Физиологические основы дидактики
Обучение строится на базе сложной деятельности анатомо-физиологического аппарата развивающегося организма ребенка, лежащей в основе такого его онтологического свойства, как способности к научению.
Исследования в области физиологии показывают, что на уровне организма научение может выступать как сложноорганизован-ная адаптационно-развивающая функция существования живой
субстанции в целом. Открытия последних лет все более убедительно свидетельствуют о том, что научение есть природное свойство, внутренне присущее человеку и всем живым существам. Проявляется оно в процессе освоения и преобразования ими окружающей среды и самих себя.
Всеобщая способность к обучению, начиная от простейших организмов, неодинакова у представителей разного уровня филогенеза и имеет различную биологическую основу. Ее роль в адаптации организма значительно возрастает на более поздних этапах эволюции. Обучение теснейшим образом связано с памятью (речь о которой пойдет в разделе о психологических основах обучения) и практически неотделимо от нее. В то время как обучение обеспечивает постоянное пополнение и изменение знаний, а также приобретение навыков использования регистрируемой информации, процессы памяти отвечают за ее усвоение и сохранение. В этой связи проблема механизмов памяти, как отмечал выдающийся отечественный психолог А. Р.Лурия, представляет собой значительную часть области исследования различных видов обучения.
В социокультурном плане обучение связано с передачей и освоением определенного опыта культуры, и здесь в самом строении человеческого организма, в его природе открываются определенные свойства и механизмы, которые обеспечивают предрасположенность и готовность ребенка к усвоению этого опыта и приобщению к социокультурному пространству жизни.
В начале XX в. обучение впервые начали изучать с помощью физиологических методов, и сейчас обучение стало одной из наиболее обширных областей исследования физиологии высшей нервной деятельности и других разделов нейробиологии (нейромор-фологии, 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 адаптации, 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.
По морфологической локализации ведущим органом, отвечающим за организацию и функционирование всей сложной системы действий и процессов научения организма, выступает уникальный аппарат — человеческий мозг.
В настоящее время открываются значительные возможности для исследования нейрофизиологических основ обучения. Это связано с большой эффективностью 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.
Описывая нейробиологические основы обучения, Б.И.Котляр отмечает следующее фундаментальное положение. Согласно современным данным, комплексное изучение механизмов сигнальной деятельности свидетельствует о том, что физиологической основой обучения служат качественно специфические состояния мозга. Эти состояния отражаются в активности нейронов и особенностях их реактивности во всех частях ЦНС.
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.
Установлено, что обучение и память — это результат приобретения мозгом новых состояний путем установления определенной структуры нервной сети на основе множественных механизмов пластичности нервных клеток. Многообразию раздражителей, подкреплений и реакций организма, а также любым их сочетаниям соответствует множество качественно специфических состояний мозга. В этих состояниях отражается информация об ассоциируемых факторах и программа предстоящего поведения, что определяет качественную специфичность, «семантику» состояния при обучении.
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.
Открытие взаимосвязи целостных специфических сотсояний Мозга с определенным видом деятельности базируется на фунда-
ментальной научной традиции исследования функционирования нервной системы и мозговых механизмах 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 Н. 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 еще от Аристотеля ассоциативная линия их трактовки. 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. В русле отечественной физиологической традиции явление ассоциации трактуется, прежде всего, 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. Это индивидуально приобретенная реакция организма на ранее индифферентный раздражитель, воспроизводящая безусловный рефлекс, который возникает на непосредственные сенсорные признаки раздражителя.
В основе условного рефлекса лежит формирование новых или модификация существующих нервных связей, происходящих под влиянием изменений внешней и внутренней среды. Это временные связи, которые тормозятся при отмене подкрепления, изменении ситуации. Таким образом, 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. Уже в лаборатории И. П. Павлова было сделано предположение, что процесс синтеза разнообразных цепных рефлексов составляет основу человеческих навыков (речевых, профессиональных, спортивных и т. п.). И. П. Павлову и его ученикам удалось воспроизвести и проанализировать эти сложные ассоциативные связи в лабораторных условиях в виде различных моделей научения на животных и человеке.
Было установлено, что в основе процесса образования слов, понятий, т. е. речевых временных связей, лежит механизм формирования сложной цепи условных рефлексов. Примером может служить выработка ассоциации между двумя индифферентными стимулами без применения непосредственного безусловного подкрепления. В качестве аналога двух фонем, составляющих слово, использовались два звуковых тона, один из которых подкреплялся безусловным раздражителем, после чего и другой вызывал условную реакцию. Было показано, что эта связь может устанавливаться между сигналами разной модальности. Основой же для ассоциации между индифферентными раздражителями является безусловная ориентировочная реакция, а механизм составляет временная связь.
Ассоциативное обучение характеризуется рядом особенностей, которые, согласно обобщению Б.И.Котляра, могут быть суммированы следующим образом.
1. Обучение происходит при совпадении ассоциируемых раздражителей (факторов) во времени либо при опережении сигнальным раздражителем подкрепления. При обратном порядке обучение либо не происходит, либо формируется с большим трудом.
2. При обучении наиболее эффективно опережение сигнального раздражителя на 200 — 500 мс. Увеличение или уменьшение этого интервала снижает скорость обучения и прочность формируемого ассоциативного эффекта.
3. Ассоциативные эффекты образуются преимущественно при большей физиологической силе подкрепляющего раздражителя по сравнению с силой сигнального.
4. Увеличение до определенной (оптимальной) величины интенсивности подкрепляющего раздражителя повышает эффективность обучения, определяемую как отношение общего числа ассоциативных реакций к общему числу предъявлений сигнального раздражителя.
5. Во многих случаях увеличение интенсивности сигнального Раздражителя ускоряет обучение и повышает его эффективность.
6. Скорость и эффективность обучения зависят от частоты предъявлений сочетаемых раздражителей. Существует оптимальный (1,5 мин) интервал между сочетаниями, при котором эффективность выработки большинства реакций наибольшая.
7. Ассоциативная связь, образованная на один сигнал, может быть вызвана и другими раздражителями. Такая генерализация тем
меньше, чем больше посторонние раздражители отличаются от сигнального.
8. Изолированные предъявления сигнального раздражителя приводят к угасанию ассоциативного эффекта.
9. Ассоциативный эффект более устойчив к угасанию, если сигнальный раздражитель предшествует подкреплению только в части сочетаний.
10. При повторяемости опытов по формированию и погашению ассоциативного эффекта обучение развивается быстрее.
11. Чем меньше посторонних раздражителей действует во время предъявления сигнального раздражителя, тем быстрее происходит обучение.
12. Перерыв в совместном действии раздражителей приводит к постепенному снижению эффективности ассоциативной связи.
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. Новый раздражитель вызывает у человека не только соматические, но и вегетативные реакции: изменение частоты сердечных сокращений, десин-хронизацию электроэнцефалограммы, изменение частоты и глубины дыхания. Если оказывается, что раздражитель не имеет значения для организма, то при последующем его повторении угасают и вегетативные, и соматические реакции. 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 всегда специфично в отношении стимула: если человек не замечает уличного шума, он проснется либо от неожи-
данного звука на его фоне, либо от внезапно наступившей тишины. 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. Импритинг — 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, когда устанавливалась роль врожденных и приобретенных факторов в их поведении.
Работы австрийского этолога К.Лоренца помогли понять взаимодействие между этими двумя факторами. Он занимался изучением гусят, вылупившихся в инкубаторе. Первым движущимся объектом, с которым встречались гусята в момент вылупления, была не их биологическая мать, а сам К.Лоренц. Произошло удивительное явление: вместо того чтобы присоединиться к стаду гусей, эти гусята повсюду следовали за К.Лоренцом и вели себя так, как если бы он был их матерью. Оказавшись в присутствии своей настоящей матери, они не обращали на нее никакого внимания и возвращались под защиту К.Лоренца. Проявление этой привязанности к человеку стало особенно необычным, когда, достигнув половой зрелости, эти гуси принялись искать брачных партнеров, сходных с человеком, не проявляя ни малейшего интереса к представителям собственного вида. К.Лоренц назвал эту глубокую привязанность к первому движущемуся объекту, который увидели гусята после вылупления, импритингом (запечатле-ванием).
Механизм импритинга оказывается важным для выживания, поскольку в природе первый движущийся объект (обычно их мать) Дает необходимую заботу и адекватную модель внутривидового поведения.
У ребенка социальные связи устанавливаются очень рано и носят более глубокий характер. Если индивидуум в первые годы жизни Находится в изоляции, то это приводит к отклонениям в его поведении, иногда значительным и необратимым.
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. Разновидностью его является половой импритинг — половое поведение;
реакция следования — слепое (автоматическое) следование новорожденного за родителями. Эта форма наиболее демонстративна и хорошо изучена. Считается, что моторным эквивалентом следования у ребенка являются улыбка, постоянная смена мимики, появление комплекса оживления уже на втором месяце жизни.
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). Например, голубя помещали в клетку Скиннера, где находился светящийся пластмассовый кружок. В клетке голубь получает зернышко; если он повернет голову в сторону кружка, он вновь получает зернышко; если случайно клюнет кружок, снова получает зернышко и т. д. Вскоре голубь начинает ударять клювом по кружку за вознаграждение. 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 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.Иоган-сен 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 асим-
метрии головного мозга человека. Функции левого и правого полушарий значительно различаются. Правое полушарие формирует иструктурно 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 Е. 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.
В этой связи показательна цитата из работы психолога В. И. Белого: «Левое полушарие не видит за деревьями леса, а правое видит лес, но не различает отдельных деревьев» [цит. по: 4, с. 70].
Большинство физиологов считают, что за сознательную деятельность мозга отвечает только левое полушарие или, во всяком случае, ему отводится доминирующая роль. Левое «говорящее» полушарие, обрабатывая мысли, выражает их словами и отвечает за наш язык. Информацию левое полушарие обрабатывает последовательно, дискретно, потому намного медленнее, чем правое.
Теперь обратимся к дидактике. Многие ученые (педагоги, психологи, физиологи) отмечают, что в существующей школьной методике превалирует «левостороннее» обучение — жестко логистические, дискурсивно-аналитические подходы к построению логики и содержания образования. Если ученый-математик подсознательно или бессознательно по своим взглядам принадлежит к «логистической» школе, то его учебник будет изобиловать дедуктивными рассуждениями. В этом учебнике содержание и математические идеи будут завуалированы «жесткой» логикой и строги-
ми выводами. Такие учебники чрезмерно абстрактны. Учителям часто приходится с этим сталкиваться. Работать по ним трудно и ученикам и учителю.
При изучении математики по такому «логистическому» учебнику перегружается левое полушарие и одновременно подавляется правое. В результате мозг неравномерно загружен и потому его работа становится неэффективной. Как следствие успехи обучения незначительны. Усвоение знаний в этом случае происходит только у тех учеников, которые по своему психологическому типу относятся к логикам. Все ученики, у которых наиболее сильной психической функцией является чувство, встречаются с большими трудностями при изучении математики.
Если же ученый или педагог-математик по своим взглядам принадлежит к школе интуитивистов (как, например, известный автор И.Я.Перельман, написавший «Живую математику»), то такой правополушарный учебник дети запомнят на всю жизнь.
Только после современных достижений психоанализа и физиологии становится понятным, что спор великих математиков относительно взгляда на основания математики касался чрезвычайно важного понимания роли каждого их полушарий мозга в математическом творчестве. За логическое построение математики отвечает левое «словесное» полушарие, а наши интуитивные, образные и целостные представления базируются на работе правого полушария. Но то и другое имеют в деятельности математического мышления, по-видимому, равное значение.
Подводя черту под кратким освещением физиологических предпосылок обучения, необходимо отметить следующее. Знание физиологических механизмов обучения открывает безграничные возможности развития личности ребенка 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 в социокультурном пространстве существования.
Литература
1. Анохин П. К. Биология и нейрофизиология условного рефлекса. — М., 1968.
2. Бехтерева Н. П. Нейрофизиологические аспекты психологической Деятельности человека. — Л., 1974.
3. Данилова Н. Н., Крылова А. Л. Физиология высшей нервной деятельности: Учебник. — М., 1989.
4. Ильюченок Р. Ю. Эмоции и память. — Новосибирск, 1987.
5. Котляр Б. И. Нейробиологические основы обучения. — М., 1989.
6. Лурия А. Р. Нейропсихология памяти при локальных поражениях мозга. — М., 1974.— Т. 1.
7. Магнус Р. Установка тела. — М.; Л., 1962.
8. Павлов И. П. Двадцатилетний опыт объективного изучения высшей нервной деятельности (поведения) животных. — М., 1973.
9. ПерельманЯ.И. Живая математика. — М., 1978.
10. Синицын Е. С. Теория творчества, структурный анализ мышления, метод микрооткрытий. — Новосибирск, 2001.
11. Смирнов В. М. Нейрофизиология и высшая нервная деятельность детей и подростков. — М., 2000.
12. Узнадзе Д. Н. Экспериментальные основы психологии установки. — Тбилиси, 1961.
13. Эделмен Дж., Маунткасл В. Разумный мозг. — М., 1981.