Aprendizaje de Conceptos: Procesos Cognitivos Clave

En muchos contextos diferentes, los estudiantes aprenden conceptos. Los conceptos son conjuntos etiquetados de objetos, símbolos o eventos que comparten características comunes, o atributos críticos. Un concepto es una construcción mental o representación de una categoría que permite identificar ejemplos y no ejemplos de la categoría (Howard, 1987). Los conceptos pueden involucrar objetos concretos (p. ej., “mesa”, “silla”, “gato”) o ideas abstractas (p. ej., ‚mor”, “democracia”, “totalidad”). De hecho, hay muchos tipos de conceptos (para una revisión detallada, véase Medin, Lynch & Solomon, 2000). El aprendizaje de conceptos se refiere a la formación de representaciones para identificar atributos, generalizarlos a nuevos ejemplos y discriminar ejemplos de no ejemplos.

Los primeros estudios de Bruner, Goodnow y Austin (1956) exploraron la naturaleza de los conceptos. A los alumnos se les presentaron cajas que representaban patrones geométricos. Cada patrón podía clasificarse utilizando cuatro atributos diferentes: número de estímulos (uno, dos, tres); forma (círculo, cuadrado, cruz); color (rojo, verde, negro); y número de bordes en la caja (uno, dos, tres). La tarea consistía en identificar el concepto representado en diferentes subconjuntos de las cajas.

La configuración de características en una tarea de aprendizaje de conceptos puede variar para producir diferentes conceptos. Un concepto conjuntivo está representado por dos o más características (p. ej., dos círculos rojos). Otras características (número de bordes) no son relevantes. Un concepto disyuntivo está representado por una de dos o más características; por ejemplo, dos círculos de cualquier color o un círculo rojo. Un concepto relacional especifica una relación entre las características que deben estar presentes, como que el número de objetos en la figura debe ser mayor que el número de bordes (el tipo de objeto y el color no son importantes).

Bruner et al. (1956) descubrieron que los alumnos formulaban una hipótesis sobre la regla que subyace al concepto. Las reglas pueden expresarse en forma de si-entonces. Una regla que clasifica a un gato podría ser: “Si está domesticado, tiene cuatro patas, pelaje, bigotes, cola, es relativamente pequeño, ronronea y vocaliza ‘miau’, entonces es un gato.” Aunque existen excepciones, esta regla clasificará con precisión a los gatos la mayor parte del tiempo. La generalización se produce cuando la regla se aplica a una variedad de gatos.

Las personas tienden a formar reglas rápidamente (Bruner et al., 1956). Para cualquier concepto dado, retienen la regla siempre y cuando identifique correctamente instancias y no instancias del concepto y la modifican cuando no lo hace. Los alumnos adquieren mejor los conceptos cuando se les presentan instancias positivas, o ejemplos del concepto. El aprendizaje es mucho más lento con instancias negativas (no). Al intentar confirmar la regla que subyace al concepto, las personas prefieren recibir instancias positivas en lugar de negativas.

Desde este trabajo inicial, han surgido otros puntos de vista sobre la naturaleza de los conceptos. La teoría del análisis de características deriva del trabajo de Bruner y otros y postula que los conceptos involucran reglas que definen las características críticas, o los atributos intrínsecos (necesarios), del concepto (Gagné, 1985; Smith & Medin, 1981). A través de experiencias con el concepto, uno formula una regla que satisface las condiciones y retiene la regla siempre y cuando funcione eficazmente.

Este punto de vista predice que diferentes instancias de un concepto deberían reconocerse con la misma rapidez porque cada instancia se juzga en función de las características críticas; pero este no es siempre el caso. La mayoría de la gente encuentra que algunas instancias de una categoría (p. ej., un delfín es un mamífero) son más difíciles de verificar que otras (p. ej., un perro es un mamífero). Esto resalta el problema de que muchos conceptos no pueden definirse con precisión en términos de un conjunto de atributos críticos.

Una segunda perspectiva es la teoría del prototipo (Rosch, 1973, 1975, 1978). Un prototipo es una imagen generalizada del concepto, que puede incluir solo algunos de los atributos definitorios del concepto. Cuando uno se enfrenta a una instancia, recuerda el prototipo más probable de la MLP y lo compara con la instancia para ver si coinciden. Los prototipos pueden incluir algunos atributos no definitorios (opcionales). En psicología cognitiva, los prototipos a menudo se consideran esquemas (Andre, 1986), o formas organizadas para el conocimiento que tenemos sobre un concepto particular.

La investigación apoya la predicción de la teoría del prototipo de que las instancias más cercanas al prototipo (p. ej., prototipo = “ave”; instancias = “robin”, “gorrion”) se reconocen más rápidamente que las menos típicas (p. ej., “búho”, “avestruz”; Rosch, 1973). Una preocupación es que la teoría del prototipo implica que las personas almacenarían miles de prototipos en la MLP, lo que consumiría mucho más espacio que las reglas. Una segunda preocupación es que los alumnos podrían formar prototipos incorrectos si se les permite incluir algunas características no definitorias y no todas las necesarias.

Es posible combinar las posiciones del análisis de características y del prototipo. Dado que los prototipos incluyen características críticas, podríamos emplear prototipos para clasificar instancias de conceptos que son bastante típicos (Andre, 1986). Para las instancias que son ambiguas, podemos emplear el análisis de características críticas, que podría modificar la lista de características críticas para incorporar las nuevas características.

La comprensión de los conceptos por parte de los niños cambia con el desarrollo y la experiencia. Los niños en transición sobre el significado de un concepto pueden mantener simultáneamente una hipótesis previa en mente mientras desarrollan una revisada (Goldin-Meadow, Alibali & Church, 1993). Esta interpretación es coherente con la posición de Klausmeier, que se analiza a continuación.

La investigación indica que existen múltiples formas de aprender y modificar conceptos (Chinn & Samarapungavan, 2009). Una forma de desarrollar prototipos es exponerse a una instancia típica del concepto que refleje los atributos clásicos (Klausmeier, 1992). Una segunda forma es abstrayendo características de dos o más ejemplos; para las aves, las características podrían ser “plumas”, “dos patas”, “pico” y “vuelan”, aunque no todas las características se aplican a todos los miembros de la clase. Los prototipos se refinan y expanden cuando uno se expone a nuevos ejemplos del concepto; por lo tanto, “vive en la jungla” (loro) y “vive junto al océano” (gaviota).

La teoría de Gagné (1985) incluye los conceptos como una forma central de aprendizaje. Los alumnos inicialmente deben tener capacidades básicas previas para discriminar entre las características de los estímulos (es decir, distinguir las características relevantes de las irrelevantes).

En la visión de Gagné (1985), el aprendizaje de conceptos implica una secuencia de varias etapas. Primero, la característica del estímulo se presenta como una instancia del concepto junto con una no instancia. El alumno confirma la capacidad de hacer la discriminación. En la siguiente etapa (generalización), el alumno identifica instancias y no instancias. En tercer lugar, la característica del estímulo, que se convertirá en el concepto, se varía y se presenta junto con no instancias. La adquisición del concepto se verifica solicitando la identificación de varias instancias de la clase utilizando estímulos no empleados previamente en el aprendizaje. A lo largo del proceso, las respuestas correctas se refuerzan y el aprendizaje por contigüidad se produce al presentar varias instancias del concepto en estrecha asociación.

Klausmeier (1990, 1992) desarrolló y probó un modelo de adquisición de conceptos. Este modelo postula una secuencia de cuatro etapas: concreta, de identidad, clasificatoria y formal. La competencia en cada nivel es necesaria para la adquisición en el siguiente nivel. El proceso de adquisición de conceptos representa una interacción del desarrollo, la experiencia informal y la educación formal.

En el nivel concreto, los alumnos pueden reconocer un elemento como el mismo encontrado previamente cuando el contexto u orientación espacial en el que se encontró originalmente sigue siendo el mismo. Este nivel requiere que los alumnos presten atención al elemento, lo discriminen como diferente de su entorno basándose en uno o más atributos definitorios, lo representen en la MLP como una imagen visual y lo recuperen de la MLP para compararlo con una nueva imagen y determinar que es el mismo elemento. Por lo tanto, un alumno podría aprender a reconocer un triángulo equilátero y discriminarlo de un triángulo rectángulo o isósceles.

El nivel de identidad se caracteriza por reconocer un elemento como el mismo encontrado previamente cuando el elemento se observa desde una perspectiva diferente o en una modalidad diferente. Esta etapa implica los mismos procesos que en el nivel concreto, así como el proceso de generalización. Por lo tanto, el alumno podrá reconocer triángulos equiláteros en diferentes orientaciones o posiciones en una página.

El nivel clasificatorio requiere que los alumnos reconozcan al menos dos elementos como equivalentes. Se requiere una generalización adicional; en el caso de los triángulos equiláteros, esto implica reconocer un triángulo equilátero más pequeño y otro más grande como equivalentes. El proceso continúa hasta que el alumno puede reconocer ejemplos y no ejemplos; sin embargo, en esta etapa, el alumno puede no comprender la base de la clasificación (por ejemplo, la igualdad de la longitud de los lados y los ángulos). Ser capaz de nombrar el concepto no es necesario en este nivel, pero, como en las etapas precedentes, puede facilitar la adquisición del concepto.

Finalmente, el nivel formal requiere que el alumno identifique ejemplos y no ejemplos del concepto, nombre el concepto y sus atributos definitorios, dé una definición del concepto y especifique los atributos que distinguen el concepto de otros estrechamente relacionados (es decir, tres lados y ángulos iguales). El dominio de esta etapa requiere que el alumno implemente procesos cognitivos de nivel clasificatorio y un conjunto de procesos de pensamiento de orden superior que impliquen la formulación de hipótesis, la evaluación y la inferencia.

Este modelo de etapas tiene implicaciones instruccionales para los alumnos en varios puntos del desarrollo. La instrucción se puede distribuir en varios grados en los que los conceptos se revisan periódicamente en niveles de adquisición más altos. A los niños pequeños inicialmente se les proporcionan referentes concretos y, con el desarrollo, se vuelven capaces de operar en niveles cognitivos más abstractos. Por ejemplo, los niños pequeños pueden aprender el concepto de “honestidad” al ver ejemplos específicos (por ejemplo, no robar, devolver algo que no es tuyo); a medida que crecen, pueden comprender el concepto en términos más abstractos y complejos (por ejemplo, reconocer la retroalimentación honesta de un supervisor sobre el desempeño de un trabajador; discutir los beneficios de la honestidad).

Tennyson (1980, 1981; Tennyson, Steve, & Boutwell, 1975) también desarrolló un modelo de enseñanza de conceptos basado en la investigación empírica. Este modelo incluye los siguientes pasos (Tennyson & Park, 1980):

• Determinar la estructura del concepto para incluir conceptos superordinados, coordinados y subordinados, e identificar los atributos críticos y variables (p. ej., características que pueden variar legítimamente y no afectar el concepto).
• Definir el concepto en términos de los atributos críticos, y preparar varios ejemplos con los atributos críticos y variables.
• Organizar los ejemplos en conjuntos basados en los atributos, y asegurar que los ejemplos tengan atributos variables similares dentro de cualquier conjunto que contenga ejemplos de cada concepto coordinado.
• Ordenar y presentar los conjuntos en términos de la divergencia y dificultad de los ejemplos, y ordenar los ejemplos dentro de cualquier conjunto de acuerdo con el conocimiento actual del alumno.

La mayoría de los conceptos pueden representarse en una jerarquía con conceptos superordinados (superiores) y subordinados (inferiores). Para cualquier concepto dado, conceptos similares pueden estar aproximadamente al mismo nivel en la jerarquía; estos se conocen como conceptos coordinados. Por ejemplo, el concepto “gato doméstico” tiene “familia de los gatos” y “mamífero” como conceptos superordinados, las diversas razas (pelo corto, siamés) como conceptos subordinados, y otros miembros de la familia de los gatos (león, jaguar) como conceptos coordinados. El concepto tiene atributos críticos (p. ej., patas, dientes) y atributos variables (p. ej., longitud del pelo, color de los ojos). Un conjunto comprende ejemplos y no ejemplos (p. ej., perro, ardilla) del concepto.

Aunque el concepto debe definirse con sus atributos críticos antes de que se den ejemplos y no ejemplos, presentar una definición no asegura que los estudiantes aprendan el concepto. Los ejemplos deben diferir ampliamente en atributos variables, y los no ejemplos deben diferir de los ejemplos en un pequeño número de atributos críticos a la vez. Este modo de presentación evita que los estudiantes sobregeneralicen (clasificando no ejemplos como ejemplos) y subgeneralicen (clasificando ejemplos como no ejemplos).

Señalar las relaciones entre los ejemplos es una forma eficaz de fomentar la generalización. Un medio es mediante el uso de mapas conceptuales (de conocimiento), o diagramas que representan ideas como ensamblajes de nodos y enlaces (Nesbit & Adescope, 2006). O’Donnell et al. (2002) demostraron que el aprendizaje se facilita con mapas de conocimiento donde las ideas están interconectadas. Nesbit y Adescope encontraron que los mapas conceptuales mejoraban la retención de conocimientos de los estudiantes.

El número óptimo de ejemplos a presentar depende de características del concepto tales como el número de atributos y el grado de abstracción del concepto. Los conceptos abstractos generalmente tienen menos ejemplos tangibles que los conceptos concretos, y los ejemplos de los primeros pueden ser difíciles de comprender para los alumnos. El aprendizaje de conceptos también depende de atributos del alumno tales como la edad y el conocimiento previo (Tennyson & Park, 1980). Los estudiantes mayores aprenden mejor que los más jóvenes, y los estudiantes con más conocimientos relevantes superan a aquellos que carecen de tales conocimientos.

En la enseñanza de conceptos, es útil presentar ejemplos que difieran en atributos opcionales pero que tengan atributos relevantes en común para que estos últimos puedan señalarse claramente, junto con las dimensiones irrelevantes. En la enseñanza del concepto “triángulo rectángulo”, por ejemplo, el tamaño es irrelevante, al igual que la dirección en la que está orientado. Se podrían presentar triángulos rectángulos de varios tamaños apuntando en diferentes direcciones. El uso de ejemplos resueltos es una estrategia de instrucción cognitiva eficaz (Atkinson et al., 2000).

No solo deben los estudiantes aprender a generalizar los triángulos rectángulos, sino que también deben aprender a distinguirlos de otros triángulos. Para fomentar la discriminación de conceptos, los maestros deben presentar instancias negativas que difieran claramente de las instancias positivas. A medida que se desarrollan las habilidades de los estudiantes, se les puede enseñar a hacer discriminaciones más finas. Las sugerencias que se muestran en la Tabla 'Pasos para generalizar y discriminar conceptos' son útiles para enseñar a los estudiantes a generalizar y discriminar entre conceptos.

Este modelo requiere un análisis cuidadoso de la estructura taxonómica de un concepto. La estructura está bien especificada para muchos conceptos (p. ej., el reino animal), pero para muchos otros, especialmente conceptos abstractos, los vínculos con conceptos de orden superior e inferior, así como con conceptos coordinados, son problemáticos.

En un artículo seminal, Pintrich, Marx y Boyle (1993) sostuvieron que el cambio conceptual también involucra procesos motivacionales (p. ej., metas, expectativas, necesidades), que los modelos de procesamiento de información han tendido a descuidar. Estos autores argumentaron que se necesitan cuatro condiciones para que ocurra el cambio conceptual. Primero, se necesita insatisfacción con las concepciones actuales de uno; es poco probable que el cambio ocurra si las personas sienten que sus concepciones son precisas o útiles. Segundo, la nueva concepción debe ser inteligible: las personas deben comprender una concepción para adoptarla. Tercero, la nueva concepción debe ser plausible: los alumnos deben comprender cómo encaja con otras comprensiones de cómo podría aplicarse. Finalmente, deben percibir la nueva concepción como fructífera: ser capaz de explicar fenómenos y sugerir nuevas áreas de investigación o aplicación.

Los procesos motivacionales entran en juego en varios puntos de este modelo. Por ejemplo, la investigación muestra que las metas de los estudiantes dirigen su atención y esfuerzo, y su autoeficacia se relaciona positivamente con la motivación, el uso de estrategias de tarea efectivas y la adquisición de habilidades (Schunk, 1995). Además, los estudiantes que creen que el aprendizaje es útil y que las estrategias de tarea son efectivas muestran mayor motivación y aprendizaje (Borkowski, 1985; Pressley et al., 1990; Schunk & Rice, 1993). Se ha demostrado que las metas, la autoeficacia y las autoevaluaciones de la competencia promueven el aprendizaje y la autorregulación en dominios como la comprensión de lectura, la escritura, las matemáticas y la toma de decisiones (Pajares, 1996; Schunk & Pajares, 2009; Schunk & Swartz, 1993a; Wood & Bandura, 1989; Zimmerman & Bandura, 1994). Vemos en el escenario inicial que el cambio hacia una mayor resolución de problemas en realidad ha mejorado la motivación de algunos estudiantes para aprender.

En resumen, la literatura sugiere que el cambio conceptual involucra una interacción de las cogniciones y las creencias motivacionales de los estudiantes (Pintrich et al., 1993), lo cual tiene implicaciones para la enseñanza. En lugar de simplemente proporcionar conocimiento, los profesores deben tener en cuenta las ideas preexistentes de los estudiantes al planificar la instrucción y asegurarse de que la instrucción incluya la motivación para el aprendizaje.

Estas ideas son altamente aplicables a la ciencia. Muchos educadores científicos creen que el conocimiento es construido por los alumnos en lugar de simplemente transmitido (Driver et al., 1994; Linn & Eylon, 2006). Un tema interesante es cómo los estudiantes desarrollan concepciones erróneas científicas y modelos científicos simplistas (Windschitl & Thompson, 2006). Una tarea importante es ayudar a los estudiantes a desafiar y corregir las concepciones erróneas (Sandoval, 1995). Las experiencias que producen conflicto cognitivo pueden ser útiles (Mayer, 1999; Sandoval, 1995; Williams & Tolmie, 2000). Esto podría implicar que los estudiantes participen en actividades prácticas y trabajen con otros (p. ej., en discusiones) para interpretar sus experiencias a través de preguntas selectivas (p. ej., “¿Por qué piensas eso?” “¿Cómo te diste cuenta de eso?”). Este enfoque encaja bien con el énfasis Vygotskiano en las influencias sociales en la construcción del conocimiento.

Nussbaum y Novick (1982) propusieron un modelo de tres etapas para cambiar las creencias de los estudiantes:

• Revelar y comprender las preconcepciones de los estudiantes.
• Crear conflicto conceptual con esas concepciones.
• Facilitar el desarrollo de esquemas nuevos o revisados sobre los fenómenos en consideración.

El papel de la motivación es crítico. Aunque la ciencia tiene muchos temas que deberían ser interesantes, estudiar ciencia tiene poco interés para muchos estudiantes. El aprendizaje se beneficia de la instrucción práctica y los vínculos con aspectos de la vida de los estudiantes. Por ejemplo, el movimiento se puede vincular a la trayectoria de los balones de fútbol, la electricidad a los reproductores de DVD y la ecología a los programas comunitarios de reciclaje. Mejorar el interés en los temas también puede mejorar la calidad del aprendizaje de los estudiantes (Sandoval, 1995). Por lo tanto, el uso de ilustraciones y diagramas ayuda a los estudiantes a comprender conceptos científicos (Carlson, Chandler & Sweller, 2003; Hannus & Hyönä, 1999), aunque es posible que sea necesario enseñar a algunos estudiantes cómo estudiar ilustraciones como parte del aprendizaje de textos.