Õppimise neuroteadus: õpetuslikud rakendused

Viimastel aastatel on kasvanud huvi neurofüsioloogiliste uuringute vastu, mis uurivad aju arengut ja funktsioneerimist. Paljud õpetajad suhtuvad aju-uuringutesse huviga, sest nad usuvad, et see võib pakkuda viise, kuidas muuta õppematerjalid ja õpetamine sobivaks sellega, kuidas lapsed teavet töötlevad ja õpivad.

Kahjuks peegeldab käitumisteaduste ajalugu seost aju-uuringute ja õppeteooriate vahel. Aju ja käitumise uurimine ei ole uus; meenutagem Hebb'i (1949) neurofüsioloogilist teooriat, mida käsitleti varem selles peatükis. Erinevate traditsioonide õppeteoreetikud, tunnistades aju-uuringute olulisust, on kaldunud formuleerima ja testima teooriaid sõltumatult aju-uuringute tulemustest.

See olukord on selgelt muutumas. Haridusteadlased usuvad üha enam, et ajuprotsesside mõistmine annab täiendavaid teadmisi õppimise ja arengu olemuse kohta (Byrnes & Fox, 1998). Tõepoolest, mõned kognitiivsed seletused õppimisele (nt teabe aktiveerimine mälus, teabe ülekandmine töömälu'st pikaajalisse mällu) hõlmavad KNS-i protsesse ning ajupsühholoogia on hakanud selgitama õppimise ja mälu operatsioone. Aju-uuringute tulemused toetavad tegelikult paljusid õppimise ja mälu uurimustes saadud tulemusi (Byrnes, 2001; Byrnes & Fox, 1998).

On kahetsusväärne, et mõned õpetajad on aju-uuringute tulemusi üleüldistanud, et teha põhjendamatuid õpetamissoovitusi. Kuigi aju funktsioonid on teatud määral lokaliseeritud, on palju tõendeid selle kohta, et ülesanded nõuavad mõlema poolkera aktiivsust ja et nende erinevused on pigem suhtelised kui absoluutsed (Byrnes & Fox, 1998). „Parempoolsete“ ja „vasakpoolsete“ õpilaste identifitseerimine põhineb tavaliselt pigem mitteametlikel vaatlustel kui teaduslikult valideeritud ja usaldusväärsetel mõõtmistel ja instrumentidel. Selle tulemusena kasutatakse mõningaid haridusmeetodeid õpilastega mitte seetõttu, et need mõjutaksid tõestatult õppimist, vaid pigem seetõttu, et need eeldatavasti kasutavad õpilaste oletatavaid aju eelistusi.

Haridusküsimused, mis on aju-uuringute jaoks olulised.

• Varase hariduse roll
• Kognitiivsete protsesside keerukus
• Spetsiifiliste raskuste diagnoosimine
• Õppimise mitmekülgsus

Aju-uuringud ja KNS-i uuringud üldiselt tõstatavad palju haridusega seotud küsimusi. Arengumuutuste osas on üheks küsimuseks varajase hariduse kriitiline roll. Fakt, et laste aju on üliintensiivne, tähendab, et rohkem neuroneid ei ole tingimata parem. Tõenäoliselt on olemas optimaalne toimimisolek, kus ajus on “õige” arv neuroneid ja sünapseid – ei liiga palju ega liiga vähe. Füüsiline, emotsionaalne ja kognitiivne areng hõlmab aju lähenemist oma optimaalsele seisundile. Ebatüüpiline areng – mis põhjustab arengupuudeid – võib tekkida seetõttu, et see vähendamisprotsess ei kulge normaalselt.

See ajus toimuv vormimis- ja kujundamisprotsess viitab sellele, et varajane lapsepõlve haridus on kriitiliselt oluline. Imiku- ja koolieeliku arenguperioodid võivad luua aluse koolis edukaks olemiseks vajalike pädevuste omandamisele (Byrnes & Fox, 1998). On näidatud, et varajase sekkumise programmid (nt Head Start) parandavad laste koolivalmidust ja õppimist ning paljud riigid on rakendanud koolieelsete haridusprogramme. Aju-uuringud õigustavad seda varajase hariduse rõhutamist.

Teine küsimus puudutab ideed, et õpetamist ja õppimiskogemusi tuleb planeerida, võttes arvesse kognitiivsete protsesside, nagu tähelepanu ja mälu, keerukust. Neuroteaduse uuringud on näidanud, et tähelepanu ei ole ühtne protsess, vaid hõlmab mitmeid komponente (nt hoiatamine praeguse oleku muutuse kohta, muutuse allika lokaliseerimine). Mälu on samamoodi jagatud tüüpideks, näiteks deklaratiivne ja protseduuriline. See tähendab, et õpetajad ei saa eeldada, et konkreetne õpetamistehnika “võidab õpilaste tähelepanu” või “aitab neil meeles pidada.” Pigem peame olema täpsemad selle suhtes, millistele tähelepanu aspektidele õpetamine apelleerib ja millise konkreetse mälutüübiga tegeletakse.

Kolmas küsimus puudutab õpilaste õpiraskuste kõrvaldamist. Aju-uuringud näitavad, et konkreetse aine puuduste kõrvaldamise võti on kindlaks teha, milliste aine aspektidega õppijal on raskusi, ja seejärel neid konkreetselt käsitleda. Näiteks matemaatika hõlmab paljusid alamkomponente, nagu kirjalike numbrite ja sümbolite mõistmine, faktide leidmine ja numbrite kirjutamise oskus. Lugemine hõlmab ortograafilisi, fonoloogilisi, semantilisi ja süntaktilisi protsesse. Ütlemine, et keegi on kehv lugeja, ei diagnoosi, kus raskus peitub. Ainult peenhäälestatud hindamised saavad selle tuvastada ja seejärel saab rakendada korrigeeriva protseduuri, mis tegeleb konkreetse puudusega. Üldine lugemisprogramm, mis käsitleb kõiki lugemise aspekte (nt sõnade tuvastamine, sõnade tähendused), on analoogne üldise antibiootikumiga, mis antakse haigele inimesele; see ei pruugi olla parim ravi. Tundub hariduslikult kasulik pakkuda parandusõpet nendes valdkondades, mis vajavad kõige rohkem parandamist. Näiteks saab laste nõrkuste kognitiivse strateegia õpetamist kombineerida traditsioonilise lugemisõpetusega (Katzir & Paré-Blagoev, 2006).

Viimane küsimus puudutab õppimisteooriate keerukust. Aju-uuringud on näidanud, et mitmetahulised õppimisteooriad näivad tabavat tegelikku olukorda paremini kui kokkuhoidlikud mudelid. Aju funktsioonides on palju redundantsust, mis seletab tavalist leidmist, et kui teatud funktsiooniga seotud ajuosa on traumeeritud, ei pruugi funktsioon täielikult kaduda (veel üks põhjus, miks “parempoolse aju” ja “vasakpoolse aju” eristused ei ole eriti usaldusväärsed). Aja jooksul on õppimisteooriad muutunud keerukamaks. Klassikalised ja operantse tingimise teooriad on palju lihtsamad kui sotsiaalse kognitiivse teooria, kognitiivse infoteooria ja konstruktivistlik teooria. Need viimased teooriad peegeldavad paremini aju tegelikkust. See viitab sellele, et õpetajad peaksid aktsepteerima kooli õppekeskkondade keerukust ja uurima viise, kuidas koordineerida keskkondade paljusid aspekte, et parandada õpilaste õppimist.

See peatükk soovitab mõningaid konkreetseid hariduspraktikaid, mis hõlbustavad õppimist ja mida toetavad aju-uuringud. Byrnes (2001) väitis, et aju-uuringud on psühholoogiale ja haridusele olulised niivõrd, kuivõrd need aitavad psühholoogidel ja haridustöötajatel arendada selgemat arusaama õppimisest, arengust ja motivatsioonist; see on asjakohane, kui see aitab kinnitada õppimisteooriate olemasolevaid ennustusi.

Probleemipõhine õpe

Probleemipõhine õpe on tõhus õppemeetod. Probleemipõhine õpe kaasab õpilasi õppimisse ja aitab neid motiveerida. Kui õpilased töötavad rühmades, saavad nad parandada ka oma koostööoskusi. Probleemipõhine õpe nõuab õpilastelt loomingulist mõtlemist ja oma teadmiste ainulaadset rakendamist. See on eriti kasulik projektide puhul, millel pole üht õiget lahendust.

Aju-uuringutega kinnitatud hariduspraktikad.

• Probleemipõhine õpe
• Simulatsioonid ja rollimängud
• Aktiivsed arutelud
• Graafika
• Positiivne õhkkond

Probleemipõhise õppe tõhusust kinnitavad aju-uuringud. Oma mitmete seostega on inimese aju loodud probleemide lahendamiseks (Jensen, 2005). Õpilased, kes teevad koostööd probleemide lahendamisel, saavad teadlikuks uutest viisidest, kuidas teadmisi saab kasutada ja kombineerida, mis moodustab uusi sünaptilisi ühendusi. Lisaks on probleemipõhine õpe sobiv õpilaste motivatsiooni äratamiseks ja emotsionaalse kaasatuse tekitamiseks, mis võib samuti luua ulatuslikumaid närvivõrgustikke.

Simulatsioonid ja rollimängud

Simulatsioonidel ja rollimängudel on palju samu eeliseid nagu probleemipõhisel õppel. Simulatsioonid võivad toimuda arvutite kaudu, tavalises klassis või spetsiaalsetes kohtades (nt muuseumid). Rollimäng on modelleerimise vorm, kus õpilased jälgivad teisi. Nii simulatsioonid kui ka rollimängud pakuvad õpilastele õppimisvõimalusi, mis tavaliselt pole saadaval. Nendel meetoditel on motiveerivaid eeliseid ja need köidavad õpilaste tähelepanu. Need võimaldavad õpilastel materjaliga aktiivselt tegeleda ja end emotsionaalselt investeerida. Kokkuvõttes aitavad need eelised edendada õppimist.

Aktiivsed arutelud

Paljud teemad sobivad hästi õpilaste aruteludeks. Õpilased, kes osalevad arutelus, on sunnitud osalema; nad ei saa olla passiivsed vaatlejad. See suurenenud kognitiivne ja emotsionaalne kaasatus viib parema õppimiseni. Lisaks puutuvad õpilased aruteludes osaledes kokku uute ideedega ja integreerivad need oma praeguste arusaamadega. See kognitiivne tegevus aitab luua sünaptilisi ühendusi ja uusi viise teabe kasutamiseks.

Graafika

Inimkeha on üles ehitatud nii, et me võtame visuaalselt vastu rohkem teavet kui kõigi teiste meelte kaudu (Wolfe, 2001). Visuaalsed kuvarid aitavad edendada tähelepanu, õppimist ja meeldejätmist. Õppe- ja aju-uuringute kollektiivsed tulemused toetavad graafika eeliseid. Õpetajad, kes kasutavad oma õpetamises graafikat ja lasevad õpilastel graafikat kasutada (nt slaidid, PowerPoint© esitlused, demonstratsioonid, joonised, kontseptsioonikaardid, graafilised korraldajad), kasutavad ära visuaalse teabe töötlemist ja parandavad tõenäoliselt õppimist.

Positiivne õhkkond

Me nägime emotsioonide käsitlevas osas, et õppimine edeneb paremini, kui õpilastel on positiivne suhtumine ja nad tunnevad end emotsionaalselt turvaliselt. Seevastu õppimist ei soodustata, kui õpilased on stressis või ärevuses, näiteks kui nad kardavad vastuseid vabatahtlikult anda, sest õpetaja vihastab, kui nende vastused on valed. Aju-uuringud kinnitavad positiivset mõju, mida emotsionaalne kaasatus võib avaldada õppimisele ja sünaptiliste ühenduste loomisele. Õpetajad, kes loovad positiivse klassiruumi õhkkonna, leiavad, et käitumisprobleemid on minimeeritud ja õpilased investeerivad rohkem õppimisse.

Õppimise neuroteadus on teadus närvisüsteemi seosest õppimise ja käitumisega. Kuigi neuroteaduslikke uuringuid on meditsiinis ja teaduses läbi viidud juba mitu aastat, on see hiljuti hakanud huvi pakkuma haridustöötajatele, kuna uuringute tulemustel on õpetuslikud tagajärjed. Neuroteaduslikud uuringud käsitlevad kesknärvisüsteemi (KNS), mis hõlmab aju ja seljaaju ning reguleerib tahtlikku käitumist, ja autonoomset närvisüsteemi (ANS), mis reguleerib tahtmatuid tegevusi.

KNS koosneb miljarditest rakkudest ajus ja seljaajus. On kahte peamist tüüpi rakke: neuronid ja gliiarakud. Neuronid saadavad ja võtavad vastu teavet lihaste ja organite vahel. Iga neuron koosneb rakukehast, tuhandetest lühikestest dendriitidest ja ühest aksonist. Dendriidid saavad teavet teistelt rakkudelt; aksonid saadavad sõnumeid rakkudele. Müeliinikest ümbritseb aksoneid ja hõlbustab signaalide liikumist. Aksonid lõpevad hargnevates struktuurides (sünapsides), mis ühenduvad dendriitide otstega. Keemilised neurotransmitterid aksonite otstes aktiveerivad või pärsivad reaktsioone kokkutõmbunud dendriitides. See protsess võimaldab signaalide kiiret saatmist läbi närvi- ja kehaliste struktuuride. Gliiarakud toetavad neuronite tööd, eemaldades mittevajalikud kemikaalid ja surnud ajurakud. Gliiarakud moodustavad ka müeliinikesta.

Inimese täiskasvanu aju (aju) kaalub umbes kolm naela ja on umbes kantaluubi suurune. Selle välimine tekstuur on kortsuline. Aju katab ajukoor, õhuke kiht, mis on aju kortsuline hallollus. Kortsud võimaldavad ajukoorel olla rohkem neuroneid ja närviühendusi. Ajukoorel on kaks poolkera (vasak ja parem), millest igal on neli sagarat (kuklasagar, kiirusagar, oimusagar, otsmikusagar). Mõningate eranditega on aju struktuur ligikaudu sümmeetriline. Ajukoor on peamine piirkond, mis on seotud õppimise, mälu ja sensoorse teabe töötlemisega. Mõned teised peamised aju piirkonnad on ajutüvi, retikulaarne formatsioon, väikeaju, talamus, hüpotalamus, mandelkeha, hipokampus, ajukurd, Broca piirkond ja Wernicke piirkond.

Aju vasak poolkera juhib üldiselt paremat nägemisvälja ja vastupidi. Paljud ajufunktsioonid on mingil määral lokaliseeritud. Analüütiline mõtlemine näib olevat koondunud vasakusse poolkerasse, samas kui ruumiline, auditoorne, emotsionaalne ja kunstiline töötlemine toimub peamiselt paremas poolkeras. Samal ajal töötavad paljud aju piirkonnad koos teabe töötlemiseks ja tegevuste reguleerimiseks. Kahe poolkera vahel on palju ülekandmist, kuna neid ühendavad kiudude kimbud, millest suurim on ajukurd.

Mitme aju piirkonna koostöö on selgelt näha keele omandamises ja kasutamises. Aju ajukoore vasak pool on lugemise jaoks keskne. Spetsiifilised aju piirkonnad on seotud ortograafilise, fonoloogilise, semantilise ja süntaktilise töötlemisega, mis on lugemisel vajalikud. Wernicke piirkond vasakus poolkeras kontrollib kõne mõistmist ja õige süntaksi kasutamist rääkimisel. Wernicke piirkond töötab tihedalt koos Broca piirkonnaga vasakus eesmises sagaras, mis on vajalik rääkimiseks. Kuid parem poolkera on kriitiline konteksti ja seega ka suure osa kõne tähenduse tõlgendamisel.

Aju uurimiseks kasutatakse erinevaid tehnoloogiaid. Nende hulka kuuluvad röntgenikiired, kompuutertomograafia, EEG-d, PET-skaneeringud, MRI-d ja fMRI-d. Aju uurimise valdkond muutub kiiresti ja uusi, keerukamaid tehnoloogiaid arendatakse pidevalt.

Neuroteaduslikust vaatenurgast on õppimine närviühenduste (sünaptiliste) ja võrgustike ehitamise ja muutmise protsess. Sensoorsed sisendid töödeldakse aju sensoorsetes mäludes; need, mis säilitatakse, kantakse üle töömälu, mis näib asuvat mitmes aju osas, kuid peamiselt eesmise sagara prefrontaalses ajukoores. Seejärel võidakse teave üle kanda pikaajalisse mällu. Aju erinevad osad on seotud pikaajalise mäluga sõltuvalt teabe tüübist (nt deklaratiivne, protseduuriline). Stimulite või teabe korduva esitamise korral närvivõrgustikud tugevnevad, nii et närvireaktsioonid toimuvad kiiresti. Sünaptiliste ühenduste stabiliseerimise ja tugevdamise protsessi nimetatakse konsolideerimiseks ning konsolideerimise kaudu muutub aju füüsiline struktuur ja funktsionaalne korraldus.

Aju arengut mõjutavad tegurid on geneetika, keskkonnastimulatsioon, toitumine, steroidid ja teratogeenid. Prenataalse arengu ajal kasvab aju suuruselt, struktuurilt ning neuronite, gliiarakkude ja sünapside arvult. Aju areneb imikutel kiiresti; väikelastel on keerulised närviühendused. Kui lapsed kaotavad aju sünapseid, sõltuvad need, mida nad säilitavad, osaliselt tegevustest, millega nad tegelevad. Esimesel eluaastal näib olevat kriitilisi perioode keele, emotsioonide, sensoorsete motooriliste funktsioonide, kuulmisvõimete ja nägemise arenguks. Aju varajane areng saab kasu rikkalikest keskkonnakogemustest ja emotsionaalsest sidemest vanemate ja hooldajatega. Suured muutused toimuvad ka teismeliste ajus suuruse, struktuuri ning neuronite arvu ja korralduse osas.

Kaks motivatsiooni närvilist vastet hõlmavad preemiaid ja motivatsioonilisi seisundeid. Ajal näib olevat süsteem preemiate töötlemiseks ja see toodab oma preemiaid opiaatide kujul, mis põhjustavad loomuliku kõrge tunde. Aju võib olla eelsoodumusega kogema ja säilitama meeldivaid tulemusi ning preemiate võrgustikku saab aktiveerida preemia ootus. Motivatsioonilised seisundid on keerulised närviühendused, mis hõlmavad emotsioone, kognitsioone ja käitumist. Hariduse võti on säilitada motivatsiooni õppimiseks optimaalses vahemikus.

Emotsioonide toimimine KNS-is on keeruline. Emotsionaalsed reaktsioonid koosnevad etappidest, nagu sündmusele orienteerumine, sündmuse integreerimine, vastuse valimine ja emotsionaalse konteksti säilitamine. Ajuga seotud emotsionaalne aktiivsus võib erineda primaarsete ja kultuuriliselt põhinevate emotsioonide puhul. Emotsioonid võivad õppimist hõlbustada, kuna need suunavad tähelepanu ning mõjutavad õppimist ja mälu. Emotsionaalne kaasatus on õppimiseks soovitav; kuid kui emotsioonid muutuvad liiga suureks, on kognitiivne õppimine takistatud.

Aju-uuringute tulemused toetavad paljusid kognitiivsete uuringute tulemusi õppimise ja mälu kohta. Kuid on oluline mitte üldistada aju-uuringute tulemusi, sildistades õpilasi parem- või vasakajuliselt. Enamik õppeülesandeid nõuab mõlema poolkera aktiivsust ning erinevused ajufunktsioonide vahel on pigem suhtelised kui absoluutsed.

Aju-uuringud näitavad, et varane haridus on kriitilise tähtsusega, õpetamisel tuleks arvestada laste kognitiivsete keerukustega, spetsiifiliste probleemide hindamine on vajalik õigete sekkumiste kavandamiseks ning keerulised õppimisteooriad haaravad aju toimimist paremini kui lihtsamad teooriad. Mõned tõhusad ajupõhised haridustavad on probleemipõhine õpe, simulatsioonid ja rollimängud, aktiivsed arutelud, graafika ja positiivne kliima.