Трансфер по аналогии

1.1 Определение и основные характеристики трансфера (переноса). Общая характеристика трансфера

Этапы трансфера

Решение любой задачи начинается с построения ее внутреннего (мысленного) представления или, другими словами, создания ментальной модели задачи. Для того, чтобы построить модель и решить задачу, необходимо пять типов знания. Эти типы включают: (1) лингвистическое знание, или понимание написанного; (2) семантическое знание - общее знание о различных фактах и закономерностях; (3) знание схемы решения; (4) стратегическое знание, или знание о том, как планировать и контролировать процесс решения задачи и (5) процедурное знание, или знание того, как выполнить последовательность шагов решения (Mayer, 1992; Reusser, 1996). Эти знания детерминируют процесс создания ментальной модели задачи.

В идеале, ментальная модель отражает структуру задачи - взаимосвязь ключевых элементов. Доказано, что без такой модели задача не может быть решена. В реальной ситуации часто случается иначе - не все модели представляют структуру задачи и позволяют осуществить решение и дальнейший перенос.

Перенос состоит из нескольких этапов: А) извлечения из памяти аналогичной структуры (retrieving); B) сопоставление репрезентаций известной и новой задачи (mapping); C) оценка адекватности решения новой задачи (evaluation) (Gentner, Smith, 2012). Успешность переноса зависит преимущественно от первых двух этапов, трудность течения которых определяется расхождением внешних особенностей задач, разницей в их контекстах, и от того, как задачи кодируются ментально.

Первый этап, извлечение из памяти, происходит, когда человек, встречаясь с новой задачей, должен как-то получить доступ к потенциальной аналогии, т.е. извлечь из памяти возможно известную аналогичную задачу. Основную роль при воспоминании играет внешнее подобие задач. Отсутствие внешнего сходства между двумя задачами, даже при условии того, что изученная ранее задача хранится в долговременной памяти, может привести к тому, что доступ к этой задаче и ее решению будет затруднен. Этот феномен был назван «инертным знанием», так как знание, которое имеется у человека, перестает быть доступным в тот момент, когда это необходимо (Gentner, 2009). «Инертность знания» объясняется тем, что люди ментально кодируют свой опыт контекстно-специфическим способом (Gentner, 1983), поэтому и нужное воспоминание активизируется внешне сходными особенностями задач: деталями контекста или объектами, вовлеченными в задачу.

На втором этапе трансфера происходит сопоставление отношений между элементами в одной задаче и во второй задаче (Christie, Gentner, 2010; Reed, 1987). Это сопоставление позволяет сделать вывод о сходстве и / или различии структур двух задач. В случае, если модель задачи источника совпадает с моделью целевой задачи, то способ решения, используемый в исходной задаче, может быть применен к новой.

Как возможно понять, насколько построенная модель отражает структуру задачи и может быть перенесена на решение другой задачи? Одним из самых доступных способов исследования моделей, которые мысленно строит человек в процессе изучения содержания задачи, может стать изучение внешних отображений этих моделей.

Визуальные репрезентации на этапах трансфера

Отображением ментальной модели во вне могут выступать визуальные репрезентации (Zahner, Corter, 2010). Одни и те же условия задачи могут быть визуально репрезентированы человеком по-разному. Особенности кодирования информации, представленной в задаче, зависят от того, как человек способен работать с разноуровневой информацией - уделять внимание деталям, или «схватывать» структуру.

Особенности кодирования являются основанием для отнесения созданной визуальной репрезентации к определенному типу. По тому, как закодированы условия, можно понимать, какая ментальная модель построена человеком. Изучение особенностей кодирования важно, так как оно напрямую связано с мерой обобщения. Чем более конкретное представление создает человек, тем меньше вероятность переноса и наоборот.

На разных этапах трансфера визуальное отображение модели задачи выполняет различные функции. На первом этапе от правильности созданной репрезентации зависит извлечение из памяти аналогичной задачи. Т.е., чем более абстрактно закодирована информация, тем удобнее для человека вспомнить структуру исходной задачи, нежели припоминать отдельные поверхностные, внешние детали описания.

На втором этапе визуальная репрезентация может выступать в качестве карты, позволяющей осуществить сопоставление структур двух задач. Визуальная репрезентация организует понимание исходной задачи и задает вероятность переноса решения. Таким образом, изучая внешние визуальные репрезентации, возможно более точно оценить ментальную модель задачи и определить вероятность переноса этой модели для решения структурно подобной задачи.

2. Типы визуальных репрезентаций и их роль в решении трансферных задач

2.1 Назначение и использование визуальных репрезентаций в трансфере по аналогии

Типы репрезентаций

Любое внешнее структурированное отображение условий задачи, может быть названо визуальной репрезентацией (Zahner, Corter, 2010). Различные репрезентации отражают различные способы понимания и решения задачи (Greeno, 1977; 1993; Larkin, Simon, 1987; Lewis, Mayer, 1987; Wertheimer, 1982).

В современной литературе приводятся разные классификации визуальных репрезентаций. В когнитивной психологии и исследованиях сферы образования принято классифицировать их по (а) внутренним мыслительным процессам, которые задействованы в процессе понимания задачи (перцепция, воображение, кинестетические действия, работа памяти (Poltrock, Agnoli, 1986); (б) внешним характеристикам самих созданных репрезентаций.

По внешним характеристикам визуальных репрезентаций можно определить насколько хорошо человек понимает структуру задачи. Например, точная визуально-схематическая репрезентация отражает правильные отношения между элементами проблемы, важными для решения. Неточная визуально-схематическая репрезентация отражает неполную систему отношений между элементами в проблеме: одно или более отношение отсутствует или неправильно определенно. Иллюстрация - образное изображение объектов и / или людей, упомянутых в проблеме (Boonen, et.al, 2014; Hegarty, Kozhevnikov, 1999). Показано также, что пространственная схематическая репрезентация задачи способствует лучшему пониманию подлежащей структуры задачи (Logie, 1995; Poltrock, Agnoli, 1986).

Итак, чем более конкретную репрезентацию структуры задачи создает человек, тем меньше вероятность перенести способ решения на новую задачу. Более обобщённая или абстрактная модель может быть перенесена и использована для решения других, аналогичных по структуре задач. Абстрактность или конкретность кодирования условий задачи в виде репрезентации может быть связана с тем, насколько сложна или проста задача.

Визуальные репрезентации для сложных и простых задач

На сегодняшний день известно, что создание визуальных репрезентаций оказывается полезным только для работы со сложными для человека задачами (Chen, Мo, 2004; Didierjean, Nogry, 2004; Gick, McGarry, 1992). Для простых задач создание репрезентации может увеличить только когнитивную нагрузку, но не улучшить решение. Это объясняется тем, что решение сложной задачи требует большего комплекса действий, и в этом случае, репрезентация становится полезна для снижения нагрузки на оперативную память (Beitzel, Staley, 2015; Zahner, Corter, 2010).

Сложная задача может содержать в себе несколько смысловых аспектов, поэтому создание качественной репрезентации потребует от человека большего внимания и сосредоточения для отображения только ключевых элементов и взаимосвязей. Концентрация внимания человека на не ключевом аспекте задаче, может привести к отсутствию понимания структуры задачи.

Многоаспектность задачи может выступать фактором снижения переноса. В предыдущем исследовании на материале использования классической пары трансферных задач «Генерал» («Army problem») и «Опухоль» («Radiation problem») (Duncker, 1945), мы обнаружили, что задача «Генерал» более комплексная, в ней содержится несколько смысловых аспектов, но только один из них может быть перенесен на аналогичную по структуре задачу. Было показано, что участники выделяли в задачи следующие аспекты: «тактический», «организации деятельности», «конвергентный» (см. рис. 1).

Рисунок 1. Выделенные аспекты в задаче «Генерал» (воспроизведено из Тюменева, Шкляева, 2016b)

Выделенный аспект или то, на что в задаче более всего сконцентрировал свое внимание участник исследования, становилось основанием для последующего переноса. Если участник при изучении задачи-источника обратил внимание на военную хитрость генерала («тактический аспект»), то шанс решения трансферной задачи была очень низким. Принципиально важно, что выведенные принципы были полноценными - они были представлены в виде правил, которые могли быть использованы для последующего применения в иных ситуациях. «Например, «Чтобы попасть в крепость и уничтожить врага, нужно пользоваться правилом - разделяй и властвуй» или «Для победы нужно хитрить»» (Тюменева, Шкляева, 2016b). Критически важным оказалось следующее: аспект учебной задачи, по поводу которого формулировалось правило, отсутствовал в целевой задаче. Другими словами - выведенный принцип невозможно было применить для решения новой задачи из-за отсутствия в этой задаче релевантного аспекта. «Шанс выбрать нерелевантный аспект был высок, и, следовательно, был высок шанс, что доминирующая интерпретация также окажется нерелевантна. Она будет только затруднять доступ к другим потенциально полезным аспектам задачи, и вместе с этим и перенос» (Тюменева, Шкляева, 2016b).

То же может касаться и репрезентации принципов решения. Если принцип окажется нерелевантным целевой задаче, то качество его репрезентирования не будет полезна при решении целевой задачи. Качественная визуальная репрезентация для сложной задачи может оказывать положительный эффект на перенос. В то же самое время, качественная репрезентация для задачи простой, скорее всего, не будет значимо сказываться на дальнейшем трансфере.

С одной стороны, визуальная репрезентация задачи выступает средством повышения эффективности решения, так как использование репрезентации: а) организует информацию о проблеме и облегчает создание ее ментальной модели, т.е. помогает понять проблему; б) уменьшает когнитивную нагрузку при решении проблемы и помогает контролировать прогресс решения, т.е. способствует правильности решения (Corter, Zahner, 2010). С другой стороны, визуальная репрезентация может служить индикатором трансфера, так как позволяет оценить понимание структуры задачи. Принципиальным моментом остается качество (полнота и точность отображения структуры задачи).

Мы не обнаружили экспериментальных исследований, в которых бы изучался эффект качества создаваемых визуальных репрезентаций на трансфер. Мы считаем, что именно качество внешней репрезентации может выступать значимым предиктором переноса.

Участники

Участие в исследовании принимали учащиеся старших классов общеобразовательных школ г. Москва и студенты первых курсов вузов. Всего в эксперименте участвовало 156 человек, N=156.

Материал

Одной группе участников задача «Генерал» предлагалась в виде задачи-источника:

«Небольшой страной из крепости управлял диктатор. Крепость располагалась в центре страны и была окружена фермами и деревнями. Через сельскую местность к крепости вело множество дорог. Мятежный генерал решил захватить крепость. Он знал, что сил всей его армии хватит для штурма. В начале одной из множества дорог, ведущих к крепости, генерал поставил всю свою армию. Солдаты уже были готовы перейти в полномасштабное прямое наступление, когда генерал узнал, что диктатор заминировал все дороги. Мины были установлены так, что только маленькие группы людей могли пройти по дороге безопасно. Это было сделано потому, что диктатору самому было важно, чтобы его собственные войска и рабочие могли передвигаться в направлениях из крепости в крепость. Если бы вся армия генерала пошла по одной дороге, то мины бы взорвались. Взрыв мог уничтожить не только дорогу, но и соседние деревни. При таком раскладе казалось, что захватить крепость невозможно. Но генерал разработал простой план. Он разделил свою армию на маленькие группы и поставил их в начале каждой дороги. Когда все было готово, он дал сигнал, и каждая группа пошла вперед по направлению к крепости. Группы продолжали идти, и в итоге, вся армия собралась у крепости в одно и то же время для штурма. Таким образом, генерал захватил крепость и сверг диктатора»

Для этой же группы участников задача «Опухоль» выступала как целевая задача.

«Представьте, что Вы - доктор и к Вам попал пациент, имеющий злокачественную опухоль в желудке. С одной стороны, оперировать пациента невозможно, а с другой, если опухоль не будет разрушена, пациент умрет. В медицине существует вид лучей, который может быть использован для уничтожения опухоли. Для этого лучи должны достигнуть опухоли одновременно с достаточно высокой интенсивностью. К сожалению, высокая интенсивность разрушает и здоровую ткань, которую проходят лучи по пути к опухоли. При низкой интенсивности лучи безвредны для здоровой ткани, но не могут разрушить опухоли. Как, используя лучи, можно уничтожить опухоль и избежать разрушения здоровой ткани?»

Составляя структуру, элементы в каждой задаче соотносятся между собой таким образом: лучи > войска; опухоль > крепость; повреждение тканей > заминированные дороги; мощность облучения > военная мощь (Gentner, Smith, 2012) (см. рис. 2).

Обе задачи аналогичны с точки зрения их структуры, и поэтому допускают общий способ их решения.

«Необходимо разделить одну большую силу на несколько более мелких сил, и направить их к цели с разных сторон. Мелкие силы должны одновременно достигнуть цели и объединиться для ее поражения» (см. рис. 3).

Для второй группы участников задача-источник «Опухоль» содержала описание решения:

«Доктор придумал простой план. Он заключался в том, чтобы использовать несколько лучей низкой интенсивности, направляя их с разных сторон в одно и то же время по направлению к опухоли. В этом случае лучи пройдут сквозь здоровые ткани, не повреждая их, и достигнут своей разрушительной силы, только встретившись в области опухоли. Таким образом, опухоль будет уничтожена и пациент спасен».

В задаче «Генерал», напротив, описание решения заменялось вопросом: Какой план разработал генерал, чтобы захватить крепость?

Процедура

Эксперимент проводился в разные дни. Примерно, в один день в нем могли принять участие до 50 человек. Участники рандомно назначались на 2 группы, которым предъявлялись задачи в разной последовательности: группа «Г - О» («Генерал - Опухоль») и группа «О - Г» («Опухоль - Генерал»).

После изучения источниковой задачи всех участников просили изложить письменно ее содержание. Цель этой дополнительной инструкции была только в том, чтобы заставить всех участников обратить внимание на прочитанную историю и перечитать ее, если возникнет необходимость.

Затем мы просили участников подумать и сформулировать принцип, которым воспользовался генерал / доктор, чтобы доставить большую армию к крепости по заминированным дорогам и уничтожить диктатора / чтобы разрушить опухоль. После участникам было необходимо изложить этот принцип как общее правило и проиллюстрировать его с помощью схемы. На всю работу с буклетом в первой части было отведено 15 минут (макет буклетов участников см. в приложении 1 и 2). Далее участники получали целевую задачу и инструкцию, в которой требовалось внимательно прочитать задачу и решить ее максимально возможным числом способов. На эту часть работы было выделено 10 минут (см. табл. 1).

Таблица 1. Дизайн эксперимента

Кодирование качества репрезентации

Роль ментального кодирования состояла в том, чтобы способ решения источниковой задачи был закодирован на абстрактном уровне, как принцип конвергенции сил (см. для примера рис. 3). Это давало возможность выстроить структурную аналогию с целевой задачей. Однако, если источниковая задача ментально была закодирована на уровне поверхностных деталей (опухоль, гамма-лучи, и пр.), то аналогия с принципом решения была недоступна при решении целевой задачи.

Мы определяли репрезентацию как «Качественная», если она полностью отражала принцип решения задачи. Если в репрезентации не было ничего, что бы соответствовало разделению силы и / или ее соединению, то мы определяли ее как «Некачественная».

Результат и интерпретация

Визуальные репрезентации - средство, которое позволяет отразить понимание человеком проблемы или задачи. Глубокое понимание выражается в качестве созданной репрезентации. Качественная репрезентация представляет собой более абстрактное отображение, которое может выступать основанием для последующего использования в иных ситуациях. Для обеспечения глубокого понимания должен быть особым образом организован процесс обучения.

Активная позиция в процессе обучения

Во многих исследованиях показана высокая эффективность использования самостоятельной активности учеников для глубокого понимания нового материала и переноса. Известно, что от позиции педагога и ученика в процессе обучения, будет зависеть то, насколько успешно ученики будут применять полученные знания в новых ситуациях (Engle et al., 2012; Serafino, Cicchelli, 2003).

В педагогических исследованиях в рамках конструктивистского подхода к обучению показано, например, что поощрение активной деятельности учащихся повышает результаты обучения. Другими словами, использование учеником приемов самостоятельного определения условий применения изученного, корректировки собственных ошибок, самообъяснения и пр. положительно влияют на перенос. Кроме того важны установки на активное обучение (Bereby-Meyer et. al., 2004).

В экспериментальных психологических исследованиях также обосновывается важность самостоятельной активности учеников. Например, Браун и коллеги (Brown et.al, 1986) в исследовании дошкольников продемонстрировали превосходство активной позиции по изучению структуры нового материала в сравнении с пассивной ролью ученика. В работе сравнивалось понимание историй между группой детей, которых побуждали к активному самостоятельному анализу историй, и детьми, не демонстрировавшими активности. Оказалось, что первая группа дошкольников, смогла с большим успехом осуществить перенос.

Однако самостоятельная активность ученика невозможна без грамотного сопровождения педагога. «Самостоятельное решение комплексных проблем, если оно не направляется пониманием целей обучения, видением возможной области применения, будущих задач, не дает никакого преимущества по сравнению с обычным ознакомлением с проблемой» (Тюменева, Шкляева, 2016a). Одним из важнейших моментов в организации процесса обучения с активной позицией ученика является подбор материала, с которым самостоятельно должен работать ученик. Кроме того, самостоятельно изучение предполагает овладение различными средствами и инструментами, которые позволят глубоко понимать новый материал.

Понимание структуры задачи

Известно, что для того, чтобы осуществить перенос, необходимо глубоко изучить структуру задачи. Это позволит выстроить аналогии с новыми задачами. Доказано, что предварительный анализ внутренних отношений элементов в учебной задаче, способствует интерпретации следующих задач в отношении изученного материала (Bliznashki, Kokinov, 2010). Кроме того, известно, что ориентация на поиск структурных аналогий между различными примерами может быть сформирована у маленьких детей (Brown, Kane, 1988).

Однако поиск структурных аналогий невозможен без кодирования информации на абстрактном уровне. Высокий уровень обобщения позволяет удержать во внимание только ключевые элементы, а не поверхностные детали. Поэтому прежде чем ученика самостоятельно будет способен выделять структуру задачи, ему необходимо научиться особенностям обобщения и кодирования информации.

Роль конкретных примеров в обучении

Ментальное кодирование задачи должно происходить на абстрактном уровне. В случае, когда материал кодируется с использованием большого количества несущественных, конкретных деталей, вероятность трансфера снижается.

В то же самое время, известно, что необходимым условием для трансфера является вспоминание об аналогичной задаче. Это условие выполняется, прежде всего, за счет внешнего сходства изученной и новой задачи. Внешнее сходство обеспечивается конкретными деталями учебной задачи. Однако, тем временем, изучено, что структура задачи может быть лучше понята из примеров.

До сих пор в научном сообществе обсуждается вопрос - должен ли учебный материал быть абстрактным или он должен быть связан с возможными контекстами его потенциального применения? (Reeves, Weisberg, 1993). С одной стороны, показано, что способ решения переносится легче с абстрактного на конкретный уровень, чем наоборот. Учащиеся, кто изучает тему арифметической прогрессии (алгебра, абстрактный уровень), с большой вероятностью опознают физические задачи на скорость при равноускоренном движении, как аналогичные алгебраическим по принципу решения. Напротив, учащиеся, кто изучал тот же принцип на материале физических задач на ускорение, почти никогда не распознают более абстрактные задачи на прогрессию, и не перенесут на них способ решения физических задач (Bassok, Holyoak, 1989).

Таким образом, необходимы разнообразные учебные примеры. Ученики не должны работать только с конкретным или только с абстрактным материалом.

Обучение на примере конкретных и абстрактных примеров

Эффект на понимание и перенос оказывает не только сам учебный материал, а то, как он используется в обучении. Известно, например, что прямого объяснения принципа решения недостаточно для переноса, недостаточно также и простой иллюстрации принципа решения в виде примера. Доказано, что только примеры, которые ученик сравнивает между собой с целью получить общую схему решения, облегчают дальнейший трансфер (Gentner et al., 1999). В случае, когда учебные примеры предъявляются ученику, но не требуют сравнения между собой, вероятность трансфера минимальна (Gick, Holyoak, 1980; Kurtz et al, 2013).

Эффективность сравнения для понимания и переноса была подтверждена во многих исследованиях. Доказано, что множественное сравнение двух и более учебных примеров позволяет ученику выделить общую структуру для задач. Также сравнение оказывается эффективно при выведении новых понятий (Christie, Gentner, 2010). Стратегия сравнения организует понимание задачи и развивает умение перекодирования текстовой информации в математическую модель (Cummins, 1992). «Структурирование и сопоставления как принципиальные условия трансфера могут служить критериями для оценки учебных заданий. Если учащиеся вовлекаются в сравнение процессов или ситуаций, представленных на разных уровнях обобщения или в разных «языковых» системах (текстовое описание - график - функция), или если они преобразуют одну репрезентацию в другую, удерживая структурное соответствие, то теоретически такая работа будет формировать знания с высоким потенциалом к переносу» (Тюменева, Шкляева, 2016a).

Как подобрать примеры для сравнения? Известно, что при небольших различиях в контекстах учебных задач их структура выделяется учениками быстрее. Однако это не сказывается положительно на переносе. При больших различиях в контекстах задач ученик может испытывать затруднения при выделении общей структуры. Но именно успешное сравнение далеких друг от друга примеров в дальнейшем оказывает значимый позитивный эффект на трансфер (Didierjean, Nogry, 2004; Gick, McGarry, 1992).

Говоря в общем, стоит отметить, что активная позиция ученика будет значимо способствовать глубокому пониманию и переносу лишь в том случае, когда грамотно подобран учебный материал, когда обучение организовано так, чтобы ученик работал с разными примерами задач. В процессе самостоятельной работы ученик должен развивать общие навыки регуляции мышления, осваивать способы кодировании информации и различные стратегии изучения материала. Это будет способствовать глубокому пониманию и переносу.

Метакогнитивные навыки и стратегии изучения материала

Анализ структуры задачи основан на таких навыках, как критическое мышление, рефлексия, контроль, планирование, интроспекции, и пр., или на метакогнитивных навыках. Работ, в которых исследуется связь метакогнитивных навыков и переноса немного, однако, в них есть доказательства того, что общие навыки регуляции мышления улучшают понимание и перенос (Bransford et al., 1999).

Самой популярной стратегией для глубокого понимания структуры нового материала является стратегия самостоятельного объяснения. Самообъяснение (self-explanation) - объяснение и обоснование для самого себя шагов в решении, обсуждении целей, последствий и взаимоотношений между последовательными действиями (Chi et.al., 1989; Lombrozo, 2006; Salomon, Perkins 1989; Bethany Rittle-Johnson, 2006).

Например, Чи и коллеги (Chi et al., 1989) экспериментально продемонстрировали, что стратегия самообъяснения позволяет организовать эффективное понимание ключевых принципов и идей в новом материале. В исследовании Риттл-Джонсон (Bethany Rittle-Johnson, 2006) сравнение пассивной позиции людей при работе с новым материалом против тех, кто пользуется смообъяснением, показало, что самообъяснение существенно улучшает перенос за счет ясного понимания структуры материала. Эффект самообъяснения заключается в том, что самообъяснение дополняет представленную информацию подходящими умозаключениями и помогает осознать, скорректировать несоответствия между построенной ментальной моделью и задачей (Chi, 2000; Renkl et al., 1998; Atkinson et al, 2003).

Для организации на уроке практики самостоятельного объяснения, учитель, например, может спрашивать учащегося том, как бы он объяснил свои идеи и решение другим людям (однокласснику, родителям, друзьям и т.д.) (Salomon, Perkins, 1989; Engle et al. 2011) или по возможности организовывать процесс объяснения между учащимися в реальном времени.