Apprendimento dei Concetti: Processi Cognitivi Chiave

In molti contesti diversi, gli studenti apprendono concetti. I concetti sono insiemi etichettati di oggetti, simboli o eventi che condividono caratteristiche comuni, o attributi critici. Un concetto è una costruzione o rappresentazione mentale di una categoria che consente di identificare esempi e non esempi della categoria (Howard, 1987). I concetti possono riguardare oggetti concreti (ad es. “tavolo”, “sedia”, “gatto”) o idee astratte (ad es. “amore”, “democrazia”, “integrità”). Infatti, esistono molti tipi di concetti (per una revisione dettagliata, vedi Medin, Lynch e Solomon, 2000). L'apprendimento dei concetti si riferisce alla formazione di rappresentazioni per identificare gli attributi, generalizzarli a nuovi esempi e distinguere gli esempi dai non esempi.

I primi studi di Bruner, Goodnow e Austin (1956) hanno esplorato la natura dei concetti. Ai partecipanti venivano presentate scatole raffiguranti schemi geometrici. Ogni schema poteva essere classificato utilizzando quattro attributi diversi: numero di stimoli (uno, due, tre); forma (cerchio, quadrato, croce); colore (rosso, verde, nero); e numero di bordi sulla scatola (uno, due, tre). Il compito era identificare il concetto rappresentato in diversi sottoinsiemi di scatole.

La configurazione delle caratteristiche in un compito di apprendimento dei concetti può essere variata per produrre concetti diversi. Un concetto congiuntivo è rappresentato da due o più caratteristiche (ad es. due cerchi rossi). Altre caratteristiche (numero di bordi) non sono rilevanti. Un concetto disgiuntivo è rappresentato da una di due o più caratteristiche; ad esempio, due cerchi di qualsiasi colore o un cerchio rosso. Un concetto relazionale specifica una relazione tra le caratteristiche che deve essere presente, come ad esempio il numero di oggetti nella figura deve superare il numero di bordi (il tipo di oggetto e il colore non sono importanti).

Bruner et al. (1956) hanno scoperto che gli studenti formulavano un'ipotesi sulla regola alla base del concetto. Le regole possono essere espresse in forma di se-allora. Una regola che classifica un gatto potrebbe essere: “Se è domestico, ha quattro zampe, pelliccia, baffi, una coda, è relativamente piccolo, fa le fusa ed emette il suono ‘miao’, allora è un gatto.” Sebbene esistano eccezioni, questa regola classificherà accuratamente i gatti la maggior parte delle volte. La generalizzazione si verifica quando la regola viene applicata a una varietà di gatti.

Le persone tendono a formare regole rapidamente (Bruner et al., 1956). Per ogni dato concetto, mantengono la regola finché identifica correttamente istanze e non istanze del concetto e la modificano quando non riesce a farlo. Gli studenti acquisiscono meglio i concetti quando vengono presentati con istanze positive, o esempi del concetto. L'apprendimento è molto più lento con istanze negative (non-). Quando si cerca di confermare la regola alla base del concetto, le persone preferiscono ricevere istanze positive piuttosto che negative.

Da questo lavoro iniziale, sono emerse altre opinioni sulla natura dei concetti. La teoria dell'analisi delle caratteristiche deriva dal lavoro di Bruner e altri e postula che i concetti implichino regole che definiscono le caratteristiche critiche, o gli attributi intrinseci (necessari), del concetto (Gagné, 1985; Smith & Medin, 1981). Attraverso esperienze con il concetto, si formula una regola che soddisfa le condizioni e si mantiene la regola finché funziona efficacemente.

Questa visione prevede che diverse istanze di un concetto debbano essere riconosciute altrettanto rapidamente perché ogni istanza viene giudicata rispetto alle caratteristiche critiche; ma questo non è sempre il caso. La maggior parte delle persone trova alcune istanze di una categoria (ad es. un delfino è un mammifero) più difficili da verificare rispetto ad altre (ad es. un cane è un mammifero). Questo evidenzia il problema che molti concetti non possono essere definiti precisamente in termini di un insieme di attributi critici.

Una seconda prospettiva è la teoria del prototipo (Rosch, 1973, 1975, 1978). Un prototipo è un'immagine generalizzata del concetto, che può includere solo alcuni degli attributi definitori del concetto. Quando ci si confronta con un'istanza, si richiama il prototipo più probabile dalla MLT e lo si confronta con l'istanza per vedere se corrispondono. I prototipi possono includere alcuni attributi non definitori (opzionali). In psicologia cognitiva, i prototipi sono spesso considerati schemi (Andre, 1986), o forme organizzate per la conoscenza che abbiamo di un particolare concetto.

La ricerca supporta la previsione della teoria del prototipo che le istanze più vicine al prototipo (ad es. prototipo = “uccello”; istanze = “pettirosso”, “passero”) sono riconosciute più rapidamente di quelle meno tipiche (ad es. “gufi”, “struzzo”; Rosch, 1973). Una preoccupazione è che la teoria del prototipo implichi che le persone memorizzerebbero migliaia di prototipi nella MLT, il che consumerebbe molto più spazio delle regole. Una seconda preoccupazione è che gli studenti potrebbero facilmente formare prototipi errati se viene loro permesso di includere alcune caratteristiche non definitorie e non tutte quelle necessarie.

È possibile combinare le posizioni dell'analisi delle caratteristiche e del prototipo. Dato che i prototipi includono caratteristiche critiche, potremmo impiegare prototipi per classificare istanze di concetti che sono abbastanza tipici (Andre, 1986). Per le istanze che sono ambigue, possiamo impiegare l'analisi delle caratteristiche critiche, che potrebbe modificare l'elenco delle caratteristiche critiche per incorporare le nuove caratteristiche.

La comprensione dei concetti da parte dei bambini cambia con lo sviluppo e l'esperienza. I bambini in transizione sul significato di un concetto possono contemporaneamente tenere a mente un'ipotesi precedente mentre ne sviluppano una rivista (Goldin-Meadow, Alibali e Church, 1993). Questa interpretazione è coerente con la posizione di Klausmeier, che viene discussa di seguito.

La ricerca indica che ci sono molteplici modi per apprendere e modificare i concetti (Chinn & Samarapungavan, 2009). Un modo per sviluppare prototipi è essere esposti a un'istanza tipica del concetto che riflette gli attributi classici (Klausmeier, 1992). Un secondo modo è astraendo caratteristiche da due o più esempi; per gli uccelli, le caratteristiche potrebbero essere “piume”, “due zampe”, “becco” e “vola”, anche se non tutte le caratteristiche si applicano a ogni membro della classe. I prototipi vengono perfezionati ed espansi quando si è esposti a nuovi esempi del concetto; quindi, “vive nella giungla” (pappagallo) e “vive vicino all'oceano” (gabbiano).

La teoria di Gagné (1985) include i concetti come una forma centrale di apprendimento. Inizialmente, gli studenti devono avere capacità di base prerequisito per discriminare tra le caratteristiche dello stimolo (cioè, distinguere le caratteristiche rilevanti da quelle irrilevanti).

Nella visione di Gagné (1985), l'apprendimento dei concetti coinvolge una sequenza a più stadi. Innanzitutto, la caratteristica dello stimolo viene presentata come un'istanza del concetto insieme a una non istanza. Lo studente conferma la capacità di effettuare la discriminazione. Nella fase successiva (generalizzazione), lo studente identifica istanze e non istanze. In terzo luogo, la caratteristica dello stimolo, che diventerà il concetto, viene variata e presentata insieme a non istanze. L'acquisizione del concetto viene verificata chiedendo l'identificazione di diverse istanze della classe utilizzando stimoli non precedentemente impiegati nell'apprendimento. Durante tutto il processo, le risposte corrette vengono rafforzate e l'apprendimento per contiguità si verifica presentando diverse istanze del concetto in stretta associazione.

Klausmeier (1990, 1992) ha sviluppato e testato un modello di acquisizione di concetti. Questo modello postula una sequenza a quattro stadi: concreto, identità, classificatorio e formale. La competenza a ogni livello è necessaria per l'acquisizione al livello successivo. Il processo di acquisizione dei concetti rappresenta un'interazione tra sviluppo, esperienza informale e istruzione formale.

A livello concreto, gli studenti possono riconoscere un elemento come lo stesso precedentemente incontrato quando il contesto o l'orientamento spaziale in cui è stato originariamente incontrato rimane lo stesso. Questo livello richiede che gli studenti prestino attenzione all'elemento, lo distinguano come diverso dall'ambiente circostante sulla base di uno o più attributi definitori, lo rappresentino nella MLT come un'immagine visiva e lo recuperino dalla MLT per confrontarlo con una nuova immagine e determinare che sia lo stesso elemento. Pertanto, uno studente potrebbe imparare a riconoscere un triangolo equilatero e a distinguerlo da un triangolo rettangolo o isoscele.

Il livello di identità è caratterizzato dal riconoscimento di un elemento come lo stesso precedentemente incontrato quando l'elemento viene osservato da una prospettiva diversa o in una modalità diversa. Questa fase coinvolge gli stessi processi del livello concreto, nonché il processo di generalizzazione. Pertanto, lo studente sarà in grado di riconoscere triangoli equilateri in diverse orientamenti o posizioni su una pagina.

Il livello classificatorio richiede che gli studenti riconoscano almeno due elementi come equivalenti. È coinvolta un'ulteriore generalizzazione; nel caso dei triangoli equilateri, ciò implica il riconoscimento di un triangolo equilatero più piccolo e più grande come equivalenti. Il processo continua finché lo studente non è in grado di riconoscere esempi e non esempi; a questo stadio, tuttavia, lo studente potrebbe non comprendere la base per la classificazione (ad esempio, l'uguaglianza della lunghezza dei lati e degli angoli). Essere in grado di nominare il concetto non è necessario a questo livello, ma, come nelle fasi precedenti, può facilitare l'acquisizione del concetto.

Infine, il livello formale richiede che lo studente identifichi esempi e non esempi del concetto, nomini il concetto e i suoi attributi definitori, fornisca una definizione del concetto e specifichi gli attributi che distinguono il concetto da altri strettamente correlati (cioè, tre lati e angoli uguali). La padronanza di questa fase richiede allo studente di implementare processi cognitivi a livello classificatorio e una serie di processi di pensiero di ordine superiore che coinvolgono l'ipotesi, la valutazione e l'inferenza.

Questo modello a stadi ha implicazioni didattiche per gli studenti in vari punti dello sviluppo. L'istruzione può essere distribuita su diversi anni scolastici in cui i concetti vengono periodicamente rivisitati a livelli di acquisizione più elevati. Ai bambini piccoli vengono inizialmente forniti referenti concreti e, con lo sviluppo, diventano in grado di operare a livelli cognitivi più astratti. Ad esempio, i bambini piccoli possono apprendere il concetto di “onestà” vedendo esempi specifici (ad esempio, non rubare, restituire qualcosa che non è tuo); man mano che crescono, possono comprendere il concetto in termini più astratti e complessi (ad esempio, riconoscere un feedback onesto da parte di un supervisore della performance di un lavoratore; discutere i benefici dell'onestà).

Tennyson (1980, 1981; Tennyson, Steve, & Boutwell, 1975) ha anche sviluppato un modello di insegnamento dei concetti basato sulla ricerca empirica. Questo modello include i seguenti passaggi (Tennyson & Park, 1980):

• Determinare la struttura del concetto per includere concetti sovraordinati, coordinati e subordinati e identificare gli attributi critici e variabili (ad es. caratteristiche che possono legittimamente variare e non influenzare il concetto).
• Definire il concetto in termini di attributi critici e preparare diversi esempi con gli attributi critici e variabili.
• Organizzare gli esempi in set basati sugli attributi e garantire che gli esempi abbiano attributi variabili simili all'interno di qualsiasi set contenente esempi di ciascun concetto coordinato.
• Ordinare e presentare i set in termini di divergenza e difficoltà degli esempi e ordinare gli esempi all'interno di qualsiasi set in base alle conoscenze attuali dello studente.

La maggior parte dei concetti può essere rappresentata in una gerarchia con concetti sovraordinati (superiori) e subordinati (inferiori). Per ogni dato concetto, concetti simili possono essere approssimativamente allo stesso livello nella gerarchia; questi sono noti come concetti coordinati. Ad esempio, il concetto di “gatto domestico” ha “felini” e “mammifero” come concetti sovraordinati, le varie razze (a pelo corto, siamese) come concetti subordinati e altri membri della famiglia dei felini (leone, giaguaro) come concetti coordinati. Il concetto ha attributi critici (ad es. zampe, denti) e attributi variabili (ad es. lunghezza del pelo, colore degli occhi). Un set comprende esempi e non esempi (ad es. cane, scoiattolo) del concetto.

Sebbene il concetto debba essere definito con i suoi attributi critici prima che vengano forniti esempi e non esempi, presentare una definizione non garantisce che gli studenti apprenderanno il concetto. Gli esempi dovrebbero differire ampiamente negli attributi variabili e i non esempi dovrebbero differire dagli esempi in un piccolo numero di attributi critici contemporaneamente. Questa modalità di presentazione impedisce agli studenti di ipergeneralizzare (classificare i non esempi come esempi) e sottogeneralizzare (classificare gli esempi come non esempi).

Evidenziare le relazioni tra gli esempi è un modo efficace per favorire la generalizzazione. Un mezzo è l'utilizzo di mappe concettuali (della conoscenza), ovvero diagrammi che rappresentano le idee come assiemi nodo-collegamento (Nesbit & Adescope, 2006). O’Donnell et al. (2002) hanno dimostrato che l'apprendimento è facilitato con mappe della conoscenza in cui le idee sono interconnesse. Nesbit e Adescope hanno scoperto che le mappe concettuali migliorano la ritenzione della conoscenza degli studenti.

Il numero ottimale di esempi da presentare dipende da caratteristiche del concetto come il numero di attributi e il grado di astrattezza del concetto. I concetti astratti di solito hanno meno esempi tangibili dei concetti concreti e gli esempi dei primi possono essere difficili da comprendere per gli studenti. L'apprendimento dei concetti dipende anche da attributi dello studente come l'età e le conoscenze pregresse (Tennyson & Park, 1980). Gli studenti più grandi imparano meglio di quelli più giovani e gli studenti con più conoscenze rilevanti ottengono risultati migliori di quelli privi di tali conoscenze.

Nell'insegnamento dei concetti, è utile presentare esempi che differiscono negli attributi opzionali ma hanno attributi rilevanti in comune in modo che questi ultimi possano essere chiaramente evidenziati, insieme alle dimensioni irrilevanti. Nell'insegnamento del concetto di “triangolo rettangolo”, ad esempio, la dimensione è irrilevante, così come la direzione in cui è rivolto. Si potrebbero presentare triangoli rettangoli di varie dimensioni rivolti in direzioni diverse. L'utilizzo di esempi svolti è una strategia didattica cognitiva efficace (Atkinson et al., 2000).

Non solo gli studenti devono imparare a generalizzare i triangoli rettangoli, ma devono anche imparare a distinguerli dagli altri triangoli. Per favorire la discriminazione dei concetti, gli insegnanti dovrebbero presentare istanze negative che differiscono chiaramente dalle istanze positive. Man mano che le abilità degli studenti si sviluppano, si può insegnare loro a fare discriminazioni più precise. I suggerimenti mostrati nella tabella 'Passaggi per generalizzare e discriminare i concetti' sono utili per insegnare agli studenti a generalizzare e discriminare tra i concetti.

Questo modello richiede un'attenta analisi della struttura tassonomica di un concetto. La struttura è ben specificata per molti concetti (ad es. il regno animale), ma per molti altri—specialmente i concetti astratti—i collegamenti con concetti di ordine superiore e inferiore, così come con i concetti coordinati, sono problematici.

In un articolo fondamentale, Pintrich, Marx e Boyle (1993) hanno sostenuto che il cambiamento concettuale coinvolge anche processi motivazionali (ad esempio, obiettivi, aspettative, bisogni), che i modelli di elaborazione delle informazioni hanno teso a trascurare. Questi autori hanno sostenuto che sono necessarie quattro condizioni affinché si verifichi il cambiamento concettuale. In primo luogo, è necessaria l'insoddisfazione per le proprie concezioni attuali; è improbabile che il cambiamento avvenga se le persone ritengono che le loro concezioni siano accurate o utili. In secondo luogo, la nuova concezione deve essere intelligibile: le persone devono capire una concezione per poterla adottare. In terzo luogo, la nuova concezione deve essere plausibile: gli studenti devono capire come si adatta ad altre comprensioni di come potrebbe essere applicata. Infine, devono percepire la nuova concezione come fruttuosa: essere in grado di spiegare i fenomeni e suggerire nuove aree di indagine o applicazione.

I processi motivazionali entrano in gioco in diversi punti di questo modello. Ad esempio, la ricerca dimostra che gli obiettivi degli studenti dirigono la loro attenzione e il loro impegno, e la loro autoefficacia si correla positivamente con la motivazione, l'uso di strategie efficaci per i compiti e l'acquisizione di competenze (Schunk, 1995). Inoltre, gli studenti che credono che l'apprendimento sia utile e che le strategie per i compiti siano efficaci mostrano una maggiore motivazione e apprendimento (Borkowski, 1985; Pressley et al., 1990; Schunk & Rice, 1993). Obiettivi, autoefficacia e autovalutazioni della competenza hanno dimostrato di promuovere l'apprendimento e l'autoregolamentazione in ambiti quali la comprensione della lettura, la scrittura, la matematica e il processo decisionale (Pajares, 1996; Schunk & Pajares, 2009; Schunk & Swartz, 1993a; Wood & Bandura, 1989; Zimmerman & Bandura, 1994). Nello scenario di apertura vediamo che il passaggio a una maggiore risoluzione dei problemi ha effettivamente migliorato la motivazione all'apprendimento di alcuni studenti.

In breve, la letteratura suggerisce che il cambiamento concettuale coinvolge un'interazione tra le cognizioni e le convinzioni motivazionali degli studenti (Pintrich et al., 1993), il che ha implicazioni per l'insegnamento. Piuttosto che limitarsi a fornire conoscenza, gli insegnanti devono tenere conto delle idee preesistenti degli studenti quando pianificano l'istruzione e assicurarsi che l'istruzione includa la motivazione all'apprendimento.

Queste idee sono altamente applicabili alla scienza. Molti educatori scientifici ritengono che la conoscenza sia costruita dagli studenti piuttosto che semplicemente trasmessa (Driver et al., 1994; Linn & Eylon, 2006). Una questione interessante è come gli studenti sviluppano idee sbagliate scientifiche e modelli scientifici semplicistici (Windschitl & Thompson, 2006). Un compito importante è aiutare gli studenti a sfidare e correggere le idee sbagliate (Sandoval, 1995). Esperienze che producono conflitto cognitivo possono essere utili (Mayer, 1999; Sandoval, 1995; Williams & Tolmie, 2000). Ciò potrebbe comportare il coinvolgimento degli studenti in attività pratiche e la collaborazione con altri (ad esempio, in discussioni) per interpretare le loro esperienze attraverso domande selettive (ad esempio, “Perché lo pensi?” “Come hai fatto a capirlo?”). Questo approccio si adatta bene all'enfasi vygotskiana sulle influenze sociali sulla costruzione della conoscenza.

Nussbaum e Novick (1982) hanno proposto un modello a tre fasi per cambiare le convinzioni degli studenti:

• Rivela e comprendi le preconcezioni degli studenti.
• Crea un conflitto concettuale con quelle concezioni.
• Facilita lo sviluppo di schemi nuovi o rivisti sui fenomeni in esame.

Il ruolo della motivazione è fondamentale. Sebbene la scienza abbia molti temi che dovrebbero essere interessanti, studiare la scienza suscita poco interesse per molti studenti. L'apprendimento trae beneficio dall'istruzione pratica e dai collegamenti con aspetti della vita degli studenti. Ad esempio, il movimento può essere collegato alla traiettoria dei palloni da calcio, l'elettricità ai lettori DVD e l'ecologia ai programmi di riciclaggio della comunità. Aumentare l'interesse per gli argomenti può anche migliorare la qualità dell'apprendimento degli studenti (Sandoval, 1995). Pertanto, l'uso di illustrazioni e diagrammi aiuta gli studenti a comprendere i concetti scientifici (Carlson, Chandler e Sweller, 2003; Hannus & Hyönä, 1999), anche se alcuni studenti potrebbero aver bisogno di essere istruiti su come studiare le illustrazioni come parte dell'apprendimento del testo.