Systém zpracování informací: Teorie a principy

Teoretici zpracování informací zpochybnili myšlenku inherentní v behaviorismu, že učení zahrnuje vytváření asociací mezi podněty a reakcemi. Teoretici zpracování informací neodmítají asociace, protože postulují, že vytváření asociací mezi kousky znalostí napomáhá usnadnění jejich získávání a ukládání do paměti. Tito teoretici se spíše méně zabývají vnějšími podmínkami a více se zaměřují na vnitřní (mentální) procesy, které zasahují mezi podněty a reakce. Učící se jsou aktivními hledači a zpracovateli informací. Na rozdíl od behavioristů, kteří tvrdili, že lidé reagují, když na ně dopadají podněty, teoretici zpracování informací tvrdí, že lidé vybírají a věnují pozornost rysům prostředí, transformují a procvičují informace, vztahují nové informace k předchozím.

Teorie zpracování informací se liší v názorech na to, které kognitivní procesy jsou důležité a jak fungují, ale sdílejí některé společné předpoklady. Jedním z nich je, že zpracování informací probíhá v etapách, které zasahují mezi přijetím podnětu a vytvořením reakce. Z toho vyplývá, že forma informace, nebo jak je mentálně reprezentována, se liší v závislosti na etapě. Etapy se od sebe kvalitativně liší.

Dalším předpokladem je, že zpracování informací je analogické s počítačovým zpracováním, alespoň metaforicky. Lidský systém funguje podobně jako počítač: přijímá informace, ukládá je do paměti a podle potřeby je načítá. Kognitivní zpracování je pozoruhodně efektivní; je zde málo plýtvání nebo překrývání. Vědci se liší v tom, jak daleko tuto analogii rozšiřují. Pro některé není počítačová analogie ničím víc než metaforou. Jiní používají počítače k simulaci lidských aktivit. Obor umělé inteligence se zabývá programováním počítačů, aby se zapojovaly do lidských činností, jako je myšlení, používání jazyka a řešení problémů.

Výzkumníci také předpokládají, že zpracování informací je zapojeno do všech kognitivních aktivit: vnímání, procvičování, myšlení, řešení problémů, zapamatování, zapomínání a představování (Farnham-Diggory, 1992; Matlin, 2009; Mayer, 1996; Shuell, 1986; Terry, 2009). Zpracování informací přesahuje lidské učení, jak je tradičně vymezeno. Tato lekce se zabývá především těmi informačními funkcemi, které jsou nejvíce relevantní pro učení.

Schéma „Model zpracování informací učení a paměti“ ukazuje model zpracování informací, který zahrnuje fáze zpracování. Ačkoli je tento model obecný, úzce koresponduje s klasickým modelem, který navrhli Atkinson a Shiffrin (1968, 1971).

Zpracování informací začíná, když stimulační vstup (např. vizuální, sluchový) dopadá na jeden nebo více smyslů (např. sluch, zrak, hmat). Příslušný senzorický registr přijímá vstup a krátce jej uchovává v senzorické podobě. Zde dochází k vnímání (rozpoznávání vzorů), což je proces přiřazování významu stimulačnímu vstupu. To obvykle nezahrnuje pojmenování, protože pojmenování vyžaduje čas a informace zůstávají v senzorickém registru pouze zlomek sekundy. Vnímání spíše zahrnuje porovnávání vstupu se známými informacemi.

Senzorický registr přenáší informace do krátkodobé paměti (STM). STM je pracovní paměť (WM) a zhruba odpovídá vědomí, tedy tomu, čeho si je člověk v daném okamžiku vědom. Kapacita WM je omezená. Miller (1956) navrhl, že pojme sedm plus minus dvě jednotky informací. Jednotka je smysluplná položka: písmeno, slovo, číslo nebo běžný výraz (např. „chléb a máslo“). WM je také omezena trváním; aby se jednotky udržely v WM, musí být opakovány (procvičovány). Bez procvičování se informace po několika sekundách ztratí.

Zatímco jsou informace v WM, aktivují se související znalosti v dlouhodobé paměti (LTM) neboli trvalé paměti a umisťují se do WM, aby se integrovaly s novými informacemi. Aby studenti vyjmenovali všechna hlavní města států začínající na písmeno A, vybaví si názvy států – možná podle regionu země – a prohledávají názvy jejich hlavních měst. Když se studenti, kteří neznají hlavní město Marylandu, naučí „Annapolis“, mohou si jej uložit s „Maryland“ v LTM.

Je sporné, zda se informace z LTM ztrácejí (tj. zapomínají se). Někteří výzkumníci tvrdí, že tomu tak může být, zatímco jiní tvrdí, že neschopnost si vzpomenout odráží spíše nedostatek dobrých podnětů k vybavení než zapomínání. Pokud si Sára nemůže vzpomenout na jméno své učitelky ze třetí třídy (Mapleton), možná si vzpomene, pokud dostane nápovědu: „Pomysli na stromy.“ Bez ohledu na teoretickou perspektivu se výzkumníci shodují, že informace zůstávají v LTM po dlouhou dobu.

Řídicí (výkonné) procesy regulují tok informací v celém systému zpracování informací. Procvičování je důležitý řídicí proces, který probíhá v WM. U verbálního materiálu má procvičování podobu opakování informací nahlas nebo podvědomě. Mezi další řídicí procesy patří kódování (umísťování informací do smysluplného kontextu – což je problém diskutovaný v úvodním scénáři), představování (vizuální reprezentace informací), implementace rozhodovacích pravidel, organizování informací, sledování úrovně porozumění a používání strategií vybavování, seberegulace a motivačních strategií.

Dvouúrovňový model může vysvětlit mnoho výsledků výzkumu. Jedním z nejkonzistentnějších zjištění výzkumu je, že když se lidé učí seznam položek, mají tendenci si nejlépe vybavit počáteční položky (efekt primárnosti) a poslední položky (efekt novosti), jak je znázorněno na „Křivce sériové pozice ukazující chyby ve vybavení v závislosti na pozici položky“. Podle dvouúrovňového modelu se počáteční položky nejvíce procvičují a přenášejí se do LTM, zatímco poslední položky jsou v době vybavení stále v WM. Prostřední položky jsou vybavovány nejhůře, protože v době vybavení již nejsou v WM (byly vytlačeny následujícími položkami), jsou procvičovány méně než počáteční položky a nejsou správně uloženy v LTM.

Výzkum však naznačuje, že učení může být složitější, než stanoví základní dvouúrovňový model (Baddeley, 1998). Jedním z problémů je, že tento model plně nespecifikuje, jak se informace přesouvají z jednoho úložiště do druhého. Pojem řídicích procesů je sice věrohodný, ale vágní. Mohli bychom se zeptat: Proč některé vstupy postupují ze senzorických registrů do WM a jiné ne? Které mechanismy rozhodují, že informace byla procvičována dostatečně dlouho a přenesou ji do LTM? Jak se informace v LTM vybírají k aktivaci? Další obavou je, že tento model se zdá nejvhodnější pro zpracování verbálního materiálu. Jak probíhá neverbální reprezentace u materiálu, který nelze snadno verbalizovat, jako je moderní umění a dobře zavedené dovednosti, není jasné.

Model je také vágní ohledně toho, co se vlastně učí. Uvažujme o lidech, kteří se učí seznamy slov. S nesmyslnými slabikami se musí naučit samotná slova a pozice, ve kterých se objevují. Když už slova znají, musí se naučit pouze pozice; například „kočka“ se objeví na čtvrté pozici, následuje „strom“. Lidé musí brát v úvahu svůj účel učení a podle toho upravovat strategie učení. Jaký mechanismus tyto procesy řídí?

Otázkou je také, zda se všechny komponenty systému používají neustále. WM je užitečná, když lidé získávají znalosti a potřebují propojit příchozí informace se znalostmi v LTM. Ale mnoho věcí děláme automaticky: oblékáme se, chodíme, jezdíme na kole, reagujeme na jednoduché požadavky (např. „Kolik je hodin?“). Pro mnoho dospělých je čtení (dekódování) a jednoduché aritmetické výpočty automatické procesy, které kladou malé nároky na kognitivní procesy. Takové automatické zpracování nemusí vyžadovat provoz WM. Jak se automatické zpracování vyvíjí a jaké mechanismy jej řídí?

Tyto a další otázky, které dvouúrovňový model dobře neřeší (např. role motivace v učení a rozvoj seberegulace), model nevyvracejí; spíše je třeba je řešit. Ačkoli je dvouúrovňový model nejznámějším příkladem teorie zpracování informací, mnoho výzkumníků jej plně nepřijímá (Matlin, 2009; Nairne, 2002). Alternativní teorie, které jsou popsány v této lekci, jsou úrovně (nebo hloubka) zpracování a úroveň aktivace a novější teorie konekcionismu a paralelního distribuovaného zpracování (PDP). Než budou podrobněji popsány komponenty dvouúrovňového modelu, budou prodiskutovány teorie úrovní zpracování a úrovně aktivace (konekcionismus a PDP jsou popsány později v této lekci).

Úrovně (hloubka) zpracování

Teorie úrovní (hloubky) zpracování konceptualizuje paměť podle typu zpracování, které informace obdrží, spíše než podle jejího umístění (Craik, 1979; Craik & Lockhart, 1972; Craik & Tulving, 1975; Lockhart, Craik, & Jacoby, 1976). Tento pohled nezahrnuje fáze nebo strukturální komponenty, jako je WM nebo LTM (Terry, 2009). Spíše existují různé způsoby zpracování informací (jako jsou úrovně nebo hloubka, ve které jsou zpracovávány): fyzické (povrchové), akustické (fonologické, zvukové), sémantické (význam). Tyto tři úrovně jsou dimenzionální, přičemž fyzické zpracování je nejvíce povrchní (jako například „x“ jako symbol zbavený významu, jak diskutovali učitelé v úvodním scénáři) a sémantické zpracování je nejhlubší. Například předpokládejme, že čtete a dalším slovem je střízlík. Toto slovo lze zpracovat na povrchové úrovni (např. není psáno velkým písmenem), fonologické úrovni (rýmuje se s den) nebo sémantické úrovni (malý pták). Každá úroveň představuje propracovanější (hlubší) typ zpracování než předchozí úroveň; zpracování významu slova střízlík rozšiřuje informační obsah položky více než akustické zpracování, které rozšiřuje obsah více než zpracování na povrchové úrovni.

Tyto tři úrovně se zdají být koncepčně podobné senzorickému registru, WM a LTM modelu dvou zásobníků. Oba pohledy tvrdí, že zpracování se stává propracovanějším s následujícími fázemi nebo úrovněmi. Model úrovní zpracování však nepředpokládá, že tři typy zpracování představují fáze. V úrovních zpracování není nutné přejít k dalšímu procesu, abyste se zapojili do propracovanějšího zpracování; hloubka zpracování se může lišit v rámci úrovně. Střízlík může obdržet sémantické zpracování nízké úrovně (malý pták) nebo rozsáhlejší sémantické zpracování (jeho podobnost a rozdíl od ostatních ptáků).

Další rozdíl mezi dvěma modely zpracování informací se týká pořadí zpracování. Model dvou zásobníků předpokládá, že informace jsou zpracovávány nejprve senzorickým registrem, poté WM a nakonec LTM. Model úrovní zpracování nepředpokládá sekvenční zpracování. Aby byly informace zpracovány na úrovni významu, nemusí být nejprve zpracovány na povrchové a zvukové úrovni (kromě toho, co je nutné pro přijetí informací) (Lockhart et al., 1976).

Oba modely mají také odlišné názory na to, jak typ zpracování ovlivňuje paměť. V úrovních zpracování platí, že čím hlubší úroveň, na které je položka zpracována, tím lepší je paměť, protože paměťová stopa je více zakořeněná. Učitelé v úvodním scénáři se obávají, jak mohou studentům pomoci zpracovávat algebraické informace na hlubší úrovni. Jakmile je položka zpracována v určitém bodě v rámci úrovně, další zpracování v tomto bodě by nemělo zlepšit paměť. Naproti tomu model dvou zásobníků tvrdí, že paměť lze zlepšit dalším zpracováním stejného typu. Tento model předpovídá, že čím více je seznam položek procvičován, tím lépe si jej bude pamatovat.

Některé výzkumné důkazy podporují úrovně zpracování. Craik a Tulving (1975) předložili jednotlivcům slova. Jakmile bylo každé slovo předloženo, dostali otázku, na kterou měli odpovědět. Otázky byly navrženy tak, aby usnadnily zpracování na určité úrovni. Pro povrchové zpracování se lidé ptali: „Je slovo psáno velkými písmeny?“ Pro fonologické zpracování se ptali: „Rýmuje se slovo s vlakem?“ Pro sémantické zpracování: „Hodilo by se slovo do věty: ‚Potkal na ulici _____?‘“ Doba, kterou lidé strávili zpracováním na různých úrovních, byla kontrolována. Jejich vybavení bylo nejlepší, když byly položky zpracovány na sémantické úrovni, další nejlepší na fonologické úrovni a nejhorší na povrchové úrovni. Tyto výsledky naznačují, že zapomínání je pravděpodobnější při povrchním zpracování a není způsobeno ztrátou informací z WM nebo LTM.

Úrovně zpracování naznačují, že porozumění studentů je lepší, když je materiál zpracováván na hlubších úrovních. Glover, Plake, Roberts, Zimmer a Palmere (1981) zjistili, že požádat studenty, aby parafrázovali myšlenky, zatímco četli eseje, významně zlepšilo vybavení ve srovnání s aktivitami, které nevyužívaly předchozí znalosti (např. identifikace klíčových slov v esejích). Instrukce číst pomalu a opatrně studentům během vybavování nepomohly.

Navzdory těmto pozitivním zjištěním má teorie úrovní zpracování problémy. Jedním z problémů je, zda je sémantické zpracování vždy hlubší než ostatní úrovně. Zvuky některých slov (kaput) jsou alespoň stejně výrazné jako jejich významy („zničený“). Ve skutečnosti vybavení závisí nejen na úrovni zpracování, ale také na typu úkolu vybavení. Morris, Bransford a Franks (1977) zjistili, že při standardním úkolu vybavení přineslo sémantické kódování lepší výsledky než rýmové kódování; nicméně při úkolu vybavení zdůrazňujícím rýmování přinesly otázky týkající se rýmování během kódování lepší vybavení než sémantické otázky. Moscovitch a Craik (1976) navrhli, že hlubší zpracování během učení vede k vyššímu potenciálu paměťového výkonu, ale tento potenciál bude realizován pouze tehdy, když se podmínky při vybavení shodují s podmínkami během učení.

Dalším problémem s teorií úrovní zpracování je, zda další zpracování na stejné úrovni přináší lepší vybavení. Nelson (1977) dal účastníkům jedno nebo dvě opakování každého stimulu (slova) zpracovaného na stejné úrovni. Dvě opakování přinesla lepší vybavení, což je v rozporu s hypotézou úrovní zpracování. Jiný výzkum ukazuje, že další procvičování materiálu usnadňuje uchování a vybavení i automatizaci zpracování (Anderson, 1990; Jacoby, Bartz, & Evans, 1978).

Poslední otázka se týká povahy úrovně. Výzkumníci tvrdili, že pojem hloubky je nejasný, a to jak v jeho definici, tak v měření (Terry, 2009). V důsledku toho nevíme, jak zpracování na různých úrovních ovlivňuje učení a paměť (Baddeley, 1978; Nelson, 1977). Čas je špatným kritériem úrovně, protože některé povrchové zpracování (např. „Má slovo následující vzor písmen: souhláska-samohláska-souhláska-souhláska-samohláska-souhláska?“) může trvat déle než sémantické zpracování („Je to druh ptáka?“). Ani doba zpracování v rámci dané úrovně není ukazatelem hlubšího zpracování (Baddeley, 1978, 1998). Nedostatek jasného porozumění úrovním (hloubce) omezuje užitečnost této perspektivy.

Řešení těchto problémů může vyžadovat kombinaci úrovní zpracování s myšlenkou dvou zásobníků, aby se vytvořil vylepšený model paměti. Například informace v WM mohou souviset se znalostmi v LTM povrchně nebo propracovaněji. Také dva paměťové zásobníky mohou zahrnovat úrovně zpracování v rámci každého zásobníku. Sémantické kódování v LTM může vést k rozsáhlejší síti informací a smysluplnějšímu způsobu zapamatování informací než povrchové nebo fonologické kódování.

Úroveň aktivace

Alternativní koncept paměti, ale podobný modelu dvou zásobníků a modelu úrovní zpracování, tvrdí, že paměťové struktury se liší v úrovni aktivace (Anderson, 1990). V tomto pohledu nemáme oddělené paměťové struktury, ale spíše jednu paměť s různými stavy aktivace. Informace mohou být v aktivním nebo neaktivním stavu. Když jsou aktivní, je k nim možné rychle přistupovat. Aktivní stav je udržován tak dlouho, dokud je informacím věnována pozornost. Bez pozornosti úroveň aktivace klesne, v takovém případě lze informace aktivovat, když je paměťová struktura reaktivována (Collins & Loftus, 1975).

Aktivní informace mohou zahrnovat informace vstupující do systému zpracování informací a informace, které byly uloženy v paměti (Baddeley, 1998). Bez ohledu na zdroj jsou aktivní informace buď aktuálně zpracovávány, nebo mohou být rychle zpracovány. Aktivní materiál je zhruba synonymem pro WM, ale první kategorie je širší než druhá. WM zahrnuje informace v bezprostředním vědomí, zatímco aktivní paměť zahrnuje tyto informace plus materiál, ke kterému lze snadno přistupovat. Například, pokud navštěvuji tetu Friedu a obdivujeme její květinovou zahradu, jsou tyto informace v WM, ale jiné informace spojené s tetiným dvorem (stromy, keře, pes) mohou být v aktivním stavu.

Procvičování umožňuje udržovat informace v aktivním stavu (Anderson, 1990). Stejně jako u pracovní paměti může být aktivní pouze omezený počet paměťových struktur v daném okamžiku. Jak se pozornost člověka přesouvá, úroveň aktivace se mění.

S myšlenkou úrovně aktivace se znovu setkáváme později v této lekci (tj. Andersonova teorie ACT), protože koncept je zásadní pro ukládání informací a jejich vybavování z paměti. Základní myšlenka zahrnuje šíření aktivace, což znamená, že jedna paměťová struktura může aktivovat jinou strukturu, která je s ní sousední (související) (Anderson, 1990). Aktivace se šíří z aktivních do neaktivních částí paměti. Úroveň aktivace závisí na síle cesty, po které se aktivace šíří, a na počtu konkurenčních (interferujících) cest. Šíření aktivace se stává pravděpodobnějším se zvýšeným cvičením, které posiluje struktury, a méně pravděpodobným s délkou intervalu uchování, protože síla slábne.

Jednou z výhod teorie úrovně aktivace je, že může vysvětlit vybavování informací z paměti. Tím, že se model vzdává myšlenky oddělených paměťových zásobníků, eliminuje potenciální problém přenosu informací z jednoho zásobníku do druhého. STM (WM) je ta část paměti, která je aktuálně aktivní. Aktivace klesá s uplynutím času, pokud procvičování neudržuje informace aktivované (Nairne, 2002).

Zároveň se model úrovně aktivace nevyhnul problémům duálního zásobníku, protože i on dichotomizuje informační systém (aktivní-neaktivní). Máme také problém s úrovní síly potřebnou k tomu, aby informace přešly z jednoho stavu do druhého. Intuitivně víme, že informace mohou být částečně aktivovány (např. položka v křížovce „na jazyku“ – víte to, ale nemůžete si vzpomenout), takže se můžeme zeptat, kolik aktivace je potřeba k tomu, aby byl materiál považován za aktivní. Bez ohledu na tyto obavy nabízí model úrovně aktivace důležité poznatky o zpracování informací.

Nyní se podíváme hlouběji na komponenty modelu dvou zásobníků: pozornost, vnímání, kódování, ukládání a vybavování (Shuell, 1986). Následující část pojednává o pozornosti; vnímání, kódování, ukládání a vybavování jsou řešeny v následujících částech.