Нейронаука (neuroscience) — междисциплинарная область знаний, охватывающая широкий спектр исследований мозга и нейронных процессов: от молекулярных структур, до работы нейронных сетей и мозга в целом, структуры мозга и функционирования нервной системы, связи нервных процессов с общей физиологией и поведением человека. Нейронаука сформировалась, выйдя за рамки нейробиологии и включив в себя методы нейрофизиологии, медицины, фармакологии, генетики.
Исследования взаимосвязей нервной системы с различными аспектами человеческой деятельности позволили включить в нейронауку методы психологии, лингвистики, информатики, когнитивных наук и прийти к формированию множества новых дисциплин, таких как нейропсихология, нейроэтика, нейроинформатика и других и созданию кроссдисциплинарных исследований.
Методы нейронауки
Основа методов нейронауки — нейровизуализация, или фиксация и непосредственная визуализация функционирования различных отделов мозга и других участков нервной системы при определенных состояниях человека и выполнении человеком тех или иных действий:
► магнитно-резонансная томография (МРТ) — способ получения изображений внутренних отделов мозга с использованием ядерного магнитного резонанса;
► функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) — позволяет определить активацию определенной области головного мозга во время его нормального функционирования под влиянием различных физических факторов и при различных состояниях;
► позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — радионуклидный томографический метод исследования внутренних органов человека или животного. Метод основан на регистрации пары гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов с электронами;
► магнитоэнцефалография (МЭГ) — нейровизуализационная технология, используемая для измерения с помощью особо чувствительных устройств тех магнитных полей, которые производит электрическая активность головного мозга;
► электроэнцефалография (ЭЭГ) — метод исследования функционального состояния головного мозга путем регистрации его биоэлектрической активности;
► транскраниальная магнитная стимуляция — технология, благодаря которой можно активизировать или, наоборот, замедлять работу отдельных зон мозга;
► айтрекинг, или окулография (eye tracking, oculography) — технология, отслеживающая движения глаз и позволяющая проследить последовательность, с которой глаза наблюдателя фиксируют различные части рассматриваемого объекта.
Возможности использования разных дисциплин нейронауки в обучении1
|
Дисциплина |
Нейрофизиология (neurophysiology) — раздел физиологии, изучающий функции и взаимодействие нервной системы и нейронов |
Когнитивная нейронаука (cognitive neuroscience) — наука, изучающая связь активности головного мозга и других отделов нервной системы с познавательными процессами и поведением. Особое внимание когнитивная нейронаука уделяет изучению нейронной основы мыслительных процессов |
Нейролингвистика (neuroliiguistics) — научная дисциплина, изучающая систему языка и речевые механизмы мозга |
|
Сфера применения |
Выявление взаимосвязей между физиологическими факторами и процессом обучения |
Изучение влияния внешних факторов и пресуппозиций на мыслительные процессы и принимаемые решения |
Выявление особенностей восприятия устной и письменной речи в разрезе конкретных слов и их сочетаний |
|
Пример |
Эксперименты подтвердили высокую нейропластичность мозга у людей старших возрастов, компенсирующую некоторые возрастные изменения мозга и позволяющую успешнее, чем более молодые испытуемые, решать сложные задачи |
По утверждению нобелевского лауреата Даниэля Канемана (Daniel Kahneman), люди полагаются на ограниченное число эвристических принципов, которые упрощают сложные задачи оценки вероятностей и прогнозирования значений величин до более простых (поверхностных) операций суждения |
С помощью устройства для отслеживания направления взгляда и магнитной томографии исследуется, как человек читает текст или смотрит видео, на что он обращает внимание в первую очередь, какие зоны мозга ответственны за восприятие, узнавание и осознание слов и образов |
|
Направления |
Оптимизация структуры учебного процесса с учетом групповых и индивидуальных особенностей обучающихся |
Выявление индикаторов механизма принятия решений в процессе обучения |
Оптимизация учебного контента с целью максимальной эффективности восприятия обучающимися |
Нейрокомпьютерный интерфейс, НКИ (brain computer interface (BCI)), или нейромашинный интерфейс (mind-machine interface (MMI), brain-machine interface (BMI)), или прямой нейронный интерфейс (direct neural interface (DNI)) — интерфейс, создающий одно- или двустороннюю связь между мозгом человека и электронным устройством.
На основе таких методов нейронауки, как ЭЭГ и айтрекинг, создаются нейрокомпьютерные интерфейсы (НКИ), осуществляющие прямую коммуникацию между мозгом (сознанием) человека и электронным устройством. Иными словами, НКИ позволяет управлять техникой с помощью «силы мысли». Подобные устройства уже используются в медицине (особенно в протезировании). Существуют проекты использования нейрокомпьютерных интерфейсов для обучения.
Нейропластичность (neuroplasticity or neural plasticity) — свойство человеческого мозга изменяться под действием опыта, а также восстанавливать утраченные связи в ответ на внешние воздействия.
Свойство нейропластичности выражается и в том, что процесс обучения приводит к реорганизации сложных мозговых структур.2 Дальнейшее изучение нейропластичности может привести к созданию новых, более эффективных методик обучения.
Александр Романович Лурия (1902–1977) — советский психолог, основатель отечественной нейропсихологии. Впервые доказал, что при травме одной части мозга ее функции могут принимать на себя другие его части. Исследования А.Р. Лурии легли в основу теории нейропластичности. Сформулировал основные принципы динамической локализации психических процессов, изучал роль лобных долей головного мозга в регуляции психических процессов, мозговые механизмы памяти.
Образовательная нейронаука (educational neuroscience), или нейропедагогика (neuropedagogy) — научное направление, объединившее когнитивные науки, нейронауку, педагогическую психологию, методику, дидактику и другие связанные дисциплины для исследования взаимосвязей между физиологическими процессами мозга и обучением.3
Учебные заведения начинают создавать исследовательские центры в области образовательной нейронауки. Например, Центр образовательной нейронауки в Лондоне является совместным проектом Института образования Университетского колледжа Лондона и университета Биркбек.
В рамках образовательной нейронауки создана Международная ассоциация «Сознание, мозг и обучение» (International Mind, Brain, and Education Society, IMBES), с 2016 года выпускающая одноименный журнал.4 В Гарвардской высшей школе педагогических наук открыта магистерская программа «Мышление, мозг и образование».5
Одной из важнейших задач Общества мышления, мозга и образования и в целом образовательной нейронауки является утоление информационного голода преподавателей в области новейших открытий нейронауки и ограничение влияния на обучение «маркетологов от нейронауки», внедряющих продукты на основе нейромифов.
Нейробиология перешла в фазу, когда настало время критически подумать о форме, в которой исследовательская информация предоставляется преподавателям, чтобы она была надлежащим образом интерпретирована для практики, определяя, какие результаты исследований готовы к осуществлению, а какие нет.6
Нейромифы в образовании7
|
Миф |
Реальность |
|
Человек задействует лишь 10% мозга |
Человек всегда задействует весь мозг, просто с разной степенью эффективности |
|
Стили обучения должны соответствовать преобладающим каналам восприятия человека Люди делятся на тех, кто предпочитает смотреть (визуалы), слушать (аудиалы), читать-писать и познавать на ощупь (кинестетики). Следовательно, детей в школе лучше учить по-разному (ныне выделяют несколько десятков стилей) |
Нейробиологических доказательств целесообразности такой типизации нет. Все системы восприятия человека сложным образом взаимосвязаны. Разрастание количества выявляемых «типов обучения» просто демонстрирует, что ко всякому ученику нужен индивидуальный подход |
|
После трех будет поздно К трем годам формируются самые важные системы мозга, в том числе синаптическая. На этом мифе базируются многие маркетинговые стратегии «раннего развития» |
Доказательств существования некоего «критического периода» формирования мозга нейробиология не дает, зато доказано, что новые синаптические связи мозга формируются всю жизнь благодаря свойству нейропластичности |
|
Лево- и правополушарные люди Разные психические способности находятся в ведении разных полушарий, и у разных людей выражено преобладание либо левого, либо правого полушария |
Никакой общей поляризации личности по полушариям нет, полушария постоянно взаимодействуют друг с другом довольно сложным образом |
|
Эмоциональный интеллект Управляя эмоциями, мы можем «продвинуть» наше мышление и даже достичь значительных академических успехов |
Данный миф основан на идее множественного интеллекта американского психолога Говарда Гарднера (Howard Gardner). На данный момент сам Гарднер признает недоказанность своей гипотезы. Никакой корреляции между эмоциональным интеллектом и академическими успехами не обнаружено |
Практические методы организации обучения
На данный момент ученые обладают большим количеством данных о структуре мозга и процессах, которые происходят в голове обучающегося, и стараются выявить четкие корреляции между процессом обучения и физическими изменениями головного мозга.
Сейчас не представляется возможным сделать точные выводы о существовании прямой зависимости между биофизическими изменениями мозга и изменением поведения человека. Тем не менее ряд исследований помогают преподавателям и разработчикам обучающих программ создавать оптимальные условия обучения.
|
Метод |
Почему это важно |
|
Микрообучение |
Человеческий мозг лучше усваивает и сохраняет информацию небольшими порциями. В 2015 году немецкие исследователи отметили, что микрообучение улучшает показатели запоминания среди учащихся на 20%8. Их исследование определило, что при микрообучении учащиеся, отвечая на вопросы, тратят времени на 28% меньше. Кроме того, ученые обнаружили, что человеческий мозг не может удерживать сосредоточенность долгое время. У людей короткий промежуток внимания. Разделение объемной темы на небольшие модули является оптимальным решением. |
|
Использование разных режимов концентрации |
Для эффективного обучения необходимо постоянно ме- нять режимы работы мозга: сфокусированный и расфокусированный. По мнению профессора Барбары Оакли, сфокусированный режим мышления используется для первого знакомства с понятиями и задачами, он применяет сложившиеся паттерны и осознанное обучение. Для полного и обширного понимания контекста необходимо использовать расфокусированное внимание, которое гораздо более свободно и креативно. Следовательно, эффективное обучение подразумевает периодическую смену типа концентрации. Важно найти тонкую грань между погружением в размышления о задаче, когда учащийся изучает формулы и пытается их применять для решения проблемы (сфокусированное состояние), и расфокусированным состоянием, когда сознание находится в покое, например во время перерыва, прогулки или занятия другой задачей.9 |
|
Групповая работа и работа с наставниками |
Исследования утверждают, что публичная практика приучает быстро мыслить и демонстрировать адекватную реакцию в ситуациях стресса, например на экзаменах или во время презентаций.9 Групповая работа и работа с наставниками помогает: ► осознать ошибки в своих рассуждениях; ► оперативно мыслить и корректно реагировать в стрессовых условиях; ► улучшить процесс усвоения знаний. Например, объясняя материал участникам группы, учащийся активно применяет изученный материал, закрепляя свои знания |
|
Активное взаимодействие (мотивирование учащегося на активное взаимодействие с обучающим материалом) |
Необходимо организовывать управляемую рефлексивную деятельность после взаимодействия с каждым блоком информации. Это важно, чтобы у обучающихся было время для осмысления и перекомпоновки своих знаний. Например, после изучения темы учащийся отвечает на вопросы преподавателя, которые направлены на достижение конкретных целей обучения с помощью полученной информации. |
|
Обучение на ошибках |
Ошибка возникает из-за разрыва между тем, что предсказал мозг обучающегося и что на самом деле происходит. Ошибка — это триггер внимания, источник любопытства, вызывающий когнитивные процессы дознания и анализа.10 Обучающимся необходимо понимать, что было правильно или неправильно. Чем больше мы проверяем наши знания, тем больше прогрессируем. Необходимо, чтобы тесты были полностью адаптированы к профилю учащегося. В противном случае мы снижаем его чувство самоэффективности, развиваем стресс и беспокойство, которые негативно влияют на способность обучения. |
|
Консолидация (переход от медленного, сознательного, требующего усилий мыслительного процесса, к быстрой, бессознательной, автоматической мыслительной работе) |
В гиппокампе информация задерживается не очень долго — это кратковременное хранилище. Потом происходит так называемая консолидация памяти: превращение ее из кратковременной в долговременную; при этом информация переходит из гиппокампа в нейронные сети других зон мозга. Про механизмы консолидации известно уже довольно много. Самое главное, что она происходит во сне — для преобразования памяти из кратковременной в долговременную нужны электрические волны, которые возникают во время медленной фазы сна. Если поспать не удалось, то информация, которая попала к гиппокамп, просто исчезнет.11 |
Пример применения нейронауки в обучении
Умный класс Group-a-Ware от NakedMinds Lab
Group-a-Ware — это прототип системы, которая отслеживает процесс обучения и состояние обучающегося, анализирует эмоции и когнитивные процессы и дает обратную связь в режиме реального времени. Система разработана совместно с ООО «Лабиус».
В Group-a-Ware с помощью нейрогарнитуры и биометрических браслетов регистрируются потоки данных, из них вычисляются индексы, соответствующие разным аспектам и характеристикам когнитивной нагрузки и различным психофизиологическим показателям, указывающим на то, как происходит процесс обучения. Эти данные обрабатываются в реальном времени и предъявляются преподавателю вместе с рекомендациями, д ля того чтобы он мог на ходу корректировать программу обучения. Точно так же каждый слушатель получает персональную обратную связь для самостоятельного контроля. Это происходит как по ходу процесса, так и постфактум, в виде отчета.
Источники
-
Cohen G. — ‘’Psychotherapy of the elderly’’ — Psychosomatics 25(6), 1984
-
Skeide M., Kumar U., Mishra R., Tripathi V., Guleria A., Singh J., Eisner F., Huettig F. — ‘’Learning to read alters cortico-subcortical cross-talk in the visual system of illiterates’’ — Science Advances 3(5), 2017
-
Meltzof A., Kuhl P., Movellan J., Sejnowski T. — ‘’Foundations for a New Science of Learning’’ — Science — 325(5938), 2009
-
Harvard Graduate School of Education — ‘’Mind, Brain, and Education: Master’s Program’’, 2017
-
Bransford J., Brown A., Cocking R. — ‘’How people learn: brain, mind, experience, and school (Expanded version) — Washington DC, National Academy of Sciences, Committee on Developments in the Science of Learning and Committee on Learning Research and Educational Practice, 2000
-
Bennett T. — ‘’Separating neuromyths from science in education, 2013
-
Edu-Russian — «Микрообучение - особенности, преимущества и недостатки», 2018
-
Оакли Б. — «Думай как математик: как решать любые задачи быстрее и эффективнее». — Альпина Паблишер, 2015
-
Dehaene S. — ‘’Les Neurones de la lecture. Paris: Éditions Odile Jacob’’, 2007
-
Тонони Д., Чирелли К. — «Убирая лишнее. В мире науки», 2013