eJournals Psychologie in Erziehung und Unterricht 59/3

Psychologie in Erziehung und Unterricht
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0342-183X
Ernst Reinhardt Verlag, GmbH & Co. KG München
71
2012
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Kognitiver Konflikt und Lernleistung. Untersuchungen zur Effektivität einer konfliktinduzierenden Lernsoftware

71
2012
Elisabeth Sander
Andrea Heiß
In der vorliegenden Studie sollte geprüft werden, ob die Induzierung kognitiver Konflikte durch ein entsprechend gestaltetes Lernprogramm zu einer Verbesserung der Lern- und Behaltensleistung führt. In einer Vorstudie lernten 26 Realschüler und -schülerinnen einer 10. Klasse mit einem Lernprogramm zur Trigonometrie: 13 erhielten eine sog. konfliktinduzierende Variante (Experimentalgruppe), 13 arbeiteten mit einem konventionellen Programm (Kontrollgruppe). Die Schüler und Schülerinnen wurden angewiesen, laut zu denken, wobei sie auf Video aufgezeichnet wurden. Wie die Protokolle Lauten Denkens zeigen, erlebten die Schüler/innen der Experimentalgruppe signifikant mehr kognitive Konflikte als die Schüler/innen der -Kontrollgruppe. In der folgenden Hauptstudie arbeiteten 36 Realschüler und -schülerinnen mit dem konfliktinduzierenden Lernprogramm (Experimentalgruppe), 32 mit dem konventionellen (Kontrollgruppe). Unmittelbar nach der Lernphase erfolgte ein Posttest, sechs Wochen später ein Follow-up. Sowohl im Posttest als auch im Follow-up waren die Leistungen der Schüler/innen der Experimentalgruppe signifikant besser als die der Schüler/innen der Kontrollgruppe. Unmittelbar nach der Trainingsphase profitierten die Schüler/innen mit höherem Vorwissen stärker von dem konfliktinduzierenden Lernprogramm. Im Follow-up war dies nicht der Fall. Die Ergebnisse werden im Rahmen der Theorien zu kognitiven Konflikten und schülerzentrierten Lernprogrammen diskutiert.
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n Empirische Arbeit Psychologie in Erziehung und Unterricht, 2012, 59, 203 - 216 DOI 10.2378/ peu2012.art16d © Ernst Reinhardt Verlag München Basel Kognitiver Konflikt und Lernleistung Untersuchungen zur Effektivität einer konfliktinduzierenden Lernsoftware 1 Elisabeth Sander Andrea Heiß Universität Koblenz-Landau, Fachhochschule für öffentliche Verwaltung/ Campus Koblenz Zentrale Verwaltungsschule Rheinland-Pfalz, Mayen Cognitive Conflict and Learning Efficiency - Effects of a Conflict Inducing Learning Software Summary: In this study we tested whether the induction of a cognitive conflict by an adequate learning programme would improve learning and memory achievement. In a pre-study 26 10th graders of a German Realschule (a medium-level secondary school) studied with the help of a trigonometry learning programme. During a pilot study 13 pupils learned with a conflict-inducing programme (experimental group) and 13 with a conventional programme (control group). The pupils had to “think aloud” and video tapes were made. As the protocols of thinking aloud demonstrate pupils of the experimental group showed significant more cognitive conflicts than the control group. During the following main study 36 pupils of a Realschule learned with the conflict-inducing learning programme and 32 with the conventional programme. Immediately after the learning period (posttest) and 6 weeks later (follow-up) an achievement test was done. The experimental group showed a significantly better performance than the control group as well as in the posttest as in the follow up. Immediately after the learning session pupils with a higher prior knowledge profited more from the conflict-inducing programme. This was not the case in the follow-up. The results of the study are discussed in the framework of cognitive conflict theories and theories of learner controlled programmes. Keywords: Cognitive conflict, interactive learning programme, self-regulated learning Zusammenfassung: In der vorliegenden Studie sollte geprüft werden, ob die Induzierung kognitiver Konflikte durch ein entsprechend gestaltetes Lernprogramm zu einer Verbesserung der Lern- und Behaltensleistung führt. In einer Vorstudie lernten 26 Realschüler und -schülerinnen einer 10. Klasse mit einem Lernprogramm zur Trigonometrie: 13 erhielten eine sog. konfliktinduzierende Variante (Experimentalgruppe), 13 arbeiteten mit einem konventionellen Programm (Kontrollgruppe). Die Schüler und Schülerinnen wurden angewiesen, laut zu denken, wobei sie auf Video aufgezeichnet wurden. Wie die Protokolle Lauten Denkens zeigen, erlebten die Schüler/ innen der Experimentalgruppe signifikant mehr kognitive Konflikte als die Schüler/ innen der Kontrollgruppe. In der folgenden Hauptstudie arbeiteten 36 Realschüler und -schülerinnen mit dem konfliktinduzierenden Lernprogramm (Experimentalgruppe), 32 mit dem konventionellen (Kontrollgruppe). Unmittelbar nach der Lernphase erfolgte ein Posttest, sechs Wochen später ein Follow-up. Sowohl im Posttest als auch im Follow-up waren die Leistungen der Schüler/ innen der Experimentalgruppe signifikant besser als die der Schüler/ innen der Kontrollgruppe. Unmittelbar nach der Trainingsphase profitierten die Schüler/ innen mit höherem Vorwissen stärker von dem konfliktinduzierenden Lernprogramm. Im Follow-up war dies nicht der Fall. Die Ergebnisse werden im Rahmen der Theorien zu kognitiven Konflikten und schülerzentrierten Lernprogrammen diskutiert. Schlüsselbegriffe: kognitiver Konflikt, interaktives Lernprogramm, selbstgesteuertes Lernen 1 Das Projekt wurde gefördert durch die DFG, Az.: SA 296/ 14 204 Elisabeth Sander & Andrea Heiß Die Idee, dass die Erzeugung von Konflikten beim Lernen zu einem besseren Verständnis des in Frage stehenden Problems führt, geht auf die Antike zurück. So versuchte der griechische Philosoph Sokrates, seine Schüler durch kritisches Hinterfragen ihres Scheinwissens zu verunsichern. Diese Verunsicherung bezeichnete Sokrates als Aporie. Er war der Überzeugung, dass Aporie die Voraussetzung für den Aufbau eigenen Wissens ist. Erst wenn man erkannt hat, dass man nicht über Wissen, sondern lediglich über eine falsche Meinung verfügt, kann man sich bemühen, Wissen zu erwerben, ohne sich länger mit oberflächlichem Scheinwissen zufriedenzugeben. Sokrates war auch der Auffassung, dass die Aneignung von neuem Wissen ausschließlich vom Lernenden selbst geleistet werden muss (Reale, 1996). Moderne Unterrichtstheorien in all ihrer Vielfalt, die sich am konstruktivistischen Gedankengut orientieren, knüpfen an diese sokratische Sichtweise an. Lernen wird als selbstgesteuerte, d. h. aktiv konstruierende Tätigkeit des Lernenden gesehen. Piagets genetisch epistemologisch-psychologisches Theoriegebäude (Hoppe-Graff & Edelstein, 1993; Piaget, 1976) wird von vielen Autoren als Grundstein dieser konstruktivistisch orientierten Psychologie angesehen (Glaserfeld, 1991, 1994; Schulmeister, 1996; Seiler, 1994). In einem Prozess der permanenten Anpassung (Adaptation) an die Wirklichkeit wird ein Gleichgewicht, Äquilibration, zwischen Person und Umwelt angestrebt. Dem Prinzip der kognitiven Äquilibration entsprechend wird davon ausgegangen, dass neue kognitive Strukturen aus den Ungleichgewichten bzw. Störungen der Äquilibration zustande kommen. Die Störungen bilden für das Individuum den Motivator für die Suche nach Problemlösungen bzw. den Versuch, das aufgetretene Ungleichgewicht durch Rekonstruktion der kognitiven Strukturen im Hinblick auf ein neues Gleichgewicht zu überwinden. Dieses Ungleichgewicht kann auch als kognitiver Konflikt beschrieben werden, dessen Funktion vor allem in der Möglichkeit der Auslösung von Aktivitäten zur Handlungsbzw. Strukturveränderung besteht. Das Konzept der Äquilibration hat schon in den 70er Jahren Forscher angeregt, die geistige Entwicklung durch Induktion kognitiver Konflikte zu fördern. Dabei wurden typische Piaget-Probleme (Konstanzbegriff, Mengenrelationen, Inklusionsprobleme) als Ausgangsmaterial für Lernexperimente verwendet. Die Ergebnisse werden insgesamt gesehen als erfolgreich bewertet (Hoppe-Graf, 1993). Allerdings sind diese eher von theoretischer als von praktischer Bedeutung, da es naiv wäre anzunehmen, man orientiere ein Lernprogramm an Piagets Grundgedanken, wenn man die typischen von ihm verwandten Aufgaben und Problemstellungen als Lernziele des Unterrichts aufnimmt. Vielmehr ist es entscheidend, dass Lernsituationen so gestaltet werden, dass Schülern Probleme vorgelegt werden, die sie mit eigener Anstrengung (oder hilfreicher Anleitung) selbstständig lösen können, dass die Problemsituationen Überraschung und kognitive Konflikte auslösen und dadurch intrinsische Lernmotivation geweckt wird (Berlyne, 1974). Als Methoden werden deshalb entdeckendes Lernen (Neber, 1975) sowie alle Unterrichtsmodelle, die selbstgesteuertes Lernen (vgl. Deci & Ryan, 1985; Friedrich, 2002; Friedrich & Mandl, 1997; Nenninger, 2007; Pintrich, 1999; Weinert, 1982) ermöglichen, empfohlen. Ebenso wird die Bedeutung der Interaktion mit Gleichaltrigen betont, die durch die Vielfalt von Meinungen kognitive Konflikte entstehen lässt, sodass die Gefahr verringert wird, dass sich Meinungen einer übermächtigen Autorität oder starre Lösungsstrategien bzw. Fehlerstrategien durchsetzen (vgl. z. B. Psaltis & Duveen, 2006). Allein die Ausweitung entdeckenden bzw. selbstgesteuerten Lernens führt aber nicht automatisch zu einer Erhöhung des Lernerfolgs. Mayer (2004) führt aus, dass nicht die Handlungs-, sondern die geistige Aktivität dafür entscheidend ist, und weist auf Arbeiten, die gezeigt haben, dass „guided discovery“ effektiver in Bezug auf Lernen und Transfer des Gelernten ist als „pure discovery“, weil erfolgreiches selbstgesteuertes Lernen der pädago- Kognitiver Konflikt und Lernleistung 205 gischen Anleitung bedarf. Im Einklang mit Mayer (2004) zeigte sich auch u. a. in der IPN- Videostudie, der aktuellsten und umfangreichsten Studie zum naturwissenschaftlichen Unterricht in Deutschland, dass entdeckendes Lernen (z. B. forschendes Lernen mithilfe von Schülerexperimenten) alleine, ohne eine sinnvolle didaktische Einbettung in den Unterricht, keinen bedeutsamen Effekt auf Kompetenz und Interesse der Schüler hat (Seidel, Prenzel, Rimmele, Herweg, Kobarg, Schwindt, & Dalehefte, 2007). Schüler brauchen Unterstützungssysteme (scaffolds), um selbstregulative Fähigkeiten zu entwickeln (Brookfield, 1985; Kollar & Fischer, 2006; Tough, 1979). Diese Befunde und Überlegungen stehen im Einklang mit Erkenntnissen der conceptual change-Forschung. Im Vordergrund bei dieser Forschungsrichtung steht die Frage, ob die durch eine pädagogische Intervention hervorgerufene Konfliktinduzierung zu einem begrifflichen Wandel (conceptual change), also einer Strukturveränderung des Denkens führt, die eine Problemlösung ermöglicht (Posner, Strike & Gertzog, 1982). Die Ergebnisse experimenteller Studien zu dieser Frage zeigen schwache und widersprüchliche Befunde (einen Überblick geben z. B. Chan, Burtis & Bereiter, 1997; vgl. Sodian, 2002). Der Grund für diese Widersprüchlichkeit ist wohl darin zu sehen, dass der kognitive Konflikt zwar eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für Erkenntnis ist. Wenn das Vorwissen mit neuen Situationen nicht kompatibel ist, kommt es zu einem kognitiven Konflikt. Ob ein Schüler allerdings diesen Konflikt produktiv nutzen kann, indem er neue kognitive Aspekte eines Problems wahrnimmt und seine Wissensstruktur reorganisiert, hängt nicht nur von kognitiven, sondern auch von motivationalen und emotionalen Faktoren ab. So wirkt ein kognitiver Konflikt in Abhängigkeit von Persönlichkeit und Lerngeschichte eines Schülers entweder verunsichernd und beängstigend oder im Sinne eines Ansporns bzw. einer Herausforderung. Eine erfolgreiche Konfliktlösung bietet die Chance - wenn der Schüler nicht völlig external attribuiert, also seinen Erfolg nicht allein auf den Zufall oder auf Umgebungsmerkmale, sondern auf seine Begabung oder Anstrengung zurückführt (Weiner, 1975) - Erfolg und Stolz zu erleben, was sich günstig auf die künftige Einstellung und Motivation gegenüber Problemstellungen auswirken wird. Motivational ist demnach entscheidend, ob er dazu tendiert, nach neuen und überraschenden Aspekten eines Problems zu suchen und die Unsicherheit als Ansporn zu verstehen. Nur dann kann ein kognitiver Konflikt produktiv genutzt werden (Bermejo, Morales & deOsuna, 2004; Limon, 2001; Merenluoto & Lehtinen, 2003, 2004; Schnotz, Vosniadou & Carretero, 1999; Vosniadou 1994). Kognitiv muss der Schüler in der Lage sein, eine Beziehung zwischen seinem Vorwissen und den kognitiven Anforderungen des Problems herzustellen (vgl. z. B. Linn, 2008; Zohar & Aharon-Kravatsky, 2005). Aus diesen Überlegungen heraus stellt sich für die Forschung die Aufgabe zu untersuchen, wie pädagogische Situationen, die bei Lernenden kognitive Konflikte induzieren, gestaltet sein müssen, sodass sie als Herausforderung wahrgenommen und ihnen nicht mit Angst, sondern mit Neugier begegnet wird, und welche Einflussfaktoren für die produktive Nutzung kognitiver Konflikte relevant sind. Adey (2004) konkretisierte z. B. Bedingungen, unter denen im Unterricht kognitive Konflikte induziert und produktiv genutzt werden können. Es zeigte sich, dass die Teilnahme an seinem von ihm entwickelten „cognitive acceleration program“ sowohl zu Langzeitals auch zu Transfereffekten führte. Im deutschen Sprachraum liegt eine Studie von Stern (2006) vor zu der Frage, ob man bei 9-jährigen Kindern im naturwissenschaftlichen Unterricht einen begrifflichen Wandel herbeiführen kann. Es wurde davon ausgegangen, dass die Induktion eines kognitiven Konflikts den entscheidenden Motor für einen begrifflichen Wandel darstellt. Verglichen wurden zwei Lernumgebungen, die entdeckendes Lernen mithilfe von Freihand- Experimenten ermöglichten, aber ein unter- 206 Elisabeth Sander & Andrea Heiß schiedlich stark strukturiertes Unterstützungssystem boten. Ein wichtiges Ergebnis auch dieser Arbeit war, dass die Schüler, die mit einem stärker strukturierten Unterstützungssystem lernten, über die Zeit zu einem tieferen Verständnis des Lerngegenstandes gelangten. (Weitere Arbeiten zur Frage von Lernumgebungen und Unterrichtsbedingungen, die zur Umstrukturierung unangemessener Strukturen führen könnten, stammen z. B. von Dubs, 1995; Duit, 1996; Duit & Häußler, 1997; vgl. auch Käser, 2008.) Während die meisten Überlegungen zum begrifflichen Wandel bzw. zur Induzierung von Konflikten sich auf den naturwissenschaftlichen Unterricht beziehen, wird in neuester Zeit gefordert, diese auch für eine Theorie des Mathematiklernens zu nutzen (Vosniadou & Verschaffel, 2004). Inzwischen liegt auch im Handel erwerbbare Software vor, die in Teilen die Idee verfolgt, Konflikte zu induzieren und Hilfen zu ihrer Überwindung anzubieten (z. B. „Elemente der Mathematik“, die bei Schroedel 2010 erschienen ist). Seit dem Aufkommen immer leistungsfähigerer Computer und des Internets gibt es auch Bemühungen, die „Selbststeuerung“ der Schüler durch computerbasierte, interaktive Multimedien zu unterstützen. In diesem Zusammenhang sind „Powerful Learning Environments“ (z. B. deCorte, 1990) oder multimediale Lernumgebungen für „Situiertes Lernen“ entstanden (Mandl, Gruber & Renkl, 1997), bei denen Computersimulationen eine wichtige Rolle spielen. Pädagogisch charakterisiert werden Simulationen durch ihre Realitätsnähe, ihre Problemorientierung und die hohe geforderte Lernaktivität (vgl. Mandl, Gruber & Renkl, 1997). Simulationen regen in besonderer Weise das eigenständige, explorative Lernen durch „Versuch und Irrtum“ an und damit in hohem Maße das Herausbilden kognitiver Konflikte beim Lerner (vgl. Gorski & Finegold, 1992, 1994). Die Bedingungen, unter denen beim Lernen mit den Neuen Medien kognitive Konflikte entstehen und unter denen diese auch produktiv genutzt werden können, sind noch wenig erforscht. Die folgende Studie sollte einen Beitrag zu Fragestellungen innerhalb dieses Problemkreises leisten. In einer Vor- und einer Hauptstudie wurden zwei Lernprogramme zu einer Lehr-Lerneinheit im Fach Mathematik, speziell Trigonometrie, verglichen. Eines der beiden Programme war so konstruiert, dass es kognitive Konflikte auslösen und durch Bereitstellung eines Hilfesystems auch deren produktive Nutzung ermöglichen sollte. Die Untersuchungen sollten insbesondere die Fragen klären, ob mittels der Induzierung kognitiver Konflikte durch eine interaktive Lernsoftware die Problemlösefähigkeit bei Mathematikaufgaben verbessert werden kann und ob sich Persönlichkeitsvariablen isolieren lassen, welche die produktive Nutzung eines kognitiven Konflikts erleichtern. Voruntersuchung Zielstellung und Hypothesen Die Vorstudie baut auf einer Arbeit auf, in der eine Lernsoftware, welche Konflikte ermöglichen und initiieren sollte - im Folgenden wird von einem konfliktinduzierenden Lernprogramm gesprochen -, entwickelt und an Schülern eines Gymnasiums evaluiert worden war (Draschoff, 2000). Zielstellung der Voruntersuchung war, mithilfe einer Prozessanalyse nachzuweisen, dass dieses neu entwickelte, konfliktinduzierende Lernprogramm im Vergleich zu einem konventionellen (nicht Konflikt induzierenden) Programm auch bei Realschülern zu stärkeren kognitiven Konflikten und zu einem stärkeren emotionalen Erleben führt, wie das bei der eben genannten Untersuchung von Gymnasiasten der Fall gewesen war. Deshalb wurde folgende Hypothese formuliert und überprüft: Der Lernprozess von Schülern/ innen, die mit einer konfliktinduzierenden Lernsoftware arbeiten, zeigt a) eine häufigere Konfliktwahrnehmung und b) ein stärkeres emotionales Erleben als der von Schülern/ innen, die mit einer konventionellen Lernsoftware arbeiten. Kognitiver Konflikt und Lernleistung 207 Methode Versuchspersonen 26 Schülerinnen und Schüler aus einer 10. Klasse Realschule aus dem Raum Koblenz nahmen an der Untersuchung teil. Das durchschnittliche Alter betrug 16.0 Jahre (SD = 0.7 Jahre). Lernmaterial Wie in der Studie von Draschoff (2000) wurde a) eine Lehr-Lerneinheit zur Trigonometrie der Telekolleg-Mathematik-Reihe (Fraunholz, Jindra, Opitz, Pfennig, Ramberger & Stüber, 1995) verwendet: Konventionelle Programmvariante; b) zum andern wurde die von Draschoff (2000) auf der Basis dieser Einheit entwickelte Lernsoftware eingesetzt: Konfliktinduzierende Programmvariante. Wie aus Abbildung 1 zu ersehen ist, wird den Schülerinnen und Schülern bei dem konventionellen Programm zunächst im Darstellungsteil die Aufgabenstellung vorgegeben. Im Anschluss daran können sie sich den Lösungsweg Schritt für Schritt anzeigen lassen. In Abbildung 2 ist die gleiche Aufgabe in der konfliktinduzierenden Variante dargestellt. Die konfliktinduzierende Programmvariante fordert die Interaktion des/ der Lernenden mit dem Programm heraus. Der Lösungsweg wird nicht dargestellt, sondern muss vom Lernenden selbst erarbeitet werden. Die im Programm dargebotenen Aufgaben lassen sich drei verschiedenen Aufgabentypen zuordnen, die vom Lernenden eine Erweiterung seiner Strategie erforderlich machen. Beispielsweise werden zunächst Aufgaben mit rechtwinkeligen Dreiecken vorgegeben. Dieser Aufgabentyp war allen Schülern/ innen bekannt. In einem solchen Dreieck können die trigonometrischen Funktionen problemlos angewendet werden. Die folgenden Aufgabentypen beinhalten gleichschenklige bzw. beliebige Dreiecke, in denen zur Anwendung der trigonometrischen Funktionen eine Höhe eingezeichnet werden muss, um die Voraussetzungen eines rechtwinkeligen Dreiecks zu schaffen. Das bedeutet für die Schüler/ innen, dass sie nicht wie im vorangegangenen Aufgabentyp direkt die Winkelfunktionen anwenden können, sondern ihre Strategie erweitern müssen, indem sie die entsprechende Höhe einzeichnen. Es wird angenommen, dass kognitive Konflikte in erster Linie dann entstehen a) wenn Aufgaben gegeben sind, zu deren Lösung es nicht ausreicht, auf eine bekannte Lösungsstrategie zurückzugreifen und b) durch die Interaktivität eines Lernsettings, die es den Schülern ermöglicht zu erkennen, ob ihre Lösungsschritte richtig oder falsch sind. In unserem Fall ist a) durch die beschriebene Gestaltung der Aufgaben gegeben, b) durch eine obligatorische Rückmeldung (Heiß, Eckhardt & Schnotz, 2003) über den jeweiligen Lösungsstand, wenn der Lösungsschritt Abb. 1: Lösung einer Aufgabe in der konventionellen Programmvariante 208 Elisabeth Sander & Andrea Heiß richtig ist. Bei ausbleibender Rückmeldung können die Schüler/ innen erkennen, dass ihre Lösungsstrategie falsch ist. Bei auftauchenden Problemen können die Schüler/ innen „Tipps“ anklicken. Diese Tipps sind als gestuftes Hilfesystem konzipiert, das heißt, die Hilfe ist auf den jeweils gegebenen Lösungsstand abgestimmt. Ein Tipp lautet z. B. „Es ist hilfreich, das Dreieck durch alle im Aufgabentext genannten Bezeichner zu ergänzen. Schau im Menü Werkzeuge nach“. Die gestufte Unterstützung soll helfen, die Lösung selbst zu entdecken, und so den Konflikt produktiv zu nutzen (vgl. Abb. 3). Abb. 2: Darstellung einer Aufgabe in der konfliktinduzierenden Programmvariante Abb. 3: Beispiel für einen Tipp in der konfliktinduzierenden Programmvariante Kognitiver Konflikt und Lernleistung 209 Messinstrumente Um sicherzustellen, dass sich die Schüler/ innen von Experimentalgruppe (EG) und Kontrollgruppe (KG) in wichtigen kognitiven Determinanten der Lernleistung (Spada & Wichmann, 1996) nicht unterschieden, wurden das Vorwissen und als ein für den Mathematikunterricht wichtiger Aspekt der Intelligenz, die numerische Verarbeitungskapazität, erhoben. Vorwissen: Zur Erfassung des domänenspezifischen Vorwissens wurde ein Test mit acht Items eingesetzt. Da alle Schüler/ innen vor dem Einsatz der Lernprogramme im Unterricht die Anwendung der trigonometrischen Funktionen bei rechtwinkeligen Dreiecken gelernt hatten, wurden für den Vortest Aufgaben gewählt, die Wissen zur Anwendung der Winkelfunktionen in rechtwinkligen Dreiecken enthielten sowie allgemeine Lernvoraussetzungen zum Rechnen mit diesen prüften. Ein Item lautete zum Beispiel: Im Folgenden sind verschiedene Beziehungen in rechtwinkligen Dreiecken angegeben. Entscheide bitte, ob diese richtig oder falsch sind. cos a = Gegenkathete/ Ankathete ❏ richtig ❏ falsch cos a = Ankathete/ Gegenkathete ❏ richtig ❏ falsch cos a = Ankathete/ Hypothenuse ❏ richtig ❏ falsch tan a = Ankathete/ Gegenkathete ❏ richtig ❏ falsch Es konnten maximal 25 Punkte erreicht werden. Der Mittelwert lag bei 16.4 (SD = 3.7). Mit Cronbach’s alpha a = .86 ist die Güte des Tests als gut zu beurteilen. Numerische Verarbeitungskapazität: Sie wurde mit dem Zahlenfolgetest des CFT 20 erfasst (Weiß, 1998). Durchführung der Untersuchung Vor dem eigentlichen Lernversuch wurde ein Vortest durchgeführt. Dieser war als Gruppensitzung konzipiert, in der soziodemografische Daten, das Vorwissen der Schüler/ innen und die Intelligenz erhoben wurden. Zudem wurde der Umgang mit dem Lernprogramm eingeübt. Der eigentliche Lernversuch wurde im Einzeltestverfahren durchgeführt. Um die Schüler/ innen mit der Methode des Lauten Denkens vertraut zu machen, wurde in einer 10-minütigen Vorübung das Laute Denken trainiert. Die Schüler/ innen wurden per Zufall der EG mit der konfliktinduzierenden Programmvariante oder der KG mit der konventionellen Programmvariante zugewiesen. Die Unterschiede zwischen EG und KG in den erhobenen Merkmalen waren nicht signifikant. (Vorwissen EG: M = 16.8 , SD = 3.7; Vorwissen KG: M = 15.4, SD = 3.8, t(20) = -.86, n.s., d = 0,37. Intelligenz EG: M = 19.7, SD = 1.6; Intelligenz KG: M = 19.8, SD = 1.6, t(19) = .08, n.s., d = 0.06). In der EG waren acht Schüler männlich, fünf weiblich, in der KG fünf männlich und acht weiblich. Die Versuchspersonen wurden angewiesen, während der Aufgabenbearbeitung laut zu denken. Die Sprachäußerungen und die Bewegungen am PC während des eigentlichen Lernversuchs wurden aufgenommen (Videoaufnahme und Aufzeichnung von Logfiles). Auswertung Kategorisierung der Protokolle des Lauten Denkens Die Äußerungen der Lernenden und die Schritte am PC wurden kategorisiert. Grundlage der Kategorisierung war das von Draschoff (2000, S. 216 - 227) in Anlehnung an Groeben und Rustemeyer (1995) entwickelte Kategoriensystem. Eine „Konfliktwahrnehmung“ wurde z. B. kodiert, wenn eine störende Wissenslücke oder die Unkenntnis eines Lösungsschrittes bemerkt wurde oder Zweifel geäußert wurden, ob eine Lösungsidee richtig ist. Als typische Anzeichen für Konflikte im Programmbearbeitungskontext wurden z. B. Verneinungen, wie „das kann nicht sein“; Äußerungen wie „versteh ich nicht“, „ist ja merkwürdig“ gewertet (Draschoff, 2000, S. 219f ). Eine „Emotion“ wurde z. B. kodiert bei Äußerungen wie „hurra“, „jippie“, „jetzt hab ich es gleich geschafft“ etc. Die Protokolle des Lauten Denkens wurden inhaltsanalytisch von zwei unabhängig voneinander arbeitenden Personen ausgewertet. Die Interrater- Übereinstimmung betrug k = .92 und kann damit als gut bezeichnet werden. Statistische Auswertung Die Hypothesen wurde je nach Datenqualität entweder mit Hilfe des verteilungsfreien U-Tests von Mann & Whitney oder mit Hilfe des t-Tests für unabhängige Stichproben überprüft (Bortz, 1999). 210 Elisabeth Sander & Andrea Heiß Ergebnisse Vor der Überprüfung der Hypothesen wurde die durchschnittliche Lernzeit der EG mit der KG verglichen. Dabei zeigte sich, dass die Schüler/ innen, die mit der konfliktinduzierenden Variante arbeiteten, mehr als doppelt so lange (M = 44.6 Minuten, SD = 11.2 Minuten) als die KG (M = 21.7 Minuten, SD = 5.4 Minuten) für die Aufgabenbearbeitung brauchten. Der Unterschied ist signifikant (t(17,2) = -6.63, p < .001, d = 2.60). Daher wurden in den weiteren Analysen des Lauten Denkens die Daten auf 20 Minuten standardisiert. Pro Versuchsperson wurde die relative Anzahl kognitiver Konflikte oder Emotionen (bezogen auf die Gesamtzahl der kategorisierten Äußerungen in dem jeweiligen 20-Minuten-Ausschnitt) festgestellt. Im Mittel betrug die relative Anzahl kognitiver Konfliktäußerungen bei der EG M = 0.18 (SD = 0.12), bei der KG M = 0.06 (SD = 0.07). Das heißt, bei der EG wurden 18 Prozent der Äußerungen bezogen auf eine Zeiteinheit von 20 Minuten als kognitive Konflikte kodiert, bei der KG nur 6 Prozent. Der Unterschied ist signifikant (U = 144.5, p < .01, einseitige Testung, d = 1.22). Die EG zeigte somit hypothesenkonform eine signifikant größere relative Anzahl kognitiver Konflikte. Im Durchschnitt betrug die relative Anzahl emotionaler Äußerungen bei der konfliktinduzierenden Variante M = 0.03 (SD = 0.04), bei der konventionellen Variante M = 0.01 (SD = 0.04; U = 108.00, p < .10, einseitige Testung, d = 0.57). Somit zeigte die EG tendenziell eine größere relative Anzahl emotionaler Äußerungen als die KG. Das Ergebnis liegt in Richtung der Erwartung und zeigt eine mittlere Effektstärke, ist aber nicht signifikant. Die Hypothese kann also nicht als bestätigt angesehen werden. Diskussion Bei der Interpretation der Ergebnisse ist einmal zu berücksichtigen, dass theoretisch nicht ausgeschlossen werden kann, dass beim konventionellen Programm erst nach den ersten 20 Minuten kognitive Konflikte aufgetreten sind. Grundsätzlich sind auch die Probleme, die mit der Methode Lauten Denkens verbunden sind, zu bedenken (z. B. Lewalter, 1997; einen Überblick über den Diskussionsstand geben z. B. Draschoff, 2000 oder Heiß, 2007). Wenn bestimmte Hinweise zur Durchführung beachtet werden, wie z. B. die Methode im Vorfeld einzuüben oder die Versuchspersonen aufzufordern, ihre Gedanken spontan im Moment ihres Auftretens zu äußern und diese nicht zu analysieren oder zu interpretieren, sind diese Probleme aber eher als gering anzusehen (z. B. Payne, 1994). Da diese Empfehlungen beachtet wurden und die Ergebnisse sich gut in den beschriebenen theoretischen Rahmen zur Interaktivität von Lernprogrammen einordnen lassen, lässt sich mit einer hohen Wahrscheinlichkeit die Aussage vertreten, dass die an Gymnasiasten bereits evaluierte konfliktinduzierende Lernsoftware auch bei Realschülern zu mehr kognitiven Konflikten führt als die konventionelle. Das heißt, auch bei Schüler/ innen einer anderen Schulform mit einem im Durchschnitt vermutlich etwas niedrigeren intellektuellen Niveau löst das konfliktinduzierende Lernprogramm mehr kognitive Konflikte aus als eine konventionelle Lernsoftware. Die Ergebnisse sind also auf eine relativ breite Schülergruppe generalisierbar. Tendenziell zeigten sich bei der EG mehr Emotionen als bei der KG. Damit stimmt unsere Studie mit Ergebnissen von Arbeiten aus der kognitiven Konfliktforschung und verwandter Forschungsgebiete überein, die vermuten lassen, dass ein Lernsetting, das kognitive Konflikte auslöst, zu einer stärkeren emotionalen Beteiligung der Schüler/ innen bei der Aufgabenbearbeitung führt (vgl. Dalbert, 1996; Huber & Roth, 1999; Limon, 2001 sowie die genannte Studie von Draschoff, 2000). Man muss allerdings berücksichtigen, dass das Ergebnis nicht signifikant ist, also weiterer Überprüfung bedarf. Da die Schüler/ innen, die mit dem konfliktinduzierenden Programm gearbeitet haben, Kognitiver Konflikt und Lernleistung 211 sich deutlich länger damit beschäftigten als die KG mit dem konventionellen Programm, müsste bei einem Vergleich der Lernleistung die Dauer der Programmbearbeitung durch EG und KG gleich gehalten werden. Offen bleiben u. a. auch Fragen nach mittelfristigen und Langzeiteffekten in Hinblick auf die Lernleistung und Interaktionen mit Persönlichkeitsmerkmalen. In der Hauptuntersuchung wurde dem Problem der unterschiedlichen Bearbeitungszeit der beiden Programme Rechnung getragen sowie Fragen nach mittelfristigen Effekten und einer Interaktion mit dem Vorwissen nachgegangen. Hauptuntersuchung Fragestellungen und Hypothesen In der Hauptuntersuchung sollte geklärt werden, ob der in der Studie von Draschoff (2000) aufgetretene Überlegenheitseffekt der konfliktinduzierenden Programmvariante auch dann besteht, wenn die konventionelle Variante aufgrund eines verlängerten Übungsteils etwa ebenso viel Zeit benötigt wie erstgenannte und ob sich der Effekt auch in einem Follow-up nachweisen lässt. Ebenso sollte der Einfluss des Vorwissens überprüft werden. In der Studie von Draschoff (2000) hatte sich ebenso wie in anderen Studien, z. B. in einer Arbeit von Zohar & Aharon-Kravetsky (2005) u. a. eine signifikante Interaktion zwischen Programmvariante und Vorwissen gezeigt. Das Vorwissen wird auch in einschlägigen Arbeiten zu Lernvoraussetzungen als eine wichtige kognitive Determinante der Lernleistung genannt (z. B. Spada & Wichmann, 1996). Folgende Hypothesen wurden überprüft: 1. Schüler/ innen der EG erzielen einen höheren Lernerfolg a) im Posttest b) im Follow-up als Schüler/ innen der KG. 2. Dieser Effekt ist abhängig vom Vorwissen der Schüler/ innen. Methode Versuchspersonen waren 68 Realschülerinnen und -schüler (drei Klassen) aus dem Raum Koblenz. In der EG waren 36 Schülerinnen und Schüler (16 Mädchen und 18 Jungen; von zwei Teilnehmern fehlten die Angaben), in der KG waren 32 Probanden (18 Mädchen und 14 Jungen). Das Alter lag im Durchschnitt bei 15.8 Jahren (SD = 0.7 Jahre). Programmvarianten Das Programm der EG entsprach dem von Draschoff (2000) entwickelten und in der Vorstudie eingesetzten Lernprogramm. Das Programm der KG entsprach dem der KG in der Voruntersuchung. Es enthielt allerdings einen längeren Übungsteil, der die benötigte Lernzeit an die Lernzeit der konfliktinduzierenden Programmvariante angleichen sollte. Messinstrumente Vorwissen Dieser Test entsprach dem in der Voruntersuchung eingesetzten. (Da die Schüler/ innen durch das Lernprogramm Wissen erwerben sollten, das sie noch nicht besaßen, nämlich die Anwendung der Winkelfunktionen auf beliebige Dreiecke, erschien es nicht sinnvoll, das Vorwissen mit einem Test abzufragen, der dem Leistungstest nach der Intervention entsprach. Er hätte ja Aufgaben enthalten, die die Schüler/ innen mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht hätten lösen können.) Numerische Verarbeitungskapazität Wie in der Voruntersuchung wurde zur Erfassung der numerischen Verarbeitungskapazität der Zahlenfolgetest des CFT 20 eingesetzt (Weiß, 1998). Lernleistung Der Lernleistungstest bestand aus vier Aufgaben zur Anwendung der trigonometrischen Funktionen bei beliebigen Dreiecken (maximal zu erreichende Punktzahl: 9; Cronbach’s alpha = .88). Sie sollten das Verständnis und den Transfer des Gelernten messen. Ein modifizierter Test wurde nach sechs Wochen im 212 Elisabeth Sander & Andrea Heiß Follow-up eingesetzt. Die Aufgaben im Follow-up waren der Struktur nach analog zu den Aufgaben des Lernleistungstests (Cronbach’s alpha = .79). Beispielitem des unmittelbar eingesetzten Lernleistungstests (Posttest) Welche Bedeutung hat die Höhe h bei den Aufgaben im Programm (Scherenaufgabe, Dorfaufgabe)? Beschreibe bitte möglichst genau, wozu man sie benötigt. Beispielitem des Follow-Ups Welche Bedeutung hat die Höhe h, wenn man in nichtrechtwinkligen Dreiecken die Winkelfunktionen sin, cos und tan anwenden möchte? Durchführung der Untersuchung Die Schüler/ innen wurden pro Klasse nach dem Zufall auf EG und KG aufgeteilt. Sie wurden vor der Untersuchungsperiode in die Navigation der Lernsoftware eingeführt. Vor Beginn der Lernphase wurde ein Vortest durchgeführt, bei welchem sozio-demografische Daten, die numerische Verarbeitungskapazität und das domänenspezifische Vorwissen erhoben wurden. Die EG und KG unterschieden sich in den erhobenen Merkmalen nicht (Vorwissen EG: M = 16.6, SD = 2.8; Vorwissen KG: M = 15.3, SD = 3.3; t(66) = -1.87, n. s., d = 0.42; Numerische Verarbeitungskapazität EG: M = 17.9, SD = 2.6; Numerische Verarbeitungskapazität KG: M = 17.8, SD = 2.7; t(61)=-.20, n. s., d = 0.04). Alle Schülerinnen und Schüler hatten vor der Untersuchung die Anwendung der trigonometrischen Funktionen bei rechtwinkeligen Dreiecken gelernt. In der Lernphase arbeiteten die Schülerinnen und Schüler jeweils mit einem der oben beschriebenen Programme. Unmittelbar nach der Lernphase erfolgte der Lernleistungstest (Posttest). Sechs Wochen später wurde ein Follow-up durchgeführt. In der Zeit zwischen Posttest und Follow-up besuchten alle Schüler/ innen den normalen Trigonometrieunterricht. Statistische Auswertung Zur Überprüfung der Hypothesen wurde eine zweifaktorielle Varianzanalyse mit Messwiederholung (Zeitpunkt 1: Posttest; Zeitpunkt 2: Follow-up) mit den Faktoren Programmvariante (konfliktinduzierend/ konventionell) und Vorwissen (hoch/ niedrig, wobei diese Ausprägungen des Faktors über Median Split erzeugt worden waren) gerechnet. Ergebnisse Die Ergebnisse der Varianzanalyse zeigten einen signifikanten Effekt des Faktors Programmvariante (F(1,58) = 9.93, p < .01, h 2 = .15). Die konfliktinduzierende Programmvariante war Abb. 4: Leistung von KG und EG im Posttest in Abhängigkeit vom Vorwissen Kognitiver Konflikt und Lernleistung 213 der konventionellen zu beiden Messzeitpunkten überlegen (EG Posttest: M = 4.27, SD = 2.74; KG Posttest: M = 2.14, SD = 1.66; EG Follow-up: M = 4.11, SD = 2.38; KG Follow-up: M = 2.50, SD = 1.80). Hypothese 1 wurde also bestätigt. Ebenso zeigte sich eine signifikante Interaktion zwischen Programmvariante, Vorwissen und Messzeitpunkt (F(1,58) = 6.51; p < .01, h 2 =.10). Unmittelbar nach der Trainingsphase, allerdings nicht im Follow-up, profitierten Schüler/ innen der EG mit höherem Vorwissen von der konfliktinduzierenden Lernsoftware stärker als Schüler/ innen mit niedrigerem Vorwissen. Bei der konventionellen Variante tritt dieser Effekt nicht auf (vgl. Abb. 4 und 5). Hypothese 2 wurde demnach nur beim ersten Messzeitpunkt bestätigt. Diskussion Die in der Hauptuntersuchung formulierten Hypothesen wurden teilweise bestätigt. Die Schüler/ innen der EG erzielten sowohl im Posttest als auch im Follow-up einen signifikant höheren Lernerfolg als die KG. Erwartungsgemäß zeigte sich eine Interaktion mit dem Vorwissen, allerdings nur unmittelbar nach der Lernphase. Schüler/ innen der EG mit höherem Vorwissen profitieren von der konfliktinduzierenden Lernsoftware stärker als Schüler/ innen mit niedrigerem Vorwissen. Bei der konventionellen Variante tritt dieser Effekt nicht auf. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit dem von Draschoff (2000) berichteten Resultat bei Gymnasiasten sowie auch mit anderen Befunden. So fanden z. B. Zohar und Aharon-Kravetsky (2005), welche die Effekte der Induzierung kognitiver Konflikte bei Computersimulationen untersuchten, einen Interaktionseffekt zugunsten von Schülern/ innen mit einem hohen Schulleistungsniveau. Die durch einen kognitiven Konflikt ausgelöste emotionale Verunsicherung wirkt offenbar - zumindest kurzfristig - eher bei „guten“ Schülern/ innen motivierend und leistungsfördernd. Ein Interaktionseffekt zeigte sich beim Follow-up nicht mehr. Ein ähnliches Ergebnis wurde von Sander (1986) nach einer Intervention im Mathematikunterricht mit einem auf konstruktivistischen Ideen beruhenden Programm von Case (1985, 1999) gefunden, bei dem die Konfliktinduzierung u. a. Elementen ein wesentlicher Bestandteil des Lernprogramms ist. Auch hier zeigte sich nur unmittelbar nach der Intervention der auch von uns gefundene Interaktionseffekt zugunsten der Schülern/ innen mit hohem Vorwissen. Im Follow-up gab es eine Überlegenheit der EG Abb. 5: Leistung von KG und EG im Follow-up in Abhängigkeit vom Vorwissen 214 Elisabeth Sander & Andrea Heiß über die KG, aber keinen Interaktionseffekt. Vermutlich wurde allen Schüler/ innen der EG durch das konfliktinduzierende Programm das Verstehen des nachfolgenden Unterrichts erleichtert. Da die die meisten Interventionsstudien zur Konfliktinduzierung nur unmittelbare Trainingseffekte messen, sollten in Zukunft mittelfristige und Langzeiteffekte stärker untersucht werden. Grundsätzlich muss man bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigen, dass die Effektstärken der signifikanten Ergebnisse schwach sind. Das heißt, die Effekte sind eher von theoretischer als von praktischer Bedeutung. Man kann nicht unbedingt erwarten, dass ein kurzes Interventionsprogramm und sei es auch theoretisch gut begründet, nachhaltige Effekte hervorbringt. Die vorliegende Studie war bewusst in die Unterrichtsorganisation eingebunden worden, um Lehrer mit verschiedenen Programmstrukturen bekannt zu machen und sie zum Einsatz von Lernprogrammen zu animieren. Das Design dieser Studie ist deshalb an die Gegebenheiten der Unterrichtsorganisation angepasst worden. Bei zukünftigen Untersuchungen zu dem in dieser Studie angeschnittenen Problemkreis sollte man überlegen, ob man nicht das Vorwissen mit Aufgaben zu den gleichen Lerninhalten misst, wie sie Posttest und Follow-up messen. Damit ergäbe sich die Möglichkeit, den Lernfortschritt durch einen direkten Vergleich von Vortest- und Posttestbzw. Leistung im Followup zu messen. Dies würde allerdings voraussetzen, dass man die Untersuchung nicht im Rahmen des Schulunterrichts durchführt und man Probanden auswählt, von denen man annehmen kann, dass ihnen der Inhalt der Lernprogramme grundsätzlich bekannt ist, sie sich also nur im Grad des Vorwissens unterscheiden. Bei einer Interventionsstudie außerhalb von Schule, bei der Probanden nur während der Trainingsphase mit dem zu lernenden Inhalt konfrontiert würden, böte es sich an, eine Baseline zu erheben, indem man eine weitere Kontrollgruppe bildet, die keinerlei Intervention mit einem Lernprogramm erfährt. In der vorliegenden Studie wird aufgrund der Ergebnisse einer Vorstudie (mit relativ geringer Personenzahl) geschlossen, dass das konfliktinduzierende Lernprogramm auch in der Hauptstudie zu mehr kognitiven Konflikten führt als das konventionelle. Es wäre sicher wünschenswert gewesen, das Auftreten kognitiver Konflikte in der Hauptstudie ebenfalls direkt zu erfassen. Bei einem solchen Vorgehen wäre es möglich zu untersuchen, ob die Anzahl der erlebten kognitiven Konflikte mit dem Lernerfolg sowie mit Persönlichkeitsvariablen, wie z. B. dem Vorwissen, in Beziehung steht. Da die Erhebung kognitiver Konflikte aber praktisch nur im Einzeltestverfahren möglich ist, muss man berücksichtigen, dass ein solches Vorgehen bei einer größeren Stichprobe eine sehr hohe finanzielle und personelle Ausstattung benötigt. Bei der Interpretation der vorliegenden Ergebnisse ist auch zu bedenken, dass zwei Lernprogramme untersucht wurden, die durch jeweils eine Anzahl von Einzelmerkmalen gekennzeichnet sind. Fasst man das Zusammenwirken dieser Einzelmerkmale als Programmstruktur auf, so kann man einmal von einem lerner-kontrollierten, interaktiven Programm mit einem auf die individuellen Bedürfnisse abgestimmten Hilfesystem sprechen, zum andern von einer programm-kontrollierten, nicht interaktiven Lernsoftware mit einem Hilfesystem, das in der Darbietung der Lösungsschritte besteht. Das vorgefundene Ergebnis kann also auch als Überlegenheit einer lerner-kontrollierten Lernsoftware interpretiert werden und lässt sich damit gut in die Ergebnisse zum selbstgesteuerten Lernen einordnen (vgl. die Ausführungen in der Einleitung). Aufgrund der dargelegten theoretischen Überlegungen und der Ergebnisse der Vorstudie ist zu folgern, dass die beiden Programmstrukturen unterschiedliche kognitive Prozesse auslösen, wobei in dieser Untersuchung das Auftreten kognitiver Konflikte und deren produktive Lösung im Fokus stand. Aufgrund unserer Ergebnisse kann demnach gefolgert werden, dass lerner-kontrollierte Lernprogramme eher kognitive Konflikte und deren Kognitiver Konflikt und Lernleistung 215 produktive Nutzung ermöglichen als programm-kontrollierte und deshalb mittelfristig erfolgreicher in Hinblick auf die Verbesserung der Problemlösefähigkeit von Schülerinnen und Schülern sind. Es wäre eine wichtige Aufgabe für die zukünftige Forschung, die kognitiven Prozesse, die durch unterschiedliche Programmstrukturen ausgelöst werden, und deren Zusammenwirken in Hinblick auf den Lernprozess bei Personen mit unterschiedlichen Lernvoraussetzungen genauer zu erforschen. Literatur Adey, Ph. (2004). Accelerating the development of general cognitive processing. In A. Demetrion (Ed.), Cognitive developmental change (pp. 296 - 317). New York: Cambridge University press. Berlyne, D. E. (1974). Konflikt, Erregung, Neugier. Zur Psychologie der kognitiven Motivation. Stuttgart: Klett. 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