Физиологические основы дидактики

В результате изучения главы студент должен:

знать

• • физиологическую природу процесса научения;
• • основные органы головного мозга, играющие главную роль в процессах научения;
• • трактовку принципа функционального полиморфизма;
• • основные физиологические механизмы обучения;
• • основные характеристики пассивного, оперантного, обсервационного обучения и инсайта;
• • типологические особенности обучения, связанные с темпераментом, генотипом и фенотипом;

уметь

• • различать функционально-познавательную специализацию основных структур и зон головного мозга;
• • описывать действия физиологических механизмов обучения: ассоциаций, условного рефлекса, динамического стереотипа;

владеть

• • классификацией видов научения по различным функциональным состояниям;
• • дидактическим подходом к описанию проявлений функциональной асимметрии мозга в обучении.

Процесс образования есть, прежде всего, процесс преобразования человека. И в связи с этим нужно всегда иметь в виду, что сам человек представляет собой живое природное существо и его развитие, обучение и становление во многом обусловлено биологическими законами строения и функционирования организма. Ведущую роль в этом функционировании играет высшая нервная деятельность, которая большей частью связана со строением и активностью головного мозга.

Исследования в области физиологии показывают, что на уровне организма научение может выступать как сложноорганизованная адаптационно-развивающая функция существования живой субстанции в целом. Так, экспериментальные работы в области нейрофизиологии показали, что на ранних стадиях усвоения навыка мозг работает намного интенсивнее, чем при выполнении этого навыка на более продвинутом уровне. Мозг, который уже «научился», использует меньшее число нейронов или комбинаций нейронов, тогда как в процессе научения мозг, очевидно, задействует более протяженные либо малоэффективные цепочки нейронов.

В начале XX в. обучение впервые начали изучать с помощью физиологических методов, и сейчас оно стало одной из наиболее обширных областей исследования физиологии высшей нервной деятельности и других разделов нейробиологии (нейроморфологии, нейрохимии, этологии, нейрокибернетики и др.).

Изучение закономерностей разных форм обучения и их физиологических механизмов включает выяснение фундаментальных принципов функционирования нервной системы. Понимание этих принципов дает представление о формировании индивидуальных адаптаций, о вкладе конкретных структур и нейронных цепей мозга в процессы приобретения нового опыта, а также о природе пластичности нервных клеток, лежащей в основе высших нервных функций.

В настоящее время открываются значительные возможности для исследования нейрофизиологических основ обучения. Это связано с развитием микроэлектродной техники, методов биохимии, электронной микроскопии и других современных методических средств выявления различных видов обучения и памяти. Результаты исследований показывают, что разные формы обучения представляют собой итог системной деятельности нейронов многих структур центральной нервной системы (ЦНС). При этом единого центра или отдельной структуры мозга, ответственной за эти функции, не существует.

В физиологической науке описание высшей нервной деятельности строится на выделении механизмов различных уровней организации мозговых процессов — системного, клеточного и молекулярного. Исследования показали, что небольшая группа нервных клеток в коре больших полушарий способна при определенных локальных воздействиях интегрироваться в целостную микросистему, проявляющую ряд основных свойств ассоциативного обучения и привыкания. Полученные данные позволяют рассматривать локальные микросети нейронов в качестве потенциальных модулей обучения и памяти на основе выделения особого, микросистемного уровня интегративных нервных процессов.

Основной единицей нервной системы является нейрон, или нервная клетка. В мозге содержится приблизительно 100 млрд этих имеющих особое значение клеток. По расчетам нейрофизиолога Р. Томпсона, количество возможных взаимосвязей между всеми нейронами одного человеческого мозга превышает общее количество атомов в познанной Вселенной. Основной функцией нейрона является переработка и передача информации. По оценкам Дж. Андерсона, каждый нейрон обладает перерабатывающей способностью компьютера, а вычислительная мощность всех нейронов мозга при их совместном функционировании превышает вычислительную мощность всех компьютеров в мире.

По морфологической локализации ведущим органом, отвечающим за организацию и функционирование всей сложной системы действий и процессов научения организма, выступает человеческий мозг.

Из данных физиологии известно, что в большой мозг входят органы, играющие главную роль в процессах мышления и научения. Среди них физиологи выделяют таламус (ретрансляционная станция для сенсорных нервных импульсов) и гипоталамус, оказывающий влияние на мотивационную и эмоциональную сферы. Кора большого мозга отвечает за процессы высшего уровня нервной деятельности; она разделена на левое и правое полушария и четыре основные доли. Наблюдается определенная специализация каждой доли: лобная доля отвечает за двигательные и речевые функции, теменная доля — за интероцептивные ощущения (идущие от внутренних органов), височная доля — за слух и память, а затылочная доля — за зрительное восприятие. Зона Вернике и поля Брока отвечают за речевые функции. Мозжечок служит для объединения информации о движениях и пространственном положении тела. Сложность строения и функционирования мозга настолько невероятна и масштабна, что до сих пор представляет серьезную загадку для науки. Отмеченные зоны мозга схематически обозначены на рис. 2.1, представляющем его разрез с левой стороны (височная доля и слуховая зона коры видны только с правой стороны).

Рис. 2.1. Схема человеческого мозга с обозначением основных структур и зон.

Фундаментальным свойством человеческого мозга выступает его структурная и функциональная многоликость, т. е. способность представлять собой множество в едином. В этом состоит суть одного из основных принципов ЦНС, который в современных исследованиях трактуется как принцип функционального полиморфизма. Согласно данному принципу каждому виду деятельности соответствуют целостные качественные специфические состояния мозга, системно охватывающие обширные структуры межнейронных отношений. Эти изменения проявляются как в показателях активности, реактивности и взаимодействия нервных клеток в любом пункте мозга, так и в показателях разного уровня функционирования организма.

Установлено, что в процессе научения происходят различные изменения в ЦНС. Во-первых, отмечаются изменения в самом мозге, во-вторых, происходят изменения на нейронном уровне и, в-третьих, наблюдаются изменения в функциях различных структур мозга. При этом важно, что изменения эти носят целостный характер, т. е. охватывают все три уровня. Изменения на нейронном уровне проявляются с точки зрения электрической активности нейронов, выделения нейромедиаторов в области синапсов. Выявлено также, что с научением и мнемонической деятельностью (запоминанием) связаны изменения в лобных и затылочных долях, гиппокампе и миндалевидном теле.

Открытие взаимосвязи целостных специфических состояний мозга с определенным видом деятельности базируется на фундаментальной научной традиции исследования функционирования нервной системы и мозговых механизмов обучения и памяти. К их числу относятся представления И. П. Павлова и его школы об определяющей роли состояния (тонуса) коры больших полушарий для формирования условных рефлексов, концепция А. А. Ухтомского о доминанте и состояниях мозга, представления классиков нейрофизиологии К. Шеррингтона и Р. Магнуса о реактивности нервных структур как функции состояния нервной системы, учение ?. П. Бехтеревой о локальных нейронных цепях головного мозга, положения А. Р. Лурии о нейропсихологических основах памяти и путях ее восстановления, теоретические разработки психологов Р. Вудвортса, Д. Хебба, Д. Н. Узнадзе и других об опосредующих мозговых процессах, связанных с готовностью получения стимула и совершения действия, представления П. К. Анохина о функциональных системах, К. Прибрама о голографическом принципе организации мозга, а также Дж. Эделмена и В. Маунткастла о механизмах высших нервных функций мозга.

Исходным моментом понимания физиологических механизмов обучения выступает идущая от Аристотеля ассоциативная теория. Ассоциация (буквально — связь, соединение) отражает фундаментальный принцип работы ЦНС, впервые научно разработанный в трудах И. М. Сеченова и И. П. Павлова, и означает принцип временной связи в коре головного мозга различных впечатлений, реакций, действий. Согласно русской физиологической школе, ассоциация трактуется как связь между рефлексами. Так, по И. М. Сеченову, это процесс «сливания» рефлексов в последовательный ряд, а в учении И. П. Павлова в содержании ассоциаций открывается совершенно особый класс проявлений работы коры головного мозга — условные рефлексы.

Условные рефлексы — это индивидуально приобретенная реакция организма на ранее индифферентный раздражитель, воспроизводящая безусловный рефлекс, который возникает на непосредственные сенсорные признаки раздражителя. Условно-рефлекторная связь, в противоположность безусловно-рефлекторной, не является врожденной и образуется в результате обучения.

В случае объединения двух и более условных рефлексов формируются условные цепные рефлексы, представляющие собой сложную цепь временных связей, когда конец одного рефлекса запускает следующий рефлекс. Данный феномен получил в учении И. П. Павлова название динамического стереотипа. Это процесс, который может протекать при отсутствии непосредственной связи с безусловной реакцией. Это процесс синтеза разнообразных цепных рефлексов, который составляет основу человеческих навыков (речевых, профессиональных, спортивных и т. п.). Например, в основе процесса образования слов, понятий, т. е. речевых временных связей, лежит механизм формирования сложной цепи условных рефлексов.

В русле исследований физиологии функциональных состояний отмечается несколько классификаций научения. Так, по критерию активности человека в ходе научения В. М. Смирнов выделяет четыре основные группы: а) пассивное (реактивное) научение; б) оперантное (operatio — действие); в) научение с помощью наблюдения; г) инсайт.

Пассивное (реактивное) научение проявляется в следующих формах: привыкание, сенсибилизация, импритинг и условный рефлекс. Оно имеет место во всех случаях, когда организм пассивно, не прилагая целенаправленных усилий, реагирует на какие-то внешние факторы и когда в нервной системе формируются новые следы памяти.

Привыкание заключается в угасании ориентировочной реакции (рефлекса «что такое?», по И. П. Павлову). Если раздражитель многократно повторяется и не имеет значения для организма, последний прекращает на него реагировать, развивается привыкание (габитуация). Ориентировочная реакция угасает. Так, человек, живущий на шумной городской улице, не обращает внимания на шум транспорта ночью и крепко спит. Привыкание — это не только самая простая, но и самая распространенная форма научения человека и животных. За счет него нам удается игнорировать раздражители, не несущие никакой новизны и не имеющие для нас никого значения, сосредоточивая внимание на более важных явлениях. Привыкание — это не утомление, а особый приспособительный нервный процесс. Его не следует путать с адаптацией анализаторов, т. е. снижением их чувствительности при непрерывной стимуляции.

Сенсибилизация — усиление реакции организма на повторяющийся стимул, если он вызывает каждый раз неприятные ощущения. Например, капание воды из крана, жужжание назойливой мухи или пронзительный писк комара, многократно повторяющиеся, становятся непереносимыми, неприятными. В данном случае научение носит негативный характер и выражается в соответствующих поведенческих реакциях типа: стимул — ответ (после нескольких повторений действия раздражителя).

Импритинг — запечатление (впечатывание) в памяти элементов и связей окружающей действительности в готовом целостном виде без их предварительной внутренней переработки. Это особая форма ассоциативного научения, основанная на врожденной предрасположенности к определенным сочетаниям раздражителей и возникающих ответных реакций в ранний период развития организма. Данный механизм был выявлен этологами в экспериментах с животными. Так, австрийский этолог К. Лоренц, изучая гусят, установил, что первый движущийся объект, с которым встречались гусята в момент вылупления, запечатляется у них в качестве матери, к которой они сразу и навсегда привязываются. Этот механизм оказывается важным для их выживания, поскольку в природе первый движущийся объект (обычно их мать) дает необходимую заботу и адекватную модель внутривидового поведения.

Различается несколько разновидностей проявления импритинга:

• — запечатлевание образов и объектов: родителей, братьев, сестер, вида пищи и т. д.;
• — усвоение поведенческих актов (дети повторяют действия родителей), это так называемое имитационное поведение;
• — реакция следования — слепое (автоматическое) следование новорожденного за родителями.

Импритинг играет немаловажную роль в обучении, поскольку в усвоении нового материала значительную часть «фоновой информации» (т.е. не требующей специального разбора) ученики способны воспринимать в готовом виде. Это значительно облегчает обучение, позволяет экономить познавательный ресурс учеников для усвоения более трудных, проблемных заданий, требующих умственных усилий.

Классический условный рефлекс есть также форма пассивного научения, по способу подкрепления он может выступать как положительный или отрицательный.

Оперантное научение может проявляться как инструментальный условный рефлекс либо в методе проб и ошибок, либо в форме самораздражения структур мозга. Это научение, в ходе которого организм добивается полезного результата с помощью активного поведения.

Инструментальный условный рефлекс — научение действию с помощью вознаграждения (специального подкрепления) был описан в работах Б. Ф. Скиннера. Например, дети быстро учатся говорить, когда родители одобряют их при правильном произнесении отдельных звуков и слов. В случае неправильного произношения слова дети не получают подобного подкрепления, и эти слова постепенно исчезают из употребления в результате неподкрепления.

Метод проб и ошибок был открыт в экспериментах американского ученого-бихевиориста Э. Торндайка (1890), который помещал голодных кошек в так называемые проблемные клетки. Эти клетки открывались в том случае, если кошка предпринимала какие-то определенные действия — тянула за веревку, приподнимала запорный крючок и т. д. Когда кошка выходила из клетки, она получала пищу. По мере повторения процедуры скорость выполнения задачи возрастала.

Самораздражение структур мозга представляет собой способность к самостимулированию к определенному действию, направленному на получение удовольствия и положительных эмоций с последующим закреплением данного способа действия.

Научение путем наблюдения (обсервационное обучение) выступает в двух видах.

Простое подражание. Например, обезьяна научилась мыть банан перед едой, не понимая, зачем это делает.

Викарное научение. Осуществляется также посредством наблюдения, но при этом результат действия оценивается. Такое научение свойственно только человеку.

Особенно часто научением путем наблюдения пользуются дети, причем в раннем онтогенезе оно является преимущественно подражательным, а с возрастом начинает преобладать викарное научение.

Научение путем инсайта (озарения) — внезапное нестандартное правильное решение задачи. Иногда после отдельных проб и ошибок возникает идея результативного действия, которое может совершенствоваться в процессе достижения цели. Этот вид научения является следствием объединения опыта, накопленного в памяти, с той информацией, которой располагает индивидуум при решении проблемы.

Существенной физиологической предпосылкой обучения выступает совокупность типологических особенностей нервной системы ребенка. Отправными признаками построения индивидуальных различий обучения стала классическая павловская триада свойств нервных процессов: сила, уравновешенность, подвижность процессов возбуждения и торможения. Важную роль в формировании этих свойств нервной системы играет среда (условия труда и отдыха, обстановка в семье и коллективе и т. п.), особенно в раннем онтогенезе. Известно, что сочетание и выраженность этих свойств послужили основой выделения соответствующих четырех видов темперамента: сангвиник (сильный, уравновешенный, подвижный), холерик (сильный, неуравновешенный, подвижный), флегматик (сильный, уравновешенный, инертный) и меланхолик (слабый тип). В исследованиях отмечаются значительные особенности обучения (в способах научения, в темпах усвоения знаний, их прочности, гибкости, устойчивости к учебным нагрузкам и др.) у детей различных видов темперамента.

Более обобщенный план типологических закономерностей и особенностей обучения выступает на уровне представлений о взаимосвязи и феноменологии генотипа и фенотипа. Термины «генотип» и «фенотип» впервые использовал датский биолог Б. Иогансен в 1909 г. Генотип (от греч. genos — происхождение, thypos — отпечаток, образец) характеризуется врожденными типологическими свойствами нервного процесса, с которым рождается живое существо. Генотип — это совокупность всех наследственных факторов (генов) клетки. Фенотип (от греч. phaino — проявлять, являть + thypos) — совокупность признаков и свойств организма, обусловленных взаимодействием его генотипа и условий внешней и внутренней среды. Таким образом, фенотип — это сплав врожденных и приобретенных свойств организма.

Среди фундаментальных физиологических различий, существенно влияющих на обучение, выступает явление функциональной асимметрии головного мозга человека. Функции левого и правого полушарий значительно различаются. Правое полушарие формирует и структурно охватывает целостный образ объекта, явления, ситуации. Воспринимая множество звуков или визуально реагируя на отдельные признаки, детали, оно соединяет их в общую картину. Обработка элементов и связывание их в одно целое, в одну структуру происходит одновременно и с большой скоростью за счет параллельной работы клеток мозга.

Правое полушарие, в отличие от левого, оперирует образами бессознательно. Однако, по данным E. С. Синицына, последнее сейчас подвергается сомнению нейрофизиологами. Интуиция находится всецело во власти правого полушария. Потребность в красоте как бессознательная идеальная потребность человека, отмечает известный нейрофизиолог В. П. Симонов, также лежит в сфере деятельности правого полушария мозга. Если математика на уроках в школе преподносится так, что в ней за лесом утомительных формул и преобразований не видно гармонии, изящества, красоты идей, то происходит насильственное подавление естественного для каждого ученика чувства красоты, и он независимо от своей воли, на бессознательном уровне отторгает урок.

Основная функция левого полушария, наоборот, состоит в том, что оно выделяет из целого детали, признаки. А потом анализирует их. Последовательное установление связей между признаками, объектами, понятиями также входит в функцию левого полушария мозга. Можно сказать, что если правое полушарие образное, чувственное, «художественное», то левое — логическое, аналитическое.

Левое полушарие связано с символическими функциями (например, речью), тогда как правое отвечает за восприятие и пространственную ориентацию. В связи с этим показательна цитата из работы психолога В. И. Белого: «Левое полушарие не видит за деревьями леса, а правое видит лес, но не различает отдельных деревьев» .

В существующей образовательной практике превалирует «левостороннее» обучение — жестко логистические, дискурсивно-аналитические подходы к построению логики и содержания образования.

Открытие в конце 70-х годов прошлого века американскими неврологами Р. Сперри и Дж. Боганом функциональной асимметрии головного мозга привело к необходимости переоценки и корректировки устоявшихся взглядов на систему образования в направлении развития о? бразного мышления учащихся.

Между тем функциональная асимметрия мозга не означает жесткого дихотомического разделения функций его полушарий. Последние исследования показали, что утверждения о том, что левое полушарие управляет речевыми процессами, а правое отвечает за визуально-пространственные функции, слишком упрощают действительное положение вещей. Установлено, что за познавательные процессы отвечают оба полушария большого мозга, но различным образом. Равно как и речевые навыки зависят от многих факторов, и, по-видимому, оба полушария отвечают за их применение.

В связи с этим учебные программы и методики должны избегать крайностей, связанных с односторонним наращиванием нагрузки на какое-то одно полушарие мозга. Как отмечает Р. Л. Хон, мы должны помнить, что предметы, входящие в учебную программу, например чтение и математика, включают сложные, многомерные навыки. Любая дисциплина требует задействования обоих полушарий, каждое из которых вносит определенный вклад в процесс ее усвоения. Например, для научения математике требуются как навыки визуально-пространственного мышления, необходимые при распознавании чисел, фигур и символов, так и навыки вербального анализа, используемые при преобразовании символов в математическую операцию. Оба полушария вносят непосредственный вклад в успешное выполнение действия, поэтому эффективное обучение должно обеспечивать сбалансированную нагрузку на обе части мозга.

В целом знание и учет физиологических механизмов обучения открывают новые возможности развития личности в учебном процессе, а их учет в построении педагогического процесса составляет искусство учителя по раскрепощению внутренних природных сил развивающейся личности, ее задатков, способностей, таланта на пути к самореализации и обретению своего призвания.