Карпенко М.П. Телеобучение

Подождите немного. Документ загружается.

М.П. Карпенко. Телеобучение

151

в различных видах деятельности. Согласованное взаимодействие структур

и отделов мозга при выполнении любой функции есть ни что иное, как

функционирование сети, образованной десятками миллиардов нейронов,

соединенных между собой чрезвычайно сложным, но упорядоченным об-

разом.

Нейрон – структурная единица мозга. Синапс – структурная единица

памяти. Центральная нервная система (ЦНС) человека состоит из многих

миллиардов нервных клеток – нейронов. Нейрон во многом похож на дру-

гие клетки организма. Вместе с тем нейрон обладает и рядом особенностей,

которые обеспечивают его главные функции: прием, обработку и передачу

информации.

Нейроны различаются по форме, размеру, химическому составу и фун-

кциям. На сегодняшний день выявлено более 200 различных их видов. Тем

не менее, все нейроны имеют одну и ту же базовую структуру (рис. 4.1).

Каждый нейрон состоит из сомы (тела) и многочисленных разветвлен-

ных отростков. Есть два типа отрост-

ков: дендриты и аксон. Основная задача

дендритов – получение сигналов от ре-

цепторов или других нейронов.

Нейроны могут иметь от одного

дендрита до тысяч веточек дендрит-

ных отростков, на которых образуются

от одного до ста тысяч синаптических

контактов с другими нейронами. Тело

клетки интегрирует информацию, по-

лученную от дендритов, и передает ее

по одиночному волокну – аксону. Ак-

сон в свою очередь передает возбуж-

дение другому нейрону или рабочему

органу (мышце, железе). Длина аксо-

на может быть меньше миллиметра, а

может достигать нескольких десятков

сантиметров (все зависит от того, ка-

кую функцию выполняет нейрон, кото-

рому данный аксон принадлежит).

Одно из основных свойств нейро-

на – способность возбуждаться, или ге-

Рис. 4.1. Схема нейрона

152

Когнитивная нейрология и психология обучения

нерировать потенциал действия (ПД). Главную роль в возбуждении играют

ионные каналы, пронизывающие мембрану нейрона.

Ионные каналы бывают двух видов. Одни из них работают постоянно,

обеспечивая разность концентраций ионов калия и натрия внутри и вне

клетки. В результате на мембране нейрона поддерживается отрицательный

потенциал (около –70 мВ). При возбуждении нейрона через ионные кана-

лы второго вида внутрь клетки устремляются ионы натрия, и мембрана

приобретает положительный заряд (около +55 мВ). Таким образом, абсо-

лютная величина ПД – около 125 мВ.

Далее возбуждение, или ПД, распространяется по аксону. Направля-

ясь к другому нейрону (или какой-либо другой клетке – мышечной, желе-

зистой и др.), аксон образует на принимающей клетке контакт, или синапс.

На рис. 4.2 показана схема синапса в соответствии с современными

представлениями нейронауки.

Несмотря на мини-

атюрность, синапс ус-

троен весьма сложно.

Одним из его основных

компонентов являются

пузырьки, которые содер-

жат биологически ак-

тивное вещество – нейро-

трансмиттер, или медиа-

тор (передатчик).

В синапсе возбуждение

превращается из элект-

рического импульса в им-

пульс химический, а затем

опять в электрический.

Когда нервный им-

пульс (возбуждение) до-

стигает синапса, на пре-

синаптической мемб-

ране открываются ион-

ные каналы, пропускающие внутрь передающего нейрона ионы кальция.

Кальций взаимодействует с оболочкой синаптических пузырьков (в них

хранится медиатор), и они выталкивают медиатор в синаптическую щель

Пресинаптическая

мембрана

Микротрубочки

Митохондрии

Рецепторные

участки

Медиатор

зы

ьки с медиато

ом

Взаимодействие

медиатора и

рецепторов

Постсинаптическая

мембрана

Синаптическая щель

Рис. 4.2. Схема синапса

М.П. Карпенко. Телеобучение

153

(пространство, разделяющее мембраны передающего и воспринимающего

нейронов). Далее молекулы медиатора связываются с рецепторами (рецеп-

торы устроены так, что воспринимают только «свой» тип медиатора образ-

но говоря, медиатор и рецептор подходят как ключ к замку).

После связывания медиатора с рецептором возникает сложный кас-

кад реакций, меняющий в итоге потенциал на мембране «принимающего»

нейрона: формируется либо возбуждающий постсинаптический потен-

циал (ВПСП), либо тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП).

Соответственно, «принимающий» нейрон либо возбуждается, передавая

импульс дальше, либо тормозится, блокируя дальнейшее распространение

возбуждения. Синапсы можно сравнить с перекрестками на проводящих

путях мозга. Роль «регулировщиков», определяющих маршрут проведе-

ния нервного импульса, выполняют медиаторы. На сегодняшний день

известно более 60 химических веществ, которые выполняют функции ме-

диаторов. Самыми распространенными являются катехоламины (дофа-

мин, норадреналин, адреналин), серотонин и γ-аминомасляная кислота

(ГАМК).

Нейроны выполняют свои функции не изолированно друг от друга.

Работа миллиардов нервных клеток состоит в том, что они получают сиг-

налы от других нервных клеток и передают их третьим. Передающие и

принимающие клетки объединены в нервные цепи, или сети. Отдельный

нейрон может посылать сигналы тысяче и даже большему количеству ней-

ронов (но чаще один нейрон соединяется всего лишь с несколькими опре-

деленными нейронами). Точно так же какой-либо нейрон может получать

входную информацию от других нейронов с помощью одной, нескольких

или многих входных связей. Все зависит от того, в какую сеть оказалась

включенной клетка в процессе развития.

В любой момент огромное количество нейронов находятся в активном

состоянии – каждой такой композиции активных нейронов соответствует

конкретный вид психической деятельности. При обучении формируются

новые композиции работающих нейронов, именно они и активизируются

при актуализации усвоенных знаний.

Таким образом, с определенным упрощением можно сказать, что «зна-

ния» кодируются в нейронных соединениях. Это означает, что обучение

происходит либо через рост новых синапсов, либо через усиление или ос-

лабление уже имеющихся. Нейрофизиология располагает фактами, под-

тверждающими эти механизмы, причем показано, что первый из этих ме-

154

Когнитивная нейрология и психология обучения

ханизмов действует в раннем возрасте, второй – используется уже в зрелом

мозге.

Открытие структурных изменений нейронов при обучении позволило

предположить, что ключевую роль в формировании долговременной па-

мяти играет синтез белков, рост и изменение нейронных связей. В настоя-

щее время эта гипотеза подкрепляется убедительными данными.

Отсюда следует, что введение любого нового долгосрочного знания приво-

дит к модификации структуры мозга. Продолжая эту мысль, можно наме-

тить пока еще никем не реализованный подход: по структуре мозга можно

судить об объеме знаний человека, уровне его образования. Развитие этой идеи

потребует, прежде всего, совершенствования и разработки новых методов

исследования мозга.

Суммарная электрическая активность мозга. Центральное место в ряду

объективных методов исследования психических функций человека зани-

мают различные способы регистрации суммарной электрической актив-

ности головного мозга.

В электрических процессах, которые регистрируются с поверхности

скальпа (электроэнцефалограмма, ЭЭГ), отражается синаптическая актив-

ность нейронов, а именно постсинаптические потенциалы: возбуждающие

(ВПСП) и тормозные (ТПСП). Эти потенциалы суммируются, и результат

отражается в виде электрических волн ЭЭГ.

В электрическом смысле нейрон представляет собой диполь, ориен-

тация полюсов которого меняется в зависимости от состояния нейрона.

При чередовании состояний возбуждения и торможения диполь «вра-

щается», производя в нервной ткани биполярные электромагнитные

волны. Эти волны распространяются по объему нервной ткани во всех

направлениях с определенной степенью угасания, которое зависит от

физических свойств проводящей среды (включающей, кроме самих ней-

ронов-диполей, кровеносные сосуды, глию, а также межклеточную жид-

кость с растворенными в ней органическими и неорганическими вещест-

вами).

Мозг имеет довольно сложную архитектуру, и нейроны-диполи рас-

пределены в мозге неоднородно в плане ориентации своих полюсов, к тому

же имеют разную плотность. Кроме того, конфигурация потенциалов зави-

сит и от расположения регистрирующих электродов. Поэтому интерпрета-

ция регистрируемых на поверхности мозга сигналов представляет собой

сложную задачу.

М.П. Карпенко. Телеобучение

155

Синхронизация активности относительно большой популяции ней-

ронов-диполей выражается в доминировании в ЭЭГ тех или иных частот.

По критерию частоты в ЭЭГ выделяют отдельные ритмы, связанные

с различными функциональными состояниями человека и животных

(табл. 4.1).

Таблица 4.1

Основные ритмы ЭЭГ человека

Ритм Частота, Гц Амплитуда, мкВ Функциональное состояние

Дельта 0,5–3,5 до 250 Фаза глубокого сна

Тета 4–7,5 до100–200 Напряжение, стресс

Альфа 8–13 не более 50 Спокойное бодрствование

Бета 14–30 не более 20 Реакция активации (arousal)

Гамма > 30 < 10 Обработка информации

Наибольшее внимание исследователей всегда привлекал альфа-ритм –

доминирующий ритм ЭЭГ покоя у бодрствующего человека.

Существует немало предположений, касающихся значения альфа-

ритма. Основоположник кибернетики Н. Винер и вслед за ним ряд других

исследователей считали, что этот ритм выполняет функцию временного

сканирования («считывания») информации и тесно связан с механизмами

восприятия и памяти. Предполагается, что альфа-ритм отражает ревербе-

рацию возбуждений, кодирующих внутримозговую информацию и созда-

ющих оптимальный фон для процесса приема и переработки сигналов. Его

роль может состоять в своеобразной функциональной стабилизации со-

стояний мозга и обеспечении готовности реагирования. Есть мнение, что

альфа-ритм связан с действием селектирующих механизмов мозга – своего

рода резонансных фильтров, регулирующих поток сенсорных импульсов.

В состоянии покоя в ЭЭГ присутствуют и другие ритмические состав-

ляющие, но их значение лучше всего выясняется при изменении функци-

онального состояния организма. Так, дельта-ритм у здорового взросло-

го человека в покое практически отсутствует, но он доминирует в ЭЭГ в

четвертой стадии сна (отсюда ее название: «медленноволновой сон» или

«дельта-сон»).

156

Когнитивная нейрология и психология обучения

Тета-ритм иногда называют стресс-ритмом, или ритмом напряжения.

У человека одним из ЭЭГ-симптомов эмоционального напряжения служит

усиление тета-ритма с частотой колебаний 4–7 Гц, причем как при положи-

тельных, так и при отрицательных эмоциях.

Бета-ритм не имеет однозначного функционального значения. Чаще

всего усиление волн этого частотного диапазона обусловлено просто

уменьшением высокоамплитудных альфа- и дельта-волн.

Переход от состояния покоя к напряжению всегда сопровождается

реакцией десинхронизации, т. е. преобладанием в ЭЭГ высокочастотной

бета-активности. Умственная деятельность у взрослых сопровождается

повышением мощности бета-ритма, причем значимое усиление высоко-

частотной активности наблюдается при умственной деятельности, вклю-

чающей элементы новизны, в то время как стереотипные, повторяющиеся

умственные операции сопровождаются ее снижением.

Гамма-ритм в соответствии с современными представлениями отра-

жает процесс установления связи или синхронизации между пространс-

твенно разнесенными нейронными ансамблями, вовлеченными в осущест-

вление какой-либо когнитивной программы.

Высокочастотные ритмы (бета и гамма) обычно усиливаются при ре-

ализации когнитивных функций – внимания, восприятия, памяти, при-

нятия решения. Поэтому их количественные показатели могут использо-

ваться при исследовании этих функций. Однако при этом следует помнить,

что корреляция вовсе не означает обязательного наличия причинно-следс-

твенных связей.

В целом следует отметить, что ЭЭГ – относительно «грубый» инстру-

мент для психофизиологического исследования. ЭЭГ отражает главным

образом «энергетические» компоненты когнитивной деятельности и базис-

ные механизмы мозговой деятельности (поддержание уровня бодрствова-

ния, обеспечение жизненно важных биологических функций). Различные

электрографические эффекты при осуществлении высших психических

функций могут быть ошибочно приняты за «маркеры» тех или иных пси-

хических актов.

Самый простой визуальный анализ ЭЭГ используется главным об-

разом в клинической практике. Он основан на большом феноменоло-

гическом материале. Опытный клиницист по характеру ЭЭГ может вы-

явить едва заметные отклонения электрической активности мозга от

«нормы».

М.П. Карпенко. Телеобучение

157

В научной практике для анализа ЭЭГ используют математические ме-

тоды спектрального анализа. На основе спектра мощности выделяют ряд

расчетных показателей, которые расширяют содержательную интерпрета-

цию биоэлектрических феноменов.

Функциональные отделы мозга. Основополагающий механизм обуче-

ния заключается в формировании сложных, распределенных нейронных

сетей, объединяющих функционально различные отделы мозга.

Головной мозг состоит из стволовой части и двух полушарий. Правое

и левое полушария соединены связкой нервных волокон, обеспечивающей

межполушарный обмен информацией. Каждое полушарие делится на доли,

которые специализируются на выполнении различных задач: лобная доля

отвечает за планирование действий, височная – за слух и память, теменная –

за обработку пространственной информации, затылочная – за зрительные

функции (рис. 4.3). Разумеется,

это самая общая характеристика.

В каждой области мозга есть свои

взаимосвязанные системы нейро-

нов, причастные к обработке раз-

ных видов информации. Любой

интеллектуальный навык, напри-

мер арифметические вычисления,

запоминание терминов, зависит

от согласованного взаимодейс-

твия многих специализированных

систем, находящихся в различных

отделах головного мозга. Повреж-

дение любой из этих нейронных

систем нарушит приобретенный

навык или сделает невозможным

его приобретение.

Вместе с тем, большинство нейронов функционально взаимозаменяе-

мы, т. е. один нейрон может отвечать за выполнение какой-либо задачи, а

затем быть переадресован на выполнение другой функции.

В запоминании и обучении участвуют практически все корковые и

подкорковые отделы головного мозга, т. е. попытка локализовать «знание»

в какой-либо четко очерченной области бессмысленна. Вместе с тем, каж-

дый конкретный вид научения затрагивает строго определенную популя-

Рис. 4.3. Головной мозг (вид сбоку):

1 – лобная доля; 2 – височная доля; 3 – продол-

говатый мозг; 4 – мозжечок; 5 – затылочная

доля; 6 – теменная доля; 7 – латеральная бороз-

да; 8 – центральная борозда

158

Когнитивная нейрология и психология обучения

цию нейронов, не влияя на соседние клетки. Таким образом, хотя следы

памяти и могут охватывать обширные области мозга, субстрат их высо-

коспецифичен, а значит, поддается изучению.

Для выполнения своих функций мозг нуждается в определенном уров-

не общей, или неспецифической активации.

На разных уровнях головного мозга существуют относительно само-

стоятельные активирующие и тормозные структуры, они вступают друг с

другом в сложные системы взаимоотношений, формируя блок регуляции

тонуса и бодрствования.

К нему относятся восходящая активирующая

система среднего мозга, активирующая-инактивирующая система таламу-

са и другие структуры.

Считается, что особенности неспецифической, или модулирующей,

системы мозга во многом определяют индивидуальность, в том числе ин-

дивидуальную способность к обучению. Очевидно, что даже самые лучшие

схемы и алгоритмы обучения не дадут должного эффекта, если не учиты-

вать фактор индивидуальности. В мировой практике высшей школы пока

еще трудно найти пример обоснованной и последовательной индивидуа-

лизации обучения.

В СГА разработана оригинальная типология познавательных способ-

ностей, основанная на измерении уровня интеллектуального развития

и скорости заучивания. Созданы соответствующие методы и алгоритмы

массового тестирования. Все это лежит в основе системы дифференциаль-

ной дидактики, которая дает возможность каждому студенту выбрать ин-

дивидуальную образовательную траекторию и достигнуть максимальных

результатов в учебной деятельности.

Разработка системы дифференциальной дидактики потребует еще

многих теоретических и экспериментальных исследований, но уже сегод-

ня в учебном процессе необходимо реализовывать ее главный принцип:

предоставить обучающемуся свободный временной режим и возможность

выбора количества повторений учебного материала.

Дальнейшее развитие идей дифференциальной дидактики предусмат-

ривает исследования, связанные с объективной, количественной оценкой

функционального состояния человека, занятого учебной деятельностью,

поиском индивидуальных психофизиологических характеристик, опреде-

ляющих успех обучения.

Лурия А.Р. Функциональная организация мозга. В кн.: Естественнонаучные осно-

вы психологии. М., 1978.

М.П. Карпенко. Телеобучение

159

4.1.3. Дифференциальная психофизиология

Результаты любой деятельности человека зависят от его функциональ-

ного состояния, в том числе и обучение. Если ориентироваться на функци-

ональное состояние и делать учебную нагрузку то более интенсивной, то,

напротив, снижать ее, результаты обучения будут значительно лучше. Все

это очевидно. Гораздо сложнее найти критерий, позволяющий объективно

оценить функциональное состояние, – критерий методически простой, и в

идеале количественный.

Оценка функционального состояния во многом сводится к оценке

уровня неспецифической активации мозга, на фоне которой протекает конк-

ретная психическая деятельность, в том числе когнитивная.

Зависимость между уровнем активации и эффективностью различ-

ных видов деятельности, в том числе обучения, известна. Она описывается

куполообразной кривой: наилучшие результаты достигаются не при самой

высокой активации, а в некотором среднем ее диапазоне, получившем на-

звание оптимального функционального состояния.

Но если эффективность деятельности поддается количественной оцен-

ке, то попыток измерить уровень фоновой активации мозга до сих пор еще

не было. В ИКН СГА впервые разработан метод количественной оценки

индивидуального уровня активации мозга.

Как известно, изменения уровня неспецифической активации мозга

отражаются в реактивных изменениях электроэнцефалограммы, т. е. тех из-

менениях частотных и амплитудных параметров ЭЭГ, которые возникают

в ответ на внешнюю стимуляцию. В частности, это эффект резкого падения

амплитуды альфа-ритма ЭЭГ, который можно наблюдать при умственной

нагрузке (депрессия альфа-ритма). Для объективной оценки степени депрес-

сии альфа-ритма был предложен количественный критерий – коэффициент

депрессии альфа-ритма (КДА).

Расчет КДА производится по формуле:

100

)(

КДА

РР −

, (4.1)

где Р

– средняя мощность альфа-диапазона по всем отведениям ЭЭГ в

состоянии спокойного бодрствования с закрытыми глазами; Р

– средняя

мощность альфа-диапазона по всем отведениям ЭЭГ при умственной на-

грузке.

160

Когнитивная нейрология и психология обучения

Исследования, проведенные в СГА, показали, что КДА очень индиви-

дуален и достаточно закономерно соотносится с когнитивными характе-

ристиками, например со скоростью заучивания вербального материала.

Количественный подход к оценке неспецифической активации мозга

дал начало серии исследований, результаты которых уже сегодня можно

применить в практике обучения.

Индивидуальный уровень активации мозга и скорость заучивания. Для

объективной оценки успешности обучения необходимы методы точного

измерения скорости обучения. В Институте психологии обучения СГА

разработан принципиально новый, количественный показатель – темп

усвоения знаний (ТУЗ). Идея введения такого показателя и первоначальный

подход принадлежат проф. М.П. Карпенко. Испытуемому предлагают за-

учить 20 пар слов (незнакомое слово – перевод на русский язык). При рас-

чете показателя ТУЗ учитывают количество запомненных новых слов и

затраченное время. Иначе говоря, индивидуальный показатель ТУЗ отра-

жает количество новых связей (линков), которое данный человек способен

усвоить за академический час.

Закономерно возникает вопрос: какие индивидуальные свойства моз-

га определяют индивидуальую скорость заучивания? В результате серии

экспериментов удалось доказать, что скоростные характеристики памяти

тесно связаны с индивидуальным уровнем неспецифической активации

мозга.

У испытуемых регистрировали ЭЭГ – в состоянии спокойного бодр-

ствования и в процессе заучивания списка из 20 слов. Затем вычисляли

КДА. Оказалось, что величина показателя ТУЗ определенным образом со-

относится с КДА (т. е. с выраженностью депрессии альфа-ритма при умс-

твенной нагрузке). Проявилась следующая закономерность: высокому ТУЗ

соответствует средний, «оптимальный» КДА; снижение показателя ТУЗ

коррелирует либо с умень-

шением, либо и с увеличе-

нием КДА (рис. 4.4).

Таким образом, соот-

ношение показателя ТУЗ

и КДА совпадает с куполо-

образной кривой, которая

описывает зависимость

успешности обучения от

100

120

140

160

10 20 30 40 50 60 70 80

КДА, %

ТУЗ, линк/акч

Рис. 4.4. Соотношение ТУЗ и КДА. Аппроксимирующая

кривая получена методом наименьших квадратов