Informační teorie zpracování: Instrukční aplikace a využití

Principy zpracování informací se stále více aplikují ve školním prostředí. Význam této teorie pro vzdělávání se bude s budoucím výzkumem dále rozšiřovat. Tři instruktážní aplikace, které odrážejí principy zpracování informací, jsou pokročilé organizátory, podmínky učení a kognitivní zátěž.

Předběžné organizátory jsou široká tvrzení prezentovaná na začátku lekcí, která pomáhají propojit nový materiál s předchozími znalostmi (Mayer, 1984). Organizátory zaměřují pozornost studentů na důležité koncepty, které se mají naučit, zdůrazňují vztahy mezi myšlenkami a propojují nový materiál s tím, co studenti vědí (Faw & Waller, 1976). Organizátory mohou být také mapy, které jsou zobrazeny s doprovodným textem (Verdi & Kulhavy, 2002). Předpokládá se, že kognitivní struktury studentů jsou hierarchicky uspořádány tak, že inkluzivní koncepty zahrnují podřízené koncepty. Organizátory poskytují informace na vysokých úrovních v hierarchiích.

Konceptuální základ organizátorů vychází z Ausubelovy teorie smysluplného přijímacího učení (1963, 1968, 1977, 1978; Ausubel & Robinson, 1969). Učení je smysluplné, když nový materiál vykazuje systematický vztah k relevantním konceptům v dlouhodobé paměti (LTM); to znamená, že nový materiál rozšiřuje, upravuje nebo rozpracovává informace v paměti. Smysluplnost také závisí na osobních proměnných, jako je věk, předchozí zkušenosti, socioekonomický status a vzdělání. Předchozí zkušenosti určují, zda studenti považují učení za smysluplné.

Ausubel obhajoval deduktivní výuku: Nejprve se učí obecné myšlenky, následované specifickými body. To vyžaduje, aby učitelé pomáhali studentům rozdělit myšlenky na menší, související body a propojovat nové myšlenky s podobným obsahem v paměti. V termínech zpracování informací je cílem modelu rozšířit propozicionální sítě v LTM přidáním znalostí a vytvořit spojení mezi sítěmi. Deduktivní výuka funguje lépe u starších studentů (Luiten, Ames, & Ackerson, 1980).

Předběžné organizátory připravují půdu pro smysluplné přijímací učení. Organizátory mohou být výkladové nebo srovnávací. Výkladové organizátory poskytují studentům nové znalosti potřebné k pochopení lekce. Výkladové organizátory zahrnují definice pojmů a zobecnění. Definice pojmů uvádějí pojem, nadřazený pojem a charakteristiky pojmu. Při prezentaci pojmu „teplokrevný živočich“ by učitel mohl definovat (tj. živočich, jehož vnitřní tělesná teplota zůstává relativně konstantní), vztáhnout jej k nadřazeným pojmům (říše zvířat) a uvést jeho charakteristiky (ptáci, savci). Zobecnění jsou široká tvrzení obecných principů, ze kterých jsou odvozeny hypotézy nebo specifické myšlenky. Zobecnění vhodné pro studium terénu by bylo: „V méně vegetaci roste ve vyšších nadmořských výškách.“ Učitelé mohou prezentovat příklady zobecnění a požádat studenty, aby vymysleli další.

Srovnávací organizátory představují nový materiál kreslením analogií se známým materiálem. Srovnávací organizátory aktivují a propojují sítě v LTM. Pokud by učitel uváděl jednotku o oběhovém systému těla studentům, kteří studovali komunikační systémy, mohl by učitel propojit oběhový a komunikační systém s relevantními koncepty, jako je zdroj, médium a cíl. Aby byly srovnávací organizátory účinné, musí studenti dobře rozumět materiálu použitému jako základ pro analogii. Studenti také musí snadno vnímat analogii. Obtížné vnímání analogických vztahů brání učení.

Důkazy naznačují, že organizátory podporují učení a přenos (Ausubel, 1978; Faw & Waller, 1976; Mautone & Mayer, 2007). Mapy jsou účinné organizátory a dobře se hodí k infuzi do lekcí prostřednictvím technologie (Verdi & Kulhavy, 2002). Mayer (1979) informoval o výzkumu s vysokoškolskými studenty, kteří neměli žádné zkušenosti s programováním. Studenti dostali programovací materiály ke studiu; jedna skupina dostala koncepční model jako organizátor, zatímco druhá skupina obdržela stejné materiály bez modelu. Skupina s předběžným organizátorem si vedla lépe v položkách posttestu vyžadujících přenos do položek odlišných od těch, které byly projednány v instruktážním materiálu. Organizátory mohou studentům pomoci propojit nový materiál s širším souborem zkušeností, což usnadňuje přenos.

Jedna z nejznámějších instruktážních teorií založených na kognitivních principech byla formulována Robertem Gagném (1985). Tato teorie zahrnuje podmínky učení neboli okolnosti, které převládají, když dochází k učení (Ertmer, Driscoll & Wager, 2003). Dva kroky jsou kritické. Prvním je specifikovat typ výsledku učení; Gagné identifikoval pět hlavních typů (prodiskutováno později). Druhým je určit události učení neboli faktory, které mají vliv na výuku.

Výsledky učení

Gagné (1984) identifikoval pět typů výsledků učení: intelektuální dovednosti, verbální informace, kognitivní strategie, motorické dovednosti a postoje (Tabulka 'Výsledky učení v Gagného teorii.').

Intelektuální dovednosti zahrnují pravidla, postupy a koncepty. Jsou formami procedurálního znalosti nebo produkcí. Tento typ znalostí se používá při mluvení, psaní, čtení, řešení matematických problémů a aplikaci vědeckých principů na problémy.

Verbální informace neboli deklarativní znalost je znalost, že něco platí. Verbální informace zahrnují fakta nebo smysluplně propojenou prózu vybavovanou doslovně (např. slova básně nebo “Star Spangled Banner”). Schémata jsou formy verbálních informací.

Kognitivní strategie jsou procesy řízení. Zahrnují dovednosti zpracování informací, jako je věnování pozornosti novým informacím, rozhodování o zkoušení informací, rozpracování, používání strategií vyhledávání v DTM a aplikování strategií řešení problémů.

Motorické dovednosti se rozvíjejí postupným zlepšováním kvality (hladkosti, načasování) pohybů dosažených praxí. Zatímco intelektuální dovednosti lze získat náhle, motorické dovednosti se rozvíjejí postupně s pokračující a záměrnou praxí (Ericsson et al., 1993). Podmínky praxe se liší: Intelektuální dovednosti se procvičují s různými příklady; procvičování motorických dovedností zahrnuje opakování stejných svalových pohybů.

Postoje jsou vnitřní přesvědčení, která ovlivňují akce a odrážejí charakteristiky, jako je štědrost, poctivost a odhodlání ke zdravému životnímu stylu. Učitelé mohou zajistit podmínky pro učení intelektuálních dovedností, verbálních informací, kognitivních strategií a motorických dovedností, ale postoje se učí nepřímo prostřednictvím zkušeností a vystavení živým a symbolickým (televizním, videozáznamovým) modelům.

Události učení

Pět typů výsledků učení se liší ve svých podmínkách. Vnitřní podmínky jsou požadované dovednosti a požadavky na kognitivní zpracování; vnější podmínky jsou environmentální podněty, které podporují kognitivní procesy studenta. Při navrhování výuky je nutné co nejdůkladněji specifikovat oba typy podmínek.

Vnitřní podmínky jsou současné schopnosti studentů uložené v DTM jako znalosti. Instrukční podněty od učitelů a materiálů aktivují relevantní znalosti z DTM (Gagné & Glaser, 1987). Vnější podmínky se liší v závislosti na výsledku učení a vnitřních podmínkách. K výuce studentů pravidlo třídy by je učitel mohl informovat o pravidlu a vizuálně je zobrazit. K výuce studentů strategii pro kontrolu jejich porozumění by učitel mohl strategii demonstrovat a dát studentům praxi a zpětnou vazbu o její účinnosti. Zkušení čtenáři jsou instruováni jinak než ti s problémy s dekódováním. Každá fáze výuky podléhá změnám v závislosti na výsledcích učení a vnitřních podmínkách.

Hierarchie učení

Hierarchie učení jsou organizované sady intelektuálních dovedností. Nejvyšším prvkem v hierarchii je cílová dovednost. K vytvoření hierarchie se začíná nahoře a ptá se, jaké dovednosti musí student provést před učením cílové dovednosti, nebo jaké dovednosti jsou bezprostředními předpoklady pro cílovou dovednost. Poté se položí stejná otázka pro každou požadovanou dovednost a pokračuje se v hierarchii dolů, dokud se nedosáhne dovedností, které student může provést nyní (Dick & Carey, 1985; Merrill, 1987).

Hierarchie nejsou lineární uspořádání dovedností. Často je nutné aplikovat dvě nebo více požadovaných dovedností k učení dovednosti vyššího řádu, přičemž žádná z požadavků není závislá na druhé. Ani dovednosti vyššího řádu nemusí být nutně obtížnější se naučit než dovednosti nižšího řádu. Některé předpoklady mohou být obtížné získat; jakmile studenti zvládnou dovednosti nižšího řádu, učení dovednosti vyššího řádu se může zdát snazší.

Fáze učení

Výuka je soubor vnějších událostí navržených k usnadnění vnitřních procesů učení. Tabulka 'Gagného fáze učení' ukazuje devět fází učení seskupených do tří kategorií (Gagné, 1985).

Příprava na učení zahrnuje úvodní aktivity učení. Během věnování pozornosti se studenti zaměřují na podněty relevantní k materiálu, který se má naučit (audiovizuální materiály, písemné materiály, chování modelované učitelem). Očekávání studenta orientuje studenta na cíl (naučit se motorickou dovednost, naučit se redukovat zlomky). Během vyvolávání relevantních informací z DTM studenti aktivují části relevantní k studovanému tématu (Gagné & Dick, 1983).

Hlavní fáze učení jsou akvizice a výkon. Selektivní vnímání znamená, že smyslové registry rozpoznávají relevantní prvky podnětu a přenášejí je do PM. Sémantické kódování je proces, kterým se nové znalosti přenášejí do DTM. Během vyvolávání a reagování studenti vyvolávají nové informace z paměti a reagují, demonstrují učení. Posilování se týká zpětné vazby, která potvrzuje přesnost reakce studenta a poskytuje opravné informace podle potřeby.

Fáze přenosu učení zahrnují podněcování vyvolávání a generalizovatelnost. V podněcování vyvolávání studenti obdrží podněty signalizující, že předchozí znalosti jsou v dané situaci použitelné. Při řešení slovních úloh by například učitel matematiky mohl studenty informovat, že jejich znalosti pravoúhlých trojúhelníků jsou použitelné. Generalizovatelnost je posílena tím, že studentům poskytuje příležitost procvičovat si dovednosti s různým obsahem a za různých okolností (např. domácí úkoly, opakované opakování).

Těchto devět fází je stejně použitelných pro pět typů výsledků učení. Gagné a Briggs (1979) specifikovali typy instrukčních událostí, které by mohly doprovázet každou fázi (Tabulka 'Instrukční události doprovázející fáze učení (Gagné)'). Instrukční události posilující každou fázi závisí na typu výsledku. Výuka probíhá odlišně pro intelektuální dovednosti než pro verbální informace.

Jedním z problémů je, že vývoj učebních hierarchií může být obtížný a časově náročný. Tento proces vyžaduje odborné znalosti v dané oblasti obsahu k určení po sobě jdoucích požadovaných dovedností—rozsah a posloupnost výuky. I zdánlivě jednoduchá dovednost může mít složitou hierarchii, pokud studenti musí zvládnout několik předpokladů. Pro ty dovednosti s méně dobře definovanými strukturami (např. kreativní psaní) může být vývoj hierarchie obtížný. Dalším problémem je, že systém umožňuje malou kontrolu studenta, protože předepisuje, jak by studenti měli postupovat. Bez ohledu na tyto problémy teorie nabízí solidní návrhy, jak aplikovat principy zpracování informací na návrh výuky (Ertmer et al., 2003).

Systém zpracování informací zvládne najednou zpracovat jen určité množství informací. Pokud současně působí příliš mnoho podnětů, pozorovatelé mnoho z nich přehlédnou kvůli omezené kapacitě pozornosti. Kapacita pracovní paměti (WM) je omezená. Protože zpracování informací trvá nějaký čas a zahrnuje vícenásobné kognitivní procesy, v daném čase lze v WM udržet, do dlouhodobé paměti (LTM) přenést, procvičit atd. pouze omezené množství informací.

Teorie kognitivní zátěže bere tato omezení zpracování v úvahu při návrhu výuky (DeLeeuw & Mayer, 2008; Schnotz & Kürschner, 2007; Sweller, van Merriënboer, & Pass, 1998). Kognitivní zátěž, neboli nároky na systém zpracování informací, může být dvojího typu. Vnitřní kognitivní zátěž závisí na neměnných vlastnostech informací, které se mají naučit, a zmírní se pouze tehdy, když si studenti osvojí efektivní kognitivní schéma pro práci s informacemi. Vnější kognitivní zátěž je způsobena způsobem, jakým je materiál prezentován, nebo činnostmi, které se od studenta vyžadují (Bruning et al., 2004). Například při učení se klíčovým trigonometrickým vztahům (např. sinus, tangenta) je určitá kognitivní zátěž (vnitřní) vlastní učivu, konkrétně rozvíjení znalostí o poměrech stran pravoúhlého trojúhelníku. Způsob, jakým je učivo vyučováno, ovlivňuje vnější kognitivní zátěž. Učitelé, kteří prezentují srozumitelně, pomáhají minimalizovat vnější kognitivní zátěž, zatímco ti, kteří vysvětlují tyto koncepty špatně, vnější zátěž zvyšují.

Podobně Mayer a Moreno (2003) rozlišovali tři typy kognitivních požadavků. Esenciální zpracování se týká kognitivních procesů nezbytných k pochopení učiva (podobně jako vnitřní zátěž). Náhodné zpracování se týká zpracování, které není nezbytné pro učení, ale může pomoci zvýšit porozumění. Reprezentační uchovávání označuje dočasné uchovávání informací v paměti, zatímco se zpracovávají jiné informace. Mayer a Moreno navrhli, že učení probíhá nejlépe, když se studenti mohou zaměřit svými zdroji na esenciální zpracování a vynakládat málo nebo žádné zdroje na ostatní typy.

Klíčovou myšlenkou je, že výukové metody by měly snižovat nadbytečnou kognitivní zátěž, aby se stávající zdroje mohly věnovat učení (van Merriënboer & Sweller, 2005). Použití lešení by mělo být prospěšné (van Merriënboer, Kirschner, & Kester, 2003). Zpočátku lešení pomáhá studentům získat dovednosti, které by bez pomoci pravděpodobně nezískali. Lešení pomáhá minimalizovat vnější zátěž, aby se studenti mohli zaměřit svými zdroji na vnitřní požadavky učení. Jakmile si studenti vytvoří schéma pro práci s informacemi, pomoc lešení lze postupně omezovat.

Dalším návrhem je používat jednoduché až složité sekvence učiva (van Merriënboer et al., 2003), v souladu s Gagného teorií. Komplexní učení je rozděleno na jednoduché části, které jsou získávány a kombinovány do větší sekvence. Tento postup minimalizuje kognitivní zátěž, takže se studenti mohou zaměřit svými kognitivními zdroji na probíhající učení.

Třetím návrhem je používat autentické úlohy ve výuce. Reigeluthova (1999) teorie elaborace například vyžaduje identifikaci podmínek, které zjednodušují výkon úlohy, a poté zahájení výuky s jednoduchým, ale autentickým případem (např. takovým, který se může vyskytnout v reálném světě). Úlohy, které mají význam v reálném světě, pomáhají minimalizovat vnější zátěž, protože nevyžadují, aby se studenti zapojovali do nadbytečného zpracování, aby pochopili kontext. Pro studenty je například smysluplnější určit sinus úhlu tvořeného spojením bodu vzdáleného 40 stop od školního stožáru s vrcholem stožáru, než řešit srovnatelné trigonometrické problémy v učebnici.

Tyto úvahy také naznačují použití kolaborativního učení. S rostoucí kognitivní zátěží se učení jednotlivců stává méně efektivním a účinným (Kirschner, Paas, & Kirschner, 2009). S větší složitostí úkolu snižuje rozdělení nároků na kognitivní zpracování mezi jednotlivce kognitivní zátěž jednotlivých studentů. Tyto myšlenky dobře zapadají do konstruktivistického důrazu na vzájemnou spolupráci.

Teorie zpracování informací se zaměřují na pozornost, vnímání, kódování, ukládání a vybavování znalostí. Zpracování informací bylo ovlivněno pokroky v komunikacích, počítačových technologiích a neurovědě.

Důležité historické vlivy na současné pohledy na zpracování informací jsou gestalt psychologie a verbální učení. Gestalt teoretici zdůrazňovali roli organizace ve vnímání a učení. Výzkumníci verbálního učení používali úlohy sériového učení, volného vybavování a párového asociování. Z výzkumu verbálního učení bylo získáno množství důležitých zjištění. Studie volného vybavování ukázaly, že organizace zlepšuje vybavování a že lidé si vytvářejí vlastní organizaci, když žádná není přítomna. Jedním z hlavních příspěvků byla práce v oblasti interference a zapomínání.

Dvouúrovňový (duální) model paměti byl široce používán. Informace vstupují prostřednictvím senzorických registrů. Ačkoli existuje registr pro každý smysl, většina výzkumu byla provedena na vizuálních a sluchových registrech. V daném okamžiku lze věnovat pozornost pouze omezenému množství informací. Pozornost může působit jako filtr nebo obecné omezení kapacity lidského systému. Vstupy, kterým je věnována pozornost, jsou vnímány porovnáváním s informacemi v DTM.

Informace vstupují do KTM (pracovní paměti), kde jsou uchovávány prostřednictvím opakování a propojovány s relevantními informacemi v DTM. Informace mohou být kódovány pro uložení v DTM. Kódování je usnadněno organizací, elaborací, smysluplností a propojením se schématy. DTM je organizována podle obsahu a informace jsou křížově odkazovány s relevantním obsahem. Řídicí procesy monitorují a řídí tok informací systémem.

Alternativní pohledy na paměť ji pojímají z hlediska úrovní zpracování, úrovně aktivace, konekcionismu a paralelního distribuovaného zpracování. Každý z těchto pohledů má výhody a nevýhody a nejlépe může paměť charakterizovat určitá integrace pohledů.

Procesy pozornosti a vnímání zahrnují kritické rysy, šablony a prototypy. Zatímco KTM má omezenou kapacitu a trvání, DTM se zdá být velmi rozsáhlá. Základní jednotkou znalostí je propozice a propozice jsou organizovány v sítích. Typy znalostí zahrnují deklarativní, procedurální a podmíněné. Rozsáhlé části procedurálních znalostí mohou být organizovány v produkčních systémech. Sítě jsou dále propojeny konekcionistickým způsobem prostřednictvím šíření aktivace, aby se zlepšilo křížové odkazování a transfer. Vybavování znalostí závisí na tom, zda jsou v DTM přístupné. Selhání vybavení může být způsobeno úpadkem informací nebo interferencí. Informace lze nejlépe vybavit pomocí nápověd přítomných během kódování (specifičnost kódování).

Oblastí, která ilustruje ukládání a vybavování informací v DTM, je porozumění jazyku, které zahrnuje vnímání, syntaktickou analýzu a využití. Komunikace jsou neúplné; mluvčí vynechávají informace, které posluchači podle nich znají. Efektivní porozumění jazyku vyžaduje, aby posluchači měli adekvátní propozicionální znalosti a schémata a rozuměli kontextu. Aby posluchači integrovali informace do paměti, identifikují dané informace, přistupují k nim v DTM a vztahují k nim nové informace. Porozumění jazyku je ústředním aspektem gramotnosti a silně souvisí s akademickým úspěchem, zejména v předmětech, které vyžadují rozsáhlé čtení.

Ačkoli existuje mnoho důkazů o tom, že informace jsou v paměti uloženy ve verbální formě (významy), existují také důkazy o ukládání obrazů. Obrazy jsou analogové reprezentace: Jsou podobné, ale ne identické svým referentům. Teorie dvojího kódování postuluje, že obrazový systém primárně ukládá konkrétní objekty a události a verbální systém ukládá abstraktnější informace vyjádřené v jazyce. Naopak, obrazy mohou být rekonstruovány v pracovní paměti z verbálních kódů uložených v DTM. Vývojové důkazy ukazují, že děti s větší pravděpodobností než dospělí reprezentují znalosti jako obrazy, ale obrazová reprezentace může být vyvinuta u osob jakéhokoli věku.

Ačkoli byl velký časný výzkum zpracování informací základní povahy a prováděn v experimentálních laboratořích, výzkumníci stále častěji provádějí výzkum v aplikovaných podmínkách a zejména o učení akademického obsahu. Tři instrukční aplikace, které odrážejí principy zpracování informací, zahrnují předběžné organizátory, podmínky učení a kognitivní zátěž.