Neurověda učení: Aplikace pro výuku a vzdělávání

V posledních několika letech se výrazně zvýšil zájem o neurofyziologický výzkum zkoumající vývoj a fungování mozku. Mnoho pedagogů sleduje výzkum mozku se zájmem, protože se domnívají, že by mohl navrhnout způsoby, jak učební materiály a výuku přizpůsobit tomu, jak děti zpracovávají informace a učí se.

Bohužel, historie behaviorální vědy odráží nesoulad mezi výzkumem mozku a teoriemi učení. Výzkum mozku a chování není nový; vzpomeňme si na Hebbovu (1949) neurofyziologickou teorii, o které jsme hovořili dříve v této kapitole. Teoretici učení v různých tradicích, i když uznávají význam výzkumu mozku, mají tendenci formulovat a testovat teorie nezávisle na zjištěních výzkumu mozku.

Tato situace se zjevně mění. Výzkumníci v oblasti vzdělávání jsou stále více přesvědčeni, že pochopení mozkových procesů poskytuje další vhled do podstaty učení a vývoje (Byrnes & Fox, 1998). Některá kognitivní vysvětlení učení (např. aktivace informací v paměti, přenos informací z pracovní paměti do dlouhodobé paměti) zahrnují procesy CNS a mozková psychologie začala vysvětlovat operace zapojené do učení a paměti. Zjištění z výzkumu mozku ve skutečnosti podporují mnoho výsledků získaných ve výzkumných studiích o učení a paměti (Byrnes, 2001; Byrnes & Fox, 1998).

Je politováníhodné, že někteří pedagogové zobecnili výsledky výzkumu mozku natolik, že dělají neopodstatněná doporučení pro výuku. Ačkoli jsou mozkové funkce do jisté míry lokalizované, existuje mnoho důkazů, že úkoly vyžadují aktivitu obou hemisfér a že jejich rozdíly jsou spíše relativní než absolutní (Byrnes & Fox, 1998). Identifikace “pravomozečků” a “levomozečků” je obvykle založena na neformálních pozorováních spíše než na vědecky validních a spolehlivých měřítcích a nástrojích. Výsledkem je, že některé vzdělávací metody se používají u studentů ne kvůli prokázaným účinkům na učení, ale spíše proto, že údajně využívají předpokládané mozkové preference studentů.

Vzdělávací otázky relevantní pro výzkum mozku.

• Role raného vzdělávání
• Složitost kognitivních procesů
• Diagnostika specifických obtíží
• Mnohostranná povaha učení

Výzkum mozku a výzkum CNS obecně nastolují mnoho otázek relevantních pro vzdělávání. S ohledem na vývojové změny se jeden problém týká klíčové role raného vzdělávání. Skutečnost, že dětské mozky jsou superhusté, naznačuje, že více neuronů nemusí být nutně lepší. Pravděpodobně existuje optimální stav fungování, ve kterém mají mozky “právný” počet neuronů a synapsí—ani příliš mnoho, ani příliš málo. Fyzický, emocionální a kognitivní vývoj zahrnuje přibližování se mozku k jeho optimálnímu stavu. Atypický vývoj—vedoucí k vývojovým poruchám—může nastat, protože tento proces zmenšování neprobíhá normálně.

Tento proces formování a tvarování v mozku naznačuje, že rané dětství je pro vzdělávání kriticky důležité. Vývojová období kojeneckého a předškolního věku mohou připravit půdu pro získání kompetencí potřebných k úspěchu ve škole (Byrnes & Fox, 1998). Bylo prokázáno, že programy včasné intervence (např. Head Start) zlepšují školní připravenost a učení dětí a mnoho států zavedlo programy předškolního vzdělávání. Výzkum mozku ospravedlňuje tento důraz na rané vzdělávání.

Druhý problém se týká myšlenky, že výuka a vzdělávací zkušenosti musí být plánovány tak, aby braly v úvahu složitost kognitivních procesů, jako je pozornost a paměť. Neurovědecký výzkum ukázal, že pozornost není jednotný proces, ale spíše zahrnuje mnoho složek (např. upozornění na změnu v aktuálním stavu, lokalizace zdroje změny). Paměť je podobně rozlišena do typů, jako je deklarativní a procedurální. Z toho vyplývá, že pedagogové nemohou předpokládat, že konkrétní výuková technika “získává pozornost studentů” nebo “pomáhá jim zapamatovat si.” Spíše musíme být konkrétnější ohledně toho, na které aspekty pozornosti se výuka zaměří a jaký specifický typ paměti je oslovován.

Třetí problém se týká nápravy obtíží studentů s učením. Výzkum mozku naznačuje, že klíčem k nápravě nedostatků v konkrétním předmětu je zjistit, s kterými aspekty předmětu má student potíže, a poté se na ně konkrétně zaměřit. Matematika například zahrnuje mnoho dílčích složek, jako je porozumění psaným číslům a symbolům, vybavování si faktů a schopnost psát čísla. Čtení zahrnuje ortografické, fonologické, sémantické a syntaktické procesy. Říci, že někdo je špatný čtenář, nediagnostikuje, kde leží obtíž. Pouze jemně vyladěné hodnocení může provést tuto identifikaci a poté může být implementován nápravný postup, který se zaměří na konkrétní nedostatek. Obecný program čtení, který se zabývá všemi aspekty čtení (např. identifikace slov, významy slov), je analogický s obecným antibiotikem podávaným někomu, kdo je nemocný; nemusí to být nejlepší terapie. Zdá se, že je vzdělávací výhodné nabízet nápravné instrukce v těch oblastech, které vyžadují nápravu nejvíce. Například instrukce kognitivní strategie ve slabostech dětí mohou být kombinovány s tradiční výukou čtení (Katzir & Paré-Blagoev, 2006).

Poslední problém se týká složitosti teorií učení. Výzkum mozku ukázal, že mnohostranné teorie učení se zdají lépe vystihovat skutečný stav věcí než úsporné modely. Ve funkcích mozku je velká redundance, což vysvětluje běžné zjištění, že když je traumatizována oblast mozku, o které je známo, že je spojena s danou funkcí, funkce nemusí zcela zmizet (další důvod, proč rozdíly mezi “pravým mozkem” a “levým mozkem” nemají velkou důvěryhodnost). Postupem času se teorie učení staly složitějšími. Teorie klasického a operantního podmiňování jsou mnohem jednodušší než teorie sociálně kognitivní, teorie kognitivního zpracování informací a konstruktivistická teorie. Tyto druhé teorie lépe odrážejí realitu mozku. To naznačuje, že pedagogové by měli přijmout složitost školních vzdělávacích prostředí a zkoumat způsoby, jak lze koordinovat mnoho aspektů prostředí ke zlepšení učení studentů.

Tato kapitola navrhuje specifické vzdělávací postupy, které usnadňují učení a jsou podloženy výzkumem mozku. Byrnes (2001) tvrdil, že výzkum mozku je relevantní pro psychologii a vzdělávání do té míry, do jaké pomáhá psychologům a pedagogům lépe porozumět učení, vývoji a motivaci; to znamená, že je relevantní, když pomáhá podpořit stávající předpovědi teorií učení.

Učení založené na problémech

Učení založené na problémech je efektivní metoda učení. Zapojuje studenty do učení a pomáhá je motivovat. Když studenti pracují ve skupinách, mohou také zlepšit své dovednosti v oblasti kooperativního učení. Učení založené na problémech vyžaduje, aby studenti kreativně přemýšleli a uplatňovali své znalosti jedinečným způsobem. Je zvláště užitečné pro projekty, které nemají jediné správné řešení.

Vzdělávací postupy podložené výzkumem mozku.

• Učení založené na problémech
• Simulace a hraní rolí
• Aktivní diskuze
• Grafika
• Pozitivní klima

Účinnost učení založeného na problémech je podložena výzkumem mozku. Lidský mozek je díky svým četným spojením naprogramován k řešení problémů (Jensen, 2005). Studenti, kteří spolupracují na řešení problémů, si uvědomují nové způsoby, jak lze znalosti využít a kombinovat, což vytváří nová synaptická spojení. Kromě toho má učení založené na problémech tendenci oslovit motivaci studentů a vyvolat emocionální zapojení, což také může vytvářet rozsáhlejší neuronové sítě.

Simulace a hraní rolí

Simulace a hraní rolí mají mnoho stejných výhod jako učení založené na problémech. Simulace se mohou odehrávat prostřednictvím počítačů, v běžné třídě nebo ve speciálních prostředích (např. v muzeích). Hraní rolí je forma modelování, kdy studenti pozorují ostatní. Simulace i hraní rolí poskytují studentům příležitosti k učení, které nejsou běžně dostupné. Tyto metody mají motivační výhody a upoutávají pozornost studentů. Umožňují studentům aktivně se zapojit do učiva a emocionálně se do něj investovat. Souhrnně tyto výhody pomáhají podporovat učení.

Aktivní diskuze

Mnoho témat se hodí k studentským diskuzím. Studenti, kteří se účastní diskuze, jsou nuceni se zapojit; nemohou být pasivními pozorovateli. Tato zvýšená úroveň kognitivního a emocionálního zapojení vede k lepšímu učení. Kromě toho jsou studenti účastí v diskuzích vystaveni novým myšlenkám a integrují je se svými současnými koncepcemi. Tato kognitivní aktivita pomáhá budovat synaptická spojení a nové způsoby využití informací.

Grafika

Lidské tělo je strukturováno tak, že přijímáme více informací vizuálně než prostřednictvím všech ostatních smyslů (Wolfe, 2001). Vizuální zobrazení pomáhají podporovat pozornost, učení a uchování informací. Kolektivní zjištění z výzkumu učení a mozku podporují výhody grafiky. Učitelé, kteří používají grafiku ve výuce a nechávají studenty používat grafiku (např. fólie, prezentace v PowerPointu©, demonstrace, kresby, konceptuální mapy, grafické organizéry), využívají zpracování vizuálních informací a mají tendenci zlepšovat učení.

Pozitivní klima

V části o emocích jsme viděli, že učení probíhá lépe, když mají studenti pozitivní přístup a cítí se emocionálně bezpečně. Naopak, učení není usnadněno, když jsou studenti ve stresu nebo úzkosti, například když se bojí dobrovolně odpovídat, protože se učitel zlobí, pokud jsou jejich odpovědi nesprávné. Výzkum mozku potvrzuje pozitivní vliv, který může mít emocionální zapojení na učení a budování synaptických spojení. Učitelé, kteří vytvářejí pozitivní klima ve třídě, zjistí, že problémy s chováním jsou minimalizovány a že studenti se více angažují v učení.

Neurověda učení je věda o vztahu nervového systému k učení a chování. Ačkoli neurovědecký výzkum probíhá již několik let v medicíně a vědách, v poslední době se stal zajímavým pro pedagogy kvůli instruktážním implikacím výzkumných zjištění. Neurovědecký výzkum se zabývá centrálním nervovým systémem (CNS), který zahrnuje mozek a míchu a reguluje dobrovolné chování, a autonomním nervovým systémem (ANS), který reguluje nedobrovolné činnosti.

CNS se skládá z miliard buněk v mozku a míše. Existují dva hlavní typy buněk: neurony a gliové buňky. Neurony vysílají a přijímají informace mezi svaly a orgány. Každý neuron se skládá z těla buňky, tisíců krátkých dendritů a jednoho axonu. Dendrity přijímají informace od jiných buněk; axony posílají zprávy buňkám. Myelinová pochva obklopuje axony a usnadňuje cestování signálů. Axony končí v rozvětvených strukturách (synapsích), které se spojují s konci dendritů. Chemické neurotransmitery na koncích axonů aktivují nebo inhibují reakce v kontrahovaných dendritech. Tento proces umožňuje rychlé odesílání signálů přes nervové a tělesné struktury. Gliové buňky podporují práci neuronů odstraňováním nepotřebných chemikálií a odumřelých mozkových buněk. Gliové buňky také vytvářejí myelinovou pochvu.

Lidský dospělý mozek (cerebrum) váží asi tři libry a je zhruba velikosti melounu cantaloupe. Jeho vnější textura je vrásčitá. Mozek pokrývá mozková kůra, tenká vrstva, která je vrásčitou šedou hmotou mozku. Vrásky umožňují kůře mít více neuronů a nervových spojení. Kůra má dvě hemisféry (levou a pravou), z nichž každá má čtyři laloky (týlní, temenní, spánkový, čelní). Až na některé výjimky je struktura mozku zhruba symetrická. Kůra je primární oblastí zapojenou do učení, paměti a zpracování smyslových informací. Některé další klíčové oblasti mozku jsou mozkový kmen, retikulární formace, mozeček, thalamus, hypotalamus, amygdala, hippocampus, corpus callosum, Brocova oblast a Wernickeova oblast.

Levá hemisféra mozku obecně řídí pravé vizuální pole a naopak. Mnoho mozkových funkcí je do určité míry lokalizováno. Zdá se, že analytické myšlení je soustředěno v levé hemisféře, zatímco prostorové, sluchové, emocionální a umělecké zpracování probíhá primárně v pravé hemisféře. Současně mnoho oblastí mozku spolupracuje na zpracování informací a regulaci akcí. Existuje mnoho překryvů mezi oběma hemisférami, protože jsou spojeny svazky vláken, z nichž největší je corpus callosum.

Spolupráce více oblastí mozku je jasně vidět při osvojování a používání jazyka. Levá strana mozkové kůry je klíčová pro čtení. Specifické oblasti mozku jsou spojeny s ortografickým, fonologickým, sémantickým a syntaktickým zpracováním potřebným při čtení. Wernickeova oblast v levé hemisféře řídí porozumění řeči a používání správné syntaxe při mluvení. Wernickeova oblast úzce spolupracuje s Brocovou oblastí v levém čelním laloku, která je nezbytná pro mluvení. Pravá hemisféra je však kritická pro interpretaci kontextu, a tedy i významu velké části řeči.

K provádění výzkumu mozku se používají různé technologie. Patří mezi ně rentgenové paprsky, CT vyšetření, EEG, PET vyšetření, MRI a fMRI. Obor výzkumu mozku se rychle mění a budou se nadále vyvíjet nové technologie s větší sofistikovaností.

Z neurovědeckého hlediska je učení proces budování a modifikace nervových (synaptických) spojení a sítí. Smyslové vstupy jsou zpracovávány v částech mozku pro smyslové vzpomínky; ty, které jsou uchovány, jsou přeneseny do pracovní paměti (WM), která se zdá být umístěna ve více částech mozku, ale primárně v prefrontální kůře čelního laloku. Informace pak mohou být přeneseny do dlouhodobé paměti (LTM). Různé části mozku jsou zapojeny do LTM v závislosti na typu informací (např. deklarativní, procedurální). S opakovaným předkládáním podnětů nebo informací se nervové sítě posilují tak, že nervové reakce nastávají rychle. Proces stabilizace a posilování synaptických spojení je známý jako konsolidace a prostřednictvím konsolidace se mění fyzická struktura a funkční organizace mozku.

Vlivné faktory na vývoj mozku jsou genetika, environmentální stimulace, výživa, steroidy a teratogeny. Během prenatálního vývoje mozek roste ve velikosti, struktuře a počtu neuronů, gliových buněk a synapsí. Mozek se u kojenců rychle vyvíjí; malé děti mají složitá nervová spojení. Jak děti ztrácejí mozkové synapse, ty, které si ponechávají, závisí částečně na činnostech, kterým se věnují. Zdá se, že existují kritická období během prvních několika let života pro vývoj jazyka, emocí, senzorických motorických funkcí, sluchových schopností a zraku. Raný vývoj mozku těží z bohatých environmentálních zkušeností a emocionálního pouta s rodiči a pečovateli. K zásadním změnám dochází také v mozcích teenagerů ve velikosti, struktuře a počtu a organizaci neuronů.

Dva nervové protějšky motivace zahrnují odměny a motivační stavy. Zdá se, že mozek má systém pro zpracování odměn a produkuje své vlastní odměny ve formě opiátů, které vedou k přirozenému opojení. Mozek může být predisponován k prožívání a udržování příjemných výsledků a síť potěšení může být aktivována očekáváním odměny. Motivační stavy jsou složitá nervová spojení, která zahrnují emoce, poznávání a chování. Klíčem ke vzdělávání je udržovat motivaci k učení v optimálním rozmezí.

Fungování emocí v CNS je složité. Emocionální reakce se skládají z fází, jako je orientace na událost, integrace události, výběr reakce a udržování emocionálního kontextu. Mozkově propojená emocionální aktivita se může lišit pro primární a kulturně založené emoce. Emoce mohou usnadnit učení, protože řídí pozornost a ovlivňují učení a paměť. Emocionální zapojení je pro učení žádoucí; ale když jsou emoce příliš silné, kognitivní učení je bráněno.

Zjištění z výzkumu mozku podporují mnoho výsledků získaných v kognitivních výzkumných studiích o učení a paměti. Je však důležité nezesplošňovat zjištění výzkumu mozku prostřednictvím takového označování studentů jako praváky nebo leváky. Většina úkolů učení vyžaduje aktivitu obou hemisfér a rozdíly mezi mozkovými funkcemi jsou spíše relativní než absolutní.

Výzkum mozku naznačuje, že rané vzdělávání je kritické, výuka by měla brát v úvahu kognitivní složitost dětí, hodnocení specifických problémů je nezbytné pro plánování správných intervencí a složité teorie učení zachycují fungování mozku lépe než jednodušší teorie. Některé účinné vzdělávací postupy založené na mozku jsou učení založené na problémech, simulace a hraní rolí, aktivní diskuse, grafika a pozitivní klima.