정보 처리 이론: 교육적 적용 – 학습 전략 및 인지 부하

정보 처리 원리는 학교 학습 환경에 점점 더 많이 적용되고 있습니다. 이 이론이 교육에 미치는 관련성은 향후 연구와 함께 계속 확대될 것입니다. 정보 처리 원리를 반영하는 세 가지 교수 적용 사례는 선행 조직자, 학습 조건 및 인지 부하입니다.

선행 조직자는 수업 초반에 제시되는 광범위한 진술로, 새로운 자료를 이전 학습과 연결하는 데 도움을 줍니다 (Mayer, 1984). 조직자는 학습자의 주의를 학습할 중요한 개념에 집중시키고, 아이디어 간의 관계를 강조하며, 새로운 자료를 학생들이 알고 있는 내용과 연결합니다 (Faw & Waller, 1976). 조직자는 또한 텍스트와 함께 제시되는 지도일 수도 있습니다 (Verdi & Kulhavy, 2002). 학습자의 인지 구조는 포괄적인 개념이 하위 개념을 포함하는 계층적으로 조직되어 있다고 가정합니다. 조직자는 계층 구조의 높은 수준에서 정보를 제공합니다.

조직자의 개념적 기초는 의미 있는 수용 학습에 대한 Ausubel의 이론 (1963, 1968, 1977, 1978; Ausubel & Robinson, 1969)에서 비롯됩니다. 학습은 새로운 자료가 장기 기억 (LTM)의 관련 개념과 체계적인 관계를 가질 때 의미가 있습니다. 즉, 새로운 자료는 기억 속의 정보를 확장, 수정 또는 정교화합니다. 의미성은 또한 연령, 배경 경험, 사회 경제적 지위 및 교육적 배경과 같은 개인 변수에 따라 달라집니다. 이전 경험은 학생들이 학습을 의미 있다고 생각하는지 여부를 결정합니다.

Ausubel은 연역적 교수법을 옹호했습니다. 일반적인 아이디어를 먼저 가르치고, 그 다음에 구체적인 사항을 가르칩니다. 이를 위해서는 교사가 학생들이 아이디어를 더 작고 관련된 요점으로 나누고 새로운 아이디어를 기억 속의 유사한 내용과 연결하도록 도와야 합니다. 정보 처리 측면에서 모델의 목표는 지식을 추가하여 LTM의 명제 네트워크를 확장하고 네트워크 간의 연결을 설정하는 것입니다. 연역적 교수법은 나이가 많은 학생들에게 더 효과적입니다 (Luiten, Ames, & Ackerson, 1980).

선행 조직자는 의미 있는 수용 학습을 위한 무대를 설정합니다. 조직자는 설명적이거나 비교적일 수 있습니다. 설명적 조직자는 학생들이 수업을 이해하는 데 필요한 새로운 지식을 제공합니다. 설명적 조직자에는 개념 정의 및 일반화가 포함됩니다. 개념 정의는 개념, 상위 개념 및 개념의 특징을 나타냅니다. '온혈 동물'이라는 개념을 제시할 때 교사는 그것을 정의 (즉, 내부 체온이 비교적 일정하게 유지되는 동물)하고, 상위 개념 (동물계)과 관련시키고, 그 특징 (새, 포유류)을 제시할 수 있습니다. 일반화는 가설이나 특정 아이디어가 도출되는 일반 원칙의 광범위한 진술입니다. 지형 연구에 적합한 일반화는 '고도가 높을수록 식생이 덜 자란다'입니다. 교사는 일반화의 예를 제시하고 학생들에게 다른 것을 생각하도록 요청할 수 있습니다.

비교 조직자는 친숙한 자료와의 유사점을 그려 새로운 자료를 소개합니다. 비교 조직자는 LTM에서 네트워크를 활성화하고 연결합니다. 교사가 통신 시스템을 공부한 학생들에게 신체의 순환계에 대한 단원을 강의하는 경우 교사는 순환계와 통신 시스템을 소스, 매체 및 대상과 같은 관련 개념과 관련시킬 수 있습니다. 비교 조직자가 효과적이려면 학생들은 비유의 기초로 사용되는 자료를 잘 이해해야 합니다. 학습자는 또한 비유를 쉽게 인식해야 합니다. 유사한 관계를 인식하는 데 어려움이 있으면 학습이 방해됩니다.

증거에 따르면 조직자는 학습과 전이를 촉진합니다 (Ausubel, 1978; Faw & Waller, 1976; Mautone & Mayer, 2007). 지도는 효과적인 조직자이며 기술을 통해 수업에 주입하는 데 적합합니다 (Verdi & Kulhavy, 2002). Mayer (1979)는 컴퓨터 프로그래밍 경험이 없는 대학생을 대상으로 한 연구를 보고했습니다. 학생들에게 프로그래밍 자료를 공부하도록 주어졌습니다. 한 그룹은 조직자로서 개념적 모델을 받았고, 다른 그룹은 모델 없이 동일한 자료를 받았습니다. 선행 조직자 그룹은 교육 자료에서 논의된 항목과 다른 항목으로의 전이가 필요한 사후 테스트 항목에서 더 나은 성능을 보였습니다. 조직자는 학생들이 새로운 자료를 더 광범위한 경험 세트와 관련시키는 데 도움이 되어 전이를 용이하게 할 수 있습니다.

인지 원리에 기반한 가장 잘 알려진 교수 이론 중 하나는 Robert Gagné (1985)에 의해 공식화되었습니다. 이 이론은 학습이 일어날 때 나타나는 상황, 즉 학습 조건을 포함합니다 (Ertmer, Driscoll, & Wager, 2003). 두 가지 단계가 중요합니다. 첫 번째는 학습 결과의 유형을 명시하는 것입니다. Gagné는 다섯 가지 주요 유형을 식별했습니다 (나중에 논의됨). 두 번째는 교수에서 차이를 만드는 요인, 즉 학습 사건을 결정하는 것입니다.

학습 결과

Gagné (1984)는 다섯 가지 유형의 학습 결과를 식별했습니다. 즉, 지적 기능, 언어 정보, 인지 전략, 운동 기능 및 태도입니다 (표 'Gagné 이론의 학습 결과').

지적 기능에는 규칙, 절차 및 개념이 포함됩니다. 그것들은 절차적 지식 또는 생성의 형태입니다. 이러한 유형의 지식은 말하기, 쓰기, 읽기, 수학 문제 해결 및 과학적 원리를 문제에 적용하는 데 사용됩니다.

언어 정보 또는 선언적 지식은 어떤 것이 사실이라는 지식입니다. 언어 정보는 사실 또는 의미 있게 연결된 산문이 축어적으로 회상되는 것을 포함합니다 (예 : 시의 단어 또는 “Star Spangled Banner”). 스키마는 언어 정보의 형태입니다.

인지 전략은 실행 제어 프로세스입니다. 여기에는 새로운 정보에 주의를 기울이기, 정보를 리허설하기로 결정하기, 정교화하기, LTM 검색 전략 사용하기 및 문제 해결 전략 적용하기와 같은 정보 처리 기술이 포함됩니다.

운동 기능은 연습을 통해 달성되는 움직임의 품질 (부드러움, 타이밍)이 점진적으로 향상됨에 따라 개발됩니다. 지적 기능은 갑자기 습득할 수 있지만 운동 기능은 지속적이고 의도적인 연습을 통해 점진적으로 개발됩니다 (Ericsson et al., 1993). 연습 조건은 다릅니다. 지적 기능은 다른 예제로 연습합니다. 운동 기능 연습은 동일한 근육 움직임의 반복을 포함합니다.

태도는 관대함, 정직 및 건강한 삶에 대한 헌신과 같은 특징을 반영하고 행동에 영향을 미치는 내부 신념입니다. 교사는 지적 기능, 언어 정보, 인지 전략 및 운동 기능 학습 조건을 조정할 수 있지만 태도는 라이브 및 상징적 (텔레비전, 비디오 테이프) 모델에 대한 경험과 노출을 통해 간접적으로 학습됩니다.

학습 사건

다섯 가지 유형의 학습 결과는 조건이 다릅니다. 내부 조건은 필수 기술 및 인지 처리 요구 사항입니다. 외부 조건은 학습자의 인지 프로세스를 지원하는 환경 자극입니다. 교수를 설계할 때 가능한 한 완전하게 두 가지 유형의 조건을 모두 명시해야 합니다.

내부 조건은 LTM에 지식으로 저장된 학습자의 현재 능력입니다. 교사와 자료의 교수 신호는 관련 LTM 지식을 활성화합니다 (Gagné & Glaser, 1987). 외부 조건은 학습 결과 및 내부 기능의 함수로 다릅니다. 학생들에게 교실 규칙을 가르치기 위해 교사는 규칙을 알리고 시각적으로 표시할 수 있습니다. 학생들에게 이해력을 확인하는 전략을 가르치기 위해 교사는 전략을 시연하고 학생들에게 효과에 대한 연습과 피드백을 제공할 수 있습니다. 능숙한 독자는 디코딩 문제가 있는 사람들과 다르게 지시를 받습니다. 교수의 각 단계는 학습 결과 및 내부 조건의 함수로 변경될 수 있습니다.

학습 계층 구조

학습 계층 구조는 조직화된 지적 기능 세트입니다. 계층 구조에서 가장 높은 요소는 목표 기술입니다. 계층 구조를 고안하려면 맨 위에서 시작하여 학습자가 목표 기술을 배우기 전에 어떤 기술을 수행해야 하는지 또는 목표 기술에 대한 즉각적인 필수 기술이 무엇인지 묻습니다. 그런 다음 각 필수 기술에 대해 동일한 질문을 하고 학습자가 지금 수행할 수 있는 기술에 도달할 때까지 계층 구조를 계속 내려갑니다 (Dick & Carey, 1985; Merrill, 1987).

계층 구조는 기술의 선형 순서가 아닙니다. 종종 더 높은 순서의 기술을 배우기 위해 둘 이상의 필수 기술을 적용해야 하며, 필수 기술 중 어느 것도 다른 기술에 의존하지 않습니다. 또한 고차 기술이 저차 기술보다 배우기가 반드시 더 어려운 것은 아닙니다. 일부 필수 기술은 습득하기 어려울 수 있습니다. 학습자가 저차 기술을 마스터하면 고차 기술을 배우는 것이 더 쉬워 보일 수 있습니다.

학습 단계

교수는 내부 학습 프로세스를 용이하게 하도록 설계된 외부 사건 세트입니다. 표 'Gagné의 학습 단계'는 세 가지 범주로 그룹화된 9가지 학습 단계를 보여줍니다 (Gagné, 1985).

학습 준비에는 소개 학습 활동이 포함됩니다. 참여하는 동안 학습자는 학습할 자료와 관련된 자극 (시청각 자료, 서면 자료, 교사가 모델링한 행동)에 집중합니다. 학습자의 기대는 학습자를 목표 (운동 기능 배우기, 분수 줄이기 배우기)로 향하게 합니다. LTM에서 관련 정보를 검색하는 동안 학습자는 학습된 주제와 관련된 부분을 활성화합니다 (Gagné & Dick, 1983).

학습의 주요 단계는 습득 및 수행입니다. 선택적 지각은 감각 등록기가 관련 자극 특징을 인식하고 WM으로 전송한다는 의미입니다. 의미적 부호화는 새로운 지식이 LTM으로 전송되는 프로세스입니다. 검색 및 응답하는 동안 학습자는 메모리에서 새로운 정보를 검색하고 학습을 보여주는 응답을 합니다. 강화는 학생의 응답의 정확성을 확인하고 필요한 경우 수정 정보를 제공하는 피드백을 의미합니다.

학습 전이 단계에는 신호 검색 및 일반화가 포함됩니다. 신호 검색에서 학습자는 이전 지식이 해당 상황에서 적용 가능하다는 신호를 수신합니다. 예를 들어, 단어 문제를 해결할 때 수학 교사는 학습자에게 직각 삼각형에 대한 지식이 적용 가능하다는 것을 알릴 수 있습니다. 일반화는 학습자에게 다른 내용과 다른 상황에서 기술을 연습할 기회를 제공함으로써 향상됩니다 (예 : 숙제, 간격을 둔 복습 세션).

이러한 9가지 단계는 5가지 유형의 학습 결과에 모두 동일하게 적용됩니다. Gagné와 Briggs (1979)는 각 단계를 수반할 수 있는 교수 이벤트 유형을 지정했습니다 (표 '학습 단계에 따른 교수 이벤트 (Gagné)'). 각 단계를 향상시키는 교수 이벤트는 결과 유형에 따라 다릅니다. 교수는 언어 정보보다 지적 기능에 대해 다르게 진행됩니다.

한 가지 문제는 학습 계층 구조를 개발하는 것이 어렵고 시간이 많이 걸릴 수 있다는 것입니다. 이 프로세스는 교수의 범위와 순서인 연속적인 필수 기술을 결정하기 위해 내용 영역에 대한 전문 지식이 필요합니다. 학습자가 여러 필수 조건을 마스터해야 하는 경우 겉보기에는 간단한 기술조차도 복잡한 계층 구조를 가질 수 있습니다. 구조가 덜 잘 정의된 기술 (예 : 창작 글쓰기)의 경우 계층 구조를 개발하는 것이 어려울 수 있습니다. 또 다른 문제는 시스템이 학습자가 진행해야 하는 방법을 규정하기 때문에 학습자 제어를 거의 허용하지 않는다는 것입니다. 이러한 문제에도 불구하고 이 이론은 정보 처리 원리를 교수 설계에 적용하는 방법에 대한 확실한 제안을 제공합니다 (Ertmer et al., 2003).

정보 처리 시스템은 한 번에 처리할 수 있는 양이 제한되어 있습니다. 너무 많은 자극이 동시에 가해지면 관찰자는 제한된 주의 집중 능력 때문에 많은 자극을 놓치게 됩니다. 작업 기억(WM)의 용량은 제한되어 있습니다. 정보 처리는 시간이 걸리고 여러 인지 과정을 포함하기 때문에, 특정 시점에 작업 기억에 유지될 수 있는 정보의 양, 장기 기억(LTM)으로 전송될 수 있는 정보의 양, 반복 연습될 수 있는 정보의 양 등이 제한됩니다.

인지 부하 이론은 이러한 처리상의 제약을 고려하여 교육 설계를 합니다(DeLeeuw & Mayer, 2008; Schnotz & Kürschner, 2007; Sweller, van Merriënboer, & Pass, 1998). 인지 부하, 즉 정보 처리 시스템에 대한 요구는 두 가지 유형이 있을 수 있습니다. 내재적 인지 부하는 학습할 정보의 변경 불가능한 속성에 따라 달라지며 학습자가 정보를 처리하기 위한 효과적인 인지 스키마를 습득할 때만 완화됩니다. 외재적 인지 부하는 자료가 제시되는 방식 또는 학습자에게 요구되는 활동으로 인해 발생합니다(Bruning et al., 2004). 예를 들어, 주요 삼각 관계(예: 사인, 탄젠트)를 학습할 때 직각삼각형의 변의 비율에 대한 지식을 개발하는 것과 같이 학습할 자료에는 특정 인지 부하(내재적)가 내재되어 있습니다. 자료가 가르쳐지는 방식은 외재적 인지 부하에 영향을 미칩니다. 명확한 프레젠테이션을 제공하는 교사는 외재적 인지 부하를 최소화하는 데 도움이 되는 반면, 이러한 개념을 제대로 설명하지 못하는 교사는 외재적 부하를 증가시킵니다.

마찬가지로 Mayer와 Moreno (2003)는 세 가지 유형의 인지적 요구를 구별했습니다. 필수 처리(Essential processing)는 자료를 이해하는 데 필요한 인지 과정을 의미합니다(내재적 부하와 유사). 부수적 처리(Incidental processing)는 학습에 필요하지 않지만 이해도를 높이는 데 도움이 될 수 있는 처리를 의미합니다. 표상 유지(Representational holding)는 다른 정보가 처리되는 동안 정보를 일시적으로 기억 속에 유지하는 것을 의미합니다. Mayer와 Moreno는 학습자가 필수 처리에 자원을 집중하고 다른 유형에는 자원을 거의 또는 전혀 집중하지 않을 때 학습이 가장 잘 진행된다고 제안했습니다.

핵심 아이디어는 교수 방법이 불필요한 외적 인지 부하를 줄여 기존 자원을 학습에 투입할 수 있도록 해야 한다는 것입니다(van Merriënboer & Sweller, 2005). 스캐폴딩 사용은 유익해야 합니다(van Merriënboer, Kirschner, & Kester, 2003). 처음에는 스캐폴드가 학습자가 도움 없이 습득하기 어려울 기술을 습득하는 데 도움이 됩니다. 스캐폴딩은 외적 부하를 최소화하여 학습자가 학습의 내적 요구에 자원을 집중할 수 있도록 도와줍니다. 학습자가 정보를 처리하기 위한 스키마를 개발함에 따라 스캐폴드 지원은 단계적으로 폐지될 수 있습니다.

또 다른 제안은 Gagné의 이론에 따라 자료의 단순-복잡 순서를 사용하는 것입니다(van Merriënboer et al., 2003). 복잡한 학습은 단순한 부분으로 나뉘어 습득되고 더 큰 순서로 결합됩니다. 이 절차는 인지 부하를 최소화하므로 학습자는 당면한 학습에 인지 자원을 집중할 수 있습니다.

세 번째 제안은 교육에서 실제적인 과제를 사용하는 것입니다. 예를 들어, Reigeluth (1999)의 정교화 이론은 과제 수행을 단순화하는 조건을 식별한 다음 간단하지만 실제적인 사례(예: 실제 세계에서 발생할 수 있는 사례)로 교육을 시작해야 합니다. 실제 세계에서 의미가 있는 과제는 학습자가 컨텍스트를 이해하기 위해 불필요한 처리를 수행할 필요가 없기 때문에 외적 부하를 최소화하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 학생들이 학교 깃대에서 40피트 떨어진 지점과 깃대 상단을 연결하여 형성된 각도의 사인을 결정하는 것이 교과서에서 비슷한 삼각 문제를 해결하는 것보다 더 의미가 있습니다.

이러한 고려 사항은 공동 학습의 사용을 시사하기도 합니다. 인지 부하가 증가함에 따라 개인의 학습은 덜 효과적이고 효율적이 됩니다(Kirschner, Paas, & Kirschner, 2009). 과제 복잡성이 커짐에 따라 개인 간에 인지 처리 요구를 나누면 개별 학생의 인지 부하가 줄어듭니다. 이러한 아이디어는 동료 협업에 대한 구성주의적 강조와 잘 어울립니다.

정보 처리 이론은 주의 집중, 지각, 부호화, 저장 및 지식 검색에 중점을 둡니다. 정보 처리는 통신, 컴퓨터 기술 및 신경 과학의 발전으로 인해 영향을 받았습니다.

현대 정보 처리 관점에 대한 중요한 역사적 영향은 게슈탈트 심리학과 언어 학습입니다. 게슈탈트 이론가들은 지각과 학습에서 조직의 역할을 강조했습니다. 언어 학습 연구자들은 연속 학습, 자유 회상 및 연상 과제를 사용했습니다. 언어 학습 연구에서 많은 중요한 결과가 얻어졌습니다. 자유 회상 연구에 따르면 조직은 회상을 향상시키고 사람들은 조직이 없을 때 자체 조직을 부과합니다. 주요 기여 중 하나는 간섭 및 망각에 대한 연구였습니다.

이중 저장소(이중) 기억 모델이 널리 적용되었습니다. 정보는 감각 등록기를 통해 들어옵니다. 각 감각에 대한 등록기가 있지만 대부분의 연구는 시각 및 청각 등록기에 대해 수행되었습니다. 어느 한 시점에서 제한된 양의 정보만 주의를 기울일 수 있습니다. 주의는 인간 시스템의 용량에 대한 필터 또는 일반적인 제한으로 작용할 수 있습니다. 주의를 기울인 입력은 LTM의 정보와 비교하여 인식됩니다.

정보는 STM(WM)에 들어가 리허설을 통해 유지되고 LTM의 관련 정보와 연결됩니다. 정보는 LTM에 저장하기 위해 부호화될 수 있습니다. 부호화는 조직, 정교화, 의미 및 스키마와의 연결을 통해 촉진됩니다. LTM은 내용별로 구성되며 정보는 관련 내용과 상호 참조됩니다. 제어 프로세스는 시스템을 통한 정보 흐름을 모니터링하고 지시합니다.

기억에 대한 대안적 관점은 처리 수준, 활성화 수준, 연결주의 및 병렬 분산 처리 측면에서 이를 구상합니다. 이러한 각 관점에는 장점과 단점이 있으며 일부 관점의 통합이 기억을 가장 잘 특징지을 수 있습니다.

주의 및 지각 프로세스에는 중요한 기능, 템플릿 및 프로토타입이 포함됩니다. WM은 용량과 지속 시간이 제한되어 있지만 LTM은 매우 큰 것으로 보입니다. 지식의 기본 단위는 명제이며 명제는 네트워크로 구성됩니다. 지식의 유형에는 선언적, 절차적 및 조건적 지식이 포함됩니다. 절차적 지식의 큰 비트는 프로덕션 시스템으로 구성될 수 있습니다. 네트워크는 확산 활성화를 통해 연결주의 방식으로 연결되어 상호 참조 및 전이를 향상시킵니다. 지식 검색은 LTM에서 액세스되는지에 따라 다릅니다. 검색 실패는 정보 감쇠 또는 간섭으로 인해 발생할 수 있습니다. 정보는 부호화 중에 존재하는 단서(부호화 특이성)로 가장 잘 검색될 수 있습니다.

LTM에서 정보의 저장 및 검색을 보여주는 영역은 언어 이해이며, 여기에는 지각, 구문 분석 및 활용이 포함됩니다. 의사 소통은 불완전합니다. 화자는 청취자가 알 것이라고 예상하는 정보를 생략합니다. 효과적인 언어 이해를 위해서는 청취자가 적절한 명제적 지식과 스키마를 보유하고 맥락을 이해해야 합니다. 정보를 기억에 통합하려면 청취자는 주어진 정보를 식별하고 LTM에서 액세스하고 새로운 정보를 관련시켜야 합니다. 언어 이해는 문해력의 핵심 측면이며 특히 광범위한 읽기가 필요한 과목에서 학업적 성공과 밀접한 관련이 있습니다.

정보가 언어적 형태(의미)로 기억에 저장된다는 많은 증거가 있지만 이미지 저장에 대한 증거도 있습니다. 이미지는 아날로그 표현입니다. 이미지는 참조 대상과 유사하지만 동일하지 않습니다. 이중 코드 이론은 이미지 시스템이 주로 구체적인 객체와 이벤트를 저장하고 언어 시스템이 언어로 표현된 더 추상적인 정보를 저장한다고 가정합니다. 반대로 이미지는 LTM에 저장된 언어 코드로 WM에서 재구성될 수 있습니다. 발달적 증거에 따르면 어린이는 성인보다 지식을 이미지로 나타낼 가능성이 높지만 이미지 표현은 모든 연령의 사람들에게서 개발될 수 있습니다.

정보 처리에 대한 초기 연구의 대부분은 기본적이며 실험실에서 수행되었지만 연구자들은 점점 더 응용 환경에서, 특히 학업 내용 학습에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 정보 처리 원리를 반영하는 세 가지 교육적 응용 프로그램에는 고급 조직자, 학습 조건 및 인지 부하가 포함됩니다.