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«Lernen mit dynamischen Visualisierungen: Metaanalyse und experimentelle Untersuchungen zu einem naturwissenschaftlichen Lerninhalt Dissertation zur ...»

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UNIVERSITÄT DUISBURG-ESSEN

FACHBEREICH BILDUNGSWISSENSCHAFTEN

LEHRSTUHL FÜR LEHR-LERNPSYCHOLOGIE

Lernen mit dynamischen Visualisierungen:

Metaanalyse und experimentelle Untersuchungen

zu einem naturwissenschaftlichen Lerninhalt

Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades

der Philosophischen Fakultät

der Universität Duisburg-Essen vorgelegt von Tim Niclas Höffler April 2007

Tag der Disputation:

07. September 2007

Gutachter:

Prof. Dr. Detlev Leutner Prof. Dr. Rolf Plötzner Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung

Abstract

Danksagung und Widmung

1 Einführung

1.1 Einleitung

1.2 Struktur dieser Arbeit

2 Theoretischer Hintergrund

2.1 Der Einfluss von Standbildern auf den Lernerfolg

2.2 Der Einfluss von Animationen auf den Lernerfolg

2.3 Animation versus Standbilder

2.4 Beeinflussende Moderatoreffekte

3 Metaanalyse zur Wirksamkeit von Animationen und Standbildern............ 26

3.1 Einführung

3.2 Methode

3.2.1 Auffindung und Selektion geeigneter Studien

3.2.2 Kodierung

3.2.3 Effektstärkenbestimmung und -analyse

3.3 Ergebnisse

3.3.1 Studiencharakteristika

3.3.2 Overall-Effekte

3.3.3 Einfluss von Moderatoren

3.3.4 Vertiefende Analyse zweiter und dritter Dimension

3.4 Diskussion

3.4.1 Overall-Effekte von Animationen gegenüber Standbildern

3.4.2 Repräsentational oder dekorativ?

3.4.3 Deklarativ oder prozedural?

3.4.4 Computer- oder videobasiert – Grad des Realismus?

3.4.5 Eigenschaften von Standbildern

3.4.6 Limitationen dieser Metaanalyse

3.4.7 Fazit

4 Erste experimentelle Studie (Pilotstudie)

4.1 Einführung

4.2 Fragestellung und inhaltliche Hypothesen

4.3 Methode

4.3.1 Variablen

4.3.2 Materialien

4.3.3 Räumlichkeiten und Hardware

4.3.4 Untersuchungsablauf

4.3.5 Probanden

4.4 Ergebnisse

4.4.1 Hypothesen 1 und 2: Animationen versus Standbilder

4.4.2 Hypothese 3: Die Rolle des themenspezifischen Vorwissens

4.4.3 Hypothese 4: Die Rolle der Spatial Ability

4.4.4 Hypothese 5: Die Rolle des Cognitive Load

4.4.5 Weitere Berechnungen

4.5 Diskussion

5 Zweite experimentelle Studie

5.1 Einführung

5.2 Zusätzliche theoretische Erörterungen

5.3 Fragestellung und inhaltliche Hypothesen

5.4 Methode

5.4.1 Variablen

5.4.2 Materialien

5.4.3 Räumlichkeiten und Hardware

5.4.4 Untersuchungsablauf

5.4.5 Probanden

5.5 Ergebnisse

5.5.1 Hypothesen 1a, 1b und 2: Animationen versus Standbilder

5.5.2 Hypothese 3: Die Rolle des themenspezifischen Vorwissens

5.5.3 Hypothese 4: Die Rolle der Spatial Ability

5.5.4 Weitere Berechnungen

5.5.5 Follow-Up

5.6 Diskussion

6 Dritte experimentelle Studie

6.1 Einführung

6.2 Zusätzliche theoretische Erörterungen

6.3 Fragestellung und inhaltliche Hypothesen

6.4 Methode

6.4.1 Variablen

6.4.2 Materialien

6.4.3 Räumlichkeiten und Hardware

6.4.4 Untersuchungsablauf

6.4.5 Probanden

6.5 Ergebnisse

6.5.1 Hypothesen 1a, 1b und 2: Animationen versus Standbilder

6.5.2 Hypothese 3: Die Rolle des themenspezifischen Vorwissens

6.5.3 Hypothese 4: Die Rolle der Spatial Ability

6.5.4 Weitere Berechnungen

6.6 Diskussion

7 Vergleich der drei experimentellen Studien

7.1 Einführung

7.2 Ergebnisse

7.3 Diskussion

8 Zusammenfassende Diskussion

8.1 Zusammenfassung der Ergebnisse

8.2 Theoretische Implikationen

8.3 Praktische Implikationen

8.4 Fachdidaktische Implikationen

8.5 Abschließende Bemerkungen und Ausblick

9 Literatur

10 Anhang

Anhang A: Tabelle der in die Metaanalyse aufgenommenen Studien..................159 Anhang B: Vortest der ersten und dritten empirischen Studie

Anhang C: Nachtest der ersten bis dritten empirischen Studie

Anhang D: Vortest der zweiten empirischen Studie

Anhang E: Paper-Folding-Test

Anhang F: Card-Rotation-Test

Anhang G: Abschrift des Audiokommentars der Lernumgebungen

Zusammenfassung 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.

Abstract 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.

Danksagung und Widmung Gewidmet meinem Großvater Hans Nack, der leider kurz vor Vollendung dieser Arbeit verstarb. Er hätte auch dieses Werk sicher stolz in die lange Reihe von Zeugnissen und Arbeiten seiner Kinder und Enkel gestellt.

Zu Dank verpflichtet bin ich, wie das immer bei Arbeiten ist, die sich über einen längeren Zeitraum erstrecken und in die viel Mühe investiert wird, einer ganzen Reihe von Menschen. Allen voran sind sicherlich meine Betreuer an der Universität Duisburg-Essen, Herr Prof. Dr. Detlev Leutner und Frau Prof. Dr. Elke Sumfleth zu nennen; dies nicht nur wegen der wohldosierten Betreuung, sondern auch, zusammen mit Herrn Prof. Dr. Hans Fischer, Herrn Prof. Dr. Klaus Klemm sowie Frau Prof. Dr. Angela Sandmann, für die Einrichtung und Betreuung der Forschergruppe und des Graduiertenkollegs nwu-essen, das einen exzellenten Rahmen für interdisziplinäre und fruchtbare Forschung bereitstellt.

Herrn Prof. Dr. Rolf Plötzner aus Freiburg danke ich herzlich, dass er sich dazu bereit erklärt hat, als externer Gutachter meiner Dissertation aufzutreten.

Ohne die vielen Studierenden und Schüler und Schülerinnen hätte diese Dissertation zu keinen Ergebnissen geführt, also möchte ich sowohl ihnen als auch den Dozenten und Lehrern danken, die mir ihre Kurse freundlicherweise für meine Testungen zur Verfügung gestellt haben: Dr. Christian Henke, Silke Klos, Dr. Ulrich Läer, Michael Langer, Dr. Andrea Maier-Richter, Dr. Jasmin Neuroth, Dr. Stefan Rumann, Holger Stawitz, Dr. Maik Walpuski. Darüber hinaus vielen Dank an Mathias Ständer für erfolgreiche Vermittlungstätigkeiten von Lehrerkollegen.

Unter keinen Umständen zu unterschätzen sind die motivationssteigernden Wirkungen einer netten Bürobesetzung; hier hatte ich mit Regina Hübinger, Silke Klos und Julia Wadouh besonderes Glück. Wir fanden zumeist die Waage zwischen Arbeit und Ablenkung, Stress und Spaß. Auch allen anderen Mitgliedern des Graduiertenkollegs möchte ich danken; es war eine wirklich schöne Zeit! Besonders hervorheben möchte ich Ina Glemnitz, Willi Liegener, Thomas Reyer und Tina Thillmann, die regen Anteil an einer ausgeglichenen Work-Life-Balance hatten.

Schließlich bleibt noch, meiner Frau Claudia Blechert zu danken, die mir in den vergangenen Jahren wie immer am meisten geholfen hat, trotz zuweilen sehr weit, zuweilen ganz nah erscheinender 513 Kilometer Distanz.

–  –  –

1 Einführung 1.1 Einleitung Noch immer sind die Wirksamkeit und der sinnvolle Einsatz von dynamischen Animationen zur Steigerung des Lernerfolgs unter Instruktionspsychologen und Didaktikern umstritten. Während noch vor wenigen Jahren die didaktischen Möglichkeiten von Animationen unbegrenzt erschienen, hat mittlerweile eine skeptischere Ansicht die Oberhand gewonnen, die, beeinflusst besonders von der Arbeit von Tversky, Morrision & Bétrancourt (2002), auf die zusätzliche kognitive Belastung verweist, die dynamische Visualisierungen induzieren. Standbilder, so die Auffassung, könnten zumeist zu mindestens ebenso guten Lernerfolgen führen.

Allerdings ruht dieser Konsens noch auf einem relativ unsicheren, weil empirisch wenig abgesicherten Standbein. Zudem dürfte die überwiegende Mehrzahl professioneller Entwickler und Designer von Lernumgebungen konträrer Meinung sein, die besonders auf die motivierende Wirkung von Animationen verweist.



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