Technologie a výuka (Kognitivní učební procesy)

V posledních několika letech jsme byli svědky rychlé exploze technologií ve výuce prostřednictvím elektronického a distančního vzdělávání (Bernard et al., 2009; Brown, 2006; Campbell, 2006; Clark, 2008; Jonassen, 1996; Jonassen et al., 1999; Larreamendy-Joerns & Leinhardt, 2006; Roblyer, 2006; Winn, 2002). Technologie je často ztotožňována s vybavením (např. počítače), ale její význam je mnohem širší. Technologie se týká návrhů a prostředí, která zapojují studenty (Jonassen et al., 1999). Výzkum účinků technologie na učení se rozšiřuje, stejně jako úsilí o odstranění překážek pro zavedení technologie do výuky (Ertmer, 1999).

Technologie má potenciál usnadnit výuku způsoby, které byly dříve nepředstavitelné. Nedávno byla technologická aplikace ve třídě omezena na filmy, televize, diaprojektory, rádia a podobně. Dnes mohou studenti zažít simulace prostředí a událostí, které by v běžných třídách nikdy nemohli, získávat instrukce a komunikovat s ostatními na velké vzdálenosti a interagovat s velkými znalostními bázemi a expertními výukovými systémy.

Výzvou pro výzkumníky je určit, jak technologie ovlivňuje kognitivní procesy studentů během kódování, uchovávání, přenosu, řešení problémů a tak dále. Materiál v této sekci o počítačových výukových prostředích a distančním vzdělávání není praktickou příručkou o tom, jak používat technologie ve vzdělávání. Tato sekce se spíše zaměřuje na roli, kterou technologie hraje v učení. Čtenáři, kteří mají zájem o hlubší aplikace technologie, by měli nahlédnout do jiných zdrojů (Brown, 2006; Kovalchick & Dawson, 2004a, 2004b; Roblyer, 2006; Winn, 2002).

Studenti se stále více učí v počítačových prostředích. Výzkumníci se velmi zajímají o role, které počítače hrají ve výuce a učení. Přestože učení v počítačových prostředích není teorií učení, je důležité vědět, zda počítače zlepšují školní úspěšnost a pomáhají rozvíjet kritické myšlení a dovednosti při řešení problémů.

Je lákavé hodnotit počítačové učení porovnáním s učením bez počítačů, ale taková srovnání mohou být zavádějící, protože se mohou lišit i jiné faktory (např. autentičnost obsahu, interakce učitel-student/student-student). Spíše než se zaměřovat na tuto otázku, zdá se produktivnější zkoumat typy kognitivních procesů, které se mohou vyskytovat v počítačových prostředích a z jiných technologických aplikací.

Jonassen a kol. (1999) prezentovali dynamickou perspektivu na roli technologie v učení. Maximální přínos technologie plyne z toho, když podporuje a usnadňuje myšlení a konstrukci znalostí. V této konceptualizaci může technologie sloužit funkcím uvedeným v cílech 'Funkce technologie'. Technologické aplikace relevantní pro učení popsané v této sekci jsou diferencovaně účinné při plnění těchto funkcí.

• Nástroj na podporu konstrukce znalostí
• Informační prostředek pro zkoumání znalostí na podporu učení konstruováním
• Kontext na podporu učení činností
• Sociální médium na podporu učení konverzací
• Intelektuální partner na podporu učení reflexí

Počítačem podporovaná výuka (CBI)

Ještě před několika lety, než ji nahradil internet, byla počítačem podporovaná výuka (CBI) (nebo CAI – počítačem asistovaná výuka) nejběžnější aplikací počítačového učení ve školách (Jonassen, 1996). CBI se často používá pro cvičení a tutoriály, které studentům prezentují informace a zpětnou vazbu a reagují na základě odpovědí studentů.

Přestože je CBI omezená v tom, co může dělat, několik funkcí CBI je pevně zakotveno v teorii učení a výzkumu (Lepper, 1985). Materiál může upoutat pozornost studentů a poskytnout okamžitou zpětnou vazbu. Zpětná vazba může být takového typu, který se ve třídě často neposkytuje, například jak se současné výkony studentů srovnávají s jejich předchozími výkony (pro ukázku pokroku v učení). Počítače individualizují obsah a tempo prezentace.

Další výhodou CBI je, že mnoho programů umožňuje personalizaci; studenti zadávají informace o sobě, rodičích a přátelích, které jsou pak zahrnuty do výukové prezentace. Personalizace může vést k vyšším výsledkům než jiné formáty (Anand & Ross, 1987). Personalizace výuky může zlepšit smysluplnost a usnadnit integraci obsahu do sítí LTM. Konstrukce znalostí by měla být podpořena známými referenty.

Simulace a hry

Simulace představují reálné nebo imaginární situace, které nelze přenést do výukového prostředí. Příklady zahrnují programy simulující lety letadel, podmořské expedice a život ve fiktivním městě. Studenti si lépe budují paměťové sítě, když mají během učení hmatatelné reference. Hry jsou navrženy tak, aby vytvářely příjemný výukový kontext propojením materiálu se sportem, dobrodružstvím nebo fantazií. Hry mohou klást důraz na myšlení a řešení problémů, ale mohou být také použity k výuce obsahu (např. basketbalová hra pro výuku zlomků).

Lepper (1985; Lepper & Hodell, 1989) naznačil, že hry také ovlivňují učení zvýšením motivace. Motivace je větší, když existuje endogenní (přirozený) vztah mezi obsahem a prostředky („speciální efekty“), kterými hra nebo simulace prezentuje obsah. Zlomky jsou například endogenně spjaty s basketbalovou hrou, když jsou studenti požádáni, aby určili, jak velkou část hřiště pokrývají hráči driblující po podlaze. Takový endogenní vztah zvyšuje smysluplnost a kódování a ukládání do dlouhodobé paměti (LTM). V mnoha hrách a simulacích je však vztah mezi obsahem a prostředky libovolný, například když správná odpověď studenta na otázku vyvolá fantasy prvky (např. kreslené postavičky). Pokud je vztah libovolný, hra nevede k lepšímu učení než tradiční výuka, i když ta první může být zajímavější.

Jako typ počítačově orientovaného prostředí se simulace zdají být vhodné pro objevování a učení se formou zkoumání. Ve svém přehledu studií používajících počítačové simulace v učení se formou objevování dospěli de Jong a van Joolingen (1998) k závěru, že simulace jsou účinnější než tradiční výuka při vštěpování „hlubokého“ (intuitivního) kognitivního zpracování studentů. Simulace mohou být také prospěšné pro rozvoj dovedností řešení problémů. Podobně jako u výsledků pro CBI, Moreno a Mayer (2004) zjistili, že personalizované zprávy od agenta na obrazovce během simulací zlepšily uchování a řešení problémů lépe než nepersonalizované zprávy. Woodward, Carnine a Gersten (1988) zjistili, že přidání počítačových simulací ke strukturovanému vyučování vedlo ke zlepšení řešení problémů u studentů středních škol se speciálními vzdělávacími potřebami ve srovnání se samotnou tradiční výukou. Autoři však poznamenali, že mechanismus, který tyto výsledky vyvolal, byl nejasný a výsledky se nemusí zobecňovat na samostatné počítačové simulace.

Multimédia/Hypermédia

Multimédia označují technologii, která kombinuje možnosti různých médií, jako jsou počítače, film, video, zvuk, hudba a text (Galbreath, 1992); hypermédia se vztahují k propojeným nebo interaktivním médiím (Roblyer, 2006). Multimediální a hypermediální učení nastává, když studenti interagují s informacemi prezentovanými ve více než jednom režimu (např. slova a obrázky; Mayer, 1997). Schopnosti počítačů propojovat se s jinými médii se rychle rozvíjejí. Video streaming, CD a DVD se běžně používají s počítači pro výukové účely (Hannafin & Peck, 1988; Roblyer, 2006).

Multimédia a hypermédia mají důležité důsledky pro výuku, protože nabízejí mnoho možností pro začlenění technologie do výuky (Roblyer, 2006). Výzkumné důkazy poskytují určitou podporu pro výhody multimédií pro učení. Ve své revizi výzkumných studií Mayer (1997) zjistil, že multimédia zlepšila řešení problémů a transfer u studentů; účinky byly však nejsilnější u studentů s malými předchozími znalostmi a vysokou prostorovou schopností. Dillon a Gabbard (1998) také na základě své revize dospěli k závěru, že účinky závisí částečně na schopnostech: studenti s nižšími obecnými schopnostmi měli s multimédii největší potíže. Důležitý byl i styl učení: největší prospěch měli studenti ochotní zkoumat. Multimédia se zdají být zvláště výhodná u specifických úkolů vyžadujících rychlé vyhledávání informací.

Výzkumníci zkoumali podmínky podporující učení z multimédií. Pokud jsou verbální a vizuální (např. vyprávění a animace) informace kombinovány během výuky, studenti těží z duálního kódování (Paivio, 1986). Současná prezentace pomáhá studentům vytvářet spojení mezi slovy a obrázky, protože jsou ve stejnou dobu v pracovní paměti (Mayer, Moreno, Boire, & Vagge, 1999). Multimédia mohou usnadnit učení lépe než přizpůsobování médií individuálním rozdílům studentů (Reed, 2006). Použitím různých médií učitelé zvyšují pravděpodobnost, že alespoň jeden typ bude účinný pro každého studenta. Některé výukové pomůcky, které pomáhají multimediálnímu učení, jsou: textové signály, které zdůrazňují strukturu obsahu a jeho vztah k jinému materiálu (Mautone & Mayer, 2001); personalizované zprávy, které oslovují studenty a dávají jim pocit, že jsou účastníky lekce (Mayer, Fennell, Farmer, & Campbell, 2004; Moreno & Mayer, 2000); umožnění studentům ovládat tempo výuky (Mayer & Chandler, 2001); animace, které zahrnují pohyb a simulace (Mayer & Moreno, 2002); možnost interakce s mluvčím na obrazovce (Mayer, Dow, & Mayer, 2003); absolvování praktického testu z daného materiálu (Johnson & Mayer, 2009); a vystavení lidskému mluvčímu spíše než strojem generovanému mluvčímu (Mayer, Sobko, & Mantone, 2003).

Maximální výhody multimédií vyžadují, aby byly vyřešeny některé logistické a administrativní otázky. Interaktivní možnosti jsou nákladné na vývoj a produkci, i když jsou velmi účinné (Moreno & Mayer, 2007). Náklady mohou mnoha školským systémům zabránit v nákupu komponent. Interaktivní video může vyžadovat další čas na výuku, protože prezentuje více materiálu a vyžaduje více času studentů. Interaktivní multimodální výukové prostředí však poskytuje velký potenciál pro zvýšení motivace studentů (Scheiter & Gerjets, 2007). Větší míra kontroly studentů, která je možná, přináší lepší výhody pro učení a může podporovat seberegulaci (Azevedo, 2005b).

Navzdory potenciálním problémům spojeným s náklady a potřebnými technologickými dovednostmi se zdá, že multimédia a hypermédia prospívají učení studentů, a výzkum stále více ukazuje, že tato technologie může pomoci rozvíjet seberegulované učení studentů (Azevedo, 2005a, 2005b; Azevedo & Cromley, 2004; Azevedo, Guthrie, & Siebert, 2004). Aplikace budou i nadále vyvíjeny s tím, jak se technologie bude vyvíjet (Roblyer, 2006). Je zapotřebí dalšího výzkumu o vlivu multimédií na motivaci a o tom, jak je propojit se sekvencí získávání dovedností seberegulace (např. sociální vliv na sebeovlivňování; Zimmerman & Tsikalas, 2005).

E-learning

E-learning označuje učení prostřednictvím elektronicky doručených prostředků. Tento termín se často používá pro označení jakéhokoli typu elektronické komunikace (např. videokonference, e-mail); zde je však použit v užším smyslu internetové (webové) výuky.

Internet (mezinárodní sbírka počítačových sítí) je systém sdílených zdrojů, který nikdo nevlastní. Internet poskytuje přístup k dalším lidem (uživatelům) prostřednictvím e-mailu a konferencí (chatovacích místností), souborů a World Wide Web (WWW) — interaktivního multimediálního zdroje s mnoha počítači. Ukládá také informace, které lze kopírovat pro osobní použití.

Internet je úžasný zdroj informací, ale relevantní otázkou je zde jeho role ve vzdělávání. Na první pohled má internet výhody. Webová výuka poskytuje studentům přístup k více zdrojům za kratší dobu, než je možné tradičními způsoby; více zdrojů však automaticky neznamená lepší učení. Toho je dosaženo pouze tehdy, pokud si studenti osvojí nové dovednosti, jako jsou metody pro provádění výzkumu na určité téma nebo kritické myšlení o přesnosti materiálu na webu. Webové zdroje mohou také podporovat učení, když studenti přebírají informace z webu a začleňují je do činností ve třídě (např. učení objevováním).

Učitelé mohou pomoci rozvíjet internetové dovednosti studentů pomocí scaffoldingu. Studenti musí být vyučováni vyhledávacím strategiím (např. způsoby používání prohlížečů), ale učitelé mohou také provést počáteční vyhledávání na webu a poskytnout studentům názvy užitečných webových stránek. Grabe a Grabe (1998) nabízejí další návrhy.

Nebezpečí pro studenty při používání internetu spočívá v tom, že velké množství dostupných informací by mohlo vštěpit přesvědčení, že všechno je důležité a spolehlivé. Studenti se pak mohou zapojit do “asociativního psaní” tím, že se snaží zahrnout do zpráv a prací příliš mnoho informací. Do té míry, do jaké e-learning pomáhá učit studenty dovednostem analýzy a syntézy na vyšší úrovni, získají strategie pro určování toho, co je důležité, a pro slučování informací do uceleného produktu.

Distanční vzdělávání (vzdělávání na dálku) nastává, když je výuka, která vzniká na jednom místě, přenášena studentům na jednom nebo více vzdálených místech. Interaktivní schopnosti umožňují obousměrnou zpětnou vazbu a diskuze, které se stávají součástí vzdělávací zkušenosti. Distanční vzdělávání šetří čas, úsilí a peníze, protože instruktoři a studenti nemusí podnikat dlouhé cesty na hodiny. Univerzity mohou například rekrutovat studenty z široké geografické oblasti. Méně se řeší, zda studenti cestují velké vzdálenosti, aby se zúčastnili hodin. Školní obvody mohou provádět programy dalšího vzdělávání tím, že vysílají z centrálního místa do všech škol. Distanční vzdělávání obětuje osobní kontakt s instruktory, ačkoli pokud je použito obousměrné interaktivní video, interakce probíhají v reálném čase (synchronně). Ve své recenzi programů distančního vzdělávání Bernard a kol. (2004) zjistili, že jejich vliv na učení a udržení studentů je srovnatelný s vlivem tradiční výuky. Účinky synchronní výuky upřednostňovaly výuku ve třídě, zatímco distanční vzdělávání bylo efektivnější pro asynchronní aplikace (zahrnující časové zpoždění).

Další síťovou aplikací je elektronická nástěnka (konference). Lidé propojení s počítači mohou posílat zprávy, ale co je důležitější pro učení, mohou být součástí diskusní (chatovací) skupiny. Účastníci kladou otázky a nastolují problémy, stejně jako reagují na komentáře ostatních. Poměrně velké množství výzkumů zkoumalo, zda takové výměny usnadňují získávání dovedností psaní (Fabos & Young, 1999). Zda tento asynchronní způsob telekomunikační výměny podporuje učení lépe než osobní interakce, je problematické, protože velká část výzkumu je rozporuplná nebo neprůkazná (Fabos & Young, 1999); nicméně recenze od Bernarda a kol. (2004) naznačuje, že distanční vzdělávání může být efektivnější s asynchronním učením. Telekomunikace má výhodu v pohodlí, protože lidé mohou reagovat kdykoli, nejen když jsou shromážděni společně. Vstřícné vzdělávací prostředí může nepřímo podporovat učení.

Jako formy počítačově zprostředkované komunikace (CMC) distanční vzdělávání a počítačové konference výrazně rozšiřují možnosti učení prostřednictvím sociální interakce. Je zapotřebí dalšího výzkumu, aby se zjistilo, zda osobní charakteristiky studentů a typy výukového obsahu mohou ovlivnit učení a motivaci studentů.

Webové (online) učení je běžně začleněno do tradiční výuky jako smíšený model výuky (tj. část výuky probíhá osobně a zbytek online). Webové učení je také užitečné ve spojení s multimediálními projekty. V mnoha programech přípravy učitelů budoucí učitelé používají web k získávání zdrojů a poté je selektivně začleňují do multimediálních projektů jako součást návrhů lekcí.

Ve své recenzi online kurzů Tallent-Runnels a kol. (2006) zjistili, že studentům se líbilo postupovat vlastním tempem, studenti s většími zkušenostmi s počítači vyjadřovali větší spokojenost a asynchronní komunikace usnadňovala hloubkové diskuze. Distanční vzdělávání, které zahrnuje interakce (student–student, student–učitel, student–obsah), pomáhá zvyšovat studijní výsledky (Bernard a kol., 2009). Mohou být užitečné i jiné typy interakcí (např. wiki, blogy). Infuze multimediálních prezentací do distančního vzdělávání zvyšuje jeho personalizaci, a tím ho přibližuje osobní výuce (Larreamendy-Joerns & Leinhardt, 2006), což může zvýšit motivaci studentů.

Pokoušet se porovnat online s tradičními kurzy je obtížné, protože existuje tolik rozdílů, z nichž jeden je ten, že dosud se do většiny online kurzů hlásili převážně netradiční a bělošští američtí studenti. Tato demografická situace se změní, jakmile budou online kurzy rozšířenější, což umožní lepší posouzení výsledků online učení a environmentálních charakteristik, které usnadňují učení.

Z předchozích důkazů můžeme usuzovat, že technologie může zlepšit učení. Jak se technologicky vylepšená výuka srovnává s konvenční výukou, je obtížné posoudit a srovnání mohou vést k zavádějícím výsledkům (Oppenheimer, 1997). Žádné výukové médium není trvale lepší než jiná, bez ohledu na obsah, studenty nebo prostředí (Clark & Salomon, 1986). Technologie není příčinou učení; spíše je prostředkem pro uplatňování principů efektivní výuky a učení.

Clark a Salomon (1986) doporučili, aby výzkumníci určili podmínky, za kterých počítače usnadňují výuku a učení. To platí dodnes a lze to říci obecně o technologii. Použití technologie by mělo záviset na cílech učení. Ačkoli technologie má potenciál podporovat různé cíle učení, nemusí to být nejlepší způsob, jak podporovat interakci studentů prostřednictvím vzájemného učení, skupinových diskusí nebo kooperativního učení.

Je zapotřebí více výzkumu hodnotícího efektivitu počítačových výukových prostředí a distančního vzdělávání. Některé výzkumy ukazují, že počítačové řešení problémů je rozdílně efektivní pro studenty a studentky (Littleton, Light, Joiner, Messer, & Barnes, 1998). Zkoumání genderových a etnických rozdílů by mělo být výzkumnou prioritou.

Další oblastí, kterou je třeba se zabývat, jsou motivační účinky technologie na učitele a studenty (Ertmer, 1999; Lepper & Gurtner, 1989). Lepper a Malone (1987) poznamenali, že počítače mohou zaměřit pozornost na úkol prostřednictvím motivačních vylepšení, udržovat úroveň vzrušení na optimální úrovni a vést studenty k zapojení do informačního zpracování zaměřeného na úkol, spíše než k zaměření na irelevantní aspekty úkolu. Myšlenka je taková, že efektivní motivační principy mohou zlepšit hluboké (spíše než povrchní) zpracování (Hooper & Hannafin, 1991).

Předvídat budoucnost technologie ve vzdělávání je obtížné. Před několika lety by jen málokdo předpověděl, že notebooky nahradí stolní počítače nebo že ruční zařízení nakonec nahradí notebooky. Jak se technologie stává propracovanější, nabídne mnohem širší škálu výukových možností (Brown, 2006). Budeme mít přístup k znalostem a vytvářet je novými, sofistikovanými způsoby. Výzkum bude zkoumat dopady tohoto vývoje na učení studentů, stejně jako efektivní způsoby, jak technologii začlenit do výuky.

Vzrušující vývoj je pravděpodobný na několika frontách (Roblyer, 2006). Bezdrátové připojení je nyní běžné, což výrazně zvyšuje pohodlí používání notebooků ve výuce. Bezdrátové připojení a přenositelnost zařízení (např. notebooky, ruční zařízení) pomáhají instruktorům začlenit technologii do výuky. Sloučení technologií bude pokračovat (např. mobilní telefony, které mohou vykonávat více funkcí), což může nakonec vést k tomu, že studenti budou vyžadovat minimální hardware k provádění různých aplikací. Technologický pokrok bude i nadále zlepšovat přístupnost pro osoby se zdravotním postižením a asistenční technologie by se měly ve školách stát běžnějšími. Distanční vzdělávání a online vzdělávací příležitosti se zvýší. Dnes máme virtuální univerzity a střední školy, které mohou být rozšířeny na dřívější úrovně (např. druhý stupeň, základní školy). A konečně, jak se pohodlí technologie bude i nadále zlepšovat, můžeme vidět postupný odklon od tradiční výuky a směr k modelu obsahujícímu méně třídních setkání a více elektronické komunikace.

Na úrovni základního výzkumu mohou zkoumání umělé inteligence (AI) poskytnout důležité vhledy do lidského učení, myšlení a řešení problémů. Umělá inteligence se vztahuje k počítačovým programům, které simulují lidské schopnosti usuzovat, hodnotit, argumentovat, řešit problémy, rozumět řeči a učit se (Trappl, 1985). John McCarthy tento termín vymyslel v roce 1956 jako téma konference.

Expertní systémy jsou aplikací AI. Expertní systémy jsou velké počítačové programy, které poskytují znalosti a procesy řešení problémů jednoho nebo více odborníků (Anderson, 1990; Fischler & Firschein, 1987). Analogicky k lidským konzultantům byly expertní systémy aplikovány do různých oborů, jako je medicína, chemie, elektronika a právo. Expertní systémy mají rozsáhlou znalostní bázi sestávající z deklarativních znalostí (fakta) a procedurálních znalostí (systém pravidel používaných k vyvozování závěrů). Rozhraní klade uživatelům otázky a poskytuje doporučení nebo řešení. Běžnou aplikací expertních systémů je výuka poskytováním odborných znalostí studentům. Výuka často využívá řízené objevování; studenti formulují a testují hypotézy a zažívají důsledky.

Budoucí expertní systémy budou aplikovány do širšího spektra domén. Jednou z výzev je zlepšit schopnosti systémů rozumět přirozeným jazykům, zejména řeči. Ačkoli expertní systémy mohou provádět úlohy rozpoznávání vzorů, většina těchto úloh zahrnuje pouze vizuální podněty. Ale systémy rozpoznávání hlasu se neustále zlepšují. Použití asistenční technologie ve vzdělávání se rozšiřuje, protože studenti se zdravotním postižením jsou integrováni co nejvíce do běžné výuky ve třídě. Expertní systémy by měly zlepšit schopnosti počítačů tak, aby byly přístupné všem studentům (např. sluchové, zrakové, vícenásobné postižení).

AI má vzrušující možnosti pro to, abychom nám pomohla porozumět procesům lidského myšlení. Tato aplikace zahrnuje programování počítačů s určitými znalostmi a pravidly, které jim umožňují měnit a získávat nové znalosti a pravidla na základě zkušeností. Například v učení konceptů může být počítač naprogramován se základním pravidlem a poté vystaven instancím a neinstancím konceptu. Program se modifikuje uložením nových informací do paměti a změnou svého pravidla. Učení může také nastat z expozice případovým historiím. Počítač může být naprogramován s fakty a případovými historií nemoci. Jak počítač analyzuje tyto historie, mění svou paměť, aby zahrnovala etiologii, symptomy a průběh nemoci. Když počítač získá rozsáhlou znalostní bázi pro konkrétní nemoc, může diagnostikovat budoucí případy s přesností.