Kahden varaston muistimalli: Tietojenkäsittelyteoria & Muistin ymmärtäminen

Kaksiportainen (duaali) muistimalli toimii perustavanlaatuisena tiedonkäsittelynäkökulmanamme oppimiseen ja muistiin, vaikka kuten aiemmin todettiin, kaikki tutkijat eivät hyväksy tätä mallia (Matlin, 2009). Sanallisen oppimisen tutkimusta käsitellään seuraavaksi historiallisen taustan tarjoamiseksi.

Ärsyke-vaste-assosiaatiot

Verbaalisen oppimisen tutkimuksen sysäys tuli Ebbinghausin työstä, joka tulkitsi oppimisen verbaalisten ärsykkeiden (sanat, merkityksettömät tavut) välisten assosiaatioiden asteittaisena vahvistumisena. Toistuvien paritusten myötä vaste dij yhdistyi yhä vahvemmin ärsykkeeseen wek. Myös muut vasteet saattoivat yhdistyä wek:iin opittaessa parillisten merkityksettömien tavujen luetteloa, mutta nämä assosiaatiot heikkenivät kokeiden myötä.

Ebbinghaus osoitti, että kolme tärkeää tekijää, jotka vaikuttavat luettelon oppimisen helppouteen tai nopeuteen, ovat kohteiden mielekkyys, niiden välinen samankaltaisuus ja opiskelukertojen välinen aika (Terry, 2009). Sanat (mielekkäät kohteet) opitaan helpommin kuin merkityksettömät tavut. Samankaltaisuuden osalta, mitä enemmän kohteet muistuttavat toisiaan, sitä vaikeampi niitä on oppia. Merkityksen tai äänen samankaltaisuus voi aiheuttaa sekaannusta. Yksilö, jota pyydetään oppimaan useita synonyymejä, kuten valtava, suuri, jättiläismäinen ja suunnattoman suuri, ei ehkä muista joitain näistä, vaan saattaa muistaa sanoja, jotka ovat merkitykseltään samankaltaisia, mutta eivät ole luettelossa (iso, behemot). Merkityksettömien tavujen kanssa sekaannusta syntyy, kun samoja kirjaimia käytetään eri asemissa (xqv, khq, vxh, qvk). Opiskelukertojen välinen aika voi vaihdella lyhyestä (tiivis harjoittelu) pidempään (hajautettu harjoittelu). Kun häiriö on todennäköistä (käsitellään myöhemmin tässä oppitunnissa), hajautettu harjoittelu tuottaa paremman oppimisen (Underwood, 1961).

Oppimistehtävät

Verbaalisen oppimisen tutkijat käyttivät yleisesti kolmea oppimistehtävätyyppiä: sarja-, pari-assosiaatio- ja vapaa palautus. Sarjaoppimisessa ihmiset palauttavat verbaaliset ärsykkeet siinä järjestyksessä, jossa ne esitettiin. Sarjaoppiminen on mukana sellaisissa koulutehtävissä kuin runon tai ongelmanratkaisustrategian vaiheiden muistaminen. Monien sarjaoppimistutkimusten tulokset tuottavat tyypillisesti sarja-aseman käyrän. Luettelon alussa ja lopussa olevat sanat opitaan helposti, kun taas keskimmäiset kohteet vaativat enemmän kokeita oppimiseen. Sarja-aseman vaikutus voi johtua eri asemien erottuvuuden eroista. Ihmisten on muistettava paitsi itse kohteet myös niiden sijainnit luettelossa. Luettelon päät näyttävät olevan erottuvampia ja ovat siksi “parempia” ärsykkeitä kuin luettelon keskimmäiset kohdat.

Pari-assosiaatio-oppimisessa yksi ärsyke annetaan yhdelle vastineelle (esim. kissa-puu, vene-katto, penkki-koira). Osallistujat vastaavat oikealla vastineella ärsykkeen esittämisen jälkeen. Pari-assosiaatio-oppimisessa on kolme näkökohtaa: ärsykkeiden erottaminen, vastineiden oppiminen ja sen oppiminen, mitkä vastineet liittyvät mihinkin ärsykkeisiin. Keskustelua on käyty siitä, miten pari-assosiaatio-oppiminen tapahtuu ja mikä on kognitiivisen välityksen rooli. Tutkijat olettivat alun perin, että oppiminen oli asteittaista ja että jokainen ärsyke–vaste-assosiaatio vahvistui vähitellen. Tätä näkemystä tuki tyypillinen oppimiskäyrä. Virheiden määrä, jonka ihmiset tekevät, on korkea alussa, mutta virheet vähenevät luettelon toistuvien esitysten myötä.

Estesin (1970) ja muiden tutkimus ehdotti erilaista näkökulmaa. Vaikka luettelon oppiminen paranee toistojen myötä, minkä tahansa annetun kohteen oppimisella on kaikki-tai-ei-mitään -luonne: oppija joko tietää oikean assosiaation tai ei tiedä sitä. Kokeiden myötä opittujen assosiaatioiden määrä kasvaa. Toinen kysymys koskee kognitiivista välitystä. Sen sijaan, että vain muistettaisiin vastineita, oppijat usein sisällyttävät oman organisaationsa tehdäkseen materiaalista mielekästä. He voivat käyttää kognitiivisia välittäjiä yhdistääkseen ärsykesanat niiden vastineisiin. Parille kissa-puu voisi kuvitella kissan kiipeämässä puuhun tai ajatella lausetta: “Kissa kiipesi puuhun.” Kun esitetään kissa, palautetaan mieliin kuva tai lause ja vastataan puu. Tutkimukset osoittavat, että verbaaliset oppimisprosessit ovat monimutkaisempia kuin alun perin uskottiin (Terry, 2009).

Vapaassa palautusoppimisessa oppijoille esitetään luettelo kohteista ja he palauttavat ne missä tahansa järjestyksessä. Vapaa palautus soveltuu hyvin muistin helpottamiseksi asetettuun organisaatioon. Usein palautuksen aikana oppijat ryhmittävät sanoja, jotka on esitetty kaukana toisistaan alkuperäisessä luettelossa. Ryhmittelyt perustuvat usein samanlaiseen merkitykseen tai jäsenyyteen samassa kategoriassa (esim. kivet, hedelmät, vihannekset).

Klassisessa kategoriaryhmittelyn ilmiön demonstraatiossa oppijoille esitettiin luettelo 60 substantiivista, joista 15 oli peräisin seuraavista luokista: eläimet, nimet, ammatit ja vihannekset (Bousfield, 1953). Sanat esitettiin satunnaisessa järjestyksessä; oppijoilla oli kuitenkin taipumus palauttaa saman luokan jäseniä yhdessä. Ryhmittelytendenssi kasvaa luettelon toistojen myötä (Bousfield & Cohen, 1953) ja kohteiden pidempien esitysaikojen myötä (Cofer, Bruce & Reicher, 1966). Ryhmittelyä on tulkittu assosiationistisissa termeissä (Wood & Underwood, 1967); eli yhdessä palautetut sanat liittyvät yleensä normaaleissa olosuhteissa joko suoraan toisiinsa (esim. päärynä-omena) tai kolmanteen sanaan (hedelmä). Kognitiivinen selitys on, että yksilöt oppivat sekä esitetyt sanat että luokat, joihin ne kuuluvat (Cooper & Monk, 1976). Luokkien nimet toimivat välittävinä vihjeinä: pyydettäessä palauttamaan, oppijat noutavat luokkien nimet ja sitten niiden jäsenet. Ryhmittely tarjoaa näkemystä ihmisen muistin rakenteeseen ja tukee Gestalt-ajattelua, jonka mukaan yksilöt organisoivat kokemuksensa.

Verbaalisen oppimisen tutkimus tunnisti verbaalisen materiaalin hankinnan ja unohtamisen kulun. Samalla ajatus, että assosiaatiot voisivat selittää verbaalisen materiaalin oppimista, oli yksinkertaistettu. Tämä kävi ilmi, kun tutkijat siirtyivät yksinkertaisesta luettelon oppimisesta mielekkäämpään tekstistä oppimiseen. Voidaan kyseenalaistaa merkityksettömien tavujen tai mielivaltaisella tavalla paritettujen sanojen luetteloiden oppimisen merkitys. Koulussa verbaalista oppimista tapahtuu mielekkäissä yhteyksissä, esimerkiksi sanapareja (esim. osavaltiot ja niiden pääkaupungit, vieraiden sanojen englanninkieliset käännökset), järjestettyjä lauseita ja virkkeitä (esim. runoja, lauluja) ja sanaston sanojen merkityksiä. Oppimisen ja muistin tietojenkäsittelynäkymien myötä monet verbaalisen oppimisen teoreetikkojen esittämät ajatukset hylättiin tai niitä muutettiin huomattavasti. Tutkijat käsittelevät yhä enemmän kontekstista riippuvan verbaalisen materiaalin oppimista ja muistamista (Bruning, Schraw, Norby & Ronning, 2004). Siirrymme nyt keskeiseen tietojenkäsittelyaiheeseen—työmuistiin.

Kaksiulotteisessa mallissa, kun ärsyke on huomioitu ja havaittu, se siirtyy lyhytkestoiseen (työ)muistiin (STM tai WM; Baddeley, 1992, 1998, 2001; Terry, 2009). Työmuisti on välittömän tietoisuuden muistimme. Työmuisti suorittaa kaksi kriittistä toimintoa: ylläpidon ja palautuksen (Unsworth & Engle, 2007). Saapuva tieto pidetään aktiivisena lyhyen aikaa, ja sitä työstetään harjoittelemalla tai yhdistämällä se pitkäkestoisesta muistista (LTM) haettuun tietoon. Opiskelijoiden lukiessa tekstiä, työmuisti pitää muutaman sekunnin ajan viimeiset sanat tai lauseet, jotka he lukivat. Opiskelijat saattavat yrittää muistaa tietyn kohdan toistamalla sitä useita kertoja (harjoittelu) tai kysymällä, miten se liittyy aiemmin kurssilla käsiteltyyn aiheeseen (liittyy tietoon pitkäkestoisessa muistissa). Toisena esimerkkinä oletetaan, että opiskelija kertoo luvun 45 luvulla 7. Työmuisti pitää nämä luvut (45 ja 7) sekä lukujen 5 ja 7 tulon (35), muistissa olevan luvun (3) ja vastauksen (315). Työmuistissa oleva tieto ( ) verrataan pitkäkestoisessa muistissa aktivoituun tietoon ( ). Myös pitkäkestoisessa muistissa aktivoidaan kertolaskualgoritmi, ja nämä menettelyt ohjaavat opiskelijan toimia.

Tutkimus on antanut kohtuullisen yksityiskohtaisen kuvan työmuistin toiminnasta. Työmuistin kesto on rajallinen: jos tietoihin ei reagoida nopeasti, työmuistissa olevat tiedot heikkenevät. Eräässä klassisessa tutkimuksessa (Peterson & Peterson, 1959) osallistujille esitettiin merkityksetön tavu (esim. khv), minkä jälkeen he suorittivat aritmeettisen tehtävän ennen kuin yrittivät muistaa tavua. Aritmeettisen tehtävän tarkoituksena oli estää oppijoita harjoittelemasta tavua, mutta koska numeroita ei tarvinnut tallentaa, ne eivät häirinneet tavun tallentamista työmuistiin. Mitä kauemmin osallistujat viettivät häiritsevän toiminnan parissa, sitä huonompi oli heidän muistamisensa merkityksettömästä tavusta. Nämä havainnot viittaavat siihen, että työmuisti on hauras; tieto menetetään nopeasti, jos sitä ei opita hyvin. Jos sinulle esimerkiksi annetaan puhelinnumero, johon soittaa, mutta sitten huomiosi herpaantuu ennen kuin pystyt soittamaan tai kirjoittamaan sen muistiin, et ehkä pysty muistamaan sitä.

Myös työmuistin kapasiteetti on rajallinen: se voi pitää vain pienen määrän tietoa. Miller (1956) ehdotti, että työmuistin kapasiteetti on seitsemän plus tai miinus kaksi kohdetta, jossa kohteet ovat sellaisia mielekkäitä yksiköitä kuin sanat, kirjaimet, numerot ja yleiset ilmaisut. Tietomäärää voidaan lisätä chunking-menetelmällä eli yhdistämällä tietoa mielekkäällä tavalla. Puhelinnumero 555-1960 koostuu seitsemästä kohteesta, mutta se voidaan helposti jakaa kahteen seuraavasti: “Kolme vitosta plus vuosi, jolloin Kennedy valittiin presidentiksi.”

Sternbergin (1969) muistin skannausta koskeva tutkimus tarjoaa näkemystä siitä, miten tietoa haetaan työmuistista. Osallistujille esitettiin nopeasti pieni määrä numeroita, jotka eivät ylittäneet työmuistin kapasiteettia. Sitten heille annettiin testinumero ja heitä pyydettiin selvittämään, oliko se alkuperäisessä joukossa. Koska oppiminen oli helppoa, osallistujat tekivät harvoin virheitä; kun kuitenkin alkuperäinen joukko kasvoi kahdesta kuuteen kohteeseen, vastausaika pidentyi noin 40 millisekuntia kutakin lisäkohdetta kohden. Sternberg päätteli, että ihmiset hakevat tietoa aktiivisesta muistista skannaamalla kohteita peräkkäin.

Kontrolliprosessit (johtamistoiminnot) ohjaavat tiedon käsittelyä työmuistissa sekä tiedon siirtämistä työmuistiin ja sieltä pois (Baddeley, 2001). Kontrolliprosesseihin kuuluvat harjoittelu, ennustaminen, tarkistaminen, seuranta ja metakognitiiviset toiminnot. Kontrolliprosessit ovat tavoitteellisia; ne valitsevat ihmisten suunnitelmien ja aikomusten kannalta olennaisen tiedon eri aistireseptoreista. Tärkeäksi katsottu tieto harjoitellaan. Harjoittelu (tiedon toistaminen itselleen ääneen tai hiljaa) voi ylläpitää tietoa työmuistissa ja parantaa muistamista (Baddeley, 2001; Rundus, 1971; Rundus & Atkinson, 1970).

Ympäristöstä tai itsestä lähtöisin olevat vihjeet aktivoivat osan pitkäkestoisesta muistista, joka on sitten helpommin saatavilla työmuistiin. Tämä aktivoitu muisti sisältää esityksen äskettäin tapahtuneista tapahtumista, kuten kuvauksen kontekstista ja sisällöstä. On kiistanalaista, muodostaako aktiivinen muisti erillisen muistivaraston vai pelkästään aktivoidun osan pitkäkestoisesta muistista. Aktivaationäkemyksen mukaan harjoittelu pitää tiedon työmuistissa. Harjoittelun puuttuessa tieto heikkenee ajan myötä (Nairne, 2002). Työmuistin toiminnan tutkimuksesta ollaan edelleen erittäin kiinnostuneita (Davelaar, Goshen-Gottstein, Ashkenazi, Haarmann ja Usher, 2005).

Työmuistilla on kriittinen rooli oppimisessa. Verrattuna normaalisti menestyviin opiskelijoihin, niillä, joilla on matemaattisia ja lukemisvaikeuksia, on heikompi työmuistin toiminta (Andersson & Lyxell, 2007; Swanson, Howard & Sáez, 2006). Keskeinen opetuksellinen implikaatio on, ettei opiskelijoiden työmuistia pidä ylikuormittaa esittämällä liikaa materiaalia kerralla tai liian nopeasti. Tarvittaessa opettajat voivat esittää tietoa visuaalisesti ja sanallisesti varmistaakseen, että opiskelijat säilyttävät sen työmuistissa riittävän kauan, jotta he voivat käsitellä sitä kognitiivisesti (esim. liittää sen pitkäkestoisessa muistissa olevaan tietoon).

Tiedon esittäminen pitkäkestoisessa muistissa riippuu frekvenssistä ja läheisyydestä (Baddeley, 1998). Mitä useammin tosiasia, tapahtuma tai idea kohdataan, sitä vahvempi on sen esitys muistissa. Lisäksi kaksi kokemusta, jotka tapahtuvat lähellä toisiaan ajallisesti, ovat todennäköisesti linkittyneet muistissa, jolloin toisen muistuessa mieleen toinen aktivoituu. Näin ollen tieto pitkäkestoisessa muistissa esitetään assosiatiivisissa rakenteissa. Nämä assosiaatiot ovat kognitiivisia, toisin kuin ehdollistamisteorioiden assosiaatiot, jotka ovat behavioraalisia (ärsykkeet ja vasteet).

Tiedonkäsittelymallit käyttävät usein tietokoneita analogioina, mutta joitakin tärkeitä eroja on olemassa, jotka korostuvat assosiatiivisissa rakenteissa. Ihmisen muisti on sisällön perusteella haettavissa: Samasta aiheesta oleva tieto on tallennettu yhteen, joten tiedon etsiminen johtaa todennäköisimmin tiedon muistamiseen (Baddeley, 1998). Sen sijaan tietokoneet ovat sijainnin perusteella haettavissa: Tietokoneille on kerrottava, mihin tieto tallennetaan. Tiedostojen tai datajoukkojen läheisyys kiintolevyllä muihin tiedostoihin tai datajoukkoihin on täysin mielivaltaista. Toinen ero on, että tieto on tallennettu tarkasti tietokoneisiin. Ihmisen muisti on vähemmän tarkka, mutta usein värikkäämpi ja informatiivisempi. Nimi Daryl Crancake on tallennettu tietokoneen muistiin muodossa "Daryl Crancake". Ihmisen muistissa se voidaan tallentaa muodossa "Daryl Crancake" tai vääristyä muotoon "Darrell", "Darel" tai "Derol" ja "Cupcake", "Cranberry" tai "Crabapple".

Hyödyllinen analogia ihmismielelle on kirjasto. Kirjaston tieto on sisällön perusteella haettavissa, koska samasta aiheesta olevat kirjat on tallennettu samojen luokitusnumeroiden alle. Mielen tieto (kuten kirjastossa) on myös ristiviitattu (Calfee, 1981). Tietoa, joka leikkaa eri sisältöalueita, voidaan käyttää kummankin alueen kautta. Esimerkiksi Amylla voi olla muistipaikka, joka on omistettu hänen 21-vuotissyntymäpäivälleen. Muisti sisältää mitä hän teki, kenen kanssa hän oli ja mitä lahjoja hän sai. Nämä aiheet voidaan ristiviitata seuraavasti: Jazz-CD:t, jotka hän sai lahjaksi, on ristiviitattu musiikkia käsittelevässä muistipaikassa. Se, että hänen naapurinsa osallistui, on tallennettu naapuria ja naapurustoa käsittelevään muistipaikkaan.

Pitkäkestoisessa muistissa tallennetun tiedon rikkaus vaihtelee. Jokaisella ihmisellä on eläviä muistoja miellyttävistä ja epämiellyttävistä kokemuksista. Nämä muistot voivat olla tarkkoja yksityiskohdissaan. Muut muistissa tallennetut tiedon tyypit ovat arkipäiväisiä ja persoonattomia: sanojen merkitykset, aritmeettiset operaatiot ja otteita kuuluisista asiakirjoista.

Muistien välisten erojen huomioon ottamiseksi Tulving (1972, 1983) ehdotti episodisen ja semanttisen muistin välistä eroa. Episodinen muisti sisältää tietoa, joka liittyy tiettyihin aikoihin ja paikkoihin, joka on henkilökohtaista ja omaelämäkerrallista. Se, että sana kissa esiintyy kolmannessa kohdassa opitussa sanalistassa, on esimerkki episodisesta tiedosta, samoin kuin tieto siitä, mitä Amy teki 21-vuotissyntymäpäivänään. Semanttinen muisti sisältää yleistä tietoa ja käsitteitä, jotka ovat saatavilla ympäristössä ja jotka eivät ole sidoksissa tiettyyn kontekstiin. Esimerkkejä ovat sanat "Tähtilippuviirille" ja veden kemiallinen kaava ( ). Koulussa opitut tiedot, taidot ja käsitteet ovat semanttisia muistoja. Nämä kaksi muistityyppiä yhdistetään usein, kuten silloin, kun lapsi kertoo vanhemmalleen: "Tänään koulussa opin [episodinen muisti], että toinen maailmansota päättyi vuonna 1945 [semanttinen muisti]."

Tutkijat ovat tutkineet deklaratiivisen ja proseduraalisen muistin välisiä eroja (Gupta & Cohen, 2002). Deklaratiivinen muisti sisältää uusien tapahtumien ja kokemusten muistamisen. Tieto tallennetaan tyypillisesti deklaratiiviseen muistiin nopeasti, ja se on muisti, joka on eniten heikentynyt amnesiaa sairastavilla potilailla. Proseduraalinen muisti on muisti taidoille, menetelmille ja kielille. Proseduraalisen muistin tieto tallennetaan vähitellen—usein laajan harjoittelun avulla—ja sitä voi olla vaikea kuvailla (esim. polkupyörällä ajaminen). Palaamme tähän eroon pian.

Toinen tärkeä kysymys koskee sitä muotoa tai rakennetta, jossa pitkäkestoinen muisti tallentaa tietoa. Paivio (1971) ehdotti, että tieto tallennetaan verbaalisessa ja visuaalisessa muodossa, joista kukin on toiminnallisesti itsenäinen, mutta yhteydessä toisiinsa. Konkreettiset objektit (esim. koira, puu, kirja) tallennetaan yleensä kuvina, kun taas abstraktit käsitteet (esim. rakkaus, totuus, rehellisyys) ja kielelliset rakenteet (esim. kieliopit) tallennetaan verbaalisina koodeina. Tietoa voidaan tallentaa sekä visuaalisesti että verbaalisesti: Sinulla voi olla kuvallinen esitys kodistasi ja osaat myös kuvailla sitä sanallisesti. Paivio postuloi, että jokaiselle tiedon osalle yksilöllä on ensisijainen tallennustila, joka aktivoituu herkemmin kuin toinen. Kaksinkoodattu tieto voidaan muistaa paremmin, millä on tärkeitä kasvatuksellisia vaikutuksia ja joka vahvistaa uuden materiaalin selittämisen (verbaalisen) ja demonstroimisen (visuaalisen) yleisen opetusperiaatteen (Clark & Paivio, 1991).

Paivion työtä käsitellään tarkemmin henkisen kuvaston alla myöhemmin tässä oppitunnissa. Hänen näkemyksiään on kritisoitu sillä perusteella, että visuaalinen muisti ylittää aivojen kapasiteetin ja vaatii jonkin aivomekanismin kuvien lukemiseen ja kääntämiseen (Pylyshyn, 1973). Jotkut teoreetikot väittävät, että tieto tallennetaan vain verbaalisesti (Anderson, 1980; Collins & Quillian, 1969; Newell & Simon, 1972; Norman & Rumelhart, 1975). Verbaaliset mallit eivät kiellä, että tietoa voidaan esittää kuvallisesti, mutta postuloivat, että lopullinen koodi on verbaalinen ja että muistissa olevat kuvat rekonstruoidaan verbaalisista koodeista. Taulukko 'Muistijärjestelmien ominaisuudet ja erot' osoittaa joitakin muistijärjestelmien ominaisuuksia ja eroja.

Pitkäkestoisen muistin assosiatiiviset rakenteet ovat propositionaalisia verkostoja eli toisiinsa yhdistettyjä joukkoja, jotka koostuvat solmuista tai tiedon biteistä (Anderson, 1990; Calfee, 1981; katso seuraava osa). Propositio on pienin tiedon yksikkö, jonka voidaan arvioida olevan tosi tai epätosi. Lausunnon "80-vuotias setäni sytytti hirvittävän sikarinsa" koostuu seuraavista propositioista:

• Minulla on setä.
• Hän on 80-vuotias.
• Hän sytytti sikarin.
• Sikari on hirvittävä.

Pitkäkestoisessa muistissa esitetään erilaisia propositionaalisen tiedon tyyppejä. Deklaratiivinen tieto viittaa tosiasioihin, subjektiivisiin uskomuksiin, käsikirjoituksiin (esim. tarinan tapahtumat) ja järjestettyihin osiin (esim. Itsenäisyysjulistus). Proseduraalinen tieto koostuu käsitteistä, säännöistä ja algoritmeista. Deklaratiivisen ja proseduraalisen tiedon välistä eroa kutsutaan myös eksplisiittiseksi ja implisiittiseksi tiedoksi (Sun, Slusarz & Terry, 2005). Deklaratiivista ja proseduraalista tietoa käsitellään tässä oppitunnissa. Ehdollinen tieto on tietämistä, milloin deklaratiivisia ja proseduraalisia tiedon muotoja käytetään ja miksi se on hyödyllistä (Gagné, 1985; Paris, Lipson & Wixson, 1983).

Tiedonkäsittelyteoriat väittävät, että oppimista voi tapahtua ilman avointa käyttäytymistä, koska oppiminen sisältää propositionaalisten verkostojen muodostamisen tai muokkaamisen; avoin suorituskyky vaaditaan kuitenkin tyypillisesti sen varmistamiseksi, että opiskelijat ovat hankkineet taitoja. Tutkimus ammattitaitoisista toimista (esim. matemaattisten ongelmien ratkaiseminen) osoittaa, että ihmiset suorittavat tyypillisesti käyttäytymismalleja suunniteltujen segmenttien sarjan mukaan (Ericsson ym., 1993; Fitts & Posner, 1967; VanLehn, 1996). Yksilöt valitsevat suorituskykyrutiinin, jonka he odottavat tuottavan halutun tuloksen, seuraavat säännöllisesti suorituksiaan, tekevät tarvittavia korjauksia ja muuttavat suorituksiaan korjaavan palautteen jälkeen. Koska suoritusten on usein muututtava kontekstuaalisten vaatimusten mukaan, ihmiset huomaavat, että taitojen harjoittelu sopeutuen eri tilanteissa on hyödyllistä.

Siirto viittaa muistissa olevien propositioiden välisiin linkkeihin ja riippuu tiedon ristiviittauksesta tai tiedon käytöstä, joka on tallennettu sen mukana. Opiskelijat ymmärtävät, että taitoja ja käsitteitä voidaan soveltaa eri aloilla, jos kyseinen tieto on tallennettu vastaaviin verkostoihin. Opettamalla opiskelijoille, miten tietoa voidaan soveltaa eri yhteyksissä, varmistetaan, että asianmukainen siirto tapahtuu.

Koodaus on prosessi, jossa uutta (saapuvaa) tietoa syötetään tiedonkäsittelyjärjestelmään ja valmistellaan se varastoitavaksi pitkäkestoiseen muistiin (LTM). Koodaus toteutetaan yleensä tekemällä uudesta tiedosta merkityksellistä ja integroimalla se tunnettuun tietoon LTM:ssä. Vaikka tiedon ei tarvitse olla merkityksellistä oppiakseen – henkilö, joka ei tunne geometriaa, voisi opetella Pythagoraan lauseen ymmärtämättä sen merkitystä: merkityksellisyys parantaa oppimista ja muistamista.

Ärsykkeiden huomioiminen ja havaitseminen eivät takaa, että tiedonkäsittely jatkuu. Monet asiat, joita opettajat sanovat luokassa, jäävät oppimatta (vaikka oppilaat huomioivat opettajan ja sanat ovat merkityksellisiä), koska oppilaat eivät jatka tiedon käsittelyä. Tärkeitä koodaukseen vaikuttavia tekijöitä ovat organisointi, elaboraatio ja skeemarakenteet.

Organisointi

Gestalt-teoria ja -tutkimus osoittivat, että hyvin järjestetty materiaali on helpompi oppia ja muistaa (Katona, 1940). Miller (1956) väitti, että oppimista tehostaa tiedon luokittelu ja ryhmittely organisoiduiksi kokonaisuuksiksi. Muistitutkimus osoittaa, että vaikka opittavat asiat eivät ole järjestettyjä, ihmiset usein luovat materiaalille järjestyksen, mikä helpottaa muistamista (Matlin, 2009). Järjestetty materiaali parantaa muistia, koska kohteet on linkitetty toisiinsa systemaattisesti. Yhden kohteen muistaminen herättää siihen liittyvien kohteiden muistamisen. Tutkimus tukee organisoinnin tehokkuutta koodauksessa lasten ja aikuisten keskuudessa (Basden, Basden, Devecchio, & Anders, 1991).

Yksi tapa järjestää materiaalia on käyttää hierarkiaa, johon tiedon osat on integroitu. Kuva 'Muistiverkko hierarkkisella organisaatiolla' esittää esimerkkihierarkian eläimille. Eläinkunta kokonaisuudessaan on huipulla, ja sen alla ovat pääluokat (esim. nisäkkäät, linnut, matelijat). Yksittäiset lajit löytyvät seuraavalta tasolta, jota seuraavat rodut.

Muita tapoja järjestää tietoa ovat muistitekniikoiden ja mielikuvituksen käyttö (joista keskustellaan myöhemmin tässä oppitunnissa). Muistisäännöt mahdollistavat oppijoiden rikastuttaa tai täsmentää materiaalia, esimerkiksi muodostamalla opittavien sanojen alkukirjaimista akronyymin, tutun lauseen tai virkkeen (Matlin, 2009). Jotkin muistitekniikat käyttävät mielikuvitusta; muistaessaan kahta sanaa (esim. hunaja ja leipä), voi kuvitella niiden olevan vuorovaikutuksessa keskenään (hunaja leivällä). Audiovisuaalisten materiaalien käyttö opetuksessa voi parantaa opiskelijoiden mielikuvitusta.

Elaboraatio

Elaboraatio on prosessi, jossa uutta tietoa laajennetaan lisäämällä siihen tai linkittämällä se siihen, mitä jo tiedetään. Elaboraatiot auttavat koodausta ja hakua, koska ne linkittävät muistettavan tiedon muuhun tietoon. Äskettäin opittuun tietoon on helpompi päästä käsiksi tässä laajennetussa muistiverkossa. Vaikka uusi tieto unohtuisi, ihmiset voivat usein muistaa elaboraatiot (Anderson, 1990). Ongelma, joka monilla opiskelijoilla (ei vain niillä, joista keskustellaan johdanto-osuudessa) on algebran oppimisessa, on se, että he eivät voi elaboroida materiaalia, koska se on abstraktia eikä helposti linkity muuhun tietoon.

Tiedon kertaaminen pitää sen työmuistissa, mutta ei välttämättä elaboroi sitä. Voidaan tehdä ero ylläpitokertauksen (tiedon toistaminen yhä uudelleen) ja elaboratiivisen kertauksen (tiedon yhdistäminen johonkin jo tunnettuun) välillä. Opiskelijat, jotka opiskelevat Yhdysvaltain historiaa, voivat yksinkertaisesti toistaa "D-Day oli 6. kesäkuuta 1944" tai he voivat elaboroida sitä yhdistämällä sen johonkin, jonka he tietävät (esim. Vuonna 1944 Roosevelt valittiin presidentiksi neljännen kerran).

Muistisäännöt elaboroivat tietoa eri tavoin. Yksi tällainen keino on muodostaa alkukirjaimista merkityksellinen lause. Esimerkiksi muistaaksesi planeettojen järjestyksen auringosta voit oppia lauseen "Äitini tarjoili meille juuri yhdeksän pizzaa", jossa alkukirjaimet vastaavat planeettojen alkukirjaimia (Merkurius, Venus, Maa, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus, Pluto). Ensin muistat lauseen ja sitten rekonstruoit planeettojen järjestyksen alkukirjaimien perusteella.

Opiskelijat saattavat pystyä kehittämään elaboraatioita, mutta jos he eivät pysty, heidän ei tarvitse työskennellä tarpeettomasti, kun opettajat voivat tarjota tehokkaita elaboraatioita. Muistiin tallentamisen ja sieltä hakemisen helpottamiseksi elaboraatioiden on oltava järkeviä. Liian epätavallisia elaboraatioita ei ehkä muisteta. Tarkat ja järkevät elaboraatiot helpottavat muistamista ja palauttamista (Bransford et al., 1982; Stein, Littlefield, Bransford, & Persampieri, 1984).

Skeemat

Skeema (monikossa skeemat tai schemata) on rakenne, joka järjestää suuria määriä tietoa mielekkääksi järjestelmäksi. Skeemat sisältävät yleisen tietomme tilanteista (Matlin, 2009). Skeemat ovat suunnitelmia, joita opimme ja käytämme ympäristöömme liittyvissä vuorovaikutuksissa. Tarvitaan suurempia yksiköitä järjestämään informaation osia edustavat propositiot yhtenäiseksi kokonaisuudeksi (Anderson, 1990). Skeemat auttavat meitä luomaan ja kontrolloimaan rutiininomaisia peräkkäisiä toimintoja (Cooper & Shallice, 2006).

Varhaisessa tutkimuksessa Bartlett (1932) havaitsi, että skeemat auttavat ymmärtämään tietoa. Tässä kokeessa osallistuja luki tarinan vieraasta kulttuurista, minkä jälkeen tämä henkilö toisti sen toiselle osallistujalle, joka toisti sen kolmannelle osallistujalle ja niin edelleen. Siihen mennessä, kun tarina saavutti 10. henkilön, sen tuntematon konteksti oli muutettu osallistujille tutuksi (esim. kalastusretki). Bartlett havaitsi, että tarinoiden toistuessa ne muuttuivat ennustettavalla tavalla. Tuntematonta tietoa jätettiin pois, muutama yksityiskohta säilytettiin ja tarinoista tuli enemmän osallistujien kokemusten kaltaisia. He muuttivat saapuvaa tietoa sopimaan olemassa oleviin skeemoihinsa.

Mikä tahansa hyvin järjestetty sarja voidaan esittää skeemana. Yksi skeematyyppi on "ravintolassa käyminen". Vaiheet koostuvat toiminnoista, kuten pöytään istumisesta, ruokalistan läpikäymisestä, ruoan tilaamisesta, tarjoilusta, astioiden keräämisestä, laskun vastaanottamisesta, tipin jättämisestä ja laskun maksamisesta. Skeemat ovat tärkeitä, koska ne osoittavat, mitä tilanteessa on odotettavissa. Ihmiset tunnistavat ongelman, kun todellisuus ja skeema eivät täsmää. Oletko koskaan ollut ravintolassa, jossa jotakin odotettua vaihetta ei tapahtunut (esim. sait ruokalistan, mutta kukaan ei palannut pöytääsi ottamaan tilaustasi)?

Yleisiä opetuksellisia skeemoja ovat laboratoriotyöt, opiskelu ja tarinoiden ymmärtäminen. Kun opiskelijoille annetaan luettavaa materiaalia, he aktivoivat sen skeematyypin, jonka he uskovat olevan tarpeen. Jos opiskelijoiden on luettava teksti ja vastattava pääideoita koskeviin kysymyksiin, he saattavat ajoittain pysähtyä ja testata itseään siitä, mitkä he uskovat olevan pääkohdat (Resnick, 1985). Skeemoja on käytetty laajasti lukemista ja kirjoittamista koskevassa tutkimuksessa (McVee, Dunsmore, & Gavelek, 2005).

Skeemat auttavat koodausta, koska ne elaboroivat uutta materiaalia mielekkääksi rakenteeksi. Oppiessaan materiaalia opiskelijat yrittävät sovittaa tiedon skeeman tiloihin. Vähemmän tärkeitä tai valinnaisia skeemaelementtejä ei välttämättä opita. Lukiessaan kirjallisuutta opiskelijat, jotka ovat muodostaneet tragedian skeeman, voivat helposti sovittaa tarinan hahmot ja toiminnot skeemaan. He odottavat löytävänsä elementtejä, kuten hyvän ja pahan, ihmisen heikkouksia ja dramaattisen loppuratkaisun. Kun nämä tapahtumat tapahtuvat, ne sovitetaan opiskelijoiden tarinalle aktivoimaan skeemaan.

Skeemat voivat helpottaa muistamista riippumatta niiden hyödyistä koodauksessa. Anderson ja Pichert (1978) esittivät korkeakouluopiskelijoille tarinan kahdesta koulua lintsanneesta pojasta. Opiskelijoita neuvottiin lukemaan se joko murtovarkaan tai asunnon ostajan näkökulmasta; tarinassa oli molemmille merkityksellisiä elementtejä. Opiskelijat muistelivat tarinan ja muistelivat sen myöhemmin toisen kerran. Toista muistamista varten puolta opiskelijoista neuvottiin käyttämään alkuperäistä näkökulmaansa ja puolta toista näkökulmaa. Toisessa muistelussa opiskelijat muistivat enemmän tietoa, joka oli relevanttia toiselle näkökulmalle, mutta ei ensimmäiselle näkökulmalle, ja vähemmän tietoa, joka oli merkityksetöntä toiselle näkökulmalle, mutta tärkeää ensimmäiselle näkökulmalle. Kardash, Royer ja Greene (1988) havaitsivat myös, että skeemat vaikuttivat pääasiassa muistamisen hetkellä eikä koodaushetkellä. Yhdessä nämä tulokset viittaavat siihen, että ihmiset muistavat muistamisen yhteydessä skeeman ja yrittävät sovittaa elementtejä siihen. Tämä rekonstruktio ei välttämättä ole tarkka, mutta se sisältää useimmat skeemaelementit. Tuotantojärjestelmät, joita käsitellään myöhemmin, ovat jossain määrin samankaltaisia kuin skeemat.