Uczenie się pojęć: Procesy uczenia się poznawczego

W wielu różnych kontekstach uczniowie poznają pojęcia. Pojęcia to oznaczone zbiory obiektów, symboli lub zdarzeń, które mają wspólne cechy lub atrybuty krytyczne. Pojęcie to mentalny konstrukt lub reprezentacja kategorii, która pozwala identyfikować przykłady i nieprzykłady tej kategorii (Howard, 1987). Pojęcia mogą dotyczyć konkretnych obiektów (np. “stół”, “krzesło”, “kot”) lub abstrakcyjnych idei (np. “miłość”, “demokracja”, “całość”). W rzeczywistości istnieje wiele rodzajów pojęć (szczegółowy przegląd można znaleźć w Medin, Lynch, & Solomon, 2000). Uczenie się pojęć odnosi się do tworzenia reprezentacji w celu identyfikacji atrybutów, uogólniania ich na nowe przykłady i rozróżniania przykładów od nieprzykładów.

Wczesne badania Brunera, Goodnow i Austina (1956) badały naturę pojęć. Uczącym się prezentowano pudełka przedstawiające wzory geometryczne. Każdy wzór można było klasyfikować za pomocą czterech różnych atrybutów: liczba bodźców (jeden, dwa, trzy); kształt (koło, kwadrat, krzyż); kolor (czerwony, zielony, czarny); i liczba obramowań na pudełku (jedno, dwa, trzy). Zadaniem było zidentyfikowanie pojęcia reprezentowanego w różnych podzbiorach pudełek.

Konfiguracja cech w zadaniu uczenia się pojęć może być zmieniana, aby uzyskać różne pojęcia. Pojęcie koniunkcyjne jest reprezentowane przez dwie lub więcej cech (np. dwa czerwone koła). Inne cechy (liczba obramowań) nie są istotne. Pojęcie dysjunkcyjne jest reprezentowane przez jedną z dwóch lub więcej cech; na przykład dwa koła dowolnego koloru lub jedno czerwone koło. Pojęcie relacyjne określa relację między cechami, które muszą być obecne, na przykład liczba obiektów na figurze musi przewyższać liczbę obramowań (rodzaj obiektu i kolor są nieistotne).

Bruner i in. (1956) odkryli, że uczący się formułują hipotezę na temat zasady leżącej u podstaw pojęcia. Zasady można wyrazić w formie „jeśli-to”. Zasada klasyfikująca kota może brzmieć: „Jeśli jest udomowiony, ma cztery łapy, futro, wąsy, ogon, jest stosunkowo mały, mruczy i wydaje dźwięki ‘miau’, to jest to kot”. Chociaż istnieją wyjątki, ta zasada dokładnie sklasyfikuje koty przez większość czasu. Uogólnienie następuje, gdy zasada jest stosowana do różnych kotów.

Ludzie mają tendencję do szybkiego formułowania zasad (Bruner i in., 1956). Dla danego pojęcia zachowują zasadę tak długo, jak poprawnie identyfikuje ona wystąpienia i niewystąpienia pojęcia, i modyfikują ją, gdy to nie działa. Uczący się lepiej przyswajają pojęcia, gdy prezentowane są im pozytywne wystąpienia, czyli przykłady pojęcia. Uczenie się jest znacznie wolniejsze w przypadku negatywnych (nie-) wystąpień. Próbując potwierdzić zasadę leżącą u podstaw pojęcia, ludzie wolą otrzymywać pozytywne niż negatywne wystąpienia.

Od czasu tych wczesnych prac pojawiły się inne poglądy dotyczące natury pojęć. Teoria analizy cech wywodzi się z pracy Brunera i innych i postuluje, że pojęcia obejmują zasady, które definiują krytyczne cechy lub wewnętrzne (niezbędne) atrybuty pojęcia (Gagné, 1985; Smith & Medin, 1981). Poprzez doświadczenia z pojęciem formułuje się zasadę, która spełnia warunki, i zachowuje się ją tak długo, jak skutecznie funkcjonuje.

Ten pogląd przewiduje, że różne wystąpienia pojęcia powinny być rozpoznawane równie szybko, ponieważ każde wystąpienie jest oceniane na podstawie krytycznych cech; ale nie zawsze tak jest. Większość ludzi uważa, że niektóre wystąpienia kategorii (np. delfin to ssak) trudniej jest zweryfikować niż inne (np. pies to ssak). Podkreśla to problem, że wielu pojęć nie można precyzyjnie zdefiniować za pomocą zestawu krytycznych atrybutów.

Drugą perspektywą jest teoria prototypów (Rosch, 1973, 1975, 1978). Prototyp to uogólniony obraz pojęcia, który może zawierać tylko niektóre z definiujących atrybutów pojęcia. W obliczu wystąpienia przypomina się najbardziej prawdopodobny prototyp z Długotrwałej Pamięci (LTM) i porównuje go z wystąpieniem, aby sprawdzić, czy pasują. Prototypy mogą zawierać pewne nieokreślające (opcjonalne) atrybuty. W psychologii poznawczej prototypy są często uważane za schematy (Andre, 1986), czyli zorganizowane formy wiedzy, którą mamy na temat danego pojęcia.

Badania popierają przewidywanie teorii prototypów, że wystąpienia bliższe prototypowi (np. prototyp = “ptak”; wystąpienia = “robin”, “sparrow”) są rozpoznawane szybciej niż te mniej typowe (np. “owl”, “ostrich”; Rosch, 1973). Jedną z obaw jest to, że teoria prototypów implikuje, że ludzie przechowywaliby tysiące prototypów w LTM, co pochłonęłoby znacznie więcej miejsca niż zasady. Drugą obawą jest to, że uczący się mogliby łatwo tworzyć nieprawidłowe prototypy, jeśli pozwolono by im na włączenie niektórych nieokreślających cech i nie wszystkich niezbędnych.

Połączenie analizy cech i stanowisk prototypowych jest możliwe. Biorąc pod uwagę, że prototypy zawierają krytyczne cechy, możemy wykorzystywać prototypy do klasyfikowania wystąpień pojęć, które są dość typowe (Andre, 1986). W przypadku wystąpień, które są niejednoznaczne, możemy zastosować analizę krytycznych cech, która może zmodyfikować listę krytycznych cech, aby uwzględnić nowe cechy.

Rozumienie pojęć przez dzieci zmienia się wraz z rozwojem i doświadczeniem. Dzieci w okresie przejściowym dotyczącym znaczenia pojęcia mogą jednocześnie pamiętać wcześniejszą hipotezę podczas opracowywania poprawionej (Goldin-Meadow, Alibali, & Church, 1993). Ta interpretacja jest zgodna ze stanowiskiem Klausmeiera, które omówiono w następnej kolejności.

Badania wskazują, że istnieje wiele sposobów uczenia się i modyfikowania konceptów (Chinn & Samarapungavan, 2009). Jednym ze sposobów rozwijania prototypów jest ekspozycja na typowy przykład konceptu, który odzwierciedla klasyczne atrybuty (Klausmeier, 1992). Drugim sposobem jest abstrahowanie cech z dwóch lub więcej przykładów; dla ptaków cechami mogą być “dzioby”, “dwa nogi”, “pierze” i “latanie”, chociaż nie każda cecha odnosi się do każdego członka klasy. Prototypy są udoskonalane i rozszerzane, gdy jest się narażonym na nowe przykłady konceptu; tak więc, “zamieszkuje w dżungli” (papuga) i “zamieszkuje nad oceanem” (mewa).

Teoria Gagné’a (1985) uwzględnia koncepty jako centralną formę uczenia się. Uczący się początkowo muszą posiadać podstawowe umiejętności wstępne, aby rozróżniać cechy bodźców (tj. odróżniać cechy istotne od nieistotnych).

W ujęciu Gagné’a (1985) uczenie się konceptów obejmuje wieloetapową sekwencję. Po pierwsze, cecha bodźca jest prezentowana jako instancja konceptu wraz z nie-instancją. Uczący się potwierdza zdolność do dokonania rozróżnienia. W następnym etapie (generalizacji) uczący się identyfikuje instancje i nie-instancje. Po trzecie, cecha bodźca—która ma stać się konceptem—jest zmieniana i prezentowana wraz z nie-instancjami. Osiągnięcie konceptu jest weryfikowane przez prośbę o identyfikację kilku instancji klasy przy użyciu bodźców, które nie były wcześniej wykorzystywane w uczeniu się. W trakcie całego procesu poprawne odpowiedzi są wzmacniane, a uczenie się przez styczność następuje poprzez prezentowanie kilku instancji konceptu w bliskim związku.

Klausmeier (1990, 1992) opracował i przetestował model osiągania konceptów. Model ten postuluje czterostopniową sekwencję: konkretny, tożsamościowy, klasyfikacyjny i formalny. Kompetencje na każdym poziomie są niezbędne do osiągnięcia na poziomie następnym. Proces osiągania konceptu reprezentuje interakcję rozwoju, nieformalnego doświadczenia i formalnej edukacji.

Na poziomie konkretnym uczący się mogą rozpoznać przedmiot jako ten sam, który napotkali wcześniej, gdy kontekst lub orientacja przestrzenna, w której został pierwotnie napotkany, pozostaje taka sama. Poziom ten wymaga od uczących się zwracania uwagi na przedmiot, rozróżniania go jako różnego od otoczenia na podstawie jednego lub więcej definiujących atrybutów, reprezentowania go w Długotrwałej Pamięci (LTM) jako obraz wizualny i wydobywania go z LTM w celu porównania z nowym obrazem i ustalenia, że jest to ten sam przedmiot. Zatem uczący się może nauczyć się rozpoznawać trójkąt równoboczny i odróżniać go od trójkąta prostokątnego lub równoramiennego.

Poziom tożsamości charakteryzuje się rozpoznawaniem przedmiotu jako tego samego, który napotkano wcześniej, gdy przedmiot jest obserwowany z innej perspektywy lub w innej modalności. Etap ten obejmuje te same procesy, co na poziomie konkretnym, a także proces generalizacji. Zatem uczący się będzie w stanie rozpoznać trójkąty równoboczne w różnych orientacjach lub pozycjach na stronie.

Poziom klasyfikacyjny wymaga od uczących się rozpoznania co najmniej dwóch przedmiotów jako równoważnych. Zaangażowana jest dodatkowa generalizacja; w przypadku trójkątów równobocznych polega to na rozpoznawaniu mniejszego i większego trójkąta równobocznego jako równoważnych. Proces trwa do momentu, gdy uczący się może rozpoznać przykłady i nie-przykłady; na tym etapie jednak uczący się może nie rozumieć podstawy klasyfikacji (np. równości długości boków i kątów). Umiejętność nazwania konceptu nie jest konieczna na tym poziomie, ale, jak w poprzednich etapach, może ułatwić nabywanie konceptu.

Wreszcie, poziom formalny wymaga od uczącego się identyfikacji przykładów i nie-przykładów konceptu, nazwania konceptu i jego definiujących atrybutów, podania definicji konceptu i określenia atrybutów, które odróżniają koncept od innych blisko spokrewnionych (tj. trzy równe boki i kąty). Opanowanie tego etapu wymaga od uczącego się wdrożenia procesów poznawczych na poziomie klasyfikacyjnym i zestawu procesów myślenia wyższego rzędu obejmujących stawianie hipotez, ocenianie i wnioskowanie.

Ten model etapowy ma implikacje instruktażowe dla uczących się na różnych etapach rozwoju. Nauczanie można rozłożyć na kilka klas, w których koncepty są okresowo powracane na wyższych poziomach osiągnięć. Małe dzieci początkowo otrzymują konkretne odniesienia i, wraz z rozwojem, stają się zdolne do działania na bardziej abstrakcyjnych poziomach poznawczych. Na przykład, małe dzieci mogą uczyć się konceptu “uczciwości”, widząc konkretne przykłady (np. nie kradnąc, oddając coś, co nie jest twoje); gdy dorastają, mogą rozumieć koncept w bardziej abstrakcyjnych i złożonych kategoriach (np. rozpoznać uczciwą informację zwrotną od przełożonego na temat wydajności pracownika; omówić korzyści płynące z uczciwości).

Tennyson (1980, 1981; Tennyson, Steve, & Boutwell, 1975) również opracował model nauczania pojęć oparty na badaniach empirycznych. Model ten obejmuje następujące kroki (Tennyson & Park, 1980):

• Określ strukturę pojęcia, uwzględniając pojęcia nadrzędne, współrzędne i podrzędne, oraz zidentyfikuj atrybuty krytyczne i zmienne (np. cechy, które mogą się zasadnie różnić i nie wpływać na pojęcie).
• Zdefiniuj pojęcie w kategoriach atrybutów krytycznych i przygotuj kilka przykładów z atrybutami krytycznymi i zmiennymi.
• Uporządkuj przykłady w zestawy na podstawie atrybutów i upewnij się, że przykłady mają podobne atrybuty zmienne w obrębie dowolnego zestawu zawierającego przykłady z każdego pojęcia współrzędnego.
• Uporządkuj i przedstaw zestawy pod względem rozbieżności i trudności przykładów, oraz uporządkuj przykłady w obrębie dowolnego zestawu zgodnie z aktualną wiedzą uczącego się.

Większość pojęć można przedstawić w hierarchii z pojęciami nadrzędnymi (wyższymi) i podrzędnymi (niższymi). Dla danego pojęcia, podobne pojęcia mogą znajdować się z grubsza na tym samym poziomie w hierarchii; są one znane jako pojęcia współrzędne. Na przykład, pojęcie “kot domowy” ma “rodzina kotów” i “ssak” jako pojęcia nadrzędne, różne rasy (krótkowłosy, syjamski) jako pojęcia podrzędne, a innych członków rodziny kotów (lew, jaguar) jako pojęcia współrzędne. Pojęcie ma atrybuty krytyczne (np. łapy, zęby) i atrybuty zmienne (np. długość sierści, kolor oczu). Zestaw składa się z przykładów i nie-przykładów (np. pies, wiewiórka) pojęcia.

Chociaż pojęcie powinno być zdefiniowane z jego atrybutami krytycznymi przed podaniem przykładów i nie-przykładów, przedstawienie definicji nie zapewnia, że uczniowie nauczą się pojęcia. Przykłady powinny znacznie różnić się atrybutami zmiennymi, a nie-przykłady powinny różnić się od przykładów niewielką liczbą atrybutów krytycznych jednocześnie. Ten sposób prezentacji zapobiega nadmiernemu uogólnianiu (klasyfikowaniu nie-przykładów jako przykładów) i niedostatecznemu uogólnianiu (klasyfikowaniu przykładów jako nie-przykładów).

Wskazywanie na relacje między przykładami jest skutecznym sposobem na wspieranie uogólniania. Jednym ze sposobów jest użycie map pojęć (wiedzy) lub diagramów, które reprezentują idee jako zespoły węzłów-linków (Nesbit & Adescope, 2006). O’Donnell i in. (2002) pokazali, że uczenie się jest ułatwione dzięki mapom wiedzy, w których idee są wzajemnie powiązane. Nesbit i Adescope odkryli, że mapy pojęć poprawiły retencję wiedzy u uczniów.

Optymalna liczba przykładów do przedstawienia zależy od takich cech pojęcia, jak liczba atrybutów i stopień abstrakcyjności pojęcia. Pojęcia abstrakcyjne zwykle mają mniej namacalnych przykładów niż pojęcia konkretne, a przykłady tych pierwszych mogą być trudne do uchwycenia dla uczących się. Uczenie się pojęć zależy również od atrybutów uczącego się, takich jak wiek i wcześniejsza wiedza (Tennyson & Park, 1980). Starsi uczniowie uczą się lepiej niż młodsi, a uczniowie z większą wiedzą pokonują tych, którym brakuje takiej wiedzy.

W nauczaniu pojęć pomocne jest przedstawianie przykładów, które różnią się atrybutami opcjonalnymi, ale mają wspólne atrybuty istotne, aby te ostatnie można było wyraźnie wskazać, wraz z wymiarami nieistotnymi. W nauczaniu pojęcia “trójkąt prostokątny”, na przykład, rozmiar jest nieistotny, podobnie jak kierunek, w którym jest skierowany. Można przedstawić trójkąty prostokątne o różnych rozmiarach, skierowane w różnych kierunkach. Używanie opracowanych przykładów jest skuteczną kognitywną strategią nauczania (Atkinson i in., 2000).

Uczniowie muszą nie tylko nauczyć się uogólniać trójkąty prostokątne, ale także muszą nauczyć się odróżniać je od innych trójkątów. Aby wspierać rozróżnianie pojęć, nauczyciele powinni przedstawiać negatywne przypadki, które wyraźnie różnią się od przypadków pozytywnych. W miarę rozwoju umiejętności uczniów, można ich nauczyć dokonywania subtelniejszych rozróżnień. Sugestie przedstawione w tabeli 'Kroki uogólniania i rozróżniania pojęć' są pomocne w nauczaniu uczniów uogólniania i rozróżniania pojęć.

Model ten wymaga starannej analizy struktury taksonomicznej pojęcia. Struktura jest dobrze określona dla wielu pojęć (np. królestwo zwierząt), ale dla wielu innych—zwłaszcza pojęć abstrakcyjnych—powiązania z pojęciami wyższego i niższego rzędu, jak również z pojęciami współrzędnymi, są problematyczne.

W przełomowym artykule Pintrich, Marx i Boyle (1993) argumentowali, że zmiana koncepcyjna obejmuje również procesy motywacyjne (np. cele, oczekiwania, potrzeby), które modele przetwarzania informacji miały tendencję do pomijania. Autorzy ci twierdzili, że do zajścia zmiany koncepcyjnej konieczne są cztery warunki. Po pierwsze, potrzebne jest niezadowolenie z dotychczasowych koncepcji; zmiana jest mało prawdopodobna, jeśli ludzie uważają, że ich koncepcje są dokładne lub użyteczne. Po drugie, nowa koncepcja musi być zrozumiała – ludzie muszą rozumieć koncepcję, aby ją przyjąć. Po trzecie, nowa koncepcja musi być wiarygodna – uczący się muszą rozumieć, jak pasuje ona do innych rozumień i jak można ją zastosować. Wreszcie, muszą postrzegać nową koncepcję jako owocną – zdolną do wyjaśniania zjawisk i sugerowania nowych obszarów badań lub zastosowań.

Procesy motywacyjne wchodzą w grę w kilku miejscach tego modelu. Na przykład badania pokazują, że cele uczniów kierują ich uwagą i wysiłkiem, a ich poczucie własnej skuteczności pozytywnie koreluje z motywacją, wykorzystaniem skutecznych strategii zadaniowych i nabywaniem umiejętności (Schunk, 1995). Ponadto uczniowie, którzy wierzą, że uczenie się jest użyteczne i że strategie zadaniowe są skuteczne, wykazują wyższą motywację i uczenie się (Borkowski, 1985; Pressley i in., 1990; Schunk i Rice, 1993). Wykazano, że cele, poczucie własnej skuteczności i samoocena kompetencji sprzyjają uczeniu się i samoregulacji w takich dziedzinach, jak rozumienie czytanego tekstu, pisanie, matematyka i podejmowanie decyzji (Pajares, 1996; Schunk i Pajares, 2009; Schunk i Swartz, 1993a; Wood i Bandura, 1989; Zimmerman i Bandura, 1994). Widzimy w scenariuszu otwierającym, że przesunięcie w kierunku większego rozwiązywania problemów faktycznie poprawiło motywację niektórych uczniów do nauki.

Krótko mówiąc, literatura sugeruje, że zmiana koncepcyjna obejmuje interakcję poznania i przekonań motywacyjnych uczniów (Pintrich i in., 1993), co ma implikacje dla nauczania. Zamiast po prostu dostarczać wiedzę, nauczyciele muszą brać pod uwagę wcześniejsze idee uczniów podczas planowania nauczania i upewnić się, że nauczanie obejmuje motywację do nauki.

Idee te mają duże zastosowanie w nauce. Wielu nauczycieli przedmiotów ścisłych uważa, że wiedza jest budowana przez uczniów, a nie po prostu przekazywana (Driver i in., 1994; Linn i Eylon, 2006). Ciekawym zagadnieniem jest to, jak uczniowie rozwijają błędne przekonania naukowe i uproszczone modele naukowe (Windschitl i Thompson, 2006). Ważnym zadaniem jest pomaganie uczniom w kwestionowaniu i korygowaniu błędnych przekonań (Sandoval, 1995). Pomocne mogą być doświadczenia wywołujące konflikt poznawczy (Mayer, 1999; Sandoval, 1995; Williams i Tolmie, 2000). Może to obejmować angażowanie uczniów w praktyczne działania i współpracę z innymi (np. w dyskusjach) w celu interpretacji ich doświadczeń poprzez selektywne zadawanie pytań (np. “Dlaczego tak myślisz?” “Jak to wymyśliłeś?”). Takie podejście dobrze współgra z naciskiem Wygotskiego na społeczne wpływy na konstruowanie wiedzy.

Nussbaum i Novick (1982) zaproponowali trójstopniowy model zmiany przekonań uczniów:

• Ujawnij i zrozum przedkoncepcje uczniów.
• Stwórz konflikt koncepcyjny z tymi koncepcjami.
• Ułatw rozwój nowych lub zmienionych schematów dotyczących rozważanych zjawisk.

Rola motywacji jest kluczowa. Chociaż nauka ma wiele tematów, które powinny być interesujące, studiowanie nauki budzi niewielkie zainteresowanie wielu uczniów. Nauka przynosi korzyści z praktycznego nauczania i powiązań z aspektami życia uczniów. Na przykład ruch można powiązać z trajektorią piłek nożnych, elektryczność z odtwarzaczami DVD, a ekologię z programami recyklingu społeczności. Zwiększenie zainteresowania tematami może również poprawić jakość uczenia się uczniów (Sandoval, 1995). Zatem używanie ilustracji i diagramów pomaga uczniom zrozumieć koncepcje naukowe (Carlson, Chandler i Sweller, 2003; Hannus i Hyönä, 1999), chociaż niektórych uczniów może trzeba nauczyć, jak studiować ilustracje jako część uczenia się tekstu.