Schema’s, chunking en het werkgeheugen
Met dank aan Vernieuwenderwijs
Werkgeheugen (working memory: WM) is een, zo niet de, centrale component van de menselijke cognitie. WM is verantwoordelijk voor de tijdelijke opslag en manipulatie van informatie die nodig is voor redeneren, begrijpen en leren (Baddeley, 2000). WM is echter uiterst beperkt in capaciteit en duur. Klassiek onderzoek van Miller, gepubliceerd in 1956 over hoeveel cijfers we konden onthouden (uitgevoerd voor een Amerikaanse telefoonmaatschappij om te bepalen hoeveel cijfers een telefoonnummer zou moeten hebben, suggereerde dat individuen ongeveer zeven (plus of min twee) items in WM kunnen bevatten. Het noemde dit het magische getal zeven, plus min twee. Meer recente studies suggereren dat het werkelijke aantal items dat in ons WM kan worden vastgehouden, gemiddeld dichter bij vier afzonderlijke eenheden ligt, vooral wanneer repetitiestrategieën beperkt zijn (Cowan, 2001). Ook vervalt de informatie in ons WM meestal binnen 15 tot 30 seconden als deze niet actief wordt onderhouden (Brown, 1958; Peterson & Peterson, 1959). Dat wil zeggen, het verdwijnt in minder dan een halve minuut! Deze beperkingen roepen een belangrijke vraag op, namelijk: Hoe slagen we erin om complexe of lange informatie – zoals zinnen, probleemoplossende stappen of visuele configuraties – te verwerken en te bewaren als onze WM-capaciteit zo beperkt is?
Het antwoord op deze vraag is dat we twee onderling gerelateerde cognitieve mechanismen hebben die ons helpen deze uitdaging aan te gaan: chunking en schema’s. Chunking verwijst naar het proces van het groeperen van individuele elementen in grotere, betekenisvolle eenheden (brokken; Miller, 1956), terwijl schema’s gestructureerde representaties zijn van kennis die is opgeslagen in ons langetermijngeheugen (Bartlett, 1932). Samen verminderen deze twee mechanismen de effectieve belasting van ons WM, waardoor we meer informatie kunnen verwerken dan anders mogelijk zou zijn binnen de natuurlijke beperkingen.
Een fundamenteel model voor het begrijpen van WM is het multi-componentmodel dat in 1974 van Baddeley en Hitch werd voorgesteld en dat later in 2000 door Baddeley werd uitgebreid. Dit model stelt voor dat WM bestaat uit een centrale uitvoerende macht (betwist door John Sweller[1]) en twee domeinspecifieke opslagsystemen: de fonologische lus voor verbale en auditieve informatie, en het visueel-ruimtelijke schetsblok voor visuele en ruimtelijke gegevens. Een derde component, de episodische buffer, werd later geïntroduceerd om uit te leggen hoe WM informatie over modaliteiten heen integreert en koppelt aan het langetermijngeheugen. De episodische buffer stelt ons in staat om uniforme “episodes” te creëren door verbale, visuele en semantische informatie uit zowel WM als langetermijngeheugen (longterm memory: LTM) te combineren. Deze integratieve functie is met name relevant bij het overwegen van de rol van schema’s en chunking.
Chunking is een van de meest effectieve strategieën om de beperkte capaciteit van WM te omzeilen. Wanneer afzonderlijke stukjes informatie worden gegroepeerd in grotere eenheden, worden ze behandeld als een enkel item in WM. De getallenreeks 1-9-4-5-2-0-2-4 kan bijvoorbeeld worden gecodeerd als twee bekende jaren – 1945 en 2024 – waardoor het aantal te onthouden items wordt teruggebracht van acht naar twee. Dit proces is sterk afhankelijk van voorkennis, aangezien een brok alleen zinvol is als het individu het kan relateren aan een bekend concept dat is opgeslagen in LTM (Gobet et al., 2001). In die zin is chunking geen op zichzelf staand proces, maar een proces dat sterk afhankelijk is van de activering van relevante bestaande schema’s in ons LTM.
Schema’s zijn cognitieve structuren die georganiseerde kennis over objecten, situaties of gebeurtenissen vertegenwoordigen (Bartlett, 1932; Rumelhart, 1980). Ze functioneren als mentale kaders die ons in staat stellen om binnenkomende informatie efficiënt te interpreteren en te structureren.
Een nuttig voorbeeld van schemagebruik is te vinden in de manier waarop we honden begrijpen en categoriseren. Voor veel mensen omvat het schema van een hond als huisdier verwachtingen zoals: honden leven bij mensen, zijn over het algemeen vriendelijk, blaffen, kwispelen met hun staart, kunnen vlooien krijgen en genieten van spelen. Ze hebben dagelijkse zorg nodig – voedsel, water, wandelingen en aandacht – en ze vormen een hechte band met hun eigenaren (sommige mensen zeggen verzorgers). Dit schema stelt ons in staat om direct te interpreteren wat we zien als een hond een stok achtervolgt of zich op een bank opkrult. We zien deze acties niet als geïsoleerde feiten, maar als coherente onderdelen van het vertrouwde hond-als-huisdier-kader.
Ons mentale voorstelling voor honden is echter niet beperkt tot huisdieren. We begrijpen honden ook binnen de bredere categorie zoogdieren. Dit schema omvat kennis zoals: honden hebben vacht/haren, zijn warmbloedig (endotherm), baren levende jongen, hebben melkklieren om hun kroost te verzorgen, hebben een ruggengraat (zijn gewervelde dieren), hebben drie middenoorbeenderen, hebben longen om te ademen… Het zoogdierschema koppelt honden aan andere dieren zoals katten, walvissen, vleermuizen, muizen of mensen. Het helpt ons ook om te redeneren over biologische overeenkomsten met andere zoogdieren, zoals hoe honden groeien, ademen, puppy’s krijgen of slaap nodig hebben.
Op een nog algemener niveau erkennen we honden als dieren. Dit schema legt de gemeenschappelijke kenmerken van alle dieren vast, zoals dat ze meercellig zijn, bewegen, voedsel consumeren (zij zijn heterotroof; zij kunnen hun eigen voedsel niet maken), reageren op stimuli en zich voortplanten. Het helpt ons levende wezens te onderscheiden van niet-levende wezens en informeert ons redeneren in contexten zoals ecologie, ethiek of biologie.
Wat belangrijk is, is dat deze schema’s zijn genest. Het hond-als-huisdier-schema past binnen het zoogdierschema, dat op zijn beurt weer binnen het dierschema past. Afhankelijk van de situatie – spelen in het park, een biologieboek lezen of een dierentuin bezoeken – worden verschillende niveaus van de schemahiërarchie geactiveerd. In het dagelijks leven kunnen we het huisdierschema gebruiken. In een wetenschappelijke context wordt het schema van zoogdieren of dieren relevanter. Deze geneste structuur maakt zowel een snelle interpretatie van bekende ervaringen als flexibel redeneren in onbekende ervaringen mogelijk.
In onbekende situaties stellen schema’s ons bijvoorbeeld in staat om weloverwogen gissingen te maken. Als we een hondenras tegenkomen dat we nog nooit hebben gezien, kunnen we het meestal nog steeds als een hond identificeren omdat het dier in het bekende hondenschema past. Evenzo, wanneer we een nieuw dier met vacht, een ruggengraat en levende geboorte tegenkomen, classificeren we het als een zoogdier op basis van het bredere schema. Op deze manier ondersteunen schema’s niet alleen het geheugen en de herkenning, maar maken ze ook generalisatie en leren mogelijk.
Schema’s ontwikkelen zich ook met ervaring. Een kind kan beginnen met een basisschema – “honden zijn harig en blaffen” – maar na verloop van tijd wordt dit gedetailleerder. Ze kunnen leren dat sommige honden zijn getraind om mensen te helpen, dat rassen sterk verschillen, of dat honden anatomische en gedragskenmerken delen met andere zoogdieren. Het schema wordt uitgebreider (het wordt zowel breder als dieper) en nuttiger naarmate nieuwe ervaringen en kennis worden opgenomen. Jearn Piaget sprak over assimilatie en accommodatie. Nieuwe informatie wordt geassimileerd in reeds bestaande schema’s en reeds bestaande schema’s worden gewijzigd (ondergebracht) als nieuwe en soms ongerijmde informatie (kennis) wordt verkregen.
Naast het ondersteunen van de capaciteit dragen schema’s ook bij aan de duur van het geheugenbehoud. Gestructureerde, coherente informatie is gemakkelijker te oefenen en te onderhouden in WM, en als sommige delen worden vergeten, kunnen schema’s ons helpen ontbrekende elementen te reconstrueren door waarschijnlijke details in te vullen op basis van ervaringen uit het verleden (Alba & Hasher, 1983). Op deze manier verbeteren schema’s zowel de stabiliteit als de veerkracht van de inhoud van het werkgeheugen.
De interactie tussen WM en LTM staat centraal in deze processen. WM maakt voortdurend gebruik van LTM om nieuwe input te begrijpen, deze te ordenen in zinvolle structuren en de verwerking ervan te begeleiden. De episodische buffer speelt een sleutelrol in deze interactie door de huidige WM-inhoud te binden aan informatie die is opgehaald uit LTM (Baddeley, 2000). Bij narratief begrip vertrouwen individuen bijvoorbeeld op verhaalschema’s om gebeurtenissen op te delen en te integreren in een coherente structuur, waarbij huidige input wordt gekoppeld aan eerder verworven kennis.
Toepassingen van deze mechanismen in de echte wereld zijn talrijk. Bij taalverwerking vertrouwen mensen op opgeslagen grammaticale en semantische schema’s om zinnen en zinnen efficiënt op te splitsen. Bij het onthouden van nummers, zoals het onthouden van een telefoonnummer of creditcardnummer, hebben mensen de neiging om cijfers te groeperen in segmenten op basis van bekende patronen, zoals netnummers of belangrijke datums. Deze voorbeelden illustreren hoe voorkennisstructuren een effectievere chunking mogelijk maken, waardoor de WM-prestaties worden verbeterd.
Samenvattend kunnen de beperkingen van het werkgeheugen – de beperkte capaciteit en duur ervan – aanzienlijk worden verzacht door het gebruik van chunking en schema’s. Chunking vermindert het aantal items dat we moeten onderhouden door ze te groeperen in grotere, betekenisvolle eenheden, terwijl schema’s de structuur en het interpretatieve kader bieden die nodig zijn om die eenheden te vormen. Deze mechanismen zijn afhankelijk van continue interactie tussen WM en LTM, wat illustreert hoe eerdere ervaring en kennis lopende cognitieve processen ondersteunen. Uiteindelijk stelt de synergie tussen chunking en schema’s individuen in staat om effectief te functioneren ondanks de enge beperkingen van WM, en benadrukt het de rol van expertise, praktijk en opleiding bij het uitbreiden van cognitieve efficiëntie.
References
Alba, J. W., & Hasher, L. (1983). Is memory schematic? Psychological Bulletin, 93(2), 203–231. https://doi.org/10.1037/0033-2909.93.2.203
Baddeley, A. D. (2000). The episodic buffer: A new component of working memory? Trends in Cognitive Sciences, 4(11), 417–423. https://doi.org/10.1016/S1364-6613(00)01538-2
Baddeley, A. D., & Hitch, G. (1974). Working memory. In G. H. Bower (Ed.), The psychology of learning and motivation (Vol. 8, pp. 47–89). Academic Press.
Bartlett, F. C. (1932). Remembering: A study in experimental and social psychology. Cambridge University Press.
Brown, J. (1958). Some tests of the decay theory of immediate memory. Quarterly Journal of Experimental Psychology, 10(1), 12–21. https://doi.org/10.1080/17470215808416249
Cowan, N. (2001). The magical number 4 in short-term memory: A reconsideration of mental storage capacity. Behavioral and Brain Sciences, 24(1), 87–114. https://doi.org/10.1017/S0140525X01003922
Gobet, F., Lane, P. C. R., Croker, S., Cheng, P. C.-H., Jones, G., Oliver, I., & Pine, J. M. (2001). Chunking mechanisms in human learning. Trends in Cognitive Sciences, 5(6), 236–243. https://doi.org/10.1016/S1364-6613(00)01662-4
Miller, G. A. (1956). The magical number seven, plus or minus two: Some limits on our capacity for processing information. Psychological Review, 63(2), 81–97. https://doi.org/10.1037/h0043158
Peterson, L. R., & Peterson, M. J. (1959). Short-term retention of individual verbal items. Journal of Experimental Psychology, 58(3), 193–198. https://doi.org/10.1037/h0049234
Rumelhart, D. E. (1980). Schemata: The building blocks of cognition. In R. J. Spiro, B. C. Bruce, & W. F. Brewer (Eds.), Theoretical issues in reading comprehension (pp. 33–58). Lawrence Erlbaum.
Sweller, J. (1988). Cognitive load during problem solving: Effects on learning. Cognitive Science, 12(2), 257–285. https://doi.org/10.1207/s15516709cog1202_4
[1] John Sweller betwistte het concept van een centrale leidinggevende in het werkgeheugen door te stellen dat zijn rol effectief wordt vervuld door schema’s die zijn opgeslagen in LTM, waardoor de centrale leidinggevende overbodig wordt.
Een van de belangrijkste bezwaren van Sweller tegen het idee van een centrale uitvoerende macht is wat bekend staat als het oneindige regressieprobleem. De centrale uitvoerende macht wordt vaak opgevat als een “mini-geest” die verantwoordelijk is voor het beheersen en sturen van cognitieve processen. Dit roept echter de volgende vraag op: wat beheerst de mini-geest? Een dergelijke redenering leidt tot een paradoxale oneindige regressie, waarbij elke controlerende entiteit (elke mini-geest) nog een andere controleur (een andere mini-geest) nodig heeft, wat uiteindelijk de coherentie van het model ondermijnt. Sweller zag dit als een fundamentele tekortkoming in het concept van een centrale uitvoerende macht. Voor Sweller dienen schema’s in LTM als de ware regisseurs van cognitie. Volgens hem bieden schema’s het cognitieve raamwerk dat WM-processen regelt zonder dat er een aparte uitvoerende module nodig is.
