Rozwój Mózgu: Neurobiologia Uczenia Się - Kluczowe Aspekty

Dotychczasowa część tego wykładu koncentrowała się na funkcjonowaniu dojrzałego centralnego układu nerwowego. Wielu pedagogów pracuje jednak z dziećmi w wieku przedszkolnym, dziećmi i młodzieżą. Temat rozwoju mózgu jest interesujący nie tylko sam w sobie, ale również dlatego, że implikacje edukacyjne dla nauczania i uczenia się różnią się w zależności od etapu rozwoju mózgu. W scenariuszu otwierającym Bryan zauważa znaczenie zrozumienia rozwoju mózgu przez pedagogów. Ta sekcja omawia wpływowe czynniki na rozwój, przebieg rozwoju, okresy krytyczne w rozwoju oraz rolę rozwoju w nabywaniu i używaniu języka.

Chociaż ludzkie mózgi są strukturalnie podobne, istnieją różnice między jednostkami. Pięć wpływów na rozwój mózgu to genetyka, stymulacja środowiskowa, odżywianie, steroidy i teratogeny (Byrnes, 2001).

Genetyka

Ludzki mózg różni się wielkością i składem od mózgów innych zwierząt. Chociaż różnica między ludzkim genomem a genomem naszego najbliższego zwierzęcego krewnego (szympansa) wynosi zaledwie 1,23% (Lemonick & Dorfman, 2006), ta różnica i inne wariacje genetyczne tworzą gatunek, który może projektować i budować mosty, komponować muzykę, pisać powieści, rozwiązywać złożone równania i tak dalej.

Ludzkie mózgi mają podobną strukturę genetyczną, ale mimo to różnią się wielkością i strukturą. Badania bliźniąt monozygotycznych (jedno jajowych) pokazują, że czasami rozwijają one mózgi, które są strukturalnie różne (Byrnes, 2001). Instrukcje genetyczne określają wielkość, strukturę i połączenia neuronalne mózgu. Przez większość czasu te różnice dają normalnie funkcjonujące mózgi, ale badania nad mózgiem wciąż identyfikują, w jaki sposób pewne różnice genetyczne powodują nieprawidłowości.

Czynniki wpływające na rozwój mózgu:

• Genetyka
• Stymulacja środowiskowa
• Odżywianie
• Steroidy
• Teratogeny

Stymulacja środowiskowa

Rozwój mózgu wymaga stymulacji ze środowiska. Rozwój prenatalny przygotowuje grunt pod uczenie się, rozwijając obwody neuronowe, które mogą odbierać i przetwarzać bodźce i doświadczenia. Te doświadczenia dodatkowo kształtują obwody poprzez dodawanie i reorganizację synaps. Na przykład, kobiety w ciąży, które rozmawiają i śpiewają do swoich dzieci, mogą poprzez swoją mowę i śpiew pomagać w tworzeniu połączeń neuronalnych u dzieci (Wolfe, 2001). Rozwój mózgu opóźnia się, gdy brakuje doświadczeń lub są one minimalne. Chociaż istnieją pewne okresy krytyczne, w których stymulacja może mieć głęboki wpływ (Jensen, 2005), badania sugerują, że stymulacja jest ważna przez całe życie, aby zapewnić dalszy rozwój mózgu.

Odżywianie

Brak dobrego odżywiania może mieć poważny wpływ na rozwój mózgu, a konkretne skutki zależą od tego, kiedy wystąpi niedożywienie (Byrnes, 2001). Na przykład niedożywienie prenatalne spowalnia produkcję i wzrost neuronów i komórek glejowych. Okres krytyczny przypada między 4 a 7 miesiącem ciąży, kiedy produkowana jest większość komórek mózgowych (Jensen, 2005). Późniejsze niedożywienie spowalnia tempo wzrostu komórek i nabywania osłonki mielinowej. Chociaż ten ostatni problem można skorygować za pomocą odpowiedniej diety, pierwszy nie, ponieważ rozwinęło się zbyt mało komórek. Dlatego kobietom w ciąży zaleca się unikanie narkotyków, alkoholu i tytoniu; utrzymywanie dobrej diety; i unikanie stresu (stres również powoduje problemy dla rozwijającego się płodu).

Steroidy

Steroidy odnoszą się do klasy hormonów, które wpływają na kilka funkcji, w tym rozwój płciowy i reakcje na stres (Byrnes, 2001). Steroidy mogą wpływać na rozwój mózgu na różne sposoby. Mózg ma receptory dla hormonów. Hormony takie jak estrogen i kortyzol będą wchłaniane i potencjalnie zmienią strukturę mózgu podczas rozwoju prenatalnego. Nadmierne hormony stresu mogą powodować śmierć neuronów. Naukowcy zbadali również, czy różnice płci i preferencji seksualnych wynikają częściowo z różnic w steroidach. Chociaż dowody na rolę steroidów w rozwoju mózgu są mniej rozstrzygające niż dowody na rolę odżywiania, steroidy mają potencjał wpływania na mózg.

Teratogeny

Teratogeny to obce substancje (np. alkohol, wirusy), które mogą powodować nieprawidłowości u rozwijającego się zarodka lub płodu (Byrnes, 2001). Substancja jest uważana za teratogen tylko wtedy, gdy badania wykażą, że nierealistycznie wysoki poziom może wpływać na rozwój mózgu. Na przykład kofeina w małych ilościach może nie być teratogenem, ale może się nim stać, gdy spożycie jest wyższe. Teratogeny mogą wpływać na rozwój i wzajemne powiązania neuronów i komórek glejowych. W skrajnych przypadkach (np. wirus różyczki) mogą powodować wady wrodzone.

Podczas rozwoju prenatalnego mózg rośnie pod względem wielkości i struktury, a także liczby neuronów, komórek glejowych i połączeń neuronalnych (synaps). Prenatalny rozwój mózgu jest szybki, ponieważ zachodzi w ciągu dziewięciu miesięcy, a większość komórek powstaje między 4 a 7 miesiącem (Jensen, 2005). Komórki przemieszczają się w górę cewy nerwowej, migrują do różnych części mózgu i tworzą połączenia. Szacuje się, że w szczytowym momencie embrion generuje ćwierć miliona komórek mózgowych na minutę.

W momencie narodzin mózg ma ponad milion połączeń, co stanowi około 60% szczytowej liczby synaps, które rozwiną się w ciągu życia (Jensen, 2005). Biorąc pod uwagę te liczby, nic dziwnego, że rozwój prenatalny jest tak ważny. Zmiany, które zachodzą wtedy, mogą mieć daleko idące i trwałe skutki.

Rozwój mózgu zachodzi również szybko u niemowląt. W wieku 2 lat dziecko będzie miało tyle synaps, co dorosły, a w wieku 3 lat dziecko będzie miało miliardy więcej niż dorosły. Mózgi małych dzieci są gęste i mają wiele złożonych połączeń neuronalnych, więcej niż w jakimkolwiek innym okresie życia (Trawick-Smith, 2003).

W rzeczywistości małe dzieci mają zbyt wiele synaps. Około 60% energii niemowląt jest zużywane przez ich mózgi; dla porównania, mózgi dorosłych wymagają tylko 20-25% (Brunton, 2007). Wraz z rozwojem dzieci i młodzież tracą znacznie więcej synaps mózgowych, niż zyskują. Zanim młodzież skończy 18 lat, straciła około połowy synaps niemowlęcych. Połączenia mózgowe, które nie są używane lub potrzebne, po prostu znikają. Ta strategia „użyj albo strać” jest pożądana, ponieważ połączenia, które są używane, zostaną wzmocnione i utrwalone, podczas gdy te, które nie są używane, zostaną trwale utracone.

W wieku 5 lat mózg dziecka opanował język i rozwinął umiejętności sensoryczno-motoryczne oraz inne kompetencje. Szybkie zmiany pierwszych lat spowolniły, ale mózg nadal dodaje synaps. Sieci neuronowe stają się bardziej złożone w swoich powiązaniach. Proces ten trwa przez cały rozwój.

Jak zauważył Bryan we wstępnej winietce, poważne zmiany zachodzą w okresie dojrzewania, kiedy to mózg podlega zmianom strukturalnym (Jensen, 2005). Płaty czołowe, które odpowiadają za abstrakcyjne rozumowanie i rozwiązywanie problemów, dojrzewają, a płaty ciemieniowe zwiększają swoją wielkość. Kora przedczołowa, która kontroluje osądy i impulsy, dojrzewa powoli (Shute, 2009). Zachodzą również zmiany w neuroprzekaźnikach — zwłaszcza dopaminie — które mogą sprawić, że mózg będzie bardziej wrażliwy na przyjemne działanie narkotyków i alkoholu. Następuje pogrubienie komórek mózgowych i masowa reorganizacja synaps, co czyni ten czas kluczowym dla uczenia się. Strategia „użyj albo strać” powoduje wzmocnienie obszarów mózgu poprzez ćwiczenia (np. ćwiczenie gry na pianinie pogrubia neurony w obszarze mózgu kontrolującym palce) (Wallis, 2004).

Biorąc pod uwagę te powszechne zmiany w ich mózgach, nie jest zaskakujące, że nastolatki często podejmują złe decyzje i angażują się w ryzykowne zachowania związane z narkotykami, alkoholem i seksem. Strategie nauczania muszą uwzględniać te zmiany.

Wiele książek o wychowaniu dzieci podkreśla, że pierwsze dwa lata życia stanowią okres krytyczny, w którym, jeśli nie wystąpią określone doświadczenia, rozwój dziecka ucierpi na trwałe. Jest w tym stwierdzeniu trochę prawdy, choć jest ono przesadzone. Pięć aspektów rozwoju mózgu, dla których wydają się istnieć okresy krytyczne, to język, emocje, rozwój sensomotoryczny, rozwój słuchowy i wzrok. Język i emocje omówiono w innym miejscu tego rozdziału; pozostałe trzy zostaną omówione poniżej.

Rozwój Sensomotoryczny

Układy związane ze wzrokiem, słuchem i ruchami motorycznymi intensywnie rozwijają się poprzez doświadczenia w ciągu pierwszych dwóch lat życia. Układ przedsionkowy w uchu wewnętrznym wpływa na zmysły ruchu i równowagi oraz oddziałuje na inne układy sensoryczne. Istnieją dowody na to, że niewystarczająca stymulacja przedsionkowa u niemowląt i małych dzieci może prowadzić później do problemów z nauką (Jensen, 2005).

Aspekty rozwoju mózgu mające okresy krytyczne.

• Sensomotoryczny
• Słuchowy
• Wzrokowy
• Emocjonalny
• Językowy

Zbyt często jednak niemowlęta i małe dzieci nie przebywają w stymulującym środowisku, zwłaszcza te dzieci, które spędzają dużo czasu w żobkach, które zapewniają głównie opiekę. Wiele dzieci nie otrzymuje również wystarczającej stymulacji poza tymi miejscami, ponieważ spędzają zbyt dużo czasu w fotelikach samochodowych, chodzikach lub przed telewizorem. Umożliwienie młodym ludziom ruchu, a nawet kołysanie ich, zapewnia stymulację. Około 60% niemowląt i małych dzieci spędza średnio od jednej do dwóch godzin dziennie na oglądaniu telewizji lub filmów (Courage & Setliff, 2009). Chociaż małe dzieci mogą uczyć się z tych mediów, nie robią tego łatwo. Rozumienie i uczenie się dzieci są wzmacniane, gdy rodzice oglądają razem z nimi i zapewniają opisy i wyjaśnienia (Courage & Setliff, 2009).

Rozwój Słuchowy

Pierwsze dwa lata życia dziecka są krytyczne dla rozwoju słuchu. W wieku 6 miesięcy niemowlęta potrafią rozróżnica większość dźwięków w swoim otoczeniu (Jensen, 2005). W pierwszych dwóch latach układy słuchowe dzieci dojrzewają pod względem zakresu słyszanych dźwięków i zdolności rozróżniania dźwięków. Problemy z rozwojem słuchu mogą prowadzić do problemów w nauce języka, ponieważ duża część przyswajania języka zależy od tego, czy dzieci słyszą mowy innych osób w swoim otoczeniu.

Wzrok

Wzrok rozwija się głównie w ciągu pierwszego roku życia, a zwłaszcza po czwartym miesiącu. Gęstość synaptyczna w układzie wzrokowym dramatycznie wzrasta, w tym połączenia neuronalne regulujące percepcję koloru, głębi, ruchu i odcienia. Prawidłowy rozwój wzroku wymaga bogatego wizualnie środowiska, w którym niemowlęta mogą badać przedmioty i ruchy. Telewizja i filmy są słabymi substytutami. Chociaż zapewniają kolor i ruch, są dwuwymiarowe, a rozwijający się mózg potrzebuje głębi. Akcja pokazywana w telewizji i filmach często przebiega zbyt szybko, aby niemowlęta mogły się na niej odpowiednio skupić (Jensen, 2005).

Krotko mówiąc, pierwsze dwa lata życia są krytyczne dla prawidłowego rozwoju układów sensomotorycznych, wzrokowych i słuchowych, a rozwój tych układów jest wspomagany, gdy niemowlęta przebywają w bogatym środowisku, które pozwala im doświadczać ruchów, widoków i dźwięków. Jednocześnie rozwój mózgu jest procesem całożyciowym; mózgi potrzebują stymulacji po 2 roku życia. Mózg stale dodaje, usuwa i reorganizuje połączenia synaptyczne oraz zmienia się strukturalnie. Chociaż naukowcy wykazali, że niektóre aspekty rozwoju mózgu zachodzą szybciej w określonych momentach, osoby w każdym wieku odnoszą korzyści ze stymulującego środowiska.

Wcześniej widzieliśmy, jak pewne funkcje związane z językiem działają w mózgu. Chociaż badacze eksplorowali procesy mózgowe związane z różnymi rodzajami treści, angażującymi różne zdolności umysłowe, przeprowadzono wiele badań nad przyswajaniem i używaniem języka. Jest to kluczowy aspekt rozwoju poznawczego i ma ogromne implikacje dla uczenia się.

Jak wspomniano wcześniej, wiele badań mózgu nad językiem przeprowadzono na osobach, które doznały urazów mózgu i doświadczyły pewnego stopnia utraty języka. Takie badania dostarczają informacji o tym, jakie funkcje są dotknięte urazem określonych obszarów mózgu, ale te badania nie dotyczą przyswajania i używania języka w rozwijających się mózgach dzieci.

Badania mózgu rozwijających się dzieci, choć mniej powszechne, oferują ważne spostrzeżenia na temat rozwoju funkcji językowych. Badania często porównują dzieci rozwijające się normalnie z tymi, które mają trudności w nauce w szkole. Zamiast technik chirurgicznych często stosowanych u pacjentów z urazami mózgu lub zmarłych, badania te wykorzystują mniej inwazyjne techniki, takie jak te opisane wcześniej w tym rozdziale. Naukowcy często mierzą potencjały związane ze zdarzeniami (lub potencjały wywołane), które są zmianami w falach mózgowych, które występują, gdy jednostki przewidują lub angażują się w różne zadania (Halliday, 1998).

Różnice w potencjałach związanych ze zdarzeniami w sposób wiarygodny różnicują dzieci poniżej średniej, średnie i powyżej średniej (Molfese i in., 2006). Dzieci rozwijające się normalnie wykazują rozległą obustronną i przednią (czołową) aktywację kory mózgowej oraz zaakcentowane aktywacje po lewej stronie w obszarach języka i mowy. W przeciwieństwie do utrzymania umiejętności czytania, wydaje się, że rozwój czytania zależy również od aktywacji przedniej, być może po obu stronach mózgu (Vellutino i Denckla, 1996). Inne badania pokazują, że rozwijające się dzieci, które doświadczają dysfunkcji po lewej stronie, najwyraźniej kompensują to w pewnym stopniu, ucząc się czytać za pomocą prawej półkuli. Prawa półkula może być w stanie wspierać i podtrzymywać odpowiedni poziom czytania, ale wydaje się, że krytyczne jest, aby to przejście nastąpiło przed rozwojem kompetencji językowych. Takie przejęcie funkcji językowych przez prawą półkulę może nie występować u osób, które doznały uszkodzenia lewej półkuli jako dorośli. Okres krytyczny w rozwoju językowym wydaje się przypadać między urodzeniem a 5 rokiem życia. W tym czasie mózgi dzieci rozwijają większość swoich zdolności językowych. Następuje gwałtowny wzrost słownictwa między 19 a 31 miesiącem życia (Jensen, 2005). Rozwój tych zdolności językowych jest wzmacniany, gdy dzieci znajdują się w środowiskach bogatych w język, gdzie rodzice i inne osoby rozmawiają z dziećmi. Ten krytyczny okres dla rozwoju językowego pokrywa się z krytycznym okresem rozwoju słuchu między urodzeniem a 2 rokiem życia.

Oprócz tego okresu krytycznego, rozwój językowy wydaje się być również częścią naturalnego procesu z harmonogramem. Widzieliśmy, jak systemy słuchowy i wzrokowy rozwijają zdolności do dostarczania danych wejściowych dla rozwoju języka. Równoległy proces może zachodzić w rozwoju językowym w odniesieniu do zdolności postrzegania fonemów, które są najmniejszymi jednostkami dźwięków mowy (np. dźwięki „b” i „p” w słowach „bet” i „pet”). Dzieci uczą się lub nabywają fonemy, gdy są na nie narażone w swoim otoczeniu; jeśli fonemy są nieobecne w ich otoczeniu, wtedy dzieci ich nie nabywają. Tak więc, może istnieć okres krytyczny, w którym połączenia synaptyczne są prawidłowo formowane, ale tylko wtedy, gdy środowisko dostarcza danych wejściowych. Krótko mówiąc, mózgi dzieci mogą być „gotowe” („zaprogramowane”) do uczenia się różnych aspektów języka w różnym czasie, zgodnie z ich poziomem rozwoju mózgu (National Research Council, 2000).

Co ważne dla edukacji, instrukcje mogą pomóc w ułatwieniu rozwoju językowego. Różne obszary mózgu muszą współpracować, aby nauczyć się języka, takie jak obszary zaangażowane w widzenie, słyszenie, mówienie i myślenie (Byrnes, 2001; National Research Council, 2000). Nabywanie i używanie języka to skoordynowana aktywność. Ludzie słuchają mowy i czytają tekst, myślą o tym, co zostało powiedziane lub co przeczytali, i układają zdania, aby pisać lub mówić. Ta skoordynowana aktywność implikuje, że rozwój językowy powinien korzystać z instrukcji, które koordynują te funkcje, to znaczy doświadczeń, które wymagają wzroku, słuchu, mowy i myślenia.

Podsumowując, różne obszary mózgu uczestniczą w rozwoju językowym u dzieci rozwijających się normalnie, chociaż wkłady lewej półkuli są zazwyczaj bardziej widoczne niż prawej półkuli. Z biegiem czasu funkcje językowe są w dużej mierze przejmowane przez lewą półkulę. W szczególności umiejętność czytania wydaje się wymagać kontroli lewej półkuli. Ale potrzeba więcej badań, zanim w pełni zrozumiemy związki między funkcjami mózgu a rozwijającymi się kompetencjami językowymi i czytania.

Podobnie jak inne aspekty rozwoju mózgu, nabywanie języka odzwierciedla interakcję między dziedzicznością a środowiskiem. Doświadczenia kulturowe niemowląt i dzieci w dużym stopniu zadecydują o tym, które synapsy mózgowe zachowają. Jeśli kultura podkreśla funkcje motoryczne, to powinny one zostać wzmocnione; natomiast jeśli kultura podkreśla procesy poznawcze, to one wzrosną. Jeśli małe dzieci są narażone na bogate środowisko językowe, podkreślające język mówiony i pisany, to ich nabywanie języka rozwinie się szybciej niż zdolności językowe dzieci w ubogich środowiskach.

Implikacją dla ułatwienia wczesnego rozwoju mózgu jest zapewnienie bogatych doświadczeń niemowlętom i małym dzieciom, podkreślając funkcje percepcyjne, motoryczne i językowe. Jest to szczególnie krytyczne w pierwszych latach życia. Te doświadczenia powinny wzmocnić tworzenie połączeń synaptycznych i sieci. Istnieją również dowody na to, że dzieci, które cierpiały w życiu płodowym (np. z powodu nadużywania narkotyków lub alkoholu przez matki), a także te z niepełnosprawnościami rozwojowymi (np. upośledzenie, autyzm), korzystają z wczesnej interwencji w pierwszych trzech latach (Shore, 1997).

Ułatwianie rozwoju językowego

Chociaż okres od urodzenia do 5 roku życia stanowi krytyczny okres dla rozwoju językowego, nabywanie i używanie języka to działania trwające całe życie. Nauczyciele mogą pracować z uczniami w każdym wieku, aby pomóc im rozwijać umiejętności językowe. Ważne jest, aby instrukcje koordynowały składowe funkcje językowe, takie jak widzenie, słyszenie, myślenie i mówienie.

Nauczycielka w przedszkolu regularnie pracuje ze swoimi uczniami nad nauką fonemów. Aby pomóc w rozpoznawaniu fonemów w słowach “__at” (np. mat, hat, pat, cat, sat), każde z tych słów ma wydrukowane na dużym kawałku kartonu. Fonem jest wydrukowany na czerwono, a “at” pojawia się na czarno. Daje uczniom ćwiczenia, trzymając kartkę, prosząc ich o wypowiedzenie słowa, a następnie prosząc poszczególnych uczniów o użycie słowa w zdaniu.

Kathy Stone uczy swoich uczniów nazw zwierząt i pisowni. Ma zdjęcie każdego zwierzęcia i jego wydrukowaną nazwę na tablicy wystawowej, wraz z dwoma lub trzema ciekawymi faktami na temat zwierzęcia (np. gdzie mieszka, co je). Prosi dzieci, aby kilkakrotnie wymówiły nazwę zwierzęcia i przeliterowały ją na głos, a następnie napisały krótkie zdanie z użyciem tego słowa. Jest to szczególnie pomocne w przypadku nazw zwierząt, które są trudne do wymówienia lub przeliterowania (np. żyrafa, hipopotam).

Nauczycielka matematyki w szkole średniej pracuje ze swoimi uczniami nad wartością miejsca. Niektórzy uczniowie mają duże trudności i nie potrafią poprawnie uporządkować liczb od najmniejszej do największej (np. 0,007, 7/100, siedem dziesiątych, 7). Nauczycielka ma trzy duże magnetyczne osie liczbowe, każda w zakresie od 0 do 1 i podzielona na jednostki dziesiątych, setnych i tysięcznych. Poprosiła uczniów o umieszczenie magnetycznego paska na odpowiedniej osi liczbowej (np. umieszczenie paska na 7 linii setnych dla 7/100). Następnie podzieliła uczniów na małe grupy i dała im zadania, i poprosiła ich o użycie osi liczbowych lub wykresów kołowych, aby pokazać, gdzie spadają liczby, aby mogli je poprawnie uporządkować. Następnie pracowała z nimi, aby przekonwertować wszystkie liczby na wspólny mianownik (np. 7/10 = 70/100) i umieścić znaczniki na tej samej tablicy (np. tysięczne), aby mogli zobaczyć poprawną kolejność.

Uczniowie w klasie Jima Marshalla uczą się o kluczowych dokumentach historycznych w historii USA (np. Deklaracja Niepodległości, Konstytucja, Karta Praw). Aby odwołać się do wielu zmysłów, Jim przyniósł do klasy kopie tych dokumentów. Następnie poprosił uczniów o odegranie ról, w których czytali fragmenty z dokumentów. Uczniowie zostali nauczeni, jak kłaść nacisk na odpowiednich miejscach podczas czytania, aby te fragmenty były szczególnie charakterystyczne.

Wielu uczniów w klasie psychologii edukacyjnej Giny Brown ma trudności ze zrozumieniem i poprawnym używaniem terminów psychologicznych (np. asymilacja, nasycenie, strefa najbliższego rozwoju). Tam, gdzie to możliwe, uzyskuje filmy, które demonstrują te koncepcje (np. dziecko, któremu podaje się zadania Piageta). W przypadku innych, używa stron internetowych z studiami przypadków, które uczniowie czytają i na które odpowiadają, po czym omawiają w klasie, jak ta koncepcja wchodzi w grę. Na przykład, w jednym studium przypadku uczeń jest wielokrotnie chwalony przez nauczyciela. W końcu uczeń nasyca się pochwałami i mówi nauczycielowi, że nie zawsze musi mu mówić, że tak dobrze sobie poradził.