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Modelle und Modellbildung nehmen eine zentrale Position im naturwissenschaftlichen Forschungsprozess ein: Sie präzisieren wesentliche Aussagen experimenteller Beobachtungen und verknüpfen theoretische Hintergründe miteinander, um so eine Grundlage für wissenschaftliche Vorhersagen zu bilden. Im Rahmen einer fundierten naturwissenschaftlichen Ausbildung tragen Modelle und Modellierung maßgeblich zur Veranschaulichung abstrakter Phänomene, zur didaktischen Reduktion komplexer Vorgänge und zur Hypothesenüberprüfung im Biologieunterricht bei. Gerade der Fachbereich Genetik weist eine hohe Komplexität auf und führt aufgrund unsichtbarer Strukturen molekulargenetischer Abläufe typischerweise zu Fehlvorstellungen und Lernschwierigkeiten bei Schülern. Neben dem Einsatz von Modellen und Modellbildung zum Verständnis genetischer Fachinhalte zeigten frühere Studien, dass schülerzentriertes Experimentieren in authentischen Lernumgebungen zu einem langfristigen Wissenszuwachs führen kann. Im naturwissenschaftlichen Forschungsprozess gehen Modellentwicklung und die Deutung experimenteller Untersuchungen Hand in Hand, daher sollten auch geeignete Unterrichtsprogramme beide Aspekte vereinen. Vor diesem Hintergrund integriert die vorliegende Studie beide naturwissenschaftlichen Arbeitsmethoden in einem schülerzentrierten, forschend-entdeckenden Unterrichtsmodul für die Sekundarstufe am außerschulischen Lernort Labor im Kontext der Erarbeitung der DNA-Struktur (Teilstudie A). Die Kombination von Hands-on Experimenten mit modellbasiertem Lernen hatte zum Ziel, den Aufbau von Fachwissen zu fördern und das Modellverständnis der Schüler zu steigern. Es wurden zwei unterschiedliche Unterrichtsansätze implementiert und bezüglich ihrer Effektivität verglichen: Während die experimentellen Einheiten für alle Schüler identisch waren, arbeiteten in der Modell-Phase die ‚Modellierer‘ (I) kreativ und konstruierten selbstständig ein DNA-Modell, wohingegen die ‚Modellbetrachter‘ (II) Bausteine der DNA anhand eines herkömmlichen Schulmodells untersuchten und identifizierten. Das Unterrichtsmodul mit den beiden beschriebenen modellgestützten Ansätzen bildete die Grundlage für drei Teilstudien, an denen insgesamt rund 290 Schüler der neunten Jahrgangsstufe (Gymnasium) teilnahmen. Zunächst lag der Fokus auf der Evaluation des Ansatzes zum Modellieren (I), wobei Wissen, Kreativität und Modellqualität erfasst wurden (Teilstudie B). Im Hinblick auf geschlechtsspezifische Wissensunterschiede konnte gezeigt werden, dass die Mädchen Vorwissensdefizite gegenüber den Jungen nach dem Unterricht ausgleichen konnten und der Wissenszuwachs der Schülerinnen positiv mit einer höheren Modellqualität und kreativen ‚Flow‘-Erfahrungen einherging. Allerdings wurden für beide Geschlechter keine Zusammenhänge zwischen der individuellen Kreativität und der Modellqualität festgestellt. Vor dem Hintergrund unterschiedlicher Einsatzmöglichkeiten von Modellarbeit im Unterricht sollten die implementierten Ansätze hinsichtlich ihrer instruktionalen Effizienz, d.h. der standardisierten Differenz von geistiger Anstrengung und der Lernleistung, überprüft werden (Teilstudie C). Beide Unterrichtsansätze zeigten ähnliche Ergebnisse bezogen auf die kognitive Belastung während der verschiedenen Modell-Phasen. Jedoch erreichten die ‚Modellbetrachter‘ (II) mittelfristig einen höheren Wissenszuwachs gegenüber den ‚Modellierern‘ (I). Das bedeutet, dass bei vergleichbarer geistiger Anstrengung im Unterricht die ‚Modellbetrachter‘ (II) eine höhere Lernleistung erreichten. In der Folge lässt sich das untersuchende Modellbetrachten (II) als instruktional effizientere Lernmethode bewerten. Effektive Methoden zur Förderung des Modellverständnisses sind gefragt, da eine verstärkte Reflexion über die Bedeutung von Modellen als ein relevanter Bestandteil naturwissenschaftlicher Grundbildung angesehen wird. Deshalb war ein weiteres Ziel der Studie, Einflüsse beider modellbasierter Ansätze auf das Modellverständnis der Schüler zu vergleichen (Teilstudie D). Drei Teilaspekte des Konstrukts wurden erfasst: (1) alternative Modelle, (2) Modelle als exakte Nachbildungen und (3) veränderlicher Charakter naturwissenschaftlicher Modelle. Die Argumentationen der Schüler über ‚alternative Modelle‘ (1) lieferten einen typischen Querschnitt zum Modellverständnis der untersuchten Altersgruppe. Die Mehrheit der Schüler begründete Modellunterschiede mit variierenden Eigenschaften des Originals (DNA) oder bezog sich auf das gewählte Modelldesign. Dies entspricht einem niedrigeren Verständnisniveau und stützt die geläufige Auffassung von Modellen als Lehrmittel. Im Gegensatz dazu konnte kurz- und mittelfristig sowohl durch das kreative Modellieren (I), als auch durch das untersuchende Modellbetrachten (II) eine Annäherung an ein naturwissenschaftlich anerkanntes Modellverständnis erreicht werden. Damit verbunden war die verringerte Auffassung von Modellen als ‚exakte Nachbildungen eines Originals‘ und die gesteigerte Wahrnehmung vom ‚veränderlichen Charakter naturwissenschaftlicher Modelle‘. Zusammengefasst zeigte die Kombination von modellgestütztem Lernen mit experimentellen Untersuchungen signifikant positiven Einfluss auf Wissenserwerb und Modellverständnis. Obwohl das untersuchende Modellbetrachten (II) als instruktional effizienter bewertet wurde, bot der Zugang des kreativen Modellierens den Schülerinnen die Möglichkeit, durch erfolgreiche Modellbildung und ‚Flow‘-Erfahrungen, Lücken im Vorwissen zu schließen und somit Geschlechterunterschiede auszugleichen. Darüber hinaus sind die implementierten Lernmethoden nicht auf den isolierten Einsatz am außerschulischen Lernort Labor beschränkt und lassen sich fächerübergreifend in den naturwissenschaftlichen Unterricht integrieren.

In online learning settings interactive and meaningful feedback is becoming increasingly important. However, feedback from teachers is oftentimes missing in online learning settings. To overcome challenges that arise from the missing representation of teachers, our study analyzes the relevance of avatar designs in learning settings. We therefore rely on avatars as game design elements and analyze how their design can influence emotional attachment, learning process satisfaction, and extraneous cognitive load in learning. To achieve our goal, we conduct a qualitative comparative analysis with 998 datasets that were collected in a 2x2x2 pre-post online experiment that was developed to train participants in learning functions in Excel. Our results indicate that interaction, familiarity, motivation, and aesthetic experiences are important configurations for avatars that are used in learning. We contribute to different streams of theory such as self-expansion and guide practitioners by providing implications about how to create meaningful avatar designs for learning applications.

This paper scrutinizes the factors affecting L1 and L2 speech fluency, focusing particularly on self-repaired speech errors in English as L2 in the speech of native Serbian speakers. The research was conducted to examine the level of L1 lexis and grammar interference in L2 speech production due to the higher cognitive load during L2 speech production. Based on the content analysis of spontaneous speech in English as L2, this research aims to classify and interpret the detected self-repairs in terms of language segments affected by the reparanda, the prevalence and selection of editing terms, and the types and focus of repairs. The reparanda are further examined regarding the stage of the speech production process they occur in, as discussed in Levelt’s production model as well as several bilingual speech models. Perceptual loops activated as the result of the monitoring mechanism during speech indicated that erring produced both general self-repairs and common L2-related self-repairs. Furthermore, one fifth of all self-repairs were classified as Serbian-related self-repairs, undoubtedly indicating the presence of L1 interference, even in highly fluent English speakers.

Use Cases sind eine weitverbreitete Methode in der Softwareentwicklung und dem Requirements Engineering. Sie beschreiben eine Interaktion zwischen einem Akteur und einem System. Es ist unbekannt, wie Use Cases gelesen und geschrieben werden. Mit diesem Wissen wäre es möglich, das Lesen und Schreiben von Use Cases effizienter zu gestalten. In dieser Arbeit wird der Einfluss von Anforderungsverlinkungen in Use Cases auf das Lesen und Schreiben von Use Cases untersucht. Von drei verschiedenen Verlinkungsvarianten soll die effizienteste identifiziert werden. Dazu wurde der Einfluss der Verlinkungsvarianten auf den Umgang mit den Anforderungen und die Art und Weise, wie Use Cases gelesen und geschrieben werden, betrachtet. Unter anderem wurden die Schreib- und Lesereihenfolge sowie die Leseintensität der Use Case Komponenten evaluiert. Außerdem wurde eine Relevanzbewertung der Komponenten vorgenommen. Die Untersuchung wurde als einer Eye-Tracking-Studie durchgeführt. Die Studie konnte signifikante Unterschiede bei der Bewertung der Relevanz der Use Case Komponenten nachweisen. Diese hat jedoch keinen Einfluss darauf, wie die Use Cases gelesen und geschrieben werden. Ebenso hat die Verlinkungsvariante keinen Einfluss auf die Art und Weise, wie Use Cases gelesen und geschrieben werden. Allerdings führt die Verlinkung der Anforderungen im Use Case zu einer differenzierteren Nutzung der Anforderungen., Use cases are a widely used method in software development and requirements engineering. They describe an interaction between an actor and a system. It is unknown how use cases are read and written. With this knowledge, it would be possible to make the reading and writing of use cases more efficient. In this thesis, the influence of requirement linking in use cases on the reading and writing of use cases is investigated. The most efficient is to be identified from three different linking variants. For this, the influence of the linking variants on the handling of the requirements and the way in which use cases are read and written was examined. Among other things, the read and write sequences as well as the reading intensity of the use case components were evaluated. In addition, a relevance assessment of the components was carried out. The study was conducted as an eye tracking study. The study showed significant differences in the assessment of the relevance of use case components. Though, this does not affect how the use cases are read and written. Likewise, the linking variant has no influence on the way in which use cases are read and written. However, the linking of the requirements in the use case leads to a more differentiated use of the requirements.

Obwohl bisher keine allgemeingültige Definition existiert, wird Lebenslanges Lernen oft als Konzept mit unumstrittenem Bezug zu Selbstregulation gesehen. Die Längsschnittstudie befasst sich mit Studierverhalten und Lernorganisation Fernstudierender an der FernUniversität in Hagen. Fernstudierende sind eine besonders heterogene Gruppe, da sie bedingt durch familien- und berufsorganisatorische Hürden sowie soziale Barrieren nicht mit traditionell Studierenden zu vergleichen sind. Sie weisen ein andersartiges Studierverhalten auf, welches bisher nicht ausreichend erforscht wurde. Mit dem Zweck ökologisch valider und situativ genau erfassbarer Zustände wurden 55 von insgesamt 553 Teilnehmern und Teilnehmerinnen zwei Semester lang ein- oder mehrfach monatlich via Telefon, SMS und E-Mail kontaktiert und zusätzlich neben standardisierten Fragebögen mit Hilfe eines eigens entwickelten halbstandardisierten Interviews zu Lerngewohnheiten, -ansichten und -fortschritten befragt. Als theoretischer Rahmen fungieren für die Überlegungen Prozess- und Schichtmodelle der Selbstregulation u.a. nach Schmitz und Wiese (1999) sowie Boekaerts und Baumert (1999). Die Ergebnisse zeigen, dass Studierende, die virtuelle Lernkomponenten nutzten keine signifikant besseren Leistungen erzielten als ihre Kommilitonen, die sich hauptsächlich mit konventionellen Lernmethoden befassten. Dispositionen wie z.B. Kompetenz- und Kontrollüberzeugungen, Stimmung, (Leistungs-)Motivation, Stressbewältigung, Selbstwirksamkeitserwartungen oder Persönlichkeitsaspekte beeinflussten die Nutzung bestimmter Lernstrategien nicht signifikant. Auf Grund der geringen Teilnahme an Lerngruppen konnten keine statistisch belastbaren Aussagen zu Dropouts in und Leistungsförderungsmöglichkeiten durch Lerngruppen getätigt werden. Weiterhin konnten 84% der Varianz in den Leistungsdaten durch Vorwissen zum Lernthema erklärt werden. Personen mit thematischem Vorwissen konnten unabhängig von der investierten Lernzeit bessere Prüfungsleistungen erlangen als Personen, die kein Vorwissen zum Lernthema aufwiesen. Die Ergebnisse belegen, dass ein signifikanter Unterschied in der Lernleistung abhängig von metakognitiven Lernstrategien und einer stabilen, für das Individuum passend gestalteten, Lernumgebung besteht. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die Studierenden die eingesetzte Lernzeit zu Beginn wie auch zum Ende eines Semesters als ausreichend einschätzten, obwohl der selbst aufgestellte Lernplan nicht eingehalten wurde. Dies ging einher mit einem deutlichen Motivationsgefälle zum Semesterende. Ergänzend konnte ein Einfluss der Arbeitsbelastung als Funktion des Vollzeit- oder Teilzeitstudiums auf den Lernstand nachgewiesen werden. Selbstbeurteilungsdaten zeigen, dass die regelmäßige Einschätzung des eigenen Lernstandes mit besonderer Relevanz für Fernstudierende eine zentrale metakognitive Leistung für selbstregulatives Lernen sein kann. Es konnte nicht belegt werden, dass Stimmung und Motivation mit der zur Verfügung stehenden Lernzeit in Verbindung stehen. Trotzdem zeigte sich, dass sich Stimmung wie auch Motivation über die Zeit veränderten und deutlich schlechter wurden. Es konnte ein Einfluss der Variable Prüfungsängstlichkeit, nicht aber der Variable Selbstwirksamkeit belegt werden. Zuletzt wurde rein explorativ mit Hilfe von Zeitreihenanalysen überprüft, wie sich Lernverhalten im Laufe von zwei Semestern verändert. Es zeigten sich zudem statistisch signifikant unterschiedliche Merkmalskombinationen, die im Sinne einer Prädiktions-Konfigurationsfrequenzanalyse als (Anti-)Typen angesehen werden können. Die sieben gefundenen Typen kennzeichnet dabei eine spezifische Merkmalskonfiguration in unterschiedlichen Ausprägungen. Gerade die individuellen Voraussetzungen und Einstellungen Fernstudierender wirken sich auf die Nutzung der virtuellen Lernumgebung aus und haben dadurch Einfluss auf die Anforderungen an die Studierenden selbst sowie auch die Lerneffizienz.

Einführung: Die Untersuchung diagnostischer Prozesse nach kognitiven Gesichtspunkten ist speziell in der Zahnmedizin und Kieferorthopädie bisher wenig betrachtet worden. In dieser Studie werden die kognitiven Prozesse bei der initialen Diagnostik und Therapieplanung in der Kieferorthopädie untersucht. Es wurden verschiedene Erfahrungslevel von Zahnärzten ohne spezielle Ausbildung, Weiterbildungsassistenten und Fachzahnärzten differenziert. Ziel war es, die gedanklichen Prozesse zu erkennen und Konsequenzen für eine Verbesserung der Ausbildung abzuleiten. Methode: Eine Fallvignette (komplette, ausgewertete diagnostische Unterlagen eines Patienten mit Anamnese, klinischem Befund, Studienmodell, Fernröntgenseitbild, Orthopantomogramm, Fotos) wurde 17 Probanden (5 Zahnärzte, 5 Weiterbildungsassistenten und 7 Fachzahnärzte) vorgelegt. Anhand von Think-aloud-Protokollen der Bearbeitung der Fallvignette wurden die Aussagen systematisiert und quantifiziert und damit einer statistischen Betrachtung zugänglich gemacht. Ergebnis: Der kognitive Prozess ist ein komplexes und variables Zusammenwirken verschiedener Abläufe. Eine Reduktion auf ein bekanntes kognitives Modell war nicht möglich. Bei einer hohen Cognitive Load zeigten sich in der Zeit für die Bearbeitung keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen, wohl aber erhebliche Differenzen in der Reihenfolge der Betrachtung der Befunde. Mit steigender Berufserfahrung werden weniger Informationen (15%) abgerufen. Sowohl zeitlich (>30%) als auch inhaltlich hat das Studienmodell wesentlichen Anteil an der Diagnostik und Therapieplanung. Diskussion: Die initiale kieferorthopädische Diagnostik und Therapieplanung ist ein hochindividueller Prozess. Es kann ein integriertes Modell aus analytischem und nichtanalytischem Vorgehen für die Kieferorthopädie angenommen werden. Verbesserungen in der Wissensvermittlung sollten eine strengere Systematisierung und Reduktion der kognitiven Belastung zum Ziel haben. Zum Aufbau individueller Strategien könnte auch der vermehrte Einsatz fallbasierter Übungen beitragen., GMS Zeitschrift für Medizinische Ausbildung; 26(4):Doc44; ISSN 1860-3572

Die Frage nach Lernvorteilen von dynamischen Visualisierungen gegenüber Standbildern ist nach wie vor umstritten. Während auf der einen Seite computerbasierte Animationen eine realistischere Abbildung komplexer Prozesse und Prozeduren versprechen, die Vorlage für ein exaktes mentales Modell liefern können, verweisen auf der anderen Seite Forschungsergebnisse der Instruktionspsychologie auf die erhöhte kognitive Belastung, die mit bewegten Bildern einhergehen und so die Lernenden überfordern kann (Tversky, Morrison & Bétrancourt, 2002). Mit Hilfe einer Metaanalyse fasst vorliegende Dissertation zunächst den aktuellen Stand der Forschung zum Lernen mit Animationen und Standbildern zusammen. Neben einer statistisch signifikanten durchschnittlichen Überlegenheit von Animationen in den publizierten Studien (d=0,40) wird darüber hinaus eine Reihe von Moderatorvariablen identifiziert, die Einfluss auf das Lernen mit Visualisierungen haben. Dazu gehört unter anderem die instruktionale Rolle der Animation, d.h. ob die Animation dekorativ oder repräsentational (Carney & Levin, 2002) verwendet wird, der Grad des Realismus der Animation sowie die Funktion erläuternden zusätzlichen Textes. Ausgehend von den Ergebnissen der Metaanalyse sowie zusätzlicher theoretischer Überlegungen werden sodann die Ergebnisse dreier experimenteller Studien zum Lernen mit Animationen und Standbildern vorgestellt. Mittels verschiedener Versionen einer eigens entwickelten computerbasierten Lernumgebung mit chemischer Thematik wird der Einfluss der Anzahl von Standbildern untersucht, wenn diese mit einer Animation verglichen werden. Es zeigt sich, dass die Animation einer Serie von vier Standbildern überlegen ist, wohingegen zumindest Hinweise dafür gefunden werden können, dass die Steigerung von vier auf elf Standbilder sowie die Ermöglichung minimaler Interaktivität diesen Unterschied reduziert. Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem Einfluss lernerspezifischer Faktoren wie denen des themenspezifischen Vorwissens, des Cognitive Load sowie insbesondere des räumlichen Vorstellungsvermögens. Diesbezüglich zeigt sich ein kompensierender „Aptitude-Treatment“-Effekt: Lernende mit hohem räumlichen Vorstellungsvermögen können die Nachteile, die eine Standbildversion gegenüber der Animation hinsichtlich des Lernerfolgs verursacht, kompensieren und mit Standbildern genauso gut lernen wie mit Animationen. Lernende mit niedrigem räumlichen Vorstellungsvermögen profitieren hingegen besonders von einer Animation. Um dieses Ergebnis weiter zu untersuchen, wird auf unterschiedliche Facetten des räumlichen Vorstellungsvermögens fokussiert. Es zeigt sich, dass der beobachtete Effekt nur für den Bereich der Spatial Visualization (Carroll, 1993) gilt. Die Ergebnisse der Arbeit haben theoretische, praktische und fachdidaktische Implikationen, die abschließend diskutiert werden. The question of whether dynamic visualizations or static pictures are superior in learning is still a matter of discussion. On the one hand, computer-based animations may be able to give a more realistic picture of complex processes and procedures and therefore provide the basis for an accurate mental model. On the other hand, instructional psychologists suggest that the transient character of dynamic pictures may increase cognitive load, which can overtax the learner (Tversky, Morrison & Bétrancourt, 2002). Via a statistical meta-analysis this dissertational thesis summarizes published studies concerning learning with animations and static pictures. In addition to the main finding of a clear superiority of animations over static pictures (d=.40), several moderator variables can be identified: These include the instructional role of animations, i.e. whether the animation is used to serve a decorational or representational function (Carney & Levin, 2002); the level of realism; and the role of additional illustrating text. Based on the meta-analytic findings as well as on further theoretical consideration three experimental studies on learning with animations and static pictures were conducted. Using different versions of a self-developed computer-based learning environment dealing with a topic in chemistry, the effect of the number of still pictures when compared to an animation is investigated. Results indicate that the animation is clearly superior to a series of four static pictures, while there is some evidence that this difference diminishes when compared to a series of eleven static pictures and when minimal interactivity is introduced. A specific focus of the present thesis is on the influence of learner characteristics, such as prior knowledge, cognitive load, and, in particular, spatial ability. A compensating effect of spatial ability is identified: Learners with high spatial ability are able to compensate for the disadvantages of the static version and therefore learn as much as with the animation. For learners with low spatial ability, however, the animation is especially beneficial. To further explore these results, different facets of spatial ability are examined. It can be shown that the observed effect is only valid for the area of spatial visualization (Carroll, 1993). The results of the present dissertational thesis have theoretical, practical, and educational implications which are discussed conclusively.

Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2007 Im Zuge der Dissertation wurde zunächst eine computerbasierte Experimentierumgebung mit dem Inhaltsbereich "Auftrieb in Flüssigkeiten" entwickelt und evaluiert. In einer ersten korrelativen Studie konnte diese Experimentierumgebung mit einer Stichprobe von insgesamt N = 436 Probanden der Schuljahrgangsstufen 8-10 zum einen erfolgreich evaluiert werden (z.B. hinsichtlich Lernwirksamkeit und Anregung zur Strategienutzung). Zum anderen konnte mittels Strukturgleichungsanalysen hypothesenkonform gezeigt werden, dass die kognitive Lernstrategie der isolierenden Variablenkontrolle (siehe Chen & Klahr, 1999; Künsting et al., im Druck) auch unter jeweiliger Kontrolle von aktueller Motivation, Intelligenz und metakognitivem Strategiewissen ein bedeutsamer Prädiktor für Lernerfolg ist. Dabei wurde die Strategienutzung mit einem computerbasierten Maß über die Analyse von logfiles gemessen. Zusätzlich wurde in einer simultanen Gruppenanalyse (in SEM) bestätigt, dass das Ausmaß des Vorwissens ein substanzieller Moderator für die zuvor beschriebene Prädiktion ist: Bei Probanden mit hohem Vorwissen fiel die Prädiktion des deklarativ-konzeptuellen Wissenszuwachses (residual vorwissensbereinigt) durch die Strategienutzung bedeutsam stärker aus als bei Probanden mit geringem Vorwissen. Dies zeigte sich wieder unabhängig davon, welche der oben aufgeführten Kontrollvariablen einbezogen wurden. Diese Befunde schließen eine relevante Forschungslücke. Die darauf aufbauende experimentelle Studie verfolgte unter Verwendung der oben genannten Experimentierumgebung mit einer Stichprobe von insgesamt N = 233 Probanden der Schuljahrgangsstufen 8-10 das Ziel, die beiden Faktoren 1. Zielqualität (Lern- vs. Problemlöseziele) und 2. Zielspezifität (spezifische vs. unspezifische Ziele) hinsichtlich ihrer Effekte auf den Wissenszuwachs, den cognitive load und die Strategienutzung zu vergleichen (Die Probanden wurden den insgesamt 4 Bedingungen mit unterschiedlichen Zielvorgaben randomisiert zugewiesen). Die bisherige Forschung weist diesbezüglich Defizite auf: Entweder ist dieser Vergleich gar nicht vorgenommen worden, oder aber es wurde eine Konfundierung der zwei Faktoren zugelassen. Zudem wurde der cognitive load unter der Bedingung externaler Zielvorgaben in der bisherigen Forschung noch nicht empirisch gemessen. Für die experimentelle Studie wurde ausgehend von der korrelativen Studie die (adaptierte) Experimentierumgebung verwendet. Im Ergebnis zeigte eine 2x2-faktorielle ANCOVA mit den oben genannten Faktoren und den Kovariaten Intelligenz, Motivation, Interesse und Lernzielorientierung, dass Lernziele erwartungsgemäß einen signifikant größeren Wissenszuwachs bewirken als Problemlöseziele, was in der bisherigen Forschung noch nicht untersucht wurde. Der Haupteffekt für den Faktor Zielspezifität ist wie erwartet nicht statistisch bedeutsam. Allerdings zeigt ein nach Ronis (1981) angewendetes Verfahren, dass sich die Ausmaße der zwei Haupteffekte nicht substanziell voneinander unterscheiden. Somit ist Zielqualität nicht bedeutsam relevanter für den Wissenszuwachs als Zielspezifität. Als Begründung hierfür kann z.B. gelten, dass die Spezifität innerhalb von Problemlösezielen erwartungsgemäß eine Rolle für den Wissenszuwachs spielte: Unspezifische Problemlöseziele bewirkten signifikant mehr Wissenszuwachs als spezifische Problemlöseziele. Damit konnte der Zielspezifitätseffekt bei Problemlösezielen (z.B. Sweller, 1988, 1994) repliziert werden sowie auf den cognitive load und die Strategienutzung als abhängige Variablen ausgeweitet werden (in allen Fällen zugunsten unspezifischer Problemlöseziele verglichen mit spezifischen Problemlösezielen). Weitere Ergebnisse sind beispielsweise, dass Lern- und Problemlöseziele, wie angenommen, zu einem vergleichbar hohen cognitive load führten. Wie vermutet, spielte die Spezifität nur bei Problemlösezielen eine Rolle für den Wissenszuwachs und die Strategienutzung, nicht aber bei Lernzielen. Die insgesamt 4 unterschiedlichen Arten externaler Zielvorgaben erwiesen sich als relativ robust gegenüber dem Ausmaß der internalen Lernzielorientierung der Personen, welches seinerseits den Wissenszuwachs nur tendenziell positiv beeinflusste. This phd-thesis deals with the effects of externally set goals on outcome, cognitive load and strategy use during self-regulated-discovery learning by experimenting in sciences. For this purpose, a computer-based experimenting-environment, representing a domain of physics, was developed and evaluated. First in a correlative study with a sample of N = 436 students of grade 8-10 the impact of strategy use in terms of Isolating Variables (IV; cf. CVS: Control of Variables Strategy) on learning outcome was investigated (cf. Chen & Klahr, 1999; Künsting et al., in press). Prior knowledge was considered as a potential moderating variable and intelligence, motivation, and strategy knowledge as control variables were investigated. As expected, an analysis of structural equation models (SEM) did show that strategy use predicted learning outcome significantly, independent from which of the three control variables was included in the prediction model. Again as assumed, a simultaneous group analysis revealed that these predictions were moderated substantially by prior knowledge: Concerning learning outcome, students with a high prior knowledge did profit substantially more from strategy use than those with a low prior knowledge. Second, in an experimental study the main research question deals with the comparison of the factors goal specificity (specific vs. non-specific goals) and goal quality (learning goals vs. problem-solving goals) in a 2x2-design, referring to their relevance for self-regulated-discovery learning by experimenting. By know, the dimension of goal quality has not been investigated by research. Mostly, only problem-solving goals have been set, and, if learning goals have been set, they have been investigated in confoundation with problem-solving goals. Beyond, cognitive load has not been assessed empirically under the conditions of externally set goals, yet. Therefore, a sample of N = 233 students of grade 8-10 (upper secondary school) was devided by random into four different experimental groups: 1. specific problem-solving goals, 2. non-specific problem-solving goals, 3. specific learning goals 4. non-specific learning goals. Each group had to work on the goals in the above described computerbased experimenting-environment. Results. A 2 x 2-ANCOVA with the covariates prior knowledge, intelligence, actual motivation, interest and internal learning-goal orientation confirmed the assumption that goal quality is relevant for self-regulated-discovery learning by experimenting: Learning goals did lead to a significantly higher learning outcome (residual knowledge gain) than problem-solving goals. But, as assumed, specific and non-specific goals caused no significant difference concerning learning outcome. This is a new contribution to the research of goal setting, because earlier studies always drew back the explained variance in learning outcome only to goal specificity. However, the difference between the sizes of the two main-effects of goal specificity and goal quality is not significant (cf. Ronis, 1981). That’s probably due to the expected, and successfully shown result that the goal specificity is not significantly relevant for learning goals, but more so for problem-solving goals (see below). Instead, only the factor goal specificity influenced cognitive load and strategy use, whereas goal quality did not: The conditions of non-specific goals resulted in significantly lower cognitive load and more frequent strategy use. Also, contrast tests of the ANCOVA revealed a replication of the “goal specificity effect” within problem-solving goals (cf. Sweller, 1988, 1999): Specific problem-solving goals fostered learning substantially higher than non-specific problem-solving goals. Additionally, students with non-specific problem-solving goals showed a lower cognitive load and a more frequent strategy use. This study is the first that could show a goal specificity effect not only for learning outcome, but also for the -empirical measured- cognitive load and strategy use within one investigation. As assumed, learning outcome and strategy use was only influenced by goal specificity concerning problem-solving goals, but not regarding learning goals.

Die Studie verfolgt das Ziel, am Beispiel des biogeochemischen Kohlenstoffkreislaufs das Erlernen komplexer und dynamischer Konzepte im Biologieunterricht zu untersuchen. Bei der Vermittlung entsprechender Inhalte ist die Förderung systemischen Denkens und multiperspektivischen Lernens notwendig. Es wird der Frage nachgegangen, welche Wirkung unterschiedliche Formen des Einsatzes systemischer Darstellungsformen auf das Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs haben. Es werden die selbständige Konstruktion und die passive Rezeption von Stofffluss- und Wirkungsdiagrammen sowie der Lernen ohne diese Systemdiagramme verglichen. Zudem wird untersucht, inwieweit der induzierte Wechsel verschiedener inhaltlicher Perspektiven den Lernprozess positiv beeinflusst. Es werden bezüglich des fachlichen Inhalts ein-perspektivisch und zwei-perspektivisch gestaltete Texte gegenübergestellt. Bei der Analyse der Lernwirksamkeit unterschiedlicher Lernumgebungen werden das themenspezifische Vorwissen, die visuelle bzw. verbale Lernpräferenz und die subjektiv wahrgenommene kognitive Belastung berücksichtigt. Die Ergebnisse der Studie zeigen insbesondere, dass Lernende mit hohem Vorwissen von der eigenständigen Stofffluss- und Wirkungsdiagrammkonstruktion profitieren. Bei Schülerinnen und Schülern mit geringem Vorwissen weist der Einsatz fertiger Systemdarstellungen einen positiveren lernprozessfördernden Effekt auf. Bezüglich der Lernpräferenz zeigte sich, dass Visualisierer erwartungsgemäß stärker vom Einsatz der Stofffluss- und Wirkungsdiagramme profitieren als Verbalisierer. Der lernprozessfördernde Effekt zwei-perspektivischen Wissens konnte in dieser Studie jedoch nicht nachgewiesen werden.

Diese Arbeit verfolgt die Frage, wie komplexe Inhalte der Neurowissenschaften im Unterricht so dargestellt werden können, dass Schüler nicht nur isolierte Fakten erlernen, sondern auch ein tieferes Verständnis der Zusammenhänge und Konzepte erlangen. Beim Lernen mit Multimedia, einer vielversprechende Möglichkeit zur Darstellung komplexer Strukturen und Prozesse, erweist sich jedoch die mentale Integration von Text und Bild als Ursache für Lernschwierigkeiten. In dieser Arbeit werden kognitionspsychologisch fundierte Prinzipien für die Gestaltung expliziter instruktionaler Hilfen abgeleitet und in einer multimedialen Lernumgebung zur olfaktorischen Signaltransduktion eingesetzt. Die Wirksamkeit dieser Hilfen wurde in Abhängigkeit von den Lernermerkmalen Vorwissen, Ausprägung des kognitiven Stils und individuelles Interesse überprüft. Entgegen der Hypothesen zeigen die Ergebnisse der Studie, dass die Mikroaufgaben im Vergleich zur Kontrollsituation nicht zu besseren Lernergebnissen führten. Stattdessen erwies sich die Möglichkeit zum Notizenmachen als lernförderliche instruktionale Maßnahme. Die geringe Lernwirksamkeit der Mikroaufgaben wird vor allem auf eine lokale Ausrichtung der mentalen Verarbeitung und auf eine zu geringe Aktivierung der Lerner zurückgeführt. Globaler orientierte und noch stärker Lerner aktivierende Hilfen im Sinne einer aktiven Wissenskonstruktion sollten daher bei der Entwicklung lernerunterstützender Maßnahmen in den Mittelpunkt rücken.

From not disturbing a focused programmer, to entertaining a restless commuter waiting for a train, ubiquitous computing devices could greatly enhance their interaction with humans, should these devices only be aware of the user's cognitive load. However, current means of assessing cognitive load are, with a few exceptions, based on intrusive methods requiring physical contact of the measurement equipment and the user. In this thesis we propose Wi-Mind, a system for remote cognitive load assessment through wireless sensing. Wi-Mind is based on a software-defined radio-based radar that measures sub-millimeter movements related to a person's breathing and heartbeats, which, in turn allow us to infer the person's cognitive load. We built the system and tested it with 23 volunteers being engaged in different tasks. Results show that while Wi-Mind manges to detect whether one is engaged in a cognitively demanding task, the inference of the exact cognitive load level remains challenging. Z vsestranskim računalništvom in njegovo interakcijo z ljudmi bi lahko izboljšali uporabniško izkušnjo, če bi naprave lahko razbrale kognitivno obremenjenost uporabnikov. Trenutni načini ocenjevanja kognitivne obremenitve človeka so, z nekaj izjemami, zasnovani na metodah, ki zahtevajo fizični stik merilnih oprem in uporabnika. V tem delu predstavimo sistem Wi-Mind za ocenjevanje kognitivne obremenjenosti človeka z uporabo brezžičnih signalov. Wi-Mind temelji na programsko definiranem radijskem radarju, ki meri zelo majhne gibe človeka, ki so rezultat dihanja in srčnega utripa. Le-to nam omogoča ocenjevanje kognitivne obremenjenosti osebe. Sistem smo preizkusili in testirali na triindvajsetih prostovoljcih, ki so reševali naloge različnih težavnosti. Rezultati kažejo, da Wi-Mind do neke mere lahko ugotovi ali se oseba ukvarja z reševanjem naloge. Ocenjevanje direktne kognitivne obremenjenosti, s katero bi lahko ugotovili uporabnikovo zagnanost v problem, ostaja izziv.