人是如何学习的 I: 第五章 心理与大脑

大部分大脑皮质是由 “静区” 组成的. 现已知道这些静区能调节高级认知功能, 这些功能不直接与感官或运动神经活动配接.

非侵入性成像技术(正电子放射断层 X 涉嫌摄影术 PET, 功能性磁共振成像 FMRI).

观点:

  1. 学习改变大脑的物质结构
  2. 结构变化改变了大脑的功能组织(学习组织和重组大脑)
  3. 大脑的不同部位适合于不同时段的学习

大脑: 学习的基础

信息 -> 轴突 -> 突触(刺激/抑制) -> 树突 -> 神经元细胞体

突触添连大脑的两种方式:

  1. 突触产出过剩, 选择性消失(比喻为雕刻过程), 例: 视觉皮质. 通常在生命早期;
  2. 添加新突触, 涵盖人的一生(人生后期更重要), 是一部分/大部分记忆的基础.

视觉剥夺实验:

  1. 发展早期剥夺一个眼睛的视觉经验, 将失去把视觉信息传递到中枢神经系统的能力.
  2. 后期矫正不起作用.
  3. 正常眼比障碍眼多高于平均数的神经元
  4. 剥夺时间越迟, 影响越小. (6月后, 蒙眼无作用).

大脑不同部位, 突触产出过剩和选择过程不同.

原视觉皮质: 突触密度峰值出现快

中前皮质(与高级认知功能相连): 突触产出从出生前开始, 直至五六岁结束; 选择过程则持续第二个四五年(青春早期)

与学习经验相连的活动促使神经细胞创造出新突触.

经验与环境对大脑发展的影响

复杂环境下饲养动物比圈养动物, 每个细胞的毛细血管更多.

环境中玩耍和探究的老鼠, 大脑皮质重量和厚度明显改变, 比标准实验笼鼠 解决问题更出色.

社会群体中的接触利于大脑发展.

在复杂环境中生活的动物, 其视觉皮质中 神经细胞的突触拥有量比标准笼圈养动物高 20-25%. 学习使得大脑有了新的连接, 该现象不限于早期.

复杂环境中, 奔跑/玩耍/练习将激活大脑. 若仅有激活 而动物并没有实际学习, 是否能使大脑产生变化?

  1. “杂技演员”: 跨越障碍物训练, 能出色完成任务 -> 高神经细胞突触数量
  2. “强制练习者”: 每天踩30分钟脚踏车, 休息 10 分钟再踩 30 分钟 ->高血管密度
  3. “自愿练习者”: 自由接触笼中轮 -> 高血管密度
  4. “控制组”: 标准笼鼠, 无练习

结论: 学习增加突触, 练习则不能. 突触和血管的形成是大脑适应性的两种形式.

具体任务学习能使适合该任务的大脑区域产生局部变化.

  1. 年轻成年动物走迷宫 -> 大脑皮质视觉区域变化
  2. 蒙一只眼 -> 无遮盖眼所连大脑区域变化
  3. 学习复杂运动技能 -> 大脑皮质的运动神经, 小脑(与运动神经活动相协调的后脑结构) 结构变化

结论: 学习赋予大脑新的组织模式.

教学在大脑发展中的作用

来自环境的信息有助于大脑的组织. 例子: 语言的发展.

感知音素(最小有意义语言单位)的能力: 感知与嘴唇开合时间相关的音素时间. 区分 bet 和 pet.

幼儿相比成人能区分更多的音素界限, 但若缺乏口语经验的支撑, 则失去这种区分力. 例子: 日语 r/l 难区分.

大脑皮质区的突触消失过程相当缓慢. 不同的大脑系统按不同的时间架构发展, 由经验和内驱力驱动. 因此儿童更容易在不同时期学习不同的知识.

大脑存在独立的区域处理 听/读/说/成词 的子任务. 这些是否需要分别训练?

语言加工通常与左脑相关. 学习手语的聋人通过视觉(形状, 空间位置和平行视觉感知)替代听觉, 不同的神经系统加工替代了正常情况下用于语言加工的神经系统.

  1. 聋人大脑中, 某些正常加工听觉信息的皮质被组织起来加工视觉信息
  2. 是否使用手语的聋人, 脑电活动存在主要差异
  3. 使用手语的正常人和聋人存在共性, 是因为参与语言活动的共同经验.

结论: 具体类型的教学可以修改大脑, 从而选择性地感知输入完成适应性任务(交际任务)

遭受打击/大脑部分切除个体, 不可自然恢复. 通过提供指导和长期训练, 可能部分或全部恢复失去的功能.

记忆和大脑加工

陈述性记忆: 对事实/事件的记忆. 在涉及海马的大脑区域;

程序性/非陈述性记忆: 对技能/认知操作的记忆. 在涉及新纹路的大脑区域.

指代同一物体, 图片相比词语记忆效果更好.

大脑不仅是事件的被动记录仪, 还是主动参与信息的存储和回忆. 例子: 随机呈现一系列事件, 人尝试以有意义的序列重新调整而进行回忆.

学习的特征: 回忆加工, 使之与其他信息建立相关的联系

询问儿童假事件是否出现, 儿童一开始会回答 “否”, 但是反复讨论该事件后, 儿童会相信 “是”, 甚至详述不存在的细节和证据.

对成人重复单词列表, 则是激活了大脑同一区域直接经历的事件/词语.

结论: 错误记忆能够迫使个体所说的事件.

记忆加工既处理正确记忆事件, 也处理错误记忆事件. 它能激活相同的大脑区域, 而不管所记忆的东西是否有效.

大脑是一个动态器官, 很大程度是由经验塑造.

小结

  1. 大脑和心理的功能性组织取决并得益于经验
  2. 发展不仅仅是生理驱动的拓展过程, 也是从经验中获得基本信息的主动过程
  3. 经验在具体的敏感时段具有最大的效应, 而另一些经验在更长的时段中能不断影响大脑;
  4. 需要确定与教育有关的重要问题, 那些东西与关键期密切联系, 而哪些东西与时间无关.

人是如何学习的 II: 第三章 学习的类型和不断发展的脑

学习的类型

场景举例:

  1. 勾股定理学习.

动机: 取得成绩/留好印象/打基础/理论之美.

学习 “规则”, 用文字/图片对公式进行 “编码”, 以便后续 “检索”. “联系” 空间模型和代数符号, 学习如何将概念 “迁移” 到新情景.

  1. 吉他训练.

动机: 弹唱 -> 演奏心爱作品 -> 创作

动作学习(精进指尖技能), 知觉学习(听录音辨别和弦韵律), 观察学习(现场演出/录制节目)

  1. Foldit 蛋白质折叠游戏

动机: 娱乐; 教育/训练对现实的解决能力.

找到能量值最低态的蛋白质构型.

创造了新工具, 通过协作学习共享解决方案.

习惯.

  1. 习惯有益也有害.
  2. 个体可意识到自己的习惯, 但习惯的学习/去除都是逐渐且无意识的.
  3. 习惯倾向于自我强化. 因此有 “积习难改”.

决定/行为发生后立刻受到奖励, 则会得到强化. 奖励可能是外部的, 也可能是内在的.

奖赏的时间和频率.

  1. 练习可能不会改善表现, 使得吉他练习被放弃;
  2. “是否完成” 相比 “是否高分” 否定检查作业的努力.

可预见的奖励降低习惯的持久性. 如果奖励理所应当, 好习惯的益处就不明显.

坏习惯由于偶尔的奖励更难去除. 例如拖延症的形成. 例如孩子发脾气, 父母的妥协会形成奖励.

由习惯驱动的行为是普遍存在的, 许多行为没有经过有意识的筛选. 例如刷手机(消极)和晨练(积极).

新习惯的形成可能需要努力和强意志力的参与, 随着时间推移显现成效. “万事开头难”.

例子:

  1. 良好的练琴习惯对于学习新作品/技能非常重要.
  2. 没有良好的学习习惯(集中注意力, 写作前构思, 定期总结阅读材料), 人会产生不耐烦情绪.

培养习惯. 经典条件作用(巴普洛夫): 喂食响铃 -> 响铃也会引起唾液分泌. 也可能导致不良后果(味觉厌恶/受虐儿童的反社会策略).

不仅适用于心理过程, 也适用于身体过程. 例子: 免疫系统可受经典条件作用(味觉刺激增强/抑制). 心理神经免疫学.

观察学习

无论是否模仿, 观察(无尝试学习) 都能学习. 观察学习增加学习者的行为, 降低尝试后错误的学习成本.

观察学习是一项复杂技能(要求高级认知能力用于模仿, 诠释, 推理).

观察学习表明, 学习者所处的社会环境非常重要. 例子:

  1. 榜样示范. 学习者需要注意到示范行为的关键要素, 忽略无关特征; 记忆并复现观察的内容.
  2. Foldit: 观察同伴的特定解决方案;

描述性规范: 针对社会相关人员的行为标准, 通过观察同伴的实际行为获得. 指令性规范: 描述人们应有的行为举止准则, 如上级部门所提供的.

例子:

  1. 老师说 “上课的时候不准玩手机”(指令性规范), 但学生们都在上课玩手机(描述性规范).
  2. “虽然老师说不准玩手机, 但不要玩手机” 这类标语, 反而会助长逆反效果, 即玩手机是可被容忍的.

同伴学习: 鼓励学习者互相交流/指导. 通过描述性规范, 建立高质量同伴学习的课堂文化.

文化差异对观察学习的影响.

研究者向孩子 A 展示玩具组装(任务 A), 孩子 B 则独自在附近完成另一个任务(任务 B)且未被指导. 接下来, 孩子 B 被要求组装玩具, 发现其自发地观察孩子 A 学习了玩具的组装.

不同背景的孩子 B:

  1. 玛雅儿童(习得最多的孩子通常来自玛雅传统习俗的典型家庭): 孩子 A 接受指导时专注观察;

  2. 美国儿童/接受西方教育的玛雅儿童: 更专注于自己的任务(任务 B), 而不是去观察他人.

内隐模式学习/统计学习

个体在某特定环境中学习规则性模式(regular pattern), 但无主动意图.

不同物种, 不同年龄的人类均表现. 与智商无关.

例子:

  1. 随机录音, 包含固定音节序列, 婴儿将会对录音产生兴趣. (纯粹随机录音应当表现为无偏好).
  2. 语言学习. 听到新动词 verb. , 尝试使用过去时态 verb. + ed 或者 hide-hid / write-wrote 变式, 但是不太可能使用 从未有过的变式方式. 这是因为学习者无意识地学习了英语中过去时态的规则.

需要对环境长时间体验且渐进地发生. 如对不同颜色大小的圆点进行模式聚类.

知觉动作学习

个体通过感官体验来学习技能. 学习者可能无法用言语来表达学习发生过程.

例如: 1. 练习高尔夫球挥杆; 2. 听辨大小和弦差异; 3. 熟练操纵汽车…

训练方式可能加速训练进程, 但是无法让个体在不长期练习的情况下熟练掌握技能. (进步是由练习带来的, “学习的过程总是痛苦的”).

例如:

  1. 看双语美剧学习英语, 可能对英语学习有促进作用, 但是无法替代练习过程;
  2. 看 3blue1brown 视频学习数学, 可能对数学学习有促进作用, 但是无法替代对定理思考, 困惑, 解惑的过程.

为什么很多学生在课本上没学懂的数学知识在3blue1brown上却学懂了？

没有 Loss 就不会有 Update，没有困惑就不会有进步。3Blue1Brown 就是一步步带着你的大脑走了一遍 Inference 模式，你只需要确认，是这样，对，是这样，就是这样的，就行了。Prediction ≈ Target，Loss ≈ 0，进而 Gradient ≈ 0。你的大脑神经元的连接没有收到任何需要调整的信号，你的大脑神经网络结构也就没有发生任何物理上的改变。眼睛懂了，脑子没懂。知识流过了你的大脑，但是你的大脑没有留住知识。

运动学习(游泳, 骑自行车…)通常都是特定/具体的. 若要求一般吉他手切换惯用手, 会退回新手水平. 这种高特异性与大脑区域的变化成都有关.

知觉动作学习可以使个体的知觉系统产生强烈变化. 例子: 麦科洛效应

只需 3 分钟的体验就能对视觉产生持久且难以抑制的影响.

短暂的体验可以迅速改变未来知觉. 例子: 先观看模糊处理图像(困惑), 再观看原清晰图像, 回去看模糊图像的困惑降低甚至消失. “知识的诅咒”.

知觉动作学习在学业知识发展中也会发挥重要作用.

  1. 阅读中视觉辨别字母的能力;
  2. “专业眼光”: 考古训练使得人们改变对泥土纹理和色泽的感知;

结论: 通过组织教学, 提高学生利用知觉学习的能力. 例子: 将解析式和函数图像选择配对. 只提供正确答案而不做解释. 对照组有助于人们学会感知独特的特征.

事实学习

有意或无意地学习事实/信息.

惊人的事实: 只需为学习者呈现一次惊人的事实, 学习者就足以记住并回忆起它, 尽管很可能忘记是在何时何地学到的.

事实学习是人类最擅长的一种学习. 例子: 旅行者被告知某种蘑菇有毒(通过体验来学习是不实际的).

通常在学习者具有大量背景知识的情况下, 单个例子/实际才能足够.

重复检索事实的过程可以增强记忆力.

学习者将新信息与已有知识相联系, 学习效果会得到提高. 例子: 出租车司机对连续线路的街道记忆优于随机街道的记忆.

结论: 相比于孤立事实, 处于丰富信息结构种的事实更容易被记忆.

通过推理学习

“溯因推理”: 推理未必是正确的, 却是推进理解的必要过程. 例子:

  1. 亚当斯和勒维里耶根据引力摄动推断海王星的存在.
  2. 化学生推断 “酸”/“碱”.

模型建构:

  1. 日-地-月 三维绘图, 动画模型;
  2. 音乐 “五度圈”;

模型在不恰当情景产生误导. 例子: 牛顿力学无法预测黑洞.

基于模型的学习: 配备适当模型的学习者可以预测远超出最初经验情景的新情景, 例子: 热水中扩散比冷水中扩散快.

地平视觉体验和地球论的整合, 带来 “圆盘论” 的迷思.

克服基于模型的迷思概念是正式教育的目标. 策略: 了解学生自己的模型是什么. 然后通过特例来对该模型进行质疑, 从而改进模型

  1. “阀式模型” 和 “反馈模型” 是两种加热系统. 环境 55 F, 目标 65 F.
  • 阀式模型: 设定 75, 从而希望更快升温;
  • 反馈模型: 设定 65, 系统自动调节, 设定为 75 也不会更快.
  1. 对 “未来” 概念的体验.
  • 美国居民: 未来是 “前方”;
  • 艾马拉人: 未来是 “后方”, 因为未来是看不见的.

模型使学习者更容易描述/组织/解释/预测/交流.

自己创造模型对于学习者是有益的活动. 在每种学习方式中, 应当鼓励学习者发现/借助教学指导来探索现象背后的适用规则/模式/原理. 例子: Foldit 玩家设计算法提高折叠蛋白质的效率;

学习者受针对性指导时, 推理学习最有效. 初学者可能因为缺乏足够的了解而感到气馁.

教育者提供一定水平的针对性指导, 使学习任务处于适合学习者的难度水平(“最近发展区”): 提供关键知识, 提供实例, 协助假设, 提供建议…

大多数学习经历涉及多种类型的学习, 而非仅仅一种. 教师设计学习环境前, 需要决定想要达成怎样的学习.

学习与脑

  • 经验和遗传共同促成人类发展中可以观察到的变异;
  • 从受孕到二十岁, 人脑都在发展: 生命自动功能 -> 认知/运动/感知 -> 复杂整合, 价值驱动的长时决策
  • 早期逆境对脑发展产生重要的短期和长期影响.

脑发展

  • 胎儿时期: 新神经元 突触 有髓神经纤维迅速形成, 脑中结构元素超过自身需要;
  • 学龄前期: 脑体积相较过去增加四倍, 6 岁达到成人脑体积 90%.

神经元和突触会被修剪, 持续到个体青春期后: 使用的突触保留, 不适用的突触消除. 大大改善个体大脑内部的联网能力和皮层传递信息的效率;

  1. 关键期: 视力发展. 在婴儿期若缺乏视力发展机会, 大脑的视觉区域将永远受损.

  2. 敏感期: 与看护者的依恋关系, 语言接触, 青春期. 时间点相对不固定, 并且剥夺和弥补的效果较为模糊.

关键期和敏感期都会影响个体发展, 其中断导致生命后期难以在受影响区域进行信息加工处理.

青春期饮酒可能在未来滥用药物; 精神疾病易感人群, 青春期社交孤立和药物滥用.

环境刺激和训练影响整个生命期的脑发育. 随着学习者习得新知识, 皮层中的不同区域为这些功能产生特异性. 这些结构是构成复杂认知和社会情绪功能(学习/记忆/自我调控/社会联结)的神经系统的基础.

  • 第四个十年: 大脑皮层厚度和连通性发生变化, 代表成年人衰老过程认知能力减退的开始.

脑对学习的适应

不同脑区相互作用, 没有任何学习技能可以仅靠某一区域完成, 一个脑区也并非只有单一功能.

学习者在动态地, 积极地构建脑网络. 脑发展引领认知发展, 脑塑造经验的同时也被经验所塑造.

人脑具有很强的适应新现象的能力. 所用时间远短于与进化有关的时间. 书写/符号数学(6000 年) 相比进化尺度的时间短得多. 阅读和数学推理设计特定的神经区域

  1. 神经组织的共享和再利用. 人们通过对起初可能用于其他目的的脑区和脑回路的再利用来解决新的认知任务

看似不同类型的学习实际共享相同的脑回路. 例子:

  • 海马体 事实学习/规则学习/空间导航/统计学习
  • 盲人也可以使用视觉皮层. 执行空间任务(声音方位)时, 会运用视觉皮层的子区域. 视觉皮层空间推理部分的活动在盲人解决听觉/触觉 空间任务时活动增强. 负责视觉任务的脑区可以被有效利用于非视觉的空间任务中.
  1. 脑的各部分在个体的整个生命周期内进行谐振, 以对需求和经验做出回应. 刺激处于理想水平时, 神经回应程度最强. 这种现象被称作 “调谐”.
  • 识字者比文盲的脑对单词显示出更大程度的特异性; 成年人比年少时学习阅读需要调用的脑区更广阔.
  • 小提琴手: 左手的感觉皮层活动比右手更强烈(左手需要按弦).
  1. 人脑如何有效适应新的文化需求?
  • 身体, 脑区缓慢进化以应对生存和繁殖的挑战;
  • 人类进化过程的文化创新: 石器, 铅笔, 计算器…
  • 个体脑在一生做出适应, 满足对文化的需求和在文化中扮演特定角色的要求.

人对于学习辨别面孔 声音 长期进化史的危险物(蛇, 蜘蛛) 有天生的偏好.

文化创新能够带来改变, 从而能够更好地适应人类能力. 例子: VR 技术, 利用个体导航能力; AI 重现人类社会中师生的互动关系和从专家处获取所需信息的倾向.

个体根据文化环境进行改变的能力. 土著儿童使用砍刀, 而美国家长则不放心儿童单独使用刀具. 个体被给予机会和支持时, 能够成长并达到文化所期望的程度.

与学习相关的脑变化证据

儿童早期-青春期: 急剧脑重组. 中学生可受益于利用特定能力(由青春期经历最大变化的脑区控制)的教学;

儿童大脑皮质成熟顺序和发展的重要支点对应. 运动和感觉最先成熟; 青春期前, 脑皮层增厚; 青春期后, 脑皮层变薄.

脑如何在整个生命过程发展有重要意义.

  • 个体脑发育持续到三岁以后, 乃至第二个十年甚至更长;
  • 脑结构的持续性变化是由于学习和经验的作用, 这些变化会持续到老年期;

  1. 为考试充分准备三个月的医学生相比正常人的大脑皮质呈现灰质增加的现象. 学习促进脑发展, 脑发展促进学习.

  2. 钢琴家和正常人在特定皮层区域的白质结果中存在显著差异;

  3. 普通人经历杂耍训练后, 与未训练的对照组相比脑结构未发生明显变化;

  4. 柔道运动员和高尔夫球手, 前额叶灰质体积增加.

结论:

  1. 脑区域变化可能与练习所花费的时间和付出的努力相关, 而与结果无关;
  2. 大脑皮层厚度不能良好衡量专业知识和专业技能; (神经影像学数据是在特定的时间被收集的, 因此单次测量的作用有限)

经验缺乏如何影响个体脑发展: 福利院儿童早期经验剥夺影响.

  1. 早期剥夺特定种类的学习机会(心理社会, 语言, 感知…) 会导致相关个体整体脑容量(灰质, 白质) 和脑电活动水平的降低;
  2. 剥夺环境下成长的儿童, 在 2 岁前置于高质量抚养环境下, 智商会显著增加.

反复参与文化实践, 会加强完成此类任务所涉及的神经回路, 最终带来神经结构和功能的改变. 例子:

  1. 算盘的使用. 算盘专家在解决问题时, 使用算盘的心理图像来记忆和运算大数字.

  2. 长期从事冥想这类行为练习, 会带来神经结构和功能的长期性变化. 能抑制与年龄相关的脑皮层变薄的状况.

早期的生活经历可以为有效补偿的能力奠定基础. 例子:

  1. 年轻时成为双语者, 与更坚实的认知发展和变老后的认知灵活性有关.

虽然脑结构的变化和整个生命时期的学习没有直接关系, 但是应当注意到:

  1. 人脑在整个生命期持续改变/适应, 但早期环境影响为后续的学习和发展奠定了神经基础;
  2. 许多与年龄相关的脑结构发展是一个发生在整个中老年时期的渐变过程, 并非所有与年龄相关的脑结构变化都和年龄呈现线性关系;

大脑皮层的厚度, 质量, 连通性随年龄增大而降低, 但是老年人会通过征用不同/额外的神经机制来补偿能力的下降.

老年人在执行任务时所调用的脑区不同于年轻人. 老年人脑中一些区域的活动水平会有所下降, 但是其他区域的活动水平有所升高.

结论

  1. 各类学习类型不是独立运作的, 学习者通过决策和适应来测或学习过程; 学习者主动参与到学习时, 会促进多种类型的学习;

  2. 脑在一生中因学习和经验产生结构变化. 早期发展阶段的环境影响将为后续的学习和发展奠定基础.

  3. 脑发展和学习之间的关系为互惠.

  1. 个体学习者不断有意或无意地整合多种类型的学习,以应对其遇到的情况和挑战。学习者整合学习功能的方式由其所处的社会和物理环境所塑造,同时这也塑造了其未来的学习;

  2. 脑的发展贯穿人的整个生命过程,遵循着一条人类大体一致的轨迹,但也会由于每个学习者的环境和经验而富于个性化。脑逐渐成熟,能够产生复杂的认知功能,并且在对挑战的适应中表现出神经学层面的可塑性;

  3. 脑发展与学习之间是互惠的关系:学习是通过相互依赖的神经网络进行的,同时,学习与发展也会涉及神经联结的持续塑造和重塑,以响应外界的刺激和需求。脑的发展影响个体的行为和学习,反过来,学习也影响脑的发展与健康.