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科学家来告诉你知识在大脑中是如何进行转化的
来源 : 科学之家   发布时间 : 2015-04-22 17:02

图片说明:当你在学习一个新的技术性概念时,大脑内部发生了一些变化,但具体发生了些什么,至今无从所知。卡内基•梅隆大学(Carnegie Mellon University,CMU)的科学家首次追踪了人们在学习技术性概念时大脑的运行过程。这一发表在NeuroImage的报告揭示了在不同的学习阶段时期,大脑是如何构建一种新的技术知识。该发现还预示着人们有能力通过检测脑部的变化对教学效果和学习效率进行评估。图片来源:Carnegie Mellon University


当你在学习一个新的概念时,你的大脑发生了一些变化,但具体发生了些什么,至今无从知。

卡内基梅隆大学的科学家首次追踪了在学习技术性概念时大脑的运行过程。这一发表在NeuroImage的报告揭示了在不同的学习阶段时期,大脑是如何构建一种新的技术知识。该发现还预示着人们有能力通过检测脑部的变化对教学效果和学习效率进行评估。

Marcel Just谈到一点:“该研究提供了初步的、基于大脑的、与教学方法相关的机械系统的学习理论,并形成了有助于科学学习的认知过程。因此,我们将能够评估某些指令序列,是否会在大脑中形成比其他序列更好的或像专家一样更加专业权威的结果。该研究也将使得教师们能够在教学过程中向‘认知教学’转变,而绝不仅仅为了应试的目的进行教学。”

作为该研究的第一作者,Just和卡内基梅隆大学的同事Robert Mason一起扫描查看了16位健康成人在首次学习四个常见机械系统的运行原理时大脑内部的运行状况。当进行大脑内部扫描时,参与者观看了一系列图片、图表和文本,内容涉及浴室磅秤、灭火器、汽车制动系统和喇叭的内部运行。

这种阐释顺序使研究人员能够在每一学习阶段后对参与者的大脑状态进行检查。比如说浴室体重秤表示为一张示意图和一些描述性话语:“一台浴室体重秤包括一个杠杆、一个弹簧、一个棘齿和一个表度盘”。体重称的操作则是由一组因果解释来描述,例如“人的体重对杠杆产生一个向下的力。杠杆以和体重成比例的力向上拉动弹簧”。示意图中的相关部分分别由解释性话语进行强调。

Just和Mason使用功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI),来演示每个新的概念是如何跨过大脑的多个区域,从文字和图片形式变成神经示意图。有趣的是,他们发现神经示意图进程有多个阶段,每一个阶段都会涉及到大脑中发挥不同作用的部位。首先,在物理结构方面,机械系统首先在视觉上进行初次展示。在中间阶段时,学习者使用精神动画,想象机械部件的运动来推断它们是如何在因果链条上相互作用,并且学习者大脑的顶叶、颞叶和额叶区的皮层也进行了相互联系。在教授课程结束时,参与者同时运用大脑的额叶和运动区域,想象一个人(大多数是他们自己)会与该系统进行互动。

作为一名资深研究心理学家,同时也是神经认知中心成员(the Center for the Neural Basis of Cognition,CNBC),Mason说道:“神经影像使我们不仅能探究结束状态,还能够探索大脑在学习过程中的中间状态。当你得知施加在封闭流体上的力与汽车的刹车运作方式相关,以及施加在封闭流体上的力是如何与灭火器的工作原理产生联系时,大脑对两个毫不相同的系统的呈现在二者的共性方面得到了提升。这证明,恰当的教学指导可形成对事物如何在较深层次上运转的基本理解。今后,就大脑的呈现深度而言,能够达到该深度的教学指导可能会应用到其他学科和科学概念中。”

这一新的研究融合了大脑科学和教学创新,也融合了卡内基梅隆大学的两个创新。作为人工智能和认知心理学的摇篮,卡内基梅隆大学已引领大脑与行为研究有50多年。这所大学培养了首批认知导师,帮助研发Jeopardy-winning Watson,开设具有划时代意义的神经计算专业的博士课程,并完成了自闭症遗传学研究的前沿工作。通过加强生物学、计算机科学、心理学、统计学和工程学等学科优势,卡内基梅隆大学最近展开了一项名为BrainHub的项目,这是在全球范围内首个关于大脑的结构和活动如何引起复杂行为的研究。

以卡内基梅隆大学最近的一位诺贝尔奖获得者,人工智能技术教授和共同创立者Herbert Simon命名的“西蒙倡议”(Simon Initiative),利用了卡内基梅隆大学发展数十年的学习科学这一跨学科生态系统,旨在显著提高学生的学习效果。(科学之家,译审:Y Sun)


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