Wykład 3 06 marca 2014

1. Wykład 306 marca 2014 Nabywanie umiejętności

2. Plan wykładu • Uwagi wstępne • Etapy nabywania umiejętności • Etap poznawczy • Etap asocjacyjny • Etap autonomiczny • Rola informacji o wynikach

3. 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...

4. 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

5. Wykres ukazujący wyniki uzyskane przez Singleya i Andersona

6. 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)

7. Przykłady wykresów funkcji uczenia się

8. 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

9. Nabywanie umiejętności przeprowadzania dowodów logicznych

10. 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

11. Wykresy obrazujące nabywanie umiejętności produkowania cygar i czas potrzebny na napisanie książki

12. 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

13. Etapy nabywania umiejętności według Fittsa i Andersona • Etap poznawczy, inaczej deklaratywny – reprezentacje deklaratywne • Etap asocjacyjny, inaczej kompilacyjny – postępująca zmiana reprezentacji deklaratywnej w proceduralną • Etap autonomiczny, proceduralny – umiejętność staje się zautomatyzowana i jest szybko wykonywana, zaangażowanie poznawcze stopniowo eliminowane; umiejętność staje się elementem pamięci utajonej

14. 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”: • Stan • Cel • Operatory • Poszukiwanie

15. 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)

16. 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

17. Problem Wieży z Hanoi

18. Etap poznawczy - podsumowanie • Dla rozwiązania nowego problemu konieczne jest spełnienie dwóch wymagań: • Nabycie odpowiednich operatorów • Zastosowanie odpowiednich operatorów, poprzez eliminowanie różnicy między stanem bieżącym i celem, lub stawianie podcelów względem operatora

19. 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

20. 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...

21. 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

22. 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

23. Nabycie złożonej umiejętności wymaga: • Przyswojenia operatora z danego obszaru (proces dobrze opisywany przez prawidłowości warunkowania i pamięci) • Zorganizowanie operatorów za pomocą zasad rozwiązywania problemów (redukowanie różnicy i stawianie podcelów) • Przekształcenie wiedzy o tym, jak rozwiązywać problemy w reguły produkcji • Wzmacnianie reguł produkcji

24. 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

25. 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

26. 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

27. Dowody na rzecz „otwartej pętli” • 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 • Ruchy są planowane wcześniej: w miarę wzrostu stopnia złożoności ruchu potrzeba więcej czasu na jego rozpoczęcie • Dane z badań nad deaferentacją małp • Wysyłanie programu do efektorów i brak możliwości zatrzymania działania

28. 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

29. Programy motoryczne: ogólne czy specyficzne? • Programy motoryczne mają raczej charakter ogólny, mogą być wykonywane przez różne efektory

30. Nabywanie programów motorycznych

31. 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

32. 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

33. Praktyczne przykłady nabywania umiejętności • Różne umiejętności szkolne • Umiejętności sensoryczno-motoryczne • Umiejętności sportowe • Umiejętności społeczne • Umiejętności samoregulacji uczenia się • Koncepcja uczenia się przedmiotowego Patricii Alexander

34. 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

35. 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

36. 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

37. 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

38. 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

39. 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

40. 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