Oppimisen neurotiede: Opetuskäytännöt | Tehokas opetus

Neurofysiologisessa tutkimuksessa, jossa tutkitaan aivojen kehitystä ja toimintaa, on viime vuosina ollut havaittavissa kiinnostuksen lisääntymistä. Monet opettajat suhtautuvat aivotutkimukseen kiinnostuneesti, koska he uskovat, että se saattaisi tarjota keinoja sovittaa opetusmateriaalit ja -menetelmät yhteen sen kanssa, miten lapset käsittelevät tietoa ja oppivat.

Valitettavasti käyttäytymistieteiden historiassa on havaittavissa yhteyskatkos aivotutkimuksen ja oppimisteorioiden välillä. Aivoja ja käyttäytymistä on tutkittu jo aiemminkin; muistakaamme Hebb:in (1949) neurofysiologinen teoria, jota käsiteltiin aiemmin tässä luvussa. Eri suuntausten oppimisteoreetikot ovat, vaikka ovatkin tunnustaneet aivotutkimuksen merkityksen, pyrkineet muotoilemaan ja testaamaan teorioita riippumatta aivotutkimuksen tuloksista.

Tämä tilanne on selvästi muuttumassa. Kasvatustieteen tutkijat uskovat yhä enenevässä määrin, että aivoprosessien ymmärtäminen tarjoaa lisänäkemystä oppimisen ja kehityksen luonteeseen (Byrnes & Fox, 1998). Itse asiassa jotkin kognitiiviset selitykset oppimiselle (esim. tiedon aktivointi muistissa, tiedon siirtäminen työmuistista pitkäkestoiseen muistiin) liittyvät keskushermostoprosesseihin, ja aivopsykologia on alkanut selittää oppimiseen ja muistiin liittyviä toimintoja. Aivotutkimuksen tulokset tukevat itse asiassa monia oppimista ja muistia koskevissa tutkimuksissa saatuja tuloksia (Byrnes, 2001; Byrnes & Fox, 1998).

On valitettavaa, että jotkut opettajat ovat yleistäneet aivotutkimuksen tuloksia liikaa tehdäkseen perusteettomia opetuksellisia suosituksia. Vaikka aivotoiminnot ovat jossain määrin paikallistuneita, on olemassa paljon näyttöä siitä, että tehtävät edellyttävät molempien aivopuoliskojen aktiivisuutta ja että niiden erot ovat enemmän suhteellisia kuin absoluuttisia (Byrnes & Fox, 1998). Niin sanottujen “oikea-aivoisten” ja “vasen-aivoisten” oppilaiden tunnistaminen perustuu yleensä epävirallisiin havaintoihin eikä tieteellisesti päteviin ja luotettaviin mittauksiin ja instrumentteihin. Tästä johtuen joitakin opetusmenetelmiä käytetään oppilaiden kanssa ei niinkään niiden todistettujen oppimisvaikutusten vuoksi, vaan pikemminkin siksi, että ne oletettavasti käyttävät oppilaiden oletettuja aivojen mieltymyksiä.

Aivotutkimuksen kannalta olennaisia opetuksellisia kysymyksiä.

• Varhaiskasvatuksen rooli
• Kognitiivisten prosessien monimutkaisuus
• Erityisvaikeuksien diagnosointi
• Oppimisen monitahoinen luonne

Aivotutkimus ja yleisesti keskushermostotutkimus herättävät monia koulutuksen kannalta olennaisia kysymyksiä. Kehityksellisten muutosten osalta yksi kysymys koskee varhaiskasvatuksen kriittistä roolia. Se, että lasten aivot ovat supertiheät, viittaa siihen, että useammat neuronit eivät välttämättä ole parempi asia. Todennäköisesti on olemassa optimaalinen toimintatila, jossa aivoissa on “oikea” määrä neuroneita ja synapseja – ei liikaa eikä liian vähän. Fyysinen, emotionaalinen ja kognitiivinen kehitys sisältää aivojen lähestymisen optimaalista tilaansa. Epätyypillinen kehitys – joka johtaa kehitysvammaisuuteen – voi tapahtua, koska tämä karsintaprosessi ei etene normaalisti.

Tämä aivojen muovaus- ja muokkausprosessi viittaa siihen, että varhaiskasvatus on erittäin tärkeää. Imeväis- ja esikouluikäkaudet voivat luoda pohjan sellaisten valmiuksien hankkimiselle, joita tarvitaan menestymiseen koulussa (Byrnes & Fox, 1998). Varhaisen puuttumisen ohjelmien (esim. Head Start) on osoitettu parantavan lasten koulunvalmiutta ja oppimista, ja monet osavaltiot ovat ottaneet käyttöön esikoulukasvatusohjelmia. Aivotutkimus perustelee tämän varhaiskasvatuksen painotuksen.

Toinen kysymys koskee ajatusta, että opetus- ja oppimiskokemukset on suunniteltava siten, että otetaan huomioon kognitiivisten prosessien, kuten huomion ja muistin, monimutkaisuus. Neurotieteen tutkimus on osoittanut, että huomio ei ole yhtenäinen prosessi, vaan se sisältää monia osatekijöitä (esim. hälyttäminen muutokseen nykytilassa, muutoksen lähteen paikallistaminen). Myös muisti on jaettu tyyppeihin, kuten deklaratiiviseen ja proseduraaliseen muistiin. Tästä seuraa, että opettajat eivät voi olettaa, että tietty opetustekniikka “saa oppilaiden huomion” tai “auttaa heitä muistamaan”. Sen sijaan meidän on oltava tarkempia siitä, mihin huomion näkökohtiin opetus vetoaa ja mihin tiettyyn muistityyppiin puututaan.

Kolmas kysymys koskee oppimisvaikeuksien korjaamista. Aivotutkimus viittaa siihen, että avain tietyn oppiaineen puutteiden korjaamiseen on selvittää, missä oppiaineen osa-alueissa oppijalla on vaikeuksia, ja sitten puuttua nimenomaan niihin. Esimerkiksi matematiikka sisältää monia osatekijöitä, kuten kirjoitettujen numeroiden ja symbolien ymmärtämisen, faktojen hakemisen ja kyvyn kirjoittaa numeroita. Lukeminen sisältää ortografisia, fonologisia, semanttisia ja syntaktisia prosesseja. Sanominen, että joku on huono lukija, ei diagnosoi, missä vaikeus piilee. Vain hienosäädetyt arvioinnit voivat tehdä tämän tunnistamisen, ja sitten voidaan toteuttaa korjaava menettely, joka puuttuu tiettyyn puutteeseen. Yleinen lukuohjelma, joka käsittelee kaikkia lukemisen näkökohtia (esim. sanojen tunnistaminen, sanojen merkitykset), on verrattavissa yleiseen antibioottiin, joka annetaan sairaalle; se ei ehkä ole paras hoito. Vaikuttaa koulutuksellisesti edulliselta tarjota korjaavaa opetusta niillä alueilla, jotka eniten korjausta vaativat. Esimerkiksi kognitiivista strategiaopetusta lasten heikkouksissa voidaan yhdistää perinteiseen lukuopetukseen (Katzir & Paré-Blagoev, 2006).

Viimeinen kysymys koskee oppimisteorioiden monimutkaisuutta. Aivotutkimus on osoittanut, että monipuoliset oppimisteoriat näyttävät kuvaavan todellista tilannetta paremmin kuin niukat mallit. Aivotoiminnoissa on paljon redundanssia, mikä selittää yleisen havainnon, että kun tiettyyn toimintoon yhdistetyn aivoalueen vaurioituessa toiminto ei välttämättä katoa kokonaan (toinen syy siihen, miksi “oikean aivopuoliskon” ja “vasemman aivopuoliskon” erottelut eivät ole kovin uskottavia). Ajan myötä oppimisteoriat ovat muuttuneet monimutkaisemmiksi. Klassiset ja operanttiset ehdollistumisteoriat ovat paljon yksinkertaisempia kuin sosiaalisen kognition teoria, kognitiivisen tiedonkäsittelyn teoria ja konstruktivistinen teoria. Nämä viimeksi mainitut teoriat heijastavat paremmin aivojen todellisuutta. Tämä viittaa siihen, että opettajien tulisi hyväksyä koulun oppimisympäristöjen monimutkaisuus ja tutkia tapoja, joilla ympäristöjen monet näkökohdat voidaan koordinoida oppilaiden oppimisen parantamiseksi.

Tässä luvussa ehdotetaan joitakin erityisiä opetuskäytäntöjä, jotka helpottavat oppimista ja joita aivotutkimus tukee. Byrnes (2001) väitti, että aivotutkimus on merkityksellistä psykologialle ja kasvatustieteelle siinä määrin, että se auttaa psykologeja ja kasvattajia kehittämään selkeämmän käsityksen oppimisesta, kehityksestä ja motivaatiosta; toisin sanoen se on merkityksellistä, kun se auttaa vahvistamaan oppimisteorioiden olemassa olevia ennusteita.

Ongelmaperustainen oppiminen

Ongelmaperustainen oppiminen on tehokas oppimismenetelmä. Ongelmaperustainen oppiminen sitouttaa oppilaat oppimiseen ja auttaa motivoimaan heitä. Kun oppilaat työskentelevät ryhmissä, he voivat myös parantaa yhteistyötaitojaan. Ongelmaperustainen oppiminen vaatii oppilaita ajattelemaan luovasti ja hyödyntämään tietojaan ainutlaatuisilla tavoilla. Se on erityisen hyödyllinen projekteissa, joissa ei ole yhtä oikeaa ratkaisua.

Aivotutkimuksen tukemat opetuskäytännöt.

• Ongelmaperustainen oppiminen
• Simulaatiot ja roolileikit
• Aktiiviset keskustelut
• Grafiikka
• Positiivinen ilmapiiri

Ongelmaperustaisen oppimisen tehokkuutta tukee aivotutkimus. Useine yhteyksineen ihmisaivot on suunniteltu ratkaisemaan ongelmia (Jensen, 2005). Oppilaat, jotka tekevät yhteistyötä ongelmien ratkaisemiseksi, tiedostavat uusia tapoja, joilla tietoa voidaan käyttää ja yhdistää, mikä muodostaa uusia synaptisia yhteyksiä. Lisäksi ongelmaperustainen oppiminen vetoaa todennäköisesti oppilaiden motivaatioon ja herättää tunteellista osallistumista, mikä voi myös luoda laajempia hermoverkostoja.

Simulaatiot ja roolileikit

Simulaatioilla ja roolileikeillä on monia samoja etuja kuin ongelmaperustaisella oppimisella. Simulaatioita voidaan toteuttaa tietokoneiden välityksellä, tavallisessa luokassa tai erityisissä ympäristöissä (esim. museoissa). Roolileikki on mallintamisen muoto, jossa oppilaat tarkkailevat muita. Sekä simulaatiot että roolileikit tarjoavat oppilaille oppimismahdollisuuksia, jotka eivät ole tavallisesti saatavilla. Näillä menetelmillä on motivoivia etuja ja ne kiinnittävät oppilaiden huomion. Ne antavat oppilaille mahdollisuuden sitoutua materiaaliin aktiivisesti ja investoida itseään tunteellisesti. Yhdessä nämä edut auttavat edistämään oppimista.

Aktiiviset keskustelut

Monet aiheet soveltuvat hyvin oppilaiden keskusteluihin. Keskusteluun osallistuvat oppilaat pakotetaan osallistumaan; he eivät voi olla passiivisia tarkkailijoita. Tämä lisääntynyt kognitiivisen ja emotionaalisen sitoutumisen taso johtaa parempaan oppimiseen. Lisäksi keskusteluihin osallistumalla oppilaat altistuvat uusille ideoille ja yhdistävät ne nykyisiin käsityksiinsä. Tämä kognitiivinen toiminta auttaa rakentamaan synaptisia yhteyksiä ja uusia tapoja käyttää tietoa.

Grafiikka

Ihmiskeho on rakenteeltaan sellainen, että otamme enemmän tietoa visuaalisesti kuin kaikkien muiden aistien kautta (Wolfe, 2001). Visuaaliset esitykset auttavat edistämään huomiota, oppimista ja muistamista. Oppimista ja aivotutkimusta koskevat yhteiset tulokset tukevat grafiikan etuja. Opettajat, jotka käyttävät grafiikkaa opetuksessaan ja saavat oppilaat käyttämään grafiikkaa (esim. kalvot, PowerPoint©-esitykset, demonstraatiot, piirustukset, käsitekartat, graafiset järjestäjät), hyödyntävät visuaalista tiedonkäsittelyä ja parantavat todennäköisesti oppimista.

Positiivinen ilmapiiri

Näimme tunteita käsittelevässä osiossa, että oppiminen etenee paremmin, kun oppilailla on positiivinen asenne ja he tuntevat olonsa tunteellisesti turvalliseksi. Toisaalta oppimista ei helpoteta, kun oppilaat ovat stressaantuneita tai ahdistuneita, kuten silloin, kun he pelkäävät vapaaehtoisesti vastausten antamista, koska opettaja suuttuu, jos heidän vastauksensa ovat virheellisiä. Aivotutkimus vahvistaa sen positiivisen vaikutuksen, joka tunteellisella osallistumisella voi olla oppimiseen ja synaptisten yhteyksien rakentamiseen. Opettajat, jotka luovat positiivisen luokkahuoneen ilmapiirin, huomaavat, että käytösongelmat minimoidaan ja että oppilaat sitoutuvat enemmän oppimiseen.

Oppimisen neurotiede tutkii hermoston suhdetta oppimiseen ja käyttäytymiseen. Vaikka neurotieteellistä tutkimusta on tehty useita vuosia lääketieteessä ja luonnontieteissä, se on äskettäin alkanut kiinnostaa kasvattajia tutkimustulosten opetuksellisten vaikutusten vuoksi. Neurotieteellinen tutkimus käsittelee keskushermostoa (CNS), johon kuuluvat aivot ja selkäydin ja joka säätelee tahdonalaista käyttäytymistä, sekä autonomista hermostoa (ANS), joka säätelee tahdosta riippumattomia toimintoja.

Keskushermosto koostuu miljardeista soluista aivoissa ja selkäytimessä. On olemassa kaksi päätyyppiä soluja: hermosolut ja gliasolut. Hermosolut lähettävät ja vastaanottavat tietoa lihasten ja elinten välillä. Jokainen hermosolu koostuu solukappaleesta, tuhansista lyhyistä dendriiteistä ja yhdestä aksonista. Dendriitit vastaanottavat tietoa muista soluista; aksonit lähettävät viestejä soluihin. Myeliinituppi ympäröi aksoneita ja helpottaa signaalien kulkua. Aksonit päättyvät haarautuviin rakenteisiin (synapseihin), jotka yhdistyvät dendriittien päihin. Kemialliset välittäjäaineet aksonien päissä aktivoivat tai estävät reaktioita supistuneissa dendriiteissä. Tämä prosessi mahdollistaa signaalien lähettämisen nopeasti hermo- ja ruumiinrakenteiden välillä. Gliasolut tukevat hermosolujen työtä poistamalla tarpeettomia kemikaaleja ja kuolleita aivosoluja. Gliasolut myös muodostavat myeliinitupen.

Ihmisen aikuisen aivot (aivokuori) painavat noin kolme kiloa ja ovat noin cantaloupen melonin kokoiset. Niiden ulkopinta on ryppyinen. Aivoja peittää aivokuori, ohut kerros, joka on aivojen ryppyinen harmaa aine. Rypyt mahdollistavat sen, että aivokuoressa on enemmän hermosoluja ja hermoyhteyksiä. Aivokuorella on kaksi puoliskoa (vasen ja oikea), joista kummallakin on neljä lohkoa (takaraivolohko, päälaenlohko, ohimolohko, otsalohko). Joitakin poikkeuksia lukuun ottamatta aivojen rakenne on suunnilleen symmetrinen. Aivokuori on ensisijainen alue, joka osallistuu oppimiseen, muistiin ja aistitiedon käsittelyyn. Joitakin muita keskeisiä aivojen alueita ovat aivorunko, verkkomainen aivokudos, pikkuaivot, talamus, hypotalamus, mantelitumake, hippokampus, aivokurkiainen, Brocan alue ja Wernicken alue.

Aivojen vasen puolisko hallitsee yleensä oikeaa näkökenttää ja päinvastoin. Monet aivotoiminnot ovat jossain määrin paikallistuneita. Analyyttinen ajattelu näyttää keskittyvän vasempaan puoliskoon, kun taas spatiaalinen, auditiivinen, emotionaalinen ja taiteellinen prosessointi tapahtuu pääasiassa oikeassa puoliskossa. Samanaikaisesti monet aivojen alueet työskentelevät yhdessä käsitelläkseen tietoa ja säädelläkseen toimintoja. Kahden aivopuoliskon välillä on paljon risteystä, koska niitä yhdistävät kuitukimput, joista suurin on aivokurkiainen.

Useiden aivojen alueiden yhteistoiminta näkyy selvästi kielen oppimisessa ja käytössä. Aivojen vasemman puolen aivokuori on keskeinen lukemiselle. Tietyt aivojen alueet liittyvät ortografiseen, fonologiseen, semanttiseen ja syntaktiseen prosessointiin, joita lukeminen edellyttää. Wernicken alue vasemmassa aivopuoliskossa ohjaa puheen ymmärtämistä ja oikean syntaksin käyttöä puhuttaessa. Wernicken alue työskentelee tiiviisti Brocan alueen kanssa vasemmassa otsalohkossa, mikä on välttämätöntä puhumiselle. Oikea aivopuolisko on kuitenkin kriittinen kontekstin ja siten suuren osan puheen merkityksen tulkitsemiselle.

Erilaisia teknologioita käytetään aivotutkimuksen tekemiseen. Näitä ovat röntgenkuvat, CAT-skannaukset, EEG:t, PET-skannaukset, MRI:t ja fMRI:t. Aivotutkimuksen ala muuttuu nopeasti, ja kehitetään jatkuvasti uusia, kehittyneempiä teknologioita.

Neurotieteellisestä näkökulmasta oppiminen on hermosolujen (synaptisten) yhteyksien ja verkostojen rakentamista ja muokkaamista. Aisti-inputit käsitellään aivojen aistimuistiosissa; ne, jotka säilytetään, siirretään työmuistiin, joka näyttää sijaitsevan useissa aivojen osissa, mutta pääasiassa otsalohkon prefrontaalisessa aivokuoressa. Tieto voidaan sitten siirtää pitkäkestoiseen muistiin. Eri aivojen osat osallistuvat pitkäkestoiseen muistiin riippuen tiedon tyypistä (esim. deklaratiivinen, proseduraalinen). Toistuvien ärsykkeiden tai tiedon esitysten myötä hermoverkostot vahvistuvat siten, että hermovasteet tapahtuvat nopeasti. Synaptisten yhteyksien vakauttamisen ja vahvistamisen prosessi tunnetaan konsolidaationa, ja konsolidaation kautta aivojen fyysinen rakenne ja toiminnallinen organisaatio muuttuvat.

Aivojen kehitykseen vaikuttavia tekijöitä ovat genetiikka, ympäristön stimulaatio, ravinto, steroidit ja teratogeenit. Prenataalisen kehityksen aikana aivot kasvavat kooltaan, rakenteeltaan ja hermosolujen, gliasolujen ja synapsien määrältään. Aivot kehittyvät nopeasti imeväisillä; pikkulapsilla on monimutkaisia hermoyhteyksiä. Kun lapset menettävät aivosynapseja, ne, jotka he säilyttävät, riippuvat osittain heidän harjoittamistaan toiminnoista. Näyttää olevan kriittisiä ajanjaksoja elämän ensimmäisten vuosien aikana kielen, tunteiden, aistimotoristen toimintojen, auditiivisten kykyjen ja näön kehitykselle. Varhainen aivojen kehitys hyötyy rikkaista ympäristökokemuksista ja emotionaalisesta kiintymyksestä vanhempiin ja hoitajiin. Suuria muutoksia tapahtuu myös teini-ikäisten aivoissa koossa, rakenteessa sekä hermosolujen lukumäärässä ja organisaatiossa.

Kaksi motivaation hermovastinetta ovat palkinnot ja motivaatiotilat. Aivoilla näyttää olevan järjestelmä palkintojen käsittelyyn ja ne tuottavat omia palkintojaan opiaattien muodossa, jotka johtavat luonnolliseen hyvänolon tunteeseen. Aivot voivat olla alttiita kokemaan ja ylläpitämään miellyttäviä tuloksia, ja nautintoverkosto voidaan aktivoida palkinnon odotuksella. Motivaatiotilat ovat monimutkaisia hermoyhteyksiä, jotka sisältävät tunteita, kognitioita ja käyttäytymistä. Avain koulutukseen on ylläpitää motivaatiota oppimiseen optimaalisella alueella.

Tunteiden toiminta keskushermostossa on monimutkaista. Emotionaaliset reaktiot koostuvat vaiheista, kuten tapahtumaan orientoituminen, tapahtuman integrointi, vastauksen valinta ja emotionaalisen kontekstin ylläpitäminen. Aivoihin liittyvä emotionaalinen aktiivisuus voi vaihdella primaaristen ja kulttuuriin perustuvien tunteiden välillä. Tunteet voivat helpottaa oppimista, koska ne ohjaavat huomiota ja vaikuttavat oppimiseen ja muistiin. Emotionaalinen osallistuminen on toivottavaa oppimiselle; mutta kun tunteet kasvavat liian suuriksi, kognitiivinen oppiminen estyy.

Aivotutkimuksen tulokset tukevat monia kognitiivisissa tutkimuksissa saatuja tuloksia oppimisesta ja muistista. On kuitenkin tärkeää olla yleistämättä aivotutkimuksen tuloksia liikaa leimaamalla oppilaita esimerkiksi oikea- tai vasen-aivoisiksi. Useimmat oppimistehtävät edellyttävät molempien aivopuoliskojen toimintaa, ja aivotoimintojen erot ovat enemmän suhteellisia kuin ehdottomia.

Aivotutkimus viittaa siihen, että varhainen koulutus on kriittistä, opetuksen tulisi ottaa huomioon lasten kognitiiviset monimutkaisuudet, erityisongelmien arviointi on välttämätöntä asianmukaisten interventioiden suunnittelussa ja monimutkaiset oppimisteoriat kuvaavat aivojen toimintaa paremmin kuin yksinkertaisemmat teoriat. Joitakin tehokkaita aivopohjaisia opetuskäytäntöjä ovat ongelmaperustainen oppiminen, simulaatiot ja roolileikit, aktiiviset keskustelut, grafiikka ja positiivinen ilmapiiri.