Datteri_neuroeducazione_28nov2013

LA NEUROEDUCAZIONE:
ALCUNI PROBLEMI DI METODO
Edoardo Datteri
LA NEURO-EDUCAZIONE
 “Educational neuroscience is cognitive neuroscience which
investigates educationally inspired research questions”
(Geake 2011)
 “Neuro-Education is a nascent discipline that seeks to blend
the collective fields of neuroscience, psychology, cognitive
science, and education to create a better understanding of
how we learn and how this information can be used to
create more effective teaching methods, curricula, and
educational policy” (Carew, Magsamen, 2010)
 L’obiettivo è «conoscere i meccanismi neurali che
presiedono ai diversi processi di apprendimento per poterli
favorire o per prevenire già in tenera età gli eventuali
problemi che in relazione a essi potrebbero insorgere»
(Rivoltella, 2012)
A BRIDGE TOO FAR?
 Quale ruolo attribuire alla ricerca neuroscientifica nella
ricerca pedagogica?
 Didattica speciale
o «Marker neuroscientifici» per rilevare disturbi
dell’apprendimento e/o effetti degli interventi scolastici
(Goswami 2010)
 Didattica generale
o Abolire alcuni «neuro-miti»: bambini con cervello
destro/sinistro, apprendimento durante sinaptogenesi, …
o Contribuire alla formulazione di metodologie didattiche
ENTUSIASMI E CRITICHE
– “Something must be done to prepare our
children for a 21st century future, and here we
propose that Neuro-Education may provide
one critical element toward a solution”
(Carew, Magsamen, 2010)
– “the direct or automatic application of
neuroscience findings to education should not
be encouraged” (Mason 2009)
COMPRENSIONE DEI PROBLEMI ARITMETICI
Lee, K., Lim, Z. Y., Yeong, S. H. M., Ng, S. F., Venkatraman, V., & Chee, M. W. L. (2007). Strategic
differences in algebraic problem solving: neuroanatomical correlates. Brain research, 1155, 163–71
«Ci sono una mucca, un cane e una capra. La
mucca pesa 150kg più del cane; la capra pesa
130kg meno della mucca. Tutti assieme pesano
410kg. Quanto pesa la mucca?»
 Primo passo: riformulare la domanda in un
modo che faciliti la ricerca della soluzione
IL METODO ALGEBRICO
«Ci sono una mucca, un cane e una capra. La mucca
pesa 150kg più del cane; la capra pesa 130kg meno
della mucca. Tutti assieme pesano 410kg. Quanto pesa
la mucca?»
 Sistema di equazioni:
C = D + 150
G = C - 130
C + G + D = 410
C=?
IL METODO DIAGRAMMATICO
(MODEL METHOD)
«Ci sono una mucca, un cane e una capra. La mucca
pesa 150kg più del cane; la capra pesa 130kg meno
della mucca. Tutti assieme pesano 410kg. Quanto pesa
la mucca?»
SCELTE DIDATTICHE NELLA SCUOLA PRIMARIA
• Generalmente: prima metodo diagrammatico
(più «intuitivo») poi metodo algebrico
Problema didattico:
diventare «esperti» del metodo diagrammatico può
ostacolare l’apprendimento di quello algebrico?
• “If the model method is indeed non-algebraic and poses
an obstacle to the learning of symbolic algebra, it may be
advisable to forego the teaching of the model method”
NEUROIMMAGINI
E APPRENDIMENTO DELLA MATEMATICA
• Ipotesi: il metodo algebrico richiede maggiori
risorse di attenzione e memoria, e per questo
non dovrebbe essere adottato nei primi anni
• Metodo: analisi fMRI delle aree cerebrali attive
durante lo svolgimento dei due metodi
• “If symbolic algebra does indeed have higher
working memory or attentional demands, it can
be expected to result in greater activation in
frontal and parietal areas previously found to
subserve these processes”
METODOLOGIA
 Analisi fMRI su soggetti adulti durante la
riformulazione di problemi aritmetici in base
al metodo diagrammatico e al metodo
algebrico
 Task di controllo per isolare le aree cerebrali
responsabili della riformulazione in senso
stretto
TASK DI CONTROLLO
MODELLO
Sperimentale
Controllo
ALGEBRICO
Sperimentale
Controllo
RISULTATI
• Alcune aree attivate sia dal
metodo diagrammatico sia da
quello algebrico
• Giri frontali:
– «indicative of greater working
memory or executive
involvement in the
experimental than in the
control condition”
– Giustificazione: studi fMRI
sulla memoria di lavoro
(Owen et al., 2005)
RISULTATI
 Alcune aree attivate sia dal metodo
diagrammatico sia da quello algebrico
 horizontal segment of the
intraparietal sulci (HIPS)
– Attiva in vari task di confronto
numerico (Dehaene et al. 2003)
– “In the present study, HIPS
activation is likely related to
participants engaging in
magnitude comparison to help
verify which protagonist
possessed more target objects”
RISULTATI
 Alcune aree maggiormente attivate dal
metodo algebrico
 Nucleo caudato
o Modello ACT-R
sull’elaborazione simbolica
(Anderson et al. 2003):
“activation in the basal
ganglia may reflect retrieval
of procedural memory”
o “construction of algebraic
equations is more reliant on
procedural retrieval”
RISULTATI
 Alcune aree maggiormente attivate dal
metodo algebrico
 Precuneus
– Dehaene et al. (2003): contribuisce
all’attenzione selettiva nei compiti
numerici
– “In the present study, activation of
the precuneus suggests additional
resources devoted to attention
orientation or retrieval of relevant
information are required in
generating algebraic equations from
word problems”
SINTESI DEI RISULTATI
 both the model and symbolic methods
activated similar areas in the frontal gyri and
HIPS.
 Differences were found in the precuneus and
caudate regions.
 These findings suggest that one reason for the
efficacy of the model method is its lower
demand on attentional resources.
IMPLICAZIONI PEDAGOGICHE
 Both methods activate similar brain areas, but
symbolic algebra imposes more demands on
attentional resources.
 If symbolic algebra is indeed more demanding
on attentional resources, one curricular
implication is that it is best to teach the
model method at the primary level and leave
symbolic algebra until students are more
cognitively matured
INTERPRETAZIONE DELLE NEUROIMMAGINI
Inferenze della forma
Attivazione dell’area cerebrale x
------Attivazione del processo cognitivo y
 “The frontal gyri has been found to be active,
indicating activation of working memory in
the experimental condition”
INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI FMRI
P1. Attivazione dei giri frontali
------C. Attivazione della memoria di lavoro
 Quali ulteriori premesse per giustificare C?
INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI FMRI
P1. Attivazione dei giri frontali
P2. Se si attivano i giri frontali, il soggetto sta
attivando la memoria di lavoro
------C. Attivazione della memoria di lavoro
 Giustificazione degli autori: studi fMRI che indicano
attivazione dei giri frontali durante task che
attivano la memoria di lavoro (Owen et al. 2005)
METODOLOGIE DI NEUROIMMAGINE
task
attività del
modulo
cognitivo y
fMRI
attivazione
dell’area
cerebrale x
 Supporto a ipotesi della forma
Se si attiva il modulo cognitivo y,
si attiva l’area cerebrale x
(L’area cerebrale x è necessaria per l’attività cognitiva y)
Esempio: se il soggetto attiva la memoria di lavoro, si
attivano i giri frontali
LA «REVERSE INFERENCE»
(POLDRACK 2006; SARTER ET AL. 1996)
P1. Attivazione dei giri frontali
P2. Se si attivano i giri frontali, il soggetto sta attivando
la memoria di lavoro
P3. Se il soggetto attiva la memoria di lavoro, si
attivano i giri frontali
------C. Attivazione della memoria di lavoro
 Lo studio di neuroimmagine NON fornisce la base empirica
«giusta» per inferire attivazione del processo cognitivo da
attivazione cerebrale!
ALTRI ESEMPI DI «REVERSE INFERENCE»
Aree attive in entrambi i metodi
• Attività dei giri frontali  attivazione della memoria di lavoro
• Attività della HIPS  i soggetti eseguono confronti numerici
Aree maggiormente attive nella trasformazione algebrica
• Attività del nucleo caudato  “This indicates that algrebraic
transformation is more reliant on procedural retrieval than the
diagrammatic one”
• Attività del precuneus  “This indicates that more resources
devoted to attention orientation or retrieval of relevant
information are required in equation-based transformation than in
the diagrammatic one.”
GIUSTIFICARE LA «REVERSE INFERENCE»?
 P2. Se si attivano i giri frontali, il soggetto sta
attivando la memoria di lavoro
 Come sostenere P2?
o [Stimolare i giri frontali e rilevare l’attivazione della
memoria di lavoro]
o Mostrare che i giri frontali non si attivano durante
l’attivazione di qualsiasi altro modulo cognitivo
(Poldrack 2006)
• I giri frontali si attivano esclusivamente durante l’attivazione
della memoria di lavoro
NEUROIMMAGINE E GIUSTIFICAZIONE DELLA
«REVERSE INFERENCE»
memoria di
lavoro
modulo
cognitivo y
modulo
cognitivo z
…
X X X
giri
frontali
pesanti assunzioni
epistemologiche:
identificare le aree
attivate da tutti i moduli
cognitivi
LA MULTI-FUNZIONALITÀ DELLE AREE
CEREBRALI: IL PRECUNEUS
 this cortical area has traditionally received little
attention, mainly because of its hidden location and
the virtual absence of focal lesion studies.
 However, recent functional imaging findings in
healthy subjects suggest a central role for the
precuneus in a wide spectrum of highly integrated
tasks, including visuo-spatial imagery, episodic
memory retrieval and self-processing operations,
namely first-person perspective taking and an
experience of agency (Cavanna & Trimble, 2006)
CONCLUSIONI
 If symbolic algebra is indeed more demanding
on attentional resources, one curricular
implication is that it is best to teach the
model method at the primary level and leave
symbolic algebra until students are more
cognitively matured
 Questa conclusione prescrittiva non è
adeguatamente giustificata dagli studi di
neuroimmagine
CONCLUSIONI
 Gli studi di neuroimmagine permettono al più
di identificare aree cerebrali necessariamente
coinvolte in certi processi cognitivi
 Problematiche assunzioni teoriche sono
necessarie per sostenere che una certa area
cerebrale è sufficiente all’attivazione di un
certo processo cognitivo
GRANDI SPERANZE
 Perché ricorrere alle neuroimmagini nella
valutazione dell’«efficacia» di certe strategie
didattiche?
 Evidentemente, sotto l’assunzione che le
neuroimmagini
o forniscano basi solide per inferire i processi
cognitivi in atto nel soggetto, oppure
o forniscano indicatori della loro efficacia
 Problema dell’inferenza inversa!
APPRENDIMENTO DI NUOVE OPERAZIONI
DELAZER ET AL., NEUROIMAGE 2005
 Apprendimento di nuove
funzioni aritmetiche
x
y
ris
1
5
10
3
4
6
1. Ripetizione: si memorizzano
coppie <<valori di ingresso>,
risultato>
2
7
13
11
7
4
2. Algoritmo: si apprende il
modo di calcolare il risultato
sulla base dei dati di ingresso
ris = 2y – x + 1
IMPARARE A MEMORIA
DELAZER ET AL., NEUROIMAGE 2005
Quali sono le differenze nell’attività cerebrale
 quando il soggetto risponde a una
domanda applicando il metodo
«ripetizione» vs. il metodo «algoritmo»?
 prima e dopo l’apprendimento
dell’operazione utilizzando il solo metodo
«algoritmo»?
IPOTESI E PREVISIONI
 «il presente studio formula le seguenti
previsioni: se l’apprendimento causa una
modifica dei processi cognitivi – procedendo
dall’applicazione passo-passo di un algoritmo
al richiamo veloce di elementi della memoria
– prima dell’apprendimento dovrebbe
verificarsi una maggiore attivazione in aree
coinvolte nella (subserving) memoria di
lavoro, nella pianificazione e nell’elaborazione
basata su regole.»
IPOTESI E PREVISIONI
 Inoltre, [prima del’apprendimento] dovremmo
aspettarci l’attivazione di aree importanti per
l’elaborazione delle quantità e il calcolo non
automatico, ovvero i solchi intraparietali
bilaterali.
 Dopo l’apprendimento dovrebbe verificarsi
una maggiore attivazione in aree relative al
richiamo di fatti appresi, in particolare nel giro
angolare.»
RISULTATI E DISCUSSIONE
 Rispetto alla condizione di controllo
(rilevazione di identità tra numeri), tutte le
condizioni sperimentali hanno attivato una
rete distribuita di aree fronto-parietali.
 Attivazioni parietali lungo il solco
intraparietale sono state sistematicamente
riscontrate in compiti di elaborazione
numerica, soprattutto quando veniva richiesta
manipolazione di quantità.
RISULTATI E DISCUSSIONE
 Rispetto a uno studio precedente sull’apprendimento
dell’aritmetica, il presente studio ha messo in evidenza una
maggiore attivazione bilaterale in tutti i confronti con il
controllo e anche nei confronti tra le condizioni
sperimentali.
 Questo risultato può essere spiegato in riferimento al tipo
di compiti di calcolo somministrati ai soggetti.
 Lo studio di cui sopra analizzava casi di moltiplicazione
semplice e complessa. Il nostro, invece, si focalizza su
nuove operazioni complesse che richiedono combinazione
di addizioni e sottrazioni.
 Come riportato in letteratura, l’attivazione del solco
intraparietale è modulata dal tipo di operazione, dal tipo di
elaborazione (esatta o approssimata) e dalla dimensione
degli operandi.
RISULTATI E DISCUSSIONE
 Oltre alle attivazioni parietali, sono state riscontrate
larghe attivazioni frontali bilaterali.
 Attivazioni della corteccia prefrontale dorsolaterale e
del cingolato anteriore vengono tipicamente osservate
in compiti che richiedono il mantenimento di lunghe
sequenze di elementi nella memoria di lavoro.
 È stato più volte mostrato che il cingolato anteriore ha
un ruolo cruciale in compiti che richiedono
frazionamento dell’attenzione, soppressione di risposte
immediate, rilevamento dell’errore e supervisione.
 Tutte queste funzioni sono necessarie per lo
svolgimento dei compiti sperimentali.
SCETTICISMO SUL RUOLO DELLA FMRI?
 «Sembra che non vi sia alcun esempio di
scoperta neuroscientifica che sia stato in grado
di porre vincoli su una teoria socio-psicologica…
Al contrario, sembra che proprio l’opposto sia
vero: sono le teorie psicologiche a porre vincoli
sull’interpretazione dei risultati neuropsicologici e
neuroscientifici» (Kihlstrom 2006)
 «Nessuno studio di neuroimmagine funzionale,
finora, ha prodotto dati che possano essere utili
per decidere tra teorie psicologiche alternative»
(Coltheart 2006)