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閒話腦神經科學_神經科學與教育
by 陳怡蓁, 2012-08-28 16:15, Views(2084)

神經科學與教育

 

臺灣大學  謝豐舟教授

 

  在神經科學研究風起雲湧之際,教育界也熱切地希神經科學的成果能用在學生的學習上。事實上,在神經科學實驗室裡,學者已經在教育的基本技能,如對數字的認知(numeracy)與對文字的認知(literacy)相關的神經認知發育過有了相當可觀的進展。不過,這些都還是停留在理論階段。

 

各種似是而非的神經迷思

  目前,銜接「神經科學」與「教育實務」的,是市面上一些宣稱「基於腦科學」所開發出來的教學軟體或課程(programmes or package)。在劍橋大學的神經科學教育中心(Center for Neuroscience in Education的成立研討會上,參與的教師們指出:每年接到70件以上的信函,鼓勵他們參與所謂「brain-base learning課程。這種現象在其他國家亦非罕見。這些課程常強調兒童應該先鑑別是屬於左腦型(left-brained)或是右腦型(right-brained)的學習者。他們主張每一個人的學習有其偏好左腦主掌語言、邏輯、數學公式、數目、序列、線性關係、分析以及不相關連的事;至於右腦則主掌形狀及式樣、空間操作、韻律、影像、白日夢以及學習的關係。老師們的教學必須注意左腦與右腦的平衡」,以避免受教者的左、右腦偏好與教學不符。此一神經迷思(neuromyth)可能是源於對大腦半球專門化(hemispheric specialization)過於直接的詮釋。

  還有一些課程建議老師們應該鑑別小朋友是視覺型(visual)、聽覺型(auditory)或是動作型(kinesthetic)。小朋友們據此別上VA,K的標幟,使老師們能據以施教。有一種課程名為Brain Gym,此課程聲稱可以獲得真正的教育。Brain Gym讓學生做一系列簡單的身體活動,藉此整合腦部的所有區域,進而促進學習。此種全腦學習法可以引出鎖在身體的潛力,使學生能進入以前無法使用的腦部區域,而且學習的進步是立竿見影。此課程甚至宣稱:小孩子只要按按肋骨下面的某些大腦促進鈕(brain buttons就可以使自己的視覺系統專注於閱讀與書寫。

  另外,還有關於學習與突觸形成關鍵時期的神經迷思(critical periods for learning and to synaptogenesis)。這一派人士主張:若未在正確的時間接受到正確量的刺激,小孩子的腦子就不能好好運作。必須在某些關鍵時刻教導小孩子某些技巧,否則將錯失良機。突觸生成派則主張:如果學習能配合突觸形成的時間,則小孩子可以學得更多,如果老師的教學措施能配合此一時間則效果更佳。另有人主張假若教學措施能促進腦子的神經塑性(neuroplasticity,則教學就事半功倍。他們主張可以經由所謂神經塑性學習課程(neuroplasticity training programmes改變神經網絡。事實上,也許有所謂某種學習活動的敏感期存在,不過任何行為訓練的效果會都被反應在神經網絡的重新定位(remapping of neural networks)。

 

課堂裡的神經科學

  前述這些迷思模糊了認知神經科學學習研究方面的真正進展。目前,我們對3Rreading, writing and arithmetic)的神經學基礎之了解有快速的進步。我們對如何使腦子能夠從學習中獲益也更清楚,良好的教學措施會因為一些腦部因素,如學習焦慮(learning anxiety)、注意力不足(attention deficit)以及對社會訊息的認知不良(poor recognition of social cues)而效果不佳。這些因素都會影響個人,甚至同一班級其他學生的學習能力。

 

閱讀與閱讀障礙(dyslexia

  成人的研究顯示左半球的額葉(frontal)、顳頂葉(temporoparietal及枕顳葉(occipitotemporal等區域構成的網絡是成熟閱讀能力的根本。不過跨語言的研究顯示:此一網絡似乎視該語言的書寫方法如何呈現其發音(How the orthography of a language represents phonology orthography = the writing system, phonology = the sounds of the language)。

  使用透明書寫系統(如意大利文)者與使用非透明書寫系統(如英文)或文字書寫系統(如中文)者在閱讀時,所激發的腦部區域非常相似。不過使用透明書寫系統者左半球的顳平面(planum temporale激發較強。此區主司字母與聲音之轉換(letter sound conversion)。至於使用英語者(屬非透明書寫系統)位於左枕顳葉(left occipital temporal區域的視覺單字形成區(visual word form area VMFA)呈現較強的激發。VMFA原本被認為主司視覺辨字(visual word recognition),但此區亦被認為與發聲有關。而此功能係經由書寫與發聲連絡之運算(computations of orthographic-phonological connections),此區在說英語者較強的激發,反映出好幾個層次的拼字與聲音配對(spelling-sound correspondence)。此一功能在解讀(decoding)英語極為重要(例如以letter-soundBOMIC,或經由類比COMIC)。至於中文的閱讀則比較利用視覺空間區(visuospatial area),這可能與需要辨識複雜的文字(character)有關。

  依發育過程而言,行為研究顯示尚未識字的幼兒,假若能辨識發音的不同(例如CATHAT, CUPCAT),則將來的閱讀能力較佳。影像研究顯示:幼兒閱讀主要有賴於左顳葉上側皮質(left posterior superior temporal cortex,此區在成人研究已知是主司解讀發音(phonological decoding)。當幼兒開始識字之後,則前述VWFA區域逐漸主導,而本來極為活躍的右半球逐漸淡出。

發育性閱讀障礙(developmental dyslexia)的兒童(指具有平均水準之智力以及教育機會,卻不能學會正常閱讀者)在閱讀時,右側之顳頂葉皮質(temporoparietal cortex持續激發。他們在一般人閱讀時會激發的左腦區域神經活動也偏低。假若藉由密集的發音技巧(phonological skills)與字母聲音轉換(letter-sound conversion)訓練等補教措施,左腦的顳葉及頂葉區域之激發會趨於正常。迄今,對閱讀障礙的腦部影像研究均屬短期研究,且多針對英語,跨語言以及長期的研究有其必要。

  腦部影像研究已使我們能夠標定負責「閱讀技巧之學習」的神經體系,而且可以補救這些體系的不足。不過,迄今為止,這些研究還未能讓教師們知道「在課堂上,什麼才有效」(What works in the bassoon)。目前為止,大部分的閱讀訓練使用的,仍是過去從教育研究已經證明有效的方法。研究也顯示:訓練引起行為改變的同時,在特定的腦部區域確實可以看到神經變化。雖然,迄今神經影像研究告訴我們的仍極有限,不過,它的潛力是可預期的,例如,神經影像可能將可以用來辨識將來會發生閱讀障礙的兒童。我們可以經由檢視「對發音之敏感度」的神經標記(例如brain responses to auditory cues for rhythm)來辨識閱讀困難之高危險群。當然我們也可以找尋閱讀障礙難的一般語言標記。以上的措施可以讓我們辨識可能會發生閱讀障礙的兒童,並在學前早早給予語言訓練,以防止將來的閱讀障礙。

  我們也可以設計某些研究,來檢視神經學的假說(neural hypothesis)。例如,有一假說認為:小腦的缺陷導致閱讀障礙。市面上的「閱讀障礙官能失調注意力缺陷治療中心」(Dyslexia Dyspraxia Attention Deficit TreatmentDDAT)訓練課程就聲稱是針對小腦的缺陷來改善閱讀障礙。此一訓練課程鼓動兒童練習一些運動技巧,例如單足站立並以手去捕捉小沙袋。影像研究可以讓我們檢視這種補救措施在腦部何處引起神經變化,或是與閱讀有關的區域是否有永久性的變化。

 

數字與計算障礙(Number and dyscalculia

  自從學者開始倡議人類的腦子對辨識數字有特殊的網絡存在之後,對於「算術的神經基礎」之研究已有長足的進展。此一數字感覺(number sense)的能力有賴於頂葉、前額葉(prefrontal)以及扣帶迴(cingulated等區域。其中的雙側頂葉內側溝的平行部分(horizontal segment of the bilateral intraparietal sulcus, HIPS)在數量的呈現與處理扮演著中心角色。在很單純的情況,例如3是否大於5HIPS可能是惟一牽涉的特定區域。HIPS的活動會因數字的語言距離(semantic distance,以及數字的大小而變化。其他的算術運算比較依賴以語言為基礎的再擷取(language- based fact retrieval),例如單純的乘法會激發角迴(angular gyms

  有些算術運作則是依賴「心的數字線」(mental number line)。此一現象是指「數字在心中的空間呈現」(mental spatial representation of number):在此一心的空間(mental space),較小的數目通常被呈現在左邊,而較大的數目則呈現在右邊。頂葉皮質(Parietal cortex內數字與空間的互動相當有趣:若反應是在空間的右側時,對較大數字的手部反應較快,至於較小的數目則相反。由定中央點作業(line bisection task測驗可以觀察到更進一步的發現。

此一測驗係讓受試者決定一條水平線的中點,若此水平線由2組成(22222222……),則中點的估計例行地偏向左邊。若是99999999……時,則偏向右邊。由此,我們可以看出數目會自動地影響注意力The numbers automatically bias attention。罹患視覺忽略(visual neglect)的病人會例行性地忽略空間的左邊。視覺障礙是指右側頂葉區域受損之後,所致的空間知覺障礙(a disorder of spatial attention following right parietal damage)。這些病人在定中央點作業中常偏向右邊。此一偏右的傾向在口頭呈現數字時也會發生,例如,當被要求決定26的中間數字為何者時,他們常會說是5。因此,我們可以說數字的操作有賴於完整的空間呈現(Numerical manipulation seem to depend crucially on intact spatial representation)。眼盲成人能夠正常處理數字,顯示他們具有正常的頂葉距離效應(parietal distance effect

  迄今,我們仍運用許多來自成人的神經影像及神經心理學的發現,來了解兒童算術能力的發育。腦電圖(EEG研究顯示:五歲兒童進行數目比較(45小,或45大)時,他們在頂葉皮質所激發電極分布與大人相似,連反應時間(latency亦然。不過兒童的壓鍵反應(key press response)則費時為大人的三倍。此研究顯示神經學上,兒童擷取數量資訊的速度與成人同樣快速,但兒童在了解算術意義及決定價值方面有所困難,因此壓鍵反應較慢。不過兒童是可以了解數字與量的關係。神經影像有助於我們對前述現象的了解。

前述空間性心的數字線(spatial mental number line的研究可能有助於實際的教學。目前在課堂上有許多不同的模式來教導兒童數字的大小順序。既然腦子對數字的呈現有其固定的模式,教師可以運用此數字線的概念,例如空白數字線的教具來教導兒童認知數字的小大、順序。

如同閱讀隌礙,發育性計算障礙(developmental dyscalculia)是指兒童之智力及學校教育正常,但在算術學習遭遇困難。一種可能的解釋是雙側頂葉內側溝的平行部分中的核心計量體系發育不正常。學者以功能性核磁共振造影研究透納氏症候群(Turner syndrome的女童,她們常有視覺空間以及數字處理上的缺損。新的腦迴型態測量(sulcal morphometry)顯示:透納氏症候群兒童多數有腦迴不正常分歧(aberrant branching)、不正常中斷(abnormal interruption)以及不正常走向(unusual orientation)。研究者認為此一解剖學的紊亂可以解釋行為上所見的視覺空間及算術能力的不足。出生體重極低(小於1,000gm)且有算術障礙的兒童,其左頂葉內側溝(left intraparietal sulcus的灰質量減少。如果能以不具算術障礙的其他發育症候群兒童為對照,也許可以釐清頂葉之異常是否就是運算障礙的原因所在。如果屬實,對課堂裡運算障礙的兒童,我們就必須去看看他們的頂葉是否異常。

 

注意力、情緒及社會認知

有些兒童的注意力短暫,一直是老師頭痛的問題。患有注意力不足過動症(attention deficit/hyperactivity disorderAHDH)的兒童更是教學上的一大挑戰。事實上,所有幼兒在「持續注意」與「抑制衝動」上都有其困難。或許注意力訓練對所有的學前幼兒的學習都有助益。

近來的腦部影像研究聲稱:為期五天的注意力訓練明顯改善四歲及六歲兒童的智力測驗。此項訓練旨在改善刺激分辨(stimulus discrimination期望(anticipation)以及衝突解決(conflict resolution)。例如兒童學習以遊戲桿(joystick追蹤電腦螢幕上的卡通貓、將貓移到池塘中游泳的鴨子預期會出現的位置、從兩組數字中選擇數字較多的一組,但是該組的數字字體卻反而較小……。結果顯示這些注意力訓練並未改善注意力,反而在某一智力測驗有正面效果。

情緒處理的神經基礎已日漸明白,例如杏仁核(amygdala已知與情緒及社會訊號的處理有關,特別是來自臉部及眼睛者。在成人,杏仁核激發程度與臉部恐懼表情的強弱成正比。兒童對恐懼的表情也有杏仁核的激發。自閉症兒童(社會認知不良)的杏仁核體積較大。最近針對三歲自閉症兒童的腦電圖研究顯示:自閉症兒童處理恐懼的解剖學系統從小即有異常。額葉額下回(Inferior frontal gyms之鏡像神經元系統(minor neuron system)與了解別人的情緒有關。最近的功能性核磁共振造影研究顯示:在模仿別人的表情時,自閉症兒童之此區沒有正常兒童可見的激發。鏡像神經元應該是經由模仿達到我們對情緒狀態的了解,讓我們對一個觀察到的動作(如臉部表情),根據自身內在的情緒體系解讀其意義。此一解讀功能在自閉症似乎付之闕如。

這類研究讓我們可以探討主流學校兒童情緒處理過程的神經基礎。遭受嚴格管教與身體家暴的兒童,對情緒的處理與正常兒童有異。在童年末期,他們較可能有行為異常,以致管教困難。這類兒童很容易發生怒氣歸因偏差(anger attribution bias)。他們常會對別人的行動或言辭不當地生氣。迄今,對這類兒童的神經影像研究仍待進行。如果我們能辨認這些兒童腦部的變化,並且能夠設計有效的訓練課程來改善其社會認知,將會有助於教育。我們已知可以教導自閉症兒童去解讀某些情緒,因此假若腦部影像檢查能辨認我們可以著力的腦部網絡,應該也可以設計療育方法針對之,來幫助其他病症的兒童。

同樣的邏輯可以用於學習焦慮(learning anxiety)。對成人焦慮的腦部影像檢查特別注意眼窩額葉皮質(orbital frontal cortexOFC)以及顳葉腦外傷(Traumatic brain injury會增加焦慮障礙,對419歲遭受嚴重腦外傷兒童的腦部影像研究顯示眼窩額葉皮質受損愈厲害,焦慮狀態發生的機率愈低。學者推測眼窩額葉皮質-杏仁核(OFC-amygdala連結的不平衡會影響焦慮的表現。此外,在非人類的靈長類,這些連結在懷孕時就已開始發育。焦慮是可以治療而且似乎治療的標的是杏仁核。成人的焦慮會影響注意力。相同地,兒童的焦慮也會影響其注意力系統,使兒童之注意力轉移到具威脅性的刺激上。因此,我們也許可以藉由腦部影像以及早期介入來辨識並協助這些兒童。

 

如何拉近神經科學家與教育者的鴻溝?

英國的神經科學家經由國際心靈大腦教育學會(International Mind, Brain and Education Society以及在英國舉行的研討會與教師直接對話。文字認知數字認知智力學習社會認知以及注意力不足過動症的頂尖神經科學家告訴教師們目前最新的進展。教師們對目前我們所知之有限,莫不深感驚異。他們對市面上各種訓練課程的缺乏科學根據更大為吃驚。不過,他們的問題是:這些市售的訓練課程既然不管用,你們可以提供什麼給我們在課堂上幫助學生呢?答案當然是目前沒有,這讓教師們十分茫然,不知神經科學的發展能否有助於教育。

因此,目前我們也許可以在兩方面來著力:

教師及教育者對神經科學有極大的期許與關注

教師們認為神經科學具有揭曉人類如何學習的潛力,因此十分願意去接受這方面的新知,並且貢獻他們的想法與意見。因此神經科學家們必須對教師與教育者持續地提供相關的新知。

神經科學家與教師的溝通可能須要一些中介者

  神經科學家並不見得都擅長於與教師及教育者溝通,因為神經科學家比較專注於科學研究的嚴謹性,對教師們實務上的經驗較沒興趣,也不甚了解。因此,我們可以找尋適當的中介者(溝通者),他們能夠將高品質的神經科學知識以易於吸收的方式傳遞給教師們,並且將教師們的經驗化成好的研究課題供神經科學家繼續探討。這種中介溝通的角色可能由大學或教育官署內對教育有興趣的第二線科學家來擔任最為合適。這些中介者應該是站在公共服務的立場,對新上市的學習訓練課程尋求專家的意見,如此可以防止將寶貴的教育資源浪費在沒有根據的大腦基礎學習課程上。

 

取材文獻

Goswamy U: Neuroscience and education: from research to practice. Nature Reviews Neuroscience 7:406, May 2006.