Problemlösen und Expertise - Das Arbeitsgedächtnis

Felix Zappe02.05.202

3Angewandte Kognitionspsychologie: Problemlösen und Expertise

| Fakultät II Bildung - Architektur - Künste | Universität Siegen

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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 Problemlösens1.1. 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. Grundlagen des Problemlösens 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




Disclaimer1. Grundlagen des Problemlösens 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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Disclaimer2. Problemlöseoperatoren2.1. 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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Disclaimer2. Problemlöseoperatoren2.2. 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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Disclaimer2. Problemlöseoperatoren2.3. 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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Disclaimer2. Problemlöseoperatoren2.3.1. 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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Disclaimer2. Problemlöseoperatoren2.3.2. 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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Disclaimer2. Problemlöseoperatoren2.3.2. Ziel-Mittel-Analyse – Turm von Hanoi-Problem

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Disclaimer3. Die Repräsentation von Problemen3.1. 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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Disclaimer3. Die Repräsentation von Problemen3.2. 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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Disclaimer4. 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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Disclaimer4. Einstellungseffekte4.1. 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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Disclaimer4. Einstellungseffekte4.2. 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 esnur einen Schritt zur Einsicht

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Teil 2:Expertise




Disclaimer1. Grundlagen der ExpertiseGehirnveränderungen 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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Disclaimer2. Allgemeine Kennzeichen der Expertise2.1. Drei Phasen des Erwerbs von Fähigkeiten

Kognitive Phase Assoziative 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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Disclaimer2. Allgemeine Kennzeichen der Expertise2.2. 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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Disclaimer2. Allgemeine Kennzeichen der Expertise2.2. 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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Disclaimer3. Das Wesen der Expertise3.1. 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 Kontrolle22




Disclaimer3. Das Wesen der Expertise3.2. 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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Disclaimer3. Das Wesen der Expertise3.3. 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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Disclaimer3. Das Wesen der Expertise3.4. 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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Disclaimer3. Das Wesen der Expertise3.5. 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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Disclaimer3. Das Wesen der Expertise3.6. 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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Disclaimer3. Das Wesen der Expertise3.6. 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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Disclaimer4. 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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Disclaimer4. 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.




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