Нейрофизиологическое обоснование дидактического потенциала виртуальных электронных технологий обучения

Процесс обучения базируется на восприятии и усвоении в памяти новых знаний и формировании или совершенствовании на их основе умений и навыков. Поэтому память как база, с помощью которой осуществляется накопление знаний, имеет ключевое значение для успешности обучения, а дидактический потенциал обучающих технологий в значительной степени определяется их способностью закреплять учебный материал в памяти ученика. Использование свойств памяти, как и использование свойств мозговой деятельности в целом, необходимо для разработки любых дидактических технологий. Разработка систем обучения на основании исследования свойств мозговой деятельности в зарубежной литературе нашла отражение в дидактической стратегии, получившей название Brain based learning [1, 2].

С нейрофизиологической точки зрения, память – это способность центральной нервной системы посредством деятельности нейронных сетей сохранять, воспроизводить и забывать воспринятую мозгом информацию. Современная наука содержит большое количество классификаций видов памяти, однако наиболее фундаментальной, научно обоснованной и имеющей большое значение для разработки технологий обучения представляется нейрофизиологическая классификация видов памяти по длительности хранения в ней информации, представленная в работе В.М. Смирнова и его коллег [3]. Авторы выделяют три вида памяти: кратковременная (электрофизиологическая), промежуточная (нейрохимическая) и долговременная (структурная). Механизмы памяти, исследованные авторами данной классификации, являются важной нейрофизиологической основой для разработки и совершенствования технологий обучения, поэтому целесообразно в рамках рассматриваемой классификации охарактеризовать механизмы памяти в сочетании с возможностями их применения в обучающих технологиях. Итак, охарактеризуем три вида памяти:

1. Кратковременная память (от нескольких секунд до нескольких минут). Представляет собой первый этап запоминания и обеспечивает кратковременное сохранение в мозге оперативной информации путём циркуляции возбуждения по замкнутым нейронным цепям. Нейрофизиологи выяснили, что запоминание любой информации начинается в мозге с электрофизиологических процессов в нейронных сетях (возбуждающий постсинаптический потенциал, потенциал действия, выделение медиаторов), поэтому кратковременную память по-другому называют электрофизиологической. Для эффективного запоминания информации необходимо формирование нейронных сетей, обеспечивающих удержание воспринятой информации для максимально быстрого е          ё перевода из кратковременной памяти в долговременную с минимизацией потери информации, т.е. качественное усвоение информации, для которого важно обеспечить её правильное восприятие и удержание, т.е. задействовать при запоминании больше нейронов, сформировать нейронные сети и укрепить связи между нейронами в нейронных сетях. Для этого используется визуализация информации, являющаяся основой большинства мнемотехник, объясняемая увеличением количества нейронных связей при запоминании визуальной информации; оптимальное использование объёма кратковременной памяти (примерно 7 ± 2 единицы – число Миллера), например, при группировке информации; обеспечение логической связи новой информации с уже имеющейся в памяти и т.д. Кратковременная память является наименее надёжной: большинство сохраняемой в кратковременной памяти информации быстро забывается.

2. Промежуточная память (от нескольких минут до 4 часов). Информация переходит из кратковременной памяти в промежуточную, когда электрофизиологические процессы в нейронных сетях запускают с помощью вторых посредников (циклический аденозинмонофосфат, диацилглицерол и др.) биохимические реакции, активируется синтез медиаторов, рецепторов ионных каналов. На данной стадии запоминания происходит консолидация памяти, т.е. сохранение наиболее значимой информации из кратковременной памяти (посредством подкрепления электрофизиологических нейронных связей нейрохимическими реакциями, вследствие чего промежуточную память нейрофизиологи называют нейрохимической) для последующего её перевода в долговременную память. Ключевой задачей обучающих технологий на данном этапе запоминания является качественная реализация посреднической функции промежуточной памяти путём укрепления нейронных связей в нейронных сетях, обеспечивающего минимизацию потерь при переходе информации из кратковременной памяти в долговременную. Важным условием успешного перехода информации в долговременную память является её значимость для запоминающего человека в сочетании с положительным эмоциональным подкреплением процесса обучения. Этим объясняется важность интереса к запоминаемой информации для её успешного запоминания. Несмотря на большое значение промежуточной памяти для обучения, большинство сохранённой в ней информации забывается и лишь незначительная её доля переходит в долговременную память.

3. Долговременная память (свыше 4 часов). Представляет собой особый вид памяти, качественно отличающийся от двух описанных выше видов. Долговременная память ещё называется структурной, т.к. в её основе лежат структурные изменения в нейронах: образование новых синапсов, формирование новых нейронных структур, рост числа коллатералей аксонов и т.д. И хотя примерно через месяц структурные изменения в нейронах исчезают, нейронные сети, обеспечивающие сохранение информации в памяти, способны оставаться на всю жизнь, что обеспечивает возможность запоминания информации на неограниченно длительный срок. Спецификой долговременной памяти является неограниченный срок хранения в ней информации и её практически не ограниченный объём. Обучение на данном этапе представляет собой сохранение знаний в долговременной памяти и формирование на их основе умений и навыков.

В контексте значимости для обучения можно выделить пять главных функций памяти: усвоение материала, накопление знаний, извлечение информации, сохранение знаний, умений и навыков и их использование в деятельности. Охарактеризуем эти функции более детально:

• Усвоение материала. Происходит на основании его восприятия и удержания в памяти, имеет большое значение для эффективного перевода изучаемого материала в долговременную память.
• Накопление знаний. Обеспечивает интеграцию нового материала в систему знаний ученика путём формирования связи новой информации с уже имеющимися на момент обучения знаниями. Обеспечение эффективности этой интеграции во многом определяет эффективность всего обучения, поэтому большое внимание при обучении уделяется систематизации изучаемого материала. При этом важно помнить о нелинейности нейронных связей в нейронных сетях головного мозга, обеспечивающей ассоциативное мышление и обуславливающей преимущества структурной подачи материала (схемы, таблицы) над линейной (текст). Кроме того, важно отметить необходимость конгруэнтности способа изучения к содержанию изучаемого материала.
• Извлечение информации из памяти. Затрудняется при необходимости её извлечения в условиях стрессовой ситуации, а также при наличии множества сопутствующих когнитивных задач. Актуализируется при необходимости восстановления забытой информации. В данном случае необходимо отметить, что, чем прочнее были утраченные нейронные связи, обеспечивавшие сохранение ныне забытой информации, тем проще восстановление данных нейронных связей и, как следствие, восстановление в памяти забытой информации. Поэтому легче всего восстановить забытую информацию, которая когда-то содержалась в долговременной памяти.
• Сохранение знаний, умений и навыков и их использование в деятельности. Научно доказан факт повышения качества сохранения знаний в памяти при их применении в деятельности, к которой можно отнести и воспроизведение изученного материала.

Охарактеризуем основные современные виртуальные электронные технологии обучения и их дидактический потенциал. К таким технологиям можно отнести  использование мультимедиа и компьютерной графики, создание пространства дополнительной реальности, геймификацию и создание симуляторов деятельности. Мультимедиа-технологии и компьютерная графика дают возможность представить учебный материал в наиболее наглядном и комплексном виде посредством его визуализации, что позволяет значительно улучшить его усвоение. Геймификация представляет собой метод применения в обучении прикладной деятельности технологий, характерных для компьютерных игр. Геймификация позволяет закрепить полученные в процессе обучения знания и навыки путём применения их в виртуальной деятельности, что способствует повышению качества усвоения материала и скорейшему его переводу в долговременную память, а также упрощает решение дидактической задачи применения теоретических знаний в практической деятельности. Одним из наиболее эффективных методов постановки навыков является метод использования симуляторов деятельности в пространстве дополнительной реальности. Данный метод предполагает отработку профессиональных навыков на виртуальном симуляторе, полностью отражающем реальную профессиональную деятельность. Наиболее успешно такие симуляторы применяются при обучении лётчиков. Симулятор для них представляет собой реальную кабину пилота, садясь в которую, студент начинает управлять самолётом. Процесс полёта в виртуальном пространстве полностью отражается на экране [4, 5].

Эффективность современных виртуальных электронных технологий обучения обусловлена тремя основными их преимуществами:

1. Визуализация материала, способствующая его представлению в наиболее наглядном, целостном и комплексном виде и позволяющая задействовать максимальное количество каналов восприятия информации (визуальный, аудиальный, аудиовизуальный) при изучении материала, позволяет повысить эффективность его восприятия, усвоения и перевода в долговременную память посредством наибольшего соответствия данной формы представления материала механизмам работы памяти человека.
2. Представление материала в более интересной для ученика форме. Важность интересной подачи материала для эффективности его усвоения была охарактеризована выше.
3. Возможность применения знаний и отработки навыков в рамках практической деятельности в виртуальном пространстве, что значительно упрощает решение дидактической задачи применения теоретических знаний в практической деятельности в целях формирования умений и навыков.

          Подводя итог данной работы, необходимо отметить важность развития и совершенствования виртуальных электронных обучающих технологий для повышения эффективности обучения и совершенствования системы образования в целом. Развитие этих технологий обучения можно отнести к одному из наиболее перспективных направлений современной дидактики.