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Sitzungsübersicht
Sitzung
M16‒S27: Wie digitale Medien Wissensprozesse unterstützen: Forschung mit Fokus auf kognitiven Prozessen
Zeit:
Mittwoch, 25.03.2020:
16:45 - 18:30

Ort: S27

Präsentationen

Wie digitale Medien Wissensprozesse unterstützen: Forschung mit Fokus auf kognitiven Prozessen

Chair(s): Ulrike Cress (Leibniz-Institut für Wissensmedien, Tübingen)

DiskutantIn(nen): Cordula Artelt (Leibniz-Institut für Bildungsverläufe, Bamberg)

Das Symposium „Wie digitale Medien Wissensprozesse unterstützen: Forschung mit Fokus auf kognitiven Prozessen“ wird von der Arbeitsgruppe „Digitale Bildung“ des Leibniz-Forschungsverbunds Bildungspotentiale (http://www.leibniz-bildungspotenziale.de/) organisiert. Die Arbeitsgruppe vereint Institute, in denen unterschiedliche Aspekte bei der Nutzung digitaler Medien für Lern- und Bildungsprozesse untersucht werden. In dem geplanten Symposium sollen kognitive Prozesse, insbesondere Aufmerksamkeitsprozesse, von Kindern und Jugendlichen, die durch die Nutzung von Medien beeinflusst werden, im Mittelpunkt stehen.

Der Beitrag „Grundlegende Erkenntnisse Numerischer Kognition und motivationale Aspekte eines digitalen Lernspiels zum Bruchverständnis“ nimmt Selbstregulationsprozesse während eines digitalen Spiels zur Förderung des Bruchverständnisses in den Fokus. Hier soll ein Projekt vorgestellt werden, in welchem untersucht wurde, inwiefern sich grundlegende Effekte der Forschung zu numerischer Kognition mit einem digitalen Lernspiel replizieren lassen. Zudem wurde der Frage nachgegangen, ob sich spezifische Motivationsregulationsstrategien bei der Benutzung des Lernspiels identifizieren lassen. Hierzu spielten Schülerinnen und Schüler in einer Feldstudie auf Tablets ein digitales Spiel, welches Zahlenstrahlschätz- und Größenvergleichsaufgaben enthielt. Mittels ihrer Antworten in Fragebögen zu Motivation und Affekt wurden drei Gruppen identifiziert, die sich hinsichtlich der Verwendung von selbst- und fremdbestimmten Motivationsregulationsstrategien sowie dem wahrgenommen positiven Affekt während des Spielens unterschieden. Dies wiederum stand in Zusammenhang mit der Spieldauer und -leistung. Aufmerksamkeitsprozesse beim Spielen eines digitalen Spiels auf einem Tablet spielen auch im zweiten Beitrag „Unmittelbare Einflüsse der Tablet-Nutzung auf Wahrnehmung und Aufmerksamkeit im Grundschulalter“ eine Rolle. Hier wird ein Projekt vorgestellt, in dem untersucht wurde, ob die aktive Nutzung eines Tablets die Verarbeitung von aufgabenirrelevanten Störgeräuschen sowie Aufmerksamkeitsprozesse beeinflusst. Zu diesem Zweck spielten Grundschulkinder entweder mit einem Tablet oder einem menschlichen Partner das Gedächtnisspiel „Memory“. Gemessen wurde, wie sehr sich die Kinder durch aufgabenirrelevante Geräusche in den beiden Bedingungen ablenken ließen. Der dritte Beitrag „Ein Machine-Learning-Ansatz zur Erfassung der Aufmerksamkeit im Klassenzimmer: Hintergrund, Zielstellung und Empirische Bewährung“ widmet sich der möglichen Unterstützung von Lehrkräften bei der Förderung der Aufmerksamkeitsprozesse der Schülerinnen und Schüler. Im Rahmen des vorzustellenden Projekts soll mithilfe von Machine-Learning-Ansätzen eine unterstützende kognitive Schnittstelle entwickelt werden, die Lehrkräfte über den Aufmerksamkeitsstatus ihrer Schülerinnen und Schüler informiert. Mit dieser Unterstützung sollen – insbesondere unerfahrenere Lehrkräfte – besser in der Lage sein, die Aufmerksamkeit ihrer Schülerinnen und Schüler zu fördern und zu lenken.

Die Vielfalt der dargestellten Ansätze im Symposium wird abschließend von der Diskutantin Cordula Artelt kritisch eingeordnet und diskutiert.

 

Beiträge des Symposiums

 

Grundlegende Erkenntnisse Numerischer Kognition und motivationale Aspekte eines digitalen Lernspiels zum Bruchverständnis

Korbinian Moeller1, Kristian Kiili2, Silke Maria Bieck1, Manuel Ninaus1
1Leibniz-Institut für Wissensmedien, Tübingen; Eberhard Karls Universität Tübingen, 2Tampere University, Pori, Finnland

Hintergrund: Digitale Spiele werden seit langem nicht nur zur Unterhaltung genutzt, sondern auch als Wissensmedium. So integrierte Microsoft u.a. das Spiel Solitaire um Nutzerinnen und Nutzern auf spielerische Art die „drop & drag“ Funktion grafischer Nutzeroberflächen näher zu bringen. Entsprechend sind digitale Spiele ein fester Bestandteil unseres täglichen Umgangs mit verschiedenen Medien von Smartphones über Tablets bis hin zu PCs. In der Forschung zu sog. serious oder educational games liegt der Fokus bislang zumeist auf affektiv-motivationalen Aspekten (siehe Clark, Tanner-Smith, & Killingsworth, 2016 für einen Überblick). Im vorliegenden Beitrag soll darüberhinausgehend untersucht werden, inwieweit die Entwicklung digitaler Lernspiele domänenspezifische inhaltliche Aspekte (z.B. für Mathematiklernspiele) berücksichtigt, das heißt feingranulare Erkenntnisse (neuro)-kognitiver Forschung abgebildet werden. Dies soll exemplarisch am Mathematiklernspiel Semideus (https://bit.ly/2SkmgDT) verdeutlicht werden, das aufbauend auf Erkenntnissen der Grundlagenforschung zu numerischer Kognition das Verständnis für Bruchzahlen auf einem Zahlenstrahl erfassen (Ninaus, Kiili, McMullen, & Moeller, 2017) und trainieren kann (z.B. Kiili, Moeller, & Ninaus, 2018). Brüche sind für viele Schülerinnen und Schüler, aber auch Erwachsene, eine große Herausforderung. Deshalb scheinen motivational ansprechende Instruktionsformate besonders wünschenswert um deren Verständnis zu fördern.

Fragestellung: In einer Feldstudie wurde daher untersucht i) inwiefern sich grundlegende Effekte der Forschung zu numerischer Kognition mit einem digitalen Lernspiel zur Förderung des Verständnisses von Brüchen replizieren lassen und ii) ob sich spezifische Motivationsregulationsstrategien bei der Benutzung des Lernspiels identifizieren lassen.

Methode: Die vorliegende Studie wurde im Rahmen des tabletBW Projekts durchgeführt, in dem der Einsatz von Tablets im Unterricht in Baden-Württemberg wissenschaftlich untersucht wird. Zur Beantwortung der aktuellen Fragestellungen spielten 256 Schülerinnen und Schülern (MAlter = 12.64 Jahre; SD = 0.87 Jahre) eine Version von Semideus, die sowohl Zahlenstrahlschätz- als auch Größenvergleichsaufgaben enthielt. In Zahlenstrahlschätzaufgaben musste die genaue Position von Goldmünzen auf einem Zahlenstrahl identifiziert werden (angegeben durch einen Bruch). In Zahlengrößenvergleichsaufgaben mussten zwei Brüche hinsichtlich ihrer numerischen Größe verglichen werden. Zur Erfassung der Motivation wurde eine deutsche Übersetzung der Situational Motivation Scale (SIMS; Guay Vallerand, & Blanchard, 2000) verwendet, die i) intrinsische Motivation, ii) identifizierte Regulation, iii) externale Regulation und iv) Nicht-Regulation/Amotivation erfasst. Ebenso beantworteten die Schülerinnen und Schüler eine deutsche Übersetzung des Core Moduls des Game Experience Questionnaire (GEQ, IJsselsteijn, de Kort, & Poels, 2013), der i) Kompetenz, ii) Sensorische und imaginative Immersion, iii) Flow, iv) Anspannung/Ärger, v) Herausforderung, vi) negativer Affekt und (vii) positiver Affekt erfasst. Zur Identifikation von möglichen Subgruppen mit ähnlichen Motivations- und Leistungsprofilen wurde eine latente Profilanalyse (vgl. Hickendorff, Edelsbrunner, McMullen, Schneider, & Trezise, 2018) durchgeführt. Die Klassifizierung der latenten Profile erfolgte auf Basis der berichteten Motivationsregulationsstrategien der Schülerinnen und Schüler anhand des SIMS und der Anzahl der gespielten Level als objektiven behavioralen Motivationsindex. Zusätzlich wurde noch die Subskala „positiver Affekt“ des GEQ als Indikator für Freude am Spiel und die Leistung in Zahlenstrahlschätzaufgaben und Größenvergleichsaufgaben als Leistungsindikatoren berücksichtigt.

Ergebnisse: Die spezifische Assoziation der Spielleistung mit Mathematiknoten als auch der aus der Grundlagenforschung bekannte Distanzeffekt belegen die Validität des Lernspiels hinsichtlich aus der Grundlagenforschung bekannter Effekte. Mittels latenter Profilanalyse wurden drei Gruppen von Schülerinnen und Schülern identifiziert, die sich hinsichtlich der Verwendung von selbst- und fremdbestimmten Motivationsregulationsstrategien sowie dem wahrgenommen positiven Affekt während des Spielens unterschieden. Erwartungsgemäß verbrachten selbstregulierte Schülerinnen und Schüler die meiste Zeit mit dem Spiel und hatten das positivste Spielerleben.

Ausblick: Diese Ergebnisse zeigen, dass digitale Lernspiele theoretisch fundiert Effekte der Grundlagenforschung abbilden können. Darüber hinaus geben die Ergebnisse einen Einblick in die motivationalen Möglichkeiten (digitaler) Lernspiele im Schulunterricht. Durch die digitale Umsetzung des Lernspiels wird dadurch nicht nur eine Gestaltung von Bildung möglich, sondern auch Instruktionsformate, die eine neue Art der Partizipation von Lernenden an Bildungsprozessen erlauben (Kiili, Ojansuu, Lindstedt, & Ninaus, 2018).

 

Unmittelbare Einflüsse der Tablet-Nutzung auf Wahrnehmung und Aufmerksamkeit im Grundschulalter

Nicole Wetzel1, Andreas Widmann2
1Leibniz-Institut für Neurobiologie, Magdeburg; Center for Behavioral Brain Sciences Magdeburg; Hochschule Magdeburg-Stendal, 2Leibniz-Institut für Neurobiologie, Magdeburg; Universität Leipzig

Hintergrund: Kinder wachsen zunehmend mit interaktiver digitaler Technologie auf. Die Nutzung digitaler Medien beeinflusst Freizeitaktivitäten, Kommunikation und Lernprozesse. Für viele Lernprozesse ist die Kontrolle von Aufmerksamkeit, das heißt das Fokussieren auf relevante Informationen und das Ignorieren irrelevanter Informationen, eine wesentliche Voraussetzung. Insbesondere die Verarbeitung auditiver Informationen ist eng an Aufmerksamkeitsprozesse gebunden. Die Kontrolle der Aufmerksamkeit entwickelt sich deutlich im Kindergarten- und Grundschulalter (Wetzel, Scharf & Widmann, in press). Ob und in welchem Ausmaß die Nutzung digitaler Medien unmittelbar Informationsverarbeitungsprozesse, Wahrnehmung und Aufmerksamkeit von Kindern beeinflusst, ist jedoch kaum bekannt.

Fragestellung: Im vorgestellten Projekt wurde untersucht, ob die aktive Nutzung eines Tablets die Verarbeitung von aufgabenirrelevanten Störgeräuschen sowie Aufmerksamkeitsprozesse beeinflusst.

Methode: Grundschulkinder im Alter von 6-8 Jahren (N = 37) spielten entweder mit einem virtuellen Partner (Tablet) oder einem menschlichen Partner das Gedächtniskartenspiel „Memory“. Während des Spielens wurden aufgabenirrelevante Geräusche präsentiert, die aus einer Sequenz sich wiederholender Standardgeräusche und seltenen, zufällig eingestreuten neuen Umweltgeräuschen bestanden. Das unerwartete Auftreten neuer Geräusche führt häufig zu einer unwillkürlichen Ablenkung der Aufmerksamkeit, was zu beeinträchtigten Leistungen führen kann (Escera et al., 1998). Die Probanden wurden instruiert die Geräusche zu ignorieren. Zur Erfassung des Ausmaßes der Verarbeitung dieser Störgeräusche haben wir die Hirnaktivität mittels eines Elektroenzephalogrammes gemessen.

Ergebnisse: Die Ergebnisse zeigen erhebliche Unterschiede in der frühen Verarbeitung von auditiver Information beim Spielen mit einem menschlichen vs. einem virtuellen Partner. Aufgabenirrelevante Geräusche wurden in einem größeren Ausmaß verarbeitet und die Orientierung der Aufmerksamkeit hin zu neuen Geräuschen war erhöht, wenn Kinder mit dem Tablet interagierten.

Ausblick: Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Nutzung eines Tablets die unmittelbare Verarbeitung von auditiver Information, die besonders relevant für das Sprachverständnis ist, sowie die Orientierung der Aufmerksamkeit im Grundschulalter moduliert. Das bedeutet, während der Interaktion mit dem Tablet investierten Kinder mehr Ressourcen in die Verarbeitung und Evaluation aufgabenirrelevanter Informationen als während der Interaktion mit einem menschlichen Partner. Mögliche Erklärungsansätze werden im Vortrag diskutiert. Weitere Studien zu den unmittelbaren Auswirkungen der Nutzung digitaler Medien auf Wahrnehmungs- und Aufmerksamkeitsprozesse im Entwicklungsverlauf sowie deren Interaktion mit Lernprozessen sind erforderlich.

 

Ein Machine-Learning-Ansatz zur Erfassung der Aufmerksamkeit im Klassenzimmer: Hintergrund, Zielstellung und Empirische Bewährung

Ulrich Trautwein1, Ömer Sümer1, Patricia Goldberg1, Leonie Fresz1, Rainer Adolf1, Kathleen Stürmer1, Richard Göllner1, Wolfgang Wagner1, Peter Gerjets2, Enkelejda Kasneci1
1Eberhard Karls Universität Tübingen, 2Leibniz-Institut für Wissensmedien, Tübingen

Hintergrund: Aufmerksamkeit ist eine zentrale Grundvoraussetzung für den Lernerfolg. Nach aktuellem Forschungsstand gibt es substantielle Unterschiede zwischen Lehrkräften, wie erfolgreich sie die Aufmerksamkeit ihrer Schülerinnen und Schüler fördern und lenken. Hierauf wird oft mit den Begriffen „Classroom Management“ und „Kognitive Aktivierung“ Bezug genommen. Es ist davon auszugehen, dass Lehrkräfte nicht immer über den Aufmerksamkeitsfokus ihrer Schülerinnen und Schüler im Bilde sind, was insbesondere für angehende, noch unerfahrene Lehrkräfte (z. B. im bzw. kurz nach dem Referendariat) gilt. Entsprechend sind Rückmeldungen über Aufmerksamkeitsprozesse bei Lernenden für die Lehrkräfte von potenziell großer Bedeutung.

Bisher gibt es unterschiedliche Ansätze zur Bestimmung beobachtbarer Verhaltensindikatoren für die Aufmerksamkeitsprozesse von Lernenden. Beispielsweise zeigte sich, dass das behaviorale Engagement von Lernenden (z.B. Observer Ratings; Stipek, 2002) positiv mit deren Leistung zusammenhängt. In klassischen Beobachtungsansätzen wurde zwischen fachbezogenem (On-Task) und nicht-fachbezogenem (Off-Task) Verhalten unterschieden und gezeigt, dass individuelles Aufmerksamkeitsverhalten und die Schulleistung miteinander korrelieren (Helmke & Renkl, 1992). Den methodischen Zugängen zur Identifikation kognitiver Aufmerksamkeitsprozesse liegen allerdings meist aufwändige Kodierungen zugrunde, die aus ökonomischen Gründen häufig über fest definierte Zeitintervalle durchgeführt werden. Damit erlauben diese Ansätze keine kontinuierliche Erfassung von Aufmerksamkeitsprozessen, die mit bestimmten Instruktionssituationen einhergehen können. Um auf kognitive Aufmerksamkeitsprozesse zu schließen, werden zudem nicht selten hoch-inferente Ratings genutzt, die zwar zumeist gute psychometrischen Eigenschaften aufweisen, aber zugleich wenig spezifische Informationen über konkrete Verhaltensindikatoren liefern.

Fragestellung: Im Rahmen des vorzustellenden Projekts (Trautwein, Gerjets & Kasneci, 2017) soll deshalb mithilfe von Machine-Learning-Ansätzen eine unterstützende kognitive Schnittstelle entwickelt werden, die Lehrkräfte über den Aufmerksamkeitsstatus ihrer Schülerinnen und Schüler informiert. Eine solche Schnittstelle kann eingesetzt werden (1) in Echtzeit im Unterricht, (2) als Teil der Lehrkräfteaus- und Fortbildung (z.B. als angereichertes Video-Feedback, das zusätzlich den Aufmerksamkeitsfokus darstellt, oder als eigenständige Lösung, die Feedback zum Aufmerksamkeitsverlauf über eine Unterrichtsstunde bietet) und (3) in Forschungsprojekten, um Zusammenhänge zwischen verschiedenen Unterrichtssituationen und -ansätzen mit dem Lernerfolg zu untersuchen. Hierbei werden sowohl lehrergeleitete Unterrichtssituationen als auch Phasen der Gruppenarbeit in den Blick genommen.

Methode: Um beobachtbare Vergleichsindikatoren als Grundlage für das Training maschineller Lernverfahren nutzen zu können, wurde ein Instrument zur kontinuierlichen Verhaltenskodierung von Lernenden entwickelt. Dafür wurde der Ansatz von Dhamija und Boult (2018) adaptiert, mit bereits existierenden Skalen zur Aufmerksamkeitserfassung (Engagement, On-/Off-Task) kombiniert und um die Unterscheidung in passives, aktives, konstruktives und interaktives Verhalten erweitert (Chi & Wylie, 2014). Daraus ergibt sich eine eindimensionale Skala, anhand derer die Beurteilung kontinuierlich erfolgt. Mit einem Joystick wird das Verhalten der zu beobachtenden Person fortlaufend über die videografierte Instruktionseinheit hinweg kodiert und in Sekundenschritten erfasst (Girard, 2014). Die Validität des Instruments wurde in zwei universitären Seminarsitzungen zum Thema „Testen von Unterschieden bei unabhängigen Stichproben“ mit N=40 Studierenden überprüft. Neben der Erhebung von individuellen Charakteristika (z.B. Persönlichkeit) sowie den Lernaktivitäten (z.B. kognitives Engagement), wurde im Anschluss an die Seminarsitzung ein Wissenstest durchgeführt. Die Videos der Seminarsitzungen wurden von zwei Ratern kodiert, die zuvor anhand eines Rater Manuals geschult wurden. Das manuelle Bewertungssystem korrelierte signifikant mit dem selbstberichteten kognitiven Engagement, der Beteiligung und dem situativen Interesse und sagte die Leistung in einem anschließenden Wissenstest vorhergesagt.

Ergebnisse: Der maschinell arbeitende Ansatz, der auf Blick, Kopfhaltung und Gesichtsausdruck basierte, lieferte gute Schätzungen der manuellen Bewertungen. Das Hinzufügen einer Synchronisationsfunktion zur automatisierten Analyse verbesserte die Korrelationen mit den manuellen Bewertungen sowie die Vorhersage von Post-Test-Variablen.

Ausblick: Derzeit werden weitere bereits erhobene Daten aus vier Seminarsitzungen kodiert und ausgewertet. Darüber hinaus werden zwischen Oktober und Dezember 2019 zusätzliche Daten in reellen Unterrichtsstunden eines Gymnasiums erfasst und anschließend kodiert. Gleichzeitig findet derzeit eine Erweiterung des Methodenspektrums auf Gruppenarbeitssituationen statt. In dem Vortrag soll auch über diese weiteren Entwicklungen berichtet werden.