Problemlösen und Expertise - Das Arbeitsgedächtnis

Felix Zappe20.05.2016
Angewandte Kognitionspsychologie: Problemlösen und Expertise |
Fakultät II Bildung - Architektur - Künste | Universität Siegen
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Fach:
Angewandte
Kognitionspsychologie
Thema:
„Problemlösen und
Expertise“
von Felix Zappe
bei Dr. Klaus-Martin Klein

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Teil 1:
Problemlösen

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1. Grundlagen des Problemlösens
1.1. Biologische Grundlagen
Organisation des Verhaltens findet
hauptsächlich im präfrontalen Kortex statt:
rechtshemisphärisch, dorsal, anterior
Grundlage für die fortgeschrittenen
Problemlösefähigkeiten von Affen, wie
Sultan

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1.2. Problemlösen – Begriffserklärung
Problemlösen ist ein zielgerichtetes Verhalten, das oft das Aufstellen von Teilzielen
beinhaltet, um die Anwendung von Operatoren zu ermöglichen.
 Die drei Merkmale des Problemlösens sind:
Zielgerichtetheit: Organisation des Verhaltens auf ein Ziel hin
Zerlegung in Teilziele: Zerlegung bei gleichzeitigem im Blick behalten
des großen Ganzen
Anwendung von Operatoren: Teilziele sind nur sinnvoll, wenn man die
zur Erreichung notwendigen Operatoren kennt
Operatoren: Handlungen die den vorliegenden Problemzustand in einen anderen
Problemzustand transformiert

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1.3. Der Prozess des Problemlösens
Problemlöseoperatoren erzeugen einen Raum möglicher Zustände (den
Problemraum), die der Problemlösende nach einem Pfad zur Lösung des Problems
durchsuchen muss.
Problemstellung: Suchräume beschrieben durch einen Suchbaum:
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2. Problemlöseoperatoren
2.1. Arten der Aneignung von Operatoren
Problemlöseoperatoren können durch Entdecken, die Bildung von Analogien zu
einer Beispiellösung oder durch direkte Instruktion erworben werden.
Entdeckung: Analogiebildung Instruktionen
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2.2. Analogiebildung
Zur Analogiebildung muss festgestellt werden, dass eine frühere Problemlösung
relevant ist. Dann müssen die Elemente dieser früheren Problemlösung auf das
aktuelle Problem übertragen werden, sodass ein Operator zu dessen Lösung
ausgebildet werden kann.
Mögliche Probleme:
Korrektes Anwenden
erfordert Überlegung
und Abstraktions-
vermögen
Oft mangelt es an der Fähigkeit des ausfindig Machens
passender Beispiele
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2.3. Auswahl von Operatoren
Menschen benutzen die Backup-Vermeidung, die Unterschiedsreduktion und die
Mittel-Ziel-Analyse (means-end-analysis) um Operatoren auszuwählen.
Back-Up
Vermeidung
Unterschieds-
reduktion
Ziel-Mittel-
Analyse
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2.3.1. Unterschiedsreduktion
Beim Problemlösen haben Menschen an jenen Stellen Schwierigkeiten, an denen
das richtige Lösungsverhalten eine Vergrößerung des Unterschieds zwischen dem
aktuellen und des Zielzustandes mit sich bringt.
Man begreift die Sequenzen als Maß steigernder Ähnlichkeit, jedoch kann es
manchmal sinnvoll sein, bewusst gegen dieses Ähnlichkeitsmaß zu verstoßen.
(1) Das Hobbits-
Orks-Problem
(2) Wasser-
füllaufgabe
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2.3.2. Ziel-Mittel-Analyse
Die Ziel-Mittel-Analyse umfasst die Bildung von Teilzielen, um den Unterschied zu
eliminieren, der den gewünschten Operator blockiert.
Turm von Hanoi-Problem:
Der präfrontale Kortex spielt eine
entscheidende Rolle bei der
Aufrechterhaltung von
Zielstrukturen.
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2.3.2. Ziel-Mittel-Analyse – Turm von Hanoi-Problem
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3. Die Repräsentation von Problemen
3.1. Die Bedeutung korrekter Repräsentation von Problemen
Erfolgreiches Problemlösen hängt davon ab, ob Probleme so repräsentiert werden,
dass angemessene Operatoren angewandt werden können.
Ein Schachbrett mit 62 Feldern.
Kann man dieses mit 31 Dominosteinen komplett verdecken?
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3. Die Repräsentation von Problemen
3.2. Funktionale Gebundenheit
Funktionale Gebundenheit bezeichnet die Tendenz, Objekte in ihrer üblichen
Problemlöseform zu repräsentieren, wodurch das Erkennen neuer Funktionen
verhindert wird.
(1) Das zwei Seile Problem:
Beide Seile sollen verknotet werden, Man
kann nicht beide gleichzeitig erreichen.
(2) Das Kerzenproblem.
Die Kerze soll an einer Tür
befestigt werden.
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4. Einstellungseffekte
Einstellungseffekte (set effects) ergeben sich, wenn für einen bestimmten Typ von
Problemlösung relevante Wissensstrukturen verstärkt werden.
Wenn zugängliches Wissen nicht für die Problemlösung verwendet wird, wird es
hinderlich. Auch kann es zu einer Automatisierung der Denkvorgänge kommen.
Einstellungseffekte lassen sich mildern. (1) Additionsproblem
(2) Subtraktionsproblem
Wie lassen sich diese
Probleme lösen?
Zeit für die Umformung der Anagramme
stark davon abhängig ob organisierte
Listen (Priming findet statt) oder
unorganisierte Listen
(Priming findet nicht statt).
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4.1. Inkubationseffekte
Inkubationseffekte treten auf, wenn Probanden die unangemessenen Strategien
vergessen (dh. Die Aktivierung der unangemessenen Wissensstrukturen nimmt ab),
die sie zur Problemlösung verwendet hatten.
Probleme werden durch das neue Angehen und nicht durch das Unterbewusste gelöst.
Je unangemessener die Art der Problemlösung, desto größer der Inkubationseffekt.
(1) Die billige Halskette (2) Erkennung von Sprichwörtern
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4.2. Einsicht
Einsichtseffekte sind Probleme, bei denen die Problemlösenden es nicht erkennen
können, wenn sie der Lösung nahe kommen.
Die Lösungen gehen mit einem spür- und messbaren Aha-Erlebnis einher.
Nicht erkennbar welchen Teilen der Problemlösung eine Schlüsselfunktion zukommt
und welchen nicht
(1) BOLD-Aktivität bei erfolgreicher und nicht
erfolgreicher Lösung
(2) Manchmal braucht es
nur einen Schritt zur Einsicht
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Teil 2:
Expertise

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1. Grundlagen der Expertise
Gehirnveränderungen durch Fähigkeitenerwerb
Durch ausgiebiges Üben kann man ein hohes Ausmaß an Expertise in neuartigen
Wissensdomänen erlangen, die die Entwicklung der Menschlichen Zivilisation
vorangebracht hat.
Mit zunehmender Expertise werden weniger Hirnregionen zum Ausführen dieser
Tätigkeiten aktiviert. Wir verbrauchen weniger Mentale Energie.
Hirnaktivitäten bei
Schülern beim Bilden
von Ableitungen am 1.
und am 5. Tag nach
Erlernen der Technik
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2. Allgemeine Kennzeichen der Expertise
2.1. Drei Phasen des Erwerbs von Fähigkeiten
Kognitive Phase
Assoziativ
e Phase
Autonome
Phase
• Bedeutsame Fakten
prägen sich ein
• Operatoren werden
definiert
• Wissen wird nur
langsam angewandt
• Fakten werden einzeln
abgerufen &
interpretiert
• Anfängliche Fehler
werden eliminiert
• Lösungselemente
werden verbunden
• Steuert die gekonnte
Ausführung
• Ergebnis:
erfolgreiche Prozedur
• Prozedur wird
automatisierter &
schneller
• Benötigt immer weniger
Aufmerksamkeits-
ressourcen
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2.2. Das Potenzgesetz des Lernens (1/2)
Das Ausführen einer kognitiven Fertigkeit verbessert sich gemäß einer Potenzfunktion
der Übung und verschlechtert sich auch nach langen Behaltensintervallen nur
geringfügig.
Schnelligkeit der
Herstellung von Zigarren
Das Leistungsmaximum unterliegt physischen oder
physikalischen Grenzen. Die kognitive
Leistungsfähigkeit ist unbegrenzt, mit genügend
Übung sinkt die Ausführungszeit für den kognitiven
Teil einer Aufgabe auf Null.
Die Abnahme der benötigten Zeit (T) fällt mit
weiterer Übung (P) sehr schnell nur noch gering
aus.
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2.2. Das Potenzgesetz des Lernens (2/2)
Fertigkeiten bleiben über die Zeit in
hohem Masse erhalten.
Nach jahrelanger Vernachlässigung
reicht eine kurze Aufwärmphase um
wieder an die gewohnte Leistung
anzuknüpfen.
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3. Das Wesen der Expertise
3.1. Prozeduralisierung
Prozeduralisierung bezeichnet den Prozess, durch den die explizite Verwendung
deklarativen Wissens von der unmittelbaren Anwendung prozeduralen Wissens
abgelöst wird.
Man muss nicht mehr nachdenken was zu tun ist, sondern erkennt einfach, was
angemessen ist (mustergeleitetes Erkennen).
Aufgaben der Hirnareale:
Motorisch – Bewegung zum Schreiben
Parietal - Interne Repräsentation des Problems
Präfrontal – Abruf von Aufgabeninstruktionen
ACC – kognitive Kontrolle
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3.2. Taktisches Lernen
Taktisches Lernen bezeichnet einen Prozess, in dessen Verlauf spezifische Prozeduren
für die Lösung spezifischer Probleme gelernt werden. Man erinnert sich an Lösungen
früherer Probleme.
Probanden sollten Probleme der Art F+3 lösen,
also im Alphabet 3 Buchstaben nach vorne
zählen. Bald gelang dies mit 5 Summanden
ähnlich schnell wie mit Zweien.
Sie sind vom Berechnen (präfiontaler Kortex)
hin zum Abrufen (posteriorer Kortex).
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3.3. Strategisches Lernen
Strategisches Lernen bedeutet, sich eine Art der Strukturierung der eigenen
Problemlösens anzueignen, die für Probleme in einer bestimmten Domäne optimal
geeignet sind. Es ist die Organisation des Lernens, bzw. einzelner Teilfertigkeiten.
Zur Lösung von der nebenstehenden Aufgabe
wurden Novizen und Experten befragt.
Novizen nutzten entweder aufwändige
Rückwärtssuchen oder scheiterten an
Vorwärtssuchen. Experten nutzen eine gerichtetere
und daher erfolgreichere Vorwärtssuche.
Allerdings benötigen verschiedenen Domänen
verschiedene Herangehensweisen, das
Programmieren andere als die Physik.
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3.4. Problemwahrnehmung
Eine wichtige Dimension zunehmender der Expertise ist die Fähigkeit zu lernen,
Probleme auf eine Weise wahrzunehmen, die das Anwenden effizienter
Problemlöseverfahren erleichtert.
Experten besitzen die Fähigkeit Oberflächenmerkmale eines Problems auf die
zugrunde liegenden Prinzipien zurückzuführen.
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3.5. Das Lernen und Erinnern von Mustern
Experten können bei Problemen die Muster aus immer wiederkehrenden Elementen
erkennen und sie für die Lösung heranziehen, ohne im Einzelnen darüber nachdenken
zu müssen.
Experten haben ein verbessertes Erinnerungsvermögen Informationen ihrer Domäne
betreffend.
Meister erkennen bedeutungsvolle Konstellationen
schneller und können sofort handeln und können sich
so subtileren Problemen widmen.
Die Novizen müssen diese erst
langwierig identifizieren und
deren Lösungen abspeichern.
Die bedeutungsvollen
Informationseinheiten, in denen
dieses Wissen gespeichert wird,
nennt man Chunks.
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3.6. Langzeitgedächtnis und Expertise
Mit zunehmender Erfahrung auf einem Gebiet verbessert sich die Fähigkeit,
problembezogene Information im Langzeitgedächtnis zu speichern und wieder
abzurufen.
Experten können sowohl mehr als auch größere Muster erinnern.
Die Versuchsperson konnte sich durch die
Einteilung von Ziffern in Chunks nicht mehr
sieben Ziffern aber 7 Chunks merken.
Zusätzlich entwickelte er eine Abrufstruktur.
Bei Computern hingegen funktioniert dies anders,
sie führen die Arten der Problemlösung sehr
schnell durch, evaluieren diese und handeln
entsprechend.
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3.6. Die Funktion der zielgerichteten Übung
Die Entwicklung von Expertise auf jeglichem Gebiet erfordert ein großes Ausmass an
zielgerichteter Übung.
„Genie besteht zu 90% aus Transpiration und zu 10% aus Inspiration.“
Bei zielgerichteten Übungen sind die Lernenden motiviert, etwas zu lernen und nicht
nur etwas zu leisten. Man erhält Feedback und beschäftigt sich wiederum intensiv
mit diesem und der eventuellen Abweichung vom gewünschten Standard.
Zielgerichtete Übungen führen zu einem Nervenwachstum, welches die
entsprechende Domäne unterstützt.
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4. Der Transfer von Fertigkeiten – Die Theorie der identischen
Elemente
Es gelingt oft nicht, Fähigkeiten auf ähnliche Domänen zu übertragen, und es findet
praktisch kein Transfer in sehr unterschiedliche Domänen statt.
Im Gegensatz dazu steht die Doktrin der formalen Disziplin, die besagt, dass man
seinen Geist wie den Körper trainieren kann.
Transfer zwischen Fertigkeiten tritt nur dann auf, wenn an diesen Fertigkeiten die
selben abstrakten Wissenselemente beteiligt sind.
Transfer ist nicht an die Identität von Oberflächenelementen gebunden.
Es findet selten ein negativer Transfer, also die Behinderung des Erlernens durch ein
anderes Erlernen statt. Jedoch ist der Einstellungseffekt ein Beispiel.
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4. Implikationen für pädagogische Inhalte
Die Vermittlung von Lernstoff kann mit Ansätzen verbessert werden, in denen die
zugrunde liegenden Wissenselemente identifiziert werden und sichergestellt wird,
dass die Schüler alle Elemente beherrschen.
Problemzerlegung: Unterrichtsansätze, die von der Analyse der zu lehrenden
Elemente ausgehen, nennt man Komponentenanalysen.
Das beherrschungsorientierte Lernen ist eine Lehrform und gut geeignet, um Erfolge
zu erzielen. Grundidee ist, die Schüler bei jeder Leistungskomponente, die der
kognitiven Fähigkeit zugrunde liegen, zu begleiten und sicherzustellen, dass diese
beherrscht wird.
Durch die sorgfältige Überwachung der einzelnen Komponenten einer Fähigkeit und
durch die entsprechende Rückmeldung können intelligente Tutoren Studierenden zu
einer schnellen Beherrschung komplexer Fertigkeiten verhelfen.
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Literaturverzeichnis
Anderson, J. R. (2013): Kognitive Psychologie, 7. Auflage, Berlin Heidelberg:
Springer-Verlag.

Disclaimer
Vielen Dank für eure
Aufmerksamkeit!!

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