John Robert Anderson
Uczenie się i pamięć integracja zagadnień
ROZDZIAŁ 1
PODEJŚCIA DO UCZENIA SIC I PAMIĘCI
Uczenie się i adaptacja
Uczenie się jest podstawową formą działalności człowieka w każdych warunkach. Istnienie jakiejkolwiek kultury zależy od zdolności nowych jej członków do uczenia się licznych umiejętności, norm zachowania, faktów, przekonań itd. Ludzie tworzą instytucje edukacyjne i przeznaczają na nie znaczącą część swoich zasobów. Człowiek wykazuje absolutnie wyjątkową plastyczność w zachowaniu - może nauczyć się żyć w świecie epoki kamienia łupanego plemion Nowej Gwinei oraz w świecie nieważkości kosmonauty będącego na orbicie okołoziemskiej. Oczywiście nie ma on monopolu na uczenie się. Prymitywne stworzenia są tak samo zdolne do podstawowych form uczenia się jak niektóre współczesne programy komputerowe. Jednak ludzkiej umiejętności uczenia się nie może dorównać żadna inna istota żyjąca czy też urządzenie wyposażone w sztuczną inteligencję.
Przeżycie gatunku wymaga tego, aby jego przedstawiciele zachowywali się w sposób dobrze przystosowany do otaczającego ich środowiska, co jest możliwe do osiągnięcia drogą ewolucji i poprzez uczenie się. Przystosowanie ewolucyjne to wynik selekcji w danym środowisku tych cech behawioralnych, które są w nim optymalne i mogą być przekazywane z pokolenia na pokolenie jako element wrodzonego wyposażenia genetycznego gatunków. Na przykład ludzie rodzą się z odruchem ssania, który ulega aktywizacji, gdy usta dziecka znajdą się w pobliżu piersi matki. Poprzez uczenie się organizm kształtuje swoje zachowanie tak, by odzwierciedlało to, czego nauczył się o swoim środowisku. Ponieważ adaptacja poprzez wrodzone zachowania pozwala organizmowi na wejście do środowiska z natychmiastową gotowością do działania, jest ona korzystniejsza od adaptacji poprzez uczenie się, zapoczątkowanej niebezpiecznym okresem, w którym to organizm nie wie, jak funkcjonować.
Dlaczego więc jakieś zachowanie miałoby nabyte poprzez uczenie się, a nie określone w sposób wrodzony? Niektóre środowiska nie są stabilne
czy też na tyle przewidywalne, aby zachowania mogły być ukształtowane przez proces ewolucyjny. Gdy środowisko zmienia się, zachowania, które służyły jednemu pokoleniu, nie będą przydatne następnemu. Na przykład pszczoły muszą uczyć się co roku nowych dróg do pokarmu, a człowiek musi co pokolenie przystosowywać się do rewolucji technologicznych. Pojawienie się samochodu wymagało od ludzi nauczenia się wielu zachowań nie przewidywanych w ich historii ewolucji. Zachowania gatunkowe są kształtowane przez uczenie się na tyle, na ile środowisko jest złożone i zmienne. Im bardziej zmienne środowisko, tym bardziej plastyczne musi być zachowanie.
Można uszeregować poszczególne gatunki na kontinuum plastyczności behawioralnej. U niektórych większość zachowań jest określona w sposób wrodzony; inne są zdolne do uczenia się bardzo wielu nowych zachowań. Stworzenie o największej zdolności uczenia się niekoniecznie musi mieć przewagę w zakresie możliwości przeżycia. Weźmy jako przykład kontinuum plastyczności zachowania trzech stworzeń: karalucha, szczura i człowieka. Karaluch jest zdolny do nauczenia się tylko najprostszych rzeczy, takich jak unikanie niebezpiecznego miejsca; szczur może nauczyć się bardzo wielu rzeczy na temat swojego środowiska i z tego powodu jest jednym z ulubionych zwierząt laboratoryjnych w badaniach nad uczeniem się; człowiek jest w porównaniu z nim jeszcze bardziej plastyczny. Pomimo swoich bardzo odmiennych umiejętności uczenia się wszystkie trzy wymienione stworzenia zamieszkują współczesne miasta i żadne z nich nie okazało się zdecydowanie bardziej skuteczne w przeżyciu gatunku. W mieście zajmują one różne nisze; które umożliwiają dużą zmienność rodzaju zachowań. Karaluchy żyją głównie w zamkniętych pomieszczeniach i przeżywają dzięki wykorzystywania' podstawowych odruchów, takich jak unikanie światła i poszukiwanie ciasnych, dobrze osłoniętych miejsc, które dobrze służyły im przez 320 milionów; lat (i które nadal dobrze im służą we współczesnych mieszkaniach). Za-'' chowanie szczurów jest bardziej zróżnicowane. Potrafią one wykorzystać zdobytą wiedzę o swoim środowisku, m.in. o różnych drogach pomiędzy; poszczególnymi lokalizacjami oraz o tym, gdzie można zdobyć pokarm.; Zachowanie człowieka można ocenić jako jeszcze bardziej złożone, szczego nie jeśli uwzględni się ludzką zdolność do wykorzystywania różnych wyda tworów, począwszy od światła, a na środkach owadobójczych kończąc. Właz;: śnie potencjalna złożoność zachowania stwarza potrzebę uczenia się.
Szczególnie ważny wymiar złożoności ludzkiego środowiska wyznaczaj; wytwory samego człowieka. Mieszkańcy miast (i w dużej mierze mieszkańcy wsi) żyją w środowisku, które prawie całkowicie jest ich dziełem i który` zdecydowanie różni się od środowiska sprzed stu lat. Powszechnie uważa się, że właśnie ludzka zdolność do złożonego uczenia się jest odpowiedzialni;, za stosowanie naraę~'i4 ile badania archeologiczne sugerują coś wręcz przeciwnego. To nasi przodkowie, istoty o niewielkim mózgu, zaczęli używa`c narzędzi. Następstwem tego ~ ~ było powiększenie się z czasem powierzchni
mózgu człowieka. Stosowanie narzędzi stworzyło bardziej złożone środowisko, które wymagało większej zdolności do uczenia się. Gdy wzrosła zdolność uczenia się, narzędzia stały się jeszcze bardziej złożone, wywołując efekt kuli śnieżnej: bardziej złożone środowisko wymagało bardziej złożonego uczenia się, które tworzyło coraz bardziej złożone środowisko i tak dalej. W pewnym sensie ów efekt kuli śnieżnej wymknął się spod kontroli we współczesnym społeczeństwie - technologia stworzyła środowisko z licznymi zagrożeniami (m.in. trudne do przewidzenia skutki zachwiania równowagi ekologicznej, niebezpieczeństwo zastosowania broni nuklearnej), z którymi nie nauczyliśmy się radzić sobie i do których nie mieliśmy czasu przystosować się poprzez ewolucję.
Uczenie się jest mechanizmem, dzięki któremu organizmy mogą przystosować się do zmieniającego się i nieprzewidywalnego środowiska.
Podejście behawiorystyczne i poznawcze
Tytuł książki brzmi: Uczenie się i pamięć. Poniższy paragraf zawiera definicje tych dwóch pojęć. Chociaż ich znaczenie jest powiązane, obydwa odnoszą się do odrębnych kierunków badań w psychologii. Uczenie się jest związane z behawiorystycznym nurtem badań psychologicznych, a pamięć z nurtem poznawczym - kognitywizmem.
Behawioryzm jako podejście w psychologii pojawił się w Stanach Zjednoczonych na początku dwudziestego wieku. Behawioryści dążyli do rozwinięcia teorii na temat zachowania organizmu bez odwoływania się do tego, co może zachodzić w umyśle tego organizmu. Utrzymywali, że mówienie o tym, co dzieje się w umyśle niższych organizmów, takich jak szczury, jest nienaukowe i mieli niewiele lepsze mniemanie o badaniu procesów umysłowych u człowieka. Behawioryzm dominował w amerykańskiej psychologii przez pierwszą połowę naszego stulecia. Niektóre podstawowe dla tego nurtu idee będą omówione w dalszych częściach niniejszego rozdziału, prezentujących najważniejszych przedstawicieli behawioryzmu.
Pojęcie uczenia się było centralne dla koncepcji behawiorystycznej. Behawioryści sądzili, że większość zachowania ludzi i zwierząt może być rozumiana jako rezultat podstawowych mechanizmów uczenia się operujących na doświadczeniach dostarczanych przez środowisko. Wiele badań nad uczeniem się prowadzonych przez behawiorystów było wykonywanych ze zwierzętami z następujących powodów:
~ Behawioryzm pojawił się na przełomie dziewiętnastego i dwudziestego wieku, gdy silne zainteresowanie wywoływały nadal nowe poglądy na ewolu
cję. Darwin głosił, że człowiek stanowi kontynuację świata zwierząt; że prawa uczenia się adekwatne dla zwierząt okażą się również odl dla ludzi.
· Zwierzęta mogły dać badaczom możliwość badania uczenia się w tej postaci, nie skażonej kulturą i językiem.
~ Eksperymenty prowadzone na zwierzętach były mniej ograniczone względów etycznych niż badania na ludziach.
Podstawowa zmiana w psychologii rozpoczęła się w latach pięćdziesiątych, a jedną z jej przyczyn było przekonanie, że behawioryści stworzyli z prosty obraz ludzkiego poznania. Kognitywizm wyrażał przekonanie, ważną rolę w kształtowaniu ludzkiego zachowania odgrywają złożone procesy umysłowe, i liczni badacze skierowali na nie swoje zainteresowania. Badania o orientacji poznawczej zaczęły zajmować w psychologii coraz wid miejsca, a badania czysto behawiorystyczne proporcjonalnie coraz mniej. Psychologowie poznawczy badali uczenie się, ale pod przykrywką eksperymentów nad pamięcią prowadzonych wśród ludzi. Typowy eksperym polegał na przykład na tym, że proszono badanych o uczenie się tek podręcznikowego, a następnie sprawdzano, co są w stanie sobie przypomnieć.
Ukształtowały się zatem dwie tradycje badań nad uczeniem się. Trad3 o nastawieniu behawiorystycznym koncentruje się na uczeniu się zwier; tradycja nastawiona poznawczo - na uczeniu się ludzi. Wiele badań ~ uczeniem się człowieka było prowadzonych pod hasłem ludzkiej parni stąd połączenie w tytule mojej książki uczenia się i pamięci. Podział t; dwóch tradycji jest zasadniczo sztuczny i stopniowo zaczyna zanikać. Lic współczesne badania nad uczeniem się zwierząt mają silnie poznawcze stawienie, natomiast w badaniach nad pamięcią człowieka ponownie jawiły się bardziej behawiorystyczne teorie uczenia się.
Niniejsza książka zawiera dane pochodzące z obu tradycji, ale wska2 też na syntezę, która ma miejsce obecnie. W całej pracy podkreśla znaczenie wyników badań dla zrozumienia ludzkiego uczenia się i parni Głównym celem tego rozdziału jest opisanie tradycyjnych podejść do ba nia uczenia się i pamięci, co stanowi podstawę dla pozostałych partii ksią; w których omawiam, co z tych podejść wynikło. Zanim jednak dojdziemy tego, musimy poświęcić trochę uwagi trudnemu zagadnieniu zdefiniowa pojęć uczenie się i pamięć.
Z powodów historycznych badania nad uczeniem sil ulegly podzialowi na ukierunkowane behawiorystycznie poszukiwania nad uczeniem się zwierząt oraz poznawczo zorientowane poszukiwania nad pamięcią cztowieka.
Definicje uczenia się i pamięci
Większość ludzi uważa, że dobrze rozumie, co oznaczają pojęcia uczenie się i pamięć. Jednak próba dokładnego sformułowania ich znaczenia może okazać się frustrująca. Poniżej zamieszczam najpowszechniej przyjmowaną definicję uczenia się:
Uczenie się jest procesem, poprzez który, na skutek doświadczenia, zachodzą względnie trwałe zmiany w potencjale zachowaniowym.
Dokonajmy przeglądu podstawowych elementów tej definicji:
Proces. Uczenie się odnosi się na ogół do procesu zmiany, natomiast pamięć do rezultatu tej zmiany.
Względnie trwale. Określenie, że zmiana jest względnie trwała, ma na celu wykluczenie niektórych przemijających zmian, które uczeniem się nie są. Prosty przykład tego, co teoretycy uczenia się pragną wykluczyć, stanowi zmęczenie. Osoba wykonująca kilkakrotnie jakieś zadanie może się zmęczyć, co spowoduje zmianę w poziomie wykonania.
Zachowaniowy. Aby uczenie się było znaczące, dla psychologów, niezależnie od tego czy są nastawieni behawiorystycznie, czy też nie, muszą pojawić się w zachowaniu jednostki jakieś zewnętrzne wskaźniki uczenia się. Jeżeli ktoś nauczy się czegoś, ale nie wpłynie to na jego zachowanie, gdyż pozostanie ukryte, jak psycholog może przekonać się, że zostało to nauczone? Psychologowie nie mogą "zaglądać" do umysłów swoich badanych - mogą jedynie obserwować zachowanie i wyciągać wnioski na podstawie swoich obserwacji. Potencjal. Nie wszystko to, czego uczymy się, ma wpływ na nasze zachowanie. Ktoś może nauczyć się nazwiska jakiejś osoby, ale nigdy nie mieć okazji, by to ujawnić. Tak więc psychologowie nie domagają się spontanicznej zmiany w zachowaniu, ale zmiany potencjalnego zachowania. Psycholog musi opracować test behawioralny, który ujawniałby to potencjalne zachowanie i dowodził, że uczenie się miało miejsce. Na przykład aby stwierdzić, czy zwierzę nauczyło się jakiejś sztuczki, często niezbędne okazuje się danie mu nagrody. Psychologowie rozróżniają uczenie się i wykonanie, przy czym pierwsze pojęcie odnosi się do jakiejś zmiany, a drugie do behawioralnego przejawu tej zmiany.
Doświadczenie. Potencjał zachowaniowy zmienia się z różnych powodów, nie tylko na skutek uczenia się. W miarę jak rośniemy, nasze ciało rozwija się i zmienia się nasz potencjał zachowaniowy, ale nie uznalibyśmy rozwoju f Zycznego za uczenie się. Analogicznie ciężkie uszkodzenie ciała może zasadniczo zmienić możliwości zachowania się danej osoby, ale nie uznalibyśmy Złamania ręki za uczenie się. Pojęcie doświadczenie ma na celu oddzielenie
22 Rozdział 1. Podejścia do uczenia się i pamięci
zmian w zachowaniu będących przedmiotem zainteresowania teoretyków uczenia się od tych zmian, które go nie stanowią.
Przyjrzyjmy się teraz definicji terminu pamięć.
Pamięć jest względnie trwałym zapisem doświadczenia, które znajduje się u podłoża uczenia się.
Jak widać definicja ta zależy od definicji uczenia się. Zawiera jednak element nie wchodzący w jej skład - zapis.
Zastosowanie tego terminu oznacza przyjęcie teoretycznej propozycji, iż istnieje jakaś zmiana umysłowa, która stanowi ucieleśnienie doświadczenia uczenia się. Tą umysłową zmianą jest stworzenie zapisu pamięciowego. Teoretycy uczenia się nie zawsze zgadzali się z tym, że uczenie się wymaga stworzenia zapisu pamięciowego. John Watson, założyciel szkoły behawiorystycznej, uważał, że nie istnieje coś takiego, jak pamięć, a ludzie po prostu uczą się sposobów zachowania. Behawioryści woleli teorie sformułowane wyłącznie w terminach behawioralnych i nie ufali odniesieniom do konstruktów mentalistycznych, takich jak zapis pamięciowy. Jednak niechęć do uwzględnienia tego rodzaju konstruktów w dużej mierze zniknęła, gdyż badacze zaczynają rozumieć zmiany neuronalne, które są fizycznym dowodem zapisów pamięciowych. Gdy staje się możliwe mówienie o jakichś konkretnych zmianach neuronalnych, a nie o nieokreślonej zmianie umysłowej, brak zaufania do konstruktów pamięciowych przejawiany przez behawiorystów zaczyna znikać. Znaczna część mojej książki dotyczy neuronalnych podstaw pamięci.
Uczenie się odnosi się do procesu adaptacji zachowania do doświadczenia, a pamięć odnosi się do trwadych zapisów będących u podłoża tej adaptacji.
Historia badań nad uczeniem się i pamięcią
Psychologia jako nauka ma niewiele ponad sto lat. Od samego początku uczenie się stanowiło ważne pole badań. Jednym z powodów tego wczesnego zainteresowania była teoria ewolucji Karola Darwina. Opublikowanie jego dzieła O pochodzeniu gatunków w 1859 roku okazało się przełomowe dla świata intelektualnego, dowodziło bowiem, jak selekcja naturalna zmieniła gatunki, aby były lepiej przystosowane do środowiska, w którym żyją. Teoretycy uczenia się spostrzegali swoje poszukiwania jako naturalne rozwinięcie koncepcji Darwina, który był zainteresowany adaptacją zachodzącą u poszczególnych gatunków z pokolenia na pokolenie, oni zaś zajmowali się adaptacją zachodzącą u poszczególnych przedstawicieli danego gatunku w trakcie jego życia osobniczego. Zrozumienie związków pomiędzy ogólną
Historia badań nad uczeniem się i pamięcią 23
adaptacją gatunków i indywidualnym uczeniem się stanowi przedmiot badań prowadzonych współcześnie.
Trzy przedsięwzięcia badawcze rozpoczęte na początku dwudziestego wieku miały silny wpływ na większość późniejszej historii badań nad uczeniem się i pamięcią. Jednym z nich była seria badań podjętych przez niemieckiego psychologa Hermanna Ebbinghausa, który wykorzystał siebie samego jako jedynego badanego. Drugie to seria badań prowadzonych przez rosyjskiego fizjologa Iwana Pawłowa nad warunkowaniem u psów. Trzecie zaś to badania kierowane przez amerykańskiego psychologa Edwarda Thorndike'a nad uczeniem się przez próby i błędy u kotów. Pawłow i Thorndike zainspirowali amerykański ruch behawiorystyczny, który dominował w badaniach nad uczeniem się w pierwszej połowie dwudziestego wieku. Ebbinghaus zapoczątkował tradycję badawczą, która, po rewolucji poznawczej w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych naszego wieku, stała się dominującym paradygmatem w badaniach nad pamięcią człowieka. Historia badań nad uczeniem się w Stanach Zjednoczonych jest w gruncie rzeczy historią tradycji badawczych zapoczątkowanych przez trzech wymienionych badaczy oraz tego, jakie były wzajemne oddziaływania tych tradycji i intelektualnego nastroju psychologii amerykańskiej.
Poniżej przedstawiam poszukiwania prowadzone przez tych pionierów oraz innych znaczących psychologów. Cele tego przeglądu historycznego są dwojakie: wprowadza on metodologie, które są elementem obecnie prowadzonych badań, oraz ustanawia podstawę dla oceniania aktualnych badań i teorii, w szczególności pokazując, że zanim nauka przyjęła aktualne poglądy, rozważane były liczne idee na temat uczenia się i pamięci.
Badania nad uczeniem się i pamięcią zostaly zapoczątkowane przez Ebbinghausa, Pawiowa i Thorndike'a na przełomie wieków.
Hermann Ebbinghaus (1850-1909)
Ebbinghaus przeprowadził pierwsze ściśle naukowe badania nad ludzką pamięcią i opublikował swoją rozprawę Uber das Gedachtnis (O pamięci) w 1885 roku. Ebbinghaus sam był obiektem swoich badań. Uczył się serii bezsensownych sylab, którymi były trigramy spółgłoska-samogłoska-spółgłoska, na przykład dax, bup, loc. Sądził, że takie sylaby będą lepszym materiałem eksperymentalnym, gdyż nie są z nimi powiązane żadne wcześniejsze asocjacje. W jednym z eksperymentów Ebbinghaus uczył się list 13 sylab tak długo, aż był w stanie powtórzyć je dwukrotnie bezbłędnie i w kolejności. Następnie sprawdzał swoje możliwości przypominania sobie tych list po upływie różnych odcinków czasu. Mierzył czas potrzebny na ponowne nauczenie się list do tego samego kryterium dwukrotnego bezbłędnego odtworzenia. W jednym z przypadków potrzebował 1156 sekund, aby po raz pierwszy
Rysunek 1.1. Krzywa przechowywania Ebinghausa ukazująca procent zaoszczędzoneo czasu jako funkcję odroczenia. Ebbingaus stosował odroczenia od 20 minut do 1 dni
Rysunek 1.2. Dane dotyczące ćwiczenia uzyskane przez Ebbinghausa, pokazujące ogólną liczbę prób potrzebnych do opanowania zestawu list jako funkcję liczby dni ćwiczenia
juczyć się listy, i tylko 467 sekund na ponowne nauczenie się. Zainteresowało go, jak dalece łatwiejsze jest ponowne nauczenie się listy. W podanym przykładzie zaoszczędził 1156 - 467 = 689 sekund. Ebbinghaus wyraził tę oszczędność jako procent pierwotnego uczenia się: 689 = 1156 = 64,3 procent. Rysunek 1.1 pokazuje te miary przechowania jako funkcję odroczenia uczenia się w postaci krzywej przechowywania*. Początkowo zapominanie ustępuje bardzo szybko, ale jego tempo gwałtownie maleje wraz z upływem czasu. O funkcji zaprezentowanej na rysunku 1.1 mówimy, że ma przyspieszenie ujemne z powodu szybkiego spadku tempa zapominania. Krzywe przechowywania szczegółowo omawiam w rozdziale 7.
W innym eksperymencie Ebbinghaaus uczył się list sylab bezsensownych dziennie przez 6 dni. Rysunek 1.2 ukazuje liczbę prób potrzebnych do wyuczenia się list każdego dnia. Jak widać, liczba prób zmniejszała się wraz upływem czasu, odzwierciedlając coraz lepsze uczenie się list'. Wykres na rysunku 1.2 jest nazywany krzywą uczenia się. Tak jak krzywa przechowywania, ma ona przyspieszenie negatywne, z coraz mniejszymi przyrostami każdego dnia. Krzywe uczenia się omawiam dokładniej w rozdziale 6.
` W polskiej literaturze przedmiotu ta krzywa jest często określana jako krzywa zapominania (przyp. tłum.).
Na rysunku 1.2 mniejsze liczby oznaczają lepsze osiągnięcia, gdyż zastosowano zależną ~ę liczby prób potrzebnych do ponownego nauczenia się; na rysunku 1.1 większe liczby oznaczają lepsze osiągnięcia, gdyż zastosowano zależną miarę procentu oszczędności czasu.
Podstawowy wkład Ebbinghausa ma charakter metodologiczny i empiryczny. Pokazał on, jak można ściśle naukowo badać ludzką pamięć, i zidentyfikował niektóre ważne zależności empiryczne, takie jak krzywe przechowywanie i uczenia się, które przetrwały próbę czasu. Wyjaśnienia teoretyczne podane przez Ebbinghausa nie miały dużego wpływu na późniejsze badania2. Niemniej zasiał on ziarna tradycji badań nad pamięcią, która w końcu stała się bardziej znacząca niż badania nad uczeniem się zwierząt.
Ebbinghaus wprowadzil metodologie eksperymentalne do badania zjawisk pamięciowych, takie jak krzywa przechowywania i krzywa uczenia się.
Iwan Pietrowicz Pawłow (1849-1936)
Odkrycie przez Pawłowa odruchu warunkowego, stanowiące kamień milowy w badaniach nad uczeniem się, było przypadkowym produktem ubocznym jego badań nad fizjologią trawienia, uhonorowanych nagrodą Nobla. Podczas swoich poszukiwań Pawłow wkładał do pyska psa proszek mięsny i mierzył ślinienie się zwierzęcia. Po kilku takich sesjach dokładny pomiar okazał się niemożliwy, ponieważ pies zaczynał ślinić się, gdy tylko eksperymentator wchodził do pomieszczenia. Pawłow rozpoczął badania nad tym zjawiskiem, które jest znane jako warunkowanie klasyczne.
Rysunek 1.3 pokazuje warunkowanie klasyczne w pawłowowskich sytuacjach eksperymentalnych. Podstawowa metodologia rozpoczyna się od biologicznie znaczącego bodźca bezwarunkowego, który odruchowo wywołuje jakąś reakcję bezwarunkową. Na przykład pokarm jest bodźcem bezwarunkowym, a ślinienie się - reakcją bezwarunkową. Bodziec bezwarunkowy jest łączony z neutralnym bodźcem warunkowym, takim jak dźwięk dzwonka. Po kilku takich połączeniach bodziec warunkowy nabiera zdolności do samodzielnego wywoływania reakcji. Gdy pojawia się reakcja na bodziec warunkowy, nazywa się ją reakcją warunkową.
Chociaż w oryginalnych badaniach Pawłowa stosowano pokarm i obserwowano ślinienie się, w późniejszym okresie wprowadzono bardzo różnorodne bodźce bezwarunkowe i reakcje bezwarunkowe dla wytworzenia reakcji warunkowych. Często stosowany w badaniach nad ludźmi paradygmat polega na warunkowaniu odruchu mrugania (reakcja bezwarunkowa), który pojawia się w reakcji na podmuch powietrza skierowany na oko (bodziec
z Teoria odległych skojarzeń Ebbinghausa była wyjątkiem. Stanowiła ona dominującą teorię uczenia się materiału seryjnego aż do czasów najnowszych, gdy została zastąpiona hipotezą porcjowania (patrz rozdział 6.). W roku 1985 opublikowano w "Journal of Experimental Psychology" serię artykułów poświęconych znaczeniu dorobku Ebbinghausa w setną rocznicę ukazania się jego rozprawy.
1 2 3 4 5 6 Cwiczenie w dniach
200 400 s00 800 Odroczenie w godzinach
Czas
(a) Poczatkowe łaczenie
Sekwencja prezentacji bodziec bezwarunkowy przez eksperymentatora (dzwonek)
Reakcje organizmu
(b) Reakcja warunkowa Sekwencja prezentacji przez eksperymentatora
Reakcja organizmu
(c) Wygasanie Sekwencja prezentacji przez eksperymentatora
bodziec warunkowy (dzwonek)
reakcja warunkowa (ślinienie się)
bodziec warunkowy (dzwonek) reakcja warunkowa
(ślinienie się)
bodziec warunkowy (pokarm)
reakcja bezwarunkowa (ślinienie się)
bodziec bezwarunkowy (pokarm)
Rysunek 1.3. Procedura eksperymentalna w warunkowaniu klasycznym. (a) Bodziec warunkowy jest łączony z bodźcem bezwarunkowym, który wywołuje reakcję bezwarunkową; (b) na skutek tego bodziec warunkowy nabywa zdolności wywoływania reakcji warunkowej; (c) bodziec warunkowy może nadal wywoływać reakcję warunkową przez jakiś czas po tym, jak bodziec bezwarunkowy zostanie usunięty, ale w końcu dojdzie do wygaśnięcia reakcji
bezwarunkowy). Błysk światła lub dźwięk wielokrotnie łączony z podmuchem nabiera zdolności do wywoływania mrugania przy braku pierwotnego bodźca bezwarunkowego. Warunkowanie ruchów powiek jest również często stosowanym paradygmatem w badaniach z udziałem zwierząt.
Paradygmat warunkowania klasycznego, który wywołał silne zainteresowanie badaczy w ostatnich latach, zawiera warunkową reakcję emocjonalną (CER - conditioned emotional response). Gdy jakiemuś zwierzęciu, takiemu jak szczur, podaje się bodziec awersyjny, na przykład wstrząs o średnim natężeniu, reaguje on w charakterystyczny sposób. Wzrasta tempo uderzeń
serca, podnosi się ciśnienie krwi i dochodzi do wydzielenia pewnych hormonów. Zwierzę ma także tendencję do zastygania i zatrzymywania się niezależnie od tego, jaką reakcję aktualnie wykonywało. Elementy tego wzorca reagowania mogą zostać uwarunkowane na bodziec warunkowy, taki jak dźwięk. Aby dokonać pomiaru warunkowej reakcji emocjonalnej, badacze trenują zwierzę w wykonywaniu jakiegoś zadania, na przykład naciskania dźwigni w celu uzyskania pokarmu; stopień, w jakim zwierzę obniża swoją aktywność (zastyga) i tym samym zmniejsza tempo naciskania dźwigni, gdy pojawia się bodziec warunkowy, jest traktowany jako wskaźnik siły warunkowej reakcji emocjonalnej.
W rozdziale 2. omówiłem współczesne badania oraz dyskusje nad paradygmatem warunkowania klasycznego, ale warto wskazać w tym miejscu niektóre podstawowe zjawiska wykryte przez Pawłowa (1927).
1. Nabywanie. Wielkość reakcji warunkowej może być określona jako funkcja liczby połączeń pomiędzy bodźcem bezwarunkowym i bodźcem warunkowym. Reakcja warunkowa nie pojawia się nagle z całkowitą silą. Rysunek 1.4 pokazuje, że siła reakcji warunkowej wzrasta stopniowo wraz z powtórzeniami. Nazywa się to procesem nabywania.
Typowa krzywa warunkowania uzyskiwana w trakcie nabywania wskazuje początkowo niewielki wzrost, aż do chwili gdy zostaje osiągnięty pewien poziom asymptotyczny, przy którym tempo wzrostu szybko rośnie. Wzorzec początkowego wolnego, następnie szybkiego warunkowania i w końcu ponownego wolnego wzrostu jest często opisywany zwięźle jako krzywa esowata.
Pawłow obserwujący warunkowanie psa
W rozdziale 6. porównuję funkcje warunkowania (czy też krzywe) uzyskiwane w warunkowaniu klasycznym z krzywymi uczenia się, takimi jak te otrzymane przez Ebbinghausa (rysunek 1.2). Są one podobne, ale nie tożsame - funkcja warunkowania często rozpoczyna się od raczej powolnej zmiany, a krzywa uczenia się prawie zawsze wykazuje największą zmianę na początku.
2. Wygasanie**. Co dzieje się, gdy bodziec bezwarunkowy przestaje być łączony z bodźcem warunkowym? Rysunek 1.4 pokazuje, że wielkość reakcji warunkowej stopniowo maleje wraz z liczbą prób, w których nie pojawia się bodziec bezwarunkowy. Nazywamy to procesem wygasania. Przebieg wygasania dla warunkowania jest podobny do przebiegu przechowywania czy zapominania (np. rysunek 1.1), wystepują jednak też różnice. Najważniejsza to różnica metodologiczna pomiędzy eksperymentami dającymi obie funkcje. Funkcja zapominania jest uzyskiwana poprzez czekanie bez prezentowania bodźca, a wygasanie wymaga prezentacji bodźca warunkowego bez bodźca bezwarunkowego.
3. Spontaniczne odnowienie się. Po upływie jakiegoś czasu (np. dnia) po serii prób wygasania bodziec warunkowy może zostać ponownie zaprezentowany. Wielkość reakcji Warunkowej często wykazuje jakiś poziom odnowienia. Spontaniczne odnowienie się stanowi jedną z różnic pomiędzy zapomi
15
Rysunek 1.4. Nabywanie i wygasanie reakcji warunkowej (za Pawłow, 1927)
Źródto: Introduction to psychotogy, wyd. 8, Rita L. Atkinson, Richard C. Atkinson i Ernest R. Hilgard. Copyright (c) 1983 by Harcourt Brace & Company. Przedrukowano za zezwoleniem wydawcy.
** W polskiej literaturze psychologicznej stosowane są dwa terminy: wygaszanie i wygasanie. Ze względu na to, extinction dotyczy procesu wywołanego przez zaprzestanie łączenia bodźca bezwarunkowego z bodźcem warunkowym, bardziej adekwatny wydaje się termin: wygasanie (przyp. tłum.).
mniem i wygasaniem, gdyż bardzo rzadko, o ile w ogóle, występuje samoistne wyjście z zapominania.
4. Następstwo czasowe. Warunkowanie jest silniejsze, gdy bodziec warunkowy poprzedza bodziec bezwarunkowy, i często nie dochodzi do warunkowania, jeżeli bodziec bezwarunkowy poprzedza warunkowy. Na przykład warunkowanie mrugania jest nieskuteczne, jeżeli bodziec warunkowy (dźwięk) następuje po bodźcu bezwarunkowym (podmuchu). W zależności od rodzaju reakcji optymalny odstęp czasowy pomiędzy bodźcem warunkowym i bodźcem bezwarunkowym waha się od 0,5 do 30 sekund i dłużej. Zależność następstwa w warunkowaniu nie znajduje odzwierciedlenia w wynikach typowych eksperymentów nad pamięcią. W eksperymencie nad pamięcią badany może mieć za zadanie nauczenie się mówienia jednego słowa, na przykład pies, w reakcji na inne słowo, na przykład śmietana. Uczenie się przez badanego danego zestawu nie zależy od kolejności, w jakiej prezentowane są słowa.
Pawłow snuł przypuszczenia na temat neuronalnych podstaw warunkowania klasycznego. Zaproponował następujące wyjaśnienie: pobudzenie neuronalne przepływa od wcześniejszego i słabszego ośrodka w mózgu do ośrodka późniejszego i silniejszego; pobudzenie neuronalne w ośrodku mózgowym wzbudzonym przez bodziec warunkowy przepływa do ośrodka pobudzonego przez bodziec warunkowy. Pobudzenie przez bodziec warunkowy wywołuje reakcję w chwili, gdy dochodzi do ośrodka bodźca bezwarunkowego. Pawłow upiększył tę propozycję fizjologiczną wieloma spekulatywnymi pomysłami, które nie uzyskały później znaczącego potwierdzenia. W miarę upływu lat zaproponowano kilka alternatywnych wyjaśnień teoretycznych. Chociaż badacze nie zgadzają się z Pawłowem co do wielu szczegółów, skłaniają się oni do spostrzegania warunkowania klasycznego jako bezpośredniego odzwierciedlenia automatycznych neuronalnych procesów asocjacji. Ponieważ sądzono, że warunkowanie klasyczne odzwierciedla automatyczne uczenie się, stanowiło ono preferowany paradygmat przy próbach zrozumienia neuronalnych podstaw uczenia się (dokładne omówienie w rozdziale 2.). Warunkowanie klasyczne uzyskało popularność w tego rodzaju eksperymentach neurofizjologicznych, gdyż może być zademonstrowane u pierwotnych organizmów, które często stanowią lepsze obiekty badań w poszukiwaniach fizjologicznych. Na przykład w rozdziale 2. przedstawiam warunkowanie Aplysia Californica, którego układ nerwowy jest o wiele łatwiejszy do badania niż układ nerwowy ssaków.
Pomimo tendencji do oceniania warunkowania klasycznego jako odruchowego i automatycznego współcześnie zjawisko to często traktuje się jako bardziej poznawcze i mniej odruchowe. Jednak nawet obecnie warunkowanie klasyczne jest często spostrzegane jako paradygmat właściwy do badania prostych i podstawowych procesów uczenia się.
Pawlow odkryl, że gdy bodziec obojętny (bodziec warunkowy) jest sączony z bodżcem biologicznie znaczącym (bo
Próby wygaszające
dziec bezwarunkowy), bodziec warunkowy nabywa zdolności wywolywania reakcji związanej z bodźcem bezwarunkowym.
Edward L. Thorndike (1874-1949)
Thorndike badał odmienne sytuacje uczenia się, niż czynił to Pawłow. W 1898 roku ukazało się sprawozdanie z jego pionierskiego badania. Rysunek 1.5 pokazuje stosowane przez Thorndike'a urządzenie eksperymentalne: skrzynkę problemową. Umieszczał on w niej głodnego kota. Pokarm znajdował się na zewnątrz. Gdy kot trafiał na mechanizm otwierający (np. pętlę drutu), drzwiczki otwierały się, kot mógł wyjść i zjeść pokarm. Badacz wielokrotnie powtarzał to doświadczenie, by stwierdzić, jak szybko koty nauczą się wychodzić ze skrzynki. Thorndike zaobserwował, że początkowo zwierzęta zachowywały się mniej lub bardziej przypadkowo, przenosiły się z miejsca na miejsce w skrzynce, drapały ją, miauczały itd., aż do chwili, gdy udawało im się uderzyć przez przypadek w mechanizm otwierający. Badacz nazwał to uczeniem się przez próby i błędy. W miarę powtarzania prób zachowanie przypadkowe stopniowo zmniejszało się, na co wskazywał fakt, że koty szybciej znajdowały mechanizm otwierający i mogły wcześniej opuścić skrzynkę. Rysunek 1.6 pokazuje typowe krzywe uczenia się łączące liczbę prób z czasem potrzebnym na wyjście ze skrzynki.
Rysunek 1.6. Krzywe uczenia się pięciu kotów w skrzynkach problemowych Thorndike'a Źródlo.~ Psychological Monographs, tom 2 (cały nr 8), E.L. Thorndike Animal intelligence: An experimental study of the associative processes in animals. Copyright (c) by The Macmillan Company. Własność publiczna.
Nadal toczą się dyskusje, czy koty Thorndike'a uczyły się wychodzenia ze skrzynki stopniowo (w ciągu serii prób), czy też działo się to nagle w trakcie jednej próby. Thorndike sądził, że pokazane krzywe uczenia się obrazują stopniowe uczenie się, i twierdził, że prawidłowa reakcja uderzania mechanizmu otwierającego zostaje stopniowo wiązana z sytuacją bodźcową - bycia w skrzynce problemowej, tak iż zaczyna dominować nad innymi przypadkowymi reakcjami. Uważał, że ten proces przebiega automatycznie i nie wymaga ze strony kotów żadnej aktywności poznawczej.
Rodzaj procesów uczenia się badany przez Thorndike'a jest nazwany warunkowaniem instrumentalnym, w przeciwieństwie do warunkowania klasycznego Pawłowa. W obydwu sytuacjach osobnik uczy się reakcji na sytuację bodźcową. W warunkowaniu klasycznym bodźcem jest bodziec warunkowy, a reakcją - reakcja warunkowa. W skrzynkach problemowych Thorndike'a bodźcem jest skrzynka problemowa, a reakcją właściwe działanie otwierające. W obydwu rodzajach uczenia się występuje zjawisko nabywania wprawy, wygasania i spontanicznego odnawiania się. W warunkowaniu instrumentalnym reakcja jest wykonywana w celu uzyskania wzmocnienia, jakim jest ucieczka i pokarm. Wzmocnienie (pokarm, ucieczka) może być postrzegane jako analogiczne do bodźca bezwarunkowego w warun
Rysunek 1.5. Jedna z czterech skrzynek problemowych używanych przez Thorndike'a w je8o pracy doktorskiej
kowaniu klasycznym, pod tym względem, że jest ono bodźcem biologicznie znaczącym. Jednak w warunkowaniu klasycznym bodziec bezwarunkowy wyprzedza reakcję, a w warunkowaniu instrumentalnym uzyskanie wzmocnienia jest uwarunkowane wykonaniem reakcji. Niektórzy uważają warunkowanie instrumentalne za bardziej wolicjonalny rodzaj uczenia się, ale większość sądzi, tak jak Thorndike, że jest ono równie automatyczne jak warunkowanie klasyczne.
Thorndike pozostał przez całe życie aktywnym badaczem i teoretykiem. Zainteresowanie uczonego wzbudzały zwłaszcza zastosowania teorii uczenia się w edukacji, jego nazwisko jest związane z pewną liczbą praw uczenia się. Wskazane poniżej trzy spośród nich są szczególnie ważne i dotyczą zagadnień, które nadal mają podstawowe znaczenie.
1. Prawo efektu. Thorndike był przekonany, że wzmocnienie ma kluczowe znaczenie dla uczenia się. W oryginalnym sformułowaniu prawa efektu stwierdzał, że wzmocnienia, takie jak pokarm, utrwalają zawiązki (czy asocjacje) bodziec - reakcja, a kary, takie jak wstrząs, osłabiają je. Zgromadzone w późniejszym okresie dane empiryczne przekonały go, że kara jest stosunkowo nieskuteczna w osłabianiu reakcji, ale nadal pozostał przy przekonaniu, że wzmocnienie jest dla uczenia się krytycznym elementem3. Pogląd, że wzmocnienie jest niezbędne dla uczenia się, wyznawany przez liczne ówczesne teorie uczenia się, sprowokował wiele prób eksperymentalnego podważenia go. Najbardziej warte odnotowania są eksperymenty nad uczeniem się utajonym, omówione w dalszej części tego rozdziału poświęconej Edwardowi Tolmanowi.
2. Prawo ćwiczenia. Początkowo Thorndike sądził, że ćwiczenie związków bodziec - reakcja wzmacnia je. W późniejszym okresie zmienił nieco swoje stanowisko twierdząc, że samo ćwiczenie nie ma korzystnego wpływu i że jedynie nagradzane ćwiczenie wywołuje uczenie się. Wskazywał na takie badania, jak eksperymenty Trowbridge'a i Casona (1932), w których badani ćwiczyli rysowanie kresek czterocalowych bez uzyskiwania informacji zwrotnej i nie wykazywali poprawy dokładności wykonania. Niemniej w wielu sytuacjach ćwiczenie prowadzi do poprawy rezultatów, na przykład gdy powtarza się materiał przed sprawdzianem. Jak wykazałem w rozdziale 6., ćwiczenie jest naprawdę podstawową zmienną w uczeniu się i ...
Carmelinee