Вивчення концепцій (когнітивні навчальні процеси) - Оптимізований посібник

У багатьох різних контекстах студенти вивчають концепції. Концепції - це позначені набори об'єктів, символів або подій, які мають спільні характеристики або критичні атрибути. Концепція - це ментальна конструкція або представлення категорії, що дозволяє ідентифікувати приклади та не-приклади категорії (Howard, 1987). Концепції можуть включати конкретні об'єкти (наприклад, “стіл”, “стілець”, “кіт”) або абстрактні ідеї (наприклад, “любов”, “демократія”, “цілісність”). Насправді, існує багато типів концепцій (для детального огляду див. Medin, Lynch, & Solomon, 2000). Навчання концепцій відноситься до формування уявлень для ідентифікації атрибутів, узагальнення їх на нові приклади та розрізнення прикладів від не-прикладів.

Ранні дослідження, проведені Bruner, Goodnow і Austin (1956), досліджували природу концепцій. Учням були представлені коробки, що зображували геометричні візерунки. Кожен візерунок можна було класифікувати, використовуючи чотири різних атрибути: кількість стимулів (один, два, три); форма (коло, квадрат, хрест); колір (червоний, зелений, чорний); і кількість рамок на коробці (одна, дві, три). Завдання полягало в ідентифікації концепції, представленої в різних підмножинах коробок.

Конфігурація особливостей у завданні з вивчення концепцій може бути змінена для отримання різних концепцій. Кон'юнктивна концепція представлена двома або більше особливостями (наприклад, два червоних кола). Інші особливості (кількість рамок) не є релевантними. Диз'юнктивна концепція представлена однією з двох або більше особливостей; наприклад, два кола будь-якого кольору або одне червоне коло. Реляційна концепція визначає зв'язок між особливостями, який має бути присутнім, наприклад, кількість об'єктів на малюнку має перевищувати кількість рамок (тип об'єкта та колір не мають значення).

Bruner et al. (1956) виявили, що учні формулюють гіпотезу про правило, що лежить в основі концепції. Правила можуть бути виражені у формі якщо-то. Правило класифікації кота може бути таким: “Якщо він одомашнений, має чотири лапи, шерсть, вуса, хвіст, відносно невеликий, муркоче і видає звук ‘мяу’, то це кіт.” Хоча існують винятки, це правило буде точно класифікувати котів більшість часу. Узагальнення відбувається, коли правило застосовується до різноманітних котів.

Люди схильні швидко формувати правила (Bruner et al., 1956). Для будь-якої даної концепції вони зберігають правило до тих пір, поки воно правильно ідентифікує випадки та не-випадки концепції, і вони змінюють його, коли воно не може цього зробити. Учні краще засвоюють концепції, коли їм представлені позитивні випадки, або приклади концепції. Навчання відбувається значно повільніше з негативними (не-) випадками. Намагаючись підтвердити правило, що лежить в основі концепції, люди вважають за краще отримувати позитивні, а не негативні випадки.

З часів цієї ранньої роботи з'явилися інші погляди щодо природи концепцій. Теорія аналізу ознак походить від роботи Bruner та інших і постулює, що концепції включають правила, які визначають критичні ознаки, або внутрішні (необхідні) атрибути концепції (Gagné, 1985; Smith & Medin, 1981). Через досвід з концепцією формулюється правило, яке задовольняє умови, і зберігається правило до тих пір, поки воно ефективно функціонує.

Цей погляд передбачає, що різні випадки концепції повинні розпізнаватися однаково швидко, оскільки кожен випадок оцінюється за критичними ознаками; але це не завжди так. Більшість людей вважають деякі випадки категорії (наприклад, дельфін - ссавець) складнішими для перевірки, ніж інші (наприклад, собака - ссавець). Це підкреслює проблему, що багато концепцій не можуть бути точно визначені з точки зору набору критичних атрибутів.

Друга перспектива - теорія прототипів (Rosch, 1973, 1975, 1978). Прототип - це узагальнений образ концепції, який може включати лише деякі з визначальних атрибутів концепції. Коли стикаються з випадком, пригадують найбільш імовірний прототип з довготривалої пам'яті та порівнюють його з випадком, щоб побачити, чи збігаються вони. Прототипи можуть включати деякі невизначальні (необов'язкові) атрибути. У когнітивній психології прототипи часто розглядаються як схеми (Andre, 1986), або організовані форми для знань, які ми маємо про конкретну концепцію.

Дослідження підтверджують передбачення теорії прототипів, що випадки, ближчі до прототипу (наприклад, прототип = “птах”; випадки = “малинівка”, “горобець”), розпізнаються швидше, ніж ті, що менш типові (наприклад, “сова”, “страус”; Rosch, 1973). Одне занепокоєння полягає в тому, що теорія прототипів передбачає, що люди зберігатимуть тисячі прототипів у довготривалій пам'яті, що займе набагато більше місця, ніж правила. Друге занепокоєння полягає в тому, що учні легко можуть сформувати неправильні прототипи, якщо їм дозволено включати деякі невизначальні характеристики, а не всі необхідні.

Можливе поєднання аналізу ознак і позицій прототипів. Враховуючи, що прототипи включають критичні ознаки, ми можемо використовувати прототипи для класифікації випадків концепцій, які є досить типовими (Andre, 1986). Для випадків, які є неоднозначними, ми можемо використовувати аналіз критичних ознак, який може змінити список критичних ознак, щоб включити нові ознаки.

Розуміння концепцій дітьми змінюється з розвитком і досвідом. Діти в перехідний період щодо значення концепції можуть одночасно тримати в голові попередню гіпотезу, розвиваючи переглянуту (Goldin-Meadow, Alibali, & Church, 1993). Ця інтерпретація узгоджується з позицією Klausmeier, яка буде обговорена далі.

Дослідження показують, що існує кілька способів вивчення та зміни понять (Chinn & Samarapungavan, 2009). Один із способів розробки прототипів – це ознайомлення з типовим прикладом концепції, який відображає класичні атрибути (Klausmeier, 1992). Другий спосіб – це абстрагування ознак із двох або більше прикладів; для птахів ознаками можуть бути «пір'я», «дві ноги», «дзьоб» і «літає», хоча не кожна ознака застосовується до кожного члена класу. Прототипи уточнюються та розширюються, коли людина знайомиться з новими прикладами концепції; таким чином, «живе в джунглях» (папуга) і «живе біля океану» (чайка).

Теорія Ганье (1985) включає концепції як центральну форму навчання. Учні спочатку повинні мати базові необхідні можливості, щоб розрізняти особливості стимулу (тобто відрізняти релевантні ознаки від нерелевантних).

Згідно з Ганье (1985), вивчення понять включає багатоетапну послідовність. Спочатку особливість стимулу представляється як приклад концепції разом із не-прикладом. Учень підтверджує здатність розрізняти. На наступному етапі (узагальнення) учень ідентифікує приклади та не-приклади. По-третє, особливість стимулу, яка має стати концепцією, змінюється та представляється разом із не-прикладами. Засвоєння концепції перевіряється шляхом запиту на ідентифікацію декількох прикладів класу з використанням стимулів, які раніше не використовувалися в навчанні. Протягом усього процесу правильні відповіді підкріплюються, і суміжне навчання відбувається шляхом представлення кількох прикладів концепції в тісному зв'язку.

Клаусмейєр (1990, 1992) розробив і протестував модель засвоєння концепцій. Ця модель постулює чотириетапну послідовність: конкретний, ідентифікаційний, класифікаційний і формальний. Компетентність на кожному рівні необхідна для досягнення на наступному рівні. Процес засвоєння концепції представляє собою взаємодію розвитку, неформального досвіду та формальної освіти.

На конкретному рівні учні можуть розпізнати предмет як той самий, з яким вони раніше стикалися, коли контекст або просторова орієнтація, в якій він був спочатку зустрінутий, залишаються незмінними. Цей рівень вимагає від учнів звертати увагу на предмет, розрізняти його як відмінний від його оточення на основі одного або декількох визначальних атрибутів, представляти його в ДТП як візуальний образ і витягувати його з ДТП, щоб порівняти його з новим образом і визначити, що це той самий предмет. Таким чином, учень може навчитися розпізнавати рівносторонній трикутник і відрізняти його від прямокутного або рівнобедреного трикутника.

Ідентифікаційний рівень характеризується розпізнаванням предмета як того самого, з яким раніше стикалися, коли предмет спостерігається з іншої точки зору або в іншій модальності. Цей етап включає ті самі процеси, що й на конкретному рівні, а також процес узагальнення. Таким чином, учень зможе розпізнавати рівносторонні трикутники в різних орієнтаціях або положеннях на сторінці.

Класифікаційний рівень вимагає, щоб учні розпізнавали принаймні два предмети як еквівалентні. Залучається додаткове узагальнення; у випадку рівносторонніх трикутників це включає розпізнавання меншого та більшого рівностороннього трикутника як еквівалентних. Процес триває до тих пір, поки учень не зможе розпізнати приклади та не-приклади; на цьому етапі, однак, учень може не розуміти основи класифікації (наприклад, рівність довжини сторін і кутів). Вміння назвати концепцію не є необхідним на цьому рівні, але, як і на попередніх етапах, це може полегшити засвоєння концепції.

Нарешті, формальний рівень вимагає від учня ідентифікувати приклади та не-приклади концепції, назвати концепцію та її визначальні атрибути, дати визначення концепції та вказати атрибути, які відрізняють концепцію від інших тісно пов'язаних (тобто три рівні сторони та кути). Освоєння цього етапу вимагає від учня впровадження когнітивних процесів класифікаційного рівня та набору процесів мислення вищого порядку, що включають висування гіпотез, оцінювання та виведення висновків.

Ця модель етапів має навчальні наслідки для учнів на різних етапах розвитку. Навчання може бути розподілене на кілька класів, в яких концепції періодично переглядаються на вищих рівнях досягнення. Молодшим дітям спочатку надаються конкретні референти, і, з розвитком, вони стають здатними працювати на більш абстрактних когнітивних рівнях. Наприклад, молодші діти можуть вивчити концепцію «чесності», бачачи конкретні приклади (наприклад, не красти, повертати щось, що тобі не належить); коли вони стають старшими, вони можуть зрозуміти концепцію в більш абстрактних і складних термінах (наприклад, розпізнати чесний відгук керівника про роботу працівника; обговорити переваги чесності).

Теннісон (1980, 1981; Теннісон, Стів, і Баутвелл, 1975) також розробив модель викладання концепцій, засновану на емпіричних дослідженнях. Ця модель включає наступні кроки (Теннісон і Парк, 1980):

• Визначте структуру концепції, включаючи надпорядкові, координатні та підпорядковані концепції, і визначте критичні та змінні атрибути (наприклад, особливості, які можуть правомірно змінюватися і не впливати на концепцію).
• Визначте концепцію в термінах критичних атрибутів і підготуйте кілька прикладів із критичними та змінними атрибутами.
• Розташуйте приклади в набори на основі атрибутів і переконайтеся, що приклади мають подібні змінні атрибути в межах будь-якого набору, що містить приклади з кожної координатної концепції.
• Впорядкуйте та представте набори з точки зору розбіжності та складності прикладів, і впорядкуйте приклади в межах будь-якого набору відповідно до поточних знань учня.

Більшість концепцій можна представити в ієрархії з надпорядковими (вищими) і підпорядкованими (нижчими) концепціями. Для будь-якої даної концепції подібні концепції можуть бути приблизно на одному рівні в ієрархії; вони відомі як координатні концепції. Наприклад, концепція «домашня кішка» має «родину котячих» і «ссавці» як надпорядкові концепції, різні породи (короткошерсті, сіамські) як підпорядковані концепції та інших членів родини котячих (лев, ягуар) як координатні концепції. Концепція має критичні атрибути (наприклад, лапи, зуби) і змінні атрибути (наприклад, довжина шерсті, колір очей). Набір містить приклади та не-приклади (наприклад, собака, білка) концепції.

Хоча концепція повинна бути визначена з її критичними атрибутами до того, як будуть наведені приклади та не-приклади, представлення визначення не гарантує, що учні засвоять концепцію. Приклади повинні широко відрізнятися за змінними атрибутами, а не-приклади повинні відрізнятися від прикладів невеликою кількістю критичних атрибутів одночасно. Цей спосіб представлення запобігає надмірному узагальненню учнями (класифікації не-прикладів як прикладів) і недостатньому узагальненню (класифікації прикладів як не-прикладів).

Вказівка на взаємозв'язки між прикладами є ефективним способом сприяння узагальненню. Одним із засобів є використання концептуальних (знаннєвих) карт або діаграм, які представляють ідеї як вузлові збірки (Несбіт і Адескоп, 2006). О'Доннелл та ін. (2002) показали, що навчання полегшується за допомогою знаннєвих карт, де ідеї взаємопов'язані. Несбіт і Адескоп виявили, що концептуальні карти покращують запам'ятовування знань учнями.

Оптимальна кількість прикладів для представлення залежить від таких характеристик концепції, як кількість атрибутів і ступінь абстрактності концепції. Абстрактні концепції зазвичай мають менше відчутних прикладів, ніж конкретні концепції, і приклади перших можуть бути важкими для розуміння учнями. Навчання концепціям також залежить від атрибутів учня, таких як вік і попередні знання (Теннісон і Парк, 1980). Старші учні вчаться краще, ніж молодші, а учні з більшою кількістю відповідних знань перевершують тих, хто не має таких знань.

У навчанні концепціям корисно представляти приклади, які відрізняються за необов'язковими атрибутами, але мають спільні відповідні атрибути, щоб останні можна було чітко вказати разом із невідповідними вимірами. Наприклад, у навчанні концепції «прямокутний трикутник» розмір не має значення, як і напрямок, в якому він спрямований. Можна представити прямокутні трикутники різних розмірів, спрямовані в різних напрямках. Використання опрацьованих прикладів є ефективною когнітивною навчальною стратегією (Аткінсон та ін., 2000).

Мало того, що учні повинні навчитися узагальнювати прямокутні трикутники, вони також повинні навчитися відрізняти їх від інших трикутників. Щоб сприяти розрізненню концепцій, вчителі повинні представляти негативні випадки, які чітко відрізняються від позитивних випадків. У міру розвитку навичок учнів їх можна навчити робити більш тонкі розрізнення. Пропозиції, наведені в таблиці «Кроки для узагальнення та розрізнення концепцій», корисні для навчання учнів узагальнювати та розрізняти концепції.

Ця модель вимагає ретельного аналізу таксономічної структури концепції. Структура добре визначена для багатьох концепцій (наприклад, царство тварин), але для багатьох інших, особливо абстрактних концепцій, зв'язки з концепціями вищого та нижчого порядку, а також з координатними концепціями, є проблематичними.

У важливій статті Пінтріх, Маркс і Бойл (1993) стверджували, що концептуальні зміни також включають мотиваційні процеси (наприклад, цілі, очікування, потреби), якими моделі обробки інформації, як правило, нехтують. Ці автори стверджували, що для настання концептуальних змін необхідні чотири умови. По-перше, необхідне невдоволення своїми поточними концепціями; зміни навряд чи відбудуться, якщо люди вважають свої концепції точними або корисними. По-друге, нова концепція має бути зрозумілою — люди повинні розуміти концепцію, щоб прийняти її. По-третє, нова концепція має бути правдоподібною — учні повинні розуміти, як вона узгоджується з іншими розуміннями того, як її можна застосувати. Нарешті, вони повинні сприймати нову концепцію як плідну — здатну пояснювати явища та пропонувати нові сфери дослідження чи застосування.

Мотиваційні процеси входять у цю модель у кількох місцях. Наприклад, дослідження показують, що цілі студентів спрямовують їхню увагу та зусилля, а їхня самоефективність позитивно корелює з мотивацією, використанням ефективних стратегій виконання завдань і набуттям навичок (Schunk, 1995). Крім того, студенти, які вважають навчання корисним і що стратегії виконання завдань є ефективними, демонструють вищу мотивацію та навчання (Borkowski, 1985; Pressley et al., 1990; Schunk & Rice, 1993). Було показано, що цілі, самоефективність і самооцінки компетентності сприяють навчанню та саморегуляції в таких областях, як розуміння прочитаного, письмо, математика та прийняття рішень (Pajares, 1996; Schunk & Pajares, 2009; Schunk & Swartz, 1993a; Wood & Bandura, 1989; Zimmerman & Bandura, 1994). У вступному сценарії ми бачимо, що перехід до більшого розв'язання проблем фактично покращив мотивацію деяких студентів до навчання.

Коротше кажучи, література свідчить про те, що концептуальні зміни включають взаємодію когнітивних здібностей і мотиваційних переконань студентів (Pintrich et al., 1993), що має наслідки для викладання. Замість того, щоб просто надавати знання, вчителі повинні враховувати існуючі ідеї студентів під час планування навчання та забезпечувати, щоб навчання включало мотивацію до навчання.

Ці ідеї дуже застосовні до науки. Багато наукових педагогів вважають, що знання будуються учнями, а не просто передаються (Driver et al., 1994; Linn & Eylon, 2006). Цікавим питанням є те, як студенти розвивають наукові хибні уявлення та спрощені наукові моделі (Windschitl & Thompson, 2006). Важливим завданням є допомога студентам у виявленні та виправленні хибних уявлень (Sandoval, 1995). Досвід, який викликає когнітивний конфлікт, може бути корисним (Mayer, 1999; Sandoval, 1995; Williams & Tolmie, 2000). Це може включати залучення студентів до практичних занять і роботу з іншими (наприклад, в обговореннях) для інтерпретації їхнього досвіду за допомогою вибіркового опитування (наприклад, “Чому ви так думаєте?” “Як ви це з'ясували?”). Цей підхід добре узгоджується з Виготським акцентом на соціальному впливі на конструювання знань.

Nussbaum і Novick (1982) запропонували триетапну модель зміни переконань студентів:

• Виявити та зрозуміти упередження студентів.
• Створити концептуальний конфлікт із цими концепціями.
• Сприяти розвитку нових або переглянутих схем щодо розглянутих явищ.

Роль мотивації є критичною. Хоча наука має багато тем, які мають бути цікавими, вивчення науки мало цікавить багатьох студентів. Навчання отримує користь від практичного навчання та зв'язків з аспектами життя студентів. Наприклад, рух можна пов'язати з траєкторією футбольних м'ячів, електрику з DVD-програвачами, а екологію з програмами переробки відходів у громаді. Підвищення інтересу до тем також може покращити якість навчання студентів (Sandoval, 1995). Таким чином, використання ілюстрацій і діаграм допомагає студентам зрозуміти наукові концепції (Carlson, Chandler, & Sweller, 2003; Hannus & Hyönä, 1999), хоча деяким студентам може знадобитися навчитися вивчати ілюстрації як частину вивчення тексту.