Нейронаука навчання: застосування в навчанні

В останні кілька років спостерігається сплеск інтересу до нейрофізіологічних досліджень, які вивчають розвиток і функціонування мозку. Багато освітян з цікавістю розглядають дослідження мозку, оскільки вважають, що вони можуть запропонувати способи зробити навчальні матеріали та інструкції сумісними з тим, як діти обробляють інформацію та навчаються.

На жаль, історія поведінкових наук відображає розрив між дослідженнями мозку та теоріями навчання. Дослідження мозку та поведінки не є новими; згадайте нейрофізіологічну теорію Гебба (1949), розглянуту раніше в цьому розділі. Теоретики навчання в різних традиціях, визнаючи важливість досліджень мозку, як правило, формулювали та перевіряли теорії незалежно від результатів досліджень мозку.

Ця ситуація явно змінюється. Дослідники в галузі освіти все більше вірять, що розуміння процесів мозку дає додаткове уявлення про природу навчання та розвитку (Byrnes & Fox, 1998). Дійсно, деякі когнітивні пояснення навчання (наприклад, активація інформації в пам'яті, передача інформації з короткочасної пам'яті в довготривалу пам'ять) включають процеси ЦНС, і психологія мозку почала пояснювати операції, пов'язані з навчанням і пам'яттю. Результати досліджень мозку фактично підтверджують багато результатів, отриманих у дослідницьких дослідженнях навчання та пам'яті (Byrnes, 2001; Byrnes & Fox, 1998).

Прикро, що деякі педагоги надмірно узагальнили результати досліджень мозку, щоб зробити необґрунтовані навчальні рекомендації. Хоча функції мозку певною мірою локалізовані, існує багато доказів того, що завдання вимагають активності обох півкуль і що їхні відмінності є більш відносними, ніж абсолютними (Byrnes & Fox, 1998). Ідентифікація “правопівкульних” і “лівопівкульних” учнів зазвичай базується на неформальних спостереженнях, а не на науково обґрунтованих і надійних заходах та інструментах. У результаті деякі освітні методи використовуються з учнями не через доведені ефекти на навчання, а скоріше тому, що вони, імовірно, використовують передбачувані переваги мозку учнів.

Освітні питання, що стосуються досліджень мозку.

• Роль ранньої освіти
• Складність когнітивних процесів
• Діагностика конкретних труднощів
• Багатогранність навчання

Дослідження мозку, і зокрема дослідження ЦНС, піднімають багато питань, що стосуються освіти. Щодо змін у розвитку, одне з питань стосується критичної ролі ранньої освіти. Той факт, що мозок дітей надзвичайно щільний, свідчить про те, що більша кількість нейронів не обов'язково є кращою. Ймовірно, існує оптимальний стан функціонування, в якому мозок має “правильну” кількість нейронів і синапсів—ні занадто багато, ні занадто мало. Фізичний, емоційний і когнітивний розвиток передбачає наближення мозку до його оптимального стану. Нетиповий розвиток—що призводить до порушень розвитку—може статися через те, що цей процес скорочення не відбувається нормально.

Цей процес формування і моделювання в мозку свідчить про те, що рання дитяча освіта є надзвичайно важливою. Періоди розвитку в дитинстві та дошкільному віці можуть закласти основу для набуття компетенцій, необхідних для успішного навчання в школі (Byrnes & Fox, 1998). Було доведено, що програми раннього втручання (наприклад, Head Start) покращують готовність дітей до школи та навчання, і багато штатів впровадили програми дошкільної освіти. Дослідження мозку виправдовують цей акцент на ранній освіті.

Друге питання стосується ідеї про те, що інструкції та навчальний досвід повинні бути сплановані з урахуванням складності когнітивних процесів, таких як увага та пам'ять. Нейронаукові дослідження показали, що увага не є єдиним процесом, а скоріше включає багато компонентів (наприклад, попередження про зміну в поточному стані, локалізація джерела зміни). Пам'ять так само диференційована на типи, такі як декларативна та процедурна. Це означає, що педагоги не можуть припускати, що певна навчальна техніка “привертає увагу учнів” або “допомагає їм запам'ятати”. Швидше, ми повинні бути більш конкретними щодо того, до яких аспектів уваги звертатиметься навчання і який конкретний тип пам'яті розглядається.

Третє питання стосується усунення труднощів учнів у навчанні. Дослідження мозку показують, що ключем до виправлення недоліків у конкретному предметі є визначення того, з якими аспектами предмета учень відчуває труднощі, а потім конкретно вирішувати ці питання. Математика, наприклад, включає багато підкомпонентів, таких як розуміння письмових чисел і символів, відтворення фактів і здатність писати числа. Читання включає орфографічні, фонологічні, семантичні та синтаксичні процеси. Сказати, що хтось погано читає, не означає діагностувати, в чому полягає складність. Тільки точно налаштовані оцінки можуть зробити цю ідентифікацію, і тоді може бути впроваджена корекційна процедура, яка вирішить конкретний недолік. Загальна програма читання, яка охоплює всі аспекти читання (наприклад, ідентифікація слів, значення слів), аналогічна загальному антибіотику, який дають хворому; це може бути не найкраща терапія. Здається, з освітньої точки зору вигідно пропонувати корекційне навчання в тих областях, які найбільше потребують корекції. Наприклад, інструктаж щодо когнітивних стратегій щодо слабких сторін дітей можна поєднати з традиційним навчанням читанню (Katzir & Paré-Blagoev, 2006).

Останнє питання стосується складності теорій навчання. Дослідження мозку показали, що багатогранні теорії навчання, здається, краще відображають фактичний стан речей, ніж ощадливі моделі. У функціях мозку існує велика надмірність, що пояснює поширений висновок, що коли область мозку, яка, як відомо, пов'язана з певною функцією, травмована, функція може не зникнути повністю (ще одна причина, чому розрізнення “правого мозку” і “лівого мозку” не має великої довіри). З часом теорії навчання стали більш складними. Класичні та оперантні теорії кондиціонування набагато простіші, ніж соціальна когнітивна теорія, теорія обробки когнітивної інформації та конструктивістська теорія. Ці останні теорії краще відображають реальність мозку. Це свідчить про те, що педагоги повинні прийняти складність шкільного навчального середовища та досліджувати способи координації багатьох аспектів середовища для покращення навчання студентів.

Цей розділ пропонує деякі конкретні освітні практики, які сприяють навчанню та підтверджуються дослідженнями мозку. Бірнс (2001) стверджував, що дослідження мозку є актуальними для психології та освіти тією мірою, якою вони допомагають психологам та освітянам розвинути чіткіше розуміння навчання, розвитку та мотивації; тобто, це актуально, коли це допомагає підтвердити існуючі прогнози теорій навчання.

Проблемно-орієнтоване навчання

Проблемно-орієнтоване навчання є ефективним методом навчання. Проблемно-орієнтоване навчання залучає студентів до навчання та допомагає їх мотивувати. Коли студенти працюють у групах, вони також можуть покращити свої навички спільного навчання. Проблемно-орієнтоване навчання вимагає від студентів творчого мислення та застосування своїх знань унікальними способами. Це особливо корисно для проектів, які не мають єдиного правильного рішення.

Освітні практики, підтверджені дослідженнями мозку.

• Проблемно-орієнтоване навчання
• Симуляції та рольові ігри
• Активні дискусії
• Графіка
• Позитивний клімат

Ефективність проблемно-орієнтованого навчання підтверджується дослідженнями мозку. Завдяки численним зв'язкам, людський мозок налаштований на вирішення проблем (Jensen, 2005). Студенти, які співпрацюють для вирішення проблем, усвідомлюють нові способи використання та поєднання знань, що формує нові синаптичні зв'язки. Крім того, проблемно-орієнтоване навчання, ймовірно, звернеться до мотивації студентів і викличе емоційну залученість, що також може створити більш розгалужені нейронні мережі.

Симуляції та рольові ігри

Симуляції та рольові ігри мають багато тих самих переваг, що й проблемно-орієнтоване навчання. Симуляції можуть відбуватися за допомогою комп'ютерів, у звичайному класі або в спеціальних умовах (наприклад, у музеях). Рольові ігри - це форма моделювання, де студенти спостерігають за іншими. Як симуляції, так і рольові ігри надають студентам можливості навчання, які зазвичай недоступні. Ці методи мають мотиваційні переваги та привертають увагу студентів. Вони дозволяють студентам активно взаємодіяти з матеріалом та емоційно інвестувати в нього. У сукупності ці переваги допомагають сприяти навчанню.

Активні дискусії

Багато тем добре піддаються обговоренню студентами. Студенти, які беруть участь у дискусії, змушені брати участь; вони не можуть бути пасивними спостерігачами. Цей підвищений рівень когнітивної та емоційної залученості призводить до кращого навчання. Крім того, беручи участь у дискусіях, студенти знайомляться з новими ідеями та інтегрують їх зі своїми поточними концепціями. Ця когнітивна діяльність допомагає будувати синаптичні зв'язки та нові способи використання інформації.

Графіка

Людське тіло структуроване таким чином, що ми отримуємо більше інформації візуально, ніж через усі інші органи чуття (Wolfe, 2001). Візуальні дисплеї допомагають сприяти увазі, навчанню та запам'ятовуванню. Сукупні результати досліджень навчання та мозку підтверджують переваги графіки. Вчителі, які використовують графіку у своєму викладанні та змушують студентів використовувати графіку (наприклад, прозорі плівки, презентації PowerPoint©, демонстрації, малюнки, концептуальні карти, графічні організатори), використовують візуальну обробку інформації та, ймовірно, покращать навчання.

Позитивний клімат

У розділі про емоції ми бачили, що навчання відбувається краще, коли студенти мають позитивне ставлення та почуваються емоційно захищеними. І навпаки, навчання не полегшується, коли студенти перебувають у стресовому або тривожному стані, наприклад, коли вони бояться висловлювати відповіді, тому що вчитель гнівається, якщо їхні відповіді неправильні. Дослідження мозку підтверджують позитивний вплив емоційної залученості на навчання та побудову синаптичних зв'язків. Вчителі, які створюють позитивний клімат у класі, виявлять, що проблеми з поведінкою зведені до мінімуму і що студенти стають більш зацікавленими в навчанні.

Нейронаука навчання – це наука про зв'язок нервової системи з навчанням і поведінкою. Хоча нейронаукові дослідження проводилися протягом кількох років у медицині та науках, нещодавно вони стали цікавими для освітян через навчальні наслідки результатів досліджень. Нейронаукові дослідження стосуються центральної нервової системи (ЦНС), яка включає головний і спинний мозок і регулює довільну поведінку, і автономної нервової системи (АНС), яка регулює мимовільні дії.

ЦНС складається з мільярдів клітин у головному та спинному мозку. Існує два основних типи клітин: нейрони та гліальні клітини. Нейрони надсилають і отримують інформацію через м'язи та органи. Кожен нейрон складається з тіла клітини, тисяч коротких дендритів і одного аксона. Дендрити отримують інформацію від інших клітин; аксони надсилають повідомлення клітинам. Мієлінова оболонка оточує аксони та полегшує передавання сигналів. Аксони закінчуються розгалуженими структурами (синапсами), які з'єднуються з кінцями дендритів. Хімічні нейротрансмітери на кінцях аксонів активують або пригнічують реакції в скорочених дендритах. Цей процес дозволяє швидко надсилати сигнали через нейронні та тілесні структури. Гліальні клітини підтримують роботу нейронів, видаляючи непотрібні хімічні речовини та мертві клітини мозку. Гліальні клітини також утворюють мієлінову оболонку.

Вага людського мозку дорослої людини (головного мозку) становить близько трьох фунтів, а розмір – приблизно як у дині. Його зовнішня текстура зморшкувата. Мозок покритий корою головного мозку, тонким шаром, який є зморшкуватою сірою речовиною мозку. Зморшки дозволяють корі мати більше нейронів і нейронних зв'язків. Кора має дві півкулі (ліву та праву), кожна з яких має чотири частки (потиличну, тім'яну, скроневу, лобову). За деякими винятками, структура мозку приблизно симетрична. Кора є основною областю, залученою до навчання, пам'яті та обробки сенсорної інформації. Деякі інші ключові області мозку: стовбур мозку, ретикулярна формація, мозочок, таламус, гіпоталамус, амігдала, гіпокамп, мозолисте тіло, зона Брока та зона Верніке.

Ліва півкуля мозку зазвичай керує правим візуальним полем, і навпаки. Багато функцій мозку певною мірою локалізовані. Аналітичне мислення, здається, зосереджене в лівій півкулі, тоді як просторова, слухова, емоційна та художня обробка відбувається переважно в правій півкулі. У той же час багато ділянок мозку працюють разом для обробки інформації та регулювання дій. Існує великий перетин між двома півкулями, оскільки вони з'єднані пучками волокон, найбільшим з яких є мозолисте тіло.

Спільна робота кількох ділянок мозку чітко простежується в процесі оволодіння та використання мови. Ліва сторона кори головного мозку має центральне значення для читання. Певні ділянки мозку пов'язані з орфографічною, фонологічною, семантичною та синтаксичною обробкою, необхідною для читання. Зона Верніке в лівій півкулі контролює розуміння мовлення та використання правильного синтаксису під час розмови. Зона Верніке тісно співпрацює з зоною Брока в лівій лобовій частці, яка необхідна для мовлення. Однак права півкуля має вирішальне значення для інтерпретації контексту і, отже, значення більшої частини мовлення.

Для проведення досліджень мозку використовуються різні технології. До них належать рентгенівські промені, КТ, ЕЕГ, ПЕТ, МРТ та фМРТ. Галузь дослідження мозку швидко змінюється, і будуть продовжувати розроблятися нові технології більшої складності.

З нейронаукової точки зору, навчання – це процес побудови та зміни нейронних (синаптичних) зв'язків і мереж. Сенсорні вхідні дані обробляються в сенсорних пам'ятних частинах мозку; ті, що зберігаються, передаються в робочу пам'ять, яка, здається, знаходиться в кількох частинах мозку, але переважно в префронтальній корі лобової частки. Потім інформація може бути передана в довготривалу пам'ять. Різні частини мозку залучені в довготривалу пам'ять залежно від типу інформації (наприклад, декларативна, процедурна). При повторних презентаціях стимулів або інформації нейронні мережі зміцнюються, так що нейронні реакції відбуваються швидко. Процес стабілізації та зміцнення синаптичних зв'язків відомий як консолідація, і завдяки консолідації змінюється фізична структура та функціональна організація мозку.

Впливовими факторами на розвиток мозку є генетика, стимуляція навколишнього середовища, харчування, стероїди та тератогени. Під час пренатального розвитку мозок росте в розмірах, структурі та кількості нейронів, гліальних клітин і синапсів. Мозок швидко розвивається у немовлят; маленькі діти мають складні нейронні зв'язки. Оскільки діти втрачають синапси мозку, ті, які вони зберігають, частково залежать від діяльності, якою вони займаються. Здається, існують критичні періоди протягом перших кількох років життя для розвитку мови, емоцій, сенсорних рухових функцій, слухових здібностей і зору. Ранній розвиток мозку виграє від багатого досвіду навколишнього середовища та емоційного зв'язку з батьками та опікунами. Основні зміни також відбуваються в мозку підлітків у розмірі, структурі, кількості та організації нейронів.

Двома нейронними відповідниками мотивації є винагороди та мотиваційні стани. Здається, що мозок має систему для обробки винагород і виробляє власні винагороди у вигляді опіатів, які призводять до природного сп'яніння. Мозок може бути схильним до переживання та підтримки приємних результатів, і мережа задоволення може бути активована очікуванням винагороди. Мотиваційні стани – це складні нейронні зв'язки, які включають емоції, пізнання та поведінку. Ключем до освіти є підтримка мотивації до навчання в оптимальному діапазоні.

Функціонування емоцій у ЦНС є складним. Емоційні реакції складаються з етапів, таких як орієнтація на подію, інтеграція події, вибір реакції та підтримка емоційного контексту. Емоційна активність, пов'язана з мозком, може відрізнятися для первинних та культурно обумовлених емоцій. Емоції можуть полегшити навчання, оскільки вони спрямовують увагу та впливають на навчання та пам'ять. Емоційна залученість бажана для навчання; але коли емоції стають занадто сильними, когнітивне навчання ускладнюється.

Результати досліджень мозку підтверджують багато результатів, отриманих у когнітивних дослідженнях навчання та пам'яті. Але важливо не узагальнювати результати досліджень мозку, маркуючи учнів як право- або лівопівкульних. Більшість навчальних завдань вимагають активності обох півкуль, і відмінності між функціями мозку є більш відносними, ніж абсолютними.

Дослідження мозку показують, що рання освіта має вирішальне значення, навчання має враховувати когнітивні складнощі дітей, оцінка конкретних проблем необхідна для планування належних втручань, а складні теорії навчання краще відображають роботу мозку, ніж простіші теорії. Деякі ефективні освітні практики, засновані на роботі мозку, – це проблемне навчання, моделювання та рольові ігри, активні дискусії, графіка та позитивний клімат.