Konceptuální učení: Kognitivní procesy učení a efektivní strategie

Studenti se učí koncepty v mnoha různých kontextech. Koncepty jsou označené soubory objektů, symbolů nebo událostí, které sdílejí společné charakteristiky nebo kritické atributy. Koncept je mentální konstrukt nebo reprezentace kategorie, která umožňuje identifikovat příklady a ne-příklady dané kategorie (Howard, 1987). Koncepty mohou zahrnovat konkrétní objekty (např. „stůl“, „židle“, „kočka“) nebo abstraktní myšlenky (např. „láska“, „demokracie“, „celek“). Ve skutečnosti existuje mnoho typů konceptů (podrobný přehled viz Medin, Lynch & Solomon, 2000). Učení konceptů se týká vytváření reprezentací pro identifikaci atributů, jejich zobecňování na nové příklady a rozlišování příkladů od ne-příkladů.

Rané studie Brunera, Goodnowa a Austina (1956) zkoumaly povahu konceptů. Učící se osoby byly prezentovány s krabicemi zobrazujícími geometrické vzory. Každý vzor mohl být klasifikován pomocí čtyř různých atributů: počet stimulů (jeden, dva, tři); tvar (kruh, čtverec, kříž); barva (červená, zelená, černá); a počet okrajů na krabici (jeden, dva, tři). Úkolem bylo identifikovat koncept reprezentovaný v různých podmnožinách krabic.

Konfigurace prvků v úkolu učení konceptů může být různá, což vede k různým konceptům. Konjunktivní koncept je reprezentován dvěma nebo více prvky (např. dva červené kruhy). Ostatní prvky (počet okrajů) nejsou relevantní. Disjunktivní koncept je reprezentován jedním ze dvou nebo více prvků; například dva kruhy libovolné barvy nebo jeden červený kruh. Relační koncept specifikuje vztah mezi prvky, které musí být přítomny, například počet objektů v obrázku musí být větší než počet okrajů (typ objektu a barva jsou nedůležité).

Bruner a kol. (1956) zjistili, že se učící osoby formulují hypotézu o pravidle, které je základem konceptu. Pravidla mohou být vyjádřena ve formě jestliže-pak. Pravidlo klasifikující kočku by mohlo být: „Jestliže je domestikovaná, má čtyři nohy, srst, vousy, ocas, je relativně malá, přede a vokalizuje 'mňau', pak je to kočka.“ Ačkoli existují výjimky, toto pravidlo bude přesně klasifikovat kočky ve většině případů. Generalizace nastává, když je pravidlo aplikováno na různé kočky.

Lidé mají tendenci tvořit pravidla rychle (Bruner a kol., 1956). Pro daný koncept si ponechávají pravidlo tak dlouho, dokud správně identifikuje instance a ne-instance konceptu, a upravují ho, když se mu to nedaří. Učící se osoby si osvojují koncepty lépe, když jsou jim prezentovány pozitivní instance neboli příklady konceptu. Učení je mnohem pomalejší s negativními (ne-) instancemi. Při pokusu o potvrzení pravidla, které je základem konceptu, lidé preferují spíše pozitivní než negativní instance.

Od této rané práce se objevily další pohledy na povahu konceptů. Teorie analýzy prvků vychází z práce Brunera a dalších a postuluje, že koncepty zahrnují pravidla, která definují kritické prvky neboli vnitřní (nezbytné) atributy konceptu (Gagné, 1985; Smith & Medin, 1981). Prostřednictvím zkušeností s konceptem formuluje člověk pravidlo, které splňuje podmínky, a ponechává si ho tak dlouho, dokud funguje efektivně.

Tento pohled předpovídá, že různé instance konceptu by měly být rozpoznány stejně rychle, protože každá instance je posuzována podle kritických prvků; ale to není vždy případ. Většina lidí považuje některé instance kategorie (např. delfín je savec) za obtížnější ověřit než jiné (např. pes je savec). To zdůrazňuje problém, že mnoho konceptů nelze přesně definovat pomocí sady kritických atributů.

Druhou perspektivou je teorie prototypů (Rosch, 1973, 1975, 1978). Prototyp je zobecněný obraz konceptu, který může zahrnovat pouze některé z definujících atributů konceptu. Když se člověk setká s instancí, vybaví si z LTM nejpravděpodobnější prototyp a porovná ho s instancí, aby zjistil, zda se shodují. Prototypy mohou zahrnovat některé nedefinující (volitelné) atributy. V kognitivní psychologii jsou prototypy často považovány za schémata (Andre, 1986) neboli organizované formy pro znalosti, které máme o konkrétním konceptu.

Výzkum podporuje predikci teorie prototypů, že instance bližší prototypu (např. prototyp = „pták“; instance = „robin“, „vrabec“) jsou rozpoznávány rychleji než ty méně typické (např. „sova“, „pštros“; Rosch, 1973). Jednou z obav je, že teorie prototypů implikuje, že by lidé uchovávali v LTM tisíce prototypů, což by spotřebovalo mnohem více místa než pravidla. Druhou obavou je, že se učící se osoby mohou snadno vytvořit nesprávné prototypy, pokud jim bude umožněno zahrnout některé nedefinující charakteristiky a ne všechny nezbytné.

Kombinace analýzy prvků a prototypů je možná. Vzhledem k tomu, že prototypy zahrnují kritické prvky, můžeme použít prototypy ke klasifikaci instancí konceptů, které jsou poměrně typické (Andre, 1986). Pro instance, které jsou nejednoznačné, můžeme použít analýzu kritických prvků, která může upravit seznam kritických prvků tak, aby zahrnoval nové prvky.

Dětské chápání konceptů se mění s vývojem a zkušenostmi. Děti v přechodu ohledně významu konceptu si mohou současně pamatovat předchozí hypotézu, když vyvíjejí revidovanou (Goldin-Meadow, Alibali & Church, 1993). Tato interpretace je v souladu s pozicí Klausmeiera, která bude diskutována dále.

Výzkum ukazuje, že existuje několik způsobů, jak se učit a upravovat koncepty (Chinn & Samarapungavan, 2009). Jedním ze způsobů, jak vyvinout prototypy, je být vystaven typické instanci konceptu, která odráží klasické atributy (Klausmeier, 1992). Druhý způsob spočívá v abstrakci rysů ze dvou nebo více příkladů; u ptáků by rysy mohly být „peří“, „dvě nohy“, „zobák“ a „létá“, i když ne každý rys se vztahuje na každého člena třídy. Prototypy jsou vylepšovány a rozšiřovány, když je člověk vystaven novým příkladům konceptu; tedy „žije v džungli“ (papoušek) a „žije u oceánu“ (racek).

Teorie Gagného (1985) zahrnuje koncepty jako ústřední formu učení. Učící se nejprve musí mít základní předpoklady pro rozlišování mezi rysy stimulu (tj. rozlišovat relevantní od irelevantních rysů).

Podle Gagného (1985) zahrnuje učení se konceptům vícestupňovou sekvenci. Nejprve je rys stimulu prezentován jako instance konceptu spolu s neinstancí. Učící se potvrdí schopnost provést rozlišení. V další (generalizační) fázi učící se identifikuje instance a neinstance. Za třetí, rys stimulu – který se má stát konceptem – je variován a prezentován spolu s neinstancemi. Osvojení konceptu je ověřeno požadavkem na identifikaci několika instancí třídy pomocí stimulů, které nebyly dříve použity při učení. V průběhu celého procesu jsou správné odpovědi posilovány a učení se kontiguitou probíhá prezentací několika instancí konceptu v úzké asociaci.

Klausmeier (1990, 1992) vyvinul a testoval model osvojování konceptů. Tento model postuluje čtyřstupňovou sekvenci: konkrétní, identita, klasifikační a formální. Kompetence na každé úrovni je nezbytná pro dosažení na další úrovni. Proces osvojování konceptů představuje interakci vývoje, neformální zkušenosti a formálního vzdělávání.

Na konkrétní úrovni mohou studenti rozpoznat položku jako tu samou, se kterou se již dříve setkali, když kontext nebo prostorová orientace, ve které se s ní původně setkali, zůstává stejná. Tato úroveň vyžaduje, aby studenti věnovali pozornost položce, rozlišovali ji jako odlišnou od jejího okolí na základě jednoho nebo více definujících atributů, reprezentovali ji v LTM jako vizuální obraz a načetli ji z LTM, aby ji porovnali s novým obrazem a určili, že se jedná o stejnou položku. Student se tak může naučit rozpoznávat rovnostranný trojúhelník a rozlišovat jej od pravoúhlého nebo rovnoramenného trojúhelníku.

Úroveň identity je charakterizována rozpoznáním položky jako té samé, se kterou se již dříve setkali, když je položka pozorována z jiné perspektivy nebo v jiné modalitě. Tato fáze zahrnuje stejné procesy jako na konkrétní úrovni, stejně jako proces generalizace. Učící se tak bude schopen rozpoznat rovnostranné trojúhelníky v různých orientacích nebo pozicích na stránce.

Klasifikační úroveň vyžaduje, aby studenti rozpoznali alespoň dvě položky jako ekvivalentní. Zahrnuta je další generalizace; v případě rovnostranných trojúhelníků to zahrnuje rozpoznání menšího a většího rovnostranného trojúhelníku jako ekvivalentních. Proces pokračuje, dokud student nerozpozná příklady a nepříklady; v této fázi však student nemusí rozumět základu pro klasifikaci (např. rovnost délky strany a úhlů). Schopnost pojmenovat koncept není na této úrovni nutná, ale stejně jako v předchozích fázích může usnadnit osvojování konceptu.

A konečně, formální úroveň vyžaduje, aby se student identifikoval s příklady a neexempláře pojmu, pojmenoval pojem a jeho definující atributy, uvedl definici pojmu a specifikoval atributy, které odlišují pojem od jiných úzce souvisejících pojmů (tj. tři stejné strany a úhly). Zvládnutí této fáze vyžaduje, aby se student implementoval klasifikační kognitivní procesy a sadu myšlenkových procesů vyššího řádu zahrnujících vytváření hypotéz, hodnocení a usuzování.

Tento model stádia má instruktážní implikace pro studenty v různých bodech vývoje. Výuka může být rozdělena do několika ročníků, ve kterých jsou koncepty periodicky navštěvovány na vyšších úrovních dosažení. Mladším dětem jsou zpočátku poskytovány konkrétní referenty a s vývojem jsou schopny pracovat na abstraktnějších kognitivních úrovních. Například se malé děti mohou naučit koncept „poctivosti“ tím, že uvidí konkrétní příklady (např. nekrást, vracet něco, co není vaše); jak stárnou, mohou pochopit koncept v abstraktnějších a složitějších termínech (např. rozpoznat poctivou zpětnou vazbu od nadřízeného pracovníka o výkonu pracovníka; diskutovat o výhodách poctivosti).

Tennyson (1980, 1981; Tennyson, Steve, & Boutwell, 1975) také vyvinul model výuky pojmů založený na empirickém výzkumu. Tento model zahrnuje následující kroky (Tennyson & Park, 1980):

• Určete strukturu pojmu, včetně nadřazených, souřadných a podřazených pojmů, a identifikujte kritické a proměnné atributy (např. vlastnosti, které se mohou legitimně měnit a neovlivňují pojem).
• Definujte pojem pomocí kritických atributů a připravte několik příkladů s kritickými a proměnnými atributy.
• Uspořádejte příklady do sad na základě atributů a zajistěte, aby příklady měly podobné proměnné atributy v rámci jakékoli sady obsahující příklady z každého souřadného pojmu.
• Seřaďte a prezentujte sady z hlediska divergence a obtížnosti příkladů a seřaďte příklady v rámci jakékoli sady podle aktuálních znalostí studenta.

Většina pojmů může být reprezentována v hierarchii s nadřazenými (vyššími) a podřazenými (nižšími) pojmy. Pro daný pojem mohou být podobné pojmy zhruba na stejné úrovni hierarchie; tyto jsou známé jako souřadné pojmy. Například pojem „kočka domácí“ má „kočkovité šelmy“ a „savec“ jako nadřazené pojmy, různé rasy (krátkosrstá, siamská) jako podřazené pojmy a další členy kočkovité šelmy (lev, jaguár) jako souřadné pojmy. Pojem má kritické atributy (např. tlapky, zuby) a proměnné atributy (např. délka srsti, barva očí). Sada obsahuje příklady a nepříklady (např. pes, veverka) pojmu.

Ačkoli by měl být pojem definován pomocí jeho kritických atributů před uvedením příkladů a nepříkladů, prezentace definice nezaručuje, že se studenti pojem naučí. Příklady by se měly široce lišit v proměnných atributech a nepříklady by se měly lišit od příkladů v malém počtu kritických atributů najednou. Tento způsob prezentace zabraňuje studentům v nadměrném zobecňování (klasifikace nepříkladů jako příkladů) a nedostatečném zobecňování (klasifikace příkladů jako nepříkladů).

Poukazování na vztahy mezi příklady je efektivní způsob, jak podpořit zobecnění. Jedním z prostředků je použití pojmových (znalostních) map neboli diagramů, které reprezentují myšlenky jako sestavy uzlů a odkazů (Nesbit & Adescope, 2006). O’Donnell a kol. (2002) ukázali, že učení je usnadněno pomocí znalostních map, kde jsou myšlenky propojeny. Nesbit a Adescope zjistili, že pojmové mapy zlepšily uchování znalostí studentů.

Optimální počet příkladů k prezentaci závisí na takových charakteristikách pojmu, jako je počet atributů a stupeň abstraktnosti pojmu. Abstraktní pojmy mají obvykle méně hmatatelných příkladů než konkrétní pojmy a příklady prvního jmenovaného mohou být pro studenty obtížné pochopit. Učení pojmů také závisí na atributech studenta, jako je věk a předchozí znalosti (Tennyson & Park, 1980). Starší studenti se učí lépe než mladší a studenti s relevantnějšími znalostmi dosahují lepších výsledků než ti, kterým takové znalosti chybí.

Při výuce pojmů je užitečné prezentovat příklady, které se liší v nepovinných atributech, ale mají společné relevantní atributy, aby bylo možné na ty druhé jasně poukázat, spolu s irelevantními dimenzemi. Při výuce pojmu „pravoúhlý trojúhelník“ je například velikost irelevantní, stejně jako směr, kterým směřuje. Člověk by mohl prezentovat pravoúhlé trojúhelníky různých velikostí směřující různými směry. Použití vypracovaných příkladů je efektivní kognitivní instruktážní strategie (Atkinson a kol., 2000).

Studenti se musí nejen naučit zobecňovat pravoúhlé trojúhelníky, ale také je musí naučit rozlišovat od ostatních trojúhelníků. Aby učitelé podpořili rozlišování pojmů, měli by prezentovat negativní instance, které se jasně liší od pozitivních instancí. Jak se dovednosti studentů rozvíjejí, lze je naučit provádět jemnější rozlišování. Doporučení uvedená v tabulce 'Kroky pro zobecňování a rozlišování pojmů' jsou užitečná při výuce studentů zobecňovat a rozlišovat mezi pojmy.

Tento model vyžaduje pečlivou analýzu taxonomické struktury pojmu. Struktura je dobře specifikována pro mnoho pojmů (např. říše zvířat), ale pro mnoho dalších – zejména abstraktních pojmů – jsou problematické vazby s pojmy vyššího a nižšího řádu, stejně jako se souřadnými pojmy.

V zásadním článku Pintrich, Marx a Boyle (1993) tvrdili, že konceptuální změna zahrnuje také motivační procesy (např. cíle, očekávání, potřeby), které modely zpracování informací obvykle zanedbávají. Tito autoři tvrdili, že ke konceptuální změně musí dojít za splnění čtyř podmínek. Zaprvé, je nutná nespokojenost se stávajícími koncepcemi; změna je nepravděpodobná, pokud lidé mají pocit, že jejich koncepce jsou přesné nebo užitečné. Zadruhé, nová koncepce musí být srozumitelná – lidé musí koncepci rozumět, aby ji mohli přijmout. Zatřetí, nová koncepce musí být věrohodná – studenti musí chápat, jak zapadá do jiných poznatků o tom, jak by mohla být aplikována. A konečně, musí novou koncepci vnímat jako plodnou – schopnou vysvětlit jevy a navrhovat nové oblasti zkoumání nebo aplikace.

Motivační procesy vstupují do tohoto modelu na několika místech. Výzkum například ukazuje, že cíle studentů řídí jejich pozornost a úsilí a jejich self-efficacy (víra ve vlastní schopnosti) pozitivně souvisí s motivací, používáním efektivních strategií pro úkoly a získáváním dovedností (Schunk, 1995). Dále studenti, kteří věří, že učení je užitečné a že strategie pro úkoly jsou efektivní, vykazují vyšší motivaci a učení (Borkowski, 1985; Pressley et al., 1990; Schunk & Rice, 1993). Bylo prokázáno, že cíle, self-efficacy a sebehodnocení kompetencí podporují učení a seberegulaci v takových oblastech, jako je porozumění čtenému textu, psaní, matematika a rozhodování (Pajares, 1996; Schunk & Pajares, 2009; Schunk & Swartz, 1993a; Wood & Bandura, 1989; Zimmerman & Bandura, 1994). V úvodním scénáři vidíme, že posun směrem k většímu řešení problémů skutečně zlepšil motivaci některých studentů k učení.

Stručně řečeno, literatura naznačuje, že konceptuální změna zahrnuje interakci kognitivních procesů a motivačních přesvědčení studentů (Pintrich et al., 1993), což má dopad na výuku. Spíše než jen poskytovat znalosti, musí učitelé brát v úvahu stávající myšlenky studentů při plánování výuky a zajistit, aby výuka zahrnovala motivaci k učení.

Tyto myšlenky jsou vysoce aplikovatelné na vědu. Mnoho vědeckých pedagogů se domnívá, že znalosti si studenti budují, spíše než aby je jen přenášeli (Driver et al., 1994; Linn & Eylon, 2006). Zajímavou otázkou je, jak si studenti vyvíjejí vědecké mylné představy a zjednodušující vědecké modely (Windschitl & Thompson, 2006). Důležitým úkolem je pomoci studentům zpochybnit a opravit mylné představy (Sandoval, 1995). Zkušenosti, které vyvolávají kognitivní konflikt, mohou být užitečné (Mayer, 1999; Sandoval, 1995; Williams & Tolmie, 2000). To může zahrnovat zapojení studentů do praktických aktivit a práci s ostatními (např. v diskusích), aby interpretovali své zkušenosti prostřednictvím selektivního kladení otázek (např. „Proč si to myslíte?“ „Jak jste na to přišli?“). Tento přístup dobře zapadá do Vygotského důrazu na sociální vlivy na konstrukci znalostí.

Nussbaum a Novick (1982) navrhli třístupňový model pro změnu studentských přesvědčení:

• Odhalit a pochopit studentovy prekoncepce.
• Vytvořit konceptuální konflikt s těmito koncepcemi.
• Usnadnit vývoj nových nebo revidovaných schémat o zkoumaných jevech.

Role motivace je zásadní. Ačkoli má věda mnoho témat, která by měla být zajímavá, studium vědy je pro mnoho studentů málo zajímavé. Učení těží z praktické výuky a propojení s aspekty studentského života. Například pohyb lze propojit s dráhou fotbalových míčů, elektřinu s DVD přehrávači a ekologii s programy recyklace v komunitě. Zvýšení zájmu o témata může také zlepšit kvalitu studentského učení (Sandoval, 1995). Používání ilustrací a diagramů tak pomáhá studentům porozumět vědeckým konceptům (Carlson, Chandler, & Sweller, 2003; Hannus & Hyönä, 1999), ačkoli některé studenty může být třeba naučit, jak studovat ilustrace jako součást učení se textu.