Uma varredura cerebral pode revelar se um aluno estãoaprendendo um curra­culo difa­cil ou se atrasando?

Essas e outras questões levaram uma equipe de neurocientistas de Princeton a lana§ar um experimento ambicioso, examinando o cérebro de 24 alunos seis vezes durante o semestre da primavera de 2018 para literalmente vaª-los aprender.

“Nosso estudo constitui - de longe - a investigação neural mais completa de aprendizagem em um curso universita¡rio do mundo real”, disse Meir Meshulam , pesquisador associado de pa³s-doutorado no Instituto de Neurociaªncia de Princeton que éo principal autor de um estudo publicado em 26 de mara§o edição da Nature Communications .

Meshulam e seus colegas descobriram que, a  medida que os alunos progrediam em um curso introduta³rio a  ciência da computação, o material do curra­culo deixava "impressaµes digitais neurais" detecta¡veis ​​em seus cérebros que eram compartilhadas - os pesquisadores usaram o termo "alinhado" - com outros alunos da classe também como especialistas na área. Quanto mais alinhados os padraµes, maior a probabilidade de os alunos se saa­rem bem.

Isso se encaixou com uma sanãrie de estudos conjuntos dos laboratórios de Uri Hasson , professor de Neurociênciae psicologia em Princeton, e Ken Norman , professor Huo de Princeton em Neurociaªncia Tea³rica e Computacional e presidente do Departamento de Psicologia. Hasson e Norman, os autores seniores do novo estudo, haviam descoberto anteriormente que os padraµes neurais em diferentes pessoas são semelhantes quando as pessoas concordam sobre a interpretação de uma narrativa (um episãodio do “Sherlock” da BBC). No estudo atual, os pesquisadores deram um passo além e perguntaram, pela primeira vez, como desenvolvemos a compreensão compartilhada a  medida que aprendemos material acadêmico abstrato. Sem gra¡ficos a seguir, os padraµes cerebrais dos alunos ainda mostrariam estruturas paralelas a  medida que aprendem novos conceitos?

Sim, parece.

“Descobrimos que os alunos ficavam 'alinhados' uns com os outros enquanto assistiam aos va­deos das aulas”, disse Norman. Isso condiz com o que estudos anteriores descobriram quando as pessoas assistiram aos episãodios de “Sherlock”.

“E então descobrimos que quanto melhor um aluno estiver alinhado com o resto da classe, melhor ele se saira¡ no exame final”, disse Norman.

“Isso simplesmente me deixa boquiaberto”, disse Hasson. “Se estivermos todos em scanners e eles nos mostrarem a imagem de um carro, todos os nossos cérebros mostrara£o algo semelhante porque éuma entrada visual simples. Ok, não égrande coisa. Mas por que a maneira como estou representando um conceito matema¡tico abstrato em meu cérebro seria semelhante a  maneira como vocêo representa em seu cérebro? Isso éalgo que não espera¡vamos encontrar. Ainda me surpreende - ainda, hoje! - que funcionou. ”

Então os pesquisadores voltaram e olharam seus primeiros dados e perceberam que na primeira varredura, feita após a segunda semana do curso, o alinhamento ou a falta dele poderia prever o quanto bem os alunos se sairiam no exame final.

“Os professores podem usar isso para identificar seus alunos com dificuldades desde o ini­cio e tentar ajuda¡-los”, disse Meshulam. “Vocaª poderia dizer: 'Vamos repensar isso. Deixe-me ajuda¡-lo a ver como essas idanãias se encaixam. '”

O estudo deles também reforça a importa¢ncia do trabalho em grupo e da colaboração, disse Meshulam. “Eu definitivamente encorajaria os alunos a trabalhar em grupos, conversar uns com os outros, se comunicar tanto quanto possí­vel, porque ébom estar alinhado com a classe como um todo.”

Jennifer Rexford , chefe do Departamento de Ciência da Computação de Princeton e Professor de Engenharia Gordon YS Wu, trabalhou em estreita colaboração com os neurocientistas enquanto eles preparavam seu experimento.

“Como educadores, estamos sempre buscando maneiras novas e melhores de alcana§ar nossos alunos e avaliar a eficácia de nossas estratanãgias de ensino”, disse ela. “Este projeto de pesquisa foi uma oportunidade empolgante de ir direto a  fonte - literalmente aos cérebros dos alunos a  medida que eles adquirem novos conhecimentos de ciência da computação - para obter insights fundamentais sobre como eles aprendem o material. Minha esperana§a éque as percepções desses tipos de estudos possam nos fornecer maneiras muito mais rigorosas de orientar como ensinar nossos alunos. ”

Todas as disciplinas eram alunos de graduação matriculados no “ Introdução a  Ciência da Computação ” da primavera de 2018 , um dos cursos mais populares de Princeton. A equipe de pesquisa examinou os alunos a cada poucas semanas durante o semestre. Cada vez que ficavam nas ma¡quinas de fMRI, os alunos assistiam a aulas em va­deo do curso invertido. (Em um "curso invertido", os professores gravam previamente as aulas em va­deo que os alunos assistem sozinhos, deixando o tempo da aula livre para discussaµes ou trabalho em tarefas.)

“Para ser claro, não estamos dizendo que todo o aprendizado ocorreu durante as aulas invertidas”, advertiu Norman. “Durante a aula, os alunos trabalhavam intensamente em problemas de programação e conversavam com outros alunos e seus instrutores. Sabemos que grande parte da formação conceitual estãoacontecendo nesse espaço interativo. Nossas medições estãoapenas testando os cérebros dos alunos para ver os efeitos desse trabalho. ”

Os alunos de ciência da computação - todos voluntários que não receberam nenhum ba´nus acadêmico pela participação, embora tenham recebido alguns cookies - concordaram em não assistir a s palestras antes de sua digitalização. Isso criava um cronograma muito apertado, porque os scanners tinham que estar disponí­veis no momento certo para fazer com que todos os 24 alunos entrassem e saa­ssem nos momentos certos do semestre.

“Fechamos toda a sua­te de digitalização do Princeton Neuroscience Institute”, relembrou Meshulam. “Ta­nhamos uma fila de alunos conga marchando nos fins de semana, um após o outro - seis vezes seguidas.”

A loga­stica era incrivelmente assustadora, concordaram os pesquisadores.

“ Vocaª poderia olhar para isso e dizer: 'Oh, eles escanearam 20, 25 alunos? Muitos estudos de fMRI escanearam 20 alunos '”, disse Norman. “Mas não seis vezes em uma programação muito apertada, já que os alunos estãoenvolvidos em um curso acadêmico altamente exigente. Acho que o escopo absoluto disso - quando vocêolha para o volume de dados de digitalização e a especificidade, certificando-se de que esta¡vamos em linha com sua experiência de aprendizagem e não interrompendo nada - foi uma tarefa enorme. ”

A equipe de pesquisa também pegou emprestada uma avaliação criada pelos professores do curso, uma sanãrie de perguntas abertas normalmente feitas aos alunos que desejam fazer um teste na aula introduta³ria. Os alunos respondiam por escrito antes do ini­cio do semestre - todas pontuavam zero - e depois as pegavam verbalmente no scanner no final do semestre, para que os pesquisadores pudessem avaliar o quanto aprenderam durante o semestre.

Em seguida, os neurocientistas trouxeram cinco “especialistas” em ciência da computação, uma mistura de estudantes de graduação, pesquisadores de pa³s-doutorado e assistentes de ensino. Esses especialistas assistiram a um va­deo de recapitulação de 15 minutos das palestras invertidas e responderam a  mesma sanãrie de perguntas.

“Podera­amos então comparar a atividade cerebral dos especialistas durante o exame com a atividade cerebral dos alunos ao responder a s mesmas perguntas, e descobrimos o que espera¡vamos encontrar, que existe uma ligação muito estreita”, disse Meshulam. “Portanto, podera­amos usar a média da turma ou o modelo dos especialistas para fazer o mesmo tipo de ma¡gica, para prever como um determinado aluno se saira¡ no exame final.”

Por que o alinhamento neural prediz o desempenho do exame? A chave acabou sendo se os alunos estavam agrupando conceitos corretamente ou incorretamente agrupando teorias não relacionadas. Nossos cérebros usam essas “estruturas de conhecimento” para analisar o mundo ao nosso redor; porque unimos panteras e tigres, mas temos uma ligação separada para a¡rvores e grama, somos capazes de responder corretamente - e de forma diferente - na primeira vez que encontramos leaµes da montanha ou dentes-de-lea£o.

As varreduras revelaram, em essaªncia, que os alunos acreditavam que os dentes-de-lea£o eram predadores.

Levou anos para analisar os dados coletados durante essas sessaµes, e a equipe de pesquisa e outros continuara£o a explora¡-los nos pra³ximos anos, disse Norman. Para facilitar isso, os autores compartilharam publicamente seus dados online.

“Acreditamos que este trabalho pode ter aplicações potencialmente transformadoras para a educação”, disse ele. “O manãtodo étão poderoso porque émuito geral. Este não éapenas um manãtodo para diagnosticar como este curso especa­fico de ciência da computação mudou os conceitos das pessoas, éum manãtodo para diagnosticar qualquer tipo de aprendizagem.

“Estou muito animado com as aplicações”, acrescentou. “Acho que, a  medida que mais pessoas na área de educação passam a entender isso, elas encontrara£o muitas maneiras de aproveitar isso para sempre.”

Todos os autores do artigo são ou foram pesquisadores do Departamento de Psicologia de Princeton e do Instituto de Neurociaªncia de Princeton. Além de Meshulam, Norman e Hasson, eles são Mai Nguyen, um Ph.D. em 2020. alumna; Liat Hasenfratz, um pesquisador associado; e os ex-especialistas em pesquisa Hanna Hillman e Yun-Fei Liu.