Почему одни дети усваивают математику легче, чем другие? Исследование Медицинской школы Стэнфордского университета дало новый неожиданный ответ.
Изучая реакцию третьеклассников на репетиторство по математике, ученые из Стэнфорда обнаружили, что размер и структура определенных структур мозга предсказывают, насколько отдельный ребенок получит пользу от репетиторства по математике. Однако традиционные показатели интеллекта, такие как IQ детей и их результаты в тестах на математические способности, не предсказывали улучшения от обучения.
В исследовании впервые используется сканирование мозга для поиска связи между способностями к обучению математике и структурой или функцией мозга, а также впервые сравниваются нейронные и когнитивные предикторы реакции детей на обучение. Кроме того, он предоставляет информацию о различиях между тем, как дети и взрослые изучают математику, и может помочь исследователям понять происхождение нарушений в обучении математике.
Исследование было опубликовано 29 апреля в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
"Что было действительно удивительно, так это то, что внутренние измерения мозга могут предсказать изменения – мы действительно можем предсказать, сколько ребенок выучит за восемь недель занятий по математике, основываясь на показателях структуры мозга и связности," сказал Винод Менон, доктор философии, старший автор исследования и профессор психиатрии и поведенческих наук. Менон также является членом Научно-исследовательского института детского здоровья при детской больнице Люсиль Паккард.
"Полученные результаты являются значительным шагом на пути к разработке целевых программ обучения, основанных на текущем, а также на прогнозируемой траектории обучения ребенка," сказал ведущий автор исследования Каустубх Супекар, доктор философии, научный сотрудник по психиатрии и поведенческим наукам.
Команда Менона сосредоточилась на учениках третьего класса в возрасте 8 и 9 лет, потому что эти дети находятся на критическом этапе приобретения базовых навыков арифметики. В исследовании участвовали 24 третьеклассника, которые участвовали в хорошо проверенной программе, состоящей из 15-20 часов индивидуального обучения математике в течение восьми недель. Репетиторы объяснили детям новые концепции, а также заставили их практиковать математические навыки с упором на скорость, а занятия были адаптированы к уровню понимания каждого ребенка.
Перед началом репетиторства детям было предложено несколько стандартных нейропсихологических тестов, включая тесты на IQ, рабочую память, навыки чтения и решения математических задач. Как до, так и после восьминедельного периода обучения дети проверяли арифметические способности, и всем детям выполняли структурное и функциональное сканирование мозга с помощью магнитно-резонансной томографии. Чтобы контролировать эффект от обучения математике, полученного детьми в школе (а не во время репетиторства), была создана группа сравнения из 16 детей третьего класса, которые не получали репетиторства, но прошли те же тесты и сканирование мозга до и после восьмиклассного обучения. недельный интервал, также был включен в исследование.
Все 24 ребенка, обучающиеся на дополнительных занятиях, улучшили свои арифметические показатели. Эффективность их работы, совокупный показатель точности и скорости решения задач, улучшилась в среднем на 67 процентов после обучения. Но индивидуальные достижения сильно различались: от 8 до 198 процентов. Дети, не проходившие дополнительное обучение, не показали никаких изменений в арифметических способностях во время исследования.
Когда исследователи проанализировали сканирование структур мозга детей, они обнаружили, что больший объем серого вещества в трех структурах мозга предсказывает большую способность извлекать пользу из репетиторства по математике. (Прогнозы были созданы с помощью алгоритма машинного обучения, инструмента анализа данных того же типа, что и для создания рекомендаций по фильмам для пользователей таких веб-сайтов, как Netflix, например.) Из трех структур лучшим предиктором улучшения при обучении был более крупный гиппокамп, структура, традиционно считавшаяся одним из важнейших центров памяти мозга. Функциональные связи между гиппокампом и несколькими другими областями мозга, особенно префронтальной корой и базальными ганглиями, также предсказывали способность извлекать пользу из обучения. Эти регионы важны для формирования долговременной памяти.
"Часть мозга, которая задействована в воспоминаниях о местах и событиях, также играет ключевую роль в определении того, насколько и насколько хорошо ребенок усваивает математику," Супекар сказал.
Ни один из показателей нейропсихологической оценки, таких как IQ или тесты рабочей памяти, не может предсказать, насколько отдельный ребенок получит пользу от репетиторства.
Исследователи отметили, что системы мозга, выделенные в этом исследовании, включая гиппокамп, базальные ганглии и префронтальную кору, отличаются от тех, которые ранее участвовали в обучении математике у взрослых. При решении математических задач взрослые полагаются на области мозга, которые специализируются на представлении сложных визуальных объектов и обработке пространственной информации.
И результаты показывают, что используемый подход к обучению, который был адаптирован к уровню понимания каждого ребенка и включал в себя множество повторяющихся, высокоскоростных арифметических упражнений, чтобы помочь закрепить факты в головах детей, работает, потому что он совместим с тем, как их мозг кодирует факты. "Ресурсы памяти, обеспечиваемые системой гиппокампа, создают основу для изучения математики в развивающемся мозге," Менон сказал. "Наши результаты показывают, что, хотя концептуальные знания о числах необходимы для обучения математике, повторная, ускоренная практика и проверка простых числовых комбинаций также необходимы для кодирования фактов и поощрения детей полагаться на поиск – наиболее эффективная стратегия для решения простых арифметических задач." Как только дети научатся автоматически извлекать из памяти ответы на основные арифметические задачи, их мозг может решать более сложные задачи.
Следующие шаги исследователей будут включать сравнение структуры мозга и проводки у детей с нарушениями в обучении математике и без нее, анализ того, как проводка мозга изменяется в ответ на обучение, и изучение того, можно ли задействовать мозг менее эффективных детей, чтобы помочь им выучить математику. "Мы продвигаем очень экологически актуальную модель обучения," Менон сказал. "Академическое обучение должно основываться на утвержденных принципах обучения, включая индивидуальное обучение, чтобы обеспечить обратную связь о том, правы ли учащиеся или нет, как они ошибаются и как они могут улучшить свои математические навыки."