习，而且往往是与肌肉记忆有关，例如我们的语言发音器官：嘴部肌肉，舌头，声带，呼吸系统，耳朵等听觉系统，以及嘴型表情身体语言等视觉系统等，这些一旦形成生理性神经记忆，在人们相互沟通之时就会脱口而出，完全是一种不经大脑思考的神经反馈行为，要比我们经过大脑回忆——思考——组织出来的外语，强很多倍。
因此，凡是我们能用肌肉神经记忆的，就叫尽量少用大脑记忆。怎么做到?跟练习健美一样，就是要给这些负责发音和听力的肌肉神经系统以强烈、超常规的、高频的刺激。对应在背单词这一行为上，就是要用最大的声音，最夸张的咬舌，最快的速度，反复高频练习。还记得“疯狂英语”的李阳老师吗?他就是用这种方法来学英语的。所以，我们鼓励学生，在使用Memoryer记忆者背单词时，大声地、高频地、快速地对单词和例句进行发音练习。作为学生背单词支援体系的教师家长，要关注发音的准确性，可以比照系统里的发音进行学习，或者在网上找发音纯正的老师专门跟读，因为一旦形成肌肉记忆，就如同我们的地方口音一样，很难改正过来。
如果是培训机构，在用户使用Memoryer记忆者系统之前，可以先教会学生“英语自然拼读法”，以便学生能够准确地进行发音。与此同时，Memoryer记忆者系统内置了帮助学生进行英语自然拼读法的功能，这也是其他软件所不具备的。
(4)合理的大脑运动量安排。用神经科学方面的术语来说，就是合理的记忆强度和脑负荷。
健美是通过对肌肉的刺激以促进生长，背单词形成长时记忆的神经突触联结，其原理也很类似：那就是必须遵从科学定律。
记忆的本质是一种心智上的建构，又叫记忆的建构性。建构是一个需要心智加工的过程，编码是加工的重要组成部分，浅加工无助于长时记忆，因为编码和提取本身就属于长时记忆的范畴，而深加工就需要在工作记忆的语音回路和时空展板上，通过中央执行系统来进行记忆加工，这些都需要耗用脑力。特别是对英语初学者，其难度类似于对无规则符号的组合顺序进行记忆，这对于习惯了语言文字是象形文字的中国学生来讲，尤其困难。
在认知领域，有很多个效应都与背单词有关。例如1984年Baddeley等发现了“词长效应”，也就是短词的记忆效果远好于短词的记忆效果。这个很容易理解，让你背red,he,of,hot,go五个单词容易，还是背apprcieated，Wednesday,Spectacular三个单词容易?因此，背单词的重点难点就放在难词长词上，需要用好的编码方法来助记。但这一切，都需要耗用脑力，也就是大脑要加速供血供氧，科学家们用特定的设备(例如功能性近红外光谱技术fNIRS)，是可以看到大脑在背单词时，哪些部位被“点亮”，也就是响应部分的血氧量在增加。
大脑是人的神经中枢，一刻也离不开氧气，一个成人的大脑约重1500克左右，约占其体重的2.5-3.0%，而大脑需要提供的血流量占心脏搏出量的15—20%，它的氧耗量则占全身总耗氧量的25%。大脑的一个特点是高氧消耗，低氧储备，也就是说，它对缺氧的耐受力极弱，它不能片刻缺血缺氧，仅几秒种的缺氧就会引起头晕、眼前发黑等，是个娇弱的生理部件。
因此，必须给大脑合理的“运动量”。但是在背单词的过程中，怎么样才叫合理，如何判断运动量的大小?
首先，对于背单词，每个人的英语基础不同。例如，对于同一课本同一单元的单词，英语底子好的小红同学其实已经率先掌握了50%以上的单词，同时对于生词涉及到的词根词缀，也已经基本掌握。但是英语底子差的小兰同学，可能100%都是生词。小红和小兰背同样的单词，其难度差了不止一倍!
其次，假设小红和小兰同样背了50个单词，但不是同一个年级或同一个单元的单词。如果小红背的50个单词里，长词难词有5个，而小兰的长词难词则有15个，其学习难度也不一样。
最后，如果小红刚刚从户外散步回来，大脑内的血氧量充足，而小兰已经连续学习了4个小时，又困又乏，让他们学习同样的单词，其学习难度和效率也完全不同。
上述问题困扰了记忆工场的科学家们很多年，直到我们发现了一个巧妙的方法，才解决了这个问题。
我们不管学生在背单词时的学习内容和大脑的状态(血氧含量)如何，只要学生的学习速度非常慢，学习效率非常低，同时学习时的出错率远高于一个合理的阈值，那么我们就可以初步判断，该学生的学习强度和大脑疲劳度已经超负荷，如果再加上连续学习的时间数量和长词难词的比例，就可以进一步验证该学生的大脑“运动量”是不是在合理的区间内了。
对此，在Memoryer记忆者系统里，内置了学习强度和大脑疲劳度两个指标，前者与学生在当天的学习量和长词难词比例有关;后者与学生的学习效率，学习速度，出错率相关。这两个指标相互印证，当达到一定阈值时，人工智能老师会主动跳出来，提醒学生中止当天的学习，或者充分休息之后在学习。
因此，从效率的角度，我们不建议中学生每天背单词的时间超过30分钟。这是一个经验值，越是年龄小的学生，这个值越低。例如小学一年级的小朋友，每天高效学习15分钟就足够了，时间再长，学习效率就会极大降低。高中高年级的学生，时间可以放宽到40分钟。即便是因考试需要，必须在短期内大量突击单词，高速学习30~40分钟后，一定要在有氧环境中充分休息一段时间，可以再次进行高速学习。大量实践表明，这样做的短期记忆效率最高。
以上阐述了提高大脑短期记忆效率的原理，明白了这些原理，就更加容易理解Memoryer记忆者系统的设计机理，从而更好地了解和使用该系统。期待中国学生在启慧工场老师们的专业指导下，不断提高学习效率。
Know Brain，Learn Smart.(了解大脑，聪明学习)
【作 者】：Dr.Bing
附：《从认知神经科学角度对中国学生记忆英语单词的规律研究》系列：
1、中国人记忆英语单词与老外有什么不同
2、中国学生掌握英语单词的最优学习策略
3、如何提高记忆英语单词的微观效率
4、中国学生背英语单词的编码策略及编码转移现象
5、对英语单词学习过程中的抗遗忘研究
6、LRRP英语单词认知记忆模型
7、听读阅写说：全面掌握单词的技术
8、单词记忆与大脑的营养发育
9、量化评估分析影响学生掌握英语单词的主要因素
10、人工智能在教育领域的应用前景