Tietojenkäsittelyjärjestelmä: Tietojenkäsittelyteoria ja sen perusteet

Tiedonkäsittelyn teoreetikot kyseenalaistivat behaviorismille ominaisen ajatuksen, jonka mukaan oppiminen edellyttää assosiaatioiden muodostamista ärsykkeiden ja reaktioiden välille. Tiedonkäsittelyn teoreetikot eivät hylkää assosiaatioita, koska he olettavat, että tietojen välisten yhteyksien muodostaminen helpottaa niiden hankkimista ja tallentamista muistiin. Sen sijaan nämä teoreetikot ovat vähemmän kiinnostuneita ulkoisista olosuhteista ja keskittyvät enemmän sisäisiin (henkisiin) prosesseihin, jotka vaikuttavat ärsykkeiden ja reaktioiden välillä. Oppijat ovat aktiivisia tiedon etsijöitä ja käsittelijöitä. Toisin kuin behavioristit, jotka sanoivat ihmisten reagoivan, kun ärsykkeet vaikuttavat heihin, tiedonkäsittelyn teoreetikot väittävät, että ihmiset valitsevat ja huomioivat ympäristön piirteitä, muuntavat ja harjoittelevat tietoa sekä yhdistävät uutta tietoa aikaisempaan.

Tiedonkäsittelyn teoriat eroavat toisistaan siinä, mitkä kognitiiviset prosessit ovat tärkeitä ja miten ne toimivat, mutta niillä on joitakin yhteisiä oletuksia. Yksi on se, että tiedonkäsittely tapahtuu vaiheissa, jotka vaikuttavat ärsykkeen vastaanottamisen ja reaktion tuottamisen välillä. Tästä seuraa, että tiedon muoto tai tapa, jolla se on henkisesti edustettuna, vaihtelee vaiheen mukaan. Vaiheet ovat laadullisesti erilaisia ​​kuin toiset.

Toinen oletus on, että tiedonkäsittely on analogista tietokonekäsittelyn kanssa, ainakin metaforisesti. Ihmisjärjestelmä toimii samalla tavalla kuin tietokone: se vastaanottaa tietoa, tallentaa sen muistiin ja hakee sen tarvittaessa. Kognitiivinen prosessointi on huomattavan tehokasta; hukkaa tai päällekkäisyyttä on vähän. Tutkijat ovat eri mieltä siitä, kuinka pitkälle he ulottavat tämän analogian. Joillekin tietokoneanalogia on vain metafora. Toiset käyttävät tietokoneita simuloimaan ihmisten toimintaa. Tekoälyn alalla pyritään ohjelmoimaan tietokoneita suorittamaan inhimillisiä toimintoja, kuten ajattelua, kielen käyttöä ja ongelmanratkaisua.

Tutkijat olettavat myös, että tiedonkäsittely on mukana kaikissa kognitiivisissa toiminnoissa: havaitsemisessa, harjoittelussa, ajattelussa, ongelmanratkaisussa, muistamisessa, unohtamisessa ja kuvittelussa (Farnham-Diggory, 1992; Matlin, 2009; Mayer, 1996; Shuell, 1986; Terry, 2009). Tiedonkäsittely ulottuu perinteisesti määritellyn ihmisoppimisen ulkopuolelle. Tämä oppitunti koskee ensisijaisesti niitä tiedon toimintoja, jotka ovat olennaisimpia oppimiselle.

’Oppimisen ja muistin tiedonkäsittelymalli’ -kaavio esittää tiedonkäsittelymallin, joka sisältää käsittelyvaiheita. Vaikka tämä malli on yleinen, se vastaa läheisesti Atkinsonin ja Shiffrinin (1968, 1971) ehdottamaa klassista mallia.

Tiedonkäsittely alkaa, kun ärsyke (esim. visuaalinen, auditiivinen) vaikuttaa yhteen tai useampaan aistiin (esim. kuulo, näkö, tunto). Asianmukainen sensorinen rekisteri vastaanottaa syötteen ja pitää sitä hetken aikaa aistimuodossa. Tässä tapahtuu havaitseminen (hahmontunnistus), joka on prosessi, jossa ärsykkeelle annetaan merkitys. Tämä ei tyypillisesti sisällä nimeämistä, koska nimeäminen vie aikaa ja tieto pysyy sensorisessa rekisterissä vain murto-osan sekunnista. Sen sijaan havaitseminen sisältää syötteen sovittamisen tunnettuun tietoon.

Sensorinen rekisteri siirtää tietoa lyhytkestoiseen muistiin (STM). STM on työmuisti (WM) ja vastaa suunnilleen tietoisuutta tai sitä, mitä ihminen on tietoinen tietyllä hetkellä. WM:n kapasiteetti on rajallinen. Miller (1956) ehdotti, että se pitää yllä seitsemän plus tai miinus kaksi informaatioyksikköä. Yksikkö on mielekäs kohde: kirjain, sana, numero tai yleinen ilmaisu (esim. ”leipä ja voi”). WM:n kesto on myös rajallinen; jotta yksiköt säilyisivät WM:ssä, niitä on harjoiteltava (toistettava). Ilman harjoittelua tieto menetetään muutamassa sekunnissa.

Kun tieto on WM:ssä, pitkäkestoisessa muistissa (LTM) tai pysyvässä muistissa oleva siihen liittyvä tieto aktivoidaan ja sijoitetaan WM:ään integroitavaksi uuden tiedon kanssa. Nimetäkseen kaikki osavaltioiden pääkaupungit, jotka alkavat kirjaimella A, opiskelijat muistavat osavaltioiden nimet – ehkä maan alueen mukaan – ja selaavat pääkaupunkiensa nimiä. Kun opiskelijat, jotka eivät tunne Marylandin pääkaupunkia, oppivat ”Annapolisin”, he voivat tallentaa sen sanan ”Maryland” kanssa LTM:ään.

On kiistanalaista, menetetäänkö tietoa LTM:stä (ts. unohdetaan). Jotkut tutkijat väittävät, että näin voi käydä, kun taas toiset sanovat, että epäonnistuminen muistaa heijastaa hyvien hakuvihjeiden puutetta eikä unohtamista. Jos Sarah ei muista kolmannen luokan opettajansa nimeä (Mapleton), hän saattaa muistaa sen, jos hänelle annetaan vihje: ”Ajattele puita.” Teoreettisesta näkökulmasta riippumatta tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että tieto pysyy LTM:ssä pitkään.

Kontrolli- (johto-) prosessit säätelevät tiedonkulkua koko tiedonkäsittelyjärjestelmässä. Harjoittelu on tärkeä kontrolliprosessi, joka tapahtuu WM:ssä. Sanallisen materiaalin osalta harjoittelu tapahtuu toistamalla tietoa ääneen tai hiljaa mielessä. Muita kontrolliprosesseja ovat koodaus (tiedon asettaminen mielekkääseen kontekstiin – ongelma, josta keskustellaan avausskenaariossa), kuvantaminen (tiedon visuaalinen esittäminen), päätössääntöjen toteuttaminen, tiedon järjestäminen, ymmärryksen tason seuraaminen sekä haku-, itsesäätely- ja motivaatiostrategioiden käyttö.

Kaksiportainen malli voi selittää monia tutkimustuloksia. Yksi johdonmukaisimmista tutkimustuloksista on, että kun ihmisillä on luettelo opittavista kohteista, heillä on tapana muistaa parhaiten alkuperäiset kohteet (alkupään vaikutus) ja viimeiset kohteet (loppupään vaikutus), kuten on kuvattu kohdassa ”Sarja-aseman käyrä, joka osoittaa muistivirheitä kohteen sijainnin funktiona”. Kaksiportaisen mallin mukaan alkuperäiset kohteet saavat eniten harjoittelua ja siirtyvät LTM:ään, kun taas viimeiset kohteet ovat edelleen WM:ssä muistamisen aikaan. Keskimmäiset kohteet muistetaan huonoimmin, koska ne eivät ole enää WM:ssä muistamisen aikaan (myöhempien kohteiden tönimänä), ne saavat vähemmän harjoittelua kuin alkuperäiset kohteet, eikä niitä ole tallennettu asianmukaisesti LTM:ään.

Tutkimukset viittaavat kuitenkin siihen, että oppiminen voi olla monimutkaisempaa kuin peruskaksiportainen malli edellyttää (Baddeley, 1998). Yksi ongelma on, että tämä malli ei täysin määrittele, miten tieto siirtyy varastosta toiseen. Kontrolliprosessien käsite on uskottava, mutta epämääräinen. Voisimme kysyä: Miksi jotkut syötteet etenevät aistirekistereistä WM:ään ja toiset eivät? Mitkä mekanismit päättävät, että tietoa on harjoiteltu riittävän kauan ja siirtävät sen LTM:ään? Miten LTM:ssä oleva tieto valitaan aktivoitavaksi? Toinen huolenaihe on, että tämä malli sopii parhaiten sanallisen materiaalin käsittelyyn. Miten ei-sanallinen esitys tapahtuu materiaalin kanssa, jota ei ehkä voida helposti sanallistaa, kuten moderni taide ja vakiintuneet taidot, ei ole selvää.

Malli on myös epämääräinen sen suhteen, mitä todella opitaan. Ajatellaan ihmisiä, jotka oppivat sanalistoja. Jos kyseessä on merkityksettömät tavut, heidän on opittava itse sanat ja niiden esiintymispaikat. Kun he jo tuntevat sanat, heidän on vain opittava sijainnit; esimerkiksi ”kissa” esiintyy neljännessä kohdassa, jota seuraa ”puu”. Ihmisten on otettava huomioon tarkoituksensa oppia ja muokattava oppimisstrategioita sen mukaisesti. Mikä mekanismi ohjaa näitä prosesseja?

Myös se, käytetäänkö kaikkia järjestelmän osia kaikkina aikoina, on ongelma. WM on hyödyllinen, kun ihmiset hankkivat tietoa ja heidän on yhdistettävä saapuva tieto LTM:ssä olevaan tietoon. Mutta teemme monia asioita automaattisesti: pukeudumme, kävelemme, pyöräilemme, vastaamme yksinkertaisiin pyyntöihin (esim. ”Onko sinulla aikaa?”). Monille aikuisille lukeminen (dekoodaus) ja yksinkertaiset aritmeettiset laskutoimitukset ovat automaattisia prosesseja, jotka asettavat vähän vaatimuksia kognitiivisille prosesseille. Tällainen automaattinen prosessointi ei välttämättä vaadi WM:n toimintaa. Miten automaattinen prosessointi kehittyy ja mitkä mekanismit sitä ohjaavat?

Nämä ja muut kysymykset, joita kaksiportainen malli ei käsittele hyvin (esim. motivaation rooli oppimisessa ja itsesäätelyn kehittyminen), eivät kumoa mallia; pikemminkin ne ovat kysymyksiä, jotka on käsiteltävä. Vaikka kaksiportainen malli on tunnetuin esimerkki tiedonkäsittelyteoriasta, monet tutkijat eivät täysin hyväksy sitä (Matlin, 2009; Nairne, 2002). Vaihtoehtoiset teoriat, joita tässä oppitunnissa käsitellään, ovat prosessoinnin tasot (tai syvyys) ja aktivointitaso sekä uudemmat konnektionismi- ja rinnakkainen hajautettu prosessointi (PDP) -teoriat. Ennen kuin kaksiportaisen mallin osia kuvataan tarkemmin, käsitellään prosessoinnin taso- ja aktivointitasoteorioita (konnektionismi ja PDP käsitellään myöhemmin tässä oppitunnissa).

Käsittelyn Tasot (Syvyys)

Käsittelyn tasojen (syvyyden) teoria käsitteellistää muistin tiedon vastaanottamisen tyypin mukaan, eikä sen sijainnin mukaan (Craik, 1979; Craik & Lockhart, 1972; Craik & Tulving, 1975; Lockhart, Craik, & Jacoby, 1976). Tämä näkemys ei sisällä vaiheita tai rakenteellisia osia, kuten työmuistia tai pitkäkestoista muistia (Terry, 2009). Sen sijaan on olemassa erilaisia tapoja käsitellä tietoa (kuten tasoja tai syvyyttä, jolla sitä käsitellään): fyysinen (pinta), akustinen (fonologinen, ääni), semanttinen (merkitys). Nämä kolme tasoa ovat dimensionaalisia, ja fyysinen käsittely on pinnallisin (kuten “x” symbolina, jolta puuttuu merkitys, kuten opettajat esittelyskenaariossa keskustelivat) ja semanttinen käsittely syvin. Oletetaan esimerkiksi, että luet ja seuraava sana on peukaloinen. Tämä sana voidaan käsitellä pintatasolla (esim. sitä ei ole kirjoitettu isolla kirjaimella), fonologisella tasolla (riimittyy sanan kanssa) tai semanttisella tasolla (pieni lintu). Jokainen taso edustaa monimutkaisempaa (syvempää) käsittelytyyppiä kuin edellinen taso; peukaloisen merkityksen käsittely laajentaa kohteen tietosisältöä enemmän kuin akustinen käsittely, joka laajentaa sisältöä enemmän kuin pintatason käsittely.

Nämä kolme tasoa vaikuttavat käsitteellisesti samanlaisilta kuin aistirekisteri, työmuisti ja pitkäkestoinen muisti kahden varaston mallissa. Molemmat näkemykset väittävät, että käsittelystä tulee monimutkaisempaa seuraavissa vaiheissa tai tasoissa. Käsittelymallin tasot eivät kuitenkaan oleta, että kolme käsittelytyyppiä muodostavat vaiheita. Käsittelyn tasoissa ei tarvitse siirtyä seuraavaan prosessiin osallistuakseen monimutkaisempaan käsittelyyn; käsittelyn syvyys voi vaihdella tasolla. Peukaloinen voi saada matalan tason semanttista käsittelyä (pieni lintu) tai laajempaa semanttista käsittelyä (sen samankaltaisuus ja ero muihin lintuihin verrattuna).

Toinen ero kahden tiedonkäsittelymallin välillä koskee käsittelyn järjestystä. Kahden varaston malli olettaa, että tietoa käsitellään ensin aistirekisterin, sitten työmuistin ja lopuksi pitkäkestoisen muistin kautta. Käsittelymallin tasot eivät tee peräkkäistä oletusta. Jotta tietoa voidaan käsitellä merkitystasolla, sitä ei tarvitse käsitellä ensin pinta- ja äänitasolla (sen käsittelyn lisäksi, jota tarvitaan tiedon vastaanottamiseksi) (Lockhart et al., 1976).

Kahdella mallilla on myös erilaiset näkemykset siitä, miten käsittelytyyppi vaikuttaa muistiin. Käsittelyn tasoissa, mitä syvemmällä tasolla kohde käsitellään, sitä parempi muisti, koska muistijälki on juurtuneempi. Aloitusskenaarion opettajat ovat huolissaan siitä, miten he voivat auttaa oppilaita käsittelemään algebrallista tietoa syvemmällä tasolla. Kun kohde on käsitelty tietyssä kohdassa tasolla, lisäkäsittely samassa kohdassa ei pitäisi parantaa muistia. Sitä vastoin kahden varaston malli väittää, että muistia voidaan parantaa samantyyppisellä lisäkäsittelyllä. Tämä malli ennustaa, että mitä enemmän luetteloa kohteista harjoitellaan, sitä paremmin se muistetaan.

Jotkut tutkimusnäytöt tukevat käsittelyn tasoja. Craik ja Tulving (1975) esittivät yksilöille sanoja. Kun jokainen sana esitettiin, heille annettiin kysymys, johon heidän piti vastata. Kysymykset oli suunniteltu helpottamaan käsittelyä tietyllä tasolla. Pintakäsittelyä varten ihmisiltä kysyttiin: “Onko sana kirjoitettu isoilla kirjaimilla?” Fonologista käsittelyä varten heiltä kysyttiin: “Riimittyykö sana sanan juna kanssa?” Semanttista käsittelyä varten: “Sopiiko sana lauseeseen: ‘Hän tapasi _____ kadulla’?” Ihmisten aikaa, jonka he käyttivät käsittelyyn eri tasoilla, kontrolloitiin. Heidän muistamisensa oli parasta, kun kohteita käsiteltiin semanttisella tasolla, seuraavaksi parasta fonologisella tasolla ja huonointa pintatasolla. Nämä tulokset viittaavat siihen, että unohtaminen on todennäköisempää matalalla käsittelyllä, eikä se johdu tiedon menetyksestä työmuistista tai pitkäkestoisesta muistista.

Käsittelyn tasot viittaavat siihen, että oppilaiden ymmärrys on parempi, kun materiaalia käsitellään syvemmillä tasoilla. Glover, Plake, Roberts, Zimmer ja Palmere (1981) havaitsivat, että oppilaiden pyytäminen parafraasimaan ideoita esseitä lukiessaan paransi merkittävästi muistamista verrattuna aktiviteetteihin, jotka eivät hyödyntäneet aikaisempaa tietoa (esim. avainsanojen tunnistaminen esseissä). Ohjeet lukea hitaasti ja huolellisesti eivät auttaneet oppilaita muistamisen aikana.

Näistä positiivisista havainnoista huolimatta käsittelyn tasojen teoriassa on ongelmia. Yksi huolenaihe on, onko semanttinen käsittely aina syvempää kuin muut tasot. Joidenkin sanojen äänet (kaput) ovat vähintään yhtä erottuvia kuin niiden merkitykset (“tuhoutunut”). Itse asiassa muistaminen ei riipu vain käsittelyn tasosta, vaan myös muistamistehtävän tyypistä. Morris, Bransford ja Franks (1977) havaitsivat, että standardin muistamistehtävän kohdalla semanttinen koodaus tuotti parempia tuloksia kuin riimikoodaus; kuitenkin, kun annettiin muistamistehtävä, jossa korostettiin riimittelyä, riimittelykysymysten esittäminen koodauksen aikana tuotti paremman muistamisen kuin semanttiset kysymykset. Moscovitch ja Craik (1976) ehdottivat, että syvempi käsittely oppimisen aikana johtaa korkeampaan mahdolliseen muistisuoritukseen, mutta tuo potentiaali toteutuu vain, kun hakuehdot vastaavat oppimisen aikaisia ehtoja.

Toinen huolenaihe käsittelyn tasojen teoriassa on, tuottaako lisäkäsittely samalla tasolla paremman muistamisen. Nelson (1977) antoi osallistujille yhden tai kaksi toistoa jokaisesta ärsykkeestä (sanasta), jota käsiteltiin samalla tasolla. Kaksi toistoa tuotti paremman muistamisen, vastoin käsittelyn tasojen hypoteesia. Muut tutkimukset osoittavat, että materiaalin lisäharjoittelu helpottaa säilyttämistä ja muistamista sekä käsittelyn automaattisuutta (Anderson, 1990; Jacoby, Bartz, & Evans, 1978).

Viimeinen kysymys koskee tason luonnetta. Tutkijat ovat väittäneet, että syvyyden käsite on epämääräinen sekä sen määritelmässä että mittauksessa (Terry, 2009). Tämän seurauksena emme tiedä, miten käsittely eri tasoilla vaikuttaa oppimiseen ja muistiin (Baddeley, 1978; Nelson, 1977). Aika on huono tason kriteeri, koska jotkut pintakäsittelyt (esim. “Onko sanalla seuraava kirjainmalli: konsonantti-vokaali-konsonantti-konsonantti-vokaali-konsonantti?”) voivat kestää kauemmin kuin semanttinen käsittely (“Onko se lintulaji?”). Käsittelyaika tietyllä tasolla ei myöskään ole osoitus syvemmästä käsittelystä (Baddeley, 1978, 1998). Selkeän ymmärryksen puute tasoista (syvyydestä) rajoittaa tämän näkökulman hyödyllisyyttä.

Näiden ongelmien ratkaiseminen voi edellyttää käsittelyn tasojen yhdistämistä kahden varaston ajatukseen hienostuneen muistimallin tuottamiseksi. Esimerkiksi työmuistissa oleva tieto voidaan yhdistää tietoon pitkäkestoisessa muistissa pinnallisesti tai monimutkaisemmin. Lisäksi kaksi muistivarastoa voivat sisältää käsittelyn tasoja kussakin varastossa. Semanttinen koodaus pitkäkestoisessa muistissa voi johtaa laajempaan tietoverkkoon ja mielekkäämpään tapaan muistaa tietoa kuin pinta- tai fonologinen koodaus.

Aktivaatiotaso

Vaihtoehtoinen muistikonsepti, mutta samankaltainen kuin kahden varaston ja käsittelymallien tasot, väittää, että muistirakenteet vaihtelevat aktivaatiotasossaan (Anderson, 1990). Tässä näkemyksessä meillä ei ole erillisiä muistirakenteita, vaan pikemminkin yksi muisti, jolla on erilaisia aktivaatiotiloja. Tieto voi olla aktiivisessa tai passiivisessa tilassa. Kun tieto on aktiivinen, siihen pääsee nopeasti. Aktiivinen tila säilyy niin kauan kuin tietoon kiinnitetään huomiota. Ilman huomiota aktivaatiotaso heikkenee, jolloin tieto voidaan aktivoida, kun muistirakenne aktivoidaan uudelleen (Collins & Loftus, 1975).

Aktiivinen tieto voi sisältää tiedonkäsittelyjärjestelmään tulevaa tietoa ja muistiin tallennettua tietoa (Baddeley, 1998). Lähteestä riippumatta aktiivista tietoa joko käsitellään parhaillaan tai se voidaan käsitellä nopeasti. Aktiivinen materiaali on suunnilleen synonyymi työmuistille, mutta edellinen luokka on laajempi kuin jälkimmäinen. Työmuisti sisältää tiedon välittömässä tietoisuudessa, kun taas aktiivinen muisti sisältää kyseisen tiedon sekä materiaalin, johon pääsee helposti. Jos esimerkiksi vieraillessani tätini Friedan luona ihailemme hänen kukkapuutarhaansa, kyseinen tieto on työmuistissa, mutta muut tätini Friedan pihaan liittyvät tiedot (puut, pensaat, koira) voivat olla aktiivisessa tilassa.

Harjoittelu mahdollistaa tiedon ylläpitämisen aktiivisessa tilassa (Anderson, 1990). Kuten työmuistin kanssa, vain rajoitettu määrä muistirakenteita voi olla aktiivisia kerrallaan. Huomion siirtyessä aktivaatiotaso muuttuu.

Kohtaamme aktivaatiotason ajatuksen uudelleen myöhemmin tässä oppitunnissa (eli Andersonin ACT-teoriassa), koska käsite on kriittinen tiedon tallentamiselle ja sen hakemiselle muistista. Perusajatus sisältää leviävän aktivaation, mikä tarkoittaa, että yksi muistirakenne voi aktivoida toisen viereisen (liittyvän) rakenteen (Anderson, 1990). Aktivaatio leviää aktiivisista passiivisiin muistin osiin. Aktivaation taso riippuu sen polun vahvuudesta, jota pitkin aktivaatio leviää, ja kilpailevien (häiritsevien) polkujen määrästä. Aktivaation leviäminen on todennäköisempää lisääntyneen harjoittelun myötä, mikä vahvistaa rakenteita, ja epätodennäköisempää säilytysvälin pituuden myötä, kun vahvuus heikkenee.

Yksi aktivaatiotason teorian etu on, että se voi selittää tiedon hakemisen muistista. Luopumalla erillisten muistivarastojen käsitteestä malli eliminoi mahdollisen ongelman tiedon siirtämisessä varastosta toiseen. Lyhytkestoinen muisti (työmuisti) on se osa muistia, joka on tällä hetkellä aktiivinen. Aktivaatio heikkenee ajan myötä, ellei harjoittelu pidä tietoa aktivoituna (Nairne, 2002).

Samalla aktivaatiotason malli ei ole välttynyt kaksoisvaraston ongelmilta, koska sekin jakaa tietojärjestelmän kahtia (aktiivinen-passiivinen). Meillä on myös ongelma vahvuustason kanssa, jota tarvitaan tiedon siirtämiseen tilasta toiseen. Näin ollen tiedämme intuitiivisesti, että tieto voi olla osittain aktivoitunut (esim. ristikko-kohde “kielen päällä”—tiedät sen, mutta et voi muistaa sitä), joten voimme kysyä, kuinka paljon aktivaatiota tarvitaan, jotta materiaalia pidetään aktiivisena. Näistä huolenaiheista huolimatta aktivaatiotason malli tarjoaa tärkeitä oivalluksia tiedon käsittelyyn.

Tarkastelemme nyt tarkemmin kahden varaston mallin osia: huomio, havainto, koodaus, tallennus ja haku (Shuell, 1986). Seuraavassa osiossa käsitellään huomiota; havaintoa, koodausta, tallennusta ja hakua käsitellään myöhemmissä osioissa.