Teoria Przetwarzania Informacji: Zastosowania Instruktażowe | Optymalizacja Nauki

Zasady przetwarzania informacji są w coraz większym stopniu stosowane w szkolnych warunkach uczenia się. Znaczenie teorii dla edukacji będzie się nadal rozszerzać wraz z przyszłymi badaniami. Trzy zastosowania instruktażowe, które odzwierciedlają zasady przetwarzania informacji, to organizatory wstępne, warunki uczenia się i obciążenie poznawcze.

Organizatory wstępne to ogólne stwierdzenia przedstawiane na początku lekcji, które pomagają łączyć nowy materiał z wcześniejszą wiedzą (Mayer, 1984). Organizatory kierują uwagę uczniów na ważne koncepcje do nauczenia, podkreślają relacje między ideami i łączą nowy materiał z tym, co uczniowie już wiedzą (Faw & Waller, 1976). Organizatory mogą być również mapami wyświetlanymi wraz z tekstem (Verdi & Kulhavy, 2002). Zakłada się, że struktury poznawcze uczniów są zorganizowane hierarchicznie, tak że nadrzędne koncepcje zawierają w sobie podrzędne. Organizatory dostarczają informacji na wysokich poziomach hierarchii.

Podstawy koncepcyjne organizatorów wywodzą się z teorii sensownego uczenia się przez odbiór Ausubela (1963, 1968, 1977, 1978; Ausubel & Robinson, 1969). Uczenie się jest sensowne, gdy nowy materiał wykazuje systematyczny związek z odpowiednimi koncepcjami w długotrwałej pamięci (LTM); to znaczy, nowy materiał rozszerza, modyfikuje lub rozwija informacje w pamięci. Sensowność zależy również od zmiennych osobistych, takich jak wiek, doświadczenia, status społeczno-ekonomiczny i wykształcenie. Wcześniejsze doświadczenia determinują, czy uczniowie uznają uczenie się za sensowne.

Ausubel opowiadał się za nauczaniem dedukcyjnym: najpierw uczy się ogólnych idei, a następnie konkretnych punktów. Wymaga to od nauczycieli pomocy uczniom w rozbijaniu idei na mniejsze, powiązane punkty i łączeniu nowych idei z podobną treścią w pamięci. W kategoriach przetwarzania informacji, celem modelu jest rozszerzenie sieci propozycji w LTM poprzez dodawanie wiedzy i ustanowienie połączeń między sieciami. Nauczanie dedukcyjne lepiej sprawdza się u starszych uczniów (Luiten, Ames, & Ackerson, 1980).

Organizatory wstępne przygotowują grunt pod sensowne uczenie się przez odbiór. Organizatory mogą być ekspozycyjne lub porównawcze. Organizatory ekspozycyjne dostarczają uczniom nowej wiedzy potrzebnej do zrozumienia lekcji. Organizatory ekspozycyjne obejmują definicje pojęć i uogólnienia. Definicje pojęć podają pojęcie, pojęcie nadrzędne i cechy pojęcia. Podczas prezentacji pojęcia „zwierzę stałocieplne”, nauczyciel może je zdefiniować (tj. zwierzę, którego wewnętrzna temperatura ciała pozostaje stosunkowo stała), odnieść je do pojęć nadrzędnych (królestwo zwierząt) i podać jego cechy (ptaki, ssaki). Uogólnienia to szerokie stwierdzenia ogólnych zasad, z których wywodzą się hipotezy lub konkretne idee. Uogólnieniem odpowiednim dla studiów terenowych byłoby: „Mniej roślinności rośnie na wyższych wysokościach”. Nauczyciele mogą przedstawiać przykłady uogólnień i prosić uczniów o wymyślenie innych.

Organizatory porównawcze wprowadzają nowy materiał, rysując analogie ze znanym materiałem. Organizatory porównawcze aktywują i łączą sieci w LTM. Jeśli nauczyciel prowadziłby dział o układzie krążenia ciała dla uczniów, którzy studiowali systemy komunikacji, nauczyciel mógłby powiązać układy krążenia i komunikacji z odpowiednimi koncepcjami, takimi jak źródło, medium i cel. Aby organizatory porównawcze były skuteczne, uczniowie muszą dobrze rozumieć materiał używany jako podstawa analogii. Uczniowie muszą również łatwo postrzegać analogię. Trudność w postrzeganiu analogicznych relacji utrudnia uczenie się.

Dowody sugerują, że organizatory promują uczenie się i transfer (Ausubel, 1978; Faw & Waller, 1976; Mautone & Mayer, 2007). Mapy są skutecznymi organizatorami i dobrze nadają się do włączania do lekcji za pomocą technologii (Verdi & Kulhavy, 2002). Mayer (1979) opublikował badania z udziałem studentów college'u, którzy nie mieli doświadczenia w programowaniu komputerowym. Uczniowie otrzymali materiały do programowania do przestudiowania; jedna grupa otrzymała model koncepcyjny jako organizator, podczas gdy druga grupa otrzymała te same materiały bez modelu. Grupa z organizatorem wstępnym osiągnęła lepsze wyniki w testach sprawdzających transfer do elementów innych niż te omówione w materiale instruktażowym. Organizatory mogą pomóc uczniom w powiązaniu nowego materiału z szerszym zakresem doświadczeń, co ułatwia transfer.

Jedna z najbardziej znanych teorii nauczania opartych na zasadach kognitywnych została sformułowana przez Roberta Gagné (1985). Teoria ta dotyczy warunków uczenia się, czyli okoliczności, które panują w momencie uczenia się (Ertmer, Driscoll, & Wager, 2003). Kluczowe są dwa kroki. Pierwszym jest określenie rodzaju wyniku uczenia się; Gagné zidentyfikował pięć głównych typów (omówionych później). Drugim jest określenie zdarzeń uczenia się, czyli czynników, które mają znaczenie w nauczaniu.

Wyniki uczenia się

Gagné (1984) zidentyfikował pięć typów wyników uczenia się: umiejętności intelektualne, informacje werbalne, strategie poznawcze, umiejętności motoryczne i postawy (Tabela „Wyniki uczenia się w teorii Gagnégo.”).

Umiejętności intelektualne obejmują zasady, procedury i pojęcia. Są one formami wiedzy proceduralnej lub produkcjami. Ten rodzaj wiedzy jest wykorzystywany w mówieniu, pisaniu, czytaniu, rozwiązywaniu problemów matematycznych i stosowaniu zasad naukowych do problemów.

Informacje werbalne, czyli wiedza deklaratywna, to wiedza o tym, że coś ma miejsce. Informacje werbalne obejmują fakty lub znacząco połączoną prozę przypominaną dosłownie (np. słowa wiersza lub „Gwiaździstego Sztandaru”). Schematy są formami informacji werbalnych.

Strategie poznawcze to procesy kontroli wykonawczej. Obejmują one umiejętności przetwarzania informacji, takie jak zwracanie uwagi na nowe informacje, decydowanie o powtarzaniu informacji, elaboracja, stosowanie strategii wydobywania z pamięci długotrwałej (LTM) oraz stosowanie strategii rozwiązywania problemów.

Umiejętności motoryczne rozwijane są poprzez stopniową poprawę jakości (płynności, synchronizacji) ruchów osiąganą dzięki praktyce. Podczas gdy umiejętności intelektualne można nabyć nagle, umiejętności motoryczne rozwijają się stopniowo w wyniku ciągłej, świadomej praktyki (Ericsson i in., 1993). Warunki praktyki różnią się: umiejętności intelektualne ćwiczy się na różnych przykładach; praktyka umiejętności motorycznych polega na powtarzaniu tych samych ruchów mięśniowych.

Postawy to wewnętrzne przekonania, które wpływają na działania i odzwierciedlają cechy takie jak hojność, uczciwość i zaangażowanie w zdrowy tryb życia. Nauczyciele mogą stwarzać warunki do nauki umiejętności intelektualnych, informacji werbalnych, strategii poznawczych i umiejętności motorycznych, ale postawy są nabywane pośrednio poprzez doświadczenia i kontakt z modelami na żywo i symbolicznymi (telewizyjnymi, nagranymi na wideo).

Zdarzenia uczenia się

Pięć typów wyników uczenia się różni się pod względem warunków. Warunki wewnętrzne to wymagane umiejętności wstępne i wymogi przetwarzania poznawczego; warunki zewnętrzne to bodźce środowiskowe, które wspierają procesy poznawcze ucznia. Projektując nauczanie, należy jak najdokładniej określić oba rodzaje warunków.

Warunki wewnętrzne to aktualne zdolności ucznia przechowywane w pamięci długotrwałej (LTM) jako wiedza. Wskazówki instruktażowe od nauczycieli i materiałów aktywują odpowiednią wiedzę z LTM (Gagné & Glaser, 1987). Warunki zewnętrzne różnią się w zależności od wyniku uczenia się i warunków wewnętrznych. Aby nauczyć uczniów zasady obowiązującej w klasie, nauczyciel może ich o niej poinformować i zaprezentować ją wizualnie. Aby nauczyć uczniów strategii sprawdzania rozumienia, nauczyciel może zademonstrować strategię i zapewnić uczniom praktykę oraz informację zwrotną na temat jej skuteczności. Biegli czytelnicy są nauczani inaczej niż ci z problemami w dekodowaniu. Każda faza nauczania podlega modyfikacji w zależności od wyników uczenia się i warunków wewnętrznych.

Hierarchie uczenia się

Hierarchie uczenia się to zorganizowane zestawy umiejętności intelektualnych. Najwyższym elementem w hierarchii jest umiejętność docelowa. Aby opracować hierarchię, zaczyna się od góry i zadaje pytanie, jakie umiejętności uczeń musi opanować przed nauką umiejętności docelowej lub jakie umiejętności są jej bezpośrednimi warunkami wstępnymi. Następnie zadaje się to samo pytanie dla każdej umiejętności wstępnej, schodząc w dół hierarchii, aż dojdzie się do umiejętności, które uczeń potrafi już wykonać (Dick & Carey, 1985; Merrill, 1987).

Hierarchie nie są liniowymi uporządkowaniami umiejętności. Często trzeba zastosować dwie lub więcej umiejętności wstępnych, aby nauczyć się umiejętności wyższego rzędu, przy czym żadna z umiejętności wstępnych nie jest zależna od drugiej. Umiejętności wyższego rzędu nie są też koniecznie trudniejsze do nauczenia niż umiejętności niższego rzędu. Niektóre umiejętności wstępne mogą być trudne do nabycia; gdy uczniowie opanują umiejętności niższego rzędu, nauka umiejętności wyższego rzędu może wydawać się łatwiejsza.

Fazy uczenia się

Nauczanie to zbiór zewnętrznych zdarzeń mających na celu ułatwienie wewnętrznych procesów uczenia się. Tabela „Fazy uczenia się według Gagnégo” przedstawia dziewięć faz uczenia się pogrupowanych w trzy kategorie (Gagné, 1985).

Przygotowanie do uczenia się obejmuje wstępne działania edukacyjne. Podczas skupiania uwagi uczniowie koncentrują się na bodźcach istotnych dla materiału, który ma być nauczony (materiały audiowizualne, pisemne, zachowania modelowane przez nauczyciela). Oczekiwanie ucznia ukierunkowuje go na cel (nauczenie się umiejętności motorycznej, nauka skracania ułamków). Podczas wydobywania istotnych informacji z pamięci długotrwałej (LTM) uczniowie aktywują fragmenty związane z badanym tematem (Gagné & Dick, 1983).

Główne fazy uczenia się to nabywanie i wykonanie. Selektywna percepcja oznacza, że rejestry sensoryczne rozpoznają istotne cechy bodźca i przekazują je do pamięci roboczej (WM). Kodowanie semantyczne to proces, w którym nowa wiedza jest przenoszona do pamięci długotrwałej (LTM). Podczas wydobywania i reagowania uczniowie odzyskują nowe informacje z pamięci i udzielają odpowiedzi demonstrującej uczenie się. Wzmocnienie odnosi się do informacji zwrotnej, która potwierdza poprawność odpowiedzi ucznia i w razie potrzeby dostarcza informacji korygujących.

Fazy transferu uczenia się obejmują wskazywanie do wydobycia i zdolność do generalizacji. Wskazując do wydobycia, uczniowie otrzymują sygnały, że wcześniejsza wiedza ma zastosowanie w danej sytuacji. Na przykład, podczas rozwiązywania zadań tekstowych, nauczyciel matematyki może poinformować uczniów, że ich wiedza o trójkątach prostokątnych jest przydatna. Zdolność do generalizacji jest wzmacniana poprzez zapewnienie uczniom możliwości ćwiczenia umiejętności z różną treścią i w różnych okolicznościach (np. zadania domowe, sesje powtórkowe w odstępach czasu).

Te dziewięć faz ma jednakowe zastosowanie do pięciu typów wyników uczenia się. Gagné i Briggs (1979) określili typy zdarzeń instruktażowych, które mogą towarzyszyć każdej fazie (Tabela „Zdarzenia instruktażowe towarzyszące fazom uczenia się (Gagné)”). Zdarzenia instruktażowe wzmacniające każdą fazę zależą od typu wyniku. Nauczanie umiejętności intelektualnych przebiega inaczej niż nauczanie informacji werbalnych.

Jednym z problemów jest to, że tworzenie hierarchii uczenia się może być trudne i czasochłonne. Proces ten wymaga wiedzy specjalistycznej w danej dziedzinie, aby określić kolejne umiejętności wstępne — zakres i sekwencję nauczania. Nawet pozornie prosta umiejętność może mieć złożoną hierarchię, jeśli uczniowie muszą opanować kilka warunków wstępnych. Dla tych umiejętności o mniej zdefiniowanych strukturach (np. kreatywne pisanie), opracowanie hierarchii może być trudne. Innym problemem jest to, że system pozwala na niewielką kontrolę ze strony ucznia, ponieważ narzuca sposób postępowania. Mimo tych problemów, teoria oferuje solidne sugestie dotyczące sposobów zastosowania zasad przetwarzania informacji w projektowaniu nauczania (Ertmer i in., 2003).

System przetwarzania informacji może przetwarzać tylko ograniczoną ilość informacji naraz. Jeśli zbyt wiele bodźców oddziałuje jednocześnie, obserwatorzy pominą wiele z nich z powodu ograniczonej pojemności uwagi. Pojemność pamięci roboczej (WM) jest ograniczona. Ponieważ przetwarzanie informacji zajmuje czas i obejmuje wiele procesów poznawczych, w danym momencie w WM może być przechowywana tylko ograniczona ilość informacji, przenoszona do pamięci długotrwałej (LTM), powtarzana itd.

Teoria obciążenia poznawczego uwzględnia te ograniczenia przetwarzania przy projektowaniu instrukcji (DeLeeuw & Mayer, 2008; Schnotz & Kürschner, 2007; Sweller, van Merriënboer, & Pass, 1998). Obciążenie poznawcze, czyli wymagania stawiane systemowi przetwarzania informacji, może być dwojakiego rodzaju. Wewnętrzne obciążenie poznawcze zależy od niezmiennych właściwości informacji, które mają być przyswojone, i jest łagodzone tylko wtedy, gdy uczący się zdobędą skuteczny schemat poznawczy do radzenia sobie z informacjami. Zewnętrzne obciążenie poznawcze jest spowodowane sposobem prezentacji materiału lub działaniami wymaganymi od uczącego się (Bruning et al., 2004). Na przykład, w nauce kluczowych zależności trygonometrycznych (np. sinus, tangens), pewne obciążenie poznawcze (wewnętrzne) jest nieodłącznie związane z materiałem, który ma być przyswojony, a mianowicie rozwijaniem wiedzy na temat stosunków boków trójkąta prostokątnego. Sposób nauczania materiału wpływa na zewnętrzne obciążenie poznawcze. Nauczyciele, którzy prowadzą jasne prezentacje, pomagają zminimalizować zewnętrzne obciążenie poznawcze, podczas gdy ci, którzy słabo wyjaśniają te koncepcje, zwiększają obciążenie zewnętrzne.

Podobnie Mayer i Moreno (2003) wyróżnili trzy rodzaje wymagań poznawczych. Przetwarzanie zasadnicze odnosi się do procesów poznawczych niezbędnych do zrozumienia materiału (podobne do obciążenia wewnętrznego). Przetwarzanie incydentalne odnosi się do przetwarzania, które nie jest konieczne do uczenia się, ale może pomóc w zwiększeniu zrozumienia. Utrzymywanie reprezentacyjne oznacza tymczasowe przechowywanie informacji w pamięci podczas przetwarzania innych informacji. Mayer i Moreno zasugerowali, że uczenie się przebiega najlepiej, gdy uczący się mogą skupić swoje zasoby na przetwarzaniu zasadniczym i poświęcać niewiele lub wcale zasobów na inne rodzaje przetwarzania.

Kluczową ideą jest to, że metody nauczania powinny zmniejszać zbędne obciążenie poznawcze, aby istniejące zasoby mogły być poświęcone na uczenie się (van Merriënboer & Sweller, 2005). Korzystne powinno być stosowanie rusztowania (scaffolding) (van Merriënboer, Kirschner, & Kester, 2003). Początkowo rusztowanie pomaga uczącym się zdobyć umiejętności, których prawdopodobnie nie byliby w stanie zdobyć bez pomocy. Rusztowanie pomaga zminimalizować obciążenie zewnętrzne, dzięki czemu uczący się mogą skupić swoje zasoby na wewnętrznych wymaganiach uczenia się. W miarę jak uczący się rozwija schemat pracy z informacjami, pomoc rusztowania może być stopniowo wycofywana.

Inną sugestią jest stosowanie sekwencji materiału od prostego do złożonego (van Merriënboer et al., 2003), zgodnie z teorią Gagné. Złożone uczenie się jest dzielone na proste części, które są przyswajane i łączone w większą sekwencję. Ta procedura minimalizuje obciążenie poznawcze, dzięki czemu uczący się mogą skupić swoje zasoby poznawcze na uczeniu się, które mają pod ręką.

Trzecią sugestią jest wykorzystanie autentycznych zadań w nauczaniu. Teoria elaboracji Reigelutha (1999), na przykład, wymaga identyfikacji warunków, które upraszczają wykonanie zadania, a następnie rozpoczęcia nauczania od prostego, ale autentycznego przypadku (np. takiego, który może wystąpić w rzeczywistym świecie). Zadania, które mają znaczenie w świecie rzeczywistym, pomagają zminimalizować obciążenie zewnętrzne, ponieważ nie wymagają od uczących się angażowania się w zbędne przetwarzanie, aby zrozumieć kontekst. Bardziej sensowne jest na przykład, aby uczniowie określili sinus kąta utworzonego przez połączenie punktu oddalonego o 40 stóp od szkolnego masztu flagowego z wierzchołkiem masztu, niż rozwiązywanie porównywalnych problemów trygonometrycznych w podręczniku.

Te rozważania sugerują również wykorzystanie uczenia się w oparciu o współpracę. Wraz ze wzrostem obciążenia poznawczego uczenie się przez jednostki staje się mniej skuteczne i wydajne (Kirschner, Paas, & Kirschner, 2009). Wraz ze wzrostem złożoności zadania, podział wymagań przetwarzania poznawczego między osoby zmniejsza obciążenie poznawcze poszczególnych uczniów. Te idee dobrze pasują do konstruktywistycznego nacisku na współpracę rówieśniczą.

Teorie przetwarzania informacji koncentrują się na uwadze, percepcji, kodowaniu, przechowywaniu i odzyskiwaniu wiedzy. Na przetwarzanie informacji wpłynęły postępy w komunikacji, technologii komputerowej i neuronauce.

Ważnymi historycznymi wpływami na współczesne poglądy na przetwarzanie informacji są psychologia Gestalt i uczenie się werbalne. Teoretycy Gestalt podkreślali rolę organizacji w percepcji i uczeniu się. Badacze uczenia się werbalnego stosowali uczenie się szeregowe, swobodne przypominanie i zadania kojarzenia w pary. Z badań nad uczeniem się werbalnym uzyskano szereg ważnych odkryć. Badania nad swobodnym przypominaniem wykazały, że organizacja poprawia przypominanie i że ludzie narzucają własną organizację, gdy żadna nie jest obecna. Jednym z głównych wkładów była praca nad interferencją i zapominaniem.

Szeroko stosowany jest model pamięci dwuskładnikowej (dualnej). Informacje wchodzą przez rejestry sensoryczne. Chociaż istnieje rejestr dla każdego zmysłu, większość badań przeprowadzono na rejestrach wzrokowych i słuchowych. W danym momencie można poświęcić uwagę tylko ograniczonej ilości informacji. Uwaga może działać jako filtr lub ogólne ograniczenie zdolności systemu człowieka. Dane wejściowe, na które zwrócono uwagę, są postrzegane poprzez porównanie z informacjami w Długotrwałej Pamięci (LTM).

Informacje wchodzą do Krótkotrwałej Pamięci (STM) (Pamięci Roboczej - WM), gdzie są zatrzymywane poprzez powtarzanie i powiązane z powiązanymi informacjami w LTM. Informacje mogą być kodowane do przechowywania w LTM. Kodowanie jest ułatwione poprzez organizację, elaborację, znaczenie i powiązania ze schematami. LTM jest zorganizowana według treści, a informacje są wzajemnie odniesione do powiązanych treści. Procesy kontrolne monitorują i kierują przepływem informacji przez system.

Alternatywne poglądy na pamięć postrzegają ją w kategoriach poziomów przetwarzania, poziomu aktywacji, koneksjonizmu i równoległego przetwarzania rozproszonego. Każdy z tych poglądów ma zalety i wady, a pewna integracja poglądów może najlepiej charakteryzować pamięć.

Procesy uwagi i percepcji obejmują cechy krytyczne, szablony i prototypy. Podczas gdy WM ma ograniczoną pojemność i czas trwania, LTM wydaje się być bardzo duża. Podstawową jednostką wiedzy jest propozycja, a propozycje są zorganizowane w sieci. Rodzaje wiedzy obejmują wiedzę deklaratywną, proceduralną i warunkową. Duże fragmenty wiedzy proceduralnej mogą być zorganizowane w systemy produkcyjne. Sieci są dodatkowo połączone w sposób koneksjonistyczny poprzez rozprzestrzeniającą się aktywację, aby wzmocnić wzajemne odniesienia i transfer. Odzyskiwanie wiedzy zależy od jej dostępu w LTM. Brak odzyskania może wynikać z zaniku informacji lub interferencji. Informacje mogą być najlepiej odzyskiwane za pomocą wskazówek obecnych podczas kodowania (specyficzność kodowania).

Obszarem, który ilustruje przechowywanie i odzyskiwanie informacji w LTM, jest rozumienie języka, które obejmuje percepcję, analizę składniową i wykorzystanie. Komunikaty są niekompletne; mówcy pomijają informacje, których oczekują, że słuchacze będą znać. Skuteczne rozumienie języka wymaga, aby słuchacze posiadali odpowiednią wiedzę propozycjonalną i schematy oraz rozumieli kontekst. Aby zintegrować informacje z pamięcią, słuchacze identyfikują dane informacje, uzyskują do nich dostęp w LTM i odnoszą do nich nowe informacje. Rozumienie języka jest centralnym aspektem umiejętności czytania i pisania i silnie wiąże się z sukcesem akademickim: zwłaszcza w przedmiotach, które wymagają rozległego czytania.

Chociaż istnieje wiele dowodów na to, że informacje są przechowywane w pamięci w formie werbalnej (znaczenia), istnieją również dowody na przechowywanie obrazów. Obrazy są reprezentacjami analogowymi: są podobne, ale nie identyczne z ich odniesieniami. Teoria podwójnego kodowania postuluje, że system wyobrażeniowy przechowuje głównie konkretne obiekty i zdarzenia, a system werbalny przechowuje bardziej abstrakcyjne informacje wyrażone w języku. I odwrotnie, obrazy mogą być rekonstruowane w WM z kodów werbalnych przechowywanych w LTM. Dowody rozwojowe pokazują, że dzieci częściej niż dorośli reprezentują wiedzę jako obrazy, ale reprezentacja wyobrażeniowa może być rozwinięta u osób w każdym wieku.

Chociaż wiele wczesnych badań nad przetwarzaniem informacji miało charakter podstawowy i było prowadzonych w laboratoriach eksperymentalnych, badacze coraz częściej prowadzą badania w warunkach stosowanych, a zwłaszcza nad uczeniem się treści akademickich. Trzy zastosowania instruktażowe, które odzwierciedlają zasady przetwarzania informacji, obejmują organizatory wstępne, warunki uczenia się i obciążenie poznawcze.