Вступ
Обговорення в цьому розділі, що охоплює обробку інформації мозком під час навчання, використовує як систему відліку модель обробки інформації, розглянуту в розділі 5 (див. рисунок 5.1). Обробка інформації мозком під час навчання є складною, і далі розглядаються лише центральні елементи. Читачам, які потребують детальної інформації про навчання та пам'ять з нейрофізіологічної точки зору, слід звернутися до інших джерел (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Rose, 1998; Wolfe, 2001).
Система обробки інформації
Система обробки інформації включає сенсорні регістри, короткочасну (STM) або робочу (WM) пам'ять і довготривалу пам'ять (LTM). Сенсорні регістри отримують вхідні дані та утримують їх протягом частки секунди, після чого вхідні дані відкидаються або направляються до WM. Більшість сенсорних вхідних даних відкидається, оскільки в будь-який момент часу ми піддаємося бомбардуванню численними сенсорними вхідними даними.
Раніше в цьому розділі ми бачили, що всі сенсорні вхідні дані (за винятком запахів) надходять безпосередньо до таламусу, де принаймні частина з них потім надсилається до відповідної частини кори головного мозку для обробки (наприклад, частки мозку, які обробляють відповідну сенсорну інформацію). Але вхідні дані надсилаються не в тій самій формі, в якій вони були отримані; скоріше, вони надсилаються як нейронне “сприйняття” цих вхідних даних. Наприклад, слуховий стимул, отриманий таламусом, буде перетворено на нейронний еквівалент сприйняття цього стимулу. Це сприйняття також відповідає за зіставлення інформації з тим, що вже зберігається в пам'яті, процес, відомий як розпізнавання образів. Таким чином, якщо візуальним стимулом є вчитель у класі, сприйняття, надіслане до кори головного мозку, збігатиметься зі збереженим представленням вчителя, і стимул буде розпізнано.
Частково те, що робить сприйняття значущим, полягає в тому, що ретикулярна активуюча система мозку фільтрує інформацію, щоб виключити тривіальну інформацію та зосередитися на важливому матеріалі (Wolfe, 2001). Цей процес є адаптивним, тому що, якби ми намагалися приділяти увагу кожному вхідному сигналу, ми б ніколи не змогли ні на чому зосередитися. Є кілька факторів, які впливають на це фільтрування. Сприйнята важливість, наприклад, коли вчителі оголошують, що матеріал є важливим (наприклад, буде перевірено), має тенденцію привертати увагу учнів. Новизна привертає увагу; мозок, як правило, зосереджується на вхідних даних, які є новими або відрізняються від того, що можна було б очікувати. Іншим фактором є інтенсивність; стимули, які є голоснішими, яскравішими або більш вираженими, отримують більше уваги. Рух також допомагає зосередити увагу. Хоча ці системи уваги здебільшого працюють несвідомо, можна використовувати ці ідеї, щоб допомогти зосередити увагу учнів у класі, наприклад, за допомогою яскравих і нових візуальних дисплеїв.
Збудження та підтримка уваги учнів
Дослідження когнітивної неврології показують, що різні фактори навколишнього середовища можуть збуджувати та підтримувати увагу людей. Ці фактори включають важливість, новизну, інтенсивність і рух. Плануючи навчання, вчителі можуть визначити способи інтегрувати ці фактори у свої уроки та діяльність учнів.
Важливість:
Кеті Стоун навчає дітей знаходити основні ідеї в абзацах. Вона хоче, щоб діти зосереджувалися на основних ідеях і не відволікалися на цікаві деталі. Діти задають питання: “Про що ця історія здебільшого?”, читають історію і знову задають питання. Потім вони вибирають речення, яке найкраще відповідає на питання. Кеті переглядає інші речення, щоб показати, як вони обговорюють деталі, які можуть підтримувати основну ідею, але не викладають її.
Вчитель середньої школи висвітлює розділ з історії штату. У тексті багато деталей, і вчитель хоче, щоб учні зосередилися на ключових подіях і особах, які допомогли створити історію. Перед висвітленням кожного розділу вчитель дає учням список ключових термінів, який включає події та осіб. Учні повинні написати коротке пояснювальне речення для кожного терміну.
Новизна:
Вчитель п'ятого класу зв'язався з професором ентомології в місцевому університеті, який є експертом з тарганів. Вчителька привела свій клас до його лабораторії. Там учні побачили всі види тарганів. Професор мав різне обладнання, яке дозволяло учням наочно бачити діяльність тарганів, наприклад, як швидко вони можуть бігати і що вони їдять.
Тренер з тенісу в середній школі отримав м'яч-машину, яка вистрілює тенісні м'ячі з різною швидкістю і по різних дугах, які гравці потім намагаються відбити. Замість того, щоб гравці багаторазово відбивали м'ячі, тренер організовує кожне заняття як матч (гравець проти машини) без подач. Якщо гравець може успішно відбити м'яч, випущений з м'яч-машини, то гравець отримує очко; якщо ні, то машина заробляє очко. Рахунок ведеться за стандартним форматом (любов-15-30-40-гра).
Інтенсивність:
Багатьом учням початкової школи важко перегрупуватися при відніманні і неправильно віднімати менше число від більшого в кожному стовпчику. Щоб допомогти виправити цю помилку, вчитель пропонує учням намалювати стрілку від верхнього числа до нижнього числа в кожному стовпчику перед тим, як вони віднімуть. Якщо число зверху менше, учні спочатку малюють стрілку від верхнього числа в сусідньому стовпчику до верхнього числа в стовпчику, з якого віднімають, а потім виконують відповідне перегрупування. Використання стрілок робить порядок операцій більш вираженим.
Джим Маршалл хоче, щоб його учні запам'ятали Геттісбурзьку промову і могли декламувати її з наголосом у ключових місцях. Джим демонструє читання в супроводі інструментальної версії “Бойового гімну республіки” на дуже низькій гучності. Коли він доходить до ключової частини (наприклад, “з народу, народом, для народу”), він використовує мову тіла і рук і підвищує свою інтонацію, щоб підкреслити певні слова.
Рух:
Вивчення птахів і тварин у книгах може бути нудним і не відображає їх типову діяльність. Вчитель початкової школи використовує інтернет-джерела та інтерактивні відео, щоб показати птахів і тварин у їхньому природному середовищі існування. Учні можуть бачити їх типову діяльність, коли вони полюють на їжу та здобич, піклуються про своїх дитинчат і переміщаються з місця на місце.
Джина Браун працює зі своїми стажистами над їхніми рухами під час навчання та роботи з дітьми. Джина пропонує кожному зі своїх студентів потренуватися у проведенні уроку з іншими студентами. Під час навчання вони повинні пересуватися і не просто стояти або сидіти на одному місці в передній частині класу. Якщо вони використовують проектовані зображення, вони повинні відійти від екрану. Потім вона навчає студентів моніторингу роботи на місцях, або як ефективно пересуватися по кімнаті і перевіряти прогрес учнів, коли вони виконують завдання індивідуально або в невеликих групах.
Підсумовуючи, сенсорні вхідні дані обробляються в сенсорних областях пам'яті мозку, і ті, які зберігаються достатньо довго, передаються до WM. WM, здається, знаходиться в декількох частинах мозку, але переважно в префронтальній корі лобової частки (Wolfe, 2001). Як ми побачимо в розділі 5, інформація втрачається з WM протягом декількох секунд, якщо вона не репетирується або не передається до LTM. Для того, щоб інформація збереглася, повинен бути нейронний сигнал; тобто інформація вважається важливою і її потрібно використовувати.
Частини мозку, які в основному залучені до пам'яті та обробки інформації, - це кора і медіальна скронева частка (Wolfe, 2001). Схоже, що мозок обробляє і зберігає спогади в тих самих структурах, які спочатку сприймають і обробляють інформацію. У той же час, конкретні частини мозку, залучені до LTM, різняться в залежності від типу інформації. Проводиться розрізнення між декларативною пам'яттю (факти, визначення, події) і процедурною пам'яттю (процедури, стратегії). Різні частини мозку залучені до використання декларативної та процедурної інформації.
У випадку з декларативною інформацією, сенсорні регістри в корі головного мозку (наприклад, зорові, слухові) отримують вхідні дані і передають їх до гіпокампу і сусідньої медіальної скроневої частки. Вхідні дані реєструються в значною мірою в тому ж форматі, в якому вони з'являються (наприклад, як зоровий або слуховий стимул). Гіпокамп не є кінцевим місцем зберігання; він діє як процесор і транспортер вхідних даних. Як ми побачимо в наступному розділі, вхідні дані, які трапляються частіше, утворюють міцніші нейронні зв'язки. При численних активаціях спогади утворюють нейронні мережі, які міцно вбудовуються в лобову і скроневу кору. Таким чином, LTM для декларативної інформації, здається, знаходиться в лобовій і скроневій корі.
Велика частина процедурної інформації стає автоматизованою, так що процедури можуть бути виконані з невеликою або зовсім без усвідомлення (наприклад, друк, їзда на велосипеді). Початкове процедурне навчання включає префронтальну кору, тім'яну частку і мозочок, які гарантують, що ми свідомо звертаємо увагу на рухи або кроки і що ці рухи або кроки зібрані правильно. З практикою ці області виявляють меншу активність, і інші структури мозку, такі як моторна кора, стають більш залученими (Wolfe, 2001).
Когнітивна неврологія підтримує ідею про те, що багато чого можна навчитися через спостереження (Bandura, 1986). Дослідження показують, що кортикальні ланцюги, залучені до виконання дії, також реагують, коли ми спостерігаємо, як хтось інший виконує цю дію (van Gog, Paas, Marcus, Ayres, & Sweller, 2009).
У випадку з немоторними процедурами (наприклад, розшифровка слів, просте додавання), зорова кора бере активну участь. Повторення фактично може змінити нейронну структуру зорової кори. Ці зміни дозволяють нам швидко розпізнавати візуальні стимули (наприклад, слова, цифри), не обробляючи свідомо їх значення. Як наслідок, багато з цих когнітивних завдань стають рутинними. Свідома обробка інформації (наприклад, зупинка, щоб подумати про те, що означає уривок з тексту) вимагає тривалої активності в інших частинах мозку.
Але що, якщо до вхідних даних неможливо прив'язати жодного значення? Що, якщо вхідна інформація, хоча і вважається важливою (наприклад, коли вчитель каже: “Зверніть увагу”), не може бути пов'язана ні з чим у пам'яті? Ця ситуація вимагає створення нової мережі пам'яті, як буде розглянуто далі.
Мережі пам'яті
При багаторазовому пред'явленні стимулів або інформації нейронні мережі можуть зміцнюватися, так що нейронні реакції відбуваються швидко. З точки зору когнітивної нейронауки, навчання передбачає формування та зміцнення нейронних зв'язків і мереж (синаптичних зв'язків). Це визначення дуже схоже на визначення навчання в сучасних теоріях обробки інформації (наприклад, ACT-R).
Теорія Гебба
Процес, за допомогою якого формуються ці синаптичні зв'язки та мережі, вже багато років є предметом наукових досліджень. Гебб (1949) сформулював нейрофізіологічну теорію навчання, яка підкреслює роль двох коркових структур: клітинних ансамблів і фазових послідовностей. Клітинний ансамбль – це структура, яка включає клітини в корі та підкіркових центрах (Hilgard, 1956). В основному, клітинний ансамбль є нейронним аналогом простої асоціації і формується за допомогою часто повторюваних стимуляцій. Коли відбувається певна стимуляція знову, клітинний ансамбль збуджується. Гебб вважав, що коли клітинний ансамбль збуджується, це сприятиме нейронним реакціям в інших системах, а також моторним реакціям.
Як формуються клітинні ансамблі? Гебб міг лише спекулювати з цього приводу, оскільки в його час технології для дослідження мозкових процесів були обмежені. Гебб вважав, що повторювані стимуляції призводять до росту синаптичних горбків, які збільшують контакт між аксонами та дендритами (Hilgard, 1956). При повторюваних стимуляціях клітинний ансамбль буде активуватися автоматично, що полегшує нейронну обробку.
Фазова послідовність – це серія клітинних ансамблів. Клітинні ансамблі, які стимулюються багаторазово, утворюють патерн або послідовність, яка накладає певну організацію на процес. Наприклад, ми піддаємося впливу численних візуальних стимулів, коли дивимося на обличчя друга. Можна уявити собі численні клітинні ансамблі, кожен з яких охоплює певний аспект обличчя (наприклад, лівий кут лівого ока, низ правого вуха). Багаторазово дивлячись на обличчя друга, ці численні клітинні ансамблі одночасно активуються і з'єднуються, утворюючи скоординовану фазову послідовність, яка впорядковує частини (наприклад, щоб ми не переносили низ правого вуха на лівий кут лівого ока). Фазова послідовність дозволяє осмислено і свідомо сприймати скоординоване ціле.
Нейронні зв'язки
Незважаючи на те, що ідеям Гебба понад 60 років, вони на диво узгоджуються з сучасними поглядами на те, як відбувається навчання і формуються спогади. Як ми побачимо в наступному розділі про розвиток, ми народжуємося з великою кількістю нейронних (синаптичних) зв'язків. Наш досвід потім працює з цією системою. Зв'язки вибираються або ігноруються, зміцнюються або втрачаються. Крім того, зв'язки можуть додаватися і розвиватися завдяки новому досвіду (National Research Council, 2000).
Варто зазначити, що процес формування та зміцнення синаптичних зв'язків (навчання) змінює фізичну структуру мозку та змінює його функціональну організацію (National Research Council, 2000). Навчання конкретних завдань призводить до локалізованих змін у ділянках мозку, відповідних для цього завдання, і ці зміни накладають нову організацію на мозок. Ми схильні думати, що мозок визначає навчання, але насправді існує взаємний зв'язок через «нейропластичність» мозку, або його здатність змінювати свою структуру і функції в результаті досвіду (Begley, 2007).
Хоча дослідження мозку продовжуються з цієї важливої теми, доступна інформація вказує на те, що пам'ять не формується повністю в момент початкового навчання. Швидше, формування пам'яті – це безперервний процес, в якому нейронні зв'язки стабілізуються протягом певного періоду часу (Wolfe, 2001). Процес стабілізації та зміцнення нейронних (синаптичних) зв'язків відомий як консолідація. Гіпокамп, здається, відіграє ключову роль у консолідації, незважаючи на те, що гіпокамп не є місцем зберігання спогадів.
Які фактори покращують консолідацію? Як детально обговорюється в розділі 5, організація, репетиція та розробка є важливими, оскільки вони служать для накладання структури. Дослідження показують, що мозок, далекий від того, щоб бути пасивним приймачем і реєстратором інформації, відіграє активну роль у зберіганні та отриманні інформації (National Research Council, 2000).
Підсумовуючи, здається, що стимули або вхідна інформація активують відповідну частину мозку і кодуються як синаптичні зв'язки. З повторенням ці зв'язки збільшуються в кількості і стають міцнішими, що означає, що вони відбуваються більш автоматично і краще спілкуються один з одним. Навчання змінює конкретні ділянки мозку, залучені до завдань (National Research Council, 2000). Досвід має вирішальне значення для навчання, як досвід з навколишнього середовища (наприклад, візуальні та слухові стимули), так і з власної розумової діяльності (наприклад, думки).
Враховуючи, що мозок накладає певну структуру на вхідну інформацію, важливо, щоб ця структура допомагала полегшити пам'ять. Тоді ми могли б сказати, що простої консолідації та пам'яті недостатньо для гарантування довгострокового навчання. Швидше, навчання повинно відігравати ключову роль, допомагаючи накладати бажану структуру на навчання, на що звернули увагу Емма та Клаудія у вступному сценарії.
Навчання для консолідації
Такі фактори, як організація, репетиція та розробка, допомагають мозку накладати структуру на навчання та сприяють консолідації нейронних зв'язків у пам'яті. Вчителі можуть впроваджувати ці ідеї різними способами.
Організація:
Учні місіс Стандар вивчають Американську революцію. Замість того, щоб просити їх вивчити багато дат, вона створює часову шкалу ключових подій і пояснює, як кожна подія призвела до наступних подій. Таким чином, вона допомагає учням хронологічно організувати ключові події, пов'язуючи їх з подіями, які вони допомогли спричинити.
У своєму курсі статистики у середній школі місіс Конвелл організовує інформацію про нормально розподілені дані, використовуючи нормальну криву. На кривій вона позначає середнє значення та стандартні відхилення вище та нижче середнього. Вона також позначає відсотки площі під частинами кривої, щоб учні могли співвідносити середнє значення та стандартні відхилення з відсотками розподілу. Використання цього візуального організатора є більш значущим для учнів, ніж письмова інформація, що пояснює ці моменти.
Репетиція
Учні містера Луонго з початкової школи покажуть батькам подячну виставу. Учні повинні вивчити свої репліки, а також свої рухи. Він розбиває виставу на підчастини і працює над однією частиною щодня, потім поступово об'єднує частини в довшу послідовність. Таким чином, учні отримують достатньо репетицій, включаючи кілька репетицій всієї вистави.
Містер Гомес змушує своїх учнів дев'ятого класу англійської мови репетирувати зі своїми словниковими словами. Для кожного списку слів учні пишуть слово та визначення, а потім пишуть речення з використанням цього слова. Учні також пишуть короткі есе щотижня, в яких вони намагаються включити принаймні п'ять словникових слів, які вони вивчали цього року. Ця репетиція допомагає будувати мережі пам'яті з правописом, значенням і використанням слів.
Розробка
Розробка – це процес розширення інформації, щоб зробити її значущою. Розробка може допомогти побудувати мережі пам'яті та зв'язати їх з іншими відповідними.
Містер Джексон знає, що учням важко пов'язати пречислення з іншими знаннями. Містер Джексон опитує своїх учнів, щоб визначити їхні інтереси та які інші курси вони відвідують. Потім він пов'язує концепції пречислення з цими інтересами та курсами. Наприклад, для учнів, які вивчають фізику, він пов'язує принципи руху та гравітації з конічними перетинами (наприклад, параболами) та квадратними рівняннями.
Учні середньої школи місіс Кей періодично працюють над розділом, що включає критичне мислення з питань особистої відповідальності. Учні читають віньєтки, а потім обговорюють їх. Замість того, щоб дозволити їм просто погоджуватися або не погоджуватися з вибором персонажа, вона змушує їх розробляти, відповідаючи на такі питання, як: Як цей вибір вплинув на інших людей? Якими могли б бути наслідки, якби персонаж зробив інший вибір? Що б ви зробили і чому?
Вивчення мови
Взаємодія численних мозкових структур і синаптичних зв'язків чітко простежується у вивченні мови, особливо в читанні. Хоча сучасні технології дозволяють дослідникам вивчати функціонування мозку в реальному часі, коли люди набувають і використовують мовні навички, більшість досліджень мозку щодо засвоєння та використання мови проводилися на людях, які перенесли травми мозку та відчули певний ступінь втрати мови. Такі дослідження інформативні щодо того, які функції уражаються травмою певних ділянок мозку, але вони не стосуються засвоєння та використання мови в мозку дітей, що розвивається.
Дослідження травм головного мозку показали, що ліва сторона кори головного мозку має центральне значення для читання, і що задні (задні) коркові асоціативні ділянки лівої півкулі мають вирішальне значення для розуміння та використання мови та для нормального читання (Vellutino & Denckla, 1996). Дисфункції читання часто є симптомами уражень лівої задньої кори. Розтини мозку підлітків і молодих людей з історією труднощів у читанні виявили структурні аномалії в лівій півкулі. Дисфункції читання також іноді пов'язані з ураженнями мозку в передніх (лобових) частках—ділянці, яка контролює мовлення—хоча докази набагато сильніше пов'язують це з аномаліями задньої частки. Оскільки ці результати отримані з досліджень людей, які вміли читати (різною мірою), а потім втратили частину або всю здатність, ми можемо зробити висновок, що переважно лівосторонні ділянки мозку, пов'язані з мовою та мовленням, мають вирішальне значення для підтримки читання.
Важливо пам'ятати, однак, що не існує єдиної центральної ділянки мозку, залученої до читання. Скоріше, різні аспекти читання (наприклад, ідентифікація літер і слів, синтаксис, семантика) залучають багато локалізованих і спеціалізованих мозкових структур і синаптичних зв'язків, які необхідно координувати для успішного читання (Vellutino & Denckla, 1996). У розділі, що йде далі, розглядається, як ці взаємозв'язки, здається, розвиваються у нормальних читачів і в тих, хто має проблеми з читанням. Ідея полягає в тому, що для узгодженого читання потрібне формування нейронних ансамблів, або сукупностей нейронних груп, які утворили синаптичні зв'язки одна з одною (Byrnes, 2001). Нейронні ансамблі концептуально схожі на клітинні ансамблі Гебба та фазові послідовності.
Результати нейронаукових досліджень показують, що певні ділянки мозку пов'язані з орфографічною, фонологічною, семантичною та синтаксичною обробкою, необхідною для читання (Byrnes, 2001). Орфографічна (наприклад, літери, символи) обробка значною мірою залежить від первинної зорової ділянки. Фонологічна обробка (наприклад, фонеми, склади) пов'язана з верхніми скроневими частками. Семантична обробка (наприклад, значення) пов'язана з зоною Брока у лобовій частці та ділянками в медіальній (середній) скроневій частці в лівій півкулі. Синтаксична обробка (наприклад, структура речення) також, здається, відбувається в зоні Брока.
Раніше ми відзначали дві ключові області мозку, залучені до мови. Зона Брока відіграє важливу роль у створенні граматично правильної мови. Зона Верніке (розташована в лівій скроневій частці під латеральною щілиною) має вирішальне значення для правильного вибору слів і дикції. Особи з дефіцитом у зоні Верніке можуть використовувати неправильне слово, але близьке за значенням (наприклад, сказати «ніж», коли мали на увазі «виделка»).
Мова та читання вимагають координації різних ділянок мозку. Така координація відбувається через пучки нервових волокон, які з'єднують мовні ділянки один з одним та з іншими частинами кори головного мозку з обох боків мозку (Geschwind, 1998). Мозолисте тіло є найбільшою колекцією таких волокон, але є й інші. Пошкодження або руйнування цих волокон перешкоджає спілкуванню в мозку, необхідному для належного функціонування мови, що може призвести до мовного розладу. Дослідники мозку вивчають, як працюють дисфункції та які функції мозку продовжують діяти за наявності пошкоджень.
Ця тема розглядається далі в наступному розділі, оскільки вона тісно пов'язана з розвитком мозку. Для педагогів важливо знати, як розвивається мозок, оскільки зміни, пов'язані з розвитком, необхідно враховувати при плануванні навчання, щоб забезпечити навчання студентів.