学習神経科学：教育への応用

近年、脳の発達と機能を探求する神経生理学的研究への関心が急増しています。多くの教育者は、脳研究が教育資料や指導を、子供たちが情報を処理し学習する方法と適合させる方法を示唆する可能性があると考えているため、関心を持って脳研究を見ています。

残念ながら、行動科学の歴史は、脳研究と学習理論の間の断絶を反映しています。脳と行動に関する研究は新しいものではありません。この章で前述したヘブ（1949）の神経生理学的理論を思い出してください。様々な伝統の学習理論家は、脳研究の重要性を認識しながらも、脳研究の結果とは独立して理論を構築し、検証する傾向がありました。

この状況は明らかに変化しています。教育研究者は、脳のプロセスを理解することで、学習と発達の本質についてさらなる洞察が得られるとますます信じるようになっています（Byrnes & Fox, 1998）。実際、学習に関するいくつかの認知的な説明（例えば、記憶における情報の活性化、WMからLTMへの情報の転送）は、CNSプロセスを含み、脳心理学は学習と記憶に関わる操作を説明し始めています。脳研究からの発見は、学習と記憶に関する研究で得られた多くの結果を実際に支持しています（Byrnes, 2001; Byrnes & Fox, 1998）。

一部の教育者が脳研究の結果を過度に一般化して、根拠のない指導上の推奨事項を作成しているのは残念なことです。脳機能はある程度局在化されていますが、タスクは両半球の活動を必要とし、それらの違いは絶対的なものではなく、相対的なものであるという多くの証拠があります（Byrnes & Fox, 1998）。「右脳型」と「左脳型」の生徒の識別は、通常、科学的に有効で信頼できる測定や手段ではなく、非公式な観察に基づいています。その結果、一部の教育方法が、学習への効果が証明されているからではなく、生徒が想定する脳の好みを presumably 使用しているからという理由で、生徒に使用されています。

脳研究に関連する教育上の問題点

• 早期教育の役割
• 認知プロセスの複雑さ
• 特定困難性の診断
• 学習の多面的な性質

脳研究、そして一般的に中枢神経系（CNS）の研究は、教育に関連する多くの問題提起をしています。発達の変化に関して、初期教育の重要な役割がその一つです。子どもの脳が過密であるという事実は、ニューロンが多いほど良いとは限らないことを示唆しています。脳が「適切な」数のニューロンとシナプスを持っている最適な状態、つまり多すぎず少なすぎない状態が存在する可能性があります。身体的、感情的、認知的な発達は、脳がその最適な状態に近づく過程を含みます。非定型的な発達、つまり発達障害は、この選別・削減のプロセスが正常に進まないために起こる可能性があります。

脳内のこの形成・整形プロセスは、幼児期の教育が非常に重要であることを示唆しています。乳幼児期および就学前の発達段階は、学校で成功するために必要な能力の習得の舞台となり得ます（Byrnes & Fox, 1998）。早期介入プログラム（例：ヘッドスタート）は、子どもの学校への準備と学習を改善することが示されており、多くの州が就学前教育プログラムを実施しています。脳研究は、この早期教育への重点を正当化します。

第二の問題は、指導と学習経験は、注意や記憶などの認知プロセスの複雑さを考慮して計画されなければならないという考え方です。神経科学の研究は、注意は単一のプロセスではなく、多くの構成要素（例：現在の状態の変化への警戒、変化源の特定）を含むことを示しています。記憶も同様に、宣言的記憶や手続き的記憶など、いくつかの種類に分化しています。このことは、教育者が特定の指導技術が「生徒の注意を引きつける」とか「生徒が覚えるのを助ける」と安易に考えてはならないことを意味します。むしろ、指導が注意のどの側面に訴えかけるのか、また、どのような特定の種類の記憶が扱われているのかについて、より具体的にする必要があります。

第三の問題は、生徒の学習困難の改善に関わるものです。脳研究は、特定の教科における弱点を克服するための鍵は、学習者がその教科のどの側面に困難を感じているかを特定し、それらを具体的に扱うことであると示唆しています。例えば、数学は、書かれた数字や記号の理解、事実の想起、数字を書く能力など、多くの下位構成要素を含んでいます。読書は、正書法的、音韻論的、意味論的、統語論的なプロセスから構成されています。ある人が読書が苦手だと言うだけでは、どこに困難があるのかを診断することはできません。微調整された評価のみがその特定を可能にし、その後、特定の弱点に対処する是正手順を実施することができます。読書のすべての側面（例：単語の識別、単語の意味）に対処する一般的な読書プログラムは、病気の人に投与される一般的な抗生物質に似ています。それは最良の治療法ではないかもしれません。最も是正が必要な分野で是正的な指導を提供することは、教育的に有利であると思われます。例えば、子どもの弱点に対する認知戦略指導は、伝統的な読書指導と組み合わせることができます（Katzir & Paré-Blagoev, 2006）。

最後の問題は、学習理論の複雑さに関わるものです。脳研究は、多面的な学習理論が、簡潔なモデルよりも実際の状況をより良く捉えているように見えることを示しています。脳機能には多くの冗長性があり、これは、特定の機能に関連することが知られている脳の領域が外傷を受けた場合でも、その機能が完全には消失しないという一般的な発見を説明しています（「右脳」と「左脳」の区別があまり信頼性を持たないもう一つの理由です）。時間の経過とともに、学習理論はより複雑になってきました。古典的およびオペラント条件付け理論は、社会的認知理論、認知情報処理理論、および構成主義理論よりもはるかに単純です。これらの後者の理論は、脳の現実をより良く反映しています。これは、教育者が学校の学習環境の複雑さを受け入れ、生徒の学習を改善するために環境の多くの側面を調整する方法を調査する必要があることを示唆しています。

この章では、学習を促進し、脳の研究によって裏付けられているいくつかの具体的な教育実践を提案します。Byrnes（2001）は、脳の研究は、心理学者と教育者が学習、発達、および動機付けをより明確に理解するのに役立つ範囲で、心理学と教育に関連すると主張しました。つまり、学習理論の既存の予測を裏付けるのに役立つ場合にのみ関連します。

問題解決型学習

問題解決型学習は効果的な学習方法です。問題解決型学習は、学生を学習に引き込み、動機付けを助けます。学生がグループで作業するとき、彼らはまた、彼らの協調学習スキルを向上させることができます。問題解決型学習は、学生が創造的に考え、彼らの知識を独自の方法で活用することを要求します。それは特に、唯一の正しい解決策がないプロジェクトに役立ちます。

脳の研究によって裏付けられた教育実践。

• 問題解決型学習
• シミュレーションとロールプレイング
• 活発な議論
• グラフィック
• 肯定的な雰囲気

問題解決型学習の効果は、脳の研究によって裏付けられています。その複数の接続により、人間の脳は問題を解決するように配線されています（Jensen、2005）。問題を解決するために協力する学生は、知識が使用され、組み合わされる新しい方法に気づき、新しいシナプスの接続を形成します。さらに、問題解決型学習は、学生の動機付けに訴え、感情的な関与を生み出す傾向があり、それもより広範な神経ネットワークを作成することができます。

シミュレーションとロールプレイング

シミュレーションとロールプレイングは、問題解決型学習と同じ利点の多くを持っています。シミュレーションは、コンピュータ、通常のクラス、または特別な設定（博物館など）を介して発生する可能性があります。ロールプレイングは、学生が他人を観察するモデリングの形式です。シミュレーションとロールプレイングの両方で、学生は通常は利用できない学習機会を提供します。これらの方法には動機付けの利点があり、学生の注意を引きます。それらは学生が積極的に資料に関与し、感情的に自分自身を投資することを可能にします。集合的に、これらの利点は学習の促進に役立ちます。

活発な議論

多くのトピックは、学生の議論に適しています。議論に参加している学生は参加を強制されます。彼らは受動的な傍観者になることはできません。この認知および感情的な関与のレベルの向上は、より良い学習につながります。さらに、議論に参加することにより、学生は新しいアイデアに触れ、これらを現在の概念と統合します。この認知活動は、シナプスの接続と情報の新しい使用方法を構築するのに役立ちます。

グラフィック

人体は、他のすべての感覚よりも視覚的に多くの情報を取り込むように構造化されています（Wolfe、2001）。視覚的な表示は、注意、学習、および保持を促進するのに役立ちます。学習と脳の研究からの集合的な調査結果は、グラフィックの利点をサポートしています。教育でグラフィックを使用し、学生にグラフィック（オーバーヘッド、PowerPoint©プレゼンテーション、デモンストレーション、図面、コンセプトマップ、グラフィックオーガナイザーなど）を使用させる教師は、視覚情報処理を利用し、学習を改善する傾向があります。

肯定的な雰囲気

感情のセクションで見たように、学生が肯定的な態度を持ち、感情的に安心している場合、学習はより良く進みます。逆に、教師が彼らの答えが正しくない場合に怒るため、学生が答えを志願することを恐れるなど、学生がストレスを感じたり不安になったりすると、学習は促進されません。脳の研究は、感情的な関与が学習とシナプスの接続の構築に与えることができる肯定的な効果を裏付けています。肯定的な教室の雰囲気を作り出す教師は、行動上の問題が最小限に抑えられ、学生が学習により投資するようになることに気づくでしょう。

学習の神経科学は、神経系と学習および行動との関係に関する科学です。神経科学の研究は、医学や科学の分野で長年行われてきましたが、最近では、研究結果が教育に示唆を与えることから、教育者の関心を集めるようになりました。神経科学の研究は、脳と脊髄から構成され、随意行動を調整する中枢神経系（CNS）と、不随意行動を調整する自律神経系（ANS）を対象としています。

CNSは、脳と脊髄にある数十億個の細胞で構成されています。細胞には、ニューロンとグリア細胞の2つの主要なタイプがあります。ニューロンは、筋肉や臓器を介して情報を送受信します。各ニューロンは、細胞体、数千の短い樹状突起、および1つの軸索で構成されています。樹状突起は他の細胞から情報を受信し、軸索は細胞にメッセージを送信します。ミエリン鞘は軸索を囲み、信号の伝達を促進します。軸索は、樹状突起の端と接続する分岐構造（シナプス）で終わります。軸索の端にある化学的な神経伝達物質は、収縮した樹状突起の反応を活性化または阻害します。このプロセスにより、信号が神経および身体構造を介して迅速に送信されます。グリア細胞は、不要な化学物質や死んだ脳細胞を除去することにより、ニューロンの働きをサポートします。グリア細胞はまた、ミエリン鞘を確立します。

人間の成人の脳（大脳）は約3ポンドの重さで、カンタロープのサイズです。その外側の質感はしわが寄っています。脳を覆っているのは大脳皮質で、脳のしわが寄った灰白質の薄い層です。しわにより、皮質はより多くのニューロンとニューラル接続を持つことができます。皮質には2つの半球（左と右）があり、それぞれに4つの葉（後頭葉、頭頂葉、側頭葉、前頭葉）があります。いくつかの例外を除いて、脳の構造はほぼ対称です。皮質は、学習、記憶、および感覚情報の処理に関与する主要な領域です。脳の他の主要な領域には、脳幹、網様体、小脳、視床、視床下部、扁桃体、海馬、脳梁、ブローカ野、およびウェルニッケ野があります。

脳の左半球は一般的に右側の視覚野を支配し、その逆も同様です。多くの脳機能はある程度局在化されています。分析的思考は左半球に集中しているようですが、空間的、聴覚的、感情的、芸術的な処理は主に右半球で行われます。同時に、多くの脳領域が連携して情報を処理し、行動を調整します。2つの半球は線維の束で結合されているため、多くのクロスオーバーがあり、その最大のものが脳梁です。

複数の脳領域の連携は、言語の習得と使用において明確に見られます。脳の大脳皮質の左側は、読書の中心です。特定の脳領域は、読書に必要な正書法、音韻論的処理、意味論的処理、および統語論的処理に関連付けられています。左半球のウェルニッケ野は、発話の理解と、発話時の適切な構文の使用を制御します。ウェルニッケ野は、発話に必要な左前頭葉のブローカ野と密接に連携して動作します。ただし、右半球は文脈を解釈し、したがって多くのスピーチの意味を解釈するために重要です。

脳の研究を行うために、さまざまな技術が使用されています。これらには、X線、CATスキャン、EEG、PETスキャン、MRI、およびfMRIが含まれます。脳研究の分野は急速に変化しており、より高度な新しい技術が開発され続けています。

神経科学的な観点から見ると、学習はニューラル（シナプス）の接続とネットワークを構築および変更するプロセスです。感覚入力は、脳の感覚記憶の部分で処理されます。保持されているものはWMに転送されます。WMは、脳の複数の部分に存在するように見えますが、主に前頭葉の前頭前皮質に存在します。次に、情報はLTMに転送される場合があります。脳のさまざまな部分は、情報の種類（例：宣言的、手続き的）に応じてLTMに関与しています。刺激または情報の繰り返し提示により、ニューラルネットワークが強化され、ニューロンの応答が迅速に発生します。シナプス接続を安定化および強化するプロセスは、統合として知られており、統合を通じて、脳の物理的構造と機能的組織が変化します。

脳の発達に影響を与える要因は、遺伝、環境刺激、栄養、ステロイド、および催奇性物質です。出生前の発達中、脳はサイズ、構造、およびニューロン、グリア細胞、およびシナプスの数が増加します。脳は乳児期に急速に発達します。幼児は複雑なニューラル接続を持っています。子供たちが脳のシナプスを失うにつれて、保持するシナプスは、彼らが従事する活動に部分的に依存します。言語、感情、感覚運動機能、聴覚能力、および視覚の発達には、生後数年の間に重要な期間があるようです。初期の脳の発達は、豊かな環境経験と親および介護者との感情的な絆から恩恵を受けます。ティーンエイジャーの脳でも、サイズ、構造、およびニューロンの数と組織に大きな変化が起こります。

モチベーションの2つのニューラルな対応物は、報酬と動機付けの状態に関与しています。脳は報酬を処理するためのシステムを持っているように見え、自然な高揚感をもたらすオピエートの形で独自の報酬を生み出します。脳は、快楽的な結果を経験し、維持することに傾倒している可能性があり、快楽ネットワークは報酬の期待によって活性化される可能性があります。動機付けの状態は、感情、認知、および行動を含む複雑なニューラル接続です。教育の鍵は、学習へのモチベーションを最適な範囲内に維持することです。

CNSにおける感情の働きは複雑です。感情的な反応は、イベントへの方向付け、イベントの統合、応答の選択、感情的なコンテキストの維持などの段階で構成されます。脳にリンクされた感情的な活動は、一次感情と文化に基づく感情で異なる場合があります。感情は、注意を向け、学習と記憶に影響を与えるため、学習を促進できます。感情的な関与は学習に望ましいですが、感情が大きくなりすぎると、認知学習が妨げられます。

脳の研究からの発見は、学習と記憶に関する認知研究で得られた多くの結果を裏付けています。しかし、学生を右脳または左脳としてラベル付けすることによって、脳の研究結果を過度に一般化しないことが重要です。ほとんどの学習タスクでは、両半球の活動が必要であり、脳機能の違いは絶対的なものよりも相対的なものです。

脳の研究は、早期教育が重要であり、指導は子供の認知的な複雑さを考慮に入れる必要があり、適切な介入を計画するには特定の問題の評価が必要であり、学習の複雑な理論は単純な理論よりも脳の動作をよりよく捉えていることを示唆しています。効果的な脳に基づいた教育的実践には、問題に基づいた学習、シミュレーションとロールプレイング、活発なディスカッション、グラフィック、および肯定的な雰囲気があります。