Глава 11. педагогическая психофизиология

Проблема оптимизации обучения — центральная для педагоги­ки. Многочисленные школы и концепции обучения отражают не­прерывный поиск и усилия, предпринимаемые педагогами и психо­логами в этом направлении. Однако существует чисто психофизио­логический аспект решения данной проблемы. В настоящее время управление процессом обучения осуществляется главным образом с учетом результатов успеваемости, на основе тестирования успеш­ности обучения. При этом вне поля внимания остается вопрос о том, является ли выбранный педагогом режим обучения оптималь­ным с точки зрения биологических критериев. Другими словами, учитывается ли «биологическая цена», которую ученик платит за усвоение, приобретение знаний, т.е. те энергетические затраты, которые сопровождают процесс обучения и которые могут быть оценены через изменения функционального состояния учащегося.

Большинство людей достаточно осведомлены о влиянии стресса и его отрицательных последствиях. Мы хорошо знаем, что острый и хронический стресс любой этиологии не только снижает резуль­таты производственной и учебной деятельности, но и влияет на развитие и протекание когнитивных процессов, вызывает задерж­ку в развитии ребенка, влияет на становление его как личности, на формирование его индивидуального стиля деятельности.

Компьютеризация школ создает наиболее благоприятные ус­ловия для контроля обучения по физиологическим параметрам. Эта задача может быть решена с помощью мониторинга функционального состояния учащегося, а также через компьютеризованную оценку его индивидуальных психофизиологических характеристик. Особое внимание должны привлекать те индивидуальные особен­ности, которые наиболее тесно связаны с механизмами регуляции состояний и, в частности, влияют на развитие неоптимальных со­стояний и стресса.

Сильное отрицательное влияние на обучение оказывают высо­кая индивидуальная тревожность, повышенная реактивность сим­патической системы. Учащиеся с этими свойствами чаще других испытывают стресс и связанное с ним нарушение когнитивной деятельности. Особенно очевидным это становится во время экза­менов. В целом ситуация экзамена для большинства студентов яв­ляется стрессогенной, однако многие из них способны преодоле­вать этот стресс.

Исследование психофизиологических характеристик, которые могли бы предсказывать развитие экзаменационного стресса, было проведено Дж. Спинксом (J. Spinks) на студентах психологическо­го факультета в Гонконге. Исследователи установили, что у лиц с более высокой симпатической активацией, которую измеряли по скорости привыкания электродермальной реакции к повторяюще­муся звуковому тону, а также по уровню потоотделения на ладо­ни, в период экзаменационной сессии отмечалось подавление фун­кций иммунной системы.

У студентов, у которых привыкание электродермальной реак­ции на звук, тестируемое во время летних каникул, происходило медленно (это указывало на сильную активацию симпатической системы), в течение учебного года и во время экзаменационной сессии в слюне снижалось содержание иммуноглобулина, что го­ворило о наличии стресса. Была получена значимая положитель­ная корреляция между скоростью угасания электродермальной реакции и содержанием иммуноглобулина. Это позволило по пси­хофизиологической реакции — скорости привыкания реакции в виде изменения кожной проводимости — предсказывать появле­ние экзаменационного стресса у студента. Индекс потоотделения менее коррелировал с состоянием иммунной системы. Однако при разделении группы, состоящей из 250 студентов, на две (по меди­ане) между ними были выявлены значительные различия. У лиц с высокими значениями потоотделения (индекс симпатической ак­тивности) содержание иммуноглобулина было снижено. Связь меж­ду вегетативной (симпатической) и иммунной системами, кото­рая осуществляется, по-видимому, через эндокринную систему, объясняет, почему стресс и неоптимальные функциональные со­стояния приводят к нарушениям иммунной системы и как следствие - к онкологическим заболеваниям, иммунодефициту, ин­фекционным болезням и др.

Рис. 62. Подавляющий эффект шумового дистрактора на волну ожидания (справа). Вверху — у здорового субъекта, внизу — у пациента с депресси­ей. Стрелками показано время предъявления стимулов. Первый стимул в каждой паре — щелчок (предупреждающий стимул), второй — импера­тивный (вспышки света, которые отключаются при реакции на него (нажим на кнопку). Видно полное устранение волны ожидания в условиях отвлечения внимания у пациента (по С. McCallum, 1967).

С увеличением личностной тревожности произвольное внима­ние ухудшается. Его можно тестировать на ЭЭГ по волне ожидания или условному негативному отклонению (УНО). В ситуации, когда за предупреждающим стимулом через несколько секунд следует им­перативный, при появлении которого следует нажимать на кноп­ку, перед императивным стимулом возникает медленное нараста­ние негативного потенциала (УНО). Его величина с привлечением внимания к стимулу и мотивированностью субъекта растет. Отвле­кающие стимулы — дистракторы — уменьшают ее. На амплитуду УНО сильно влияют и некоторые другие качества субъекта: она меньше у нестабильных интровертов по сравнению со стабильны­ми экстравертами (Werre P.E., 1985). На рис. 62 показано влияние тревожности на амплитуду УНО. Видно, что под влиянием отвле­кающего шума у здорового человека амплитуда потенциала ожи­дания уменьшается незначительно, тогда как у пациента с невро­тической тревожностью она полностью уничтожается шумовым дистрактором. Подавление, отсутствие УНО на ожидаемый сти­мул коррелирует с неспособностью таких пациентов контролиро­вать свое внимание.

Важность мониторинга функционального состояния учащихся для оптимизации обучения вытекает из роли и места мозговых механиз­мов, регулирующих состояния, в психической деятельности.

Обычно под функциональным состоянием понимают тот уро­вень активации мозговых структур, на котором и протекает конк­ретная психическая деятельность человека, в том числе и обуче­ние (Данилова Н.Н., 1992).

Отношения между уровнем активации мозга и эффективнос­тью выполнения различных действий, операций, навыков, так же как и результатов обучения, неоднократно исследовались как в опытах с человеком, так и в экспериментах на животных. Зависи­мость эффективности деятельности от уровня активации описыва­ется куполообразной кривой, показывающей, что наиболее высо­кие результаты достигаются не при самой высокой активации не­рвной системы, а при более низкой, получившей название оптимального функционального состояния. Оно наиболее адекватно отвечает тем требованиям, которые предъявляет содержание решаемой задачи к энергетическому обеспечению мозговых структур. Сдвиг ФС в сторону от оптимального независимо от его направленности со­провождается снижением результативности как психических, так и физических действий.

Диапазон изменений состояний бодрствующего человека чрез­вычайно широк. Его границы представлены состоянием дремоты, сопровождающейся потерей интереса и внимания, с одной сторо­ны, и чрезмерным возбуждением и напряженностью, которые обычно наблюдаются в состоянии стресса, — с другой. Самые низ­кие результаты деятельности человека — наибольшее число оши­бок, снижение скорости реагирования, большое количество брака в работе — обычно связаны с этими крайними состояниями бодр­ствования.

ФС зависит от многих факторов: от содержания решаемой за­дачи, степени ее трудности, а также заинтересованности человека в ее успешном решении, от силы и характера получаемого под­крепления в виде награды или наказания и индивидуальных осо­бенностей субъекта. Сила или слабость нервных процессов, инди­видуальная устойчивость к стрессу или тревожность, нейротизм, интроверсия или экстраверсия являются факторами, которые вно­сят свой вклад в уровень функционального состояния.

Оптимальное функциональное состояние меняется со сложно­стью задачи и уровнем мотивации. Это положение получило под­тверждение в исследованиях Роберта Йеркса и Джона Додсона сначала в опытах на мышах и шимпанзе. У животных они выраба­тывали дифференцировку на различение темного входа в лаби­ринт от светлого. Правильный выбор входа в лабиринт позволял мыши добраться до гнезда, где ее ожидало положительное под­крепление — мышь противоположного пола. В случае ошибок применялось наказание — удар током через проволочный пол. Сила наказания варьировала. В разных сериях вырабатывались дифференцировки различной степени сложности. На рис. 63 схематично представлены результаты таких исследований. Видно, что скорость обучения, измеряемая как обратная величина числу проб, необхо­димых для выработки устойчивого навыка, зависит не только от сложности задачи, но и от силы наказания (током). Слабый ток является оптимальным наказанием для выработки трудной дифференцировки. При фюрмировании легкой дифференцировки оп­тимальный уровень наказания выше. Сегодня эта закономерность известна как закон Йеркса — Додсона. Позже подтверждение это­му закону было получено и в исследованиях на людях (призывни­ках на военную службу).

Рис. 63. Влияние трудности задачи и силы наказания на результаты обуче­ния у мышей по материалам исследований Йеркса и Додсона.

1 — трудные, 2 — средние, 3 — легкие задачи по выработке дифференцировок (различение темного и светлого). Сила электроудара дана и условных единицах.

Положение о значимости ФС для процесса обучения в услови­ях школы впервые было проверено в 1988—1989 гг. канадским пси­хофизиологом из Монреаля К. Мангиной (С. Mangina), предпри­нявшим попытку оптимизировать обучение за счет ведения его в коридоре оптимального состояния. Он доказал, что, управляя ФС учащегося, можно существенно повысить эффективность обуче­ния даже у детей с задержкой развития.

К. Мангина разработал методику (тест Мангины), позволяв­шую развивать у ребенка специфические аналитические способ­ности, что поднимало успеваемость по математике и чтению. Ме­тодика включала проведение 60 тренировочных серий, во время которых ребенок учился различать простые фигуры на фоне более сложных, ориентируясь на их различные признаки — величину, размер, направление, пространственную ориентацию.

Во время выполнения заданий билатерально (с пальцев пра­вой и левой рук ученика) регистрировали кожную проводимость по постоянному току (метод Фере), которая является одним из показателей активации организма. Предварительно у успевающих учеников были измерены пределы колебаний кожной проводимо­сти во время занятий в классе. Им оказался коридор колебаний кожной проводимости от 6,5 до 8,5 микросименсов (единиц про­водимости), который и был принят за коридор оптимального фун­кционального состояния.

По результатам исследований, выполненных в лаборатории К. Мангины более чем на 2000 детей и подростков, активация у неуспевающих детей, как правило, выходила за пределы установ­ленного коридора оптимального функционального состояния ус­певающих учеников или была неустойчивой. Если же во время выполнения теста Мангины ФС отстающего ученика удерживали в пределах коридора оптимальной активации, контролируя его по реакциям обеих рук, это способствовало более быстрому форми­рованию специфических навыков у детей с задержкой развития. В итоге это приводило к лучшему усвоению ими школьной програм­мы, повышению успеваемости, что подтвердилось и более высо­кими оценками.

Чтобы удержать уровень активации ребенка в рамках заданного коридора, экспериментатор прибегал к различного рода воздей­ствиям, возбуждающим или успокаивающим ребенка. Для этого им использовались подача звуковых тонов на правое или левое ухо в зависимости от асимметрии показателей кожной проводимости; вспышки света; инструкции — встать, сесть, подпрыгнуть или сфокусировать внимание на частоте своего дыхания.

Встает вопрос: насколько необходима неспецифическая акти­вация, создаваемая модулирующей системой, для нормальной пси­хической деятельности и поведения? Исследования показывают, что любые нарушения в модулирующей системе ведут к дезорга­низации поведения, как врожденного, так и приобретенного за время жизни. У крыс с разрушениями модулирующей системы (восходящих дофаминергических путей)*, создающими дефицит дофамина, полностью нарушаются все виды поведения. Они пере­стают пить, есть. Однако болевое раздражение у таких животных может восстановить пищевое, половое и материнское поведение. Кроме того, такая крыса может плавать только в холодной воде, а в теплой воде она тонет, не делая никаких попыток к спасению. Холодная вода и болевое раздражение компенсируют дефицит дофамина. Если такому животному ввести апоморфин (стимулятор рецепторов дофамина), утраченные функции также восстанавли­ваются.

* По дофаминергическим путям информация передается с помощью дофамина (ДА) — одного из медиаторов. От ДА зависит актуализация моторных программ врожденного поведения и приобретенных навыков.

Таким образом, сохранность нервных связей, определяющих программу конкретного поведения, еще не гарантирует ее реали­зацию. Необходимо подключение модулирующей системы мозга, в частности, использующей дофаминергический механизм регу­ляции, который создает биохимическую основу двигательной ак­тивности.

Обнаружен также специальный механизм, который автомати­чески подстраивает функциональное состояние под требования решаемой задачи. В опытах Б.И. Котляра (1986) показано, что уже сама процедура обучения (выработка условного рефлекса) увели­чивает активацию нейронов, вовлеченных в процесс обучения. У кролика вырабатывались условные рефлексы при сочетании зву­кового стимула с электрокожным раздражением. Примерно 40% нейронов гиппокампа научались отвечать на условный звуковой сигнал реакцией, которая ранее вызывалась лишь электрокожным раздражением. При этом появление условного рефлекса зависело от наличия определенного уровня тонической фоновой активнос­ти нейрона, которая постепенно росла в процессе формирования условного рефлекса. Ее снижение непременно сопровождалось выпадением условного ответа. Таким образом, обучение сопровож­дается появлением особого состояния мозга, обеспечивающего формирование синаптических контактов, в которых кодируется новая программа действий. Регуляция функционального состоя­ния — непременная составляющая психической деятельности и поведения, которые вместе образуют единое целое.

Современная система обучения выдвигает новые требования к обучающим компьютерным программам. Программы нового поко­ления должны включать систему психофизиологической оценки мотивированности, включенности учащегося в познавательную деятельность. Это предполагает измерение и контроль за интен­сивностью исследовательской деятельности и индивидуальным функциональным состоянием учащегося по психофизиологичес­ким показателям.

Такие обучающие программы должны управлять процессом обучения не только по результатам приобретенных знаний, но и по параметрам контроля за функциональным состоянием. Необходимость автоматизированного контроля за ФС учащегося в процессе обучения вытекает из роли и места ФС в составе психичес­кой деятельности.

Соединение психофизиологии с компьютеризованным обуче­нием открывает новые перспективы для индивидуального образо­вания. Предполагается, что контроль за обучением осуществляется с помощью двух контуров с обратными связями. Первый строится на основе изучения структуры приобретенных знаний методом многомерного шкалирования. Второй служит для оценки функци­онального состояния на основе полиграфической регистрации ряда физиологических параметров и для оптимизации обучения на ос­нове манипулирования состоянием учащегося.

Наиболее эффективно эта задача может быть решена на базе компьютерной техники. На основе компьютеризованного тестиро­вания уровня усвоенных знаний и непрерывного компьютерного мониторинга ФС ученика подбирается такой режим предъявления информации (для обучения и проверки знаний), который обеспе­чит ведение обучения в коридоре оптимальных функциональных состояний. Управляя содержанием, темпом и величиной инфор­мационной нагрузки в зависимости от индивидуального ФС, можно сделать обучение более индивидуализированным и, следователь­но, более эффективным.

Компьютеризованная полиграфия физиологических показате­лей может помочь в идентификации состояний тревожности, аг­рессии или депрессии для последующей коррекции негативных эмоций. Среди различных процедур, используемых для коррекции негативных отношений к учебе, существует весьма обещающая процедура, базирующаяся на активации исследовательского пове­дения, которое является антагонистом депрессии и тревожности. Компьютеризованная технология обучения уникальна для созда­ния обучающих программ на основе процедуры «обучение через исследование».

В общем виде идея двухконтурного управления процессом обу­чения представлена на рис. 64. Видны два контура с обратными связями: слева — блок стимуляции, справа — сложная живая сис­тема, обрабатывающая информацию. Верхняя часть рисунка дает представление об управлении обучением по результатам приобре­тенных знаний. Существуют различные способы оценки знаний. Однако в последние годы в психофизике наметилось новое перс­пективное направление, которое дает возможность на основе по­строения семантических пространств получать информацию о структуре знаний ученика по конкретному материалу, а не только оценку по уровню знаний (Терехина А.Ю., 1986). В нижней части рисунка показан контур управления по психофизиологическим па­раметрам состояния.

Рис. 64. Схема двухконтурного управления процессом обучения: по ре­зультатам приобретенных знаний и по результатам мониторинга индиви­дуального функционального состояния.

Накопление физиологических данных в компьютере позволя­ет осуществлять продолжительный контроль за эффективностью обучения. ФС сильно зависит от подкрепления. В процессе обуче­ния субъект сталкивается со сложными задачами. Если в условиях выработки тонкой дифференцировки сигналов субъект получает только негативное подкрепление, могут возникнуть невротичес­кие реакции. Результатом этого может быть появление негатив­ного отношения к специфическому предмету или обучению как таковому.

Если требования, предъявляемые процессом обучения, оказы­ваются выше информационной способности учащегося, то в силу реципрокных отношений между ориентировочным и оборонитель­ным рефлексами происходит подавление ориентировочного реф­лекса за счет замещения его оборонительным. Пассивная форма оборонительного рефлекса характеризуется депрессией или поте­рей интереса. Активная форма оборонительного рефлекса выражается в различных формах агрессивного поведения. В случае появле­ния оборонительных реакций вся ситуация обучения может стать сигналом для развития негативных эмоций. Подавление негатив­ного отношения к процессу обучения может быть достигнуто лишь путем стимуляции творческой активности, которая связана с по­зитивным эмоциональным тоном. Обучение, которое строится на исследовательской деятельности, является наиболее эффективным обучением.

Оптимальный уровень активации мозга сопровождается вызовом фазических ориентировочных реакций, отражающихся в ЭЭГ-реакциях активации, расширении сосудов лба, падении сопротивле­ния кожи и снижении частоты сердечных сокращений. Учебный материал, вызывающий ориентировочный рефлекс, хорошо запо­минается. Привыкание ориентировочного рефлекса в результате повторного предъявления материала может быть устранено через произвольный ориентировочный рефлекс, закладывающий осно­ву для творческой инициативы.

Могут быть дифференцированы два типа активации: продук­тивная активация, базирующаяся на ориентировочном рефлексе, и непродуктивная активация, связанная с тревожностью и агрес­сией как формами оборонительного рефлекса. Роль компьютерной полиграфии в обучении состоит в том, что она позволяет выявлять неоптимальные функциональные состояния: непродуктивную, высокую активацию, связанную со стрессом, тревожностью, аг­рессией, или сниженный уровень активности за счет отсутствия мотивации или отказа от работы из-за утомления. Манипуляция ФС учащегося позволяет вести обучение в коридоре продуктивной активации, связанной с ориентировочным рефлексом.

Контроль за активацией ориентировочного типа может быть построен на оценке частоты сердечных сокращений (ЧСС). Ори­ентировочный рефлекс выражается снижением ЧСС, которому соответствуют ЭЭГ-активация и высвобождение ацетилхолина в коре, что позволяет использовать фазические реакции снижения ЧСС в качестве индекса ацетилхолиновой модуляции кортикаль­ных нейронов, необходимой для процессов обработки информа­ции. Ацетилхолиновая сенситизация кортикальных нейронов об­легчает процессы внимания и научения. Базальная холинергическая система переднего мозга, регулирующая высвобождение АХ в коре для поддержания бодрствования и избирательной активации к значимым стимулам, рассматривается как необходимый компо­нент произвольного ориентировочного рефлекса и устойчивого внимания. Косвенным индексом возрастания холинергической акти­вации коры является коактивация сосудистой и дыхательной модуляций сердечного ритма, которая положительно коррелирует со сни­жением ЧСС и реакциями внимания. Величина сосудистой и дыхательной модуляций может быть измерена по спектру мощности СР, отражающему вклады трех основных ритмических осцилляторов мозга, модулирующих ритм, задаваемый пейсмекером сердца. СР может рассматриваться как окно в мозг, через которое открываются широкие возможности для контроля за функциональным состоянием, обеспечивающим протекание информационных процессов в мозге.

Активация ориентировочных реакций облегчает процесс обучения. Творческие задания стимулируют устойчивую ориентировочную активность. «Обучение через исследование» — эффектив­ный принцип реализации оптимальных форм компьютерного обучения.