System Przetwarzania Informacji: Teoria Przetwarzania Informacji

Teoretycy przetwarzania informacji zakwestionowali ideę inherentną behawioryzmowi, że uczenie się polega na tworzeniu powiązań między bodźcami a reakcjami. Teoretycy przetwarzania informacji nie odrzucają powiązań, ponieważ postulują, że tworzenie powiązań między fragmentami wiedzy pomaga w ułatwieniu ich nabywania i przechowywania w pamięci. Bardziej niż warunkami zewnętrznymi, teoretycy ci interesują się wewnętrznymi (umysłowymi) procesami, które zachodzą między bodźcami a reakcjami. Uczący się są aktywnymi poszukiwaczami i przetwórcami informacji. W przeciwieństwie do behawiorystów, którzy twierdzili, że ludzie reagują, gdy bodźce na nich oddziałują, teoretycy przetwarzania informacji utrzymują, że ludzie wybierają i zwracają uwagę na cechy otoczenia, przekształcają i powtarzają informacje, odnoszą nowe informacje do poprzednich.

Teorie przetwarzania informacji różnią się pod względem poglądów na to, które procesy poznawcze są ważne i jak działają, ale łączy je kilka wspólnych założeń. Jednym z nich jest to, że przetwarzanie informacji zachodzi etapami, które pośredniczą między otrzymaniem bodźca a wywołaniem reakcji. Z tego wynika, że forma informacji lub sposób jej reprezentacji umysłowej różni się w zależności od etapu. Etapy te różnią się jakościowo od siebie.

Kolejnym założeniem jest to, że przetwarzanie informacji jest analogiczne do przetwarzania komputerowego, przynajmniej metaforycznie. System ludzki funkcjonuje podobnie do komputera: otrzymuje informacje, przechowuje je w pamięci i odzyskuje w razie potrzeby. Przetwarzanie poznawcze jest niezwykle wydajne; występuje niewiele marnotrawstwa lub nakładania się. Naukowcy różnią się w zakresie, w jakim rozszerzają tę analogię. Dla niektórych analogia komputerowa jest niczym więcej niż metaforą. Inni wykorzystują komputery do symulowania działań ludzi. Dziedzina sztucznej inteligencji zajmuje się programowaniem komputerów do angażowania się w ludzkie czynności, takie jak myślenie, używanie języka i rozwiązywanie problemów.

Naukowcy zakładają również, że przetwarzanie informacji jest zaangażowane we wszystkie czynności poznawcze: postrzeganie, powtarzanie, myślenie, rozwiązywanie problemów, zapamiętywanie, zapominanie i wyobrażanie (Farnham-Diggory, 1992; Matlin, 2009; Mayer, 1996; Shuell, 1986; Terry, 2009). Przetwarzanie informacji wykracza poza tradycyjnie wyznaczone granice uczenia się ludzi. Ta lekcja dotyczy przede wszystkim tych funkcji informacyjnych, które są najbardziej istotne dla uczenia się.

Schemat 'Modelu przetwarzania informacji w uczeniu się i pamięci' przedstawia model przetwarzania informacji, który uwzględnia etapy przetwarzania. Chociaż model ten jest ogólny, ściśle odpowiada klasycznemu modelowi zaproponowanemu przez Atkinsona i Shiffrina (1968, 1971).

Przetwarzanie informacji rozpoczyna się, gdy bodziec wejściowy (np. wizualny, słuchowy) oddziałuje na jeden lub więcej zmysłów (np. słuch, wzrok, dotyk). Odpowiedni rejestr sensoryczny odbiera dane wejściowe i przechowuje je krótko w formie sensorycznej. To tutaj następuje percepcja (rozpoznawanie wzorców), która jest procesem przypisywania znaczenia bodźcowi wejściowemu. Zwykle nie obejmuje to nazywania, ponieważ nazywanie zajmuje czas, a informacja pozostaje w rejestrze sensorycznym tylko przez ułamek sekundy. Raczej percepcja obejmuje dopasowanie danych wejściowych do znanych informacji.

Rejestr sensoryczny przekazuje informacje do pamięci krótkotrwałej (STM). STM jest pamięcią roboczą (WM) i odpowiada z grubsza świadomości, czyli temu, czego ktoś jest świadomy w danym momencie. WM ma ograniczoną pojemność. Miller (1956) zaproponował, że przechowuje siedem plus minus dwa jednostki informacji. Jednostka jest znaczącym elementem: literą, słowem, liczbą lub powszechnym wyrażeniem (np. “chleb i masło”). WM jest również ograniczona w czasie trwania; aby jednostki zostały zachowane w WM, muszą być powtarzane (ćwiczone). Bez powtarzania informacja jest tracona po kilku sekundach.

Gdy informacja znajduje się w WM, pokrewna wiedza w pamięci długotrwałej (LTM), czyli pamięci trwałej, jest aktywowana i umieszczana w WM, aby zintegrować się z nową informacją. Aby wymienić wszystkie stolice stanów zaczynające się na literę A, uczniowie przypominają sobie nazwy stanów — być może według regionu kraju — i przeszukują nazwy ich stolic. Kiedy uczniowie, którzy nie znają stolicy Maryland, uczą się “Annapolis”, mogą zapisać ją z “Maryland” w LTM.

Dyskutuje się, czy informacja jest tracona z LTM (tj. zapominana). Niektórzy badacze twierdzą, że tak może być, podczas gdy inni twierdzą, że niezdolność do przypomnienia sobie odzwierciedla brak dobrych wskazówek do przypomnienia, a nie zapominanie. Jeśli Sarah nie może przypomnieć sobie imienia swojej nauczycielki z trzeciej klasy (Mapleton), może być w stanie, jeśli otrzyma wskazówkę: “Pomyśl o drzewach.” Niezależnie od perspektywy teoretycznej, badacze zgadzają się, że informacja pozostaje w LTM przez długi czas.

Procesy kontrolne (wykonawcze) regulują przepływ informacji w całym systemie przetwarzania informacji. Powtarzanie jest ważnym procesem kontrolnym, który zachodzi w WM. W przypadku materiału werbalnego powtarzanie przybiera formę powtarzania informacji na głos lub podgłośnie. Inne procesy kontrolne obejmują kodowanie (umieszczanie informacji w znaczącym kontekście — kwestia omawiana w otwierającym scenariuszu), obrazowanie (wizualne reprezentowanie informacji), wdrażanie reguł decyzyjnych, organizowanie informacji, monitorowanie poziomu zrozumienia i stosowanie strategii przypominania, samoregulacji i motywacyjnych.

Model dwóch magazynów może wyjaśnić wiele wyników badań. Jednym z najbardziej spójnych wyników badań jest to, że gdy ludzie mają listę elementów do nauczenia się, mają tendencję do najlepszego zapamiętywania początkowych elementów (efekt pierwszeństwa) i ostatnich elementów (efekt świeżości), jak przedstawiono na 'Krzywej pozycji szeregowej pokazującej błędy w przypominaniu w funkcji pozycji elementu'. Zgodnie z modelem dwóch magazynów, początkowe elementy otrzymują najwięcej powtórek i są przenoszone do LTM, podczas gdy ostatnie elementy są nadal w WM w momencie przypominania. Środkowe elementy są przypominane najsłabiej, ponieważ nie znajdują się już w WM w momencie przypominania (zostały wypchnięte przez kolejne elementy), otrzymują mniej powtórek niż początkowe elementy i nie są prawidłowo przechowywane w LTM.

Badania sugerują jednak, że uczenie się może być bardziej złożone niż zakłada podstawowy model dwóch magazynów (Baddeley, 1998). Jednym z problemów jest to, że model ten nie określa w pełni, w jaki sposób informacja przemieszcza się z jednego magazynu do drugiego. Pojęcie procesów kontrolnych jest wiarygodne, ale niejasne. Możemy zapytać: Dlaczego niektóre dane wejściowe przechodzą z rejestrów sensorycznych do WM, a inne nie? Które mechanizmy decydują, że informacja była powtarzana wystarczająco długo i przenoszą ją do LTM? W jaki sposób informacja w LTM jest wybierana do aktywacji? Kolejnym problemem jest to, że model ten wydaje się najlepiej nadawać do obsługi materiału werbalnego. Nie jest jasne, w jaki sposób odbywa się reprezentacja niewerbalna w przypadku materiału, którego nie można łatwo zwerbalizować, takiego jak sztuka nowoczesna i dobrze ugruntowane umiejętności.

Model jest również niejasny co do tego, czego się naprawdę uczy. Weźmy pod uwagę ludzi uczących się list słów. W przypadku bezsensownych sylab muszą nauczyć się samych słów i pozycji, w których się pojawiają. Kiedy już znają słowa, muszą nauczyć się tylko pozycji; na przykład “kot” pojawia się na czwartej pozycji, a po nim “drzewo.” Ludzie muszą wziąć pod uwagę swój cel uczenia się i odpowiednio modyfikować strategie uczenia się. Jaki mechanizm kontroluje te procesy?

Kwestią sporną jest również to, czy wszystkie komponenty systemu są używane przez cały czas. WM jest przydatna, gdy ludzie zdobywają wiedzę i muszą powiązać napływające informacje z wiedzą w LTM. Ale robimy wiele rzeczy automatycznie: ubieramy się, chodzimy, jeździmy na rowerze, odpowiadamy na proste pytania (np. “Która godzina?”). Dla wielu dorosłych czytanie (dekodowanie) i proste obliczenia arytmetyczne są automatycznymi procesami, które stawiają niewielkie wymagania procesom poznawczym. Takie automatyczne przetwarzanie może nie wymagać działania WM. W jaki sposób rozwija się automatyczne przetwarzanie i jakie mechanizmy nim rządzą?

Te i inne kwestie, które nie są dobrze poruszone przez model dwóch magazynów (np. rola motywacji w uczeniu się i rozwój samoregulacji), nie obalają modelu; raczej są to kwestie, którymi należy się zająć. Chociaż model dwóch magazynów jest najbardziej znanym przykładem teorii przetwarzania informacji, wielu badaczy nie akceptuje go w pełni (Matlin, 2009; Nairne, 2002). Alternatywne teorie omówione w tej lekcji to poziomy (lub głębokość) przetwarzania i poziom aktywacji, a także nowsze teorie koneksjonizmu i przetwarzania rozproszonego równoległego (PDP). Zanim zostaną szczegółowo opisane komponenty modelu dwóch magazynów, omówione zostaną teorie poziomów przetwarzania i poziomu aktywacji (koneksjonizm i PDP zostaną omówione później w tej lekcji).

Poziomy (głębokość) przetwarzania

Teoria poziomów (głębokości) przetwarzania konceptualizuje pamięć zgodnie z rodzajem przetwarzania, jakiemu poddawane są informacje, a nie z ich lokalizacją (Craik, 1979; Craik & Lockhart, 1972; Craik & Tulving, 1975; Lockhart, Craik, & Jacoby, 1976). Ten pogląd nie uwzględnia etapów ani komponentów strukturalnych, takich jak PM lub DTP (Terry, 2009). Raczej istnieją różne sposoby przetwarzania informacji (takie jak poziomy lub głębokość, na jakiej są one przetwarzane): fizyczny (powierzchniowy), akustyczny (fonologiczny, dźwiękowy), semantyczny (znaczeniowy). Te trzy poziomy są wymiarowe, przy czym przetwarzanie fizyczne jest najbardziej powierzchowne (takie jak “x” jako symbol pozbawiony znaczenia, jak omówili nauczyciele we wstępnym scenariuszu), a przetwarzanie semantyczne jest najgłębsze. Na przykład, załóżmy, że czytasz i następnym słowem jest strzyżyk. To słowo można przetwarzać na poziomie powierzchniowym (np. nie jest pisane wielką literą), na poziomie fonologicznym (rymuje się z dniem) lub na poziomie semantycznym (mały ptak). Każdy poziom reprezentuje bardziej złożony (głębszy) rodzaj przetwarzania niż poprzedni poziom; przetwarzanie znaczenia strzyżyka rozszerza zawartość informacyjną elementu bardziej niż przetwarzanie akustyczne, które rozszerza zawartość bardziej niż przetwarzanie na poziomie powierzchniowym.

Te trzy poziomy wydają się koncepcyjnie podobne do rejestru sensorycznego, PM i DTP modelu dwupamięciowego. Oba poglądy utrzymują, że przetwarzanie staje się bardziej złożone wraz z kolejnymi etapami lub poziomami. Model poziomów przetwarzania nie zakłada jednak, że te trzy rodzaje przetwarzania stanowią etapy. W poziomach przetwarzania nie trzeba przechodzić do następnego procesu, aby zaangażować się w bardziej złożone przetwarzanie; głębokość przetwarzania może się różnić w obrębie poziomu. Strzyżyk może otrzymać przetwarzanie semantyczne niskiego poziomu (mały ptak) lub bardziej rozbudowane przetwarzanie semantyczne (jego podobieństwo i różnice w stosunku do innych ptaków).

Kolejna różnica między dwoma modelami przetwarzania informacji dotyczy kolejności przetwarzania. Model dwupamięciowy zakłada, że informacje są przetwarzane najpierw przez rejestr sensoryczny, następnie przez PM, a na końcu przez DTP. Model poziomów przetwarzania nie zakłada sekwencyjności. Aby informacja została przetworzona na poziomie znaczeniowym, nie musi być najpierw przetwarzana na poziomie powierzchniowym i dźwiękowym (poza przetwarzaniem wymaganym do odebrania informacji) (Lockhart et al., 1976).

Oba modele mają również różne poglądy na temat tego, jak rodzaj przetwarzania wpływa na pamięć. W poziomach przetwarzania im głębszy poziom, na którym element jest przetwarzany, tym lepsza pamięć, ponieważ ślad pamięciowy jest bardziej utrwalony. Nauczyciele we wstępnym scenariuszu są zaniepokojeni tym, jak mogą pomóc uczniom przetwarzać informacje algebraiczne na głębszym poziomie. Gdy element zostanie przetworzony w określonym punkcie w obrębie poziomu, dodatkowe przetwarzanie w tym punkcie nie powinno poprawić pamięci. Natomiast model dwupamięciowy utrzymuje, że pamięć można poprawić dzięki dodatkowemu przetwarzaniu tego samego typu. Model ten przewiduje, że im częściej lista elementów jest powtarzana, tym lepiej zostanie ona przypomniana.

Niektóre dowody badawcze potwierdzają poziomy przetwarzania. Craik i Tulving (1975) przedstawili osobom słowa. Gdy każde słowo zostało przedstawione, otrzymywali pytanie, na które mieli odpowiedzieć. Pytania miały na celu ułatwienie przetwarzania na określonym poziomie. W przypadku przetwarzania powierzchniowego pytano: “Czy słowo jest pisane wielkimi literami?” W przypadku przetwarzania fonologicznego pytano: “Czy słowo rymuje się z pociągiem?” W przypadku przetwarzania semantycznego: “Czy słowo pasowałoby do zdania: ‘Spotkał _____ na ulicy’?” Kontrolowano czas, jaki ludzie spędzili na przetwarzaniu na różnych poziomach. Ich przypominanie było najlepsze, gdy elementy były przetwarzane na poziomie semantycznym, następnie na poziomie fonologicznym, a najgorsze na poziomie powierzchniowym. Wyniki te sugerują, że zapominanie jest bardziej prawdopodobne w przypadku płytkiego przetwarzania i nie jest spowodowane utratą informacji z PM lub DTP.

Poziomy przetwarzania sugerują, że zrozumienie uczniów jest lepsze, gdy materiał jest przetwarzany na głębszych poziomach. Glover, Plake, Roberts, Zimmer i Palmere (1981) odkryli, że proszenie uczniów o parafrazowanie pomysłów podczas czytania esejów znacznie poprawiło przypominanie w porównaniu z działaniami, które nie opierały się na wcześniejszej wiedzy (np. identyfikowanie słów kluczowych w esejach). Instrukcje, aby czytać powoli i ostrożnie, nie pomogły uczniom podczas przypominania.

Pomimo tych pozytywnych wyników teoria poziomów przetwarzania ma problemy. Jednym z problemów jest to, czy przetwarzanie semantyczne jest zawsze głębsze niż inne poziomy. Dźwięki niektórych słów (kaput) są co najmniej tak samo charakterystyczne jak ich znaczenie (“zrujnowany”). W rzeczywistości przypominanie zależy nie tylko od poziomu przetwarzania, ale także od rodzaju zadania przypominania. Morris, Bransford i Franks (1977) odkryli, że w przypadku standardowego zadania przypominania kodowanie semantyczne dało lepsze wyniki niż kodowanie rymujące; jednak w przypadku zadania przypominania podkreślającego rymowanie, zadawanie pytań rymujących podczas kodowania dało lepsze przypominanie niż pytania semantyczne. Moscovitch i Craik (1976) zaproponowali, że głębsze przetwarzanie podczas uczenia się skutkuje wyższym potencjałem wydajności pamięci, ale ten potencjał zostanie zrealizowany tylko wtedy, gdy warunki podczas odzyskiwania będą odpowiadać tym podczas uczenia się.

Kolejnym problemem z teorią poziomów przetwarzania jest to, czy dodatkowe przetwarzanie na tym samym poziomie daje lepsze przypominanie. Nelson (1977) dał uczestnikom jedno lub dwa powtórzenia każdego bodźca (słowa) przetwarzanego na tym samym poziomie. Dwa powtórzenia dały lepsze przypominanie, wbrew hipotezie poziomów przetwarzania. Inne badania pokazują, że dodatkowe powtarzanie materiału ułatwia retencję i przypominanie, a także automatyzację przetwarzania (Anderson, 1990; Jacoby, Bartz, & Evans, 1978).

Ostatnia kwestia dotyczy natury poziomu. Badacze argumentowali, że pojęcie głębokości jest niejasne, zarówno w definicji, jak i pomiarze (Terry, 2009). W rezultacie nie wiemy, jak przetwarzanie na różnych poziomach wpływa na uczenie się i pamięć (Baddeley, 1978; Nelson, 1977). Czas jest słabym kryterium poziomu, ponieważ niektóre przetwarzanie powierzchniowe (np. “Czy słowo ma następujący wzór liter: spółgłoska-samogłoska-spółgłoska-spółgłoska-samogłoska-spółgłoska?”) może trwać dłużej niż przetwarzanie semantyczne (“Czy to rodzaj ptaka?”). Czas przetwarzania w obrębie danego poziomu również nie wskazuje na głębsze przetwarzanie (Baddeley, 1978, 1998). Brak jasnego zrozumienia poziomów (głębokości) ogranicza użyteczność tej perspektywy.

Rozwiązanie tych problemów może wymagać połączenia poziomów przetwarzania z ideą dwupamięciową, aby stworzyć udoskonalony model pamięci. Na przykład, informacje w PM mogą być powiązane z wiedzą w DTP powierzchownie lub bardziej szczegółowo. Ponadto, dwa magazyny pamięci mogą obejmować poziomy przetwarzania w każdym magazynie. Kodowanie semantyczne w DTP może prowadzić do bardziej rozległej sieci informacji i bardziej znaczącego sposobu zapamiętywania informacji niż kodowanie powierzchniowe lub fonologiczne.

Poziom aktywacji

Alternatywna koncepcja pamięci, ale podobna do modeli dwupamięciowego i poziomów przetwarzania, utrzymuje, że struktury pamięci różnią się poziomem aktywacji (Anderson, 1990). W tym poglądzie nie mamy oddzielnych struktur pamięci, ale raczej jedną pamięć o różnych stanach aktywacji. Informacje mogą być w stanie aktywnym lub nieaktywnym. Gdy są aktywne, dostęp do informacji jest szybki. Stan aktywny jest utrzymywany tak długo, jak długo informacje są uwzględniane. Bez uwagi poziom aktywacji spadnie, w którym to przypadku informacje mogą zostać aktywowane, gdy struktura pamięci zostanie ponownie aktywowana (Collins & Loftus, 1975).

Aktywne informacje mogą obejmować informacje wchodzące do systemu przetwarzania informacji oraz informacje, które zostały zapisane w pamięci (Baddeley, 1998). Niezależnie od źródła, aktywne informacje są albo aktualnie przetwarzane, albo mogą być przetwarzane szybko. Aktywny materiał jest z grubsza synonimem PM, ale ta pierwsza kategoria jest szersza niż ta druga. PM obejmuje informacje w bezpośredniej świadomości, podczas gdy aktywna pamięć obejmuje te informacje plus materiał, do którego można łatwo uzyskać dostęp. Na przykład, jeśli odwiedzam ciocię Friedę i podziwiamy jej ogród kwiatowy, te informacje są w PM, ale inne informacje związane z podwórkiem cioci Friedy (drzewa, krzewy, pies) mogą być w stanie aktywnym.

Powtarzanie pozwala na utrzymywanie informacji w stanie aktywnym (Anderson, 1990). Podobnie jak w przypadku pamięci roboczej, tylko ograniczona liczba struktur pamięci może być aktywna w danym momencie. Wraz ze zmianą uwagi zmienia się poziom aktywacji.

Z ideą poziomu aktywacji spotykamy się ponownie w dalszej części tej lekcji (tj. teoria ACT Andersona), ponieważ koncepcja ta ma kluczowe znaczenie dla przechowywania informacji i ich odzyskiwania z pamięci. Podstawowa idea obejmuje rozprzestrzenianie się aktywacji, co oznacza, że jedna struktura pamięci może aktywować inną strukturę przylegającą (powiązaną) do niej (Anderson, 1990). Aktywacja rozprzestrzenia się z aktywnych do nieaktywnych części pamięci. Poziom aktywacji zależy od siły ścieżki, wzdłuż której rozprzestrzenia się aktywacja, oraz od liczby konkurujących (zakłócających) ścieżek. Rozprzestrzenianie się aktywacji staje się bardziej prawdopodobne wraz ze zwiększonym ćwiczeniem, które wzmacnia struktury, i mniej prawdopodobne wraz z długością interwału retencji, ponieważ siła słabnie.

Jedną z zalet teorii poziomu aktywacji jest to, że może ona wyjaśnić odzyskiwanie informacji z pamięci. Rezygnując z pojęcia oddzielnych magazynów pamięci, model eliminuje potencjalny problem przenoszenia informacji z jednego magazynu do drugiego. Pamięć krótkotrwała (PM) to ta część pamięci, która jest aktualnie aktywna. Aktywacja zanika z upływem czasu, chyba że powtarzanie utrzymuje informację w stanie aktywnym (Nairne, 2002).

Jednocześnie model poziomu aktywacji nie uniknął problemów dwupamięciowego, ponieważ on również dokonuje dychotomizacji systemu informacyjnego (aktywny-nieaktywny). Mamy również problem poziomu siły potrzebnego do przejścia informacji z jednego stanu do drugiego. Tak więc, intuicyjnie wiemy, że informacja może być częściowo aktywowana (np. hasło do krzyżówki “na końcu języka”—wiesz to, ale nie możesz sobie przypomnieć), więc możemy zapytać, ile aktywacji jest potrzebne, aby materiał został uznany za aktywny. Pomimo tych obaw, model poziomu aktywacji oferuje ważne spostrzeżenia dotyczące przetwarzania informacji.

Teraz zbadamy bardziej szczegółowo komponenty modelu dwupamięciowego: uwaga, percepcja, kodowanie, przechowywanie i odzyskiwanie (Shuell, 1986). Następna sekcja omawia uwagę; percepcja, kodowanie, przechowywanie i odzyskiwanie zostaną omówione w kolejnych sekcjach.