LMSSitesePortfolioRegisterLogin
腦,演化與學習_學習
by 陳怡蓁, 2012-08-30 11:20, Views(1355)

學 習

一門結合心理學、神經科學

以及機器學習的新科學

 

臺灣大學  謝豐舟教授

 

 [前言]

我的人生有20年在當學生,40年在當老師、學生與老師的主要的工作就是學習(learning),自己學習或是教人學習,但我們到底對學習知道多少?可曾想過學習本身也是一門學問?

 

有關教育與學習的理論,可說汗牛充棟,但那一種比較正確比較合理則是說各話。有位教育界前輩說:「眾多教育與學習的理論中何者勝出,就看誰做的官大」。不過近來腦神經科學的發展,提供了我們探討「學習」的一個新切入點,希望將來教育與學習的學說不再是「官大學問大」的局面。

人類的先祖在天擇壓力之下,產生了獨特的學習(learning)技能,進而促成了文化的演進(culture evolution),奠下科學藝術與語言發展的基礎。在眾多生物中只有人類擁有促進學習的系統包括教師、學校、課程。

人類智力的來源至今還是個謎,不過藉由兒童發展(child development),人腦的可塑性(the plasticity of human brain)以及運算學習(computational approach of learning)的研究已經讓學習成為一門新的科學,藉此也讓我們對人類的心智更加了解。

人類學習及文化演進的基礎是以一種生物學上自相矛盾的適應為基礎(paradoxical adaptation):人類出生時仍未成熟(We are born immature)。初生的嬰兒不能說話、走路、使用工具、了解他人,這種未成熟需要嬰兒本身及成人付出極大的代價:嬰兒腦部消耗60%的能量而成人則必須長期照顧自己的嬰兒。在嬰兒的腦子裏,無數的神經元細胞忙著建立數以千億計的連結,腦子持續成長直到青春期才達到成人的大小。

腦皮質的發育有其敏感期(sensitive period),在此期間神經元之間的連結更有可塑性(plasticity)也更容易受到環境的影響。感覺處理(sensory processing)在發育早期即告成熟,高等的皮質功能則較晚成熟,至於(prefrontal cortex)則要到成年期早期才會成熟。

人腦出生時的未成熟雖要付出代價,但卻極具價值,因為此種未成熟讓早期的經驗可以影響發育中的神經迴路連結而有利於往後的學習。

 

人類的學習有以下三個特色

1.學習是運算(Learning is computational

發展心理學與機器學習的研究顯示:嬰兒與幼兒擁有強而有力的運算技巧,使他們能自動地由自己所經驗的統計形式去建構環境的結構模式。嬰兒運用由經驗取得的統計形式來學習語言與因果關係(causation)。在三歲以前兒童使用頻率分佈(frequency distribution)來學習母語中那一種發音單位可以區別字眼而且利用音節之間的transitional probability來區別字眼。嬰兒更使用共變(covariation)來推測現實世界中的因果關係。

人世間的統計規則性(statistical regularity)及共變(covariation)提供嬰幼兒了前所未知的資訊。嬰幼兒的學習是隱藏性的(implicit),不需父母的訓練而且早在他能做任何動作或說第一句話之前即已開始此種隱性學習。經由依賴機率輸入(probalitistic input)學習提供了Skinnerian reinforcement learningChomskian nativist account之外的另一種學習理論。

 

2.學習是社會性的(Learning is social

兒童的腦子並不會漫無目的地運算,社會線索(social cues)會引導兒童學習的時間與內容。每個小嬰兒都有與他人親近的天性並且有意願去複製他們看到他人在做的行為。他們對一個人所產生的動作比一個非人的裝置所產生的動作更有興趣去學習及再現。

機器學習的研究顯示:有系統地增加一個機器人的類社會行為(social-like behaviors)以及關連性反應(contingent responsivity)可以提升幼兒與之互動與學習的意願。

動物模式中的蜂鳥可以解釋社會互動如何影響學習。在社會互動時影響學習的neurosteroid會調控腦的活動,社會互動可以延長鳥類學習歌唱的敏感期。社會互動在終身學習亦有其角色。新的社會科技如text Messaging, FacebookTwitter都利用人類希望追求社會溝通的慾望(humans’ drive for social communication),教育工具也愈來愈將社會互動的原則運用於智慧教導系統以增進學生的學習。

 

3.學習是由連結感覺與動作的腦迴路來支持(Learning is supported by brain circuits linking perception and action

人類的社會與語言學習是由連結自己與他人動作的神經認知系統(neural-cognitive system)所支持,因為人要適應複雜的外在環境需要連續不斷的適應與可塑性。

以新生兒為例,出生42分鐘的新生兒會配合(match)顯示給他們的姿態(gesture)包括吐舌與張口。新生兒不能看到自己的臉,也從未從鏡子知道自己的臉長什麼樣子,然而新生兒能從仿照觀察到的行為自己來進行類似的動作,這顯示新生兒腦中自己與他人的行為有共通的表現(shared representation)。神經科學家發現感覺與產生動作所使用的腦區有明顯的重疊,社會學習、模仿及感覺動作經驗(sensor motor experience)可能會產生並進而改進感覺與動作共用的神經迴路。

目前正在發展中的社會神經科學(social neuroscience)就在探索支持自我與他人之間緊密偶合與互動(close coupling and attunement)的腦部機轉,因為自我與他人之間的緊密偶合與互動正是完美的社會溝通與互動的表徵。

 

社會學習與瞭解(Social Learning & Understanding)

人類的幼童很容易藉由與他人的社會互動來學習,在人類發育過程中有三種其他動物罕見的社會技巧(social skills):1.模仿(imitation),2.共同的注意力(shared attention),3.同理心的了解(empathetic understanding)。

1.模仿(Imitation

觀察與模仿文化中的專家(expert)是社會學習的有力機制,兒童會模仿範圍極廣的動作包括父母的舉止(parental mannerism)、語言形式(language pattern)以及使用工具來做事,例如一個幼兒看見她的父親使用電話或電腦,她會爬上椅子對著話筒呢喃自語或是按按電腦鍵盤,這些行為並非出於外在的訓練甚至是被禁止而對一個塑膠盒子說話也非常情,這顯示幼兒會觀察他人並模仿其行為。

模仿可以加速學習及增加學習機會。它比經由個人去發現還來得快速也比嚐試與錯誤來得安全。兒童可以使用第三者資訊(觀察他人)來創造第一手知識(Use third person information to create first person knowledge),如此可以加速學習,不用自己去探討因果關係而是去觀察專家怎麼做。模仿學習是極其有效的,因為一個似我的他人可以用來當做自己替身在行動(the behavioral actions of others “like one” serve as proxy for one’s own)。

兒童並非奴隸般地模仿他們的所見而是重演一個人的目標及意圖,例如一個成人想拉開一個東西而失手,在18個月幼兒就可以經由這個未成功的動作去推測他並沒目睹的目的(goal),他們會去達成成人所要完成的目的而非進行那個不成功的嚐試。

模仿是個極具挑戰性的運算難題,目前機器人及機器學習的專家正全力探討。它的運算程式需要超越單純地模仿所見動作,而必須能夠推測複雜的感覺動作模仿,而非只進行單純的重覆工作最困難的是嬰幼兒的模仿學習,每次模仿的對象都不相同。最終的目標是建造可以像嬰兒一樣模仿與學習的機器人。近年模仿的運算方式可以分為直接與目標取向兩個方向,直接法是觀察並再生所見的行為而目標取向則是先推定目標然後產生所需的動作。

 

2. 共通的注意(Shared Attention

社會學習因人們具有共通的注意而加強,對於同樣的人或事具有共同注意為溝通及教學提供了共同基礎。共同注意的一個早期成分就是gaze following。當位於邊緣的目標是在視界同時六個月前的嬰兒比較常往一個成人轉頭的方向去看,到九個月時嬰兒在與一個反應機器人(responsive robot)。互動時會跟隨它頭部的轉動,其時機及關連嬰兒動作的關鍵,而非只是機器人的外表是。但究竟嬰兒是嚐試去看他人之所見或只是追隨他人頭部的動作則不得而知。到12個月大時,嬰兒對他人眼睛的方向與狀況(睜開或閉上)已能感知而非只是感知轉頭的方向。

當一個成人睜眼看著二個等距物件之一時,12個月大的嬰兒也會跟隨注視該物件,不過若該成人只有轉頭而却將眼睛閉上時,嬰兒就不會跟隨。當成人使用眼罩遮住眼睛時,12個月大的嬰兒會跟隨其轉頭,因為他們了解閉眼會阻礙視線却不知眼罩也會阻礙視線。不過當讓嬰兒實際體驗眼罩之後,嬰兒就不會跟隨成人頭部的轉動,而控制組別依然如故;也就是嬰兒會將自己的經驗投射到他人,將自己當成模式(model)以銓釋他人的行為與經驗。這是一種高度有效的學習策略,此一能力可能是人類特有而自閉症兒童缺少此種能力,在機器學習中若能加入此一策略當大有助益。

 

3. 同理心與社會情緒(Empathy and social emotions

感覺與調控情緒的能力是了解人類心智的閉鍵議題,目前也成為人與電腦互動研究的熱門領域。

人類許多情感過程(affective process)是具社會特性的。研究顯示還不會說話的幼兒會進行利他的使用工具行為,兒童亦顯示有原始型態的同理心。當一個成人看起來像傷到一根指頭而痛苦地哭泣時,還不到三歲的幼兒會安慰他,有時會提供一個繃帶成泰迪熊。類似行為也可見於兒童幫助及安慰一個哭泣的機器人。

腦部造影研究顯示:一個成人自己接受疼痛刺激時與目睹他人接受疼痛刺激時所激發的腦區有所重疊。這些神經反應受到文化經驗,訓練與感受自己與別人相似程度等因素的影響。在反社會性格的人,會呈現異於常人的神經活動形式。研究個人之間在同理心(empathy)與同情心(compassion)的個人差異是發展社會認知神經科學(developmental social-cognitive neuroscience)的一個關鍵課題。

 

對教育工作的啟發

在長時間的未成熟期,人腦被隱性(implicit)的社會與統計學習(social and statistical learning)所雕塑,兒童從相當無助,只能觀望的新生兒發展到會走路,會說話,有同理心的人,他無時無刻不在進行著因果關係的實驗。教育者轉向心理學、神經科學及機器學習來尋找答案:那些支持人類嬰兒豐碩而毫不費力的學習原則能否用來改進教育。在以下三方面正在進行:1.早期干預(early intervention2.校外學習(learning outside of school3.正式教育(formal education)。

1.早期介入

兒童生來就具有學習能力,但能學多少則有賴於環境的輸入(environmental input)包括社會方面與語言方面。在美國許多進入幼稚園的兒童並未準備好進學校,在入學時就落後的兒童往往終究還是跟不上。

神經學研究認為在一年級以前學習機會的不同可能造成會影響的往後學校學習的神經差異neural difference。此種在對的時機給予對的輸入(right input at the right time)會有骨牌效應(cascading effect)的認知導致對具有學習效果不佳的高危險性兒童給予早期干預,進行促進早期社會互動與關連的計畫以後在學業成就,社會適應及經濟成功方面會產生顯著的長期效果,並且經濟效益極高。對有障礙的學童如自閉症(autism spectrum disorder)或閱讀困難(dyslexia)早期干預亦有顯著效果。

2.校外學習

正在蓬勃發展的校外學習(informal learning)是奠基於非正式學習佔了兒童學習相當大的份量,兒童80%的時間是在校外、在家庭、在社區中心,在俱樂部、網路、博物館、動物園、水族館,經由數位媒體及遊戲都在學習,非正式學習

經常是高度社會化並且提供mentoring, apprenticeship及參與(participation),這些情況都會使學習者具有認同感(sense of idcutity):學習者會認為自己對技術很在行或自己是個小科學家,此種自我概念(self-concept)會影響兒童的興趣,目標以及未來的抉擇,因此小學及中學的教師都正設法在教學中運用這種在自然的社會學習中所具有的智識好奇心及熱烈的學習慾望。

3.學校教育:

在學校教育方面,研究已經顯示面對面的教導(face to face tutoring)是最有效的教學方式。當學生由專業教師一對一地教導時,他們的學業成績會比一般學習方式的學生高出二個標準差以上。新的學習科技就希望利用這種單獨教學的基本元素,却能降低費用。例如學習研究者正在發展以認知心理學為基礎的智慧學系統,此系統能給予學生一個互動的環境,包括逐步回饋(step-by-step feedback),給予使用者前瞻的教學暗示(feed forward instructional hints to the uses)以及機動的問題選擇(dynamic problem selection)。這種自動化教學系統已經顯示可以經由適應個別學生的需求來逹成類似人類教導的效益。教室已經成為活生生的實驗室,在這裡研究人員及教育者利用科技去追踪及收集個別學生的資訊然後用這些資訊來測試學說及設計課程。

 

腦神經科學的觀點的「學習」十二要訣

前面所述是比較理論上的探討,是否能將之運用於日常的學習實務中呢?20105月美國密西根州Ferris州立大學的Terry Doyle教授在臺灣大學做了一個專題演講Helping students learn in a learner-centered Environment: What Neuroscience, Biology and Cognitive Science has to teach us,他以腦神經科學的觀點來闡述學習並提出十二項實用的學習要訣。以下是他的說法:

人腦有一千億(100 billion)神經元細胞,能夠形成4萬兆(40,000,000,000,000,000)連結。學習就是神經元細胞連結形式的改變(change in the neuron-patterns of the brain)。學習是動物為了生存而進行的一種生物學過程(a biological process for survival)。根據Robert Bjork1994年對學習的定義:學習是在長時間未使用之後,使用資訊的能力,也是在新的情境中使用既有資訊去解決問題的能力(It is the ability to use the information to solve problems that arise in a context different from the context in which the information was originally taught)。

學習所形成的神經連結若不經常使用就會萎縮終而消失。真實生活中有意義的、真正的學習會活化腦中的報償系統(reward system),而人類在面對不見得喜歡的工作時,進步(making progress)的感覺是驅使他去做的原動力。

在遠古時代,人腦是設計來在戶外不穩定的環境中解決生存的難題,當時的人類是幾乎不停地運動(The human brain was designed to solve problems of survival in outdoor, unstable environments while in almost constant motion),然而今日的學習都是關在教室裡坐著不動,因此John MedinaBrain Rules一書說:「If educators had set out to design a learning environments that was in complete opposition to what the human brain is good at they would have designed the school of yesterday and today(如果教育者要設計一個與人類所長完全相反的學習環境,那麼他們就會設計出過去及現在的教室)。

目前我們才剛開始了解腦與學習關係,不過我們已經知道12項人腦處理資訊的要領,這12項要領對學生的學習是相當重要的。

 

1.     運動顯著增進腦功能

運動是一個人要改善學習可以做的最重要的一件事(Exercise is the single most important thing a person can do to improve their learning)。運動可以直接在細胞層次影響學習,改善腦子登入與處理資訊的能力。運動會增加神經傳導物質的產生而有助於:(1)聚焦與注意(focus and attention),(2)動機(motivation),(3)耐性(patience),(4)情緒(mood,較為樂觀)。

只要每星期4-5次會流汗的運動就可以改善:1.整個腦系統,2.執行能力,3.創造力,4.學習。運動可以增進腦中的BDNF(Brain derived neurotrophic factor) BDNF可以:1.改善腦的健康,2.增進神經元連結,3.a stress inoculators4.使腦細胞更有韌性(resilient)。運動愈強力愈複雜,BDNF產生愈多。BDNF能給予突觸(synapses):1.登入(fake in),2.處理(process),3.關連(associate),4.回憶(remember),5.進入情境(put in context)的能力,而BNDF似乎對長期記憶(long term memory)特別重要。

運動之後腦功能的改善可以持續達6-7小時-包括集中力、注意力、聚焦及學習,運動所產生的神經化學物質有助於腦子的自我控制(self-control)。研究顯示運動確實會減少不良行為,停學及違紀可以減少達66%而運動也可以減少腦部病變。據John MedinaBrain rules (2008)一書指出:運動可以減少50%Alzheiners’ disease, 60%Dementia70%的憂鬱症。

2.     腦子是社會性的(The Brain is social)

人的腦子藉由與其他人的腦子合作達到生存的目的,因為一群腦子的群體工作(group work)有很大的潛力來幫助了解及學習,前提是群體的成員了解自我的角色以及他們所要達成的目標。

3.     每個人的腦子線路連結都不一樣(Brains are wired differently

由於每個人的經驗不同,每個人腦子裡的線路連結都不一樣,因此群體工作是非常有力的學習經驗。

4.     注意力與學習(Attention and learning

我們的腦子一次只能專注於一件事。當需要腦子的專注力時,同時多樣工作(multitask)是不可能的。學生注意力不集中可能是傳統講課方式並不符合目前認知科學研究所告訴我們的腦如何學習。研究顯示腦子處理資訊是將它減縮到有意義的chunk-也就是category,學習就是將這減縮過的資訊填入既存的categories,有時還可以生成新的category

同時多樣工作違反我們所知的記憶運作方式而且有礙學習。腦造影研究顯示記憶工作與分心的外來刺激是使用不同腦區而致彼此競爭。人腦常誤導我們以為人類可以進行同時多樣工作。事實上,當同時做兩件需要專注的事情時腦子會只能擇一進行。

5.     記憶(Memory

重覆(repetition)以及詮釋(elaboration)是形成記憶及回想(recall)所必須。練習(practice)、使用(use)、重覆(repetition)、溫習(review)、反思(reflection)是回想事物(recall)的關鍵方法。

人類睡眠時slow-wave sleep的期間很短並且產生回想(recall),或許也產生記憶細節的放大(amplifiable of memory traces)。我們要確保快速眼動睡眠(REM sleep)的存在,因為它雖然短促但可以激發基因活動以貯存slow-wave sleep所處理的東西。

腦造影研究顯示睡眠與活動的腦子有明顯的變化,當你睡覺時腦內的記憶會轉移到比較有效的儲存區域,如此當你醒來之後,記憶工作可以更快速更準確也較少壓力和焦慮。因此:睡眠不足形成記憶的時間不足形成記憶的時間不足不利於學習。學習時使用的感官愈多(看、聽、觸摸、嚐嚐味道、嗅嗅氣味),可以用來回想(recall)的通路(pathway)愈多。詮釋(elaboration)更是記憶的關鍵。有人說“For better or worse; our recollection are largely at the mercy of our elaborations”(不管如何,我們的回想大部份有賴於詮釋)。

詮釋是回想的關鍵,詮釋的要領是

第一步準確(accuracy

第二步反思(refection

第三步溫習(review

第四步按圖索驥(mapping

第五步記錄(recording

反思會擴大連結(connection)、了解(understanding)以及insight。溫習以每日行之最為有效。觀念圖解(concept map)是將目前正在學習的各種重要的觀念與點子,以視覺呈現並且顯示彼此之間的關係。練習裡面要包括記錄,記錄是將新知識轉譯成自己言語的簡易過程,記錄包括附註(paraphrasing)、摘要(summarizing)及註解(annotations)。

學生忘記學習內容的原因為何?溫習有助於避免學生忘記的三個因素:

(1)阻塞(blocking):儲存的資訊無法擷取

(2)錯誤歸屬(misattribution):將一項記憶歸屬於錯誤的情況或來源

(3)短暫(transience):記憶隨著時間而消失,講課的內容在1小時內就失去65%

保持記憶避免消失的最好方法是使用詮釋複習策略(elaborative rehearsal strategies)包括:

視覺化(visualizing,唱(singing,寫(writing,

字義圖解(semantic mapping,畫圖(drawing pictures

象徵(symbolizing,記憶增進(mnemonics

6.     情緒與記憶(Emotion and memory)

研究顯示學習者對情緒性資訊(emotional information)的回想(recall)比事實或中性資訊來得容易,例如兩架噴射客機相撞引起猛烈爆炸的場景絕對比平靜的街景易於回想。研究指出情緒激發(emotional arousal)會組織與協調腦部活動。當杏仁核(Amygdala)偵測到情緒時,基本上它會加強與形成記憶有關的腦區的活動。

7.     睡眠(Sleep)

腦子需要睡眠來處理資訊

8.     壓力(Stress)

壓力降低或有礙腦部功能。當學生為了獎賞或為了避免處罰而競爭進行真正需要認知功能的活動時,競爭本身會大大減少其成功。

9.     多重感官(Multisenses)

多重感官一起運用時,腦子的運作最佳。神經科學家向來相信人的五種感官大部份是獨立運作的,然而愈來愈多的證據顯示視覺、聽覺、嗅覺、接觸與味覺在人腦處理感覺資訊以感受事物時經常是彼此互動的。

在多重感官環境者總是比在單一感官環境者表現要好。他們回想的東西比較多比較清楚而且較為持久,甚至在事隔20年後亦然。

嗅覺有助於學習。所謂Proust effect就是嗅覺可以增進回想(recall)的特殊能力在氣味與情況相關時其效果最佳。嗅覺最有助於情緒性的細節(emotional details)或自傳式記憶(autobiographical memories)的回想。

多媒體接觸與學習。

認知心理學家Richard Manger指出:學生由字眼與圖像學習比只用字眼學習來得有效,而字眼與圖像同時呈現比分別呈現學習效果更得好,這叫做temporal congruity principle。字眼與圖像位置愈接近效果愈好(spatial congruity principle)而呈現時不相干的外物愈少愈好(coherence principle)。動漫(animation)加上解說(narration)比動漫加上文字說明(screen text)來得好(modality principle)。

10.  視覺是所有感官之王(Vision trumps all other senses

輸入的訊息愈是視覺性,它被辨認及回想的機會愈大(pictorial superiority principle)。文字說明與口頭講課的效果遠比圖像差,口頭講課在72小時之後只能回想10%,若加上圖像則可增加至65%,因為人腦人類對物體的大小與運動中的物件會給予高度的注意力。

 

11.  男人與女人的腦子不同(Men’s and women’s brains are different

男人與女人的腦子天生有別

 

12.  人腦是個尋找形式的裝置(The brain is a pattern seeking device)

人腦生來就是要探索與學習(The brain was meant to explore and learn),而腦子要有效運作需要1.運動,2.睡眠,3.氧氣,4.水分,5.食物(葡萄糖)

49158027979與(491580-2979何者比較容易記住?NRAFBINBCUSAMTVNRA NBC FBI USA MTV那個比較容易記住?100→1倒背與Z→A倒背那一個比較容易?

人腦其實是個尋找形式的裝置,它會將整個觀念彼此關連並且尋找相似處,不同處以及彼此之間的關係(The brain is a pattern seeking device that relate whole concepts to one another and looks for similarities, differences, or relationships between them)。在各種形式(pattern)中,視覺形式(visual pattern)尤其重要,善用這些形式會大大有助於學習。

閱讀教科書時,一段文字的第一句其實就包含了該段文字主要意義的90%。如何解形式(pattern)呢?我們要注意1.清單(list),2.順序(sequence),3.定義(definition),4.因果關係(cause and effect),5.異同(similarities & difference),6.空間秩序(spatial order),在學校裡最常見的形式就是異同(similarity & difference)。當資訊做為整體(a complete pattern)的一部分。就比較容易學習,以棒球場為例,在右外野手前面的兩個選手是那二個?若將棒球場上的九個人當成一個pattern來看則很容易就可以說出右外野前面的兩個人是一壘手與二壘手,若從投手、捕手、一壘、二壘、游擊手、三壘……一一去想就麻煩了。因此做老師的可以想想看

在你的課程內容中最常見的pattern是什麼?

(1)你覺得那種呈現資訊的pattern對學習最有效?

(2)你是否注意到有那些資訊形式(information pattern)是學生難以辨認與了解的?

 

結論:

心理學、神經科學以及機器學習的新發現已經凝聚成人類學習的新原則,導致教育學說的改變以及學習環境的重新設計。相對地,教育實務也促成研究工作的新設計。在學習上,最關鍵的元素就是社會性the social),到底為什麼社會互動是學習上如此強而有力的催化劑呢?這些元素可否與科技結合來改善學習?如何利用這些社會因素來給孩子更好的教學並且鼓勵孩子對人與事物的天然好奇心呢?這些就是新的學習科學最尖端的深奥課題。

 

 

 

取材文獻

Meltzoff AN et al: Foundations for a new science of learning. Science 325:284, 2009

http://www.learnercenteredteaching.com