基於腦的學習

壹、腦與學習
人類的腦是一個富有高級智慧和巨大潛力的重要器官,它的結構和功能的複雜性,隨著科技、研究方法的不斷更新和跨學科科學家通力合作下,有關其高級的認知機能已有了突破性的發展。這些成果目前也成為教育領域用來理解人類學習和改革傳統教學的重要依據,例如Bransford等人(1999)提出的:「大腦的不同區域可能在不同的時間進行學習,學習改變大腦的生理結構,而結構的變化改變了大腦的組織功能(意即學習組織和重組了大腦)。」Caine和Caine(1990, 1994)根據有關大腦研究的成果整理出十二條與腦有關的原理,他們認為這些原理可做為基於腦(brain-based)的學習理論,應用於教育上非常有助於我們突破傳統學習觀念和重構出新的教學概念。而Hart(1983) 則根據人腦處理訊息的研究,以及觀察環繞在我們生活四周處處都呈現「與手相容(hand-compatible)」之工具、機械和鍵盤等適合手操作的設計現象,和對人類自然學習行為的觀察,於是提出了「與腦相容 (brain-compatible) 」的學習觀點,他主張課程和教學的設計應與人腦運作模式及學習傾向相容,這樣學習的狀態才會最好。
此外Caine和Caine(1990, 1994)根據有關大腦研究的成果整理出十二條與腦有關的原理,這十二條原則是:
1. 腦是一個平行處理器;
2. 學習涉及整個生理;
3. 對意義的探討是與生俱來的;
4. 意義的探討是通過組型(pattern)而發生的;
5. 情感對於組型創建具有關鍵性的影響;
6. 腦同時對部分和整體進行加工處理;
7. 學習既包括集中注意也包括邊緣性感知;
8. 學習總是包括有意識過程和無意識過程;
9. 我們至少有空間記憶系統和進行機械學習系統等兩種不同類型的記憶;
10. 當事實與技能鑲嵌在豐富的空間記憶中時腦的理解與記憶會最佳;
11. 學習因挑戰而增強因威脅而抑制;
12. 每一個腦都是獨具一格的。
他們除了提出上述十二條與腦有關的原理外,亦提出了十二項有關適合大腦學習的環境原則性說明,包括:
1. 激化與調和多元智能的教學設計;
2. 引導腦、身、心整體投入的學習活動;
3. 充分的準備,提供安定、熟悉、豐富的學習環境;
4. 充分的時間及自主的組型搜尋空間;
5. 營造無威脅、積極投入的學習氣氛;
6. 整體與局部的學習交互進行;
7. 適時補充課外教材;
8. 提供後設認知技能與檢視學習過程的機會;
9. 注意學習的統整性與脈絡性;
10. 提供社會互動及合作學習的機會;
11. 增加學習的新奇性與挑戰性,減少威脅與焦慮;
12. 採用多元化、動態、真實評量方式。
基於腦的原則,腦會對有意義和無意義的訊息與情景作出不同的反應,而學習中的一個重要因素即是意義。意義一方面與訊息加工的深度相關聯,一方面意義是技能發展和工作滿意度的重要成分,教育中的很多問題都源於將意義棄之不顧或誤解。又從腦的科學中研究中引伸出一條具有非常重要意義的觀點:「所有的學習都是經驗性的,且取決於整體的經驗。」由於我們並不僅是從自己的經驗中自動學到足夠的知識,重要的還在於我們如何使用經驗,因此,教學既需幫助學生擁有合適的經驗,也需要幫助學習者利用經驗。基於意義和經驗的這一過程 Caine和Caine (1990,1994)認為從資訊的記憶轉移到有意義學習的改變中,有三個相互作用的要素十分重要,它們是:放鬆的警覺(relaxed alertness)、編排的浸潤狀態(orchestrated immersion)和積極加工(active processing),且這三種要素之間是相互作用的。
「放鬆的警覺」旨在增加學習的新奇性與挑戰性,減少威脅與焦慮,使心智狀態與腦偏愛挑戰、腦對意義的搜尋模式相符合,因此,教師應該提供一種氛圍,使學習者處於低威脅與高挑戰所聯結成的一種感覺下,自信自在的去探索新的思想和聯結。
「編排的浸潤狀態」旨在安排多元、複雜、真實性經驗的學習環境,關注學習者怎麼與內容接觸,意即如何讓學習者將其生活運轉中之時時刻刻都在感知、感覺、聯結和加工的這些複雜經歷的所有成分,可參與到教育的探險活動中。因此,教師需要為學習者編排一個豐富、真實可讓其浸潤在複雜、相互作用的經驗機會,以便學習者能在符合創造性、關聯性和自發性上的那種輕鬆和愉快的情境中得到完整的體驗。
「積極加工」則是關注於意義的生成,指學習者通過一種對其具有個人意義和概念一致性下的方式強化和內化訊息,意即學習是要更深刻的去理解而不僅僅是記憶,並能獲得對問題、問題的處理方式和學習上的一種領悟和洞察,這一過程需由學習者經後設認知(metacognition)的反思來達成,包括在搜尋相關學習上的東西時產生更廣泛的啟示,和在聯結、識別對待自己的偏見與態度以及進一步開發出思維技能與邏輯能力。
大腦、學習和環境充滿著交互的影響和作用,而基於腦的學習原則可為教育上的啟示總結而言可從學習者、教學和學習環境來說明。
在學習者方面:學習者和教學者必須覺察並體會人是「意義的建構者」對於意義的搜尋不會終止,只會不斷集中;且必須積極的對自己的經驗進行適當而充分的加工;並必須去創造有意義的、與個人相關的模式。
在教學者方面:教學需要一個參考框架,並允許從大量的可行的方法組合中做出選擇;同時要盡可能將處於學習者注意焦點之外的材料組織起來;並避免過分的強調事實的記憶以免使學習者枯竭,及產生影響理解發展的後果和學習無法有效的遷移現象。
在學習情境方面:應利用大量的「真實生活」活動,並整合各種學習方式和內容,使學習者浸潤於大量的情境與互動經驗之中而充分運用所有的感官;且必須創造一種放鬆的警覺狀態(a state of relaxed alertness)提供出一種低威脅和高挑戰的學習氛圍。

貳、腦的結構與生理基礎
二十一世紀是世界公認【腦的世紀】,在醫學影像造影領域的科技進展已容許科學家們採用前所未有的策略來探討腦的奧秘。近年來,一些腦神經專家的研究也都明確的指出,每次當我們學習(思考)的時候,我們的腦子就產生了變化。學習的環境及情緒會改變我們腦的功能,豐富的學習環境及良好的情緒反應及正確的學習方法,會增加腦的重量及神經纖維的分布;不良的環境,則會減少細胞的數目,神經纖維的分布也將慢慢被刪節。

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圖一 腦影像技術(男女聽覺反應激活區域)

一、腦之結構
大腦由對稱的左右兩個半球所構成。兩半球的中間,有一個前後走向的深溝,稱為大腦縱裂,由此裂溝分大腦為二,即通常所稱的大腦半球。縱裂底部,則由胼胝體相連。大腦半球的背側面各有一斜走的溝,是為大腦側裂。此裂的上方約當半球的中央處有一自上走向前下方的溝,為中央溝,大腦每一半球又區分為四個葉。

大腦的分區系統
1. 腦幹,稱之為本能腦;控制許多基本的功能,包括呼吸、心跳速和直覺-例如遇到危險時,是要抵抗或逃走。
2. 邊緣系統,包括與記憶功能關係密切的海馬迴和情緒中樞;這一腦的部位就像衣領一樣包圍著腦幹,邊緣系統最主要的部分包括丘腦下部和扁桃體,是情緒控制中心,也是維持身體內部平衡的中樞。它控制著賀爾蒙的分泌、口渴、饑餓、性慾、快感、新陳代謝、免疫功能和長期的記憶功能。
3. 新皮質(或稱思考性腦部),包括左右半腦,皮質部大約只有八分之一吋厚,呈皺褶狀,如果把皺褶張開,則大約有一張報紙的大小。新皮質控制著人類的視覺、聽覺、創意、思想和語言能力,它是人類從事學習和記憶所需能力的所在。

腦葉區域功能
大腦分為四區,分別稱為額葉、頂葉、枕葉和顳葉。額葉位在前額頭周圍區域,和判斷力、創造力、問題解決與規劃的能力息息相關。頂葉位於頭頂後部,負責處理高層次的知覺作用以及語言運作。枕葉位於大腦後面中間的位置,主要負責視覺。顳葉分別位於兩耳的上方及其周圍不為,這個區域主要負責聽覺記憶意義和語言。不過,四個腦葉之間功能也有相互重疊的情況。
大腦中間區域有海馬迴、視丘、下視丘和杏仁核。此中腦區域又稱為邊緣系統,杏仁核即是負責處理情緒的組織。了解大腦各功能區域的分佈,讓我們也了解到人類的「意識狀態」是分布於各處的現象。

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圖二 大腦的構造和功能區

二、神經元的構造及訊息傳遞
神經元分布於各處,因而形狀大小也各異,但都有一個細胞體及無數的神經纖維兩部份。神經纖維分為二種:一種是把神經衝動傳到細胞體的樹突,另一種是把細胞體所感受的神經衝動傳到另一個神經元的叫做軸突。當神經衝動由甲神經元傳到乙神經元的時候,就是由甲神經元的軸突,傳到乙神經元的樹狀突。兩種突起相接近的地方叫做神經突觸。當神經衝動到達軸突末端時,會刺激神經突觸囊放出化學物質及突觸小泡,到突觸縫中。這種具傳導作用的化學物質,與收受細胞中的受納化學物質組合起來,放電,而使接受細胞興奮起來。
神經元擔任傳送訊息的角色,每一個神經元具有接收和傳遞訊息功能,但訊息只能單方向流動,從細胞體下傳到軸突,然後到突觸;每一個神經元只有一個軸突,軸突外層包覆著著髓鞘,刺激以電能的形式傳送訊息,以及傳輸化學物質,因此軸突(髓鞘)越粗厚,傳送電能和化學物質的速度越快。而神經元與神經元間的相互連結,連結的越細密,訊息的溝通就越有效。由此我們可以了解到,學習是神經元的主要功能,然而它無法獨立完成,必須靠一群神經元共同合作才能完成。

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圖三 神經元與神經傳導

三、腦神經的發展
 在第四個月時,就有2000億個神經元。
 在第五個月時,一半的神經元未能與其他區域連結而凋亡(防止過度擁擠)。
 在第十個月時,未受髓鞘保護、未連結的就不活潑(與營養有關)。
 3歲以前,80%的突觸(synaptic)已經有連結。
 3-10歲,環境愈豐富連結就愈多。
 11-13歲青春期神經元連結放緩,二個過程啟動:
腦內有用的連結被永久保留。
沒用的被刪節(凋亡)。
 形成獨特的腦神經結構模式。

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圖四 腦神經的發展

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