학습 신경과학: 교육적 적용 – 효과적인 학습 전략

최근 몇 년 동안 뇌 발달 및 기능에 대한 신경생리학적 연구에 대한 관심이 급증했습니다. 많은 교육자들은 뇌 연구가 교육 자료와 지침을 아동이 정보를 처리하고 학습하는 방식과 호환되도록 만드는 방법을 제시할 수 있다고 믿기 때문에 관심을 가지고 뇌 연구를 봅니다.

불행히도 행동 과학의 역사는 뇌 연구와 학습 이론 간의 단절을 반영합니다. 뇌와 행동에 대한 연구는 새로운 것이 아닙니다. 이 장에서 앞서 논의된 Hebb(1949)의 신경생리학적 이론을 상기해 보십시오. 다양한 전통의 학습 이론가들은 뇌 연구의 중요성을 인정하면서도 뇌 연구 결과와 독립적으로 이론을 공식화하고 테스트하는 경향이 있었습니다.

이러한 상황은 분명히 변화하고 있습니다. 교육 연구자들은 뇌 과정에 대한 이해가 학습 및 발달의 본질에 대한 추가적인 통찰력을 제공한다고 점점 더 믿고 있습니다(Byrnes & Fox, 1998). 실제로 학습에 대한 일부 인지적 설명(예: 기억 속 정보의 활성화, WM에서 LTM으로의 정보 전달)은 CNS 과정과 관련되어 있으며, 뇌 심리학은 학습 및 기억과 관련된 작동을 설명하기 시작했습니다. 뇌 연구 결과는 실제로 학습 및 기억에 대한 연구 연구에서 얻은 많은 결과를 뒷받침합니다(Byrnes, 2001; Byrnes & Fox, 1998).

일부 교육자들이 뇌 연구 결과를 지나치게 일반화하여 부당한 교육적 권고를 하는 것은 유감스러운 일입니다. 뇌 기능은 어느 정도 국소화되어 있지만, 작업에는 양쪽 반구의 활동이 필요하고 그 차이가 절대적이기보다는 상대적이라는 증거가 많습니다(Byrnes & Fox, 1998). “우뇌형” 및 “좌뇌형” 학생의 식별은 일반적으로 과학적으로 유효하고 신뢰할 수 있는 측정 및 도구보다는 비공식적인 관찰을 기반으로 합니다. 그 결과 일부 교육 방법은 학습에 대한 입증된 효과 때문이 아니라 학생들이 추정되는 뇌 선호를 사용하기 때문이라고 추정되기 때문에 학생들에게 사용되고 있습니다.

뇌 연구와 관련된 교육적 문제

• 조기 교육의 역할
• 인지 과정의 복잡성
• 특정 어려움 진단
• 학습의 다면적인 특성

뇌 연구, 그리고 CNS 연구는 일반적으로 교육과 관련된 많은 문제를 제기합니다. 발달적 변화와 관련하여 한 가지 문제는 조기 교육의 중요한 역할과 관련이 있습니다. 어린이의 뇌가 매우 밀도가 높다는 사실은 더 많은 뉴런이 반드시 더 좋다는 것을 의미하지는 않습니다. 뇌가 “적절한” 수의 뉴런과 시냅스를 갖는 최적의 기능 상태가 있을 가능성이 높습니다. 너무 많지도 적지도 않은 상태입니다. 신체적, 정서적, 인지적 발달은 뇌가 최적의 상태에 접근하는 것을 포함합니다. 비정형 발달(발달 장애를 초래하는)은 이러한 가지치기 과정이 정상적으로 진행되지 않기 때문에 발생할 수 있습니다.

뇌의 이러한 주조 및 형성 과정은 유아기 교육이 매우 중요하다는 것을 시사합니다. 유아기 및 미취학 아동의 발달 기간은 학교에서 성공하는 데 필요한 역량을 습득하기 위한 발판을 마련할 수 있습니다(Byrnes & Fox, 1998). 조기 개입 프로그램(예: 헤드 스타트)은 어린이의 학교 준비도와 학습을 향상시키는 것으로 나타났으며 많은 주에서 유아 교육 프로그램을 시행했습니다. 뇌 연구는 조기 교육에 대한 이러한 강조를 정당화합니다.

두 번째 문제는 주의력 및 기억과 같은 인지 과정의 복잡성을 고려하여 교육 및 학습 경험을 계획해야 한다는 아이디어와 관련이 있습니다. 신경 과학 연구에 따르면 주의력은 단일 과정이 아니라 현재 상태의 변화에 대한 경고, 변화의 원인 위치 파악과 같은 많은 구성 요소를 포함합니다. 기억도 선언적 기억과 절차적 기억과 같이 유형별로 구별됩니다. 이는 교육자가 특정 교육 기술이 “학생들의 주의를 끈다”거나 “학생들이 기억하도록 돕는다”고 가정할 수 없다는 것을 의미합니다. 오히려 우리는 교육이 어떤 측면의 주의력에 어필하고 어떤 특정 유형의 기억이 다루어지는지에 대해 더 구체적이어야 합니다.

세 번째 문제는 학생들의 학습 어려움을 해결하는 것과 관련이 있습니다. 뇌 연구에 따르면 특정 과목의 결함을 수정하는 열쇠는 학습자가 해당 과목의 어떤 측면에서 어려움을 겪고 있는지 확인한 다음 해당 측면을 구체적으로 해결하는 것입니다. 예를 들어 수학에는 쓰여진 숫자와 기호의 이해, 사실의 검색, 숫자를 쓰는 능력과 같은 많은 하위 구성 요소가 포함됩니다. 읽기는 철자, 음운, 의미 및 통사적 과정을 포함합니다. 어떤 사람이 독서를 못한다고 말하는 것은 어려움이 어디에 있는지 진단하지 못하는 것입니다. 미세 조정된 평가만이 그러한 식별을 할 수 있으며, 그러면 특정 결함을 해결할 수정 절차를 구현할 수 있습니다. 읽기의 모든 측면(예: 단어 식별, 단어 의미)을 다루는 일반적인 읽기 프로그램은 아픈 사람에게 투여되는 일반적인 항생제와 유사합니다. 그것이 최상의 치료법이 아닐 수도 있습니다. 수정이 가장 필요한 영역에서 수정 교육을 제공하는 것이 교육적으로 유리한 것 같습니다. 예를 들어, 어린이의 약점에 대한 인지 전략 교육은 전통적인 읽기 교육과 결합될 수 있습니다(Katzir & Paré-Blagoev, 2006).

마지막 문제는 학습 이론의 복잡성과 관련이 있습니다. 뇌 연구에 따르면 다면적인 학습 이론이 간결한 모델보다 실제 상황을 더 잘 포착하는 것 같습니다. 뇌 기능에는 많은 중복성이 있어 특정 기능과 관련된 것으로 알려진 뇌 영역이 외상을 입었을 때 해당 기능이 완전히 사라지지 않는다는 일반적인 사실을 설명합니다(소위 “우뇌”와 “좌뇌” 구분이 큰 신뢰를 얻지 못하는 또 다른 이유). 시간이 지남에 따라 학습 이론은 더욱 복잡해졌습니다. 고전적 및 작동적 조건화 이론은 사회인지 이론, 인지 정보 처리 이론 및 구성주의 이론보다 훨씬 간단합니다. 이러한 후자의 이론은 뇌의 현실을 더 잘 반영합니다. 이는 교육자가 학교 학습 환경의 복잡성을 받아들이고 환경의 많은 측면을 조정하여 학생 학습을 개선할 수 있는 방법을 조사해야 함을 시사합니다.

본 장에서는 학습을 촉진하고 뇌 연구에 의해 입증된 몇 가지 구체적인 교육 방법을 제시합니다. Byrnes(2001)는 뇌 연구가 심리학자와 교육자가 학습, 발달 및 동기에 대한 더 명확한 이해를 개발하는 데 도움이 되는 정도, 즉 학습 이론의 기존 예측을 입증하는 데 도움이 될 때 심리학 및 교육과 관련이 있다고 주장했습니다.

문제 기반 학습

문제 기반 학습은 효과적인 학습 방법입니다. 문제 기반 학습은 학생들을 학습에 참여시키고 동기를 부여하는 데 도움이 됩니다. 학생들이 그룹으로 작업할 때 협력 학습 기술도 향상시킬 수 있습니다. 문제 기반 학습은 학생들이 창의적으로 생각하고 지식을 독특한 방식으로 활용하도록 요구합니다. 특히 올바른 해결책이 없는 프로젝트에 유용합니다.

뇌 연구에 의해 입증된 교육 방법.

• 문제 기반 학습
• 시뮬레이션 및 역할극
• 적극적인 토론
• 그래픽
• 긍정적인 분위기

문제 기반 학습의 효과는 뇌 연구에 의해 입증되었습니다. 인간의 뇌는 여러 연결을 통해 문제를 해결하도록 연결되어 있습니다(Jensen, 2005). 문제를 해결하기 위해 협력하는 학생들은 지식을 사용하고 결합할 수 있는 새로운 방법을 인식하게 되어 새로운 시냅스 연결을 형성합니다. 또한 문제 기반 학습은 학생들의 동기를 유발하고 감정적인 참여를 유도하는 경향이 있으며, 이는 또한 더 광범위한 신경망을 만들 수 있습니다.

시뮬레이션 및 역할극

시뮬레이션과 역할극은 문제 기반 학습과 동일한 많은 이점을 가지고 있습니다. 시뮬레이션은 컴퓨터, 정규 수업 또는 특별 환경(예: 박물관)을 통해 발생할 수 있습니다. 역할극은 학생들이 다른 사람을 관찰하는 모델링의 한 형태입니다. 시뮬레이션과 역할극은 모두 학생들에게 일반적으로 사용할 수 없는 학습 기회를 제공합니다. 이러한 방법은 동기 부여 이점이 있고 학생들의 주의를 집중시킵니다. 학생들은 자료에 적극적으로 참여하고 감정적으로 투자할 수 있습니다. 총체적으로 이러한 이점은 학습을 촉진하는 데 도움이 됩니다.

적극적인 토론

많은 주제가 학생 토론에 적합합니다. 토론에 참여하는 학생들은 참여할 수밖에 없습니다. 수동적인 관찰자가 될 수 없습니다. 이러한 인지적 및 감정적 참여 수준이 높아지면 학습이 향상됩니다. 또한 토론에 참여함으로써 학생들은 새로운 아이디어에 노출되어 이를 현재 개념과 통합합니다. 이러한 인지 활동은 시냅스 연결과 정보를 사용하는 새로운 방법을 구축하는 데 도움이 됩니다.

그래픽

인체는 다른 모든 감각보다 시각적으로 더 많은 정보를 받아들이도록 구성되어 있습니다(Wolfe, 2001). 시각적 디스플레이는 주의력, 학습 및 유지를 촉진하는 데 도움이 됩니다. 학습 및 뇌 연구의 집단적인 발견은 그래픽의 이점을 뒷받침합니다. 교육에서 그래픽을 사용하고 학생들에게 그래픽(예: 오버헤드, PowerPoint© 프레젠테이션, 데모, 그림, 개념 지도, 그래픽 구성 도구)을 사용하도록 하는 교사는 시각 정보 처리를 활용하고 학습을 향상시키는 경향이 있습니다.

긍정적인 분위기

정서에 대한 섹션에서 학생들은 긍정적인 태도를 가지고 정서적으로 안정감을 느낄 때 학습이 더 잘 진행된다는 것을 알았습니다. 반대로 학생이 스트레스를 받거나 불안할 때, 예를 들어 교사가 답이 틀렸을 때 화를 내기 때문에 자발적으로 답을 하는 것을 두려워할 때는 학습이 촉진되지 않습니다. 뇌 연구는 감정적 참여가 학습 및 시냅스 연결 구축에 미치는 긍정적인 영향을 입증합니다. 긍정적인 교실 분위기를 조성하는 교사는 행동 문제가 최소화되고 학생들이 학습에 더 많은 투자를 하게 된다는 것을 알게 될 것입니다.

학습 신경과학은 신경계와 학습 및 행동 간의 관계를 과학적으로 연구하는 분야입니다. 신경과학 연구는 의학과 과학 분야에서 수년간 진행되어 왔지만, 최근 연구 결과가 교육적 시사점을 갖는다는 점 때문에 교육자들의 관심을 끌고 있습니다. 신경과학 연구는 자발적 행동을 조절하는 뇌와 척수를 포함하는 중추 신경계(CNS)와 불수의적 행동을 조절하는 자율 신경계(ANS)를 다룹니다.

중추 신경계는 뇌와 척수에 있는 수십억 개의 세포로 구성됩니다. 주요 세포 유형은 뉴런과 신경교세포 두 가지가 있습니다. 뉴런은 근육과 기관에 정보를 보내고 받습니다. 각 뉴런은 세포체, 수천 개의 짧은 수상돌기, 그리고 하나의 축삭으로 구성됩니다. 수상돌기는 다른 세포로부터 정보를 받고, 축삭은 세포에 메시지를 보냅니다. 미엘린 수초는 축삭을 둘러싸고 신호 전달을 용이하게 합니다. 축삭은 가지 구조(시냅스)로 끝나며, 수상돌기 말단과 연결됩니다. 축삭 말단의 화학 신경전달물질은 연결된 수상돌기에서 반응을 활성화하거나 억제합니다. 이 과정을 통해 신호가 신경 및 신체 구조를 통해 빠르게 전달될 수 있습니다. 신경교세포는 불필요한 화학 물질과 죽은 뇌세포를 제거하여 뉴런의 작업을 지원합니다. 신경교세포는 또한 미엘린 수초를 형성합니다.

성인 인간의 뇌(대뇌) 무게는 약 3파운드이며, 멜론 크기 정도입니다. 뇌의 겉 표면은 주름져 있습니다. 뇌를 덮고 있는 것은 대뇌 피질인데, 이것은 뇌의 주름진 회색질 층입니다. 주름은 피질이 더 많은 뉴런과 신경 연결을 가질 수 있게 합니다. 피질은 두 개의 반구(좌반구와 우반구)로 나뉘며, 각 반구는 네 개의 엽(후두엽, 두정엽, 측두엽, 전두엽)을 가지고 있습니다. 몇 가지 예외를 제외하고 뇌의 구조는 대략적으로 대칭적입니다. 피질은 학습, 기억, 감각 정보 처리에 관여하는 주요 영역입니다. 뇌의 다른 주요 영역으로는 뇌간, 망상체, 소뇌, 시상, 시상하부, 편도체, 해마, 뇌량, 브로카 영역, 베르니케 영역 등이 있습니다.

뇌의 좌반구는 일반적으로 오른쪽 시각 영역을 관장하고, 그 반대도 마찬가지입니다. 많은 뇌 기능이 어느 정도 국소화되어 있습니다. 분석적 사고는 좌반구에 집중되어 있는 반면, 공간적, 청각적, 정서적, 예술적 처리는 주로 우반구에서 발생합니다. 동시에, 많은 뇌 영역이 함께 작동하여 정보를 처리하고 행동을 조절합니다. 두 반구는 섬유 다발로 연결되어 있으며, 가장 큰 것은 뇌량입니다.

여러 뇌 영역이 함께 작동하는 것은 언어 습득 및 사용에서 분명하게 나타납니다. 뇌의 대뇌 피질의 왼쪽은 읽기의 중심입니다. 특정 뇌 영역은 읽기에 필요한 철자, 음운, 의미, 통사 처리와 관련이 있습니다. 좌반구의 베르니케 영역은 언어 이해와 말할 때 적절한 구문 사용을 제어합니다. 베르니케 영역은 좌측 전두엽에 있는 브로카 영역과 긴밀하게 협력하며, 이는 말하기에 필수적입니다. 그러나 우반구는 맥락을 해석하고 따라서 많은 언어의 의미를 해석하는 데 중요합니다.

다양한 기술이 뇌 연구에 사용됩니다. 여기에는 X-레이, CAT 스캔, EEG, PET 스캔, MRI 및 fMRI가 포함됩니다. 뇌 연구 분야는 빠르게 변화하고 있으며, 더욱 정교한 새로운 기술이 계속 개발될 것입니다.

신경과학적 관점에서 학습은 신경(시냅스) 연결과 네트워크를 구축하고 수정하는 과정입니다. 감각 입력은 뇌의 감각 기억 부분에서 처리됩니다. 유지되는 정보는 작업 기억(WM)으로 전달되며, 이는 뇌의 여러 부분, 특히 전두엽의 전전두피질에 있는 것으로 보입니다. 정보는 장기 기억(LTM)으로 전달될 수 있습니다. 뇌의 다른 부분은 정보 유형(예: 선언적, 절차적)에 따라 장기 기억에 관여합니다. 자극이나 정보가 반복적으로 제시되면 신경 네트워크가 강화되어 신경 반응이 빠르게 발생합니다. 시냅스 연결을 안정화하고 강화하는 과정을 통합이라고 하며, 통합을 통해 뇌의 물리적 구조와 기능적 조직이 변경됩니다.

뇌 발달에 영향을 미치는 요인은 유전, 환경적 자극, 영양, 스테로이드 및 기형 유발 물질입니다. 태아 발달 동안 뇌는 크기, 구조, 뉴런 수, 신경교세포 및 시냅스 수에서 성장합니다. 뇌는 유아기에 빠르게 발달합니다. 어린 아이들은 복잡한 신경 연결을 가지고 있습니다. 아이들이 뇌 시냅스를 잃으면 유지하는 시냅스는 부분적으로 그들이 참여하는 활동에 달려 있습니다. 언어, 감정, 감각 운동 기능, 청각 능력 및 시력 발달에 중요한 시기가 생애 처음 몇 년 동안 있는 것으로 보입니다. 초기 뇌 발달은 풍부한 환경 경험과 부모 및 보호자와의 정서적 유대감으로부터 이익을 얻습니다. 십대 뇌에서도 크기, 구조, 뉴런 수 및 조직에서 주요 변화가 발생합니다.

동기 부여의 두 가지 신경학적 상대물은 보상과 동기 부여 상태와 관련이 있습니다. 뇌는 보상을 처리하는 시스템을 가지고 있는 것으로 보이며, 자연스러운 높은 수준을 초래하는 아편제 형태로 자체 보상을 생성합니다. 뇌는 즐거운 결과를 경험하고 유지하려는 경향이 있을 수 있으며, 즐거움 네트워크는 보상에 대한 기대로 활성화될 수 있습니다. 동기 부여 상태는 감정, 인지 및 행동을 포함하는 복잡한 신경 연결입니다. 교육의 핵심은 학습에 대한 동기를 최적 범위 내에서 유지하는 것입니다.

중추 신경계에서 감정의 작동은 복잡합니다. 정서적 반응은 사건에 대한 방향 설정, 사건 통합, 반응 선택 및 정서적 맥락 유지와 같은 단계로 구성됩니다. 뇌 연결 정서적 활동은 1차 및 문화 기반 감정에 따라 다를 수 있습니다. 감정은 주의를 집중시키고 학습과 기억에 영향을 미치기 때문에 학습을 촉진할 수 있습니다. 정서적 관여는 학습에 바람직하지만 감정이 너무 커지면 인지 학습이 저해됩니다.

뇌 연구 결과는 학습 및 기억에 대한 인지 연구에서 얻은 많은 결과를 뒷받침합니다. 그러나 학생들을 오른쪽 또는 왼쪽 뇌로 분류하는 것과 같은 방식으로 뇌 연구 결과를 지나치게 일반화하지 않는 것이 중요합니다. 대부분의 학습 과제는 양쪽 반구의 활동을 필요로 하며, 뇌 기능의 차이는 절대적인 것보다 상대적입니다.

뇌 연구는 조기 교육이 중요하고, 교육은 어린이의 인지적 복잡성을 고려해야 하며, 적절한 개입을 계획하려면 특정 문제에 대한 평가가 필요하며, 학습에 대한 복잡한 이론이 더 간단한 이론보다 뇌의 작동 방식을 더 잘 포착한다는 것을 시사합니다. 효과적인 뇌 기반 교육 방법으로는 문제 기반 학습, 시뮬레이션 및 역할극, 적극적인 토론, 그래픽 및 긍정적인 분위기 등이 있습니다.