Informatsiooni töötlemise teooria: õpetamise rakendused

Infotöötluse põhimõtteid on üha enam rakendatud kooli õppekeskkondades. Teooria olulisus hariduse jaoks kasvab tulevaste uuringutega veelgi. Kolm õpetuslikku rakendust, mis peegeldavad infotöötluse põhimõtteid, on eelorganisaatorid, õppimistingimused ja kognitiivne koormus.

Eelorganisaatorid on laiad väited, mida esitatakse õppetundide alguses ja mis aitavad seostada uut materjali varasemate teadmistega (Mayer, 1984). Organisaatorid suunavad õppijate tähelepanu olulistele õpitavatele mõistetele, rõhutavad ideede vahelisi suhteid ja seostavad uut materjali sellega, mida õpilased juba teavad (Faw & Waller, 1976). Organisaatoriteks võivad olla ka kaardid, mida näidatakse koos tekstiga (Verdi & Kulhavy, 2002). Eeldatakse, et õppijate kognitiivsed struktuurid on hierarhiliselt organiseeritud, nii et kaasavad mõisted hõlmavad alluvaid mõisteid. Organisaatorid pakuvad teavet hierarhiate kõrgetel tasanditel.

Organisaatorite kontseptuaalne alus tuleneb Ausubeli (1963, 1968, 1977, 1978; Ausubel & Robinson, 1969) tähendusliku vastuvõtmise õppimise teooriast. Õppimine on tähenduslik, kui uuel materjalil on süstemaatiline suhe pikaajalise mälu (LTM) asjakohaste mõistetega; see tähendab, et uus materjal laiendab, muudab või täpsustab teavet mälus. Tähenduslikkus sõltub ka isiklikest muutujatest, nagu vanus, taustakogemused, sotsiaalmajanduslik staatus ja haridustase. Varasemad kogemused määravad, kas õpilased leiavad õppimise tähenduslikuna.

Ausubel pooldas deduktiivset õpetamist: kõigepealt õpetatakse üldised ideed, millele järgnevad konkreetsed punktid. See nõuab õpetajatelt õpilaste abistamist ideede jaotamisel väiksemateks, seotud punktideks ja uute ideede sidumist sarnase sisuga mälus. Infotöötluse terminites on mudeli eesmärgid laiendada propositsioonilisi võrgustikke LTM-is, lisades teadmisi, ja luua seoseid võrgustike vahel. Deduktiivne õpetamine toimib paremini vanemate õpilastega (Luiten, Ames & Ackerson, 1980).

Eelorganisaatorid loovad aluse tähenduslikule vastuvõtmise õppimisele. Organisaatorid võivad olla ekspositsioonilised või võrdlevad. Ekspositsioonilised organisaatorid pakuvad õpilastele uusi teadmisi, mis on vajalikud õppetunni mõistmiseks. Ekspositsioonilised organisaatorid hõlmavad mõiste definitsioone ja üldistusi. Mõiste definitsioonid esitavad mõiste, ülima mõiste ja mõiste omadused. Mõiste „soojavereline loom“ esitlemisel võib õpetaja seda defineerida (st loom, kelle sisemine kehatemperatuur jääb suhteliselt konstantseks), seostada seda ülimuslike mõistetega (loomariik) ja anda selle omadused (linnud, imetajad). Üldistused on laiad üldpõhimõtete väited, millest tuletatakse hüpoteese või konkreetseid ideid. Maastiku uurimiseks sobiv üldistus oleks: „Kõrgemal kasvab vähem taimestikku.“ Õpetajad saavad esitada näiteid üldistustest ja paluda õpilastel mõelda teiste peale.

Võrdlevad organisaatorid tutvustavad uut materjali, kasutades analoogiaid tuttava materjaliga. Võrdlevad organisaatorid aktiveerivad ja seovad võrgustikke LTM-is. Kui õpetaja annab õpilastele üksuse keha vereringesüsteemist, kes on õppinud sidesüsteeme, võib õpetaja seostada vereringe- ja sidesüsteeme asjakohaste mõistetega, nagu allikas, keskkond ja sihtmärk. Selleks, et võrdlevad organisaatorid oleksid tõhusad, peavad õpilased hästi aru saama materjalist, mida kasutatakse analoogia alusena. Õppijad peavad ka analoogiat kergesti tajuma. Raskused analoogsete suhete tajumisel takistavad õppimist.

Tõendid näitavad, et organisaatorid soodustavad õppimist ja ülekannet (Ausubel, 1978; Faw & Waller, 1976; Mautone & Mayer, 2007). Kaardid on tõhusad organisaatorid ja sobivad hästi tehnoloogia abil õppetundidesse integreerimiseks (Verdi & Kulhavy, 2002). Mayer (1979) teatas uuringust kolledži üliõpilastega, kellel puudus arvutiprogrammeerimise kogemus. Õpilastele anti uurimiseks programmeerimismaterjalid; ühele rühmale anti kontseptuaalne mudel organisaatorina, teine rühm sai samu materjale ilma mudelita. Eelorganisaatori rühm saavutas paremaid tulemusi järeltesti ülesannetes, mis nõudsid ülekannet ülesannetele, mis erinesid õppematerjalis käsitletutest. Organisaatorid võivad aidata õpilastel seostada uut materjali laiemate kogemustega, mis hõlbustab ülekannet.

Ühe tuntuima kognitiivsetel printsiipidel põhineva õpetusteooria formuleeris Robert Gagné (1985). See teooria hõlmab õppimistingimusi ehk asjaolusid, mis valitsevad õppimise toimumisel (Ertmer, Driscoll & Wager, 2003). Kaks sammu on kriitilise tähtsusega. Esimene on õpitulemuse tüübi täpsustamine; Gagné tuvastas viis peamist tüüpi (mida käsitletakse hiljem). Teine on õppimise sündmuste kindlaksmääramine ehk tegurid, mis õpetamisel olulist rolli mängivad.

Õpitulemused

Gagné (1984) tuvastas viis õpitulemuse tüüpi: intellektuaalsed oskused, verbaalne informatsioon, kognitiivsed strateegiad, motoorsed oskused ja hoiakud (tabel “Õpitulemused Gagné teoorias”).

Intellektuaalsed oskused hõlmavad reegleid, protseduure ja kontseptsioone. Need on protseduurilise teadmise või produktsioonide vormid. Seda tüüpi teadmisi kasutatakse rääkimisel, kirjutamisel, lugemisel, matemaatiliste probleemide lahendamisel ja teaduslike printsiipide rakendamisel probleemidele.

Verbaalne informatsioon ehk deklaratiivne teadmine on teadmine, et midagi on nii. Verbaalne informatsioon hõlmab fakte või sisukalt seotud proosat, mida meenutatakse sõna-sõnalt (nt luuletuse sõnad või “Star Spangled Banner”). Skeemid on verbaalse informatsiooni vormid.

Kognitiivsed strateegiad on tegevjuhtimise protsessid. Need hõlmavad infotöötlusoskusi, nagu uuele teabele tähelepanu pööramine, teabe kordamise üle otsustamine, täpsustamine, pikaajalise mälu (PTM) meeldetuletusstrateegiate kasutamine ja probleemide lahendamise strateegiate rakendamine.

Motoorsed oskused arenevad järkjärguliste liigutuste kvaliteedi (sujuvuse, ajastuse) paranemiste kaudu, mis saavutatakse harjutamise teel. Kui intellektuaalseid oskusi saab omandada järsku, siis motoorsed oskused arenevad järk-järgult pideva, teadliku harjutamise abil (Ericsson et al., 1993). Harjutamistingimused on erinevad: intellektuaalseid oskusi harjutatakse erinevate näidetega; motoorsete oskuste harjutamine hõlmab samade lihasliigutuste kordamist.

Hoiakud on sisemised uskumused, mis mõjutavad tegevusi ja peegeldavad selliseid omadusi nagu lahkus, ausus ja pühendumine tervislikule eluviisile. Õpetajad saavad korraldada tingimusi intellektuaalsete oskuste, verbaalse informatsiooni, kognitiivsete strateegiate ja motoorsete oskuste õppimiseks, kuid hoiakuid õpitakse kaudselt kogemuste ja kokkupuudete kaudu elavate ja sümboolsete (tele-, videolindistatud) mudelitega.

Õppimise sündmused

Viiel õpitulemuse tüübil on erinevad tingimused. Sisemised tingimused on eelnevalt vajalikud oskused ja kognitiivse töötlemise nõuded; välised tingimused on keskkonnastiimulid, mis toetavad õppija kognitiivseid protsesse. Õpetamise kavandamisel tuleb võimalikult täielikult täpsustada mõlemat tüüpi tingimusi.

Sisemised tingimused on õppijate praegused võimed, mis on salvestatud PTM-i teadmistena. Õpetajate ja materjalide õpetuslikud vihjed aktiveerivad asjakohased PTM-i teadmised (Gagné & Glaser, 1987). Välised tingimused erinevad sõltuvalt õpitulemusest ja sisemistest tingimustest. Klassireegli õpetamiseks võib õpetaja teavitada neid reeglist ja seda visuaalselt kuvada. Õpilastele oma arusaamise kontrollimise strateegia õpetamiseks võib õpetaja strateegiat demonstreerida ning anda õpilastele selle tõhususe harjutamiseks ja tagasiside saamiseks võimaluse. Oskuslikke lugejaid õpetatakse erinevalt neist, kellel on dešifreerimisprobleeme. Iga õpetamise etapp on muudetav sõltuvalt õpitulemustest ja sisemistest tingimustest.

Õppimise hierarhiad

Õppimise hierarhiad on intellektuaalsete oskuste organiseeritud kogumid. Hierarhia kõrgeim element on sihtoskus. Hierarhia väljatöötamiseks alustatakse tipust ja küsitakse, milliseid oskusi peab õppija valdama enne sihtoskuse õppimist või millised oskused on sihtoskuse vahetud eeltingimused. Seejärel esitatakse sama küsimus iga eeltingimusliku oskuse kohta, jätkates hierarhias allapoole, kuni jõutakse oskusteni, mida õppija praegu suudab teha (Dick & Carey, 1985; Merrill, 1987).

Hierarhiad ei ole oskuste lineaarsed järjestused. Sageli tuleb kõrgema järgu oskuse õppimiseks rakendada kahte või enamat eeltingimuslikku oskust, kusjuures ükski eeltingimus ei sõltu teisest. Samuti ei ole kõrgema järgu oskusi tingimata raskem õppida kui madalama järgu oskusi. Mõnda eeltingimust võib olla raske omandada; kui õppijad on madalama järgu oskused omandanud, võib kõrgema järgu oskuse õppimine tunduda lihtsam.

Õppimise etapid

Õpetamine on väliste sündmuste kogum, mis on mõeldud sisemiste õppeprotsesside hõlbustamiseks. Tabel “Gagné õppimisetapid” näitab üheksat õppimise etappi, mis on rühmitatud kolme kategooriasse (Gagné, 1985).

Ettevalmistus õppimiseks hõlmab sissejuhatavaid õppetegevusi. Tähelepanu pööramise ajal keskenduvad õppijad stiimulitele, mis on olulised õpitava materjali jaoks (audiovisuaalid, kirjalikud materjalid, õpetaja modelleeritud käitumised). Õppija ootus suunab õppijat eesmärgi poole (õppida motoorset oskust, õppida murdude taandamist). Asjakohase teabe meeldetuletamise ajal PTM-ist aktiveerivad õppijad õpitava teema jaoks olulised osad (Gagné & Dick, 1983).

Peamised õppimise etapid on omandamine ja esitus. Selektiivne taju tähendab, et sensoorsed registrid tuvastavad asjakohased stiimuliomadused ja edastavad need töömälu (TM). Semantiline kodeerimine on protsess, mille käigus uus teadmine kantakse PTM-i. Meeldetuletuse ja reageerimise ajal toovad õppijad mälu järgi välja uue teabe ja annavad õppimist demonstreeriva vastuse. Tugevdus viitab tagasisidele, mis kinnitab õpilase vastuse õigsust ja annab vajadusel korrigeerivat teavet.

Õppimise ülekande etapid hõlmavad meeldetuletuse vihjeid ja üldistatavust. Meeldetuletuse vihjete korral saavad õppijad vihjeid, mis signaliseerivad, et eelnevad teadmised on selles olukorras rakendatavad. Näiteks sõnaliste probleemide lahendamisel võib matemaatikaõpetaja teavitada õppijaid, et nende teadmised täisnurksetest kolmnurkadest on rakendatavad. Üldistatavust suurendatakse, pakkudes õppijatele võimalust harjutada oskusi erineva sisuga ja erinevates tingimustes (nt kodutöö, kordamissessioonid).

Need üheksa etappi on võrdselt kohaldatavad viie õpitulemuse tüübi jaoks. Gagné ja Briggs (1979) täpsustasid õpetussündmuste tüübid, mis võivad iga etapiga kaasneda (tabel “Õppimisetappidega kaasnevad õpetussündmused (Gagné)”). Iga etappi suurendavad õpetussündmused sõltuvad tulemuse tüübist. Õpetamine toimub intellektuaalsete oskuste puhul erinevalt kui verbaalse informatsiooni puhul.

Üks probleem on see, et õppimise hierarhiate väljatöötamine võib olla raske ja aeganõudev. Protsess nõuab teadmisi sisu valdkonnas, et määrata kindlaks järjestikused eeltingimuslikud oskused – õpetuse ulatus ja järjestus. Isegi näiliselt lihtsal oskusel võib olla keeruline hierarhia, kui õppijad peavad valdama mitmeid eeltingimusi. Nende oskuste puhul, millel on vähem hästi määratletud struktuurid (nt loominguline kirjutamine), võib hierarhia väljatöötamine olla keeruline. Teine probleem on see, et süsteem võimaldab vähe õppija kontrolli, sest see määrab ette, kuidas õppijad peaksid edasi liikuma. Hoolimata nendest probleemidest pakub teooria kindlaid soovitusi selle kohta, kuidas rakendada infotöötluse põhimõtteid õpetuse kujundamisel (Ertmer et al., 2003).

Infotöötlussüsteem suudab korraga hakkama saada vaid teatud hulga töötlusega. Kui korraga mõjutab liiga palju stiimuleid, jätavad vaatlejad paljud neist tähelepanuta oma piiratud tähelepanuvõime tõttu. Töömälu maht on piiratud. Kuna infotöötlus võtab aega ja hõlmab mitmeid kognitiivseid protsesse, saab igal ajahetkel töömälus hoida, pikaajalisse mällu üle kanda, korrata jne ainult piiratud hulga infot.

Kognitiivse koormuse teooria võtab neid töötlemise piiranguid õpetuse kavandamisel arvesse (DeLeeuw & Mayer, 2008; Schnotz & Kürschner, 2007; Sweller, van Merriënboer, & Pass, 1998). Kognitiivne koormus ehk nõuded infotöötlussüsteemile võivad olla kahte tüüpi. Sisemine kognitiivne koormus sõltub õpitava info muutumatutest omadustest ja seda saab leevendada vaid siis, kui õppijad omandavad tõhusa kognitiivse skeemi info käsitlemiseks. Väline kognitiivne koormus on põhjustatud materjali esitamise viisist või õppijalt nõutavatest tegevustest (Bruning jt, 2004). Näiteks võtmetrigonomeetriliste seoste (nt siinus, tangens) õppimisel on materjalis omane teatud kognitiivne koormus (sisemine), nimelt teadmiste arendamine täisnurkse kolmnurga külgede suhete kohta. Materjali õpetamise viis mõjutab välist kognitiivset koormust. Õpetajad, kes annavad selgeid esitlusi, aitavad minimeerida välist kognitiivset koormust, samas kui need, kes neid mõisteid halvasti selgitavad, suurendavad välist koormust.

Sarnaselt eristasid Mayer ja Moreno (2003) kolme tüüpi kognitiivseid nõudmisi. Oluline töötlemine viitab kognitiivsetele protsessidele, mis on vajalikud materjali mõistmiseks (sarnane sisemisele koormusele). Juhuslik töötlemine viitab töötlemisele, mis ei ole õppimiseks vajalik, kuid mis võib aidata suurendada mõistmist. Esituslik hoidmine tähistab info ajutist hoidmist mälus, samal ajal kui muud infot töödeldakse. Mayer ja Moreno soovitasid, et õppimine edeneb kõige paremini siis, kui õppijad saavad keskenduda oma ressursse olulisele töötlemisele ning vähe või üldse mitte ressursse muudele tüüpidele.

Põhiidee on see, et õpetamismeetodid peaksid vähendama välist kognitiivset koormust, et olemasolevaid ressursse saaks suunata õppimisele (van Merriënboer & Sweller, 2005). Skeleti kasutamine peaks olema kasulik (van Merriënboer, Kirschner, & Kester, 2003). Alguses aitab telling õppijatel omandada oskusi, mida nad ilma abita tõenäoliselt ei omandaks. Telling aitab minimeerida välist koormust, nii et õppijad saavad keskenduda oma ressursse õppimise sisemistele nõudmistele. Kui õppijad arendavad välja skeemi infoga töötamiseks, saab tellingute abi järk-järgult välja jätta.

Teine soovitus on kasutada materjali lihtsast keeruliseks järjestamist (van Merriënboer jt, 2003), mis on kooskõlas Gagné teooriaga. Keeruline õppimine on jagatud lihtsateks osadeks, mis omandatakse ja kombineeritakse suuremaks järjestuseks. See protseduur minimeerib kognitiivset koormust, nii et õppijad saavad keskenduda oma kognitiivseid ressursse käsilolevale õppimisele.

Kolmas soovitus on kasutada õpetamisel autentseid ülesandeid. Näiteks Reigeluthi (1999) elaboratsiooniteooria nõuab tingimuste kindlaksmääramist, mis lihtsustavad ülesande täitmist, ja seejärel alustamist õpetamist lihtsa, kuid autentse juhtumiga (nt selline, millega võidakse reaalses maailmas kokku puutuda). Ülesanded, millel on reaalse maailma tähendus, aitavad minimeerida välist koormust, kuna need ei nõua õppijatelt kõrvalise töötlemisega tegelemist konteksti mõistmiseks. Näiteks on õpilastel mõttekam määrata kooli lipumastist 40 jala kaugusel oleva punkti ja masti ülaosa vahelise nurga siinus kui lahendada võrreldavaid trigonomeetrilisi ülesandeid õpikus.

Need kaalutlused soovitavad ka koostööl põhinevat õppimist. Kognitiivse koormuse suurenemisel muutub üksikisikute õppimine vähem tõhusaks ja efektiivseks (Kirschner, Paas, & Kirschner, 2009). Ülesande suurema keerukuse korral vähendab kognitiivsete töötlemisnõuete jagamine üksikisikute vahel üksikute õpilaste kognitiivset koormust. Need ideed sobivad hästi konstruktivistliku rõhuasetusega kaaslastevahelisele koostööle.

Infotöötlusteooriad keskenduvad tähelepanule, taju, kodeerimisele, säilitamisele ja teadmiste meeldetuletamisele. Infotöötlust on mõjutanud edusammud kommunikatsioonis, arvutitehnoloogias ja neuroteaduses.

Olulised ajaloolised mõjutused kaasaegsetele infotöötlusvaadetele on Gestalt-psühholoogia ja verbaalne õppimine. Gestalt-teoreetikud rõhutasid organisatsiooni rolli tajus ja õppimises. Verbaalse õppimise uurijad kasutasid järjestikust õppimist, vaba meeldetuletamist ja paarisassotsiatsioonide ülesandeid. Verbaalse õppimise uuringutest saadi mitmeid olulisi tulemusi. Vaba meeldetuletamise uuringud näitasid, et organiseerimine parandab meeldetuletamist ja et inimesed loovad oma organisatsiooni, kui seda pole. Üks peamisi panuseid oli töö interferentsi ja unustamise valdkonnas.

Kaheosalist (duaalse) mälumudelit on laialdaselt rakendatud. Teave siseneb sensoorsete registrite kaudu. Kuigi igale meelele on register, on enamik uuringuid läbi viidud visuaalsete ja auditoorsete registrite kohta. Korraga saab tähelepanu pöörata ainult piiratud hulgale teabele. Tähelepanu võib toimida filtrina või üldise piiranguna inimese süsteemi võimekusele. Sisendid, millele tähelepanu pööratakse, tajutakse võrreldes pikaajalise mälu (PTM) teabega.

Teave siseneb lühiajalisse mällu (töömällu), kus seda säilitatakse kordamise kaudu ja seostatakse PTM-is oleva seotud teabega. Teavet võib kodeerida PTM-is säilitamiseks. Kodeerimist hõlbustavad organiseerimine, täpsustamine, tähendusrikkus ja seosed skeemidega. PTM on organiseeritud sisu järgi ja teave on ristviidatud seotud sisuga. Kontrolliprotsessid jälgivad ja suunavad teabe voolu läbi süsteemi.

Alternatiivsed vaated mälule kontseptualiseerivad seda töötlemise tasemete, aktivatsioonitaseme, konneksionismi ja paralleelse hajusprotsessi kaudu. Igal neist vaadetest on eelised ja puudused ning vaadete integreerimine võib kõige paremini iseloomustada mälu.

Tähelepanu- ja tajuprotsessid hõlmavad kriitilisi tunnuseid, malle ja prototüüpe. Kui töömälul on piiratud võimsus ja kestus, siis PTM näib olevat väga suur. Teadmiste põhiühik on propositsioon ja propositsioonid on organiseeritud võrgustikes. Teadmiste tüübid hõlmavad deklaratiivseid, protseduurilisi ja tingimuslikke teadmisi. Suuri protseduuriliste teadmiste osi võib organiseerida tootmissüsteemides. Võrgustikud on täiendavalt seotud konneksionistlikult leviva aktivatsiooni kaudu, et parandada ristviitamist ja ülekannet. Teadmiste meeldetuletamine sõltub nendele PTM-is juurdepääsust. Meeldetuletamise ebaõnnestumine võib tuleneda teabe kadumisest või interferentsist. Teavet saab kõige paremini meelde tuletada kodeerimise ajal esinevate vihjetega (kodeerimise spetsiifilisus).

Valdkond, mis illustreerib teabe säilitamist ja meeldetuletamist PTM-is, on keele mõistmine, mis hõlmab taju, parsimist ja kasutamist. Suhtlus on puudulik; kõnelejad jätavad välja teabe, mida nad eeldavad, et kuulajad teavad. Tõhus keele mõistmine nõuab, et kuulajatel oleks piisavalt propositsioonilisi teadmisi ja skeeme ning nad mõistaksid konteksti. Teabe mällu integreerimiseks tuvastavad kuulajad antud teabe, pääsevad sellele PTM-is juurde ja seostavad uut teavet sellega. Keele mõistmine on kirjaoskuse keskne aspekt ja on tugevalt seotud akadeemilise eduga, eriti ainetes, mis nõuavad ulatuslikku lugemist.

Kuigi on palju tõendeid selle kohta, et teavet säilitatakse mälus verbaalsel kujul (tähendused), on tõendeid ka kujutiste säilitamise kohta. Kujutised on analoogsed esitused: need on sarnased, kuid mitte identsed oma referentidega. Duaalkooditeooria postuleerib, et kujutlussüsteem salvestab peamiselt konkreetseid objekte ja sündmusi ning verbaalne süsteem salvestab abstraktsemat keeles väljendatud teavet. Vastupidi, kujutisi saab töömälus rekonstrueerida PTM-is salvestatud verbaalsetest koodidest. Arengulised tõendid näitavad, et lapsed esitavad teadmisi tõenäolisemalt kujutistena kui täiskasvanud, kuid kujutluslikku esitust saab arendada igas vanuses inimestel.

Kuigi suur osa varasest infotöötluse uurimistööst oli oma olemuselt põhiline ja viidi läbi eksperimentaalsetes laborites, viivad teadlased üha enam läbi uuringuid rakenduslikes tingimustes ja eriti akadeemilise sisu õppimise kohta. Kolm õpetuslikku rakendust, mis peegeldavad infotöötluse põhimõtteid, hõlmavad eelorganisaatoreid, õppimistingimusi ja kognitiivset koormust.