Aprendizagem de Conceitos: Processos Cognitivos e Estratégias Eficazes

Em muitos contextos diferentes, os alunos aprendem conceitos. Conceitos são conjuntos rotulados de objetos, símbolos ou eventos que compartilham características comuns, ou atributos críticos. Um conceito é uma construção mental ou representação de uma categoria que permite identificar exemplos e não exemplos da categoria (Howard, 1987). Os conceitos podem envolver objetos concretos (por exemplo, “mesa”, “adeira”, “gato”) ou ideias abstratas (por exemplo, “amor”, “democracia”, “integridade”). De fato, existem muitos tipos de conceitos (para uma revisão detalhada, veja Medin, Lynch, & Solomon, 2000). Aprendizagem de conceitos se refere a formar representações para identificar atributos, generalizá-los para novos exemplos e discriminar exemplos de não exemplos.

Os primeiros estudos de Bruner, Goodnow e Austin (1956) exploraram a natureza dos conceitos. Os aprendizes foram apresentados a caixas retratando padrões geométricos. Cada padrão podia ser classificado usando quatro atributos diferentes: número de estímulos (um, dois, três); forma (círculo, quadrado, cruz); cor (vermelho, verde, preto); e número de bordas na caixa (uma, duas, três). A tarefa era identificar o conceito representado em diferentes subconjuntos das caixas.

A configuração de características em uma tarefa de aprendizagem de conceitos pode ser variada para produzir diferentes conceitos. Um conceito conjuntivo é representado por duas ou mais características (por exemplo, dois círculos vermelhos). Outras características (número de bordas) não são relevantes. Um conceito disjuntivo é representado por uma de duas ou mais características; por exemplo, dois círculos de qualquer cor ou um círculo vermelho. Um conceito relacional especifica uma relação entre as características que devem estar presentes, como o número de objetos na figura deve ser maior que o número de bordas (tipo de objeto e cor são irrelevantes).

Bruner et al. (1956) descobriram que os aprendizes formulavam uma hipótese sobre a regra subjacente ao conceito. As regras podem ser expressas na forma se-então. Uma regra que classifica um gato pode ser: “Se for domesticado, tiver quatro patas, pelo, bigodes, cauda, for relativamente pequeno, ronronar e vocalizar ‘miau’, então é um gato.” Embora existam exceções, esta regra irá classificar com precisão os gatos na maioria das vezes. A generalização ocorre quando a regra é aplicada a uma variedade de gatos.

As pessoas tendem a formar regras rapidamente (Bruner et al., 1956). Para qualquer conceito dado, elas retêm a regra enquanto ela identificar corretamente instâncias e não instâncias do conceito e a modificam quando ela falha em fazê-lo. Os aprendizes adquirem conceitos melhor quando são apresentados com instâncias positivas, ou exemplos do conceito. A aprendizagem é muito mais lenta com instâncias negativas (não-). Ao tentar confirmar a regra subjacente ao conceito, as pessoas preferem receber instâncias positivas em vez de negativas.

Desde este trabalho inicial, outras visões emergiram sobre a natureza dos conceitos. A teoria da análise de características deriva do trabalho de Bruner e outros e postula que os conceitos envolvem regras que definem as características críticas, ou os atributos intrínsecos (necessários), do conceito (Gagné, 1985; Smith & Medin, 1981). Através de experiências com o conceito, formula-se uma regra que satisfaz as condições e retém-se a regra enquanto ela funcionar efetivamente.

Esta visão prevê que diferentes instâncias de um conceito devem ser reconhecidas igualmente rápido porque cada instância é julgada contra características críticas; mas nem sempre é o caso. A maioria das pessoas acha algumas instâncias de uma categoria (por exemplo, um golfinho é um mamífero) mais difícil de verificar do que outras (por exemplo, um cão é um mamífero). Isto destaca o problema de que muitos conceitos não podem ser definidos precisamente em termos de um conjunto de atributos críticos.

Uma segunda perspectiva é a teoria do protótipo (Rosch, 1973, 1975, 1978). Um protótipo é uma imagem generalizada do conceito, que pode incluir apenas alguns dos atributos definidores do conceito. Quando confrontado com uma instância, recorda-se o protótipo mais provável da MDL e compara-se com a instância para ver se eles correspondem. Os protótipos podem incluir alguns atributos não definidores (opcionais). Em psicologia cognitiva, os protótipos são frequentemente pensados como esquemas (Andre, 1986), ou formas organizadas para o conhecimento que temos sobre um conceito particular.

A pesquisa apoia a previsão da teoria do protótipo de que instâncias mais próximas do protótipo (por exemplo, protótipo = “pássaro”; instâncias = “pardal”, “pardal”) são reconhecidas mais rápido do que aquelas menos típicas (por exemplo, “coruja”, “avestruz”; Rosch, 1973). Uma preocupação é que a teoria do protótipo implica que as pessoas armazenariam milhares de protótipos na MDL, o que consumiria muito mais espaço do que as regras. Uma segunda preocupação é que os aprendizes poderiam facilmente formar protótipos incorretos se lhes fosse permitido incluir algumas características não definidoras e não todas as necessárias.

Combinar as posições de análise de características e protótipo é possível. Dado que os protótipos incluem características críticas, podemos empregar protótipos para classificar instâncias de conceitos que são bastante típicas (Andre, 1986). Para instâncias que são ambíguas, podemos empregar a análise de características críticas, que pode modificar a lista de características críticas para incorporar as novas características.

A compreensão das crianças sobre os conceitos muda com o desenvolvimento e a experiência. Crianças em transição sobre o significado de um conceito podem simultaneamente manter uma hipótese anterior em mente enquanto estão desenvolvendo uma revisada (Goldin-Meadow, Alibali, & Church, 1993). Esta interpretação é consistente com a posição de Klausmeier, que é discutida a seguir.

Pesquisas indicam que existem múltiplas maneiras de aprender e modificar conceitos (Chinn & Samarapungavan, 2009). Uma maneira de desenvolver protótipos é ser exposto a uma instância típica do conceito que reflete os atributos clássicos (Klausmeier, 1992). Uma segunda maneira é abstraindo características de dois ou mais exemplos; para pássaros, as características podem ser “penas”, “duas pernas”, “bico” e “voa”, embora nem toda característica se aplique a todos os membros da classe. Os protótipos são refinados e expandidos quando se é exposto a novos exemplos do conceito; assim, “vive na selva” (papagaio) e “vive perto do oceano” (gaivota).

A teoria de Gagné (1985) inclui conceitos como uma forma central de aprendizado. Os aprendizes inicialmente devem ter capacidades básicas pré-requisito para discriminar entre as características do estímulo (i.e., distinguir características relevantes de irrelevantes).

Na visão de Gagné (1985), o aprendizado de conceitos envolve uma sequência multiestágios. Primeiro, a característica do estímulo é apresentada como uma instância do conceito junto com uma não instância. O aprendiz confirma a habilidade de fazer a discriminação. No próximo estágio (generalização), o aprendiz identifica instâncias e não instâncias. Terceiro, a característica do estímulo—que deve se tornar o conceito—é variada e apresentada junto com não instâncias. A aquisição do conceito é verificada solicitando a identificação de várias instâncias da classe usando estímulos não empregados previamente no aprendizado. Ao longo do processo, respostas corretas são reforçadas e o aprendizado por contiguidade ocorre apresentando várias instâncias do conceito em estreita associação.

Klausmeier (1990, 1992) desenvolveu e testou um modelo de aquisição de conceitos. Este modelo postula uma sequência de quatro estágios: concreto, identidade, classificatório e formal. A competência em cada nível é necessária para a aquisição no próximo nível. O processo de aquisição de conceitos representa uma interação de desenvolvimento, experiência informal e educação formal.

No nível concreto, os aprendizes podem reconhecer um item como o mesmo encontrado anteriormente quando o contexto ou a orientação espacial em que foi originalmente encontrado permanece o mesmo. Este nível requer que os aprendizes atentem para o item, discriminem-no como diferente de seus arredores com base em um ou mais atributos definidores, representem-no na MTL como uma imagem visual e recuperem-no da MTL para compará-lo com uma nova imagem e determinar que é o mesmo item. Assim, um aprendiz pode aprender a reconhecer um triângulo equilátero e discriminá-lo de um triângulo retângulo ou isósceles.

O nível de identidade é caracterizado pelo reconhecimento de um item como o mesmo encontrado anteriormente quando o item é observado de uma perspectiva diferente ou em uma modalidade diferente. Este estágio envolve os mesmos processos que no nível concreto, bem como o processo de generalização. Assim, o aprendiz será capaz de reconhecer triângulos equiláteros em diferentes orientações ou posições em uma página.

O nível classificatório requer que os aprendizes reconheçam pelo menos dois itens como sendo equivalentes. Generalização adicional está envolvida; no caso de triângulos equiláteros, isso envolve reconhecer um triângulo equilátero menor e maior como equivalentes. O processo continua até que o aprendiz possa reconhecer exemplos e não exemplos; neste estágio, no entanto, o aprendiz pode não entender a base para a classificação (e.g., igualdade do comprimento dos lados e ângulos). Ser capaz de nomear o conceito não é necessário neste nível, mas, como nos estágios precedentes, pode facilitar a aquisição do conceito.

Finalmente, o nível formal requer que o aprendiz identifique exemplos e não exemplos do conceito, nomeie o conceito e seus atributos definidores, dê uma definição do conceito e especifique os atributos que distinguem o conceito de outros intimamente relacionados (i.e., três lados e ângulos iguais). O domínio deste estágio requer que o aprendiz implemente processos cognitivos de nível classificatório e um conjunto de processos de pensamento de ordem superior envolvendo a formulação de hipóteses, avaliação e inferência.

Este modelo de estágios tem implicações instrucionais para aprendizes em vários pontos do desenvolvimento. A instrução pode ser espalhada por várias séries nas quais os conceitos são revisitados periodicamente em níveis mais altos de aquisição. Crianças pequenas inicialmente recebem referentes concretos e, com o desenvolvimento, tornam-se capazes de operar em níveis cognitivos mais abstratos. Por exemplo, crianças pequenas podem aprender o conceito de “honestidade” vendo exemplos específicos (e.g., não roubar, devolver algo que não é seu); à medida que envelhecem, podem entender o conceito em termos mais abstratos e complexos (e.g., reconhecer feedback honesto de um supervisor sobre o desempenho de um trabalhador; discutir benefícios da honestidade).

Tennyson (1980, 1981; Tennyson, Steve, & Boutwell, 1975) também desenvolveu um modelo de ensino de conceitos baseado em pesquisa empírica. Este modelo inclui os seguintes passos (Tennyson & Park, 1980):

• Determinar a estrutura do conceito para incluir conceitos superordenados, coordenados e subordinados, e identificar os atributos críticos e variáveis (e.g., características que podem variar legitimamente e não afetar o conceito).
• Definir o conceito em termos dos atributos críticos, e preparar vários exemplos com os atributos críticos e variáveis.
• Organizar os exemplos em conjuntos baseados nos atributos, e garantir que os exemplos tenham atributos variáveis semelhantes dentro de qualquer conjunto que contenha exemplos de cada conceito coordenado.
• Ordenar e apresentar os conjuntos em termos da divergência e dificuldade dos exemplos, e ordenar os exemplos dentro de qualquer conjunto de acordo com o conhecimento atual do aprendiz.

A maioria dos conceitos pode ser representada em uma hierarquia com conceitos superordenados (superiores) e subordinados (inferiores). Para qualquer conceito dado, conceitos similares podem estar aproximadamente no mesmo nível na hierarquia; estes são conhecidos como conceitos coordenados. Por exemplo, o conceito “gato doméstico” tem “família do gato” e “mamífero” como conceitos superordenados, as várias raças (pelo curto, siamês) como conceitos subordinados, e outros membros da família do gato (leão, jaguar) como conceitos coordenados. O conceito tem atributos críticos (e.g., patas, dentes) e atributos variáveis (e.g., comprimento do pelo, cor dos olhos). Um conjunto compreende exemplos e não exemplos (e.g., cão, esquilo) do conceito.

Embora o conceito deva ser definido com seus atributos críticos antes que exemplos e não exemplos sejam dados, apresentar uma definição não garante que os alunos aprenderão o conceito. Os exemplos devem diferir amplamente em atributos variáveis, e os não exemplos devem diferir dos exemplos em um pequeno número de atributos críticos de uma só vez. Este modo de apresentação impede que os alunos supergeneralizem (classificando não exemplos como exemplos) e subgeneralizem (classificando exemplos como não exemplos).

Apontar as relações entre os exemplos é uma forma eficaz de promover a generalização. Um meio é através do uso de mapas de conceitos (conhecimento), ou diagramas que representam ideias como montagens de nós-ligações (Nesbit & Adescope, 2006). O’Donnell et al. (2002) mostraram que a aprendizagem é facilitada com mapas de conhecimento onde as ideias estão interligadas. Nesbit e Adescope descobriram que os mapas de conceitos melhoraram a retenção de conhecimento dos alunos.

O número ideal de exemplos a serem apresentados depende de características do conceito, como número de atributos e grau de abstração do conceito. Conceitos abstratos geralmente têm menos exemplos tangíveis do que conceitos concretos, e os exemplos dos primeiros podem ser difíceis para os alunos compreenderem. A aprendizagem de conceitos também depende de atributos do aprendiz, como idade e conhecimento prévio (Tennyson & Park, 1980). Alunos mais velhos aprendem melhor do que os mais jovens, e alunos com conhecimento mais relevante têm um desempenho superior aos que não possuem tal conhecimento.

No ensino de conceitos, é útil apresentar exemplos que diferem em atributos opcionais, mas têm atributos relevantes em comum, para que estes possam ser claramente apontados, juntamente com as dimensões irrelevantes. No ensino do conceito “triângulo retângulo”, por exemplo, o tamanho é irrelevante, assim como a direção para a qual ele está voltado. Pode-se apresentar triângulos retângulos de vários tamanhos apontando em diferentes direções. Usar exemplos resolvidos é uma estratégia instrucional cognitiva eficaz (Atkinson et al., 2000).

Não só os alunos devem aprender a generalizar triângulos retângulos, como também devem aprender a distingui-los de outros triângulos. Para promover a discriminação de conceitos, os professores devem apresentar instâncias negativas que claramente diferem das instâncias positivas. À medida que as habilidades dos alunos se desenvolvem, eles podem ser ensinados a fazer discriminações mais finas. As sugestões mostradas na Tabela 'Passos para generalizar e discriminar conceitos' são úteis no ensino aos alunos para generalizar e discriminar entre conceitos.

Este modelo requer uma análise cuidadosa da estrutura taxonômica de um conceito. A estrutura é bem especificada para muitos conceitos (e.g., o reino animal), mas para muitos outros—especialmente conceitos abstratos—os links com conceitos de ordem superior e inferior, bem como com conceitos coordenados, são problemáticos.

Em um artigo seminal, Pintrich, Marx e Boyle (1993) argumentaram que a mudança conceitual também envolve processos motivacionais (por exemplo, objetivos, expectativas, necessidades), que os modelos de processamento de informações tendem a negligenciar. Esses autores argumentaram que quatro condições são necessárias para que a mudança conceitual ocorra. Primeiro, é necessária a insatisfação com as concepções atuais de alguém; a mudança é improvável se as pessoas sentirem que suas concepções são precisas ou úteis. Segundo, a nova concepção deve ser inteligível—as pessoas devem entender uma concepção para adotá-la. Terceiro, a nova concepção deve ser plausível—os aprendizes devem entender como ela se encaixa com outros entendimentos de como ela poderia ser aplicada. Finalmente, eles devem perceber a nova concepção como frutífera—sendo capazes de explicar fenômenos e sugerir novas áreas de investigação ou aplicação.

Os processos motivacionais entram em vários lugares neste modelo. Por exemplo, a pesquisa mostra que os objetivos dos alunos direcionam sua atenção e esforço, e sua autoeficácia se relaciona positivamente com a motivação, o uso de estratégias de tarefa eficazes e a aquisição de habilidades (Schunk, 1995). Além disso, os alunos que acreditam que o aprendizado é útil e que as estratégias de tarefa são eficazes exibem maior motivação e aprendizado (Borkowski, 1985; Pressley et al., 1990; Schunk & Rice, 1993). Objetivos, autoeficácia e autoavaliações de competência demonstraram promover o aprendizado e a autorregulação em domínios como compreensão da leitura, escrita, matemática e tomada de decisão (Pajares, 1996; Schunk & Pajares, 2009; Schunk & Swartz, 1993a; Wood & Bandura, 1989; Zimmerman & Bandura, 1994). Vemos no cenário de abertura que a mudança em direção a mais resolução de problemas realmente melhorou a motivação de alguns alunos para aprender.

Em resumo, a literatura sugere que a mudança conceitual envolve uma interação das cognições e crenças motivacionais dos alunos (Pintrich et al., 1993), o que tem implicações para o ensino. Em vez de simplesmente fornecer conhecimento, os professores devem levar em consideração as ideias pré-existentes dos alunos ao planejar o ensino e garantir que o ensino inclua motivação para aprender.

Essas ideias são altamente aplicáveis à ciência. Muitos educadores de ciência acreditam que o conhecimento é construído pelos alunos, em vez de simplesmente transmitido (Driver et al., 1994; Linn & Eylon, 2006). Uma questão interessante é como os alunos desenvolvem concepções científicas errôneas e modelos científicos simplistas (Windschitl & Thompson, 2006). Uma tarefa importante é ajudar os alunos a desafiar e corrigir concepções errôneas (Sandoval, 1995). Experiências que produzem conflito cognitivo podem ser úteis (Mayer, 1999; Sandoval, 1995; Williams & Tolmie, 2000). Isso pode envolver a participação dos alunos em atividades práticas e o trabalho com outras pessoas (por exemplo, em discussões) para interpretar suas experiências por meio de questionamentos seletivos (por exemplo, “Por que você pensa isso?” “Como você descobriu isso?”). Essa abordagem se encaixa bem com a ênfase Vygotskiana nas influências sociais na construção do conhecimento.

Nussbaum e Novick (1982) propuseram um modelo de três estágios para mudar as crenças dos alunos:

• Revele e entenda as preconcepções dos alunos.
• Crie conflito conceitual com essas concepções.
• Facilite o desenvolvimento de esquemas novos ou revisados sobre os fenômenos em consideração.

O papel da motivação é crítico. Embora a ciência tenha muitos temas que deveriam ser interessantes, estudar ciência tem pouco interesse para muitos alunos. O aprendizado se beneficia do ensino prático e das ligações com aspectos da vida dos alunos. Por exemplo, o movimento pode ser ligado ao percurso de bolas de futebol, a eletricidade aos leitores de DVD e a ecologia aos programas de reciclagem comunitários. Aumentar o interesse nos tópicos também pode melhorar a qualidade do aprendizado dos alunos (Sandoval, 1995). Assim, o uso de ilustrações e diagramas ajuda os alunos a entender conceitos científicos (Carlson, Chandler e Sweller, 2003; Hannus & Hyönä, 1999), embora alguns alunos possam precisar ser ensinados a estudar ilustrações como parte do aprendizado de texto.