Інформаційно-процесуальна теорія: Застосування в навчанні

Принципи обробки інформації все частіше застосовуються в умовах шкільного навчання. Актуальність теорії для освіти продовжуватиме розширюватися з подальшими дослідженнями. Три навчальні застосування, які відображають принципи обробки інформації, це попередні організатори, умови навчання та когнітивне навантаження.

Організатори попереднього навчання – це широкі твердження, представлені на початку уроків, які допомагають пов’язати новий матеріал із попереднім навчанням (Mayer, 1984). Організатори спрямовують увагу учнів на важливі поняття, які потрібно вивчити, підкреслюють взаємозв’язки між ідеями та пов’язують новий матеріал із тим, що знають учні (Faw & Waller, 1976). Організаторами також можуть бути карти, які показуються разом із супровідним текстом (Verdi & Kulhavy, 2002). Передбачається, що когнітивні структури учнів організовані ієрархічно, так що всеосяжні поняття включають підпорядковані. Організатори надають інформацію на високих рівнях в ієрархіях.

Концептуальна основа організаторів походить з теорії змістовного рецептивного навчання Ausubel (1963, 1968, 1977, 1978; Ausubel & Robinson, 1969). Навчання є змістовним, коли новий матеріал має систематичний зв’язок із відповідними концепціями в довготривалій пам’яті (ДТП); тобто новий матеріал розширює, змінює або розробляє інформацію в пам’яті. Змістовність також залежить від особистих змінних, таких як вік, попередній досвід, соціально-економічний статус та освітній рівень. Попередній досвід визначає, чи вважають студенти навчання змістовним.

Ausubel виступав за дедуктивне навчання: спочатку викладаються загальні ідеї, а потім конкретні моменти. Це вимагає від вчителів допомогти учням розбити ідеї на менші, пов’язані моменти та пов’язати нові ідеї з подібним змістом у пам’яті. З точки зору обробки інформації, цілями моделі є розширення пропозиційних мереж у ДТП шляхом додавання знань та встановлення зв’язків між мережами. Дедуктивне навчання краще працює зі старшими учнями (Luiten, Ames, & Ackerson, 1980).

Організатори попереднього навчання готують ґрунт для змістовного рецептивного навчання. Організатори можуть бути експозиційними або порівняльними. Експозиційні організатори надають студентам нові знання, необхідні для розуміння уроку. Експозиційні організатори включають визначення понять та узагальнення. Визначення понять визначають концепцію, надординатну концепцію та характеристики концепції. Представляючи концепцію «теплокровна тварина», вчитель може визначити її (тобто тварина, внутрішня температура тіла якої залишається відносно постійною), пов’язати її з надординатними концепціями (царство тварин) та навести її характеристики (птахи, ссавці). Узагальнення – це широкі твердження загальних принципів, з яких виводяться гіпотези або конкретні ідеї. Узагальнення, відповідне для вивчення місцевості, було б таким: «Менше рослинності росте на більших висотах». Вчителі можуть наводити приклади узагальнень і просити учнів придумати інші.

Порівняльні організатори представляють новий матеріал, проводячи аналогії зі знайомим матеріалом. Порівняльні організатори активують і пов’язують мережі в ДТП. Якщо вчитель давав би розділ про кровоносну систему тіла студентам, які вивчали системи зв’язку, вчитель міг би пов’язати кровоносну систему і системи зв’язку з відповідними поняттями, такими як джерело, середовище і ціль. Щоб порівняльні організатори були ефективними, студенти повинні добре розуміти матеріал, який використовується як основа для аналогії. Учні також повинні легко сприймати аналогію. Труднощі з сприйняттям аналогічних відносин перешкоджають навчанню.

Докази свідчать про те, що організатори сприяють навчанню та перенесенню (Ausubel, 1978; Faw & Waller, 1976; Mautone & Mayer, 2007). Карти є ефективними організаторами і добре піддаються впровадженню в уроки за допомогою технологій (Verdi & Kulhavy, 2002). Mayer (1979) повідомив про дослідження зі студентами коледжу, які не мали досвіду програмування на комп’ютері. Студентам було надано навчальні матеріали з програмування для вивчення; одній групі було надано концептуальну модель як організатор, а іншій групі було надано ті самі матеріали без моделі. Група з організатором попереднього навчання краще виконала завдання на посттесті, що вимагали перенесення на елементи, відмінні від тих, що обговорювалися в навчальному матеріалі. Організатори можуть допомогти студентам пов’язати новий матеріал з більш широким колом досвіду, що полегшує перенесення.

Одну з найвідоміших теорій навчання, засновану на когнітивних принципах, сформулював Роберт Ґаньє (1985). Ця теорія охоплює умови навчання, або обставини, які переважають, коли відбувається навчання (Ertmer, Driscoll, & Wager, 2003). Важливими є два кроки. Перший - це визначити тип результату навчання; Ґаньє визначив п’ять основних типів (розглянутих далі). Другий - визначити події навчання, або фактори, які мають значення в навчанні.

Результати навчання

Ґаньє (1984) визначив п’ять типів результатів навчання: інтелектуальні навички, вербальна інформація, когнітивні стратегії, моторні навички та ставлення (Таблиця «Результати навчання в теорії Ґаньє»).

Інтелектуальні навички включають правила, процедури та концепції. Вони є формами процедурних знань або виробництва. Цей тип знань використовується під час говоріння, письма, читання, розв’язування математичних задач і застосування наукових принципів до проблем.

Вербальна інформація, або декларативні знання, - це знання про те, що щось є. Вербальна інформація включає факти або змістовно пов’язану прозу, відтворену дослівно (наприклад, слова вірша або «Зоряно-смугастий прапор»). Схеми є формами вербальної інформації.

Когнітивні стратегії - це процеси виконавчого контролю. Вони включають навички обробки інформації, такі як звертання уваги на нову інформацію, прийняття рішення про повторення інформації, розробка, використання стратегій пошуку в ДТП і застосування стратегій розв’язання проблем.

Моторні навички розвиваються завдяки поступовому поліпшенню якості (плавності, узгодженості в часі) рухів, досягнутому завдяки практиці. Тоді як інтелектуальні навички можна набути раптово, моторні навички розвиваються поступово завдяки постійній, цілеспрямованій практиці (Ericsson et al., 1993). Умови практики різняться: інтелектуальні навички практикують на різних прикладах; практика моторних навичок передбачає повторення одних і тих самих м’язових рухів.

Ставлення - це внутрішні переконання, які впливають на дії та відображають такі характеристики, як щедрість, чесність і відданість здоровому способу життя. Вчителі можуть створювати умови для навчання інтелектуальних навичок, вербальної інформації, когнітивних стратегій і моторних навичок, але ставлення засвоюється опосередковано через досвід і знайомство з живими та символічними (телевізійними, відеозаписами) моделями.

Навчальні події

П’ять типів результатів навчання відрізняються за своїми умовами. Внутрішні умови - це необхідні навички та вимоги до когнітивної обробки; зовнішні умови - це подразники навколишнього середовища, які підтримують когнітивні процеси учня. Необхідно якомога повніше визначити обидва типи умов при розробці навчання.

Внутрішні умови - це поточні можливості учнів, що зберігаються в ДТП у вигляді знань. Інструкційні сигнали від вчителів і матеріалів активують відповідні знання з ДТП (Ґаньє & Ґлейзер, 1987). Зовнішні умови різняться залежно від результату навчання та внутрішніх умов. Щоб навчити учнів правилу в класі, вчитель може повідомити їм про правило і візуально відобразити його. Щоб навчити учнів стратегії перевірки їхнього розуміння, вчитель може продемонструвати стратегію і дати учням практику та зворотний зв’язок щодо її ефективності. Досвідчені читачі отримують інші інструкції, ніж ті, хто має проблеми з декодуванням. Кожен етап навчання може бути змінений залежно від результатів навчання та внутрішніх умов.

Ієрархії навчання

Ієрархії навчання - це організовані набори інтелектуальних навичок. Найвищим елементом в ієрархії є цільова навичка. Щоб розробити ієрархію, починають зверху і запитують, які навички учень повинен виконати перед тим, як вивчити цільову навичку, або які навички є безпосередніми передумовами для цільової навички. Потім ставлять те саме питання для кожної необхідної навички, продовжуючи вниз по ієрархії, поки не дійдуть до навичок, які учень може виконувати зараз (Дік & Кері, 1985; Меррілл, 1987).

Ієрархії не є лінійним впорядкуванням навичок. Часто потрібно застосовувати дві або більше необхідних навичок, щоб вивчити навичку вищого порядку, причому жодна з необхідних навичок не залежить від іншої. Навички вищого порядку також не обов’язково складніше вивчити, ніж навички нижчого порядку. Деякі необхідні навички може бути важко набути; після того, як учні опанували навички нижчого порядку, вивчення навички вищого порядку може здатися легшим.

Фази навчання

Навчання - це набір зовнішніх подій, розроблених для полегшення внутрішніх процесів навчання. У таблиці «Фази навчання за Ґаньє» показано дев’ять фаз навчання, згрупованих у три категорії (Ґаньє, 1985).

Підготовка до навчання включає вступні навчальні заходи. Під час зосередження уваги учні зосереджуються на стимулах, що стосуються матеріалу, який потрібно вивчити (аудіовізуальні засоби, письмові матеріали, поведінка, змодельована вчителем). Очікування учня орієнтує учня на мету (вивчити рухову навичку, навчитися скорочувати дроби). Під час відтворення відповідної інформації з ДТП учні активують частини, що стосуються вивченої теми (Ґаньє & Дік, 1983).

Основними фазами навчання є набуття та виконання. Вибіркове сприйняття означає, що сенсорні регістри розпізнають відповідні ознаки стимулу і передають їх до ОП. Семантичне кодування - це процес, за допомогою якого нові знання передаються до ДТП. Під час відтворення та реагування учні відтворюють нову інформацію з пам’яті та дають відповідь, що демонструє навчання. Підкріплення - це зворотний зв’язок, який підтверджує точність відповіді учня і надає виправляючу інформацію за потреби.

Фази перенесення навчання включають сигналізацію відтворення та узагальнюваність. Під час сигналізації відтворення учні отримують сигнали, які вказують на те, що попередні знання застосовні в даній ситуації. Наприклад, під час розв’язування текстових задач вчитель математики може повідомити учням, що їхні знання про прямокутні трикутники є застосовними. Узагальнюваність посилюється, надаючи учням можливість практикувати навички з різним змістом і за різних обставин (наприклад, домашнє завдання, сеанси повторення через певні проміжки часу).

Ці дев’ять фаз однаково застосовні до п’яти типів результатів навчання. Ґаньє і Бріггс (1979) визначили типи навчальних подій, які можуть супроводжувати кожну фазу (Таблиця «Навчальні події, що супроводжують фази навчання (Ґаньє)»). Навчальні події, що посилюють кожну фазу, залежать від типу результату. Навчання інтелектуальних навичок відбувається інакше, ніж навчання вербальної інформації.

Одна з проблем полягає в тому, що розробка ієрархій навчання може бути складною і займати багато часу. Цей процес вимагає експертних знань у предметній області для визначення послідовних необхідних навичок - обсягу та послідовності навчання. Навіть, здавалося б, проста навичка може мати складну ієрархію, якщо учні повинні опанувати кілька необхідних навичок. Для тих навичок, які мають менш чітко визначену структуру (наприклад, творче письмо), розробка ієрархії може бути складною. Інша проблема полягає в тому, що система передбачає незначний контроль з боку учнів, оскільки вона визначає, як учні повинні діяти. Незважаючи на ці проблеми, теорія пропонує обґрунтовані пропозиції щодо способів застосування принципів обробки інформації до розробки навчання (Ertmer et al., 2003).

Система обробки інформації може обробляти лише обмежену кількість інформації одночасно. Якщо надто багато стимулів впливають одночасно, спостерігачі пропустять багато з них через обмеженість їхньої уваги. Обсяг робочої пам'яті (РП) обмежений. Оскільки обробка інформації потребує часу та включає кілька когнітивних процесів, у будь-який момент часу лише обмежена кількість інформації може утримуватися в РП, передаватися в довготривалу пам'ять (ДТП), повторюватися тощо.

Теорія когнітивного навантаження враховує ці обмеження обробки при розробці навчання (DeLeeuw & Mayer, 2008; Schnotz & Kürschner, 2007; Sweller, van Merriënboer, & Pass, 1998). Когнітивне навантаження, або вимоги до системи обробки інформації, може бути двох типів. Внутрішнє когнітивне навантаження залежить від незмінних властивостей інформації, яку потрібно вивчити, і полегшується лише тоді, коли учні набувають ефективної когнітивної схеми для роботи з інформацією. Зовнішнє когнітивне навантаження викликане способом подання матеріалу або діяльністю, яка вимагається від учня (Bruning et al., 2004). Наприклад, при вивченні ключових тригонометричних співвідношень (наприклад, синус, тангенс), певне когнітивне навантаження (внутрішнє) властиве матеріалу, який потрібно вивчити, а саме, розвиток знань про відношення сторін прямокутного трикутника. Те, як викладається матеріал, впливає на зовнішнє когнітивне навантаження. Вчителі, які дають чіткі презентації, допомагають мінімізувати зовнішнє когнітивне навантаження, тоді як ті, хто погано пояснює ці концепції, збільшують зовнішнє навантаження.

Аналогічно, Mayer і Moreno (2003) розрізняють три типи когнітивних вимог. Основна обробка відноситься до когнітивних процесів, необхідних для розуміння матеріалу (аналогічно внутрішньому навантаженню). Випадкова обробка відноситься до обробки, яка не є необхідною для навчання, але може допомогти збільшити розуміння. Репрезентативне утримання позначає тимчасове утримання інформації в пам'яті, поки обробляється інша інформація. Mayer і Moreno припустили, що навчання відбувається найкраще, коли учні можуть зосередити свої ресурси на основній обробці та мало або зовсім не використовувати ресурси на інші типи.

Ключова ідея полягає в тому, що методи навчання повинні зменшувати зайве когнітивне навантаження, щоб існуючі ресурси можна було присвятити навчанню (van Merriënboer & Sweller, 2005). Використання підтримки має бути корисним (van Merriënboer, Kirschner, & Kester, 2003). Спочатку підтримка допомагає учням набути навичок, які вони навряд чи змогли б набути без допомоги. Підтримка допомагає мінімізувати зовнішнє навантаження, щоб учні могли зосередити свої ресурси на внутрішніх вимогах навчання. У міру того як учні розвивають схему для роботи з інформацією, допомога підтримки може бути поступово припинена.

Інша пропозиція полягає у використанні послідовності матеріалу від простого до складного (van Merriënboer et al., 2003), відповідно до теорії Gagné. Складне навчання розбивається на прості частини, які засвоюються та об'єднуються у більшу послідовність. Ця процедура мінімізує когнітивне навантаження, тому учні можуть зосередити свої когнітивні ресурси на навчанні.

Третя пропозиція полягає у використанні автентичних завдань у навчанні. Теорія розробки Reigeluth (1999), наприклад, вимагає визначення умов, які спрощують виконання завдання, а потім починає навчання з простого, але автентичного випадку (наприклад, того, який може зустрітися в реальному світі). Завдання, які мають реальне значення, допомагають мінімізувати зовнішнє навантаження, оскільки вони не вимагають від учнів займатися сторонньою обробкою, щоб зрозуміти контекст. Наприклад, для студентів більш значущим є визначення синуса кута, утвореного з'єднанням точки, розташованої на відстані 40 футів від шкільного флагштока, з вершиною флагштока, ніж розв'язування порівнянних тригонометричних задач у підручнику.

Ці міркування також передбачають використання спільного навчання. Зі збільшенням когнітивного навантаження навчання окремих осіб стає менш ефективним та продуктивним (Kirschner, Paas, & Kirschner, 2009). Зі збільшенням складності завдання розподіл вимог когнітивної обробки між особами зменшує когнітивне навантаження на окремих студентів. Ці ідеї добре узгоджуються з конструктивістським акцентом на співпраці між однолітками.

Теорії обробки інформації зосереджуються на увазі, сприйнятті, кодуванні, зберіганні та відтворенні знань. На обробку інформації вплинули досягнення в галузі комунікацій, комп'ютерних технологій та нейронауки.

Важливими історичними впливами на сучасні погляди на обробку інформації є гештальтпсихологія та вербальне навчання. Гештальт-теоретики наголошували на ролі організації в сприйнятті та навчанні. Дослідники вербального навчання використовували серійне навчання, вільне відтворення та завдання з парними асоціаціями. З досліджень вербального навчання було отримано ряд важливих висновків. Дослідження вільного відтворення показали, що організація покращує відтворення і що люди нав'язують власну організацію, коли вона відсутня. Одним з основних внесків була робота з інтерференцією та забуванням.

Широко застосовується двоетапна (подвійна) модель пам'яті. Інформація надходить через сенсорні реєстри. Хоча існує реєстр для кожного відчуття, більшість досліджень проводилося над візуальними та слуховими регістрами. У будь-який момент часу можна приділити увагу лише обмеженій кількості інформації. Увага може діяти як фільтр або загальне обмеження пропускної здатності людської системи. Вхідні дані, яким приділяється увага, сприймаються шляхом порівняння з інформацією в довготривалій пам'яті (ДТП).

Інформація надходить до короткочасної пам'яті (робочої пам'яті), де вона зберігається шляхом повторення та пов'язується з відповідною інформацією в ДТП. Інформація може бути закодована для зберігання в ДТП. Кодування полегшується за допомогою організації, розробки, значущості та зв'язків зі схемами. ДТП організована за змістом, і інформація перехресно посилається на пов'язаний зміст. Процеси контролю відстежують і направляють потік інформації через систему.

Альтернативні погляди на пам'ять розглядають її з точки зору рівнів обробки, рівня активації, конекціонізму та паралельної розподіленої обробки. Кожен з цих поглядів має переваги та недоліки, і певне поєднання поглядів може найкраще характеризувати пам'ять.

Процеси уваги та сприйняття включають критичні ознаки, шаблони та прототипи. У той час як робоча пам'ять обмежена за обсягом і тривалістю, ДТП, схоже, дуже велика. Основною одиницею знань є пропозиція, а пропозиції організовані в мережі. Типи знань включають декларативні, процедурні та умовні. Великі обсяги процедурних знань можуть бути організовані у виробничі системи. Мережі, крім того, пов'язані конекціоністським способом через поширення активації для покращення перехресних посилань і передачі. Відтворення знань залежить від доступу до них у ДТП. Невдача у відтворенні може бути результатом згасання інформації або інтерференції. Інформація може найкраще відтворюватися за наявності підказок під час кодування (специфічність кодування).

Областю, яка ілюструє зберігання та відтворення інформації в ДТП, є розуміння мови, яке включає сприйняття, розбір і використання. Повідомлення є неповними; мовці опускають інформацію, яку, як вони очікують, слухачі знатимуть. Ефективне розуміння мови вимагає, щоб слухачі володіли адекватною пропозиційною інформацією та схемами і розуміли контекст. Щоб інтегрувати інформацію в пам'ять, слухачі ідентифікують надану інформацію, отримують до неї доступ у ДТП і пов'язують з нею нову інформацію. Розуміння мови є центральним аспектом грамотності та тісно пов'язане з академічними успіхами: особливо в предметах, які вимагають великого обсягу читання.

Хоча існує багато доказів того, що інформація зберігається в пам'яті у вербальній формі (значення), існують також докази зберігання образів. Зображення є аналоговими представленнями: вони подібні, але не ідентичні своїм референтам. Теорія подвійного кодування постулює, що система образів в основному зберігає конкретні об'єкти та події, а вербальна система зберігає більш абстрактну інформацію, виражену мовою. І навпаки, образи можуть бути реконструйовані в робочій пам'яті з вербальних кодів, що зберігаються в ДТП. Розвиваючі докази показують, що діти частіше, ніж дорослі, представляють знання як образи, але уявленнєве представлення може бути розвинене в осіб будь-якого віку.

Хоча більшість ранніх досліджень з обробки інформації були фундаментальними за своєю природою і проводилися в експериментальних лабораторіях, дослідники все частіше проводять дослідження в прикладних умовах і особливо щодо вивчення академічного змісту. Три навчальні застосування, які відображають принципи обробки інформації, включають попередні організатори, умови навчання та когнітивне навантаження.