Память и обучение. Процедурная и декларативная память

Е. Синицын.

Теория творчества. Структурный анализ мышления.

Теория интегрированного обучения.

Память и обучение

9.2. Процедурная и декларативная память

Не все физиологи придерживаются указанного деления. Но для обучения этот вид классификации имеет важнейшее значение. Более того, если бы физиологи не выделили бы данные виды памяти, это могли сделать психологи, занимающиеся проблемами обучения. В педагогике давно и хорошо известно, что легче запомнить (особенно при изучении математики), «как делать», какова последовательность преобразований, каковы методы и способы вычислений, чем запомнить конкретную информацию и детальные преобразования. Например, требуется доказать теорему. Конкретные выкладки и все промежуточные результаты учащиеся, как правило, не помнят, хотя подчас пытаются их зазубрить, но если они поэтапно запомнили весь путь доказательства, осмысленные связи между этапами, то они довольно успешно справляются со всем ходом доказательств. Хорошо известны способы вычисления производных, и прежде всего получение выражений производной суммы и разности функций, производной произведения, частного, производной синуса, косинуса, тангенса, котангенса. Все этапы преобразований одни и те же. Вот некоторые их последовательности. Сначала определение разности функций в двух близких точках, то есть вычисляется выражение приращения зависимой переменной - функции, затем образование дроби, в числителе которой стоит приращение функции, а в знаменателе приращение аргумента, затем переход к пределу при стремлении приращения аргумента к нулю. Сразу видно, что указанная последовательность этапов легко запоминается и консолидируется в виде энграмм в долговременной памяти. Как это происходит? Достаточно дважды провести этот ход вычислений, допустим, с суммой функций, с произведением функций, как учащиеся с помощью педагога делают совместно вычисление производной частного и других функций.

То же самое можно сказать об изучении истории. Конкретные факты, даты, имена полководцев, деятелей, графов, баронов, королей, князей, даты восстаний, места сражений быстро забываются. Но смысловая последовательность решений, сущность реформ, часто одни и те же противоречия, методы управления государством и т.д., вся обобщенная крупномасштабная информация, связанная смыслом, хорошо сохраняется в памяти и консолидируется в виде следов памяти.

Противоположным видом процедурной, является декларативная память. Американские физиологи Ф.Блум, А. Лейзерсон, Л.Хофстедтер пишут об этих видах памяти: «Процедурное знание - это знание того, как нужно действовать. Декларативное знание, согласно Сквайру, «обеспечивает ясный и доступный отчет о прошлом индивидуальном опыте, чувство близкого знакомства с этим опытом» (9).

Теперь попытаемся обосновать нетрадиционный и новый взгляд на эти два вида памяти. Для этого мы снова обратимся к фундаментальным положениям психологии.

Первое - целостный охват ситуации, изучаемого и воспринимаемого объекта, второе - часть объекта, его детали, их свойства определяются свойствами целого. Эти положения дают нам ответ - почему происходит прочное запоминание и более легкое считывание процедур действия.

1.Число процедур, т.е. число выявленных закономерностей всегда меньше, чем конкретных деталей.

2.Все процедуры связаны в структуру общим смыслом.

3.Вследствие эффекта многократного повторения крупных блоков, но с вариациями деталей происходит консолидация следов памяти, цепочки последовательных процедур крупных блоков.

4.Быстрое считывание из памяти целостного образа (энграммы) обеспечивается «вытягиванием» всей смысловой цепочки уже известных процедур, но тогда, когда в памяти на пороге считывания оказывается хотя бы одно понятие (процедура) из совокупности образующих этот целостный образ.

Допустим, у учащегося зафиксирована в памяти при вычислении производной функции y = cos(x) такая цепочка процедур : сначала нужно образовать приращение функции Dy = сos(x+Dx) – сos(x), затем найти отношение приращения функции Dy к приращению аргумента Dx и после этого перейти к пределу, когда приращение аргумента Dx стремится к нулю. Тогда, когда возникает необходимость вычислить производную функции y = sin(x) в область сознания выплывает предыдущая цепочка процедур аналогично, как в случае вычисления производной функции y = cos(x), только вместо функции косинуса стоит функция синуса. Сама техническая сторона преобразования тригонометрических формул выполняется легко, важно, что в мозгу у учащегося сформирована логика вычисления производной.

Отсутствует аргументированное объяснение, почему процедурная память имеет более консолидированные следы, чем декларативная. Ф. Блум, А. Лейзерсон, Л. Хофстедтер гипотетически предполагают, что процедурное знание развивается раньше (в ходе эволюции), чем декларативное. Они считают, что процедурная память основана на биохимических или биофизических изменениях в нервных сетях, которые непосредственно участвуют в усвоенных действиях. Последнее хорошо согласуется с выдвинутыми нами представлениями о консолидации в памяти энграммы всей структуры взаимосвязанных процедур.

Обучение в школе отличается тем сильным преимуществом, что дает огромное число данных по сравнению с любым другим методом исследования. Это связано с тем, что обучение - самая массовая и многократно повторяющаяся последовательность передачи и восприятия информации на самых различных контингентах школьников. Поэтому когда мы касаемся вопросов физиологии, то главное - правильно и адекватно сформулировать условия опыта и модель изучаемого явления.

Как включить механизм процедурной памяти? По-видимому, нужно помещать в кладовые долговременной памяти совокупность взаимосвязанных процедур - методов решения задач. Отсюда вытекает ясная, но парадоксальная цель - учить школьников методам решения задач через решение конкретных задач. Такой подход не адекватен противоположному, который применяется в традиционной педагогике. Рассматриваются конкретные задачи, достаточно хаотично (по крайней мере, для младших и средних классов средней школы), а на методах внимание не концентрируется. В результате смысловая целостная структура, отражающая взаимосвязанные блоки-методы, в мозгу у учащихся не формируется. Не создается целостная картина структуры методов, как решать определенного типа задачи, например, задачи на движение, вычисление площадей и объемов и др.

Преимуществом нашего процедурного подхода являются, как мы уже говорили, экономичность и быстрое запоминание. Действительно, методов мало, а конкретных задач бесконечное множество. Структура S, в которой увязаны общим смыслом методы решения, включает очень небольшое количество элементов-методов. Каждый элемент такой укрупненной структуры образован также совокупностью элементов, каждый из которых является более детальным методом, они образуют структуру.

Можно сказать, что есть система C, образованная взаимосвязанными подсистемами c_i , c_iÎС, в свою очередь c_i состоят из более мелких подсистем b_j , и так далее, как система вложенных матрешек. Таким образом, наша цель определенным образом упаковывать и сжимать информацию, используя принцип процедурной памяти - легче запомнить, как делать, чем объемную и беспрерывно растущую декларативную информацию. Вопрос состоит в том, как реально в учебной практике воплотить эту выигрышную и экономичную стратегию. Если мы будем объяснять учащимся сами абстрактные методы решения задач, то неизбежно потерпим фиаско из-за познавательно-психологических барьеров. Поэтому учить методам надо в обратном порядке – в соответствии с уже описанной схемой Кедрова – от частного (конкретного) к общему через преодоление барьеров.

Иначе, сначала изучаются и запоминаются методы решения простейших задач через решение самих задач, затем происходит постепенное усложнение задачи и укрупнение метода и т.д. Такой подход обуславливает разделение задач по темам: движение, вычисление площадей, вычисление объемов, построение и вычисление углов, поиск оптимальных вариантов и т.д.

На этом принципе построено учебные пособия для школьников третьих-седьмых классов, названное «Веселая математика 1 и Веселая математика 2», а также «Математические сказки и рассказы» для младших школьников (10,11,12).

Предварительно были выделены все возможные типы задач, среди которых основными являются:

1.Первый тип: основная процедура - простейшее решение в одном действии. В каждом случае по двум заданным параметрам движения требуется найти третий: или время, или скорость, или расстояние. Приведем процедуры решения этих простых задач

расстояние : скорость = время

S : V = t

расстояние : время = скорость

S : t = V

скорость · время = расстояние

V · t = S

2. Второй тип, более сложный., по известным параметрам (данным) отыскивается неизвестный параметр.

V₁ · t + V₂ · t = S₁ + S₂,

V ₁ и V₂ - скорости движущихся объектов, через S₁ и S₂ обозначены расстояния объектов, движущихся навстречу друг другу.

Рассмотрим все возможные вариации в рамках этого типа задач.

Заданы V₁,V₂, t, Dt (D t - приращение времени показывает насколько один объект двигался больше другого). Требуется найти суммарное расстояние, пройденное обоими объектами.

Процедура решения такова :

а)V₁ · t + V₂ · (t +Dt) = S,

где S - расстояние между исходными пунктами движения.

Во втором варианте - вместо значения Dt в задаче задано значение расстояние D S, которое до начала движения прошел первый объект :

б)V₁· t + V₂ · t +D S = S.

В третьем варианте по заданным значениям расстояний, прошедшим первым и вторым объектов, и соответственно - скоростям их движения, требуется найти, насколько больше затрачено времени одним из движущихся объектов:

в)S ₁ : V₁ - S ₂ : V ₂ = Dt.

Существует еще много различных вариаций на тему встречное движение, когда все необходимые параметры могут быть вычислены без составления уравнений.

3.Третий тип. В решении задачи присутствует неизвестное число X и метод решения простейших уравнений вида:

X + 5 = 20.

4. Четвертый тип. Встречное движение с двумя неизвестными скоростями.

Кроме вспомогательных основная процедура решения имеет вид:

V₁ + V₂ = V _S

где V_S - суммарная встречная скорость сближающихся объектов.

5.Пятый тип - встречное движение с двумя неизвестными скоростями. Он образован из всех предыдущих типов. Считаются заданными такие параметры задачи: S - исходное расстояние между пунктами до начала движения, DS - расстояние, оставшееся между движущимися объектами за заданное время t, разность скоростей V₁ - V₂ = C.

Основная процедура решения:

(X + C) · t + X · t = S - DS.

Как видно из перечисленных типов задач, наблюдается четкая смысловая связь между процедурами решения, которые вытекают одна из другой. Все остальные возможные задачи с различными исходными и неизвестными параметрами движения есть различные вариации с применением этой процедуры.

6.Расходящееся движение. Из одной точки ( пункта) удаляются два объекта с неизвестными скоростями V₁ и V₂. Задана разность скоростей V₁ - V₂ = C, время t, за которое объекты удалились на известное расстояние S.

Основная процедура решения состоит в том, чтобы выразить расстояние одного объекта через неизвестную скорость и известное время t, затем выразить расстояние, которое преодолел второй объект, через известное время и неизвестную его скорость, а затем составить уравнение вида

X · t + (X + C) · t = S

По сути, задача на расходящееся движение имеет ту же процедуру решения, что и задача на встречное движение.

Структурное изображение этих типов задач рассмотрено во 2-й части книги. Самое любопытное в этих типах задач состоит в том, что первый тип задачи рассматривается в третьем классе начальной школы, а шестой тип по своей трудности относится к седьмому классу. Почему такой резкий скачок? Неужели ученикам, допустим, пятого класса нельзя объяснить методы решения задач на встречное движение с неизвестными скоростями? Ответ несложен. Составленные программы не учитывают механизмов памяти и развития информационных смысловых структур, о теории которых мы будем говорить ниже. При том методе, который предлагается в книге, это можно сделать. В традиционной педагогике этого не делается. Обучение происходит достаточно хаотично. Различные типы перемежаются, и не делается акцента на методах и процедурах решения. Поэтому ученикам в таком растянутом обучении трудно охватить целостную картину.

9.3. Поле эмоций

Этот небольшой раздел, представляет собой возможно смелую попытку объяснить некоторые факты, подчас противоречивые, c позиции новых предположений о механизмах памяти человека. Сконцентрируем внимание на ряде основных тезисах. Первые четыре известны.

1.Эмоционально окрашенная информация находится ближе к порогу считывания, чем неокрашенная.

2.След памяти представляет собой некоторую траекторию или путь прохождения нервных импульсов.

3.Множество этих путей или траекторий образует нейронную сеть связанных между собой нейронов.

4.Роль памяти, по мнению Р.И.Кругликова, для анализа будущих ситуаций имеет заготовку прошлых следов памяти, к тому же, как бы заготовку впрок для использования будущих ситуаций. При этом формируется избыточные следы памяти для благоприятной восприятия новой информации (13).

П.К.Анохиным была развита концепция опережающего отражения действительности. Суть этой концепции - следы памяти так формируются, что они как бы обгоняют реальные события, давая возможность предвосхитить будущие события. Это ведет к подготовке будущих реакций на прогнозируемые события (14).

Все следующие положения являются в определенной степени гипотетическими, но вытекающими из известных положений, их анализа и результатов исследований автора в процессе многочисленных экспериментов в учебном процессе.

Нейронные сети хранят множество информационно-смысловых структур S, которые были восприняты мозгом и запечатлены в нем. Множество смыслов хранится в мозгу в виде следов нервных впечатлений, образующих множество L траекторий прохождения нервных импульсов. Эти информационные смысловые структуры как продукт следов памяти обладают способностью к саморазвитию и могут развиваться в сторону предвосхищения будущих событий, как считали Р.И. Кругликов и П.К. Анохин.

5.Каждая траектория прохождения нервного импульса имеет свой уровень эмоциональной окрашенности или, иначе, против каждой траектории можно поставить значение весовой функции, отражающей уровень эмоции, когда информация была воспринята мозгом.

6.Значения весовой функции эмоций динамично во времени по своей сути. Оно может изменяться со временем, что приводит как к уменьшению, так и увеличению расстояния хранимой в мозгу информации от ее порога считывания. А это в свою очередь облегчает или усложняет извлечение (вспоминание) информации из мозга во внешний мир.

7.Множество весовых функций эмоций, распределенных по всем возможным траекториям, образует поле эмоций, регулирующих механизм восприятия информации и ее выход во внешний мир. О том, является ли поле эмоций дискретным или непрерывным, судить трудно.

8.Мозг воспринимает информацию тем лучше, чем ближе она по смыслу к тем структурам, которые в эмоциональном поле имеют наибольшие значения.

9.В поле эмоций наблюдаются аномалии повышенных и пониженных значений весовых функций, а также близкий к нулю уровень, соответствующий настроению - “безразлично”.

10.Биологически значимая информация характеризуется аномальными значениями весовых функций. При этом знак значений весовых функций может быть как положительным, так и отрицательным.

11. При обучении информация, попадающая в мозг, встраивается в уже имеющиеся запечатленные в мозгу структуры в не полном объеме. Это происходит по причине, когда входная структура находится в слабом эмоциональном поле или когда воспринимаемая информация не несет повышенного уровня эмоций.

12. В исходных входных структурах пробелы более быстро заполняются новыми связями и понятиями только в том случае, если эти понятия и связи окрашены высоким эмоциональным фоном.

13. Так как у каждого человека множество информационно-смысловых структур, запечатленных в нейронных сетях, полностью индивидуально, то каждая из структур этого множества имеет неповторимое для другого человека взвешивание своим полем эмоций; связанные вместе (структуры и значения поля эмоций) дают некоторую индивидуальную обобщенную характеристику мышления конкретного человека. Поэтому все мыслительные реакции человека на внешние и внутренние сигналы вынуждено будут определяться этим обобщенным параметром.

Если это действительно так, то мы получаем бесценный по своей важности вывод. Как отпечатки пальцев позволяют идентифицировать личность человека, идентификация человека может быть также проведена на основе всей его мыслительной деятельности и на основе, зависящего от неё поведения конкретного человека. Но если отпечаток пальца технически получить нетрудно, то «сфотографировать» основные информационные структуры, запечатленные в нейронной сети и взвешенные значениями поля эмоций, сделать невероятно трудно или почти невозможно. Крупные структуры неизбежно проявляются в течение всей жизни человека и часто очень ярко.