structura cunoașterii

extras dintr-o broșură care însoțește un atelier pentru profesorii de științe din liceu.

de Robert J. Dufresne, William J. Leonard și William J. Gerace

grupul nostru de la UMass a dezvoltat un model cognitiv care ne ajută să reprezentăm diferențele în modurile în care experții și începătorii stochează și utilizează cunoștințele de conținut. Modelul ne ajută, de asemenea, să vizăm domenii specifice pe care începătorii trebuie să se concentreze pentru a deveni mai buni rezolvatori de probleme. Cu toate acestea, modelul este doar o reprezentare a structurii cunoașterii și este în continuă evoluție. Astfel, nu trebuie luată prea literal. Utilitatea sa provine din capacitatea sa de a oferi o manifestare concretă, oricât de imperfectă, a modurilor în care gândesc experții și începătorii. Modelul ne ajută să discutăm:

1. stocarea cunoștințelor specifice domeniului;
2. comportament de rezolvare a problemelor de tip expert și novice;
3. structura ierarhică a magazinului de cunoștințe al unui expert;
4. concepții greșite;
5. efectele întrebărilor fără obiective și direcționate către obiective; și
6. procesul de meta-comunicare.

în acest atelier- – – și în abordarea noastră a fizicii în general – – – există 3 teme de bază:

1. anumite tipuri de cunoștințe și structuri de cunoștințe sunt necesare pentru rezolvarea eficientă a problemelor. O mare parte din aceste cunoștințe sunt de natură conceptuală, spre deosebire de operaționale sau procedurale, iar structurile puternice de cunoaștere implică în mod necesar elemente conceptuale. Prezența elementelor conceptuale în structurile cunoașterii este cheia pentru a avea o „înțelegere mai profundă” a fizicii.
2. sunt necesare anumite tipuri de procese cognitive pentru dobândirea cunoștințelor conceptuale și construirea unor structuri de cunoștințe utile.
3. este posibil să se proiecteze activități care promovează aceste procese cognitive dorite. În multe cazuri, aceste activități sunt pur și simplu actualizări ale proceselor cognitive în sine. (Acest punct va deveni, sperăm, mai clar mai târziu.)

vom elabora fiecare dintre aceste teme înainte de a ne concentra pe exemple specifice.

tema 1: Ce trebuie să știe elevii și cum ar trebui structurat ceea ce știu pentru rezolvarea eficientă a problemelor?

începem prin identificarea unora dintre diferitele tipuri de cunoștințe pe care elevii trebuie să le cunoască:

• cunoștințe conceptuale, cum ar fi conceptul de impuls sau energie, sau că viteza unui obiect se schimbă atunci când accelerează sau că energia potențială gravitațională a unui obiect scade pe măsură ce cade.
• cunoștințe factuale, cum ar fi valoarea constantei gravitaționale g, raza lunii sau densitatea fierului.
• cunoștințe de reprezentare, cum ar fi modul de a desena și de a folosi grafice.
• cunoașterea strategică, cum ar fi capacitatea de a recunoaște aplicabilitatea unui concept, cum ar fi impulsul este conservat atunci când nu există forțe externe sau că energia este conservată atunci când nu există forțe neconservatoare.
• cunoștințe Meta-cognitive, de exemplu, conștientizarea ipotezelor subiacente sau că un răspuns ar trebui verificat rezolvând problema într-un mod diferit.
• cunoașterea de sine, cum ar fi cunoașterea surselor probabile de greșeli sau cunoașterea faptului că cineva ar trebui să fie mai procedural atunci când rezolvă probleme.
• cunoștințe operaționale, cum ar fi cum să luați produsul încrucișat sau produsul punct al a doi vectori sau cum să luați determinantul unei matrice sau cum să desenați o diagramă a corpului liber.
• cunoștințe procedurale, cum ar fi când se utilizează conservarea energiei (adică., când toate forțele sunt conservatoare) sau când să specificați un sistem de coordonate (de exemplu, atunci când găsiți energie potențială) sau când să desenați o diagramă a corpului liber (de exemplu, atunci când aplicați legile lui Newton).
• problema-cunoașterea stării, care sunt caracteristicile unei probleme utilizate pentru a decide cum să o rezolve. Exemple sunt: știind că nu există forțe externe într-o anumită problemă sau că nu există forțe neconservatoare în problemă sau că un obiect este în repaus inițial sau că obiectul este înclinat.

aceste tipuri de cunoștințe trebuie să fie organizate și structurate pentru o utilizare eficientă în rezolvarea problemelor. Pentru a discuta aspectele organizaționale și structurale ale cunoașterii, am considerat că este convenabil să clasificăm pe larg aceste tipuri în trei categorii generale. Numim aceste trei grupuri: cunoștințe conceptuale, cunoștințe operaționale și procedurale și cunoștințe despre starea problemei. În Fig. 1, aceste trei categorii generale sunt prezentate într-o reprezentare a modului în care experții stochează cunoștințele de conținut.

Fig. 1: O reprezentare a structurii de cunoștințe a unui expert

expertul are o bogată grupare de concepte, în care fiecare concept este legat de multe alte concepte, iar relațiile dintre concepte sunt clar înțelese. Conceptele sunt aranjate ierarhic folosind concepte umbrelă pentru a le relaționa mai strâns. De fapt, conceptele umbrelă sunt folosite pentru a grupa elemente în cadrul fiecăreia dintre cele trei categorii. Expertul are un magazin mare de cunoștințe despre starea problemei, inclusiv multe informații despre principiile care se aplică situațiilor particulare. Expertul are, de asemenea, un magazin mare de ecuații, operații și proceduri (EOPs) care pot fi accesate rapid.

legăturile dintre fiecare pereche de categorii sunt foarte puternice: stările problematice sunt strâns legate de concepte și de Pao, care sunt ele însele strâns legate între ele. Aceleași concepte umbrelă sunt folosite pentru a grupa concepte, stări problematice și EOP. Prin urmare, pentru orice problemă particulară, conceptele pot fi utilizate pentru a decide adecvarea și aplicabilitatea ecuațiilor și utilitatea operațiunilor și procedurilor specifice.

(trebuie să fii foarte atent aici să nu fii prea rigid în gândirea cuiva, pentru că este ușor să nu fii de acord cu privire la care dintre aceste categorii ar trebui folosite pentru a clasifica un anumit element al cunoașterii sau dacă aparține unei singure categorii. Scopul nostru este pur și simplu să avem un mecanism pentru vizualizarea mai multor niveluri de asociere care pot apărea între elemente.)

tindem să folosim termenul de legătură pentru a însemna o asociere formată între două elemente ale aceluiași tip de cunoștințe sau diferite, iar termenul de grupare pentru a se referi la asocieri între mai multe elemente sau clustere. Ceea ce face acest tip de discuție foarte dificilă este că există un fel de proces iterativ întâmplă aici: O legătură foarte puternică între trei itemi-un cluster conceptual, recunoașterea circumstanțelor care fac conceptul aplicabil și procedurile necesare aplicării conceptului—formează un nou tip de element de cunoaștere pe care îl punem în cunoașterea strategică (o a patra categorie). Acest nou element de cunoaștere este ceea ce unii se referă la o schemă și adesea implică și cunoștințe despre starea problemei. Deoarece elementul de cunoaștere este de natură conceptuală, acesta devine reprodus (adică repetat) în bula conceptuală.

dacă aruncăm o privire mai atentă asupra bulei conceptuale, vedem câteva dintre tipurile specifice de cunoștințe conceptuale, de exemplu, cunoștințe de reprezentare, cunoștințe strategice, cunoștințe Meta-Cognitive și cunoștințe de concepte de bază. Aceasta este reprezentată în Fig. 2. (Alte tipuri de cunoștințe conceptuale nu sunt prezentate.)

Fig. 2: tipuri de cunoștințe conceptuale

cum diferă structura cunoștințelor unui novice de cea a unui expert? Așa cum este reprezentat în Fig. 3, novicii au, în general, o grupare slabă de concepte. Multe link-uri sunt inadecvate; altele sunt inexistente. Unele dintre legăturile necorespunzătoare sunt extrem de puternice, ceea ce duce la concepții greșite. În general, începătorii nu folosesc concepte umbrelă pentru a grupa elemente. Ei au un mic magazin de situații problematice, în care caracteristicile suprafeței sunt folosite pentru a le grupa împreună și pentru a decide cum ar trebui rezolvate problemele. Ei sunt familiarizați cu un număr relativ mare de ecuații, dar de multe ori le amintesc incorect sau trebuie să le caute pentru a le folosi. Au fost învățați operații și proceduri, dar nu sunt încă competenți la ele. Prin urmare, nu se poate spune că îi „cunosc”.

Fig. 3: o reprezentare a structurii de cunoștințe a începătorului

legăturile dintre concepte și Pae sunt slabe sau inexistente. Legăturile dintre concepte și situații problematice sunt, de asemenea, slabe. Astfel, un novice nu poate analiza o problemă și nu poate decide adecvarea anumitor ecuații. Legăturile dintre situațiile problematice și Pae sunt relativ puternice, dar legăturile se bazează în primul rând pe cantitățile pe care ecuațiile le au în comun cu necunoscutele date și explicite ale problemei.

tema 2: În ce fel de procese cognitive trebuie să se angajeze elevii pentru a dezvolta structuri de cunoștințe adecvate?

pentru a răspunde la această întrebare, trebuie să înțelegem mai întâi modul în care experții și începătorii rezolvă problemele în mod diferit.

începătorii nu reușesc în general atunci când încearcă să rezolve probleme tipice din fizică. Folosind modelul pentru a reprezenta procesul, cum rezolvă un novice tipic o problemă? Deoarece cele mai puternice legături din structura cunoașterii novice sunt între situații problematice și ecuații, citirea unei probleme sugerează imediat ecuații care implică cantitățile (cunoscute și necunoscute) date în mod explicit în problemă. Fără a determina aplicabilitatea acestor ecuații și fără a încerca să se gândească la alte ecuații care ar putea implica aceleași cantități, începătorul începe de obicei să manipuleze cele mai familiare ecuații până când necunoscutul poate fi rezolvat. Cea mai recentă ecuație acoperită în clasă este cea mai ușor accesibilă și cea mai rapid amintită. Astfel, începătorul caută și (dacă „reușește”) găsește o singură modalitate de a rezolva o problemă și de obicei se oprește, fără a investiga alte posibilități și fără a analiza situația problemei. Ecuațiile găsite în acest fel sunt adesea inadecvate, deoarece începătorii nu folosesc adesea concepte pentru a-și justifica aplicarea. Chiar dacă elevii sunt determinați să invoce concepte prin analizarea problemelor în prealabil, legăturile lor cu BESV sunt, în general, prea slabe pentru a fi utile pentru rezolvarea problemelor. De asemenea, legăturile dintre concepte și situațiile problematice sunt unidirecționale, astfel încât analogiile nu sunt deosebit de utile: Începătorii nu pot folosi analogii pentru a rezolva probleme, deoarece nu pot identifica care dintre problemele pe care le-au rezolvat deja sunt similare conceptual cu cea pe care încearcă să o rezolve în prezent. În schimb, începătorii folosesc caracteristicile suprafeței pentru a stabili „similitudinea” și încearcă să rezolve noi probleme pe baza asemănării lor cu caracteristicile suprafeței problemelor pe care le-au rezolvat deja.

deoarece experții clasifică problemele și PAE în conformitate cu aceleași concepte umbrelă, ei pot merge adesea direct de la situații problematice la ecuații, operații și/sau proceduri adecvate. Deoarece legăturile dintre diferite categorii sunt puternice, problemele dificile(cele pentru care nu există încă o legătură directă între stările problematice și Pae) pot fi rezolvate prin invocarea conștientă a conceptelor, conectând astfel indirect stările problematice la PAE corespunzătoare. Deoarece legăturile dintre concepte și situațiile problematice sunt bidirecționale, analogiile sunt un instrument extrem de util de rezolvare a problemelor pentru experți. În cele din urmă, experții au de obicei mai multe abordări pentru rezolvarea oricărei probleme particulare.

iată un rezumat al diferențelor majore dintre experți și începători:

1. începătorii au o grupare slabă de concepte, ceea ce duce adesea la concepții greșite. Experții au o bogată grupare de concepte, situații problematice, ecuații, proceduri și operații, ceea ce duce la îmbunătățirea capacității de rezolvare a problemelor.
2. Novicii au de obicei o singură modalitate de a rezolva o anumită problemă, în timp ce experții pot găsi adesea mai multe căi. Prin urmare, expertul poate încerca să rezolve inconsecvențele atunci când apar și să verifice răspunsurile, în timp ce începătorii nu știu că există inconsecvențe și nu își pot verifica răspunsurile.
3. începătorii folosesc adesea manipularea ecuațiilor și rareori folosesc strategii bazate pe concepte pentru a obține un răspuns. Expertul folosește concepte și analogii pentru a sugera mai multe metode de soluție și planifică o strategie pentru găsirea răspunsului corect.
4. începătorii nu reușesc adesea să obțină răspunsul corect, iar atunci când primesc răspunsul corect, acesta poate fi cu ușurință dintr-un motiv greșit. Când începătorul primește răspunsul corect dintr-un motiv greșit, concepțiile greșite sunt întărite și devin și mai greu de depășit. Un expert primește de obicei răspunsul corect și poate explica de ce răspunsul este corect.

există o varietate de procese cognitive benefice pentru a ajuta începătorii să dezvolte o abordare de rezolvare a problemelor bazată pe concept, pe care o împărțim în trei categorii: procese de analiză, procese de raționament și procese Meta-Cognitive.

procese de analiză

• analiza problemelor, cum ar fi construirea unei reprezentări a problemelor.
• analiza conceptuală, cum ar fi utilizarea conceptelor pentru a determina comportamentul calitativ al obiectelor fizice sau pentru a forma o strategie.
• Analiza strategică, cum ar fi identificarea și justificarea principiilor fizicii relevante pentru o situație problematică.
• analiza reprezentativă, cum ar fi explorarea diferitelor reprezentări ale unei probleme.
• analiză constructivă complexă, cum ar fi descompunerea unei situații complexe în altele mai simple.

procese de raționament

• compararea și contrastarea, cum ar fi identificarea modului în care elementele, situațiile sau condițiile sunt similare și/sau diferite.
• interpretarea, de exemplu, folosind forma unui grafic de poziție vs. timp pentru a estima accelerația obiectului.
• cazuri speciale și limitative, adică explorarea condițiilor extreme și / sau cunoscute.
• prototip și contra-exemple, de exemplu, generând categorii arhetipale.
• generalizare, adică recunoașterea trăsăturilor importante ale unei circumstanțe sau situații.

procese Meta-cognitive

• reflecție, adică revizuire auto-dirijată a scopului, obiectivelor, efectelor experienței etc.
• Meta-comunicare, care este participarea conștientă la stabilirea și rafinarea liniilor de comunicare cu profesorul și alți elevi și la stabilirea obiectivelor învățării.
• autoevaluare, cum ar fi evaluarea performanței cuiva sau identificarea motivelor pentru care au fost întâmpinate dificultăți în rezolvarea unei probleme.

aceste și alte procese sunt încurajate de materialele noastre de curriculum. Tipurile specifice de activități pentru a face acest lucru sunt prezentate în secțiunea următoare.

Tema 3: Ce tipuri de activități sau experiențe de învățare promovează aceste procese cognitive benefice?

următoarele activități pot fi utilizate de către profesori pentru a stimula procesele cognitive necesare pentru a dezvolta o înțelegere conceptuală a fizicii:

1. utilizați mai multe reprezentări. O reprezentare poate fi lingvistică, abstractă, simbolică, picturală sau concretă. Folosind mai multe reprezentări diferite pentru aceleași cunoștințe, și având elevii traduce între reprezentări, ajută elevul să inter-relaționeze tipuri de cunoștințe și se referă cunoștințele la experiența fizică. Încurajează formarea de legături între elementele cunoașterii și promovează o bogată grupare de cunoștințe.
2. Faceți referințe înainte și înapoi. Conceptele necesită mult timp pentru a fi formate. Astfel, nu puteți aștepta ca elevii să învețe complet un subiect înainte de a trece la următorul. Făcând referințe înainte, pregătiți elevul pentru materiale noi. Făcând referințe înapoi, asociați Materialul nou cu materialul stabilit (sau parțial stabilit), făcând astfel cunoașterea întrețesută și interconectată, mai degrabă decât liniară.
3. explorați contexte extinse. Conceptele pot fi extrem de dependente de context și nu devin utile la nivel global până când nu sunt abstractizate. Investigarea unui context larg de aplicabilitate ajută elevul să rafineze și concepte abstracte. De asemenea, evită generalizările incorecte sau simplificate.
4. comparați și contrastați. Esențial pentru procesul de structurare (sau re-structurare) a cunoștințelor este clasificarea și inter-relația elementelor de cunoaștere. Comparațiile și contrastele sensibilizează elevii la categorii și relații și îi ajută pe elevi să perceapă punctele comune și distincțiile necesare pentru a-și organiza magazinul de cunoștințe.
5. clasificați și clasificați. În paralel cu comparațiile și contrastele, elevii trebuie să fie conștienți de categorii și sisteme de clasificare. Elevii trebuie, de asemenea, să practice crearea și recunoașterea sistemelor de clasificare. Solicitând elevilor să clasifice articole, să aleagă nume pentru categoriile lor și să explice sistemul lor, îi putem ajuta pe elevi să își reorganizeze magazinul de cunoștințe.
6. prezice & spectacol (inadecvarea modelului vechi). Demonstrațiile și experimentele atent selectate pot fi folosite pentru a scoate în evidență inconsecvențele modelelor studențești. Elevilor ar trebui să li se arate un set-up sau un aparat experimental și ar trebui să li se ceară să prezică ce se va întâmpla atunci când se va face ceva. Este important ca elevii să facă predicții în prealabil, făcându-i astfel conștienți de propriul model. Elevii vor lua în considerare concepțiile alternative numai dacă propriile lor eșuează. Solicitarea elevilor de a-și folosi modelele și de a le arăta cum modelele lor sunt inconsistente sau inadecvate îi va pregăti să creeze modele mai bune (deși încă proprii).

7. explicați (rezumați, descrieți, discutați, definiți etc.). Problemele Standard rareori îi spun profesorului ceea ce elevii nu înțeleg. Chiar și atunci când elevii au o problemă corectă, poate exista în continuare confuzie cu privire la aplicabilitatea ecuațiilor utilizate. Solicitarea elevilor de a explica modul în care vor rezolva o problemă expune neînțelegeri și concepții greșite și îi ajută pe elevi să-și reorganizeze magazinul de cunoștințe. În plus, studenții rareori văd în demonstrații și experimente standard ceea ce văd experții. Elevii ar trebui să explice și să discute ceea ce cred că au văzut (în timpul prezicerii & arată, de exemplu), astfel încât profesorul să poată interacționa cu modelele elevilor. Mai mult, procesul de explicare (sau rezumare, descriere, discuție etc.) îi ajută pe elevi să devină conștienți de propriile modele, precum și de modelele altor studenți.

8. generați mai multe soluții. Rezolvarea eficientă a problemelor nu poate avea loc decât dacă elevii aleg dintr-un set de căi de soluție valide. Prin rezolvarea problemelor în mai multe moduri, elevii învață să acorde prioritate elementelor cunoștințelor lor strategice.

9. planificați, justificați și strategizați. Foarte puține relații în fizică sunt întotdeauna valabile. Pentru a evita manipularea ecuațiilor, elevii ar trebui să fie rugați să planifice (și apoi să explice) modul în care vor rezolva problemele. Elevii trebuie să învețe cum să determine ce concepte sunt relevante (și care sunt irelevante) pentru o anumită situație problematică și cum să implementeze conceptele relevante pentru a rezolva această problemă. Faptul că elevii își generează propriile strategii îi ajută să învețe cum sunt folosite conceptele pentru rezolvarea problemelor.
10. reflectă (evaluează, integrează, extinde, generalizează etc.) După finalizarea majorității activităților, elevii beneficiază de privirea înapoi la ceea ce au făcut. Ce tipare au perceput? Ce reguli generale pot fi construite? Alte tipuri de activități oferă studenților piesele necesare pentru a crea o imagine coerentă a fizicii, dar un fel de activitate reflectorizantă este de obicei necesară pentru a „pune piesele împreună”.
11. Meta-comunica despre procesul de învățare. Pentru a învăța fizica (sau orice alt subiect complex), elevii trebuie să devină auto-investiți. Ele trebuie să fie expuse modelelor altor persoane (profesori și studenți). Ei trebuie avertizați că precizia în comunicare este esențială; ei trebuie informați despre capcanele comune și interpretările greșite; și trebuie să li se spună că ar trebui să-și re-structureze cunoștințele. Elevii trebuie să învețe cum învață cel mai bine.