大脑中的学习 | Learning in the brain

Created
Oct 14, 2021 12:48 AM
Tags
image

介绍长期记忆和工作记忆

  • 主要功能
  • 在学习建立(和使用)记忆库的过程中,他们如何相互作用
  • 根据学习阶段调整教与学的策略

大脑的基本功能

一般来说,大脑的功能是接收来自环境的信号,处理这些信号,并作出有效的反应,以支持机体的健康和生存。关于在给定情况下什么可能有效的信息是从存储过去场景信息的长期记忆系统中检索出来的。

image

信息如何在长期记忆中存储

在科学发现的基础上,人们普遍认为信息储存在神经模式中。神经元是大脑的基本功能单位,它们通过发送和接收信号相互沟通。通过激活彼此,它们形成了同步活动的路径和网络。这是大脑工作的基本机制。我们记得的信息存储在神经元活动的特定模式中。

image

这些特定的模式是在学习过程中产生的,稳定并储存在长期记忆中,并有可能在回忆中重新激活。为了说明与节点(神经元)和连接器(突触)的简化模型: 概念“老虎”表示为一组神经元同时活跃(图中的绿松石矩形)。这种神经活动(代表老虎)通过与其他神经元模式(代表“动物园”、“捕食者”、“丛林”、“危险”等)的连接而联系在一起,这些神经元模式包含了我们对老虎的所有了解。要做出有效的反应,必须获取相关信息,并结合外界刺激进行操纵。这些动作是在一个叫做工作记忆的心理空间中完成的。

工作记忆(Working Memory)

工作记忆是所有心理过程发生的地方:实时思考,将输入的信息和从长期记忆中检索到的信息结合起来,通过操纵它们来产生输出,通常是以一个决定或行动的形式出现。

工作记忆系统最突出的特点是它的容量有限:它只能同时处理少量的项目。许多人熟悉7 ± 2项的限制(即工作记忆中的项目的正常范围是5到9项) ,但是容量可能更低,更接近于4个孤立的和不熟悉的项目。使用这个演示,你可以体验到有限的工作记忆容量,并探索当需要处理不熟悉的项目(未定义的形状)时,与处理熟悉的项目(数字)相比,它是如何减少的。

工作记忆的主要特征

  1. 这是思考发生的地方: 将新的信息与先前的知识联系起来,并且两者都被操纵。
  2. 容量有限
  3. 重新载入会导致信息丢失 —— 要么不处理传入的信息,要么为新的信息删除一个「进程中」的选项
  4. 所有长期记忆存储,必须通过工作记忆的处理。
image

最后一点强调了工作记忆和长期记忆相互作用中的一个关键部分,丹尼尔 · 威林厄姆(Daniel Willingham)在一句名言中描述了这一点:

“记忆是思想的残余”1。换句话说,信息的长期表征可能只是工作记忆操纵的结果。

因此,工作记忆中的处理对于长期存储是必不可少的,但是我们是否记得所有在工作记忆中被操纵的事情呢?答案显然是否定的。那么,还有什么重要的事情需要考虑呢?

什么样的工作记忆处理方式,才能支持长期记忆存储

如果“记忆是思想的残留物”,那么“思想”应该以一种记忆存储器可以“读”的方式来处理信息。

把工作记忆想象成一个大档案的接收计数器。传入的信息必须按照组织的标准体系进行标记和存储,否则不能系统地存储,永远不会被发现。

因此,了解长期记忆组织的原理,以便以类似的方式处理信息,将是有益的,因此:

image

知识在长期记忆存储中是如何组织的?

根据“记忆加工水平模型”,当信息被深入而有意义地加工时,比起依据形状、颜色或声音等浅层特征加工,记忆效果会更好。(阅读更多关于模型和经典实验的内容)。

深度处理涉及意义或语义: 根据已经熟悉的概念和它们之间已经熟悉的联系理解一个新概念的能力。因此,在 工作记忆中 —— 在学习过程中进行深入的、与内容相关的、有意义的处理,可以将新信息与现有知识联系起来,使其可以在未来使用。

总而言之,工作记忆资源是非常有限的,但是有意义的加工对于长期记忆的存储是必不可少的。因此,在教学中有效地运用这些资源是很重要的。有许多已知的有效的教学策略,但是经常出现的一个问题是,什么时候应用每个策略才能取得最好的效果?

理解这两个主要记忆系统的主要特征,它们的局限性,重要的是它们之间的相互作用,可以支持关于策略使用的明智决定。

为了做到这一点,我们通过描述长时记忆中的知识表示模型来完成整个图像。学习新概念的阶段是什么?它是如何在大脑中表现出来的?它可能支持什么样的行为?

该模型包括4个层次: 了解、理解、使用和掌握。

一种建立长期记忆表征的模型

1. 了解(Know)

学习任何概念的第一阶段是初次接触:当一个学习者第一次看到或听到一个全新的概念(单词、物体等) ,这是以前从未遇到过的,因此在大脑中没有以任何方式表现出来(左面板)。在第一次接触之后,新的概念可能在大脑中表现出来(右面板) : 神经元之间形成连接(绿松石色的边缘) ,从而形成一个网络。如果发生这种情况,学习者可能会在不久的将来再次明确提出这个概念时认识到它。可以说学习者知道这个概念,但由于这是一个非常低水平的表征,它可能允许潜在的识别,但不会更多。

image

2. 理解(Understand)

接下来,现在可识别的概念被解释,变得有意义。当新概念(Turquoise)与学习者已经熟悉的其他概念(单词、对象、过程等)相关联时(深灰色) ,以一种对学习者有意义的方式,意义就产生了。学习者现在明白了新概念的含义。当我们理解了这个概念,我们就会开始意识到这个概念是多么的有用。

image

3. 使用(Use)

其次,至关重要的是实践所学到的东西,以建立可及性和了解其功能。我们的目标是建立路径,在需要的时候能够回忆起这个概念,理想的情况是随着时间的推移,不断变化的环境和各种各样的提取线索。分布式和多样化的检索实践是实现这一目标的途径: 当试图回忆信息时,其访问路径是已经被建立和经常维护的。当一个相关概念的网络建立,学习者能够使用储存的知识。

image

4. 精通(Master)

当我们在不同的环境和方式下重复使用这个新的关系时,我们最终会达到一种精通(MASTERY)的状态: 能够轻松快速地使用它,甚至是自动地使用它。这种概念表示的状态被描述为“模式”(具有非常好的连接和实践的概念网络)。

image

需要付出多少努力?

这个四阶段模型允许我们完成工作记忆的长期记忆交互图像:长期记忆的表征水平决定了在工作记忆中处理任何“知识片段”需要多少心理努力(例如,当学习新东西时) :

  • 当一个学习者知道这个概念时,唯一可能的操作就是在呈现时识别它。这要求不是很高(但也不是很有成效)。举个例子,当我们听到或者读到一个新学的单词,但是我们不知道它的意思(新的词汇项目,或者一个绝对新的概念)。
  • 当一个概念被理解的时候(例如,当意义被附加到一个新单词上) ,我们就可以开始操作和使用它,然而要做到这一点,我们需要不断地将它保存在工作记忆中,以及它的意义。这个阶段对精神努力(认知负荷)要求很高。例如,当我们试图理解一个复杂的句子或一组指令,其中包括我们刚刚掌握的一个新概念时,有时认知负荷迫使我们转向连续处理——先解释新概念,然后再解释指令——如果同时提供任何额外信息,我们就会经历认知超载!
  • 通过有效的练习(例如练习在句子中使用一个新的词汇单词) ,在练习的情况下更容易使用这个概念,减少了工作记忆的负担。这个概念变得有用。
  • 一旦掌握了这个概念(例如,当一个单词完全融入了日常词汇) ,使用它就变得毫不费力和自动化了。它需要更少的工作记忆资源。在这种情况下,可用的资源可用于破译传入的信息,即使这些信息很复杂。领导人松了一口气。

长期记忆与工作记忆的相互作用

长时记忆和工作记忆在学习过程中是如何相互作用的,这一点已经很清楚了。工作记忆加工的深度影响长时记忆的未来潜在表征,长时记忆的表征水平影响工作记忆处理额外信息的能力。当学习者遇到一个新的概念时,他们必须根据已经熟悉的概念有意义地加以处理。然而,这些常见概念的表示级别在很大程度上决定了还有多少资源可用于深度处理。知识越确定,所需的处理资源就越少,也就越容易深入处理。研究表明,基于一个良好的模式学习新的信息更快更容易。

image

以学习和记忆为中心的教学

这个模型可以帮助我们为每个阶段选择最合适的教学(和学习)策略,同时考虑:

  • 在形成长期记忆(LTM)表征方面的教学目标是什么(例如: 建立理解或建立提取途径)
  • 工作记忆(WM)资源是如何有限的,工作记忆如何用于实现上面定义的目标?
  • 本图试图描述相关的长期管理和工作管理考虑因素,并列出与学习阶段相一致的有效策略:
image