Neuroscience uczenia się: zastosowania edukacyjne

W ostatnich latach nastąpił gwałtowny wzrost zainteresowania badaniami neurofizjologicznymi, które eksplorują rozwój i funkcjonowanie mózgu. Wielu edukatorów z zainteresowaniem przygląda się badaniom nad mózgiem, ponieważ wierzą, że mogą one sugerować sposoby na dostosowanie materiałów edukacyjnych i instrukcji do tego, jak dzieci przetwarzają informacje i się uczą.

Niestety, historia nauk behawioralnych odzwierciedla brak powiązania między badaniami nad mózgiem a teoriami uczenia się. Badania nad mózgiem i zachowaniem nie są nowe; przypomnijmy neurofizjologiczną teorię Hebba (1949) omówioną wcześniej w tym rozdziale. Teoretycy uczenia się w różnych tradycjach, uznając znaczenie badań nad mózgiem, mieli tendencję do formułowania i testowania teorii niezależnie od wyników badań nad mózgiem.

Sytuacja ta wyraźnie się zmienia. Badacze edukacji coraz bardziej wierzą, że zrozumienie procesów mózgowych dostarcza dodatkowych informacji na temat natury uczenia się i rozwoju (Byrnes & Fox, 1998). Rzeczywiście, niektóre poznawcze wyjaśnienia uczenia się (np. aktywacja informacji w pamięci, transfer informacji z PM do DPM) obejmują procesy OUN, a psychologia mózgu zaczęła wyjaśniać operacje związane z uczeniem się i pamięcią. Wyniki badań nad mózgiem faktycznie wspierają wiele wyników uzyskanych w badaniach nad uczeniem się i pamięcią (Byrnes, 2001; Byrnes & Fox, 1998).

Niefortunne jest, że niektórzy edukatorzy zbytnio uogólnili wyniki badań nad mózgiem, aby wysnuć nieuzasadnione zalecenia dotyczące nauczania. Chociaż funkcje mózgu są do pewnego stopnia zlokalizowane, istnieje wiele dowodów na to, że zadania wymagają aktywności obu półkul i że ich różnice są bardziej względne niż absolutne (Byrnes & Fox, 1998). Identyfikacja uczniów “prawo-mózgowych” i “lewo-mózgowych” opiera się zazwyczaj na nieformalnych obserwacjach, a nie na naukowo ważnych i rzetelnych pomiarach i instrumentach. W rezultacie niektóre metody edukacyjne są stosowane z uczniami nie ze względu na udowodniony wpływ na uczenie się, ale raczej dlatego, że przypuszczalnie wykorzystują domniemane preferencje mózgowe uczniów.

Kwestie edukacyjne związane z badaniami nad mózgiem.

• Rola wczesnej edukacji
• Złożoność procesów poznawczych
• Diagnoza specyficznych trudności
• Wielopłaszczyznowy charakter uczenia się

Badania mózgu i badania nad OUN (ośrodkowym układem nerwowym) w ogóle, rodzą wiele kwestii istotnych dla edukacji. W odniesieniu do zmian rozwojowych, jedną z kwestii jest kluczowa rola wczesnej edukacji. Fakt, że mózgi dzieci są super-gęste, implikuje, że więcej neuronów niekoniecznie jest lepsze. Prawdopodobnie istnieje optymalny stan funkcjonowania, w którym mózgi mają „właściwą” liczbę neuronów i synaps – ani za dużo, ani za mało. Rozwój fizyczny, emocjonalny i poznawczy obejmuje zbliżanie się mózgu do jego optymalnego stanu. Nietypowy rozwój – skutkujący niepełnosprawnością rozwojową – może wystąpić, ponieważ ten proces redukcji nie przebiega normalnie.

Ten proces formowania i kształtowania w mózgu sugeruje, że edukacja wczesnoszkolna jest niezwykle ważna. Okresy rozwojowe niemowlęctwa i wieku przedszkolnego mogą przygotować grunt pod nabycie kompetencji potrzebnych do osiągnięcia sukcesu w szkole (Byrnes & Fox, 1998). Programy wczesnej interwencji (np. Head Start) wykazały poprawę gotowości szkolnej i uczenia się dzieci, a wiele stanów wdrożyło programy edukacji przedszkolnej. Badania mózgu uzasadniają ten nacisk na wczesną edukację.

Druga kwestia dotyczy idei, że instrukcje i doświadczenia edukacyjne muszą być planowane tak, aby uwzględniały złożoność procesów poznawczych, takich jak uwaga i pamięć. Badania neuronaukowe wykazały, że uwaga nie jest procesem unitarnym, ale obejmuje wiele komponentów (np. alarmowanie o zmianie w bieżącym stanie, lokalizowanie źródła zmiany). Pamięć jest podobnie zróżnicowana na typy, takie jak deklaratywna i proceduralna. Implikacja jest taka, że nauczyciele nie mogą zakładać, że dana technika nauczania „zyskuje uwagę uczniów” lub „pomaga im zapamiętać”. Raczej musimy być bardziej szczegółowi co do tego, do jakich aspektów uwagi odwołuje się instrukcja i jaki konkretny typ pamięci jest adresowany.

Trzecia kwestia dotyczy zaradzania trudnościom w uczeniu się uczniów. Badania mózgu sugerują, że kluczem do korygowania braków w konkretnym przedmiocie jest określenie, z którymi aspektami przedmiotu uczeń ma trudności, a następnie konkretne zajęcie się nimi. Matematyka, na przykład, obejmuje wiele podkomponentów, takich jak rozumienie pisemnych liczb i symboli, odzyskiwanie faktów i umiejętność pisania liczb. Czytanie obejmuje procesy ortograficzne, fonologiczne, semantyczne i syntaktyczne. Powiedzenie, że ktoś jest słabym czytelnikiem, nie diagnozuje, gdzie leży trudność. Tylko precyzyjne oceny mogą dokonać tej identyfikacji, a następnie można wdrożyć procedurę naprawczą, która zajmie się konkretnym brakiem. Ogólny program czytania, który obejmuje wszystkie aspekty czytania (np. identyfikacja słów, znaczenia słów), jest analogiczny do ogólnego antybiotyku podawanego osobie chorej; może to nie być najlepsza terapia. Wydaje się korzystne edukacyjnie oferowanie instrukcji naprawczej w tych obszarach, które najbardziej wymagają korekty. Na przykład, instrukcja strategii poznawczych w zakresie słabości dzieci może być połączona z tradycyjną instrukcją czytania (Katzir & Paré-Blagoev, 2006).

Ostatnia kwestia dotyczy złożoności teorii uczenia się. Badania mózgu wykazały, że wieloaspektowe teorie uczenia się wydają się lepiej oddawać rzeczywisty stan rzeczy niż modele parsymonijne. Istnieje duża redundancja w funkcjach mózgu, co tłumaczy powszechne stwierdzenie, że kiedy obszar mózgu, o którym wiadomo, że jest związany z daną funkcją, ulega urazowi, funkcja może nie zniknąć całkowicie (inny powód, dla którego rozróżnienia na “prawą półkulę” i “lewą półkulę” nie mają dużej wiarygodności). Z biegiem czasu teorie uczenia się stawały się bardziej złożone. Klasyczne i instrumentalne teorie warunkowania są znacznie prostsze niż społeczna teoria poznawcza, teoria przetwarzania informacji poznawczej i teoria konstruktywistyczna. Te ostatnie teorie lepiej odzwierciedlają rzeczywistość mózgu. Sugeruje to, że nauczyciele powinni zaakceptować złożoność środowisk uczenia się w szkole i badać sposoby koordynowania wielu aspektów środowisk w celu poprawy uczenia się uczniów.

Ten rozdział sugeruje konkretne praktyki edukacyjne, które ułatwiają uczenie się i są poparte badaniami mózgu. Byrnes (2001) twierdził, że badania mózgu są istotne dla psychologii i edukacji w takim zakresie, w jakim pomagają psychologom i edukatorom w rozwinięciu jaśniejszego zrozumienia uczenia się, rozwoju i motywacji; to znaczy, są istotne, gdy pomagają potwierdzić istniejące przewidywania teorii uczenia się.

Uczenie się oparte na problemach

Uczenie się oparte na problemach jest skuteczną metodą uczenia się. Angażuje uczniów w naukę i pomaga ich motywować. Kiedy uczniowie pracują w grupach, mogą również poprawić swoje umiejętności współpracy. Uczenie się oparte na problemach wymaga od uczniów kreatywnego myślenia i wykorzystywania wiedzy w unikalny sposób. Jest szczególnie przydatne w projektach, które nie mają jednego poprawnego rozwiązania.

Praktyki edukacyjne potwierdzone badaniami mózgu.

• Uczenie się oparte na problemach
• Symulacje i odgrywanie ról
• Aktywne dyskusje
• Grafika
• Pozytywny klimat

Skuteczność uczenia się opartego na problemach jest potwierdzona badaniami mózgu. Dzięki licznym połączeniom ludzki mózg jest zaprogramowany do rozwiązywania problemów (Jensen, 2005). Uczniowie, którzy współpracują w celu rozwiązywania problemów, uświadamiają sobie nowe sposoby wykorzystania i łączenia wiedzy, co tworzy nowe połączenia synaptyczne. Ponadto uczenie się oparte na problemach może odwoływać się do motywacji uczniów i wywoływać zaangażowanie emocjonalne, co również może tworzyć bardziej rozległe sieci neuronowe.

Symulacje i odgrywanie ról

Symulacje i odgrywanie ról mają wiele takich samych zalet, jak uczenie się oparte na problemach. Symulacje mogą odbywać się za pośrednictwem komputerów, w zwykłej klasie lub w specjalnych miejscach (np. muzeach). Odgrywanie ról jest formą modelowania, w której uczniowie obserwują innych. Zarówno symulacje, jak i odgrywanie ról zapewniają uczniom możliwości uczenia się, które zwykle nie są dostępne. Metody te mają zalety motywacyjne i przyciągają uwagę uczniów. Pozwalają uczniom aktywnie angażować się w materiał i angażować się emocjonalnie. Łącznie te zalety pomagają w uczeniu się.

Aktywne dyskusje

Wiele tematów dobrze nadaje się do dyskusji uczniowskich. Uczniowie, którzy biorą udział w dyskusji, są zmuszeni do uczestnictwa; nie mogą być biernymi obserwatorami. Ten zwiększony poziom zaangażowania poznawczego i emocjonalnego prowadzi do lepszego uczenia się. Ponadto, uczestnicząc w dyskusjach, uczniowie są wystawieni na nowe pomysły i integrują je ze swoimi obecnymi koncepcjami. Ta aktywność poznawcza pomaga budować połączenia synaptyczne i nowe sposoby wykorzystywania informacji.

Grafika

Ciało ludzkie jest zbudowane w taki sposób, że przyjmujemy więcej informacji wizualnie niż przez wszystkie inne zmysły (Wolfe, 2001). Wyświetlacze wizualne pomagają w pielęgnowaniu uwagi, uczenia się i zapamiętywania. Zbiorcze wyniki badań nad uczeniem się i mózgiem potwierdzają korzyści płynące z grafiki. Nauczyciele, którzy używają grafiki w swoim nauczaniu i proszą uczniów o używanie grafiki (np. folie, prezentacje PowerPoint©, demonstracje, rysunki, mapy myśli, organizery graficzne), wykorzystują przetwarzanie informacji wizualnych i są w stanie poprawić uczenie się.

Pozytywny klimat

W sekcji dotyczącej emocji widzieliśmy, że uczenie się przebiega lepiej, gdy uczniowie mają pozytywne nastawienie i czują się emocjonalnie bezpiecznie. I odwrotnie, uczenie się nie jest ułatwione, gdy uczniowie są zestresowani lub niespokojni, na przykład gdy boją się zgłaszać odpowiedzi, ponieważ nauczyciel złości się, jeśli ich odpowiedzi są nieprawidłowe. Badania mózgu potwierdzają pozytywny wpływ, jaki zaangażowanie emocjonalne może mieć na uczenie się i budowanie połączeń synaptycznych. Nauczyciele, którzy tworzą pozytywny klimat w klasie, przekonają się, że problemy z zachowaniem są minimalizowane, a uczniowie bardziej angażują się w naukę.

Neuronauka uczenia się to nauka o związku układu nerwowego z uczeniem się i zachowaniem. Chociaż badania neuronaukowe prowadzone są od wielu lat w medycynie i naukach ścisłych, ostatnio stały się przedmiotem zainteresowania pedagogów ze względu na implikacje dydaktyczne wynikające z ustaleń badawczych. Badania neuronaukowe dotyczą centralnego układu nerwowego (CUN), który obejmuje mózg i rdzeń kręgowy i reguluje dobrowolne zachowanie, oraz autonomicznego układu nerwowego (AUN), który reguluje mimowolne działania.

CUN składa się z miliardów komórek w mózgu i rdzeniu kręgowym. Istnieją dwa główne rodzaje komórek: neurony i komórki glejowe. Neurony wysyłają i odbierają informacje do i z mięśni i narządów. Każdy neuron składa się z ciała komórki, tysięcy krótkich dendrytów i jednego aksonu. Dendryty odbierają informacje od innych komórek; aksony wysyłają wiadomości do komórek. Osłonka mielinowa otacza aksony i ułatwia przesyłanie sygnałów. Aksony kończą się rozgałęzionymi strukturami (synapsami), które łączą się z końcami dendrytów. Neuroprzekaźniki chemiczne na końcach aksonów aktywują lub hamują reakcje w skurczonych dendrytach. Proces ten umożliwia szybkie wysyłanie sygnałów przez struktury nerwowe i ciała. Komórki glejowe wspierają pracę neuronów, usuwając niepotrzebne substancje chemiczne i martwe komórki mózgowe. Komórki glejowe tworzą również osłonkę mielinową.

Mózg dorosłego człowieka (mózgowie) waży około trzech funtów i ma mniej więcej rozmiar melona kantalupa. Jego zewnętrzna tekstura jest pomarszczona. Mózg pokrywa kora mózgowa, cienka warstwa, która jest pomarszczoną istotą szarą mózgu. Zmarszczki pozwalają korze mózgowej mieć więcej neuronów i połączeń nerwowych. Kora mózgowa ma dwie półkule (lewą i prawą), z których każda ma cztery płaty (potyliczny, ciemieniowy, skroniowy, czołowy). Z pewnymi wyjątkami struktura mózgu jest z grubsza symetryczna. Kora mózgowa jest podstawowym obszarem zaangażowanym w uczenie się, pamięć i przetwarzanie informacji sensorycznych. Inne kluczowe obszary mózgu to pień mózgu, twór siatkowaty, móżdżek, wzgórze, podwzgórze, ciało migdałowate, hipokamp, ciało modzelowate, ośrodek Broki i ośrodek Wernickego.

Lewa półkula mózgu zazwyczaj zarządza prawym polem widzenia i odwrotnie. Wiele funkcji mózgu jest w pewnym stopniu zlokalizowanych. Myślenie analityczne wydaje się być skupione w lewej półkuli, podczas gdy przestrzenne, słuchowe, emocjonalne i artystyczne przetwarzanie zachodzi głównie w prawej półkuli. Jednocześnie wiele obszarów mózgu współpracuje ze sobą w celu przetwarzania informacji i regulowania działań. Istnieje wiele powiązań między obiema półkulami, ponieważ są one połączone wiązkami włókien, z których największą jest ciało modzelowate.

Współdziałanie wielu obszarów mózgu jest wyraźnie widoczne w nabywaniu i używaniu języka. Lewa strona kory mózgowej mózgu ma kluczowe znaczenie dla czytania. Określone regiony mózgu są związane z ortograficznym, fonologicznym, semantycznym i syntaktycznym przetwarzaniem wymaganym w czytaniu. Ośrodek Wernickego w lewej półkuli kontroluje rozumienie mowy i używanie poprawnej składni podczas mówienia. Ośrodek Wernickego ściśle współpracuje z ośrodkiem Broki w lewym płacie czołowym, który jest niezbędny do mówienia. Jednak prawa półkula ma kluczowe znaczenie dla interpretacji kontekstu, a tym samym znaczenia większości mowy.

Do prowadzenia badań mózgu wykorzystuje się różne technologie. Należą do nich zdjęcia rentgenowskie, tomografia komputerowa, EEG, PET, MRI i fMRI. Dziedzina badań mózgu szybko się zmienia, a nowe technologie o większym stopniu wyrafinowania będą nadal opracowywane.

Z perspektywy neuronaukowej uczenie się to proces budowania i modyfikowania połączeń i sieci neuronowych (synaptycznych). Wejścia sensoryczne są przetwarzane w częściach mózgu odpowiedzialnych za pamięć sensoryczną; te, które są zachowywane, są przenoszone do pamięci roboczej (WM), która wydaje się znajdować w wielu częściach mózgu, ale przede wszystkim w korze przedczołowej płata czołowego. Następnie informacje mogą być przenoszone do długotrwałej pamięci (LTM). Różne części mózgu są zaangażowane w LTM w zależności od rodzaju informacji (np. deklaratywne, proceduralne). Przy wielokrotnym prezentowaniu bodźców lub informacji sieci neuronowe ulegają wzmocnieniu, dzięki czemu reakcje neuronowe zachodzą szybko. Proces stabilizacji i wzmacniania połączeń synaptycznych jest znany jako konsolidacja, a dzięki konsolidacji zmienia się fizyczna struktura i funkcjonalna organizacja mózgu.

Wpływ na rozwój mózgu mają czynniki genetyczne, stymulacja środowiskowa, odżywianie, steroidy i teratogeny. Podczas rozwoju prenatalnego mózg rośnie pod względem wielkości, struktury i liczby neuronów, komórek glejowych i synaps. Mózg rozwija się szybko u niemowląt; małe dzieci mają złożone połączenia nerwowe. W miarę jak dzieci tracą synapsy mózgowe, te, które zachowują, zależą częściowo od czynności, w które się angażują. Wydaje się, że istnieją okresy krytyczne w ciągu pierwszych kilku lat życia dla rozwoju języka, emocji, funkcji sensomotorycznych, zdolności słuchowych i wzroku. Wczesny rozwój mózgu korzysta z bogatych doświadczeń środowiskowych i emocjonalnych więzi z rodzicami i opiekunami. Ważne zmiany zachodzą również w mózgach nastolatków pod względem wielkości, struktury oraz liczby i organizacji neuronów.

Dwa neuronalne odpowiedniki motywacji obejmują nagrody i stany motywacyjne. Wydaje się, że mózg ma system przetwarzania nagród i wytwarza własne nagrody w postaci opiatów, które skutkują naturalnym hajem. Mózg może być predysponowany do doświadczania i podtrzymywania przyjemnych rezultatów, a sieć przyjemności może być aktywowana przez oczekiwanie nagrody. Stany motywacyjne to złożone połączenia neuronowe, które obejmują emocje, poznanie i zachowania. Kluczem do edukacji jest utrzymanie motywacji do nauki w optymalnym zakresie.

Działanie emocji w CUN jest złożone. Reakcje emocjonalne składają się z etapów, takich jak orientowanie się na zdarzenie, integrowanie zdarzenia, wybór odpowiedzi i podtrzymywanie kontekstu emocjonalnego. Aktywność emocjonalna związana z mózgiem może różnić się w zależności od emocji pierwotnych i kulturowych. Emocje mogą ułatwiać uczenie się, ponieważ kierują uwagę i wpływają na uczenie się i pamięć. Zaangażowanie emocjonalne jest pożądane do uczenia się; ale kiedy emocje stają się zbyt silne, uczenie się poznawcze jest utrudnione.

Ustalenia z badań mózgu potwierdzają wiele wyników uzyskanych w poznawczych badaniach nad uczeniem się i pamięcią. Ważne jest jednak, aby nie uogólniać ustaleń z badań mózgu poprzez etykietowanie uczniów jako prawych lub lewych. Większość zadań uczenia się wymaga aktywności obu półkul, a różnice między funkcjami mózgu są bardziej względne niż absolutne.

Badania mózgu sugerują, że wczesna edukacja ma kluczowe znaczenie, nauczanie powinno uwzględniać złożoność poznawczą dzieci, ocena konkretnych problemów jest niezbędna do planowania właściwych interwencji, a złożone teorie uczenia się lepiej oddają działanie mózgu niż prostsze teorie. Niektóre skuteczne, oparte na mózgu praktyki edukacyjne to uczenie się oparte na problemach, symulacje i odgrywanie ról, aktywne dyskusje, grafika i pozytywny klimat.