Wykład 305 marca 2015

Nabywanie umiejętności

Plan wykładu

• Uwagi wstępne

• Etapy nabywania umiejętności

a. Etap poznawczy

b. Etap asocjacyjny

c. Etap autonomiczny

• Rola informacji o wynikach

Uwagi wstępne

• Badania nad pamięcią głównie skoncentrowane na nabywaniu wiedzy deklaratywnej

• Badania nad uczeniem się częściej dotyczą nabywania wiedzy proceduralnej

• Niektóre umiejętności są nabywane przez wszystkich (lub prawie wszystkich) do bardzo wysokiego poziomu biegłości: np. mówienia, czytania, umiejętności społeczne...

Przykład badania nad nabywaniem umiejętności

• Badania Singleya i Andersona nad nabywaniem umiejętności korzystania z edytora tekstów

• Ćwiczenie przez 6 dni po 3 godziny dziennie• Czas potrzebny na wprowadzenie poprawek

skracał się od 8 minut pierwszego dnia do 2 minut szóstego dnia

• Analiza uwzględniająca podział czasu na czas pisania i czas myślenia

Wykres ukazujący wyniki uzyskane przez Singleya i Andersona

Potęgowe prawo uczenia się

• Uczenie się nigdy się nie kończy, ale w miarę ćwiczenia uzyskiwane są coraz mniejsze korzyści

• Dawniej sądzono, że uczenie się jest najlepiej opisywane przez funkcję wykładniczą

• Newell i Rosenbloom: potęgowe prawo uczenia się - prawie wszystkie funkcje opisujące uczenie się są funkcjami potęgowymi, gdy uwzględnia się takie wskaźniki jak czas wykonania (skraca się) i liczbę błędów (zmniejsza się)

Przykłady wykresów funkcji uczenia się

Potęgowe prawo uczenia się c.d.

• Funkcja potęgowa – przyspieszenie ujemne• Dobrze opisuje zjawiska z różnych poziomów: Wskaźniki behawioralne Zmiany długotrwałego wzmocnienia

synaptycznego (LTP) Prawdopodobieństwo powtarzania się informacji

czy zdarzeń w środowisku Adekwatne przy opisywaniu uczenia się ludzi i

zwierząt

Nabywanie umiejętności przeprowadzania dowodów logicznych

Usprawnienie różnych umiejętności: produkowanie cygar i pisanie książek

• Badania Crossmana nad robotnicą produkującą cygara; obserwacje prowadzone przez 10 lat

• Usprawnianie do momentu osiągnięcia cyklu maszyny czy urządzenia

• Ograniczenia wynikające z czasu potrzebnego na dotarcie impulsów nerwowych od receptorów do mózgu i z mózgu do efektorów

• Analiza twórczości Issaca Asimowa, przeprowadzona przez Ohlssona

Wykresy obrazujące nabywanie umiejętności produkowania cygar i czas

potrzebny na napisanie książki

Zmiany ilościowe a zmiany jakościowe

• Zmiany w umiejętnościach dotyczące tempa wykonania, liczby błędów itd.

• Ale także zmiany jakościowe

• Zdaniem J. Andersona – wszystkie zmiany, w tym jakościowe zależą od prostego uczenia się asocjacyjnego, przebiegającego zgodnie z prawem potęgowym

Etapy nabywania umiejętności według Fittsa i Andersona

1. Etap poznawczy, inaczej deklaratywny – reprezentacje deklaratywne

2. Etap asocjacyjny, inaczej kompilacyjny – postępująca zmiana reprezentacji deklaratywnej w proceduralną

3. Etap autonomiczny, proceduralny – umiejętność staje się zautomatyzowana i jest szybko wykonywana, zaangażowanie poznawcze stopniowo eliminowane; umiejętność staje się elementem pamięci utajonej

Etap poznawczy

• Bliski związek nabywania umiejętności z rozwiązywaniem problemów

• Badania nad rozwiązywaniem problemów pod silnym wpływem poszukiwań z zakresu sztucznej inteligencji

• Newell i Simon „Uniwersalny Rozwiązywacz Problemów”:

a. Stanb. Celc. Operatory d. Poszukiwanie

Nabywanie operatorów

• Nabywanie operatorów przedmiotem licznych badań nad warunkowaniem (zwierzęta) i pamięcią (ludzie)

• Nabywanie operatorów przez ludzi: dowiedzenie się od kogoś innego lub samodzielne odkrycie

• Przykłady: nauczanie szkolne, instrukcje obsługi (pokazowe i słowne)

Selekcja operatorów

• Redukowanie różnicy: często skuteczne, ale w niektórych sytuacjach, konieczne czasowe zwiększenie różnicy

• Stawianie podcelów: chwilowe zawieszanie dążenia do osiągnięcia głównego celu i kierowanie się ku podcelowi, który pomaga osiągnąć główny cel (np. stopnie, produkowanie narzędzi)

• Problem Wieży z Hanoi

Problem Wieży z Hanoi

Etap poznawczy - podsumowanie

• Dla rozwiązania nowego problemu konieczne jest spełnienie dwóch wymagań:

Nabycie odpowiednich operatorówZastosowanie odpowiednich operatorów,

poprzez eliminowanie różnicy między stanem bieżącym i celem, lub stawianie podcelów względem operatora

Etap asocjacyjny

• Etap, w którym ludzie przestają stosować ogólne metody rozwiązywania problemów i zaczynają stosować specyficzne dla danego obszaru

• Zasadnicza cecha: przekształcanie wiedzy deklaratywnej w proceduralną

• Uczenie się procedur specyficznych dla danego obszaru to proceduralizacja

• Rozpoznawanie wzorca – czyli odciążenie pamięci operacyjnej

Reguły produkcji

• Wiedza proceduralna przybiera postać reguł produkcji – „Jeżeli, to”

• Złożone umiejętności poznawcze mogą wymagać bardzo licznych reguł produkcji

• Uczenie się reguł produkcji to także tworzenie nowych reguł, obejmujących powtarzające się sekwencje kroków w wykonywaniu umiejętności, np. korzystanie z bankomatu, uruchamianie programów komputerowych...

Rozwój reguł produkcji

• Nowicjusze i eksperci odmiennie podchodzą do rozwiązywania problemów – mają odmienne reguły produkcji

• Złożone umiejętności wymagają licznych reguł produkcji: arcymistrzowie szachowi znają około 50 000 reguł produkcji, nauka matematyki w szkole średniej od 1 000 do 10 000 reguł produkcji

• Geniusz: nie wcześniej niż po 10 latach pracy w danej dziedzinie

Eksperci a nowicjusze

• Koncepcja Ericssona wyćwiczonej pamięci• Analizy osób mających wybitne osiągnięcia w

pływaniu i muzyce• Badania nad arcymistrzami szachowymi• Inne dziedziny, gdzie stwierdzono różnice w

umiejętności zapamiętywania: gra w Go, brydż, programowanie komputerowe

• Eksperci rozpoznają w problemie wzorce i posiadają reguły dla reagowania na nie

Nabycie złożonej umiejętności wymaga:

1. Przyswojenia operatora z danego obszaru (proces dobrze opisywany przez prawidłowości warunkowania i pamięci)

2. Zorganizowanie operatorów za pomocą zasad rozwiązywania problemów (redukowanie różnicy i stawianie podcelów)

3. Przekształcenie wiedzy o tym, jak rozwiązywać problemy w reguły produkcji

4. Wzmacnianie reguł produkcji

Etap autonomiczny

• W miarę ćwiczenia umiejętność zmienia się przez dodawanie nowych reguł i wzmacnianie już istniejących

• Umiejętność staje się bardziej automatyczna, wymaga mniej uwagi i mniej interferuje z wykonywaniem innych zadań

• Badania Spelke, Hirsta i Neissera

Umiejętność całkowicie zautomatyzowana:

• Może być wykonywana bez zaangażowania systemu poznawczego, pozwalając na równoczesne wykonywanie innych celów poznawczych

• Jest mniej podatna na przerywanie, gdyż coraz większa część umiejętności staje się programem motorycznym i coraz mniejsza jej część jest wykonywana na poziomie poznawczym

Program motoryczny

• Z góry uporządkowana, zorganizowana sekwencja działań

• Wykonanie o charakterze otwartej pętli

• Wykonanie o charakterze zamkniętej pętli

• Programy motoryczne: charakter otwartej pętli, ale włączone w szerszą strukturę o charakterze zamkniętej pętli

Dowody na rzecz „otwartej pętli”

1. Zachowanie o charakterze zamkniętej pętli jest powolne; najkrótszy prosty czas reakcji wynosi ok. 200 milisekund, a np. pianiści wykonują do 16 ruchów palców na sekundę

2. Ruchy są planowane wcześniej: w miarę wzrostu stopnia złożoności ruchu potrzeba więcej czasu na jego rozpoczęcie

3. Dane z badań nad deaferentacją małp4. Wysyłanie programu do efektorów i brak

możliwości zatrzymania działania

Kontrola pozapoznawcza

• Działania zrutynizowane umieszczone w programie motorycznym o charakterze otwartej pętli

• W miarę rozwoju umiejętności, coraz większa część kontroli na poziomie nieświadomym

• Kontrola sprawowane przez struktury mieszczące się poniżej kory mózgowej – rdzeń kręgowy

• Dowody z badań nad kotami, u których dokonywano oddzielenie śródmózgowia, ale móżdżek nadal połączony z rdzeniem kręgowym

Programy motoryczne: ogólne czy specyficzne?

• Programy motoryczne mają raczej charakter ogólny, mogą być wykonywane przez różne efektory

Nabywanie programów motorycznych

Teoria schematu

• Krytyczny element rozwoju programu, to umiejętność dostrajania go

• Według Schmidta uczący się tworzy dwie reprezentacje umiejętności

1. Pamięć odtwórcza to sam program motoryczny czyli powiązana sekwencja działań

2. Pamięć rozpoznawcza reprezentuje pożądany skutek działania

Warunki efektywności programu

• Ćwiczenie z różnymi wartościami• Mniejsza dokładność w czasie uczenia się, ale

większa dokładność w transferze• Pamięć odtwórcza ulega poprawie dzięki

porównywaniu wykonanego działania z wewnętrznym standardem przechowywanym w pamięci rozpoznawczej

• Czyli ludzie powinni być w stanie stwierdzić błędy w swoim działaniu bez zewnętrznej informacji zwrotnej

Praktyczne przykłady nabywania umiejętności

• Różne umiejętności szkolne

• Umiejętności sensoryczno-motoryczne

• Umiejętności sportowe

• Umiejętności społeczne

• Umiejętności samoregulacji uczenia się

• Koncepcja uczenia się przedmiotowego Patricii Alexander

Zalety i wady automatyzacji umiejętności

• Zalety: szybkość i łatwość wykonania; niewielkie zaangażowanie poznawcze; możliwość równoczesnego wykonywania innych czynności

• Wady: trudne do przerwania;prowadzące do błędów w przypadku zmiany warunków; słabo podlegające transferowi

Informacja zwrotna o wynikach

• Teza: szczegółowa i natychmiastowa informacja zwrotna po każdej próbie powinna dawać najlepsze wynik,

• ale badania pokazują, że tak nie jest: np. zmiana prawdopodobieństwa informacji zwrotnej od 10 do 100% brak różnic w uczeniu się

• Stała informacja zwrotna sprawia, że jednostka zaczyna na niej nadmiernie polegać i nie potrafi działać bez niej

Informacja zwrotna a wyniki

• Przetwarzanie informacji zwrotnej może zaburzać uczenia się, np. badania nad programowaniem

• Program motoryczny powinien ulegać korekcie przez odniesienie do wewnętrznej reprezentacji umiejętności

• Sporadyczna informacja wystarcza dla korekty reprezentacji

• Uczenie się ogólnej struktury programu lepsze przy informacji sporadycznej; uczenie się parametryzacji – ciągła równie dobre lub lepsze wyniki

Informacja o wynikach – szerszy kontekst

• To, co następuje po reakcjach prawidłowych lub nieprawidłowych, niezależnie od swojej wartości, może odgrywać pozytywną rolę w uczeniu się, jeśli zawiera informację o wynikach

• Proste sygnały nie obciążają systemu poznawczego i nie wymagają złożonego przetwarzania

• Istotna jest treść komunikatu, mniej ważna forma• Informacja jest szczególnie korzystna, gdy

pomaga eliminować błędy

Informacja o wynikach

• Nagroda bardziej niż kara może pomóc w eliminowaniu błędów, czyli ma potencjalnie większą wartość informacyjną

• W nauczaniu informacja o wynikach pełni rolę wzmocnienia społecznego

• Ale jest przeważnie podawana z dużym odroczeniem, nie zawsze określa co i dlaczego należy zmienić

• Ogólnie korzystniejsza wewnętrzna niż zewnętrza, ale samooceny dotyczące uczenia się często niedokładne lub błędne

Rola informacji zwrotnej w koncepcjach samoregulacji uczenia się

Zadanie interpretacja poznawcza reprezentacja cech zadania i wymagań sformułowanie celów realizacja celów za pomocą strategii

Kontrola nad przebiegiem działania i jego rezultatami informacja zwrotna o postępach ukierunkowanie dalszego działania

Gdy porównanie skutków działania z celami niezadowalające powrót do początkowych faz

Koncepcja Carvera i Scheiera

• Dwa systemy dostrzegania rozbieżności• Pierwszy system ocenia rozbieżności między

wynikami cząstkowymi i końcowym celem, i decyduje o kontynuowaniu obranego kierunku lub jego zmianie

• Drugi system dokonuje oceny tempa osiągania celów i jest odpowiedzialny za reakcje afektywne, które wpływają na późniejsze zaangażowanie w podobne zadania