La neuroeducazione : alcuni problemi di metodo

1. La neuroeducazione: alcuni problemi di metodo Edoardo Datteri

2. 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’obiettivoè «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)

3. A bridge too far? • Quale ruolo attribuire alla ricerca neuroscientifica nella ricerca pedagogica? • Didattica speciale • «Markerneuroscientifici» per rilevare disturbi dell’apprendimento e/o effetti degli interventi scolastici (Goswami 2010) • Didattica generale • Abolire alcuni «neuro-miti»: bambini con cervello destro/sinistro, apprendimento durante sinaptogenesi, … • Contribuire alla formulazione di metodologie didattiche

4. 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)

5. 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: riformularela domanda in un modo che faciliti la ricerca della soluzione

6. 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 = ?

7. 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?»

8. Scelte didattiche nella scuola primaria • Generalmente: prima metodo diagrammatico (più «intuitivo») poi metodo algebrico Problema didattico: diventare «esperti» del metodo diagrammatico può ostacolarel’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”

9. Neuroimmaginie apprendimento della matematica • Ipotesi: il metodo algebricorichiede maggiori risorse di attenzione e memoria, e per questo non dovrebbe essere adottato nei primi anni • Metodo: analisi fMRIdelle 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”

10. Metodologia • Analisi fMRIsu 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

11. Task di controllo ALGEBRICO MODELLO Sperimentale Controllo Sperimentale Controllo

12. Risultati • Alcune aree attivate siadal metodo diagrammatico siada quello algebrico • Giri frontali: • «indicative of greater working memoryor executive involvement in the experimental than in the control condition” • Giustificazione: studi fMRI sullamemoria di lavoro(Owen et al., 2005)

13. Risultati • Alcune aree attivate siadal metodo diagrammatico siada quello algebrico • horizontal segment of the intraparietal sulci (HIPS) • Attiva in vari task di confrontonumerico (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”

14. Risultati • Alcune aree maggiormente attivate dal metodo algebrico • Nucleo caudato • Modello ACT-R sull’elaborazione simbolica (Anderson et al. 2003): “activation in the basal ganglia may reflect retrieval of procedural memory” • “construction of algebraic equations is more reliant on procedural retrieval”

15. Risultati • Alcune aree maggiormente attivate dal metodo algebrico • Precuneus • Dehaene et al. (2003): contribuisceall’attenzioneselettivaneicompitinumerici • “In the present study, activation of the precuneussuggests additional resources devoted to attention orientation or retrieval of relevant information are required in generating algebraicequations from word problems”

16. 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.

17. 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

18. Interpretazione delle neuroimmagini Inferenze della forma Attivazione dell’area cerebralex ------- Attivazione del processo cognitivo y • “The frontal gyrihas been found to be active, indicating activation of working memory in the experimental condition”

19. Interpretazione dei risultati Fmri P1. Attivazionedeigirifrontali ------- C. Attivazionedellamemoria di lavoro • Quali ulteriori premesse per giustificare C?

20. Interpretazione dei risultati Fmri P1. Attivazionedeigirifrontali P2. Se siattivanoigirifrontali, ilsoggettostaattivando la memoria di lavoro ------- C. Attivazionedellamemoria di lavoro • Giustificazionedegliautori: studi fMRI cheindicanoattivazionedeigirifrontalidurante task cheattivano la memoria di lavoro(Owen et al. 2005)

21. Metodologie di neuroimmagine • Supporto a ipotesi della forma Se si attiva il modulo cognitivo y, si attiva l’area cerebralex (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 task attività del modulo cognitivo y attivazione dell’area cerebralex fMRI

22. 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 NONfornisce la base empirica «giusta» per inferire attivazione del processo cognitivo da attivazione cerebrale!

23. Altri esempi di «reverse inference» Areeattive in entrambiimetodi • Attivitàdeigirifrontali attivazionedellamemoria di lavoro • Attività della HIPS i soggetti eseguono confronti numerici Aree maggiormente attive nella trasformazione algebrica • Attività del nucleocaudato “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.”

24. giustificare la «reverse inference»? • P2. Se siattivanoigirifrontali, ilsoggettostaattivando la memoria di lavoro • Come sostenere P2? • [Stimolare i giri frontali e rilevare l’attivazione della memoria di lavoro] • 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

25. Neuroimmagine e giustificazione della «reverse inference» pesanti assunzioni epistemologiche: identificare le aree attivate da tutti i moduli cognitivi memoria di lavoro modulo cognitivo y modulo cognitivo z … X X X giri frontali

26. 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)

27. 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

28. 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

29. Grandi speranze • Perché ricorrere alle neuroimmagini nella valutazione dell’«efficacia» di certe strategie didattiche? • Evidentemente, sotto l’assunzione che le neuroimmagini • forniscano basi solide per inferire i processi cognitivi in atto nel soggetto, oppure • forniscano indicatori della loro efficacia • Problema dell’inferenza inversa!

30. Apprendimento di nuove operazioni Delazer et al., Neuroimage 2005 • Apprendimento di nuove funzioni aritmetiche • Ripetizione: si memorizzano coppie <<valori di ingresso>, risultato> • Algoritmo: si apprende il modo di calcolare il risultato sulla base dei dati di ingresso ris = 2y – x + 1

31. Imparare a memoriaDelazer 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»?

32. 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.»

33. 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.»

34. 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.

35. 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.

36. 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.

37. 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)