Neurowissenschaft des Lernens: Anwendungen für den Unterricht

In den letzten Jahren ist das Interesse an neurophysiologischer Forschung zur Gehirnentwicklung und -funktion stark gestiegen. Viele Pädagogen betrachten die Hirnforschung mit Interesse, da sie glauben, dass sie Wege aufzeigen könnte, um Unterrichtsmaterialien und -methoden mit der Art und Weise in Einklang zu bringen, wie Kinder Informationen verarbeiten und lernen.

Leider spiegelt die Geschichte der Verhaltenswissenschaften eine Diskrepanz zwischen Hirnforschung und Lerntheorien wider. Forschung zum Gehirn und Verhalten ist nicht neu; erinnern Sie sich an Hebbs (1949) neurophysiologische Theorie, die bereits in diesem Kapitel behandelt wurde. Lerntheoretiker verschiedener Traditionen haben zwar die Bedeutung der Hirnforschung anerkannt, aber dazu geneigt, Theorien unabhängig von den Ergebnissen der Hirnforschung zu formulieren und zu testen.

Diese Situation ändert sich eindeutig. Bildungsforscher glauben zunehmend, dass das Verständnis von Gehirnprozessen zusätzliche Einblicke in die Natur des Lernens und der Entwicklung bietet (Byrnes & Fox, 1998). Tatsächlich beinhalten einige kognitive Erklärungen für das Lernen (z. B. Aktivierung von Informationen im Gedächtnis, Transfer von Informationen vom Arbeitsgedächtnis ins Langzeitgedächtnis) Prozesse des zentralen Nervensystems, und die Gehirnpsychologie hat begonnen, Operationen zu erklären, die am Lernen und Gedächtnis beteiligt sind. Ergebnisse der Hirnforschung unterstützen tatsächlich viele Ergebnisse, die in Forschungsstudien zum Lernen und Gedächtnis erzielt wurden (Byrnes, 2001; Byrnes & Fox, 1998).

Es ist bedauerlich, dass einige Pädagogen die Ergebnisse der Hirnforschung überverallgemeinert haben, um ungerechtfertigte Unterrichtsempfehlungen auszusprechen. Obwohl Gehirnfunktionen bis zu einem gewissen Grad lokalisiert sind, gibt es viele Beweise dafür, dass Aufgaben die Aktivität beider Hemisphären erfordern und dass ihre Unterschiede eher relativ als absolut sind (Byrnes & Fox, 1998). Die Identifizierung von “rechtshemisphärischen“ und “linkshemisphärischen“ Schülern basiert in der Regel auf informellen Beobachtungen und nicht auf wissenschaftlich validen und zuverlässigen Messungen und Instrumenten. Das Ergebnis ist, dass einige Unterrichtsmethoden bei Schülern nicht wegen nachgewiesener Auswirkungen auf das Lernen eingesetzt werden, sondern weil sie vermutlich die vermeintlichen Gehirnpräferenzen der Schüler nutzen.

Bildungsfragen, die für die Hirnforschung relevant sind.

• Rolle der frühen Bildung
• Komplexität kognitiver Prozesse
• Diagnose spezifischer Schwierigkeiten
• Vielschichtige Natur des Lernens

Die Hirnforschung und die ZNS-Forschung im Allgemeinen werfen viele für die Bildung relevante Fragen auf. In Bezug auf Entwicklungsveränderungen betrifft eine Frage die entscheidende Rolle der frühen Bildung. Die Tatsache, dass das Gehirn von Kindern superdicht ist, impliziert, dass mehr Neuronen nicht unbedingt besser sind. Wahrscheinlich gibt es einen optimalen Funktionszustand, in dem das Gehirn die “richtige” Anzahl von Neuronen und Synapsen hat—weder zu viele noch zu wenige. Die physische, emotionale und kognitive Entwicklung beinhaltet, dass sich das Gehirn seinem optimalen Zustand nähert. Atypische Entwicklung—die zu Entwicklungsstörungen führt—kann auftreten, weil dieser Reduktionsprozess nicht normal verläuft.

Dieser Formungs- und Gestaltungsprozess im Gehirn deutet darauf hin, dass die frühkindliche Bildung von entscheidender Bedeutung ist. Die Entwicklungsphasen der Säuglingszeit und des Vorschulalters können die Grundlage für den Erwerb von Kompetenzen legen, die für den Erfolg in der Schule erforderlich sind (Byrnes & Fox, 1998). Frühförderprogramme (z. B. Head Start) verbessern nachweislich die Schulbereitschaft und das Lernen von Kindern, und viele Bundesstaaten haben Vorschulbildungsprogramme eingeführt. Die Hirnforschung rechtfertigt diese Betonung der frühen Bildung.

Eine zweite Frage betrifft die Idee, dass Unterrichts- und Lernerfahrungen so geplant werden müssen, dass die Komplexität kognitiver Prozesse wie Aufmerksamkeit und Gedächtnis berücksichtigt wird. Die neurowissenschaftliche Forschung hat gezeigt, dass Aufmerksamkeit kein einheitlicher Prozess ist, sondern viele Komponenten umfasst (z. B. Alarmierung bei einer Änderung des aktuellen Zustands, Lokalisierung der Quelle der Änderung). Das Gedächtnis wird in ähnlicher Weise in Typen unterteilt, z. B. deklarativ und prozedural. Dies bedeutet, dass Pädagogen nicht davon ausgehen können, dass eine bestimmte Unterrichtstechnik “die Aufmerksamkeit der Schüler erregt” oder “ihnen hilft, sich zu erinnern.” Vielmehr müssen wir genauer angeben, welche Aspekte der Aufmerksamkeit der Unterricht anspricht und welche spezifische Art von Gedächtnis angesprochen wird.

Ein drittes Problem betrifft die Behebung von Lernschwierigkeiten der Schüler. Die Hirnforschung legt nahe, dass der Schlüssel zur Korrektur von Defiziten in einem bestimmten Fach darin besteht, festzustellen, mit welchen Aspekten des Fachs der Lernende Schwierigkeiten hat, und diese dann gezielt anzugehen. Mathematik umfasst beispielsweise viele Teilkomponenten, wie z. B. das Verständnis geschriebener Zahlen und Symbole, das Abrufen von Fakten und die Fähigkeit, Zahlen zu schreiben. Lesen umfasst orthografische, phonologische, semantische und syntaktische Prozesse. Zu sagen, dass man ein schlechter Leser ist, diagnostiziert nicht, wo die Schwierigkeit liegt. Nur fein abgestimmte Beurteilungen können diese Identifizierung vornehmen, und dann kann ein Korrekturverfahren implementiert werden, das das spezifische Defizit behebt. Ein allgemeines Leseprogramm, das alle Aspekte des Lesens abdeckt (z. B. Worterkennung, Wortbedeutungen), ist analog zu einem allgemeinen Antibiotikum, das an einen Kranken verabreicht wird; es ist möglicherweise nicht die beste Therapie. Es erscheint pädagogisch vorteilhaft, Korrekturunterricht in den Bereichen anzubieten, die am meisten Korrektur benötigen. Zum Beispiel kann kognitive Strategieunterweisung in den Schwächen von Kindern mit traditionellem Leseunterricht kombiniert werden (Katzir & Paré-Blagoev, 2006).

Das letzte Problem betrifft die Komplexität von Lerntheorien. Die Hirnforschung hat gezeigt, dass facettenreiche Lerntheorien den tatsächlichen Sachverhalt besser erfassen als sparsame Modelle. Es gibt viel Redundanz in den Gehirnfunktionen, was die häufige Feststellung erklärt, dass, wenn ein Bereich des Gehirns, von dem bekannt ist, dass er mit einer bestimmten Funktion verbunden ist, traumatisiert wird, die Funktion möglicherweise nicht vollständig verschwindet (ein weiterer Grund, warum die Unterscheidung zwischen “rechter“ und “linker“ Gehirnhälfte nicht viel Glaubwürdigkeit besitzt). Im Laufe der Zeit sind die Lerntheorien komplexer geworden. Klassische und operante Konditionierungstheorien sind viel einfacher als die sozialkognitive Theorie, die kognitive Informationsverarbeitungstheorie und die konstruktivistische Theorie. Diese letztgenannten Theorien spiegeln die Realität des Gehirns besser wider. Dies legt nahe, dass Pädagogen die Komplexität schulischer Lernumgebungen akzeptieren und nach Wegen suchen sollten, die vielen Aspekte von Umgebungen so zu koordinieren, dass das Lernen der Schüler verbessert wird.

Dieses Kapitel schlägt einige spezifische Erziehungspraktiken vor, die das Lernen erleichtern und durch die Hirnforschung untermauert werden. Byrnes (2001) argumentierte, dass Hirnforschung für die Psychologie und Pädagogik in dem Maße relevant ist, wie sie Psychologen und Pädagogen hilft, ein klareres Verständnis von Lernen, Entwicklung und Motivation zu entwickeln; das heißt, sie ist relevant, wenn sie hilft, bestehende Vorhersagen von Lerntheorien zu untermauern.

Problembasiertes Lernen

Problembasiertes Lernen ist eine effektive Lernmethode. Problembasiertes Lernen bindet die Schüler in das Lernen ein und hilft, sie zu motivieren. Wenn Schüler in Gruppen arbeiten, können sie auch ihre Fähigkeiten zum kooperativen Lernen verbessern. Problembasiertes Lernen erfordert von den Schülern, dass sie kreativ denken und ihr Wissen auf einzigartige Weise einsetzen. Es ist besonders nützlich für Projekte, die keine einzige richtige Lösung haben.

Durch Hirnforschung untermauerte Erziehungspraktiken.

• Problembasiertes Lernen
• Simulationen und Rollenspiele
• Aktive Diskussionen
• Grafiken
• Positives Klima

Die Wirksamkeit des problembasierten Lernens wird durch die Hirnforschung untermauert. Mit seinen vielfältigen Verbindungen ist das menschliche Gehirn darauf ausgelegt, Probleme zu lösen (Jensen, 2005). Schüler, die zusammenarbeiten, um Probleme zu lösen, werden sich neuer Wege bewusst, wie Wissen genutzt und kombiniert werden kann, wodurch neue synaptische Verbindungen entstehen. Darüber hinaus ist problembasiertes Lernen geeignet, die Motivation der Schüler anzusprechen und emotionale Beteiligung hervorzurufen, was ebenfalls umfangreichere neuronale Netzwerke schaffen kann.

Simulationen und Rollenspiele

Simulationen und Rollenspiele haben viele der gleichen Vorteile wie problembasiertes Lernen. Simulationen können über Computer, im regulären Unterricht oder in speziellen Umgebungen (z. B. Museen) stattfinden. Rollenspiele sind eine Form des Modellierens, bei der Schüler andere beobachten. Sowohl Simulationen als auch Rollenspiele bieten den Schülern Lernmöglichkeiten, die normalerweise nicht verfügbar sind. Diese Methoden haben motivationale Vorteile und ziehen die Aufmerksamkeit der Schüler auf sich. Sie ermöglichen es den Schülern, sich aktiv mit dem Material auseinanderzusetzen und sich emotional einzubringen. Zusammengenommen helfen diese Vorteile, das Lernen zu fördern.

Aktive Diskussionen

Viele Themen eignen sich gut für Schülerdiskussionen. Schüler, die an einer Diskussion teilnehmen, sind gezwungen, sich zu beteiligen; sie können keine passiven Beobachter sein. Dieses erhöhte Maß an kognitiver und emotionaler Beteiligung führt zu besserem Lernen. Darüber hinaus werden die Schüler durch die Teilnahme an Diskussionen mit neuen Ideen konfrontiert und integrieren diese in ihre aktuellen Vorstellungen. Diese kognitive Aktivität hilft, synaptische Verbindungen und neue Wege zur Nutzung von Informationen aufzubauen.

Grafiken

Der menschliche Körper ist so strukturiert, dass wir mehr Informationen visuell aufnehmen als durch alle anderen Sinne (Wolfe, 2001). Visuelle Darstellungen helfen, Aufmerksamkeit, Lernen und Behalten zu fördern. Die zusammenfassenden Ergebnisse aus Lern- und Hirnforschung unterstützen die Vorteile von Grafiken. Lehrer, die Grafiken in ihrem Unterricht verwenden und Schüler Grafiken verwenden lassen (z. B. Overheadprojektoren, PowerPoint©-Präsentationen, Demonstrationen, Zeichnungen, Konzeptkarten, grafische Organizer), nutzen die visuelle Informationsverarbeitung und sind geeignet, das Lernen zu verbessern.

Positives Klima

Wir haben im Abschnitt über Emotionen gesehen, dass das Lernen besser voranschreitet, wenn die Schüler eine positive Einstellung haben und sich emotional sicher fühlen. Umgekehrt wird das Lernen nicht gefördert, wenn Schüler gestresst oder ängstlich sind, z. B. wenn sie Angst haben, Antworten freiwillig zu geben, weil der Lehrer wütend wird, wenn ihre Antworten falsch sind. Die Hirnforschung untermauert die positive Wirkung, die emotionale Beteiligung auf das Lernen und den Aufbau synaptischer Verbindungen haben kann. Lehrer, die ein positives Klassenklima schaffen, werden feststellen, dass Verhaltensprobleme minimiert werden und dass sich die Schüler stärker dem Lernen widmen.

Die Neurowissenschaft des Lernens ist die Wissenschaft von der Beziehung des Nervensystems zum Lernen und Verhalten. Obwohl neurowissenschaftliche Forschung seit einigen Jahren in der Medizin und den Wissenschaften betrieben wird, ist sie in jüngster Zeit für Pädagogen aufgrund der unterrichtsbezogenen Implikationen der Forschungsergebnisse von Interesse geworden. Die neurowissenschaftliche Forschung befasst sich mit dem zentralen Nervensystem (ZNS), das Gehirn und Rückenmark umfasst und das willkürliche Verhalten reguliert, sowie mit dem autonomen Nervensystem (ANS), das unwillkürliche Handlungen reguliert.

Das ZNS besteht aus Milliarden von Zellen im Gehirn und Rückenmark. Es gibt zwei Hauptzelltypen: Neuronen und Gliazellen. Neuronen senden und empfangen Informationen über Muskeln und Organe. Jedes Neuron besteht aus einem Zellkörper, Tausenden von kurzen Dendriten und einem Axon. Dendriten empfangen Informationen von anderen Zellen; Axone senden Botschaften an Zellen. Die Myelinscheide umgibt Axone und erleichtert die Weiterleitung von Signalen. Axone enden in verzweigten Strukturen (Synapsen), die sich mit den Enden von Dendriten verbinden. Chemische Neurotransmitter an den Enden von Axonen aktivieren oder hemmen Reaktionen in den kontrahierenden Dendriten. Dieser Prozess ermöglicht das schnelle Senden von Signalen über neuronale und körperliche Strukturen. Gliazellen unterstützen die Arbeit der Neuronen, indem sie nicht benötigte Chemikalien und tote Gehirnzellen entfernen. Gliazellen bilden auch die Myelinscheide.

Das menschliche erwachsene Gehirn (Cerebrum) wiegt etwa drei Pfund und ist etwa so groß wie eine Cantaloupe-Melone. Seine äußere Textur ist faltig. Das Gehirn ist von der Großhirnrinde bedeckt, einer dünnen Schicht, die die faltige graue Substanz des Gehirns ist. Die Falten ermöglichen es der Hirnrinde, mehr Neuronen und neuronale Verbindungen zu haben. Die Hirnrinde hat zwei Hemisphären (links und rechts), von denen jede vier Lappen hat (Okzipital-, Parietal-, Temporal-, Frontallappen). Mit einigen Ausnahmen ist die Struktur des Gehirns im Großen und Ganzen symmetrisch. Die Hirnrinde ist der primäre Bereich, der am Lernen, Gedächtnis und der Verarbeitung von sensorischen Informationen beteiligt ist. Einige andere Schlüsselbereiche des Gehirns sind der Hirnstamm, die Formatio reticularis, das Kleinhirn, der Thalamus, der Hypothalamus, die Amygdala, der Hippocampus, der Corpus callosum, das Broca-Areal und das Wernicke-Areal.

Die linke Hemisphäre des Gehirns steuert im Allgemeinen das rechte Gesichtsfeld und umgekehrt. Viele Gehirnfunktionen sind bis zu einem gewissen Grad lokalisiert. Analytisches Denken scheint in der linken Hemisphäre zentriert zu sein, während räumliche, auditive, emotionale und künstlerische Verarbeitung hauptsächlich in der rechten Hemisphäre stattfindet. Gleichzeitig arbeiten viele Hirnbereiche zusammen, um Informationen zu verarbeiten und Handlungen zu regulieren. Es gibt viel Crossover zwischen den beiden Hemisphären, da sie durch Faserbündel verbunden sind, von denen das größte das Corpus callosum ist.

Das Zusammenwirken mehrerer Hirnbereiche zeigt sich deutlich beim Spracherwerb und der Sprachverwendung. Die linke Seite der Großhirnrinde des Gehirns ist zentral für das Lesen. Bestimmte Hirnregionen sind mit der orthografischen, phonologischen, semantischen und syntaktischen Verarbeitung verbunden, die beim Lesen erforderlich sind. Das Wernicke-Areal in der linken Hemisphäre steuert das Sprachverständnis und die Verwendung einer korrekten Syntax beim Sprechen. Das Wernicke-Areal arbeitet eng mit dem Broca-Areal im linken Frontallappen zusammen, das für das Sprechen notwendig ist. Die rechte Hemisphäre ist jedoch entscheidend für die Interpretation des Kontexts und damit der Bedeutung eines Großteils der Sprache.

Verschiedene Technologien werden eingesetzt, um Hirnforschung zu betreiben. Dazu gehören Röntgenaufnahmen, CAT-Scans, EEGs, PET-Scans, MRIs und fMRIs. Das Feld der Hirnforschung verändert sich rasant, und es werden weiterhin neue Technologien mit höherem Anspruch entwickelt.

Aus neurowissenschaftlicher Sicht ist Lernen der Prozess des Aufbaus und der Veränderung von neuronalen (synaptischen) Verbindungen und Netzwerken. Sensorische Eingaben werden in den sensorischen Gedächtnisteilen des Gehirns verarbeitet; diejenigen, die beibehalten werden, werden in das Arbeitsgedächtnis (WM) übertragen, das sich anscheinend in mehreren Teilen des Gehirns befindet, aber hauptsächlich im präfrontalen Kortex des Frontallappens. Informationen können dann in das Langzeitgedächtnis (LTM) übertragen werden. Verschiedene Teile des Gehirns sind am LTM beteiligt, abhängig von der Art der Informationen (z. B. deklarativ, prozedural). Bei wiederholter Präsentation von Reizen oder Informationen werden neuronale Netzwerke verstärkt, so dass die neuronalen Reaktionen schnell erfolgen. Der Prozess der Stabilisierung und Stärkung synaptischer Verbindungen wird als Konsolidierung bezeichnet, und durch die Konsolidierung wird die physische Struktur und die funktionelle Organisation des Gehirns verändert.

Einflussfaktoren auf die Gehirnentwicklung sind Genetik, Umweltstimulation, Ernährung, Steroide und Teratogene. Während der pränatalen Entwicklung wächst das Gehirn in Größe, Struktur und Anzahl der Neuronen, Gliazellen und Synapsen. Das Gehirn entwickelt sich bei Säuglingen schnell; Kleinkinder haben komplexe neuronale Verbindungen. Wenn Kinder Gehirnsynapsen verlieren, hängt das, was sie behalten, teilweise von den Aktivitäten ab, denen sie nachgehen. Es scheint kritische Phasen während der ersten Lebensjahre für die Entwicklung von Sprache, Emotionen, sensomotorischen Funktionen, auditiven Fähigkeiten und des Sehvermögens zu geben. Die frühe Gehirnentwicklung profitiert von reichen Umwelterfahrungen und emotionaler Bindung zu Eltern und Betreuern. Große Veränderungen treten auch in den Gehirnen von Teenagern in Bezug auf Größe, Struktur und Anzahl und Organisation von Neuronen auf.

Zwei neuronale Entsprechungen der Motivation beinhalten Belohnungen und Motivationszustände. Das Gehirn scheint ein System zur Verarbeitung von Belohnungen zu haben und produziert seine eigenen Belohnungen in Form von Opiaten, die zu einem natürlichen Rausch führen. Das Gehirn kann für das Erleben und Aufrechterhalten angenehmer Ergebnisse prädisponiert sein, und das Vergnügungsnetzwerk kann durch die Erwartung einer Belohnung aktiviert werden. Motivationszustände sind komplexe neuronale Verbindungen, die Emotionen, Kognitionen und Verhaltensweisen umfassen. Der Schlüssel zur Bildung besteht darin, die Motivation zum Lernen in einem optimalen Bereich aufrechtzuerhalten.

Die Funktionsweise von Emotionen im ZNS ist komplex. Emotionale Reaktionen bestehen aus Stadien wie der Orientierung auf das Ereignis, der Integration des Ereignisses, der Auswahl einer Reaktion und der Aufrechterhaltung des emotionalen Kontexts. Die hirnverknüpfte emotionale Aktivität kann sich für primäre und kulturell bedingte Emotionen unterscheiden. Emotionen können das Lernen erleichtern, weil sie die Aufmerksamkeit lenken und das Lernen und Gedächtnis beeinflussen. Emotionale Beteiligung ist für das Lernen wünschenswert; aber wenn die Emotionen zu groß werden, wird das kognitive Lernen behindert.

Ergebnisse aus der Hirnforschung unterstützen viele Ergebnisse, die in kognitiven Forschungsstudien zum Lernen und Gedächtnis erzielt wurden. Es ist jedoch wichtig, die Ergebnisse der Hirnforschung nicht zu verallgemeinern, indem man Schüler als rechts- oder linkshemisphärisch bezeichnet. Die meisten Lernaufgaben erfordern die Aktivität beider Hemisphären, und die Unterschiede zwischen den Gehirnfunktionen sind eher relativ als absolut.

Die Hirnforschung legt nahe, dass frühe Bildung entscheidend ist, der Unterricht die kognitiven Komplexitäten von Kindern berücksichtigen sollte, die Beurteilung spezifischer Probleme notwendig ist, um angemessene Interventionen zu planen, und komplexe Lerntheorien die Funktionsweise des Gehirns besser erfassen als einfachere Theorien. Einige wirksame gehirnbasierte Bildungspraktiken sind problembasiertes Lernen, Simulationen und Rollenspiele, aktive Diskussionen, Grafiken und ein positives Klima.