情報処理理論：教育への応用 - 事前オーガナイザー、学習条件、認知負荷

情報処理の原則は、学校の学習環境にますます適用されるようになっています。この理論の教育への関連性は、今後の研究によってさらに拡大していくでしょう。情報処理の原則を反映する3つの指導応用例として、先行オーガナイザー、学習の条件、および認知負荷があります。

先行オーガナイザーとは、新しい教材を以前の学習と結びつけるのに役立つように、授業の冒頭で提示される広範な記述のことです（Mayer, 1984）。オーガナイザーは、学習者の注意を学習すべき重要な概念に向け、アイデア間の関係を強調し、新しい教材を生徒が知っていることと結びつけます（Faw & Waller, 1976）。オーガナイザーは、テキストを伴って示されるマップであることもあります（Verdi & Kulhavy, 2002）。学習者の認知構造は階層的に組織化されており、包括的な概念が下位の概念を包含すると想定されています。オーガナイザーは、階層の上位レベルで情報を提供します。

オーガナイザーの概念的基礎は、Ausubel（1963, 1968, 1977, 1978; Ausubel & Robinson, 1969）の有意味受容学習理論に由来します。学習は、新しい教材がLTM内の関連概念と体系的な関係を持つ場合に有意味になります。つまり、新しい教材は、記憶内の情報を拡張、修正、または精緻化します。有意味性は、年齢、背景経験、社会経済的地位、教育的背景などの個人的変数にも依存します。以前の経験は、生徒が学習を有意味であると認識するかどうかを決定します。

Ausubelは演繹的な教え方を提唱しました。一般的なアイデアを最初に教え、次に具体的な点を教えます。これには、教師が生徒がアイデアをより小さく、関連する点に分解し、新しいアイデアを記憶内の同様のコンテンツに結びつけるのを支援する必要があります。情報処理の観点から見ると、モデルの目的は、知識を追加してLTM内の命題ネットワークを拡張し、ネットワーク間にリンクを確立することです。演繹的な教え方は、年長の生徒に適しています（Luiten, Ames, & Ackerson, 1980）。

先行オーガナイザーは、有意味受容学習の舞台を設定します。オーガナイザーは、解説的または比較的なものにすることができます。解説的なオーガナイザーは、生徒にレッスンを理解するために必要な新しい知識を提供します。解説的なオーガナイザーには、概念の定義と一般化が含まれます。概念の定義は、概念、上位概念、および概念の特性を示します。「恒温動物」という概念を提示する際に、教師はそれを定義し（つまり、内部体温が比較的一定に保たれる動物）、上位概念（動物界）に関連付け、その特性（鳥、哺乳類）を示すかもしれません。一般化は、仮説または具体的なアイデアが導き出される一般的な原則の広範な記述です。地形の研究に適した一般化は、「標高が高いほど植生が少なくなる」です。教師は一般化の例を提示し、生徒に他の例を考えさせることもできます。

比較オーガナイザーは、馴染みのある教材との類似性を描くことによって新しい教材を紹介します。比較オーガナイザーは、LTM内のネットワークを活性化してリンクさせます。教師が、コミュニケーションシステムを学習した生徒に体の循環系のユニットを教える場合、教師は循環系とコミュニケーションシステムを、ソース、媒体、ターゲットなどの関連概念に関連付けるかもしれません。比較オーガナイザーが効果的であるためには、生徒は類似性の基礎として使用される教材をよく理解している必要があります。学習者はまた、類似性を容易に認識する必要があります。類似関係を認識するのが難しいと、学習が妨げられます。

証拠は、オーガナイザーが学習と転移を促進することを示唆しています（Ausubel, 1978; Faw & Waller, 1976; Mautone & Mayer, 2007）。マップは効果的なオーガナイザーであり、テクノロジーを介してレッスンに組み込むのに適しています（Verdi & Kulhavy, 2002）。Mayer（1979）は、コンピュータープログラミングの経験がない大学生を対象とした研究を報告しました。生徒には学習用のプログラミング教材が与えられました。一方のグループにはオーガナイザーとして概念モデルが与えられましたが、もう一方のグループはモデルなしで同じ教材を受け取りました。先行オーガナイザーグループは、教材で議論されたものとは異なるアイテムへの転移を必要とするポストテストアイテムでより良いパフォーマンスを示しました。オーガナイザーは、生徒が新しい教材をより広範な経験セットに関連付けるのを助け、転移を促進する可能性があります。

認知原理に基づく最もよく知られた教授理論の一つは、ロバート・ギャグネ（Robert Gagné, 1985）によって提唱されました。この理論は、学習の条件、すなわち学習が起こる際に優勢な状況に関わるものです（Ertmer, Driscoll, & Wager, 2003）。2つのステップが重要です。第一に、学習成果の種類を特定することです。ギャグネは5つの主要な種類を特定しました（後述）。第二に、学習のイベント、すなわち教授に違いをもたらす要因を決定することです。

学習成果

ギャグネ（Gagné, 1984）は、知的技能、言語情報、認知方略、運動技能、および態度という5種類の学習成果を特定しました（表「ギャグネの理論における学習成果」）。

知的技能には、規則、手続き、および概念が含まれます。これらは手続き的知識またはプロダクションの形式です。このタイプの知識は、話す、書く、読む、数学の問題を解く、および科学的原理を問題に適用する際に用いられます。

言語情報、または宣言的知識は、何かが真実であるという知識です。言語情報は、事実または意味のあるつながりのある散文が逐語的に思い出されることを伴います（例えば、詩の言葉や「星条旗」）。スキーマは言語情報の形式です。

認知方略は、実行制御プロセスです。これには、新しい情報に注意を払う、情報をリハーサルする、精緻化する、LTM検索方略を使用する、および問題解決方略を適用するなどの情報処理技能が含まれます。

運動技能は、練習を通じて達成される動きの質（滑らかさ、タイミング）の漸進的な改善を通じて発達します。知的技能が急に習得できるのに対し、運動技能は継続的かつ意図的な練習によって徐々に発達します（Ericsson et al., 1993）。練習条件は異なります。知的技能は異なる例で練習されます。運動技能の練習は、同じ筋肉の動きの繰り返しを伴います。

態度は、行動に影響を与え、寛容さ、正直さ、健康的な生活へのコミットメントなどの特性を反映する内的信念です。教師は、知的技能、言語情報、認知方略、および運動技能を学習するための条件を整えることができますが、態度は、生きたモデルおよび象徴的なモデル（テレビ、ビデオテープ）への経験および暴露を通じて間接的に学習されます。

学習イベント

5種類の学習成果は、その条件において異なります。内的条件は、前提となる技能および認知的処理要件です。外的条件は、学習者の認知的プロセスをサポートする環境刺激です。教授を設計する際には、両方の種類の条件を可能な限り完全に特定する必要があります。

内的条件は、学習者の現在の能力であり、知識としてLTMに保存されています。教師および教材からの教授的合図は、関連するLTM知識を活性化します（Gagné & Glaser, 1987）。外的条件は、学習成果および内的条件の関数として異なります。生徒に教室の規則を教えるために、教師は生徒に規則を知らせ、視覚的に表示するかもしれません。生徒に理解度を確認するための戦略を教えるために、教師は戦略を実演し、生徒にその有効性に関する練習とフィードバックを与えるかもしれません。熟練した読者は、解読に問題を抱える読者とは異なる指導を受けます。教授の各段階は、学習成果および内的条件の関数として変更される可能性があります。

学習階層

学習階層は、組織化された知的技能のセットです。階層の最上位要素は、目標技能です。階層を作成するには、まず最上位から始めて、学習者が目標技能を学習する前にどのような技能を実行しなければならないか、または目標技能の直接的な前提条件となる技能は何かを尋ねます。次に、各前提技能について同じ質問をし、学習者が現在実行できる技能に到達するまで階層を下に進みます（Dick & Carey, 1985; Merrill, 1987）。

階層は、技能の線形順序付けではありません。上位の技能を学習するために、2つ以上の前提技能を適用する必要があることがよくあります。また、上位の技能が下位の技能よりも必ずしも習得が難しいとは限りません。一部の前提条件は習得が難しい場合があります。学習者が下位の技能を習得すると、上位の技能の学習はより簡単に思えるかもしれません。

学習の段階

教授は、内的学習プロセスを促進するように設計された一連の外的イベントです。表「ギャグネの学習段階」は、3つのカテゴリーにグループ化された9つの学習段階を示しています（Gagné, 1985）。

学習の準備には、導入的な学習活動が含まれます。注意の段階では、学習者は学習される教材に関連する刺激（視聴覚教材、書面教材、教師がモデルとなる行動）に焦点を当てます。学習者の期待は、学習者を目標（運動技能を学習する、分数を減らすことを学習する）に向けます。LTMからの関連情報の検索の段階では、学習者は学習されるトピックに関連する部分を活性化します（Gagné & Dick, 1983）。

学習の主な段階は、習得と遂行です。選択的知覚とは、感覚レジスターが関連する刺激の特徴を認識し、それらをWMに転送することを意味します。意味的符号化は、新しい知識がLTMに転送されるプロセスです。検索と応答の段階では、学習者はメモリから新しい情報を検索し、学習を示す応答をします。強化とは、生徒の応答の正確さを確認し、必要に応じて修正情報を提供するフィードバックを指します。

学習の転移の段階には、検索の合図と一般化可能性が含まれます。検索の合図では、学習者は以前の知識がその状況に適用可能であることを示す合図を受け取ります。例えば、文章問題を解く際に、数学教師は学習者に直角三角形の知識が適用可能であることを知らせるかもしれません。一般化可能性は、学習者に異なるコンテンツおよび異なる状況下で技能を練習する機会を提供することによって強化されます（例えば、宿題、間隔を空けた復習セッション）。

これらの9つの段階は、5種類の学習成果に等しく適用可能です。ギャグネとブリッグス（Gagné and Briggs, 1979）は、各段階に伴う可能性のある教授イベントの種類を特定しました（表「学習段階に伴う教授イベント（ギャグネ）」）。各段階を強化する教授イベントは、成果の種類によって異なります。知的技能の教授は、言語情報の教授とは異なる方法で進められます。

1つの問題は、学習階層の開発が困難で時間がかかる可能性があることです。このプロセスでは、連続する前提技能、すなわち教授の範囲と順序を決定するために、コンテンツ領域の専門知識が必要です。一見単純な技能であっても、学習者がいくつかの前提条件を習得する必要がある場合は、複雑な階層を持つ可能性があります。構造があまり明確に定義されていない技能（例えば、創造的な文章）の場合、階層の開発は難しい場合があります。もう1つの問題は、学習者がどのように進むべきかを規定するため、システムが学習者の制御をほとんど許容しないことです。これらの問題にもかかわらず、この理論は、情報処理の原則を教授の設計に適用する方法について、確かな提案を提供します（Ertmer et al., 2003）。

情報処理システムは、一度に処理できる量に限りがある。あまりにも多くの刺激が同時に与えられると、観察者はその限られた注意容量のために、その多くを見逃してしまう。作動記憶（WM）の容量は限られている。情報処理には時間がかかり、複数の認知的プロセスが関与するため、いかなる時点においても、作動記憶に保持され、長期記憶（LTM）に転送され、リハーサルされるなどの情報量は限られている。

認知的負荷理論は、これらの処理上の限界を教授設計において考慮に入れるものである（DeLeeuw & Mayer, 2008; Schnotz & Kürschner, 2007; Sweller, van Merriënboer, & Pass, 1998）。認知的負荷、すなわち情報処理システムへの要求は、2つのタイプに分けられる。内発的認知的負荷は、学習される情報の不変の特性に依存し、学習者がその情報を扱うための効果的な認知的スキーマを獲得したときにのみ軽減される。外発的認知的負荷は、教材の提示方法や学習者に要求される活動によって引き起こされる（Bruning et al., 2004）。例えば、三角法の主要な関係（例：正弦、正接）を学習する際、学習すべき教材にはある一定の認知的負荷（内発的）が内在している。すなわち、直角三角形の辺の比に関する知識を形成することである。教材の教え方は、外発的認知的負荷に影響を及ぼす。明確な提示を行う教師は外発的認知的負荷を最小限に抑えるのに役立つが、これらの概念を不十分に説明する教師は外発的負荷を増大させる。

同様に、MayerとMoreno（2003）は3種類の認知的要求を区別した。本質的処理とは、教材を理解するために必要な認知的プロセス（内発的負荷に類似）を指す。付随的処理とは、学習には必要ないが、理解を深めるのに役立つ可能性のある処理を指す。表象保持は、他の情報が処理されている間に情報を一時的に記憶内に保持することを示す。MayerとMorenoは、学習者がそのリソースを本質的処理に集中させ、他のタイプの処理にはほとんど、あるいは全くリソースを割かないときに、学習が最もよく進むと示唆した。

重要な考え方は、教授法は外在的認知的負荷を減少させ、既存のリソースを学習に充てられるようにすべきであるということである（van Merriënboer & Sweller, 2005）。スキャフォールディング（足場掛け）の利用は有益であるはずだ（van Merriënboer, Kirschner, & Kester, 2003）。初期段階では、スキャフォールディングは、支援がなければ学習者が獲得しそうにないスキルを習得するのを助ける。スキャフォールディングは外発的負荷を最小限に抑えるのに役立ち、学習者は内発的な学習要求にリソースを集中させることができる。学習者が情報を扱うためのスキーマを発達させるにつれて、スキャフォールディングによる支援は段階的に廃止することができる。

もう一つの提案は、ガニエの理論に沿って、教材を単純から複雑へと配列することである（van Merriënboer et al., 2003）。複雑な学習は、単純な部分に分解され、それらが習得され、より大きな系列に統合される。この手続きは認知的負荷を最小限に抑えるため、学習者は当面の学習に認知的リソースを集中させることができる。

第三の提案は、教授において真正の課題を用いることである。例えば、ライゲルースの精緻化理論（1999）は、課題の遂行を単純化する条件を特定し、次に単純だか真正の事例（例えば、実世界で遭遇する可能性のあるもの）から教授を始めることを要求する。実世界での重要性を持つ課題は、学習者が文脈を理解するために無関係な処理に従事する必要がないため、外発的負荷を最小限に抑えるのに役立つ。例えば、学生にとって、教科書で同等の三角法の問題を解くよりも、学校の旗竿から40フィート離れた地点と竿の頂点を結んでできる角度の正弦を決定する方が、より有意味である。

これらの考察はまた、協同学習の利用を示唆している。認知的負荷が増加するにつれて、個人による学習は効果と効率が低下する（Kirschner, Paas, & Kirschner, 2009）。課題の複雑性が増すにつれて、認知的処理要求を個人間で分担することは、個々の学生にかかる認知的負荷を軽減する。これらの考えは、仲間との協同を重視する構成主義的な考え方とよく適合する。

情報処理理論は、知識の注意、知覚、符号化、貯蔵、検索に焦点を当てています。情報処理は、通信、コンピュータ技術、神経科学の進歩によって影響を受けています。

現代の情報処理の見解に対する重要な歴史的影響は、ゲシュタルト心理学と言語学習です。ゲシュタルト理論家は、知覚と学習における組織の役割を強調しました。言語学習研究者は、系列学習、自由再生、対連合課題を使用しました。多くの重要な発見が言語学習研究から得られました。自由再生研究は、組織が再生を改善し、人が存在しない場合に独自の組織を課すことを示しました。主な貢献の1つは、干渉と忘却に関する研究でした。

2層（二重）メモリモデルが広く適用されています。情報は感覚レジスタを介して入力されます。それぞれの感覚に対応するレジスタがありますが、ほとんどの研究は視覚および聴覚レジスタで実施されています。一度に注意を払うことができる情報の量は限られています。注意は、人間のシステムの容量に対するフィルターまたは一般的な制限として機能する可能性があります。注意を払った入力は、LTMの情報と比較されることによって知覚されます。

情報はSTM（WM）に入り、リハーサルを通じて保持され、LTMの関連情報とリンクされます。情報はLTMに保存するために符号化される場合があります。符号化は、組織化、精緻化、有意味性、スキーマとのリンクを通じて促進されます。LTMはコンテンツによって組織化され、情報は関連コンテンツと相互参照されます。制御プロセスは、システムを通る情報の流れを監視および指示します。

メモリの代替ビューは、処理レベル、活性化レベル、コネクショニズム、並列分散処理の観点からメモリを考えます。これらのビューにはそれぞれ利点と欠点があり、ビューのいくつかの統合がメモリを最もよく特徴付ける可能性があります。

注意と知覚のプロセスには、重要な特徴、テンプレート、プロトタイプが含まれます。WMは容量と持続時間が限られていますが、LTMは非常に大きいようです。知識の基本単位は命題であり、命題はネットワークで組織化されています。知識の種類には、宣言的、手続き的、条件的なものが含まれます。手続き的知識の大きなビットは、プロダクションシステムで組織化される場合があります。ネットワークはさらに、活性化の拡散を通じてコネクショニスト的にリンクされ、相互参照と転送を強化します。知識の検索は、LTMでアクセスされるかどうかに依存します。検索の失敗は、情報の減衰または干渉の結果として発生する可能性があります。情報は、符号化中に存在する手がかり（符号化特異性）で最もよく検索される場合があります。

LTMにおける情報の保存と検索を示す分野は言語理解であり、これには知覚、構文解析、および利用が含まれます。コミュニケーションは不完全です。話者は、聞き手が知っていると予想する情報を省略します。効果的な言語理解には、聞き手が適切な命題的知識とスキーマを持ち、コンテキストを理解している必要があります。情報をメモリに統合するために、聞き手は与えられた情報を識別し、LTMでアクセスし、新しい情報をそれに関連付けます。言語理解はリテラシーの中心的な側面であり、学業成績と強く関連しています。特に広範な読書が必要な科目。

情報が言語形式（意味）でメモリに保存されているという多くの証拠がありますが、イメージの保存に関する証拠も存在します。イメージはアナログ表現です。それらは参照対象と類似していますが、同一ではありません。二重符号理論は、イメージシステムは主に具体的なオブジェクトとイベントを保存し、言語システムは言語で表現されたより抽象的な情報を保存すると仮定しています。逆に、イメージはLTMに保存された言語コードからWMで再構築される場合があります。発達的な証拠は、子供は大​​人よりも知識をイメージとして表現する可能性が高いことを示していますが、イメージ表現はどの年齢の人でも開発できます。

情報処理に関する初期の研究の多くは本質的に基本的であり、実験室で実施されましたが、研究者は応用環境、特に学術コンテンツの学習に関する研究をますます実施しています。情報処理の原則を反映する3つの教育的応用には、先行オーガナイザー、学習の条件、および認知負荷が含まれます。