struktura wiedzy

wyciąg z broszury towarzyszącej warsztatom dla nauczycieli przedmiotów ścisłych w szkołach średnich.

Robert J. Dufresne, William J. Leonard i William J. Gerace

Nasza grupa w UMass opracowała model poznawczy, który pomaga nam reprezentować różnice w sposobach przechowywania i wykorzystywania wiedzy przez ekspertów i nowicjuszy. Model ten pomaga nam również ukierunkować konkretne obszary, na których nowicjusze muszą się skoncentrować, aby lepiej rozwiązywać problemy. Jednak Model jest tylko jedną reprezentacją struktury wiedzy i stale się rozwija. Tak więc, nie może być traktowana zbyt dosłownie. Jego użyteczność wynika z jego zdolności do konkretnego przejawu, jakkolwiek niedoskonałego, sposobów myślenia ekspertów i nowicjuszy. Model pomaga nam w dyskusji:

1. przechowywanie wiedzy specyficznej dla danej dziedziny;
2. zachowanie eksperckie i początkujące w rozwiązywaniu problemów;
3. hierarchiczna struktura magazynu wiedzy eksperta;
4. nieporozumienia;
5. skutki pytań bez celu i ukierunkowanych na cel oraz
6. proces meta-komunikacji.

w tym warsztacie – – – i w naszym podejściu do fizyki w ogóle – – – są 3 podstawowe tematy:

1. do sprawnego rozwiązywania problemów potrzebne są szczególne rodzaje wiedzy i struktury wiedzy. Znaczna część tej wiedzy ma charakter konceptualny, w przeciwieństwie do operacyjnych lub proceduralnych, a potężne struktury wiedzy muszą obejmować elementy konceptualne. Obecność elementów pojęciowych w strukturach wiedzy jest kluczem do „głębszego zrozumienia” fizyki.
2. poszczególne rodzaje procesów poznawczych są wymagane do nabycia wiedzy koncepcyjnej i budowy użytecznych struktur wiedzy.
3. możliwe jest zaprojektowanie działań promujących te pożądane procesy poznawcze. W wielu przypadkach działania te są po prostu aktualizacjami samych procesów poznawczych. (Ten punkt, miejmy nadzieję, stanie się później jaśniejszy.)

omówimy każdy z tych tematów, zanim skupimy się na konkretnych przykładach.

Temat 1: co uczniowie powinni wiedzieć i jak powinno być zorganizowane to, co wiedzą, aby skutecznie rozwiązywać problemy?

zaczynamy od zidentyfikowania niektórych różnych rodzajów wiedzy, które uczniowie muszą znać:

• wiedza pojęciowa, taka jak pojęcie pędu lub energii, lub że prędkość obiektu zmienia się, gdy przyspiesza, lub że grawitacyjna energia potencjalna obiektu zmniejsza się, gdy spada.
• faktyczna wiedza, taka jak wartość stałej grawitacyjnej g, promień Księżyca, czy gęstość żelaza.
• wiedza reprezentacyjna, np. jak rysować i używać Wykresów.
• wiedza strategiczna, taka jak umiejętność rozpoznawania stosowalności pojęcia, na przykład, pęd jest zachowany, gdy nie ma sił zewnętrznych, lub że energia jest zachowana, gdy nie ma sił niekonserwatywnych.
• wiedza Meta-kognitywna, na przykład świadomość podstawowych założeń, lub że odpowiedź powinna być sprawdzona, rozwiązując problem w inny sposób.
• samowiedza, taka jak znajomość prawdopodobnych źródeł błędów lub świadomość, że przy rozwiązywaniu problemów należy być bardziej proceduralnym.
• wiedza operacyjna, na przykład jak wziąć iloczyn krzyżowy lub iloczyn kropkowy dwóch wektorów, lub jak wziąć wyznacznik macierzy, lub jak narysować diagram ciała swobodnego.
• , gdy wszystkie siły są konserwatywne), lub kiedy określić układ współrzędnych (np. przy znajdowaniu energii potencjalnej), lub kiedy narysować diagram ciała wolnego (np. przy stosowaniu praw Newtona).
• Problem-stan wiedzy, które są cechami problemu używanymi do decydowania, jak go rozwiązać. Przykładami są: świadomość, że w danym problemie nie ma sił zewnętrznych, lub że w problemie nie ma sił niekonserwatywnych, lub że obiekt jest początkowo w spoczynku, lub że obiekt znajduje się na pochyłości.

te rodzaje wiedzy muszą być zorganizowane i zorganizowane w celu efektywnego wykorzystania podczas rozwiązywania problemów. W celu omówienia organizacyjnych i strukturalnych aspektów wiedzy, uznaliśmy za wygodne, aby szeroko zaklasyfikować te typy na trzy ogólne kategorie. Nazywamy te trzy grupy: wiedza pojęciowa, wiedza operacyjna i proceduralna oraz wiedza o stanie problemu. Na Rys. 1, te trzy ogólne kategorie są pokazane w reprezentacji tego, jak eksperci przechowują wiedzę o treści.

1: Przedstawienie struktury wiedzy eksperta

ekspert ma bogate zgrupowanie pojęć, w którym każde pojęcie jest powiązane z wieloma innymi pojęciami, a relacje między pojęciami są jasno zrozumiałe. Pojęcia są ułożone hierarchicznie za pomocą pojęć parasolowych, aby ściślej je powiązać. W rzeczywistości pojęcia parasolowe są używane do grupowania elementów w ramach każdej z trzech kategorii. Ekspert posiada duży zasób wiedzy o stanie problemu, w tym wiele informacji o tym, które zasady mają zastosowanie do poszczególnych sytuacji. Ekspert ma również duży magazyn równań, operacji i procedur (EOPs), które można szybko uzyskać.

powiązania między każdą parą kategorii są bardzo silne: stany problemowe są silnie powiązane z pojęciami i Eopami, które same są ze sobą silnie powiązane. Te same pojęcia parasolowe są używane do grupowania pojęć, Stanów problemowych i EOPs. W związku z tym, dla każdego konkretnego problemu, pojęcia mogą być używane do decydowania o stosowności i stosowalności równań, a użyteczność konkretnych operacji i procedur.

(trzeba tu bardzo uważać, aby nie być zbyt sztywnym w myśleniu, bo łatwo się nie zgodzić, która z tych kategorii powinna być używana do klasyfikacji danego elementu wiedzy, czy też należy do tylko jednej kategorii. Naszym celem jest po prostu posiadanie mechanizmu wizualizacji kilku poziomów powiązań, które mogą wystąpić między elementami.)

zwykle używamy terminu linking, aby oznaczać utworzone skojarzenie między dwoma elementami tego samego lub różnych typów wiedzy, a termin clustering odnosi się do skojarzeń między kilkoma elementami lub klastrami. To, co sprawia, że tego rodzaju dyskusja jest bardzo trudna, to fakt, że odbywa się tu rodzaj iteracyjnego procesu: Bardzo silna więź między trzema elementami – – – klastrem koncepcyjnym, rozpoznaniem okoliczności, w których koncepcja ma zastosowanie, i procedurami niezbędnymi do zastosowania koncepcji – – – tworzy nowy rodzaj elementu wiedzy, który wkładamy do wiedzy strategicznej (czwarta Kategoria). Ten nowy element wiedzy jest tym, co niektórzy nazywają schematem i często obejmuje również wiedzę o stanie problemu. Ponieważ element wiedzy ma charakter pojęciowy, staje się replikowany (tj. powtarzany) w bańce pojęciowej.

jeśli przyjrzymy się bliżej bańce pojęciowej, zobaczymy niektóre szczególne rodzaje wiedzy pojęciowej, na przykład wiedzę reprezentacyjną, wiedzę strategiczną, wiedzę Meta-kognitywną i wiedzę o podstawowych pojęciach. Jest to przedstawione na Fig. 2. (Inne rodzaje wiedzy pojęciowej nie są pokazane.)

Fig. 2: rodzaje wiedzy koncepcyjnej

czym różni się struktura wiedzy nowicjusza od eksperta? Jak przedstawiono na Fig. 3, nowicjusze na ogół mają słabe grupowanie pojęć. Wiele linków jest nieodpowiednich, inne nie istnieją. Niektóre z nieodpowiednich linków są niezwykle silne, co prowadzi do nieporozumień. Nowicjusze na ogół nie używają pojęć parasolowych do grupowania elementów. Mają mały zapas sytuacji problemowych, w których funkcje powierzchni są używane do łączenia ich ze sobą i decydowania o tym, jak problemy powinny zostać rozwiązane. Są zaznajomieni ze stosunkowo dużą liczbą równań, ale często pamiętają je nieprawidłowo lub muszą je sprawdzić, aby z nich korzystać. Uczono ich operacji i procedur, ale nie są jeszcze w nich biegli. Dlatego nie można powiedzieć, że oni „znają” ich.

3: przedstawienie struktury wiedzy nowicjusza

powiązania między pojęciami a EOPs są słabe lub nie istnieją. Związki między pojęciami a sytuacjami problemowymi są również słabe. Tak więc początkujący nie może analizować problemu i nie może zdecydować o stosowności poszczególnych równań. Powiązania między sytuacjami problemowymi a EOPs są stosunkowo silne, ale powiązania opierają się przede wszystkim na ilościach, które równania mają wspólne z dawnymi i wyraźnymi niewiadomymi problemu.

motyw 2: W jakich procesach poznawczych uczniowie muszą zaangażować się w rozwój odpowiednich struktur wiedzy?

aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy najpierw zrozumieć, w jaki sposób eksperci i nowicjusze rozwiązują problemy w inny sposób.

nowicjusze są na ogół nieskuteczni, gdy próbują rozwiązać typowe problemy w fizyce. Używając modelu do reprezentowania procesu, jak typowy początkujący rozwiązuje problem? Ponieważ najsilniejsze powiązania w strukturze wiedzy nowicjusza są między sytuacjami problemowymi a równaniami, czytanie problemu natychmiast sugeruje równania obejmujące ilości (znane i nieznane) wyraźnie podane w problemie. Nie określając stosowalności tych równań i nie próbując myśleć o innych równaniach, które mogą obejmować te same ilości, początkujący zwykle zaczyna manipulować najbardziej znanymi równaniami, dopóki nieznane nie zostanie rozwiązane. Najnowsze równanie w klasie jest najłatwiej dostępne i najszybciej przywołane. Tak więc początkujący szuka i (jeśli „powiedzie się”) znajduje tylko jeden sposób rozwiązania problemu i zwykle zatrzymuje się, bez badania innych możliwości i bez analizy sytuacji problemowej. Równania Znalezione w ten sposób są często niewłaściwe, ponieważ nowicjusze często nie używają pojęć, aby uzasadnić ich zastosowanie. Nawet jeśli uczniowie są zmuszeni do powoływania się na koncepcje poprzez wcześniejszą analizę problemów, ich powiązania z EOPs są na ogół zbyt słabe, aby mogły być przydatne do rozwiązywania problemów. Ponadto powiązania między pojęciami a sytuacjami problemowymi są jednokierunkowe, więc analogie nie są szczególnie przydatne: Nowicjusze nie mogą używać analogii do rozwiązywania problemów, ponieważ nie mogą określić, które z problemów, które już rozwiązali, są koncepcyjnie podobne do tego, który obecnie próbują rozwiązać. Zamiast tego nowicjusze używają funkcji powierzchni do ustalenia „podobieństwa” i próbują rozwiązywać nowe problemy w oparciu o ich podobieństwo do cech powierzchni problemów, które już rozwiązali.

ponieważ eksperci klasyfikują problemy i EOPs zgodnie z tymi samymi pojęciami parasolowymi, często mogą przejść bezpośrednio od sytuacji problemowych do odpowiednich równań, operacji i/lub procedur. Ponieważ powiązania między różnymi kategoriami są silne, trudne problemy (te, dla których nie istnieje jeszcze bezpośredni związek między Stanami problemowymi a EOP) można rozwiązać poprzez świadome powoływanie się na pojęcia, a tym samym pośrednie powiązanie Stanów problemowych z odpowiednimi EOP. Ponieważ powiązania między pojęciami a sytuacjami problemowymi są dwukierunkowe, analogie są niezwykle użytecznym narzędziem rozwiązywania problemów dla ekspertów. Wreszcie, eksperci zwykle mają więcej niż jedno podejście do rozwiązania konkretnego problemu.

oto podsumowanie głównych różnic między ekspertami a nowicjuszami:

1. nowicjusze mają słabe grupowanie pojęć, co często prowadzi do nieporozumień. Eksperci mają bogate grupowanie pojęć, sytuacji problemowych, równań, procedur i operacji, co prowadzi do poprawy zdolności rozwiązywania problemów.
2. nowicjusze zwykle mają tylko jeden sposób na rozwiązanie konkretnego problemu, podczas gdy eksperci często mogą znaleźć więcej niż jeden sposób. Dlatego ekspert może próbować rozwiązać niespójności, gdy występują i sprawdzić odpowiedzi, podczas gdy nowicjusze nie są świadomi istnienia niespójności i nie mogą sprawdzić swoich odpowiedzi.
3. nowicjusze często używają manipulacji równaniami i rzadko używają strategii opartych na koncepcjach, aby uzyskać odpowiedź. Ekspert wykorzystuje koncepcje i analogie do zaproponowania kilku metod rozwiązania i planuje strategię znalezienia prawidłowej odpowiedzi.
4. nowicjusze często nie uzyskują prawidłowej odpowiedzi, a kiedy uzyskają właściwą odpowiedź, może to być z niewłaściwego powodu. Kiedy początkujący otrzymuje właściwą odpowiedź z niewłaściwego powodu, nieporozumienia są wzmacniane i stają się jeszcze trudniejsze do przezwyciężenia. Ekspert zazwyczaj otrzymuje właściwą odpowiedź i może wyjaśnić, dlaczego odpowiedź jest prawidłowa.

istnieje wiele procesów poznawczych, które pomagają nowicjuszom opracować oparte na koncepcji podejście do rozwiązywania problemów, które dzielimy na trzy kategorie: procesy analizy, procesy rozumowania i procesy Meta-kognitywne.

procesy analizy

• analiza problemu, np. konstruowanie reprezentacji problemu.
• Analiza pojęciowa, taka jak używanie pojęć do określenia jakościowego zachowania obiektów fizycznych lub do tworzenia strategii.
• Analiza strategiczna, taka jak określenie i uzasadnienie zasad fizyki istotnych dla sytuacji problemowej.
• analiza reprezentacyjna, taka jak badanie różnych reprezentacji problemu.
• złożona analiza konstruktywna, taka jak rozkładanie skomplikowanej sytuacji na prostsze.

procesy rozumowania

• porównywanie i kontrastowanie, takie jak określenie, w jaki sposób elementy, sytuacje lub warunki są podobne i/lub różne.
• czas na oszacowanie przyspieszenia obiektu.
• przypadki szczególne i ograniczające, czyli odkrywanie ekstremalnych i / lub znanych warunków.
• prototyp i kontra-przykłady, na przykład generowanie archetypicznych kategorii.
• uogólnienie, czyli rozpoznanie najistotniejszych cech okoliczności lub sytuacji.

procesy Meta-poznawcze

• refleksja, czyli samokierujący przegląd celu, celów, skutków doświadczenia itp.
• Meta-komunikacja, czyli świadomy udział w ustalaniu i udoskonalaniu linii komunikacji z nauczycielem i innymi uczniami oraz w podejmowaniu decyzji o celach nauki.
• samoocena, np. ocena własnych wyników lub określenie przyczyn napotkania trudności podczas rozwiązywania problemu.

te i inne procesy są zachęcane przez nasze materiały programowe. Konkretne rodzaje działań w tym zakresie przedstawiono w następnej sekcji.

temat 3: Jakie rodzaje działań edukacyjnych lub doświadczeń promują te korzystne procesy poznawcze?

poniższe ćwiczenia mogą być wykorzystywane przez nauczycieli do stymulowania procesów poznawczych potrzebnych do rozwijania pojęciowego rozumienia fizyki:

1. Użyj wielu reprezentacji. Reprezentacja może być językowa, abstrakcyjna, symboliczna, obrazowa lub konkretna. Korzystanie z wielu różnych reprezentacji dla tej samej wiedzy i tłumaczenie uczniów między reprezentacjami, pomaga uczniowi w inter-relate typów wiedzy i powiązać wiedzę z doświadczeniem fizycznym. Zachęca do tworzenia powiązań między elementami wiedzy i promuje bogate grupowanie wiedzy.
2. twórz odniesienia do przodu i do tyłu. Koncepcje wymagają długiego czasu. Dlatego nie możesz czekać, aż uczniowie całkowicie nauczą się jednego tematu, zanim przejdą do następnego. Dokonując dalszych referencji, przygotowujesz ucznia do nowego materiału. Dokonując odsyłaczy wstecznych, kojarzysz nowy materiał z ustalonym (lub częściowo ustalonym) materiałem, czyniąc w ten sposób wiedzę splecioną i połączoną, a nie linearną.
3. Przeglądaj rozszerzone konteksty. Pojęcia mogą być bardzo zależne od kontekstu i nie stają się globalnie użyteczne, dopóki nie zostaną abstrakcyjne. Badanie szerokiego kontekstu zastosowania pomaga uczniowi udoskonalić i abstrakcyjne koncepcje. Unika również nieprawidłowych lub zbyt uproszczonych uogólnień.
4. Porównaj i kontrast. Istotne w procesie strukturyzacji (lub ponownej strukturyzacji) wiedzy jest klasyfikacja i wzajemne relacje elementów wiedzy. Porównania i kontrasty uwrażliwiają uczniów na kategorie i relacje, a także pomagają uczniom dostrzec podobieństwa i wyróżnienia potrzebne do zorganizowania magazynu wiedzy.
5. Kategoryzuj i klasyfikuj. Równolegle z porównaniami i kontrastami uczniowie muszą znać kategorie i systemy klasyfikacji. Uczniowie muszą również ćwiczyć tworzenie i rozpoznawanie systemów kategoryzacji. Wymagając od uczniów klasyfikacji przedmiotów, wyboru nazw dla ich kategorii i wyjaśnienia ich systemu, możemy pomóc uczniom zmienić strukturę magazynu wiedzy.
6. & Pokaż (nieadekwatność starego modelu). Starannie dobrane Demonstracje i eksperymenty mogą być wykorzystane do wydobycia niespójności w modelach uczniów. Uczniowie powinni mieć pokazany zestaw lub aparat doświadczalny i powinni być poproszeni o przewidzenie, co się stanie, gdy coś zostanie zrobione. Ważne jest, aby uczniowie przewidywali wcześniej, uświadamiając im w ten sposób swój własny model. Uczniowie będą rozważać alternatywne koncepcje tylko wtedy, gdy ich własne zawiodą. Wymaganie od uczniów używania swoich Modeli i pokazywanie im, że ich modele są niespójne lub nieodpowiednie, przygotuje ich do tworzenia lepszych (choć wciąż własnych) modeli.

7. wyjaśnij (podsumuj, opisz, przedyskutuj, zdefiniuj itp.). Standardowe problemy rzadko mówią nauczycielowi to, czego uczniowie nie rozumieją. Nawet jeśli uczniowie mają problem dobrze, nadal może być zamieszanie co do stosowalności zastosowanych równań. Wymaganie od uczniów wyjaśnienia, w jaki sposób rozwiążą problem, ujawnia nieporozumienia i nieporozumienia oraz pomaga uczniom zreorganizować magazyn wiedzy. Ponadto uczniowie rzadko widzą w standardowych demonstracjach i eksperymentach to, co widzą eksperci. Uczniowie powinni wyjaśnić i omówić to, co myślą, że widzieli (na przykład podczas Predict & Show), aby nauczyciel mógł wchodzić w interakcje z modelami uczniów. Ponadto proces wyjaśnienia (lub podsumowania, opisania, omówienia, itp.) pomaga uczniom poznać ich własne modele, a także modele innych uczniów.

8. generowanie wielu rozwiązań. Efektywne rozwiązywanie problemów nie może nastąpić, chyba że uczniowie wybierają spośród zestawu prawidłowych ścieżek rozwiązania. Rozwiązując problemy w więcej niż jeden sposób, uczniowie uczą się priorytetyzować elementy swojej wiedzy strategicznej.

9. planuj, uzasadnij i opracuj strategię. Bardzo niewiele związków w fizyce jest zawsze ważnych. Aby uniknąć manipulacji równaniami, uczniowie powinni zostać poproszeni o zaplanowanie (a następnie wyjaśnienie), w jaki sposób rozwiążą problemy. Uczniowie muszą nauczyć się, jak określić, które pojęcia są istotne (a które nie mają znaczenia) dla konkretnej sytuacji problemowej i jak wdrożyć odpowiednie koncepcje, aby rozwiązać ten problem. Tworzenie przez uczniów własnych strategii pomaga im nauczyć się, w jaki sposób pojęcia są używane do rozwiązywania problemów.
10. Reflect (Oceniać, integrować, rozszerzać, uogólniać itp.) Po ukończeniu większości zajęć uczniowie korzystają z oglądania się wstecz na to, co zrobili. Jakie wzorce dostrzegli? Jakie ogólne zasady można skonstruować? Inne rodzaje zajęć dają uczniom elementy potrzebne do stworzenia spójnego obrazu fizyki, ale zwykle do „poskładania elementów” potrzebny jest rodzaj refleksyjnego działania.
11. meta-komunikuj się o procesie uczenia się. Aby uczyć się fizyki (lub jakiegokolwiek innego złożonego przedmiotu), uczniowie muszą stać się samodzielni. Muszą być wystawione na działanie modeli innych osób (nauczycieli i uczniów). Należy im ostrzec, że precyzja w komunikacji jest niezbędna; muszą być informowani o powszechnych pułapkach i błędnych interpretacjach; i trzeba im powiedzieć, że powinni przeformułować swoją wiedzę. Uczniowie muszą nauczyć się, jak uczą się najlepiej.