Bouwen op voorkennis: hoe leert het studenten- brein?

Dagelijks zijn we bezig om de enorme kennisbank in ons brein aan te passen en uit te breiden. Ons brein hunkert naar een zo accuraat mogelijke representatie van de werkelijkheid, zodat het nieuwe informatie zo makkelijk mogelijk kan integreren. In ons dagelijkse leven wordt nieuwe informatie dus vaak zo aangeboden dat we het makkelijk kunnen begrijpen. Op televisie en internet, maar natuurlijk ook in het onderwijs.

Het is extreem belangrijk in het onderwijs dat vakken goed worden opgebouwd. Bijvoorbeeld: als je niet kunt optellen en aftrekken, kun je ook niet vermenigvuldigen en als je niet kunt vermenigvuldigen wordt worteltrekken weer lastig. Natuurlijk is dit principe al lang bekend en wordt het wijdverbreid toegepast in het onderwijs.

Maar wat we niet weten is hoe deze kennis zo zorgvuldig wordt opgebouwd in ons brein en wat dit tot gevolg heeft voor het het leren van nieuwe dingen.

Verschillende manieren om informatie op te slaan

In mijn laatste experiment heb ik deze vraag onderzocht: hoe wordt nieuwe, studie-gerelateerde informatie opgeslagen in ons brein? Hiervoor heb ik twee groepen studenten getest die aan het begin van het tweede jaar van hun studie biologie of pedagogiek stonden. Deze studenten leerden korte zinnetjes met nieuwe informatie terwijl hun hersenactiviteit met een MRI-scanner werd gemeten. Deze zinnetjes bevatten informatie die óf voortbouwden op de studie die ze op dat moment volgden, óf op de andere studie. Een biologiestudent leerde dus ook de informatie voor pedagogiekstudenten en andersom. De volgende dag kregen de studenten een test over de informatie die ze hadden geleerd. Hierdoor wisten we precies welke zinnetjes ze hadden onthouden en welke waren vergeten.

De mediale prefrontale cortex bevindt
zich vooraan en middenin het brein,
achter je voorhoofd.

Wat kwam er nou uit dit experiment? Ten eerste bleken studenten veel beter in het onthouden van informatie die relateert aan hun eigen studie, maar dat is niks nieuws. Daarnaast vonden we dat het onthouden van deze informatie gerelateerd was aan activiteit in een ander hersengebied dan bij de niet studie-gerelateerde informatie. Dit hersengebied, de mediale prefrontale cortex, hadden we al eerder gevonden in ons onderzoek en we denken dat dit gebied nieuwe informatie integreert met oudere informatie. De informatie wordt dan dus niet apart opgeslagen, maar gekoppeld aan eerder opgeslagen informatie. Dit leidt vervolgens tot betere prestaties op de geheugentest.

Relatie met studieprestaties

We vonden daarnaast dat de activiteit in deze mediale prefrontale cortex positief correleerde met hoe de studenten presteerden in het tweede jaar van hun studie ten opzichte van het eerste. De mate waarin ze dit hersengebied gebruikten tijdens het leren van onze studie-gerelateerde zinnetjes was dus voorspellend voor de toekomstige prestaties in hun studie!

Kunnen we toekomstig studiesucces dan voorspellen door studenten in de scanner te leggen? Nee, de effecten in dit experiment zijn erg klein en de meetwaarden heel specifiek. Bovendien weten we bij een simpele correlatie als deze niet wat de leidende factor is en zijn er heel wat andere dingen die een rol kunnen spelen. Wel opent dit onderzoek nieuwe deuren door aan te tonen dat eerdere bevindingen – verschillende hersenprocessen tijdens het onthouden van simpele plaatjes of woorden - ook blijken te gelden voor het leren van ingewikkeldere informatie in de onderwijspraktijk.

Relatie tussen activiteit in de mediale prefrontale cortex (op
de x-as) en verschil tussen tweedejaars en eerstejaars cijfers
(op de y-as).

Toepassingen

Hoe kunnen we deze bevindingen dan wel gebruiken voor leren in het onderwijs? Voorlopig zijn directe toepassingen nog niet echt mogelijk, maar als we meer te weten komen over hoe ons brein voorkennis gebruikt om nieuwe informatie te leren, dan kunnen we proberen deze voorkennis beter en selectiever aan te spreken voordat we nieuwe informatie leren.

We kunnen dan bijvoorbeeld ons leerproces bewust efficiënter maken door ons vaker af te vragen hoe iets nieuws eigenlijk relateert aan iets ouds. Of op basis van de beschikbare voorkennis vaststellen of nieuwe informatie al geleerd kan worden of dat je beter nog even kan wachten. De mogelijkheden zijn eindeloos!

Referenties

Het artikel, nu in early access op de website van Journal of Cognitive Neuroscience.

iPad-scholen: ja of nee?

Leren met de iPad als leerboek. Je leraar als leercoach. Zelf beslissen wat je wanneer wilt leren. Zijn iPad-scholen, of Steve Jobsscholen, echt de onderwijsvorm van de toekomst waarmee we onze kinderen voorbereiden op onze steeds informatie-overvloedigere maatschappij? Of gaat dit alles misschien een beetje te snel en kan ons brein, en in het bijzonder het kinderbrein, deze veranderingen helemaal niet zo snel bijbenen?

De iPad als leermiddel?

Kinderen met een iPad (foto van hier).

Het O4NT (Onderwijs voor de Nieuwe Tijd) is een nieuw onderwijsconcept waarin het kind, volgens de oprichters, optimaal wordt voorbereid op de huidige maatschappij. Een onderdeel van deze overtuiging is het les krijgen met de iPad, maar ook een leraar als coach, de school als reeël en virtueel instituut en extra ouderparticipatie, zijn cruciale onderdelen (zie dit filmpje voor meer uitleg). Het draait dus niet alleen om een centraler gebruik van digitale middelen om het leren te beïnvloeden, maar is beter uitgedacht dan de media soms doen vermoeden. Dat gezegd hebbende blijven er duidelijke voors en tegens te stellen aan dit onderwijsconcept. Ik zal het nu niet hebben over het gebruik van de iPad, de "21st century skills" die de oprichters menen te ontwikkelen met deze methode, en de mogelijke overvloed aan informatie door het gebruik van de iPad, dit zijn onderdelen die al overbelicht zijn en waar ik bovendien geen expert in ben. Nee, ik ga een ander probleem aansnijden, een probleem waar we al eerder op gestuit zijn bij de Tweede Fase en Iederwijs, een probleem waarvan ik denk dat het niet genoeg meegenomen wordt in dit soort "vernieuwende"onderwijsvormen, terwijl het aan de basis van onze leervermogens ligt.

Het belang van voorkennis

Voorkennis kan van alles zijn, niet per definitie
op school geleerde informatie.

Voor het goed en systematisch leren van nieuwe informatie is goede voorkennis van cruciaal belang, dat zal niemand ontkennen. Het opbouwen van voorkennis en optimaal relateren van nieuwe kennis aan deze voorkennis is een van de belangrijkste drijfveren achter de opzet van curricula in alle vormen van onderwijs. Door het bewust en systematisch opbouwen van voorkennis (of een schema), en deze vervolgens tijdens nieuw leren opnieuw te activeren, wordt het leren zeer vergemakkelijkt en versterkt (zie hier voor meer informatie, in het Engels). Deze zorgvuldige opgebouwde curricula zullen op de iPad-scholen volledig aan het kind overgelaten worden en de vraag is of dit een goed idee is. Hoe kun je immers bedenken hoe je informatie het beste kunt leren als je deze informatie nog niet kent?

Daarbij komt dat een belangrijk deel van de nodige voorkennis in  het basis- en voortgezet onderwijs uit relatief saaie informatie bestaat, vaak opgebouwd uit rijtjes of regeltjes die een strikt herhaalregime vereisen. We kunnen ons allemaal deze informatie wel voor de geest halen: tafels, rijtjes voornaamwoorden, plaatsnamen bij aardrijkskunde etc. En zeg nou zelf: als je terug zou gaan naar je schooltijd, zou je dit soort informatie voor geen goud zelf hebben uitgekozen, laat staan dat je deze informatie zou hebben gestampt tot je pril ontwikkelende hersentjes helemaal beurs waren! Toch is het informatie waar je nu erg veel profijt van heb om dagelijkse vaardigheden te versnellen omdat je niet elke keer stil hoeft te staan bij deze kleine basisdingetjes. Je zorgvuldig ingeprente voorkennis zorgt er automatisch voor dat je nieuwe informatie makkelijker verwerkt, bijvoorbeeld als je nieuwe talen leert. Ik ben bang dat zonder deze basisinformatie deze "kinderen van de toekomst" een groot probleem krijgen, omdat ze continu deze informatie zullen moeten opzoeken op hun iPad. Dit is voor veel van deze simpele basisinformatie echt teveel moeite en het is daarnaast zeer goed mogelijk dat dit tot sterk versnipperde kennis leidt...

Tweede Wereldoorlog

Een mooi voorbeeld van wat een gebrek aan voorkennis in combinatie met een overvloed aan informatie kan doen las ik laatst in een column van Sylvia Witteman in de Volkskrant. Ze schreef over het werkstuk van haar zoontje, dat in groep zeven zit. Hij koos voor het onderwerp "Tweede Wereldoorlog" omdat "daar zo lekker veel informatie over was" en kwam er pas gaandeweg achter dat het onmogelijk was om die hele oorlog in een dergelijk werkstukje te beschrijven. Hij verdronk in de informatie die hij op internet vond en kon zonder hulp van zijn ouders geen lijn ontdekken in deze overvloed. Daarnaast had hij natuurlijk weinig voorkennis over het concept oorlog, de topografie van Europa in de jaren '30-'40 en de omvang van deze oorlog wereldwijd. Ik wil hiermee niet stellen dat we kinderen geen werkstukken moeten laten maken over de Tweede Wereldoorlog, noch wil ik het zelfstandig informatie opzoeken totaal afkeuren, maar ik wil wel benadrukken dat enige begeleiding in het opzoeken van informatie op internet absoluut geen overbodig luxe is. De vraag is of de "leercoaches" op de iPad-scholen dit voor elkaar kunnen krijgen voor meerdere kinderen die ieder hun eigen pad mogen trekken. Lijkt me een gezellige chaos met weinig structuur!

Zelf doen..?

Nee, laat kinderen alsjeblieft niet zelf beslissen wat ze wanneer willen leren, daar zijn ze simpelweg nog niet toe in staat. Dit concept werkt al nauwelijks bij pubers in het Studiehuis, laat staan bij kleutertjes die hun luiers nog maar net ontgroeid zijn. Mijn advies: zet de iPad in met mate, begeleid kinderen zorgvuldig bij het vinden van nuttige, gedoseerde, informatie indien dit iets toevoegt aan hun basiskennis, maar voorkom overvloed te allen tijde. Laat ze daarnaast die o zo nuttige basiskennis in hun hoofd stampen nu het nog kan, ze zullen merken dat ze het later hard nodig hebben. Al die specifieke details over de Tweede Wereldoorlog kun je veel beter later, wellicht pas tijdens de academische scriptie, invoegen. Je zult zien dat het dan ineens allemaal op zijn plaats valt, allemaal dankzij de jarenlang zorgvuldig opgebouwde voorkennis in ons brein!

Referenties

Zie voor meer informatie over voorkennis (of schema's) in het brein mijn proefschrift.

De wiskundeknobbel: fictie of realiteit?

Het idee van de wiskundeknobbel is eeuwenoud, maar bestaat zo'n knobbel ook echt bij wiskunde-bollebozen? En zo ja, hoe ziet zo'n wiskundeknobbel er dan uit? Is het zichtbaar in het brein en kunnen we  informatie over die wiskundeknobbel misschien gebruiken om kinderen die goed zijn in wiskunde te selecteren of kinderen die slecht zijn in wiskunde individuele bijles te geven? Vragen te over, maar hoeveel bewijs is er nu echt voor het daadwerkelijke bestaan van een wiskundeknobbel? Een recent artikel van onderzoekers van de Amerikaanse Stanford Universiteit werd breed uitgemeten in de media (zie nieuwsberichten van nu.nl en de Volkskrant) als hét antwoord op deze vragen. Dit onderzoek geeft echter jammer genoeg (of interessant genoeg) net zoveel antwoorden als dat het nieuwe vragen oproept.

Knobbels in het brein

Een typisch plaatje van een frenologische
indeling van hersenfuncties.  Een soort
wiskundeknobbel (voor "calculation") zit
volgens dit model tussen het oog en het
oor. (plaatje van hier)

Waar komt de term "wiskundeknobbel" eigenlijk vandaan? Aan het einde van de 18e eeuw was er een wetenschapper, Franz Joseph Gall, die beargumenteerde dat bepaalde delen van de hersenen gerelateerd waren aan verschillende persoonlijke karakteristieken. Deze leer werd bekend als frenologie en was erg populair bij psychologen en artsen, die deze leer gebruikten om karakters van mensen te bepalen door hun aan hun schedel te voelen. Verdikkingen van de schedel op bepaalde plekken zouden dan het gevolg zijn van grotere hersendelen die weer verbonden werden aan specifieke functies. Deze mogelijkheid tot lokalisatie van bepaalde hersenfuncties is diep geworteld binnen de neurowetenschap en de algemene perceptie van neurowetenschappelijk onderzoek. Nog steeds spreekt men namelijk over functies zoals taal en emotie die toegeschreven worden aan bepaalde hersendelen. Dit idee wordt daarnaast versterkt door technieken als functionele MRI, waarbij mooie plaatjes van hersenactiviteit in verschillende delen van de hersenen dit lokalisatieprincipe lijken te ondersteunen. Echter, juist door dit soort technieken weten we dat we niet zo makkelijk kunnen spreken over EEN gebied wat EEN bepaalde functie representeert, omdat een gebied meerdere functies blijkt te kunnen hebben en een bepaalde functie op zijn beurt meerdere gebieden tegelijk kan activeren, een conclusie die de onderzoekers in dit artikel ook moesten maken.

Een typisch plaatje van hersenactiviteit
gemeten met een MRI-scanner. Dit soort
plaatjes lijken lokalisatie van hersenfuncties
te ondersteunen, omdat ze activiteit in
specifieke gebieden laten zien. (plaatje van
http://www.autism-community.com/)

De hippocampus, zetel van de wiskundeknobbel?

In het experiment van de Stanford-onderzoekers werden 8 en 9 jarige kinderen gevolgd tijdens een 8 weken durende intensieve wiskundecursus gevolgd. Voor ze deze cursus volgden werden ze intensief getest met vragenlijsten, testjes en hersenscans en tijdens de cursus werd hun voortgang gemeten. Geen van deze psychologische testen, waaronder bijvoorbeeld een IQ-test, was gerelateerd aan de voortgang van de kinderen tijdens de wiskundecursus. Toen de onderzoekers echter keken naar het brein van de kinderen, vonden ze dat de kinderen met een grotere hippocampus betere vooruitgang tijdens de cursus lieten zien. De hippocampus is een gebied diep in het brein (dus onzichtbaar voor frenologen en absoluut niet de plek van de frenologische wiskundeknobbel) en wordt voornamelijke onderzocht in geheugenonderzoek, aangezien patiënten waarbij de hippocampus niet meer goed werkt veel geheugenproblemen laten zien. Daarnaast vonden de onderzoekers dat de hippocampus van de betere scorende kinderen ook sterkere verbindingen liet zien met andere hersengebieden, voornamelijk gebieden vooraan in het brein.

De hippocampus is een gebied diep in
het brein en is vernoemd naar het
zeepaardje (hippocampus in het Latijn),
omdat de vorm van het gebied op de
vorm van een zeepaardje lijkt. (plaatje
van memorylossonline.com)

Wiskundeknobbel of wiskundebrein?

Deze bevindingen roepen nieuwe vragen op: waarom de hippocampus, die was toch al belangrijk voor geheugen? De eerder genoemde patiënten die problemen hebben met hun hippocampus, laten ook geen wiskundige problemen zien. En in hoeverre heeft het puur onthouden van informatie te maken met het leren van wiskundige regels? Daarnaast blijkt de hippocampus met een heleboel andere gebieden in het brein te koppelen, wat gebeurt er in dat netwerk van hersengebieden dat voorspellend is voor het leren van wiskunde? Één ding is duidelijk: de onderzoekers reppen met geen woord over het zoeken naar een wiskundeknobbel en claimen ook niet dat ze deze gevonden hebben met dit experiment. De hippocampus is dus niet de wiskundeknobbel van het brein, net zo min als andere gebieden een specifieke talenknobbel of emotieknobbel zijn. Wat je wel kan concluderen naar aanleiding van dit onderzoek is dat een grotere hippocampus en sterkere verbindingen tussen deze hippocampus en andere gebieden in je brein ervoor kunnen zorgen dat je beter wiskundige vaardigheden kan leren. Dit netwerk, gestuurd door de hippocampus, is dus wel belangrijk voor het leren van wiskunde. Deze bevinding kan, mits verder uitgewerkt, in de toekomst belangrijk kan zijn voor het beter detecteren en begeleiden van kinderen met leerproblemen.
Wiskundeknobbel? Welnee, gewoon een wiskundebrein!

Dus: weg met de wiskundeknobbel, leve het wiskundebrein!

Bronnen

Het bewuste artikel in PNAS (alleen beschikbaar met abonnement)