Інформаційна система обробки даних: теорія та моделі

Теоретики обробки інформації поставили під сумнів ідею, притаманну біхевіоризму, що навчання передбачає формування асоціацій між стимулами та реакціями. Теоретики обробки інформації не відкидають асоціації, оскільки вони постулюють, що формування асоціацій між частинками знань допомагає полегшити їхнє засвоєння та зберігання в пам'яті. Швидше, ці теоретики менше стурбовані зовнішніми умовами та більше зосереджені на внутрішніх (ментальних) процесах, які відбуваються між стимулами та реакціями. Учні є активними шукачами та обробниками інформації. На відміну від біхевіористів, які стверджували, що люди реагують, коли на них впливають стимули, теоретики обробки інформації стверджують, що люди вибирають і звертають увагу на особливості навколишнього середовища, трансформують і повторюють інформацію, співвідносять нову інформацію з попередньою

Теорії обробки інформації різняться у своїх поглядах на те, які когнітивні процеси є важливими і як вони діють, але вони поділяють деякі спільні припущення. Одне з них полягає в тому, що обробка інформації відбувається поетапно, що відбувається між отриманням стимулу та виробленням реакції. Наслідком є те, що форма інформації, або те, як вона представлена ментально, відрізняється залежно від етапу. Етапи якісно відрізняються один від одного.

Іншим припущенням є те, що обробка інформації аналогічна комп'ютерній обробці, принаймні метафорично. Людська система функціонує подібно до комп'ютера: вона отримує інформацію, зберігає її в пам'яті та отримує її за потреби. Когнітивна обробка надзвичайно ефективна; існує мало відходів або дублювань. Дослідники розходяться в тому, наскільки далеко вони поширюють цю аналогію. Для деяких комп'ютерна аналогія є не більше ніж метафорою. Інші використовують комп'ютери для моделювання діяльності людей. Галузь штучного інтелекту займається програмуванням комп'ютерів для залучення до людської діяльності, такої як мислення, використання мови та розв'язання проблем.

Дослідники також припускають, що обробка інформації залучена до всіх когнітивних видів діяльності: сприйняття, повторення, мислення, розв'язання проблем, запам'ятовування, забування та уявлення (Farnham-Diggory, 1992; Matlin, 2009; Mayer, 1996; Shuell, 1986; Terry, 2009). Обробка інформації виходить за межі людського навчання, як це традиційно визначається. Цей урок стосується в першу чергу тих інформаційних функцій, які найбільш важливі для навчання.

'Схема інформаційної моделі навчання та пам'яті' демонструє інформаційну модель, яка включає етапи обробки. Хоча ця модель є загальною, вона тісно відповідає класичній моделі, запропонованій Аткінсоном і Шиффріном (1968, 1971).

Обробка інформації починається, коли стимул (наприклад, візуальний, слуховий) впливає на один або декілька органів чуття (наприклад, слух, зір, дотик). Відповідний сенсорний регістр отримує вхідні дані та коротко утримує їх у сенсорній формі. Саме тут відбувається сприйняття (розпізнавання образів), яке є процесом надання значення вхідному стимулу. Зазвичай це не включає називання, оскільки називання вимагає часу, а інформація залишається в сенсорному регістрі лише на частку секунди. Швидше, сприйняття передбачає зіставлення вхідних даних із відомою інформацією.

Сенсорний регістр передає інформацію в короткочасну пам'ять (КПП). КПП є робочою пам'яттю (РП) і приблизно відповідає усвідомленню, або тому, що людина усвідомлює в певний момент. РП обмежена за обсягом. Міллер (1956) запропонував, що вона містить сім плюс-мінус дві одиниці інформації. Одиниця є значущим елементом: літерою, словом, числом або загальним виразом (наприклад, “хліб з маслом”). РП також обмежена за тривалістю; для того, щоб одиниці зберігалися в РП, їх необхідно повторювати (репетирувати). Без репетиції інформація втрачається через кілька секунд.

Поки інформація знаходиться в РП, активуються відповідні знання з довготривалої пам'яті (ДТП), або постійної пам'яті, і поміщаються в РП для інтеграції з новою інформацією. Щоб назвати всі столиці штатів, що починаються з літери А, студенти згадують назви штатів—можливо, за регіоном країни—і переглядають назви їхніх столиць. Коли студенти, які не знають столиці штату Меріленд, дізнаються “Аннаполіс”, вони можуть зберегти її з “Меріленд” у ДТП.

Дискусійним є питання, чи втрачається інформація з ДТП (тобто, чи забувається). Деякі дослідники стверджують, що так, тоді як інші кажуть, що нездатність пригадати відображає відсутність хороших підказок для пошуку, а не забування. Якщо Сара не може згадати ім'я своєї вчительки з третього класу (Мейплтон), вона може згадати, якщо їй дати підказку: “Подумай про дерева”. Незалежно від теоретичної перспективи, дослідники погоджуються, що інформація залишається в ДТП протягом тривалого часу.

Керуючі (виконавчі) процеси регулюють потік інформації в інформаційній системі. Репетиція є важливим керуючим процесом, який відбувається в РП. Для вербального матеріалу репетиція набуває форми повторення інформації вголос або субвокально. Інші керуючі процеси включають кодування (введення інформації в значущий контекст—питання, яке обговорюється у вступному сценарії), візуалізацію (візуальне представлення інформації), реалізацію правил прийняття рішень, організацію інформації, моніторинг рівня розуміння та використання стратегій пошуку, саморегуляції та мотивації.

Двокомпонентна модель може пояснити багато результатів досліджень. Одним із найбільш послідовних результатів досліджень є те, що коли людям дають список елементів для вивчення, вони, як правило, найкраще згадують початкові елементи (ефект первинності) та останні елементи (ефект нещодавності), як показано на графіку 'Крива позиції в серії, що показує помилки у відтворенні залежно від позиції елемента'. Згідно з двокомпонентною моделлю, початкові елементи отримують найбільше репетицій і переносяться до ДТП, тоді як останні елементи все ще знаходяться в РП на момент відтворення. Середні елементи згадуються найгірше, оскільки їх вже немає в РП на момент відтворення (їх витіснили наступні елементи), вони отримують менше репетицій, ніж початкові елементи, і вони не зберігаються належним чином у ДТП.

Проте, дослідження показують, що навчання може бути складнішим, ніж передбачає базова двокомпонентна модель (Baddeley, 1998). Однією з проблем є те, що ця модель не повністю визначає, як інформація переміщується з однієї пам'яті в іншу. Поняття керуючих процесів є правдоподібним, але розпливчастим. Ми можемо запитати: чому деякі вхідні дані переходять із сенсорних регістрів у РП, а інші ні? Які механізми вирішують, що інформація була достатньо репетирована і переносять її в ДТП? Як інформація в ДТП вибирається для активації? Інша проблема полягає в тому, що ця модель, здається, найкраще підходить для обробки вербального матеріалу. Незрозуміло, як відбувається невербальне представлення з матеріалом, який не можна легко вербалізувати, таким як сучасне мистецтво та добре сформовані навички.

Модель також розпливчаста щодо того, що насправді вивчається. Розглянемо людей, які вивчають списки слів. З беззмістовними складами їм потрібно вивчити самі слова та позиції, в яких вони з'являються. Коли вони вже знають слова, вони повинні лише вивчити позиції; наприклад, “кіт” з'являється на четвертій позиції, за ним слідує “дерево”. Люди повинні враховувати свою мету навчання та відповідно змінювати стратегії навчання. Який механізм контролює ці процеси?

Питання також у тому, чи всі компоненти системи використовуються постійно. РП корисна, коли люди набувають знання і їм потрібно пов'язати вхідну інформацію зі знаннями в ДТП. Але ми робимо багато речей автоматично: одягаємося, ходимо, їздимо на велосипеді, реагуємо на прості запити (наприклад, “Котра година?”). Для багатьох дорослих читання (декодування) і прості арифметичні обчислення є автоматичними процесами, які мало впливають на когнітивні процеси. Така автоматична обробка може не вимагати роботи РП. Як розвивається автоматична обробка і які механізми нею керують?

Ці та інші питання, які недостатньо добре розглядаються двокомпонентною моделлю (наприклад, роль мотивації в навчанні та розвиток саморегуляції), не спростовують модель; скоріше, це питання, які потрібно вирішити. Хоча двокомпонентна модель є найвідомішим прикладом теорії обробки інформації, багато дослідників не повністю її приймають (Matlin, 2009; Nairne, 2002). Альтернативні теорії, розглянуті в цьому уроці, - це рівні (або глибина) обробки та рівень активації, а також новіші теорії коннекціонізму та паралельної розподіленої обробки (PDP). Перш ніж компоненти двокомпонентної моделі будуть описані більш детально, обговорюються теорії рівнів обробки та рівня активації (коннекціонізм і PDP будуть розглянуті пізніше в цьому уроці).

Рівні (Глибина) Обробки

Теорія рівнів (глибини) обробки концептуалізує пам'ять відповідно до типу обробки, яку отримує інформація, а не до її розташування (Craik, 1979; Craik & Lockhart, 1972; Craik & Tulving, 1975; Lockhart, Craik, & Jacoby, 1976). Цей погляд не включає стадії або структурні компоненти, такі як РП або ДТП (Terry, 2009). Скоріше, існують різні способи обробки інформації (такі як рівні або глибина, на якій вона обробляється): фізичний (поверхневий), акустичний (фонологічний, звуковий), семантичний (значення). Ці три рівні є розмірними, причому фізична обробка є найбільш поверхневою (наприклад, «x» як символ, позбавлений значення, як обговорювали вчителі у вступному сценарії), а семантична обробка є найглибшою. Наприклад, уявіть, що ви читаєте, і наступне слово — «wren» (кропив'яник). Це слово може бути оброблене на поверхневому рівні (наприклад, воно не написано з великої літери), на фонологічному рівні (римується з «den»), або на семантичному рівні (маленький птах). Кожен рівень представляє більш складний (глибокий) тип обробки, ніж попередній рівень; обробка значення «wren» розширює інформаційний зміст елемента більше, ніж акустична обробка, яка розширює зміст більше, ніж обробка на поверхневому рівні.

Ці три рівні концептуально схожі на сенсорний регістр, РП і ДТП двокомпонентної моделі. Обидва погляди стверджують, що обробка стає більш складною з наступними стадіями або рівнями. Модель рівнів обробки, однак, не передбачає, що три типи обробки становлять стадії. У рівнях обробки не обов'язково переходити до наступного процесу, щоб займатися більш складною обробкою; глибина обробки може варіюватися в межах рівня. «Wren» може отримати семантичну обробку низького рівня (маленький птах) або більш розширену семантичну обробку (його подібність і відмінність від інших птахів).

Інша відмінність між двома моделями обробки інформації стосується порядку обробки. Двокомпонентна модель передбачає, що інформація обробляється спочатку сенсорним регістром, потім РП і, нарешті, ДТП. Модель рівнів обробки не робить послідовного припущення. Щоб бути обробленою на рівні значення, інформація не повинна бути спочатку оброблена на поверхневому і звуковому рівнях (окрім тієї обробки, яка необхідна для отримання інформації) (Lockhart et al., 1976).

Дві моделі також мають різні погляди на те, як тип обробки впливає на пам'ять. У рівнях обробки, чим глибший рівень, на якому обробляється елемент, тим краща пам'ять, оскільки слід пам'яті більш укорінений. Вчителі у вступному сценарії стурбовані тим, як вони можуть допомогти учням обробляти алгебраїчну інформацію на глибшому рівні. Після того, як елемент оброблено в певній точці в межах рівня, додаткова обробка в цій точці не повинна покращувати пам'ять. На відміну від цього, двокомпонентна модель стверджує, що пам'ять можна покращити за допомогою додаткової обробки того ж типу. Ця модель передбачає, що чим більше список елементів повторюється, тим краще він буде відтворений.

Деякі дослідницькі дані підтверджують рівні обробки. Craik і Tulving (1975) представляли людям слова. Коли кожне слово було представлене, їм давали питання, на яке потрібно було відповісти. Питання були розроблені для полегшення обробки на певному рівні. Для поверхневої обробки людей запитували: «Чи слово написано великими літерами?». Для фонологічної обробки їх запитували: «Чи римується слово з «train» (поїзд)?». Для семантичної обробки: «Чи підійде слово в речення «Він зустрів _____ на вулиці»?». Час, який люди витрачали на обробку на різних рівнях, контролювався. Їх відтворення було найкращим, коли елементи оброблялися на семантичному рівні, наступним найкращим — на фонологічному рівні, і найгіршим — на поверхневому рівні. Ці результати показують, що забування більш імовірне при поверхневій обробці і не пов'язане з втратою інформації з РП або ДТП.

Рівні обробки передбачають, що розуміння учнів краще, коли матеріал обробляється на глибших рівнях. Glover, Plake, Roberts, Zimmer і Palmere (1981) виявили, що прохання до учнів перефразовувати ідеї під час читання есе значно покращувало відтворення порівняно з діяльністю, яка не спиралася на попередні знання (наприклад, визначення ключових слів в есе). Інструкції читати повільно і уважно не допомагали учням під час відтворення.

Незважаючи на ці позитивні результати, теорія рівнів обробки має проблеми. Одна з проблем полягає в тому, чи завжди семантична обробка є глибшою, ніж інші рівні. Звуки деяких слів (kaput) є принаймні такими ж виразними, як і їх значення («зруйнований»). Насправді, відтворення залежить не тільки від рівня обробки, але й від типу завдання на відтворення. Morris, Bransford і Franks (1977) виявили, що, враховуючи стандартне завдання на відтворення, семантичне кодування давало кращі результати, ніж римування; однак, враховуючи завдання на відтворення з акцентом на римування, питання про римування під час кодування давало краще відтворення, ніж семантичні питання. Moscovitch і Craik (1976) припустили, що глибша обробка під час навчання призводить до вищого потенціалу продуктивності пам'яті, але цей потенціал буде реалізований лише тоді, коли умови під час вилучення відповідають умовам під час навчання.

Інша проблема з теорією рівнів обробки полягає в тому, чи додаткова обробка на тому ж рівні дає краще відтворення. Nelson (1977) дав учасникам одне або два повторення кожного стимулу (слова), обробленого на тому ж рівні. Два повторення дали краще відтворення, всупереч гіпотезі рівнів обробки. Інші дослідження показують, що додаткове повторення матеріалу полегшує утримання і відтворення, а також автоматизм обробки (Anderson, 1990; Jacoby, Bartz, & Evans, 1978).

Останнє питання стосується природи рівня. Дослідники стверджували, що поняття глибини є розмитим, як у його визначенні, так і у вимірюванні (Terry, 2009). В результаті ми не знаємо, як обробка на різних рівнях впливає на навчання і пам'ять (Baddeley, 1978; Nelson, 1977). Час є поганим критерієм рівня, оскільки деяка поверхнева обробка (наприклад, «Чи має слово наступну літерну структуру: приголосний-голосний-приголосний-приголосний-голосний-приголосний?») може зайняти більше часу, ніж семантична обробка («Чи це вид птаха?»). Час обробки в межах даного рівня також не є показником глибшої обробки (Baddeley, 1978, 1998). Відсутність чіткого розуміння рівнів (глибини) обмежує корисність цієї перспективи.

Вирішення цих питань може вимагати поєднання рівнів обробки з двокомпонентною ідеєю для створення вдосконаленої моделі пам'яті. Наприклад, інформація в РП може бути пов'язана зі знаннями в ДТП поверхнево або більш детально. Крім того, два сховища пам'яті можуть включати рівні обробки в межах кожного сховища. Семантичне кодування в ДТП може призвести до більш розгалуженої мережі інформації та більш значущого способу запам'ятовування інформації, ніж поверхневе або фонологічне кодування.

Рівень Активації

Альтернативна концепція пам'яті, але подібна до двокомпонентної моделі і моделі рівнів обробки, стверджує, що структури пам'яті різняться за рівнем активації (Anderson, 1990). Згідно з цим поглядом, у нас немає окремих структур пам'яті, а скоріше одна пам'ять з різними станами активації. Інформація може бути в активному або неактивному стані. В активному стані інформація може бути швидко доступна. Активний стан підтримується до тих пір, поки інформація отримує увагу. Без уваги рівень активації буде знижуватися, і в цьому випадку інформація може бути активована, коли структура пам'яті буде повторно активована (Collins & Loftus, 1975).

Активна інформація може включати інформацію, що надходить в систему обробки інформації, і інформацію, яка була збережена в пам'яті (Baddeley, 1998). Незалежно від джерела, активна інформація або обробляється в даний час, або може бути оброблена швидко. Активний матеріал приблизно синонімічний РП, але попередня категорія є ширшою, ніж остання. РП включає інформацію в безпосередній свідомості, тоді як активна пам'ять включає цю інформацію плюс матеріал, до якого можна легко отримати доступ. Наприклад, якщо я відвідую тітку Фріду і ми милуємося її квітником, ця інформація знаходиться в РП, але інша інформація, пов'язана з подвір'ям тітки Фріди (дерева, кущі, собака), може перебувати в активному стані.

Репетиція дозволяє підтримувати інформацію в активному стані (Anderson, 1990). Як і у випадку з робочою пам'яттю, лише обмежена кількість структур пам'яті може бути активною в даний момент часу. У міру того, як увага перемикається, рівень активації змінюється.

Ми знову зустрічаємося з ідеєю рівня активації пізніше в цьому уроці (тобто теорія ACT Андерсона), тому що концепція має вирішальне значення для зберігання інформації та її вилучення з пам'яті. Основне поняття включає поширення активації, що означає, що одна структура пам'яті може активувати іншу структуру, суміжну (пов'язану) з нею (Anderson, 1990). Активація поширюється від активних до неактивних частин пам'яті. Рівень активації залежить від сили шляху, по якому поширюється активація, і від кількості конкуруючих (інтерферуючих) шляхів. Поширення активації стає більш імовірним при збільшенні практики, що зміцнює структури, і менш імовірним при збільшенні інтервалу утримання, оскільки сила слабшає.

Однією з переваг теорії рівня активації є те, що вона може пояснити вилучення інформації з пам'яті. Відмовившись від поняття окремих сховищ пам'яті, модель усуває потенційну проблему передачі інформації з одного сховища в інше. КТП (РП) — це та частина пам'яті, яка в даний час активна. Активація згасає з плином часу, якщо тільки репетиція не підтримує інформацію в активному стані (Nairne, 2002).

У той же час, модель рівня активації не уникла проблем двокомпонентної моделі, оскільки вона також дихотомізує інформаційну систему (активна-неактивна). У нас також є проблема рівня сили, необхідного для переходу інформації з одного стану в інший. Таким чином, ми інтуїтивно знаємо, що інформація може бути частково активована (наприклад, елемент кросворду на «кінчику язика» — ви це знаєте, але не можете пригадати), тому ми можемо запитати, скільки активації потрібно, щоб матеріал вважався активним. Незважаючи на ці занепокоєння, модель рівня активації пропонує важливі відомості про обробку інформації.

Зараз ми більш детально розглянемо компоненти двокомпонентної моделі: увагу, сприйняття, кодування, зберігання і вилучення (Shuell, 1986). У наступному розділі обговорюється увага; сприйняття, кодування, зберігання і вилучення розглядаються в наступних розділах.