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Erleichterung des Wissenserwerbs durch aktives Integrieren multipler Repräsentationen

Diplomarbeit 2003 116 Seiten

Psychologie - Lernpsychologie, Intelligenzforschung

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG

2 THEORETISCHER UND EMPIRISCHER HINTERGRUND
2.1 EXTERNE, MENTALE UND MULTIPLE REPRÄSENTATIONEN
2.2 DUALE CODIERUNG BEI DER INFORMATIONSVERARBEITUNG
2.2.1 Die duale Codierungstheorie
2.2.2 Die Theorie des multimedialen Lernens
2.2.3 Das integrative Modell des Text-, Bild- und Diagrammverstehens
2.3 DIE ROLLE MULTIPLER EXTERNER REPRÄSENTATIONEN BEIM WISSENSERWERB
2.3.1 Effektivität von Lernprozessen
2.4 FÖRDERUNG DES LERNENS MIT MULTIPLEN EXTERNEN REPRÄSENTATIONEN
2.4.1 Die Theorie der kognitiven Belastung
2.4.2 Reduktion der Extraneous Load
2.4.3 Förderung von Germane Load durch aktives Integrieren
2.5 ABLEITUNG DER FORSCHUNGSFRAGEN

3 METHODE
3.1 STICHPROBE
3.2 VERSUCHSPLAN
3.2.1 Unabhängige Variablen
3.2.2 Abhängige Variablen
3.3 HYPOTHESEN
3.4 DER LERNGEGENSTAND DER VORLIEGENDEN UNTERSUCHUNG
3.5 MATERIALIEN
3.5.1 Datenerhebung
3.5.2 Der Vorwissenstest
3.5.3 Die Lernoberfläche
3.5.4 Instruktionspsychologische Optimierung der Lernoberfläche
3.5.5 Operationalisierung der einzelnen Versuchsbedingungen
3.5.6 Technische Umsetzung
3.5.7 Der Fragebogen zur kognitiven Belastung
3.5.8 Der Wissenstest
3.5.9 Der Abschlussfragebogen
3.6 VERSUCHSABLAUF

4 ERGEBNISSE
4.1 KONTROLLE VON STÖRVARIABLEN
4.2 VORWISSEN DER VERSUCHSPERSONEN
4.3 EINFLUSS DER ART DER INTEGRATION AUF DIE LEISTUNGEN IM WISSENSTEST
4.3.1 Einfluss der Art der Integration auf die Behaltensleistung
4.3.2 Einfluss der Art der Integration auf die Transferleistung
4.4 INTERAKTION VON ART DER INTEGRATION UND VORWISSEN
4.4.1 Einfluss von Art der Integration und Vorwissen auf die Transferleistung
4.5 ENTSCHEIDUNG ÜBER DIE HYPOTHESEN
4.6 ABLEITUNG WEITERER ANALYSEN
4.6.1 Reanalyse der Befunde
4.7 KOGNITIVE BELASTUNG WÄHREND DER LERNPHASE
4.7.1 Einfluss der Art der Integration auf die Anstrengung in der Lernphase
4.7.2 Einfluss der Art der Integration auf die Schwierigkeit der Lernphase

5 DISKUSSION
5.1 ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE
5.2 EINFLUSSFAKTOREN AUF DIE LERNLEISTUNG
5.2.1 Das themenspezifische Vorwissen der Lernenden
5.2.2 Das darstellungsspezifische Vorwissen der Lernenden
5.2.3 Gestaltung der Lernoberfläche
5.2.4 Zum Lernen zur Verfügung stehende Zeit
5.2.5 Komplexität des Lerngegenstands und die Text-Bild-Beziehung
5.2.6 Direktivität der Instruktionen
5.2.7 Zentrale Zielsetzung der Lernenden beim Lernprozess
5.2.8 Merkmale der Stichprobe
5.2.9 Rückmeldung durch das Lernprogramm
5.2.10 Bewertungsängstlichkeit der Lernenden
5.2.11 DieÜbereinstimmung von Präsentations- und Abrufsituation
5.2.12 Versuchsablauf und Intrinsic Load

6 SCHLUSSFOLGERUNGEN / AUSBLICK
6.1 SCHLUSSFOLGERUNGEN FÜR FOLGEUNTERSUCHUNGEN
6.2 SCHLUSSFOLGERUNGEN FÜR DIE INSTRUKTIONSPSYCHOLOGISCHE PRAXIS

7 LITERATURVERZEICHNIS

8 ANHANG

Zusammenfassung

Das zentrale Anliegen der vorliegenden Arbeit ist ein auf instruktionspsychologischen Grundlagen basierender Beitrag zur Unterstützung von Lernenden beim Wissenserwerb mit multiplen externen Repräsentationen. Im Vordergrund steht hierbei die Optimierung von Lernprozessen mit Text und Bild anhand der Theorie der kognitiven Belastung. Ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung des Wissenserwerbs besteht darin, Lernenden die Instruktion zum aktiven Integrieren multipler externer Repräsentationen zu geben. Forschungsarbeiten, die belegt haben, dass der Wissenserwerb durch diese Maßnahme verbessert wird, lassen die Frage offen, was genau für die Verbesserung des Wissenserwerbs verantwortlich war: Die Herstellung des integrierten Formats oder die externe Handlung. Diese Frage wurde in einem einfaktoriellen Design in vier Stufen experimentell untersucht. Es wurde der Lernerfolg von 60 Studenten in vier Versuchsgruppen verglichen, denen unterschiedliche Lernoberflächen und Instruktionen mit folgenden Aufgabenstellungen vorgelegt wurden: aktives Integrieren, reine externe Handlung und reine mentale Integration. Die vierte (Kontroll-)Gruppe bekam keine spezifische Instruktion. Lerngegenstand war Aufbau und Funktion der Wärmepumpe. Zunächst wurde das Vorwissen zu diesem Gegenstandsbereich erhoben. Es folgte eine computerbasierte Lernphase. Dann wurden die kognitive Belastung, die Behaltens- und Transferleistung abgefragt. Entgegen der Erwartung zeigten sich höhere Testleistungen bei der mentalen Integration und der Kontrollgruppe als beim aktiven Integrieren und bei der reinen externen Handlung. Eine zweifaktorielle Varianzanalyse unter Berücksichtigung des Vorwissens ergab eine signifikante Wechselwirkung zwischen der experimentell variierten Art der Integration und dem Vorwissen der Lernenden hinsichtlich der Behaltensleistung. Hinsichtlich der Transferleistung zeigte sich keine signifikante Wechselwirkung zwischen der Art der Integration und dem Vorwissen. Ein Vergleich der Mittelwerte zeigte für Lernende mit mittlerem Vorwissen die höchsten Transferleistungen beim aktiven Integrieren. Die mentale Integration multipler Repräsentationen kann durch aktives Integrieren unterstützt werden, wenn es dabei nicht zu kognitiver Überlastung kommt. Daher ist von entscheidender Bedeutung, dass die Schwierigkeit der Integrationsaufgabe dem Vorwissen der Lernenden angepasst ist.

1 Einleitung

Seit Veröffentlichung der Pisa-Studie wird Bildung in der breiten Öffentlichkeit vermehrt thematisiert. Dabei wird heftig diskutiert, welchen Umständen die Verantwortung am enttäuschenden Abschneiden deutscher Schüler zuzuschreiben sei, und welche Veränderungen vorgenommen werden sollten, um aus Deutschland wieder ein „Land der Dichter und Denker“ zu machen oder es im internationalen wirtschaftlichen Wettbewerb wieder auf einen der vorderen Rangplätze zu bringen. Übereinstimmung besteht darin, dass im Bereich Bildung etwas verändert werden muss.

Um die nachwachsende Generation im Spannungsfeld zwischen Überheblichkeit aufgrund ihrer oftmals überlegenen Medienkompetenz einerseits und nachlassendem Bildungsinteresse andererseits, dazu zu bewegen, sich zu Mitgliedern der Gesellschaft zu entwickeln, die bereit und fähig sind, sich ihrer Entwicklungsaufgabe und schließlich ihrer Verantwortung gegenüber der Solidargemeinschaft zu stellen, wird von vielen Seiten gefordert, Ausbildungsstätten mehr Mittel zur Verfügung zu stellen, damit sie ihrem Bildungsauftrag besser gerecht werden können. Um effektiv zu sein, sollten sich Veränderungsmaßnahmen jedoch nicht auf eine quantitative Steigerung herkömmlicher Strategien der Wissensvermittlung beschränken. Es wäre empfehlenswert, die Aufmerksamkeit stärker auf die Art der Wissensvermittlung und damit auch auf die Gestaltung von Medien in Bezug auf ihre Lernwirksamkeit zu richten.

Große Hoffnungen werden im Zusammenhang mit der Vermittlung von Wissen immer wieder auf den Einsatz computerbasierter Lernoberflächen gesetzt. Dabei unterliegen Instruktionsdesigner fortwährend dem Reiz, die sich rasend entwickelnden technischen Möglichkeiten moderner Medien im vollen Umfang zu nutzen. Allerdings können überladene Bildschirme und schnelle Animationssequenzen leicht zu einer Überforderung von Lernenden führen. In diesem Zusammenhang sind nicht nur die Beschränkungen der menschlichen Wahrnehmung von Bedeutung, sondern vor allem auch die Beschränktheit des Arbeitsgedächtnisses. Sinnvoll ist der Einsatz neuer technischer Möglichkeiten sicherlich dann, wenn er unter hinreichender Einbeziehung instruktionspsychologischer Grundlagen stattfindet.

Computerbasierte Lernoberflächen werden überwiegend als Kombination von Text und Bild gestaltet. In diesem Zusammenhang wurden in frühen Forschungsarbeiten meist die Behaltensleistungen beim Lernen mit Texten ohne Bilder mit den Behaltensleistungen beim Lernen mit Hilfe von Texten mit Bildern verglichen (vgl. Schnotz, Picard & Hron, 1993). Einfache Rezepte zur Gestaltung multimedialer Lernoberflächen, wie sie gerne vor allem von Praktikern des Instruktionsdesigns rezipiert werden, haben in den letzten Jahren differenzierteren Konzepten der Wissensvermittlung Platz gemacht. Diese berücksichtigen neben der Gestaltung von computerbasierten Lernoberflächen auch Merkmale auf Seiten der Lernenden und der Situation, in der Lernprozesse stattfinden.

In der vorliegenden Untersuchung wird der Schwerpunkt auf dem Wissenserwerb mit Text und Bild liegen. Dabei wird nicht das reine Wiedergeben rezipierter Lerninhalte fokussiert. Vielmehr stehen bei der vorliegenden Arbeit Lernprozesse im Vordergrund, deren Ziel die Herstellung von Wissensstrukturen ist, die Lernende befähigen, das erworbene Wissen selbstständig auch auf andere, strukturell ähnliche Situationen anzuwenden.

Die Gestaltung von Lernumgebungen mit Kombinationen von Text und Bild kann Lernenden viele Vorteile verschaffen. Andererseits sehen sie sich dabei einer Vielzahl von Anforderungen und Problemen gegenüber. Daher stellt sich die Frage, wie der Wissenserwerb mit instruktionspsychologisch effektiven Unterstützungsmaßnahmen optimiert werden kann. Instruktionspsychologen, die es sich zum Ziel gesetzt haben, multimediale Lernprozesse zu verbessern, stehen vor der Herausforderung, die Balance zwischen zwei Zielen zu finden: Erleichterung der Informationsaufnahme unter Berücksichtigung der Beschränktheit kognitiver Ressourcen von Lernenden auf der einen Seite und tiefe Verarbeitung als Mittel zum dauerhaften sinnhaltigen Lernen auf der anderen Seite. Einen gangbaren Weg zur Erreichung dieser Balance zu finden, ist die übergeordnete Zielsetzung der vorliegenden Arbeit.

Zu diesem Zweck wird in Kapitel 2 zunächst auf den theoretischen Hintergrund und den aktuellen Stand der Forschung zum Lernen mit multiplen externen Repräsentationen eingegangen und daraus die Forschungsfragen abgeleitet, welche die Motivation für die vorliegende Arbeit geliefert haben. Im Kapitel 3 werden die in dieser Untersuchung eingesetzten Methoden beschrieben. Kapitel 4 zeigt die Ergebnisse, die dann in Kapitel 5 diskutiert werden. In Kapitel 6 werden Schlussfolgerungen für weitergehende Forschungsarbeiten und für die instruktionspsychologische Praxis abgeleitet.

2 Theoretischer und empirischer Hintergrund

Zunächst werden einige zentrale Begriffe in Bezug auf Lernprozesse mit Texten und Bildern eingeführt (Abschnitt 2.1). Dann werden die wichtigsten Theorien zum Lernen mit multiplen externen Repräsentationen vorgestellt (Abschnitt 2.2). Danach wird die Rolle externer Repräsentationen beim Wissenserwerb dargestellt, wobei besonders auf die Rolle multipler externer Repräsentationen bei der Vermittlung von Wissen eingegangen wird (Abschnitt 2.3). Anschließend werden Möglichkeiten zur Förderung des Wissenserwerbs mit multiplen externen Repräsentationen erörtert (Abschnitt 2.4). Schließlich werden die Fragestellungen dieser Untersuchung abgeleitet (Abschnitt 2.5).

2.1 Externe, mentale und multiple Repräsentationen

Beim computerbasierten Lernprozess besteht das mediale Lernangebot nach Weidenmann (1997) aus einer instruktionalen Botschaft, die aus der spezifischen Codierung und Strukturierung eines Inhalts entstanden ist und medial kommuniziert wird. Die Codierung zeigt sich in Sprache, Bildern, Zahlen etc., die Strukturierung betrifft Merkmale der didaktischen Methode, wie z.B. die Anordnung der Inhalte. Der Begriff der medialen Kommunikation bezieht sich auf die Mitteilung der instruktionalen Botschaft z.B. als Text in einem Buch oder auf einem Computerbildschirm. Zur Beschreibung multimedialer Lernangebote schlägt Weidenmann (1997) ein Raster von mindestens drei Dimensionen vor. Der Begriff „Medium“ steht nach dieser Einteilung für die technische Dimension des medialen Angebots und beschreibt, mittels welcher Technik die Information übermittelt wird. „Codierung“ oder „Symbolsystem“ beschreibt die Art der Verschlüsselung der Information. Beispiele für Kommunikationscodes bei medialen Lernangeboten sind Sprache (geschrieben und gesprochen), Bilder (Abbilder, Diagramme etc.) und Zahlen. Je nach der Anzahl der verwendeten Codes nennt man das mediale Lernangebot entweder monocodal (nur Text, nur Bilder etc.) oder multicodal (Text und Bilder etc.). Schließlich ist nach Weidenmann (1997) noch zu bestimmen, welche Sinnesmodalität angesprochen wird. Dabei geht es um die physiologischen Wahrnehmungsysteme, also um die Frage, ob das mediale Lernangebot mit Augen oder Ohren rezipiert wird. Ein mediales Lernangebot kann demgemäß auf viele verschiedene Arten dargeboten werden. Gemeinsam ist allen Formen der Übermittlung von Information, dass sie die mediale Botschaft in eine für Lernende rezipierbare Form bringen müssen. Das heißt, Wissen muss in eine äußere Form (z.B. Text oder Bild) gebracht werden. Für diese „Materialisierung“ von Information wird der Begriff der externen Repräsentation gebraucht (vgl. Schnotz und Bannert, 1999).

Beim Wissenserwerb wird die Information aus den externen Repräsentationen decodiert, weiterverarbeitet und im Gehirn gespeichert. Werden externe Repräsentationen von einem Individuum verstanden, so geschieht dies nach Schnotz (2002), indem es interne mentale Repräsentationen zur Bewältigung aktueller oder antizipierter Anforderungen konstruiert.

Externe Repräsentationen dienen nicht nur als Informationsträger in der Wissensvermittlung, sondern können auch zur Entlastung des eigenen Gedächtnisses eingesetzt werden, indem sie mentale Repräsentationen ergänzen oder ersetzen (Zhang & Norman, 1994).

Liegen externe oder mentale Repräsentationen in unterschiedlichen Formaten vor, so werden sie entsprechend multiple externe oder mentale Repräsentationen genannt (vgl. Plötzner, Bodemer & Feuerlein, 2001). Multiple externe Repräsentationen sind nach diesem Verständnis beispielsweise die Darbietung von Information durch Kombination von Text und Bild.

Die Frage, welche Form die Repräsentation von Wissen im Gedächtnis annimmt, ist von großer Bedeutung für das Verständnis von Wissenserwerb. Verschiedene Annahmen zur Wissensrepräsentation haben zu verschiedenen Modellen des Wissenserwerbs geführt. Nimmt man eine grobe Einteilung dieser Modelle vor, dann lassen sich zwei einander ergänzende Formen der Wissensrepräsentation unterscheiden, nämlich symbolische Repräsentationen in Form von Propositionen und analoge Repräsentationen in Form mentaler Modelle (Schnotz, 1997).

Eine Proposition wird als die kleinste Bedeutungseinheit verstanden, die als selbstständige Aussage stehen kann. Propositionale Repräsentationen bestehen nach Schnotz et al. (1999) aus komplexen internen Symbolen, die nach bestimmten syntaktischen Regeln aus einfacheren Symbolen zusammengesetzt sind und zum Ausdruck bringen, dass zwischen bestimmten Sachverhalten bestimmte Relationen bestehen.

2.2 Duale Codierung bei der Informationsverarbeitung

Im Folgenden werden die wichtigsten theoretischen Ansätze zum Lernen mit Text und Bild vorgestellt. Diesen Ansätzen ist gemeinsam, dass sie alle von der dualen Codierung von Information im Gedächtnis ausgehen. Zunächst wird in Abschnitt 2.2.1 die Theorie der dualen Codierung erläutert. Anschließend wird in Abschnitt 2.2.2 auf die Theorie des multimedialen Lernens eingegangen. Ebenfalls von der Annahme der dualen Codierung geht das integrative Modell des Text-, Bild- und Diagrammverstehens aus, das in Abschnitt 2.2.3 ausgeführt wird.

2.2.1 Die duale Codierungstheorie

Die duale Codierungstheorie von Paivio postuliert zwei verschiedene kognitive Subsysteme zur mentalen Verarbeitung von sprachlichen und bildhaften Informationen: Das verbale System und das visuelle (imaginale) System (Paivio, 1991). Während das imaginale System räumlich-parallel codiert, arbeitet das verbale System eher sequentiell. Beide Systeme stehen miteinander in Verbindung. Sprachliche Informationen können sowohl verbal als auch über die mit ihnen verbundenen Vorstellungen imaginal gespeichert werden. Umgekehrt ist es auch möglich, dass Bilder neben der bildhaften Verarbeitung über ihre Benennung verbal codiert werden. Diese zweifache kognitive Repräsentation wird von Paivio als Doppelcodierung bezeichnet. In dieser doppelten Codierung bildhafter Information sieht Paivio den Grund für die behaltensfördernde Wirkung von Bildern in Texten. Forschungsbefunde zur Hemisphärenspezialisierung sprechen für die Annahme einer dualen Codierung (Springer & Deutsch, 1998).

2.2.2 Die Theorie des multimedialen Lernens

Die Theorie des Multimedialen Lernens von Mayer geht von drei zentralen Annahmen aus (Mayer, 2001; Mayer & Moreno, 2003):

- Informationen werden in Anlehnung an die Theorie Paivios in zwei unterschiedlichen Subsystemen codiert.
- Die Kapazität der beiden Subsysteme des Arbeitsgedächtnisses ist begrenzt (Baddeley, 1992). Auf die begrenzte Kapazität und ihre Implikation für den Wissenserwerb wird in Abschnitt 2.4.1 ausführlicher eingegangen.
- Aktives Lernen führt zur Bildung von kohärenten mentalen Repräsentationen.

Zum aktiven Lernen gehören nach Mayer das Richten der Aufmerksamkeit auf den Lerngegenstand (selecting), die Organisation der wahrgenommenen Informationen (organizing) und die Integration der aufgenommenen Informationen mit anderen Wissensstrukturen (integrating). Der Lernende ist nicht passiver Empfänger einer Information, sondern versucht vielmehr durch aktive Verarbeitungsprozesse, dargebotenen Lerninhalten Sinn zu geben. Abbildung 1 stellt die Annahmen der Theorie des multimedialen Lernens dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Die Theorie des multimedialen Lernens (nach Mayer, 2001)

Ist bedeutungsvolles Lernen das Ziel, dann müssen Lernende nach Mayer (2001; Mayer et al., 2003) folgende zentrale kognitive Prozesse durchlaufen: Die extern repräsentierte multimediale Information gelangt, über Augen und Ohren aufgenommen, in den sensorischen Speicher (sensory memory). Aus der sensorisch wahrgenommenen Information werden relevante Worte und Bilder ausgewählt, die ins Arbeitsgedächtnis (working memory) überführt werden. Dort werden die ausgewählten Worte in einem verbalen mentalen Modell (verbal model) und die ausgewählten Bilder in einem visuellen mentalen Modell (pictorial model) organisiert, und schließlich findet die Integration von verbalem und visuellem mentalen Modell statt. Dabei werden die mentalen Modelle aufeinander abgebildet. Zu diesem Zweck müssen sich die einander entsprechenden Informationseinheiten der verbalen und visuellen mentalen Repräsentationen gleichzeitig im Arbeitsgedächtnis befinden (vgl. Chandler und Sweller, 1991). In den Integrationsprozess geht auch das im Langzeitgedächtnis (long term memory) gespeicherte Vorwissen (prior knowledge) der lernenden Person ein. Die genannten Prozesse laufen nicht unbedingt linear ab, sondern können in ihrer Abfolge variieren. Erfolgreiches multimediales Lernen erfordert nach Mayer die Koordination und Beobachtung der genannten Prozesse seitens der lernenden Person.

Aus seinem Modell leitet Mayer (2001) eine Reihe von Prinzipien f ü r die gute Gestaltung von multimedialen Lernoberflächen ab. Diese sollen im folgenden erläutert werden.

- Das Multimedia-Prinzip besagt, dass Lernende von Text-Bildkombinationen mehr profitieren als von Texten alleine. Dies führt Mayer darauf zurück, dass Lernende die Möglichkeit haben, sowohl verbale als auch visuelle mentale Modelle zu konstruieren und zwischen diesen Verbindungen herzustellen. Die ausschließliche Darbietung von Text führt lediglich zur Konstruktion eines verbalen mentalen Modells. Die Wahrscheinlichkeit, ein visuelles mentales Modell zu konstruieren (und Verbindungen zwischen den mentalen Modellen herzustellen), ist in diesem Fall geringer als bei der Darbietung von Text-Bild-Kombinationen. Die Umsetzung dieses Prinzips führte in mehreren von Mayer und Kollegen durchgeführten empirischen Untersuchungen in allen Fällen zu einer Verbesserung der Transferleistung und in 6 von 9 Fällen zu einer Verbesserung der Behaltensleistung (Mayer, 2001).
- Das Prinzip der räumlichen Nähe besagt, dass der Lernerfolg höher ist, wenn zusammengehörende Text- und Bildkomponenten in räumlicher Nähe dargeboten werden, als wenn sie weiter voneinander entfernt liegen. Damit befindet sich Mayer in Übereinstimmung mit Chandler und Sweller (1991, 1992). Die Missachtung des genannten Gestaltungsprinzips führt zum sogenannten Split-Attention-Effekt (nähere Ausführungen zum Split-Attention-Effekt siehe 2.4.2).
- Das Prinzip der zeitlichen Nähe besagt, dass Lernende mehr davon profitieren, wenn ihnen zusammengehörende Text- und Bildkomponenten gleichzeitig dargeboten werden, als wenn diese in zeitlichem Abstand präsentiert werden. Dieses Prinzip hängt unmittelbar mit dem Prinzip der räumlichen Nähe zusammen, weil die räumlich weit entfernte Darbietung zweier aufeinander abzubildender externer Repräsentationen zu längeren Suchzeiten führen kann.
- Nach dem Kohärenz-Prinzip ist der Lernerfolg größer, wenn keine nicht unmittelbar für den Lernprozess erforderlichen externe Repräsentationen dargeboten werden.
- Das Modalitäten-Prinzip besagt, dass der Wissenserwerb erfolgreicher verläuft, wenn Informationen mit auditiv erklärten Animationen dargeboten werden, als wenn sie als Animation mit Bildschirmtext dargeboten werden.
- Das Redundanz-Prinzip besagt, dass der Lernprozess besser verläuft, wenn Animationen nur mit auditiven Erläuterungen unterlegt werden, als wenn zusätzlich noch Bildschirmtext dargeboten wird.
- Das Prinzip der individuellen Unterschiede besagt, dass die Effekte der Einhaltung der Gestaltungsprinzipien für multimediale Lernoberflächen für Lernende mit niedrigem Vorwissen stärker ausfallen als für solche mit hohem Vorwissen und dass sie stärker für Lernende mit hohem räumlichen Vorstellungsvermögen sind als für Personen mit geringem räumlichen Vorstellungsvermögen (für eine differenziertere Betrachtung zum Einfluss des Vorwissens auf den Wissenserwerb siehe 2.4.1.2).

Der zweite theoretische Ansatz, der im Folgenden dargestellt werden soll, hat einige Gemeinsamkeiten mit dem Ansatz von Mayer (2001). Andererseits macht er andere Annahmen in Bezug auf die mentale Repräsentation von Informationen im Gedächtnis.

2.2.3 Das integrative Modell des Text-, Bild- und Diagrammverstehens

Das integrative Modell des Text-, Bild- und Diagrammverstehens von Schnotz und Bannert (1999, 2003) besteht aus einem deskriptionalen und einem depiktionalen Repräsentationszweig. Deskriptionale Repräsentationen bestehen aus Symbolen, die einen Sachverhalt beschreiben. Unter Symbolen werden Zeichen mit einer arbiträren Struktur verstanden. Depiktionale Repräsentationen bestehen aus ikonischen Zeichen und sind mit dem Bezeichneten durch eine Konvention verknüpft.

Der deskriptionale Zweig setzt sich aus der externen Repräsentation einer textuellen Information, der mentalen Repräsentation der Textoberflächenstruktur und der mentalen propositionalen Repräsentation des semantischen Gehalts der textuell dargebotenen Information zusammen. Demgegenüber besteht der depiktionale Zweig des Modells aus der bildhaft dargebotenen externen Repräsentation, der mentalen Repräsentation der grafischen Struktur dieser Information in Form einer visuellen Wahrnehmung oder auch einer Vorstellung und dem mentalen Modell der dargestellten Information. Abbildung 2 zeigt das Modell von Schnotz et al. (1999, 2003).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Das integrative Modell des Text-, Bild- und Diagrammverstehens (nach Schnotz et al., 1999)

Beim Lesen und Verstehen textueller Information wird durch subsemantische Verarbeitung eine mentale Oberflächenstruktur des gelesenen Textes konstruiert. Auf Grundlage der Textoberflächenrepräsentation wird durch semantische Verarbeitung eine propositionale Repräsentation generiert. Mittels dieser sogenannten Textbasis wird schließlich ein mentales Modell des Lerngegenstands konstruiert.

Beim Betrachten und Verstehen eines Bildes laufen folgende Prozesse ab: Die lernende Person generiert durch subsemantische Verarbeitung eine visuelle mentale Repräsentation des Bildes. Davon ausgehend wird durch semantische Verarbeitung ein mentales Modell und eine propositionale Repräsentation konstruiert.

Der deskriptionale Zweig und der depiktionale Zweig interagieren miteinander über Konstruktions- und Ableseprozesse. Beim Textverstehen wird anhand einer deskriptionalen propositionalen Repräsentation eine depiktionale Repräsentation oder ein mentales Modell konstruiert, woran dann wiederum neue Informationen abgelesen und der propositionalen Repräsentation hinzu gefügt werden. Beim Bild- oder Diagrammverstehen wird ausgehend von einer depiktionalen Repräsentation durch Ableseprozesse auch eine deskriptionale propositionale Repräsentation konstruiert. Das bedeutet, dass extern deskriptionale Repräsentationen mental auch zur Bildung depiktionaler Repräsentationen führen und extern depiktionale Repräsentationen auch zur Bildung deskriptionaler Repräsentationen.

Eine wichtige Rolle spielen in diesem Zusammenhang die kognitiven Schemata. Kognitive Schemata repräsentieren typische Zusammenhänge innerhalb eines Realitätsbereichs. Ihre Funktion beim Wissenserwerb ist die Konstruktion propositionaler Repräsentationen und mentaler Modelle im Langzeitgedächtnis (Schnotz et al., 1999). Um kognitive Schemata aufzubauen, müssen die Informationen, die in ein Schema integriert werden sollen, gleichzeitig im Arbeitsgedächtnis aktiviert werden. Durch die wiederholte Anwendung von Schemata werden diese zunehmend automatisiert.

Die Autoren gehen davon aus, dass propositionale Repräsentationen und mentale Modelle beim Wissenserwerb laufend interagieren. Einerseits finden ausgehend von der propositionalen Repräsentation Prozesse der Modellkonstruktion statt, die zum Aufbau eines neuen oder zur Veränderung eines bestehenden mentalen Modells führen. Diese Konstruktionsprozesse werden durch kognitive Schemata angeleitet. Das führt dazu, dass das konstruierte Modell relativ typisch für den repräsentierten Sachverhalt ausfällt. Andererseits finden an einem mentalen Modell Ableseprozesse statt, bei denen neue Informationen entnommen und der propositionalen Repräsentation hinzu gefügt werden.

Vergleicht man die beiden theoretischen Ansätze von Mayer (2001) und Schnotz et al. (1999, 2003) so zeigen sich gewisse Ähnlichkeiten. Wie bereits unter 2.2 erwähnt, gehen beide Ansätze von einer dualen Codierung von Wissen im Gedächtnis aus und postulieren einen mehrstufigen Verarbeitungsprozess, bei dem textuelle und bildhafte Informationen zunächst zu getrennten Repräsentationen verarbeitet werden.

Andererseits unterscheiden sich die beiden Ansätze in Bezug auf die Annahmen zur Form der mentalen Repräsentation von Informationen im Gedächtnis (für einen Überblick siehe Reimann, 2003). Mayer geht davon aus, dass die Verarbeitung von textueller und bildhafter Information zu zwei verschiedenen mentalen Repräsentationen führt. Mentale Modelle basieren nach Mayer entweder auf Text oder auf Bildern. Für Schnotz et al. (1999) sind mentale Modelle grundsätzlich analoge depiktionale Repräsentationen (interne Quasi-Objekte), die in einer Struktur- oder Funktionsanalogie zum jeweiligen Wissensgegenstand stehen und den Gegenstand aufgrund dieser Analogie repräsentieren. Nach Schnotz et al. (2003) kann der Abbildungsprozess zwischen verbalen und bildhaften Repräsentationen nicht als strukturelle Integration stattfinden, weil sie in verschiedenen Formaten (deskriptiv und depiktional) vorliegen. Außerdem findet bei Schnotz et al. (2003) duale Codierung bei bildhaft und textuell basierten Repräsentationen statt. Des weiteren unterscheidet sich der Ansatz von Schnotz et al. (2003) von der Theorie des multimedialen Lernens in Hinsicht auf die Interaktion zwischen dem deskriptionalen und dem depiktionalen Zweig. Bei Schnotz et al. (2003) findet die Interaktion nicht primär auf der Ebene von Textoberflächenrepräsentation und visueller Wahrnehmung statt wie bei Mayer (2001), sondern auf der Ebene propositionaler Repräsentationen und mentaler Modelle. Schließlich wird das, was von Mayer (2001) als strukturell integrierte Repräsentation gesehen wird, bei Schnotz et al. (2003) als ein kontinuierlicher Prozess der Konstruktion und Inspektion betrachtet. Dabei werden der deskriptive und der depiktionale Zweig nicht aufeinander abgebildet, sondern kommunizieren miteinander als interagierende kognitive Module.

2.3 Die Rolle multipler externer Repräsentationen beim Wissenserwerb

Multiple externe Repräsentationen können einerseits die Prozesse des Lernens und Problemlösens auf unterschiedliche Weise unterstützen (für einen Überblick siehe Bodemer & Plötzner, in press) und somit den Wissenserwerb erleichtern. Von Vorteil sind multiple externe Repräsentationen im Vergleich zur Darbietung nur einer Repräsentationsform nach Ainsworth (1999) beispielsweise aufgrund der Bildung vollständigerer mentaler Repräsentationen durch die gegenseitige Ergänzung von Text und Bild. Durch Verwendung multipler externer Repräsentationen können Lernende bei der Interpretation anderer Repräsentationen unterstützt werden. Schließlich können diese bei der Konstruktion tieferen Verständnisses helfen. Kaput (1989, s. 179-180, zitiert nach Ainsworth, Bibby & Wood, 2002) bemerkt dazu: „the cognitive linking of representations creates a whole that is more than the sum of ist parts…it enables us to see complex ideas in a new way and apply them more effectively.“ Auch bekommen Lernende durch die gemeinsame Verwendung von Texten und Bildern die Möglichkeit, jeweils die von ihnen bevorzugte Repräsentationsform zu nutzen (Schnotz et al., 1999).

Außerdem können verschiedene externe Repräsentationsformen Lernenden dazu verhelfen, einen Sachverhalt aus verschiedenen Perspektiven zu betrachten, was nach Spiro und Jehng (1990) zur Flexibilität bei Problemlöseprozessen führen kann.

Auf der anderen Seite geht die Verwendung multipler externer Repräsentationen mit besonderen Anforderungen und Problemen einher. Die verschiedenen Repräsentationen müssen verarbeitet und miteinander in Beziehung gesetzt werden, die Interaktionen mit diesen Repräsentationen müssen kontrolliert und bewertet und schließlich zur Konstruktion kohärenter mentaler Repräsentationen eingesetzt werden. In vielen Fällen kommen Lernende mit diesen Anforderungen nicht zurecht, und es entsteht kognitive Überlastung, wodurch Lernprozesse gestört werden können (für einen Überblick siehe Bodemer et al., in press).

So werden beispielsweise, vor allem bei Lerngegenständen, die den Lernenden unbekannt sind, die visuellen und räumlichen Strukturen in externen Repräsentationen oftmals nicht adäquat verstanden (z. B. Lowe, 1998). Verschärft wird diese Problematik in vielen Fällen dadurch, dass es zu Verstehensillusionen kommt (z.B. Salomon, 1994).

Ein anderes Problem entsteht dadurch, dass die unterschiedlichen Informationsquellen häufig nicht systematisch aufeinander bezogen werden (z. B. Kozma, Russel, Jones, Marx & Davis, 1996; Lowe, 1998) und daher die gebildeten mentalen Repräsentationen unzusammenhängend bleiben.

Schließlich werden bei der Wissensvermittlung durch multiple externe Repräsentationen hohe Anforderungen an Lernende gestellt. Beim Wissenserwerb mit multiplen externen Repräsentationen sind mehr Informationen zu verarbeiten, und die Aufmerksamkeit muss auf mehrere Informationsquellen verteilt werden (Lowe, 1998) als bei der monocodalen Wissensvermittlung. Diese erhöhten Anforderungen gehen mit erhöhter kognitiver Belastung einher. Dadurch kann es zu Beeinträchtigungen des Wissenserwerbs kommen (Sweller, 1994; Sweller & Chandler, 1991). Auf den Begriff der kognitiven Belastung wird ausführlich in Abschnitt 2.4.1 eingegangen.

Die empirischen Befundlage zum Wissenserwerb mit multiplen externen Repräsentationen ist nicht eindeutig. Untersuchungen von Mayer und Kollegen erbrachten vorteilhafte Effekte für den Einsatz multipler externer Repräsentationen beim Wissenserwerb (einen Überblick gibt Mayer, 2001). Andere Studien haben gezeigt, dass es Lernenden beim Arbeiten mit multiplen externen Repräsentationen nicht gelingt, die Repräsentationen adäquat aufeinander zu beziehen (vgl. Ainsworth et al., 2002). In diesen Studien haben sich keine Verbesserungen des Wissenserwerbs mit multiplen externen Repräsentationen ergeben. Zusammenfassend kann man sagen, dass Lernende auf Probleme stoßen, wenn es darum geht, verschiedene externe Repräsentationen aufeinander zu beziehen (z.B. Ainsworth et al., 2002, Kozma et al., 1996). Das heißt, die Beziehungen zwischen den unterschiedlichen externen Repräsentationen werden von Lernenden nicht automatisch erkannt. Das führt dazu, dass die Informationen nicht in kohärente mentale Repräsentationen integriert werden, sondern oftmals unvollständig und isoliert bleiben (vgl. Bodemer et al., in press). Auf die Bedeutung kohärenter mentaler Repräsentationen für den Wissenserwerb wird in Abschnitt 2.3.1 eingegangen.

Bei der Vielzahl von Anforderungen und Problemen, denen sich Lernende beim Wissenserwerb mit multiplen externen Repräsentationen gegenübersehen, stellt sich die Frage, wie sie beim Lernprozess instruktionspsychologisch effektiv unterstützt werden können. Um diese Frage befriedigend beantworten zu können, muss der Begriff der Effektivität expliziert werden.

2.3.1 Effektivität von Lernprozessen

Nach Mayer (1997, 2001) und Schnotz et al. (1999) ist das zentrale Ziel des multimedialen Lernprozesses die Integration von externen Repräsentationen in kohärente mentale Repräsentationen. In der vorliegenden Untersuchung wird in Übereinstimmung mit dieser Sichtweise der Lernprozess als effektiv betrachtet, wenn dabei sinnhaftes Lernen im Vordergrund steht. Effektiv sind in diesem Sinne Lernprozesse, bei denen nicht nur das reine Behalten als Ziel des Wissenserwerbs betrachtet wird, sondern vor allem ein tiefes Verständnis für die Lerninhalte, das den Lernenden in der Folge die Möglichkeit gibt, ihr Wissen auch auf andere, strukturell verwandte Situationen auszuweiten und anzuwenden. Letzteres findet nach Mayer (2001) statt, wenn kohärente mentale Repräsentationen aufgebaut werden. Dies wird auch als Transfer bezeichnet.

Im Vordergrund dieser Untersuchung steht hauptsächlich die Transferleistung von Lernenden als Maß für die Effektivität des Wissenserwerbs. Es wird im Hinblick auf die Ähnlichkeit von Lern- und Anwendungssituation distaler Transfer und proximaler Transfer unterschieden (Hager & Hasselhorn, 2000). Distal ist der Transfer auf unähnlichere Situationen, während sich proximaler Transfer auf näher verwandte Situationen bezieht. Um die Transferleistung zu verbessern, sind Strategien der bedeutungsvollen Elaboration von Lerninhalten erforderlich (Weinstein & Mayer, 1985; Wittrock, 1985).

Diese Sichtweise des Lernprozesses steht in Übereinstimmung mit der Theorie der Verarbeitungstiefe von Craik und Lockhart (1972). Diese besagt, dass für den Aufbau von dauerhaften und komplexen Wissensstrukturen das tiefe Verarbeiten der Lerninhalte erforderlich ist. Dazu ist in vielen Fällen das häufige Wiederholen von zu lernender Information nicht ausreichend. Vielmehr ist das entscheidende Kriterium für den Erwerb von dauerhaftem Wissen die Tiefe der Verarbeitung. Vorraussetzung für eine tiefe Verarbeitung ist, dass zu lernende Informationen mit einer möglichst großen Anzahl von kognitiven Strukturen in Verbindung gebracht werden. Dies wird dann wahrscheinlich, wenn mit der betreffenden Information möglichst viele unterschiedliche kognitive Operationen durchgeführt werden. Ein wichtiges Ziel der instruktionspsychologischen Gestaltung von Lernoberflächen zumindest für Lernende, die solche Strategien nicht von sich aus anwenden, ist die Implementation von Unterstützungsmaßnahmen, die eine möglichst tiefe Verarbeitung der Lerninhalte fördern.

Eine Lernaktivität, die zu einem tieferen Verständnis eines Lerngegenstands führen kann, ist das aufeinander Beziehen und Koordinieren multipler externer Repräsentationen (Perkins & Unger, 1994). Das Erkennen einer Beziehung zwischen verschiedenen externen Repräsentationen ist allerdings eine Aufgabe, an der viele Lernende scheitern können, wenn sie nicht dabei unterstützt werden.

Wie aus den vorhergehenden Ausführungen hervorgeht, führt der Einsatz multipler externer Repräsentationen nicht per se zu einer Verbesserung des Wissenserwerbs. Daraus ergibt sich als wichtiger Ansatzpunkt für die instruktionspsychologische Gestaltung von multimedialen Lernoberflächen die Frage: Wie können Lernende erfolgreich dabei unterstützt werden, verschiedene Repräsentationen adäquat aufeinander zu beziehen, um auf diese Weise den Wissenserwerb zu optimieren ?

2.4 Förderung des Lernens mit multiplen externen Repräsentationen

In den folgenden Abschnitten werden die wichtigsten Ansätze zur Förderung des Wissenserwerbs mit multiplen externen Repräsentationen erläutert. Zunächst wird als Ausgangspunkt in Abschnitt 2.4.1 die Theorie der kognitiven Belastung dargestellt. Anschließend wird als ein Ansatz der Förderung des Lernens mit multiplen externen Repräsentationen die Reduktion der Extraneous Load aufgezeigt (Abschnitt 2.4.2). Im Anschluss daran wird der Ansatz von Bodemer et al. (in press), Bodemer, Plötzner, Feuerlein und Spada (in press) und Plötzner et al. (2001) zur Verbesserung des Lernerfolgs durch Förderung von Germane Load ausgeführt (Abschnitt 2.4.3).

2.4.1 Die Theorie der kognitiven Belastung

Ein vielversprechender Ansatz zur Unterstützung lernender Personen beim Aufbau kohärenter mentaler Repräsentationen lässt sich aus der Theorie der kognitiven Belastung ableiten (Sweller, 1988; Sweller et al., 1991; Sweller, 1994; Sweller, van Merrienboer & Paas, 1998). Diese geht von folgender kognitiver Architektur aus: Das Arbeitsgedächtnis ist streng limitiert hinsichtlich seiner Kapazität und besteht seinerseits aus teilweise unabhängigen Komponenten für visuelle und auditive Informationen (Baddeley, 1992). Das Arbeitsgedächtnis interagiert mit dem Langzeitgedächtnis, dessen Kapazität als nahezu unbegrenzt angesehen wird (Paas, Tuovinen, Tabbers & van Gerven, 2003). Im Langzeitgedächtnis ist Information in Form kognitiver Schemata gespeichert. Die zentralen Prozesse beim Lernprozess sind für Sweller (1994) und Sweller et al. (1998) der Aufbau kognitiver Schemata und deren Automatisierung.

Setzt man voraus, dass die lernende Person ausreichend motiviert ist, Wissen über einen Lerngegenstand zu erwerben, dann geht nach Sweller (1988) die Anforderung, die der Lernende in diesem Fall an sich selbst stellt, mit kognitiver Belastung einher. Aufgrund der limitierten Beschaffenheit des Arbeitsgedächtnisses kann nur eine begrenzte Menge an Information gleichzeitig verarbeitet werden. Übersteigt die Menge an Information, die gleichzeitig verarbeitet werden muss, die kognitive Kapazität des Lernenden, so führt dies zu kognitiver Überlastung, was wiederum den Wissenserwerb beeinträchtigen kann. In der ursprünglichen Fassung der Theorie (Sweller, 1988; Sweller et al., 1991; Sweller, 1994) unterscheiden die Autoren zwei Komponenten der kognitiven Belastung:

- Intrinsic Load, die unmittelbar von den Inhalten des Lerngegenstands abhängt
- Extraneous Load, die von der Präsentation der Inhalte bestimmt wird.

In den folgenden Abschnitten werden die Komponenten der kognitiven Belastung im Einzelnen beschrieben.

2.4.1.1 Intrinsic Cognitive Load

Intrinsic Load wird durch die Komplexität des Lerngegenstands und durch das Vorwissen der lernenden Person bestimmt. Die Komplexität des Lerngegenstands ist abhängig von der Anzahl an Informationseinheiten, die beim Lernprozess gleichzeitig zu verarbeiten sind, und der Anzahl der Wechselwirkungen, die zwischen diesen Einheiten bestehen. Je mehr Informationseinheiten gleichzeitig verarbeitet werden müssen und je mehr Wechselwirkungen zwischen diesen bestehen, desto höher ist die Komplexität des Lerngegenstands und damit auch die Intrinsic Load. Das Vorwissen der Lernenden beeinflusst auf direkte Weise die Anzahl der Informationseinheiten, die gleichzeitig im Arbeitsgedächtnis verarbeitet werden müssen: Nach Sweller (1994) bedeutet ein hohes Vorwissen, dass im Langzeitgedächtnis des Lernenden bereits eine große Anzahl kognitiver Schemata zum dargebotenen Lerngegenstand vorhanden sind, auf die beim Wissenserwerb zurückgegriffen werden kann. Das heißt, dass die Informationseinheiten das Arbeitsgedächtnis nicht einzeln belasten müssen, sondern dass eine größere Anzahl an Informationseinheiten gemeinsam als eine Einheit verarbeitet werden kann (chunking). Je höher das Vorwissen eines Lernenden ist, desto geringer ist demnach bei sonst gleichbleibenden Bedingungen die Intrinsic Load. Daher hat die Gestaltung von Lernoberflächen keinen Einfluss auf die Intrinsic Load, wenn man einmal davon absieht, dass sich im Verlauf des Lernprozesses erwartungsgemäß das Wissen des Lernenden über den Lerngegenstand erhöht und durch den Aufbau kognitiver Schemata die Intrinsic Load allmählich abgebaut wird. Das bedeutet, dass es möglich ist, durch die

Berücksichtigung von Gestaltungsempfehlungen, die unmittelbar aus instruktionspsychologischer Grundlagenforschung entstanden sind, bei der Gestaltung der Lernumgebung die Intrinsic Load im Verlauf des Lernprozesses schneller abzubauen. Auf die Intrinsic Load, der Lernende zu Beginn des Lernvorganges ausgesetzt werden, hat der Instruktionsdesigner keinen direkten Einfluss. Mittlerweile gibt es Ansätze, die sich mit der Reduktion der Intrinsic Load auseinander setzen. Dabei soll durch die allmähliche Steigerung der Anforderungen an die Lernenden durch anfängliche Darbietung von Aufgaben niedriger Komplexität bis hin zu Aufgaben hoher Komplexität die Intrinsic Load reduziert werden (Paas, Renkl & Sweller, 2003).

Aufgrund der Bedeutung des Vorwissens für die kognitive Belastung von Lernenden und der daraus entstehenden Konsequenzen für den Wissenserwerb folgt im nächsten Abschnitt ein Exkurs zur Bedeutung des Vorwissens beim Wissenserwerb.

2.4.1.2 Exkurs: Die Bedeutung des Vorwissens beim Wissenserwerb

In früheren instruktionspsychologischen Forschungsarbeiten wurden hauptsächlich die unterschiedlichen Einflüsse verschiedener Instruktionsmaßnahmen auf den Lernerfolg untersucht. Im Zentrum der Aufmerksamkeit stand dabei meist das Behalten von in Texten dargebotenen Informationen mit oder ohne Darbietung von Bildmaterial (Schnotz et al., 1993). In der jüngeren Forschung werden zusätzlich Variablen auf der Seite der Lernenden berücksichtigt, da sich gezeigt hat, dass sich Lernervariablen und Variablen auf der Seite der Lehrenden bzw. der Lernoberfläche wechselseitig beeinflussen (z. B. Gerjets & Scheiter, 2003). Eine Variable, die einen großen Einfluss auf den Wissenserwerb ausübt, ist das themenspezifische Vorwissen. „Das (technische und domänenspezifische) Vorwissen hat den größten Einfluss auf den Wissenserwerb“ (Vath, Hasselhorn & Lüer, 2001, S. 29). Nach Mayer (2001) ist die Integration der mentalen Repräsentationen untereinander und mit dem Vorwissen eine Voraussetzung für die Konstruktion kohärenter mentaler Repräsentationen und damit für den erfolgreichen Wissenserwerb.

Wichtig ist der Einfluss des Vorwissens auch, wenn man versucht, die theoretischen Konstrukte der Theorie der kognitiven Belastung in die instruktionspsychologische Praxis umzusetzen. Dabei befindet sich der Instruktionsdesigner in einem Dilemma.

Einerseits ist es denkbar, dass ein Bild alleine für Lernende mit geringem Vorwissen nicht verständlich ist, was zusätzliche Erläuterungen im Text erforderlich macht, da ohne den Text die kognitive Belastung der Lernenden zu hoch wäre.

Andererseits kann dasselbe Bild für Lernende mit hohem Vorwissen ohne viel erläuternden Text verständlich sein. Derselbe erläuternde Text, der für Lernende mit geringem Vorwissen unverzichtbar war, ist für Lernende mit hohem Vorwissen redundant.

Die Redundanz aufgrund der Implementation von zusätzlichem Text erhöht die Extraneous Load (Kalyuga, Chandler & Sweller, 1999).

Seufert (2000, 2003) hat gezeigt, dass unterschiedliche Instruktionsmaßnahmen je nach Vorwissen einen unterschiedlichen Einfluss auf den Lernerfolg haben können. Dabei teilte sie die Versuchspersonen in drei Untergruppen nach ihrem Vorwissen ein und parallelisierte die Versuchsbedingungen nach diesem Kriterium. Dann untersuchte sie, welchen Einfluss unterschiedlich direktive Hilfestellungen auf den Lernerfolg haben. Es profitierten vor allem Lernende mit mittlerem Vorwissen von direktiven Instruktionsmaßnahmen, da sie einerseits genügend Vorwissen besaßen, um Verknüpfungen mit neuen Informationen vorzunehmen, was für Lernende mit niedrigem Vorwissen nicht galt. Andererseits konnten sie im Gegensatz zu Lernenden mit hohem Vorwissen noch von Instruktionsmaßnahmen profitieren. Lernende mit hohem Vorwissen benötigten die direktive Unterstützung nicht und wurden durch diese möglicherweise sogar beim Lernprozess gestört (Interferenz).

2.4.1.3 Extraneous Cognitive Load

Unter Extraneous Load versteht man die Komponente der kognitiven Belastung, die im Hinblick auf den Aufbau kognitiver Schemata und deren Automatisierung ineffektiv ist. Extraneous Load lässt sich durch die Gestaltung der Lernumgebung direkt beeinflussen. Sie entsteht durch ungünstige Gestaltung von Lernmaterial. Ein Problem, dem Lernende aufgrund ungünstiger Gestaltung von Lernoberflächen häufig begegnen, ist beispielsweise die ungünstige Verteilung von Informationen, die mental aufeinander bezogen werden müssen, um eine kohärente mentale Repräsentation der dargestellten Lerninhalte aufzubauen. Auf dieses Problem wird in Abschnitt 2.4.2 ausführlich eingegangen.

Forschungsarbeiten, die sich bis Ende der neunziger Jahre des letzten Jahrhunderts mit der Rolle der kognitiven Belastung beim Wissenserwerb beschäftigt haben, konzentrierten sich hauptsächlich auf die Reduktion von Extraneous Load zur Verbesserung des Lernerfolgs (vgl. Kirschner, 2002). In einer modifizierten Fassung der Theorie der kognitiven Belastung wird die kognitive Belastung weiter ausdifferenziert, indem eine dritte Komponente hinzu gefügt wird, die unmittelbar relevant für den eigentlichen Wissenserwerb ist und Germane Load genannt wird (Sweller et al., 1998). Im folgenden Abschnitt wird diese Form der kognitiven Belastung näher dargestellt.

2.4.1.4 Germane Cognitive Load

Germane Load bezieht sich auf die kognitive Belastung, die unmittelbar mit Lernprozessen zusammenhängt: Germane Load bezeichnet die kognitive Belastung, die direkt in den Aufbau kognitiver Schemata und deren Automatisierung investiert wird (vgl. van Merrienboer, Schuurman, de Crook & Paas, 2002). Nach Sweller et al. (1998) sollten Lernende dazu gebracht werden, die freien kognitiven Ressourcen in lernförderliche kognitive Verarbeitungsvorgänge zu investieren, welche die Konstruktion kognitiver Schemata und deren Automatisierung begünstigen, um den Wissenserwerb zu verbessern. Dies geschieht, wenn die simultane Aktivierung der Elemente im Arbeitsgedächtnis beim Aufbau von kognitiven Schemata durch höherstufige kognitive Prozesse ergänzt wird. Die wechselseitige Abhängigkeit, in der sich Germane Load mit den beiden anderen Komponenten (siehe Abschnitte 2.4.1.1 und 2.4.1.3) der kognitiven Belastung befinden, wird im folgenden Abschnitt erläutert.

2.4.1.5 Das Zusammenwirken der Komponenten der kognitiven Belastung

Die drei Komponenten der kognitiven Belastung (Intrinsic Load, Extraneous Load und Germane Load) werden als additiv betrachtet. Das heißt, es gibt eine Gesamtkapazität des Arbeitsgedächtnisses, die zwischen den drei Komponenten der kognitiven Belastung aufgeteilt werden muss. Das zentrale Ziel der instruktionspsychologischen Gestaltung von Lernoberflächen sollte demgemäß die Reduktion von Extraneous Load und die Förderung von Germane Load sein. Durch die Optimierung von Lernoberflächen und Instruktionen kann sowohl Extraneous Load reduziert werden, um Lernende kognitiv nicht zu überfordern, als auch Germane Load gefördert werden. Gelingt es, die Extraneous Load über die günstige Gestaltung der Lernoberfläche und geeignete Instruktionsmaßnahmen weitgehend zu reduzieren und die Lernenden zusätzlich noch dazu zu bewegen, die durch die eingesetzten Maßnahmen freigewordenen kognitiven Ressourcen zur tiefen Verarbeitung des Lerngegenstands einzusetzen, so führt dies nach Bodemer et al. (in press) zu verbessertem Wissenserwerb. Hierbei ist zu beachten, dass aufgrund der additiven Beschaffenheit der Komponenten der kognitiven Belastung die Reduktion der Extraneous Load nur dann zu einer Verbesserung des Wissenserwerbs führt, wenn die Intrinsic Load relativ hoch ist. Ist die Intrinsic Load niedrig, dann bleibt auf Seiten der Lernenden genug kognitive Kapazität frei, um Schemata zu erwerben und zu automatisieren, ohne dass Extraneous Load reduziert werden muss (Paas et al. 2003).

In den folgenden Abschnitten werden die beiden bereits unter 2.4 erwähnten Ansätze zur Förderung des Wissenserwerbs mit multiplen externen Repräsentationen dargestellt. In Abschnitt 2.4.2 wird auf die Reduktion der Extraneous Load eingegangen. In Abschnitt

2.4.3 wird ausführlich die Förderung der Germane Load im Ansatz von Bodemer et al. (2001, in press) beschrieben.

2.4.2 Reduktion der Extraneous Load

Sweller und seine Kollegen haben eine ganze Reihe von Möglichkeiten aufgezeigt, mit denen die Extraneous Load reduziert werden kann (z.B. Sweller, Chandler, Tierney & Cooper, 1990). Auf diese soll hier nicht im Einzelnen eingegangen werden. Lediglich genannt werden sollen an dieser Stelle die Verwendung von ausgearbeiteten Lösungsbeispielen (z.B. Cooper & Sweller, 1987), die Nutzung verschiedener Modalitäten (z.B. Mousavi, Low & Sweller, 1995) und die Verwendung nicht-redundanter Informationen (z.B. Chandler et al., 1991).

In Bezug auf das Lernen mit multiplen externen Repräsentationen zeigten Sweller und seine Kollegen in mehreren Experimenten, dass die räumlich nahe Darbietung von textueller und bildhafter Information den Lernerfolg im Vergleich zur Darbietung in einem räumlich weiter entfernten Format verbessert (z.B. Chandler et al., 1991, 1992; Tarmizi & Sweller, 1988), worauf im Folgenden detailliert eingegangen wird.

2.4.2.1 Der Split-Attention Effekt

Wird Lernenden eine Textstelle räumlich weit entfernt von einer Abbildung dargeboten, auf die sie sich inhaltlich bezieht, so werden Lernende zu aufwändigen Suchvorgängen gezwungen, bei denen die Inhalte des Textes im Arbeitsgedächtnis gehalten werden muss, bis die zugehörige bildhafte externe Repräsentation gefunden wird. Diese visuelle Suche führt nach Sweller (1993) zu erhöhter Extraneous Load und als Folge zu einer Beeinträchtigung des Wissenserwerbs. Diese Beeinträchtigung des Wissenserwerbs wird nach Chandler et al. (1991, 1992) Split-Attention-Effekt genannt. Die räumlich nahe Darbietung von verschiedenen Informationsquellen, deren Inhalte in ein Schema integriert werden sollen, wird im folgenden als extern integriertes Format bezeichnet. Nach Chandler et al. (1991, 1992) und Mayer (2001) führt die extern integrierte Darbietung von multiplen Repräsentationen zu geringerer Extraneous Load und damit zu verbessertem Wissenserwerb im Vergleich zu nicht integrierter Darbietung. Dieser Befund konnte mehrfach empirisch abgesichert werden (z. B. Chandler et al., 1991, 1992; Mayer, 1997).

Den verbesserten Lernerfolg bei Darbietung des extern integrierten Formats erklären Chandler et al. (1991) damit, dass die Aufmerksamkeit der Lernenden bei Darbietung des integrierten Formats nicht zwischen den verschiedenen Informationsquellen geteilt werden muss. Mayer (2001) nennt das aus dem Split-Attention-Effekt abgeleitete Gestaltungsprinzip das Prinzip der räumlichen Nähe (siehe Abschnitt 2.2.2).

Wie aus den vorangegangenen Ausführungen zu entnehmen ist, spricht die empirische Befundlage eindeutig dafür, dass die integrierte Darbietung multipler Repräsentationen den Wissenserwerb verbessern kann. Die Darbietung des integrierten Formats belässt die Lernenden jedoch nach Bodemer et al. (in press), Bodemer, Plötzner, Feuerlein und Spada (in press) und Plötzner et al. (2001) in einer relativ passiven Situation (vgl. Sweller et al., 1998). Die Reduktion von Extraneous Load alleine garantiert noch nicht, dass die freiwerdende kognitive Kapazität von den Lernenden auch in lernförderliche Aktivitäten investiert wird, die zum Aufbau kohärenter mentaler Repräsentationen führt. Nach Mayer (2001) und Schnotz et al. (1999) ist für den Aufbau kohärenter mentaler Repräsentationen die Integration verbaler und visueller Informationen erforderlich. Im folgenden Abschnitt wird daher ein neuer Ansatz dargestellt, der zur Förderung von Germane Load die Lernende anleitet, multiple externe Repräsentationen aktiv in ein integriertes Format zu bringen (vgl. Bodemer et al., in press).

2.4.3 Förderung von Germane Load durch aktives Integrieren

Schnotz et al. (1993) beschrieben die Vorgänge, die ablaufen, wenn während des Lernprozesses eine Beziehung zwischen grafischen Abbildungen und mentalen Repräsentationen hergestellt wird, mit Hilfe der Strukturabbildungstheorie von Gentner (1983). Nach Gentner wird eine Analogie zwischen einem bekannten und einem unbekannten Themengebiet hergestellt, indem die mentale Struktur, die das bekannte Themengebiet repräsentiert, auf die mentale Struktur, die das unbekannte Themengebiet repräsentiert, abgebildet wird (Gentner, 1983, Gentner & Markman, 1997).

Bodemer et al. (2001, in press) und Plötzner et al. (2001) nutzten den Gedanken der Strukturabbildungstheorie, um Lernende bei der mentalen Integration verschiedener Informationsquellen zu unterstützen. Zumeist stehen die verschiedenen Informationsquellen, die Lernenden auf computerbasierten Lernoberflächen dargeboten werden, in einer strukturellen Beziehung zueinander. Dabei stehen Lernende, wie bereits unter 2.3 erwähnt, oftmals vor dem Problem, dass es ihnen nicht gelingt, die wichtigen Strukturen zu identifizieren und aufeinander abzubilden.

Bodemer et al. (in press) forderten Lernende auf, unterschiedliche Repräsentationen extern (am Computerbildschirm) aktiv aufeinander zu beziehen und als Folge mental zu integrieren. Auf diese Weise brachten sie Lernende dazu, relevante Strukturen dargebotener Repräsentationen zu erkennen und sie selbstständig, systematisch und interaktiv in ein integriertes Format zu bringen.

Bodemer et al. (in press) konnten in zwei Untersuchungen mit den Themenbereichen Varianzanalyse und klassische Mechanik zeigen, dass der Wissenserwerb verbessert wird, wenn Lernende angeleitet werden, die externe Integration von multiplen Repräsentationen schrittweise selbst vorzunehmen.

Die vorliegende Untersuchung basiert auf den Ergebnissen von Bodemer et al. (in press). Dabei sind folgende Aspekte der Untersuchung von Bodemer et al. (in press) zum Themenbereich Varianzanalyse unmittelbar relevant:

Die Autoren verglichen den Lernerfolg verschiedener Variationen der Integration multipler externer Repräsentationen in drei Versuchsbedingungen:

- Darbietung von Informationen in einem nicht-integrierten Format
- Darbietung von Informationen in einem integrierten Format
- Aktives Integrieren der Informationen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Variation des Faktors Integration im Experiment zum Themenbereich Varianzanalyse (aus: Bodemer et al., in press)

In Abbildung 3 werden von links nach rechts die Darbietung des nicht-integrierten Formats, die Darbietung des integrierten Formats und das aktive Integrieren dargestellt. In den ersten beiden Versuchsbedingungen wurden die Probanden nicht instruiert, eine externe Handlung durchzuführen. Ihnen wurden die verschiedenen Formate lediglich dargeboten. In der dritten Versuchsbedingung wurden die Probanden aufgefordert, die multiplen Repräsentationen aktiv aufeinander zu beziehen, indem sie die textuellen Informationen mit der Computermaus per „drag and drop“ entsprechenden Zielfeldern nahe der Abbildung zuordnen sollten. Auf diese Weise konstruierten die Lernenden schrittweise selbstständig das integrierte Format, das in der zweiten Versuchsbedingung dargeboten wurde.

Für die vorliegende Untersuchung ist vor allem folgendes Ergebnis des Experiments von Bodemer et al. (in press) von Bedeutung: Die Probanden, die aktiv integriert hatten, zeigten signifikant bessere Lernleistungen als diejenigen, denen das integrierte Format lediglich dargeboten wurde. Das aktive Integrieren multipler Repräsentationen führte im Vergleich zur passiven Rekonstruktion von vorgegebenen externen Repräsentationen zu höheren Behaltens- und Verstehensleistungen.

Unbeantwortet blieb in diesem Zusammenhang die Frage, welche der beiden Komponenten der kognitiven Belastung für den verbesserten Wissenserwerb verantwortlich war, bzw. welchen Beitrag zur Leistungssteigerung die Reduktion der Extraneous Load auf der einen Seite und die Förderung von Germane Load auf der anderen Seite erbrachte.

Um zu entscheiden, welche Komponente der kognitiven Belastung für den verbesserten Wissenserwerb in den Untersuchungen von Bodemer und Kollegen verantwortlich war, wäre es wünschenswert, die kognitive Belastung in ihren einzelnen Komponenten messen zu können. Im folgenden Abschnitt wird eine Übersicht über die verschiedenen Methoden zur Messung der kognitiven Belastung gegeben.

2.4.3.1 Die Messung von kognitiver Belastung

Zur Messung der kognitiven Belastung werden nach Paas, van Merrienboer und Adam (1994) hauptsächlich drei Methoden angewandt: Zum einen sind es Methoden, die sich auf die Erfassung physiologischer Maße wie Herzrate, evozierte Potenziale und Augenaktivität konzentrieren.

Zum anderen lassen sich aufgaben- und leistungsbezogene Maße erheben, indem versucht wird, die kognitive Belastung bei der Bearbeitung einer Aufgabe über die Leistung der Probanden in der Aufgabe selbst (primary task) oder in einer Sekundäraufgabe (secondary task) zu erfassen.

Schließlich werden bei der Messung der kognitiven Belastung subjektive Maße eingesetzt, die über Ratingskalen die Aufgabenschwierigkeit und die investierte mentale Anstrengung des Probanden (mental effort) erfassen (z.B. Paas, 1992). Diese subjektiven Maße sind nach Paas et al. (1994) und Sweller et al. (1998) ein valides, reliables und differenziertes Maß für die kognitive Belastung. Eine getrennte Messung der einzelnen Komponenten der kognitiven Belastung ist allerdings bis heute nicht gelungen. Die Frage, ob die Förderung des Wissenserwerbs der Lernenden bei Bodemer et al. (in press) durch die Reduktion von Extraneous Load stattfand, die sich aufgrund des integrierten Formats einstellte oder durch die Erhöhung von Germane Load, die durch die Förderung der Aktivität der Lernenden entstand, lässt sich demnach nicht durch direkte Messung beantworten.

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Details

Seiten
116
Jahr
2003
ISBN (eBook)
9783638243025
ISBN (Buch)
9783640861439
Dateigröße
2.2 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v20428
Institution / Hochschule
Eberhard-Karls-Universität Tübingen – Fakultät für Informations- und Kognitionswissenschaften, Psychologisches Institut, Lehrstuhl für Angewandte Kognitionspsychologie und Medienpsychologie
Note
1,0
Schlagworte
Erleichterung Wissenserwerbs Integrieren Repräsentationen

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Titel: Erleichterung des Wissenserwerbs durch aktives Integrieren multipler Repräsentationen