Konseptioppiminen: Tehokas opiskelutekniikka ja kognitiiviset prosessit

Opiskelijat oppivat käsitteitä monissa eri yhteyksissä. Käsitteet ovat nimettyjä olioiden, symbolien tai tapahtumien joukkoja, joilla on yhteisiä ominaisuuksia tai kriittisiä attribuutteja. Käsite on henkinen konstruktio tai kategorian representaatio, jonka avulla voidaan tunnistaa kategorian esimerkkejä ja ei-esimerkkejä (Howard, 1987). Käsitteet voivat sisältää konkreettisia olioita (esim. “pöytä”, “tuoli”, “kissa”) tai abstrakteja ideoita (esim. “rakkaus”, “demokratia”, “kokonaisuus”). Itse asiassa on olemassa monia erilaisia käsitteitä (yksityiskohtaisen katsauksen saa teoksesta Medin, Lynch & Solomon, 2000). Käsitteiden oppiminen viittaa representaatioiden muodostamiseen attribuuttien tunnistamiseksi, niiden yleistämiseksi uusiin esimerkkeihin ja esimerkkien erottamiseksi ei-esimerkeistä.

Brunerin, Goodnowin ja Austinin (1956) varhaiset tutkimukset tarkastelivat käsitteiden luonnetta. Opiskelijoille esitettiin laatikoita, joissa oli geometrisiä kuvioita. Jokainen kuvio voitiin luokitella neljän eri attribuutin avulla: ärsykkeiden lukumäärä (yksi, kaksi, kolme); muoto (ympyrä, neliö, risti); väri (punainen, vihreä, musta); ja laatikon reunojen lukumäärä (yksi, kaksi, kolme). Tehtävänä oli tunnistaa eri laatikkoryhmissä esitetty käsite.

Ominaisuuksien konfiguraatiota käsitteen oppimistehtävässä voidaan vaihdella eri käsitteiden saamiseksi. Konjunktiivinen käsite on edustettuna kahdella tai useammalla ominaisuudella (esim. kaksi punaista ympyrää). Muut ominaisuudet (reunojen lukumäärä) eivät ole olennaisia. Disjunktiivinen käsite on edustettuna yhdellä kahdesta tai useammasta ominaisuudesta; esimerkiksi kaksi minkä tahansa väristä ympyrää tai yksi punainen ympyrä. Relationaalinen käsite määrittelee ominaisuuksien välisen suhteen, jonka on oltava läsnä, kuten kuvion olioiden lukumäärän on oltava suurempi kuin reunojen lukumäärä (olion tyyppi ja väri ovat merkityksettömiä).

Bruner et al. (1956) havaitsivat, että oppijat muotoilivat hypoteesin käsitteen pohjana olevasta säännöstä. Säännöt voidaan ilmaista jos-niin muodossa. Kissaa luokitteleva sääntö voisi olla: “Jos se on kesy, sillä on neljä jalkaa, turkki, viikset, häntä, se on suhteellisen pieni, kehrää ja ääntelee ’miau’, niin se on kissa.” Vaikka poikkeuksia on, tämä sääntö luokittelee kissat tarkasti suurimman osan ajasta. Yleistys tapahtuu, kun sääntöä sovelletaan erilaisiin kissoihin.

Ihmisillä on taipumus muodostaa sääntöjä nopeasti (Bruner et al., 1956). Minkä tahansa tietyn käsitteen kohdalla he säilyttävät säännön niin kauan kuin se oikein tunnistaa käsitteen instanssit ja ei-instanssit, ja he muokkaavat sitä, kun se ei onnistu tekemään niin. Oppijat oppivat käsitteitä paremmin, kun heille esitetään positiivisia instansseja eli esimerkkejä käsitteestä. Oppiminen on paljon hitaampaa negatiivisilla (ei-) instansseilla. Yrittäessä vahvistaa käsitteen pohjana olevaa sääntöä ihmiset haluavat mieluummin vastaanottaa positiivisia kuin negatiivisia instansseja.

Tämän varhaisen työn jälkeen on syntynyt muita näkemyksiä käsitteiden luonteesta. Piirteiden analyysiteoria juontaa juurensa Brunerin ja muiden työhön ja olettaa, että käsitteisiin liittyy sääntöjä, jotka määrittelevät käsitteen kriittiset piirteet eli sisäiset (välttämättömät) attribuutit (Gagné, 1985; Smith & Medin, 1981). Kokemusten kautta käsitteestä muotoillaan sääntö, joka täyttää ehdot, ja sääntö säilytetään niin kauan kuin se toimii tehokkaasti.

Tämä näkemys ennustaa, että käsitteen eri instanssit tulisi tunnistaa yhtä nopeasti, koska jokaista instanssia verrataan kriittisiin piirteisiin; mutta näin ei aina ole. Useimmille ihmisille joidenkin kategorian instanssien (esim. delfiini on nisäkäs) todentaminen on vaikeampaa kuin toisten (esim. koira on nisäkäs). Tämä korostaa ongelmaa, että monia käsitteitä ei voida määritellä tarkasti kriittisten attribuuttien joukon avulla.

Toinen näkökulma on prototyyppiteoria (Rosch, 1973, 1975, 1978). Prototyyppi on käsitteen yleistetty kuva, joka voi sisältää vain joitain käsitteen määritteleviä attribuutteja. Kun kohdataan instanssi, muistetaan todennäköisin prototyyppi pitkäkestoisesta muistista ja verrataan sitä instanssiin, jotta nähdään, vastaavatko ne toisiaan. Prototyypit voivat sisältää joitain ei-määritteleviä (valinnaisia) attribuutteja. Kognitiivisessa psykologiassa prototyypit ajatellaan usein skeemoina (Andre, 1986) eli järjestäytyneinä muotoina tiedoille, joita meillä on tietystä käsitteestä.

Tutkimus tukee prototyyppiteorian ennustetta, jonka mukaan prototyyppiä lähempänä olevat instanssit (esim. prototyyppi = “lintu”; instanssit = “punatulkku”, “varpunen”) tunnistetaan nopeammin kuin vähemmän tyypilliset (esim. “pöllö”, “strutsi”; Rosch, 1973). Yksi huolenaihe on, että prototyyppiteoria viittaa siihen, että ihmiset tallentaisivat tuhansia prototyyppejä pitkäkestoiseen muistiin, mikä kuluttaisi paljon enemmän tilaa kuin säännöt. Toinen huolenaihe on, että oppijat voisivat helposti muodostaa vääriä prototyyppejä, jos heidän annetaan sisällyttää joitain ei-määritteleviä ominaisuuksia eikä kaikkia välttämättömiä.

Piirteiden analyysin ja prototyypin yhdistäminen on mahdollista. Koska prototyypit sisältävät kriittisiä piirteitä, voimme käyttää prototyyppejä luokittelemaan melko tyypillisten käsitteiden instansseja (Andre, 1986). Epäselvien instanssien kohdalla voimme käyttää kriittistä piirteiden analyysiä, joka saattaa muuttaa kriittisten piirteiden luetteloa uusien piirteiden sisällyttämiseksi.

Lasten käsitykset käsitteistä muuttuvat kehityksen ja kokemuksen myötä. Lapset, jotka ovat siirtymässä käsitteen merkityksen suhteen, voivat samanaikaisesti pitää mielessä aikaisemman hypoteesin, kun he kehittävät tarkistettua hypoteesia (Goldin-Meadow, Alibali & Church, 1993). Tämä tulkinta on yhdenmukainen Klausmeierin kannan kanssa, jota käsitellään seuraavaksi.

Tutkimus osoittaa, että on olemassa useita tapoja oppia ja muokata käsitteitä (Chinn & Samarapungavan, 2009). Yksi tapa kehittää prototyyppejä on altistua käsitteen tyypilliselle ilmentymälle, joka heijastaa klassisia ominaisuuksia (Klausmeier, 1992). Toinen tapa on poimia piirteitä kahdesta tai useammasta esimerkistä; linnuille piirteitä voivat olla esimerkiksi “höyhenet”, “kaksi jalkaa”, “nokka” ja “lentokyky”, vaikka kaikki piirteet eivät pädekään kaikkiin luokan jäseniin. Prototyypit tarkentuvat ja laajenevat, kun altistutaan käsitteen uusille esimerkeille; näin ollen esimerkiksi “elää viidakossa” (papukaija) ja “elää meren rannalla” (lokki).

Gagnén (1985) teoria pitää käsitteitä keskeisenä oppimisen muotona. Oppijoilla on aluksi oltava perustaidot, jotta he pystyvät erottamaan ärsykepiirteitä (ts. erottamaan olennaiset epäolennaisista piirteistä).

Gagnén (1985) näkemyksen mukaan käsitteiden oppimiseen liittyy monivaiheinen sarja. Ensinnäkin ärsykepiirre esitetään käsitteen ilmentymänä yhdessä ei-ilmentymän kanssa. Oppija vahvistaa kykynsä tehdä erottelu. Seuraavassa (yleistys)vaiheessa oppija tunnistaa ilmentymiä ja ei-ilmentymiä. Kolmanneksi ärsykepiirrettä—josta on tarkoitus tulla käsite—vaihdellaan ja esitetään yhdessä ei-ilmentymien kanssa. Käsitteen saavuttaminen varmistetaan pyytämällä tunnistamaan useita luokan ilmentymiä käyttämällä ärsykkeitä, joita ei ole aiemmin käytetty oppimisessa. Koko prosessin ajan oikeat vastaukset vahvistetaan ja läheisyysopimista tapahtuu esittämällä useita käsitteen ilmentymiä läheisessä yhteydessä.

Klausmeier (1990, 1992) kehitti ja testasi käsitteiden saavuttamisen mallin. Tämä malli olettaa nelivaiheisen sarjan: konkreettinen, identiteetti, luokitteleva ja muodollinen. Kompetenssi jokaisella tasolla on välttämätöntä saavuttamiseksi seuraavalla tasolla. Käsitteen saavuttamisen prosessi edustaa kehityksen, epävirallisen kokemuksen ja muodollisen koulutuksen vuorovaikutusta.

Konkreettisella tasolla oppijat voivat tunnistaa kohteen samaksi kuin aiemmin kohdatun, kun asiayhteys tai paikallinen suunta, jossa se alun perin kohdattiin, pysyy samana. Tämä taso edellyttää, että oppijat kiinnittävät huomiota kohteeseen, erottavat sen ympäristöstään yhden tai useamman määrittävän ominaisuuden perusteella, esittävät sen pitkäkestoisessa muistissa visuaalisena kuvana ja hakevat sen pitkäkestoisesta muistista verratakseen sitä uuteen kuvaan ja määritelläkseen, että se on sama kohde. Näin ollen oppija voi oppia tunnistamaan tasasivuisen kolmion ja erottamaan sen suorakulmaisesta tai tasakylkisestä kolmiosta.

Identiteettitasolle on ominaista kohteen tunnistaminen samaksi kuin aiemmin kohdatun, kun kohdetta havaitaan eri näkökulmasta tai eri modaliteetissa. Tämä vaihe sisältää samat prosessit kuin konkreettisella tasolla sekä yleistämisprosessin. Näin ollen oppija pystyy tunnistamaan tasasivuiset kolmiot eri suunnissa tai asennoissa sivulla.

Luokittelutaso edellyttää, että oppijat tunnistavat vähintään kaksi kohdetta vastaaviksi. Mukana on lisäyleistystä; tasasivuisten kolmioiden tapauksessa tämä tarkoittaa pienemmän ja suuremman tasasivuisen kolmion tunnistamista vastaaviksi. Prosessi jatkuu, kunnes oppija voi tunnistaa esimerkkejä ja ei-esimerkkejä; tässä vaiheessa oppija ei kuitenkaan välttämättä ymmärrä luokittelun perustaa (esim. sivun pituuden ja kulmien yhtäläisyys). Käsitteen nimeäminen ei ole välttämätöntä tällä tasolla, mutta, kuten edeltävissä vaiheissa, se voi helpottaa käsitteen hankkimista.

Lopuksi muodollinen taso edellyttää, että oppija tunnistaa käsitteen esimerkkejä ja ei-esimerkkejä, nimeää käsitteen ja sen määrittävät ominaisuudet, antaa käsitteen määritelmän ja määrittelee ominaisuudet, jotka erottavat käsitteen muista läheisesti siihen liittyvistä käsitteistä (ts. kolme yhtä suurta sivua ja kulmaa). Tämän vaiheen hallitseminen edellyttää, että oppija toteuttaa luokittelutason kognitiivisia prosesseja ja joukon korkeamman tason ajatteluprosesseja, jotka sisältävät hypoteesien muodostamista, arviointia ja päättelyä.

Tällä vaihemallilla on opetuksellisia vaikutuksia oppijoille kehityksen eri vaiheissa. Opetusta voidaan jakaa useille luokka-asteille, joilla käsitteitä tarkastellaan säännöllisesti uudelleen korkeammilla saavuttamistasoilla. Nuorille lapsille tarjotaan aluksi konkreettisia viittauksia, ja kehityksen myötä he pystyvät toimimaan abstraktimmilla kognitiivisilla tasoilla. Esimerkiksi nuoret lapset voivat oppia “hrehellisyyden” käsitteen näkemällä konkreettisia esimerkkejä (esim. ei varasta, antaa takaisin jotain, mikä ei ole sinun); vanhetessaan he voivat ymmärtää käsitteen abstraktimmin ja monimutkaisemmin (esim. tunnistaa rehellisen palautteen työntekijän suorituksen esimieheltä; keskustella rehellisyyden eduista).

Tennyson (1980, 1981; Tennyson, Steve, & Boutwell, 1975) kehitti myös empiiriseen tutkimukseen perustuvan käsitteiden opetusmallin. Tämä malli sisältää seuraavat vaiheet (Tennyson & Park, 1980):

• Määritä käsitteen rakenne sisältämään ylä-, rinnakkais- ja alisteiset käsitteet sekä tunnista kriittiset ja vaihtelevat ominaisuudet (esim. ominaisuudet, jotka voivat vaihdella laillisesti vaikuttamatta käsitteeseen).
• Määrittele käsite kriittisten ominaisuuksien avulla ja valmista useita esimerkkejä, joissa on kriittiset ja vaihtelevat ominaisuudet.
• Järjestä esimerkit sarjoiksi ominaisuuksien perusteella ja varmista, että esimerkeillä on samankaltaisia vaihtelevia ominaisuuksia missä tahansa sarjassa, joka sisältää esimerkkejä kustakin rinnakkaiskäsitteestä.
• Järjestä ja esitä sarjat esimerkkien eroavaisuuden ja vaikeuden perusteella ja järjestä esimerkit missä tahansa sarjassa oppijan nykyisen tietämyksen mukaan.

Useimmat käsitteet voidaan esittää hierarkiassa, jossa on yläkäsitteitä (ylempiä) ja alikäsitteitä (alempia). Mille tahansa käsitteelle samankaltaiset käsitteet voivat olla suunnilleen samalla tasolla hierarkiassa; nämä tunnetaan rinnakkaiskäsitteinä. Esimerkiksi käsitteellä “kissa” on yläkäsitteinä “kissaeläimet” ja “nisäkäs”, alikäsitteinä eri rodut (lyhythiuksinen, siamilainen) ja rinnakkaiskäsitteinä muut kissaeläinten jäsenet (leijona, jaguaari). Käsitteellä on kriittisiä ominaisuuksia (esim. tassut, hampaat) ja vaihtelevia ominaisuuksia (esim. karvan pituus, silmien väri). Joukko sisältää esimerkkejä ja ei-esimerkkejä (esim. koira, orava) käsitteestä.

Vaikka käsite tulisi määritellä kriittisten ominaisuuksiensa avulla ennen esimerkkien ja ei-esimerkkien antamista, määritelmän esittäminen ei takaa, että opiskelijat oppivat käsitteen. Esimerkkien tulisi vaihdella laajasti vaihtelevissa ominaisuuksissa, ja ei-esimerkkien tulisi poiketa esimerkeistä pienessä määrässä kriittisiä ominaisuuksia kerralla. Tämä esitystapa estää opiskelijoita yleistämästä liikaa (luokittelemasta ei-esimerkkejä esimerkkeinä) ja aliyleistämästä (luokittelemasta esimerkkejä ei-esimerkkeinä).

Esimerkkien välisten suhteiden osoittaminen on tehokas tapa edistää yleistämistä. Yksi keino on käyttää käsitekarttoja (tietokarttoja), jotka esittävät ideoita solmu-linkki-kokoonpanoina (Nesbit & Adescope, 2006). O’Donnell et ai. (2002) osoittivat, että oppimista helpottavat tietokartat, joissa ideat on linkitetty toisiinsa. Nesbit ja Adescope havaitsivat, että käsitekartat paransivat opiskelijoiden tiedon säilyttämistä.

Esimerkkien optimaalinen määrä riippuu sellaisista käsitteen ominaisuuksista kuin ominaisuuksien lukumäärä ja käsitteen abstraktisuusaste. Abstraktilla käsitteellä on yleensä vähemmän konkreettisia esimerkkejä kuin konkreettisella käsitteellä, ja edellisen esimerkit voivat olla oppijoiden vaikea ymmärtää. Käsitteen oppiminen riippuu myös oppijan ominaisuuksista, kuten iästä ja aiemmasta tiedosta (Tennyson & Park, 1980). Vanhemmat opiskelijat oppivat paremmin kuin nuoremmat, ja opiskelijat, joilla on enemmän relevanttia tietoa, menestyvät paremmin kuin ne, joilla ei ole tällaista tietoa.

Käsitteitä opetettaessa on hyödyllistä esittää esimerkkejä, jotka eroavat valinnaisissa ominaisuuksissa, mutta joilla on yhteisiä relevantteja ominaisuuksia, jotta jälkimmäiset voidaan selvästi osoittaa yhdessä epäolennaisten ulottuvuuksien kanssa. Esimerkiksi käsitettä “oikea kolmio” opetettaessa koko on epäolennainen, samoin kuin suunta, johon se osoittaa. Voidaan esittää erikokoisia suorakulmaisia kolmioita, jotka osoittavat eri suuntiin. Työskenneltyjen esimerkkien käyttäminen on tehokas kognitiivinen opetusstrategia (Atkinson et al., 2000).

Opiskelijoiden ei tarvitse vain oppia yleistämään suorakulmaisia kolmioita, vaan heidän on myös opittava erottamaan ne muista kolmioista. Käsitteen erottelun edistämiseksi opettajien tulisi esittää negatiivisia esimerkkejä, jotka poikkeavat selvästi positiivisista esimerkeistä. Opiskelijoiden taitojen kehittyessä heitä voidaan opettaa tekemään hienovaraisempia erotteluja. Taulukossa 'Vaiheet käsitteiden yleistämiseksi ja erottamiseksi' esitetyt ehdotukset ovat hyödyllisiä opetettaessa oppilaita yleistämään ja erottamaan käsitteitä.

Tämä malli edellyttää käsitteen taksonomisen rakenteen huolellista analysointia. Rakenne on hyvin määritelty monille käsitteille (esim. eläinkunta), mutta monille muille – erityisesti abstrakteille käsitteille – linkit ylempi- ja alemman tason käsitteisiin sekä rinnakkaiskäsitteisiin ovat ongelmallisia.

Merkittävässä artikkelissa Pintrich, Marx ja Boyle (1993) väittivät, että käsitteellinen muutos sisältää myös motivaatioprosesseja (esim. tavoitteet, odotukset, tarpeet), jotka tiedonkäsittelymallit ovat yleensä jättäneet huomiotta. Nämä kirjoittajat väittivät, että neljä ehtoa ovat välttämättömiä käsitteellisen muutoksen tapahtumiselle. Ensinnäkin tarvitaan tyytymättömyyttä omiin nykyisiin käsityksiin; muutos on epätodennäköistä, jos ihmiset kokevat, että heidän käsityksensä ovat tarkkoja tai hyödyllisiä. Toiseksi uuden käsityksen on oltava ymmärrettävä – ihmisten on ymmärrettävä käsitys voidakseen omaksua sen. Kolmanneksi uuden käsityksen on oltava uskottava – oppijoiden on ymmärrettävä, miten se sopii muihin käsityksiin ja miten sitä voidaan soveltaa. Lopuksi heidän on koettava uusi käsitys hedelmälliseksi – pystyäkseen selittämään ilmiöitä ja ehdottamaan uusia tutkimus- tai sovellusalueita.

Motivaatioprosessit tulevat mukaan useissa kohdissa tässä mallissa. Esimerkiksi tutkimukset osoittavat, että opiskelijoiden tavoitteet ohjaavat heidän huomiotaan ja ponnistelujaan, ja heidän uskonsa omaan pystyvyyteensä korreloi positiivisesti motivaation, tehokkaiden tehtävästrategioiden käytön ja taitojen hankkimisen kanssa (Schunk, 1995). Lisäksi opiskelijat, jotka uskovat oppimisen olevan hyödyllistä ja tehtävästrategioiden olevan tehokkaita, osoittavat korkeampaa motivaatiota ja oppimista (Borkowski, 1985; Pressley et al., 1990; Schunk & Rice, 1993). Tavoitteiden, uskon omaan pystyvyyteen ja pätevyyden itsearviointien on osoitettu edistävän oppimista ja itsesääntelyä sellaisilla aloilla kuin lukemisen ymmärtäminen, kirjoittaminen, matematiikka ja päätöksenteko (Pajares, 1996; Schunk & Pajares, 2009; Schunk & Swartz, 1993a; Wood & Bandura, 1989; Zimmerman & Bandura, 1994). Näemme avauskuvauksessa, että siirtyminen ongelmanratkaisuun on itse asiassa parantanut joidenkin opiskelijoiden motivaatiota oppimiseen.

Lyhyesti sanottuna kirjallisuus viittaa siihen, että käsitteellinen muutos sisältää opiskelijoiden kognitioiden ja motivaatiouskomusten vuorovaikutuksen (Pintrich et al., 1993), millä on vaikutuksia opettamiseen. Sen sijaan, että opettajat yksinkertaisesti tarjoaisivat tietoa, heidän on otettava huomioon opiskelijoiden olemassa olevat ajatukset suunnitellessaan opetusta ja varmistettava, että opetus sisältää motivaatiota oppimiseen.

Nämä ajatukset ovat erittäin käyttökelpoisia luonnontieteissä. Monet luonnontieteiden opettajat uskovat, että oppijat rakentavat tietoa sen sijaan, että se yksinkertaisesti välitettäisiin (Driver et al., 1994; Linn & Eylon, 2006). Mielenkiintoinen kysymys on, miten opiskelijat kehittävät tieteellisiä väärinkäsityksiä ja yksinkertaistettuja tieteellisiä malleja (Windschitl & Thompson, 2006). Tärkeä tehtävä on auttaa opiskelijoita haastamaan ja korjaamaan väärinkäsityksiä (Sandoval, 1995). Kokemukset, jotka tuottavat kognitiivista ristiriitaa, voivat olla hyödyllisiä (Mayer, 1999; Sandoval, 1995; Williams & Tolmie, 2000). Tämä voi edellyttää, että opiskelijat osallistuvat käytännön toimintaan ja työskentelevät muiden kanssa (esim. keskusteluissa) tulkitakseen kokemuksiaan selektiivisen kyselyn avulla (esim. "Miksi ajattelet niin?" "Miten päättelit sen?"). Tämä lähestymistapa sopii hyvin yhteen Vygotskyn painotuksen kanssa sosiaalisten vaikutusten suhteen tiedon rakentamiseen.

Nussbaum ja Novick (1982) ehdottivat kolmivaiheista mallia opiskelijoiden uskomusten muuttamiseksi:

• Paljasta ja ymmärrä opiskelijoiden ennakkokäsitykset.
• Luo käsitteellinen ristiriita näiden käsitysten kanssa.
• Helpota uusien tai tarkistettujen skeemojen kehittämistä tarkasteltavista ilmiöistä.

Motivaation rooli on kriittinen. Vaikka luonnontieteillä on monia teemoja, joiden pitäisi olla kiinnostavia, luonnontieteiden opiskelu ei kiinnosta monia opiskelijoita. Oppiminen hyötyy käytännön opetuksesta ja yhteyksistä opiskelijoiden elämän eri osa-alueisiin. Esimerkiksi liike voidaan yhdistää jalkapallojen lentorataan, sähkö DVD-soittimiin ja ekologia yhteisön kierrätysohjelmiin. Kiinnostuksen lisääminen aiheisiin voi myös parantaa opiskelijoiden oppimisen laatua (Sandoval, 1995). Näin ollen kuvien ja kaavioiden käyttäminen auttaa opiskelijoita ymmärtämään tieteellisiä käsitteitä (Carlson, Chandler ja Sweller, 2003; Hannus & Hyönä, 1999), vaikka joillekin opiskelijoille on ehkä opetettava kuvien tutkimista osana tekstin oppimista.