Was verbirgt sich hinter dem leeren Blick?

Ungeachtet unseres Fachgebiets haben wir alle schon Momente erlebt, in denen einige Schüler an jedem Wort zu hängen scheinen und unsere Botschaften, Bilder, Grafiken und visuellen Darstellungen mit großem Engagement verschlingen. In denselben Klassen gibt es jedoch auch ein gewisses Maß an Verwirrung, verwirrte Blicke oder schlimmstenfalls einen leeren Blick! In meinem Fachgebiet, der anatomischen Ausbildung, wie auch in vielen anderen MINT*-Disziplinen, ist der fast allgegenwärtige Einsatz von Multimedia und anderen zunehmend komplexeren Computervisualisierungen ein wichtiger Bestandteil unseres pädagogischen Instrumentariums für den Unterricht, für Kleingruppen oder sogar für Einzelgespräche auf Graduiertenebene. Ein Bild sagt zwar mehr als tausend Worte, aber die Worte, die jeder Einzelne hört oder, was noch wichtiger ist, versteht, sind sehr unterschiedlich.

Mein Labor, das Corps for Research of Instructional and Perceptual Technologies (CRIPT Lab), nutzt das experimentelle Paradigma der räumlichen Fähigkeiten, um zu untersuchen, wie Menschen Bilder zum Lernen nutzen. Jeder von uns verfügt über eine unterschiedlich ausgeprägte räumliche Orientierung, einen Richtungssinn und die Fähigkeit, Objekte mental zu manipulieren, also über räumliche Fähigkeiten. Diese Eigenschaft kann mit einer Reihe von Tests gemessen werden, die unsere Fähigkeiten anzeigen. Man geht davon aus, dass die räumlichen Fähigkeiten unsere Bildungsentscheidungen und sogar unser Abschneiden in diesen Fächern beeinflussen (Wai, Lubinski und Benbow 2009). Wir stützen uns auf die kognitive Theorie des multimedialen Lernens (Mayer) und die Theorie der kognitiven Belastung (Valcke 2002), um zu vermuten, dass Personen mit geringeren räumlichen Fähigkeiten einer höheren externen Lernbelastung ausgesetzt sind, da sie sich bemühen, mit den komplexen Visualisierungen Schritt zu halten, die manchmal zur Darstellung von Phänomenen verwendet werden. Wir haben begonnen, während des Lernens und der Tests neurophysiologische Daten zu sammeln. Seien Sie versichert, dass es sich hierbei nicht um einen allumfassenden Intelligenztest handelt, aber sie haben eine vernünftige und wachsende prädiktive Anwendbarkeit.

Der Doktorand Jay Loftus untersuchte, wie der zerebrale Blutfluss bei Personen mit hohem räumlichen Vorstellungsvermögen im Vergleich zu Personen mit niedrigem räumlichen Vorstellungsvermögen erhöht ist, wenn sie anhand statischer Bilder die Knochen der Füße oder große Gefäße in der Brust lernen. Dabei ging es nicht darum, ihre Namen oder Funktionen zu erlernen, sondern zu verstehen, wie diese anatomischen Teile zusammengehören.

Es zeigte sich, dass Personen mit hohem räumlichen Vorstellungsvermögen bei den von ihm entwickelten Tests besser abschnitten, und zwar mit einem höheren zerebralen Blutfluss. Bei falschen Antworten kam es bei Personen mit höherem räumlichen Vorstellungsvermögen zu einem leichten Rückgang des Blutflusses, während bei Personen mit geringerem räumlichen Vorstellungsvermögen der Blutfluss unter den Ausgangswert fiel, was auf eine mögliche Verlagerung von Blut in andere Hirnregionen bei dem Versuch, die Frage zu beantworten, hinweist. Wir neigen dazu, uns dies als eine höhere „Arbeitsrate“ des Gehirns vorzustellen, um die Aufgabe zu bewältigen. In gewissem Sinne erfahren Personen mit geringem räumlichen Vorstellungsvermögen bei dieser Lern- und Testmodalität eine höhere kognitive Fremdbelastung (Loftus, Jacobsen und Wilson 2016). Loftus untersucht diese Effekte derzeit unter Verwendung dynamischer Bilder, die in vielen Multimedia-Umgebungen üblich sind, und der Effekt scheint sich noch zu verstärken.

Wir wollten tiefer gehen, um besser zu verstehen, ob räumliche Fähigkeiten „nur im Kopf“ vorhanden sind. Wir sind einen Schritt weiter gegangen, um herauszufinden, ob Menschen mit unterschiedlichen räumlichen Fähigkeiten Visualisierungen auf dieselbe Art und Weise untersuchen. Die Doktorandin Victoria Roach nutzte die Eye-Tracking-Technologie, um ihre Fragen zu beantworten. Beim Eye-Tracking werden Hochgeschwindigkeitskameras eingesetzt, um zu beobachten, wohin sich das Auge beim Betrachten eines Bildschirms bewegt. Mit dieser Technologie hat sie das Wo und Wann von Ereignissen gemessen, die mit der Betrachtung eines Bildes in Zusammenhang stehen. Aus visueller und kognitiver Sicht verarbeiten wir Menschen visuelle Informationen nur dann, wenn wir auf Dinge in unserer visuellen Welt fixiert sind. Daher entwickelte Roach ein Maß für die Auffälligkeit („wo“ kombiniert mit „wann“) in jedem Bild. Sie beobachtete die Personen, während sie Tests zur mentalen Rotation durchführten. So kannte sie am Ende des Experiments die Punktzahl für die mentale Rotation, d. h. wie gut sie bei dem Test abgeschnitten hatten, und auch die Aufmerksamkeitsausrichtung während des Tests. Aus ihren Experimenten haben sich interessante Ergebnisse herauskristallisiert. Das erste ist, dass Personen mit hohem und niedrigem räumlichen Vorstellungsvermögen unterschiedlichen Teilen desselben Bildes ihre Aufmerksamkeit schenken. Das ist an sich schon interessant, aber man sollte auch bedenken, dass der Ort, an dem man das Bild betrachtet, Anhaltspunkte für eine bessere Orientierung und die Ableitung von Bedeutungen liefern kann.

Wir gehen noch einen Schritt weiter, indem wir unsere Tests oft zeitlich begrenzen und dadurch die Lernenden mit hohem und niedrigem räumlichen Vorstellungsvermögen noch weiter voneinander trennen, indem wir ihnen weniger Zeit geben, sich auf die wichtigen Aspekte zu konzentrieren, und so die Lernenden mit niedrigem räumlichen Vorstellungsvermögen ausbremsen. Gibt man den Menschen mehr Zeit, die Tests zu absolvieren, so stellt man fest, dass die Ergebnisse in allen Bereichen steigen. Noch wichtiger ist jedoch, dass Personen mit geringerem räumlichen Vorstellungsvermögen beginnen, auf ähnliche hervorstechende Teile der Visualisierung zu achten wie ihre Gegenstücke mit höherem räumlichen Vorstellungsvermögen (Roach et al. 2016). In ihrer noch nicht veröffentlichten Studie ist Roach so weit gegangen, dass sie den markantesten Bereich eines Bildes aus einer Gruppe von Personen mit hohem räumlichen Vorstellungsvermögen bestimmt hat; dann hat sie diesen markanten Bereich Personen mit geringem räumlichen Vorstellungsvermögen gezeigt und ihnen nur gesagt, dass es sich um einen wichtigen Platz im Bild handelt. Die gecoachten Personen mit geringem räumlichen Vorstellungsvermögen erhöhen ihre Punktzahl beträchtlich, was einer Verbesserung des Notendurchschnitts entspricht, und der Effekt ist dauerhaft, da sie bei nachfolgenden „nicht gecoachten“ Tests weiterhin besser abschneiden.

Diese Forschungsergebnisse sind für Lehrer und Schüler von großem Nutzen. Erstens müssen wir erkennen, dass wir als Pädagogen die kognitive Belastung der Schüler durch gute, schlechte oder hässliche Demonstrationen auf vielfältige Weise verändern können. Wenn wir unbeabsichtigt die kognitive Belastung eines Diagramms, einer Grafik oder eines Bildes erhöhen, hat dies weitreichende und unterschiedliche Auswirkungen auf die Lernenden, wobei diejenigen mit geringeren räumlichen Fähigkeiten am meisten darunter leiden. Ist das räumliche Vorstellungsvermögen eine abhängige Variable in Ihren Tests? Stellen Sie sich nun vor, was in einer Prüfungssituation passiert, in der die Zeit knapp ist und viel auf dem Spiel steht. Schließlich liegt eine große Macht in der Pädagogik und in unserer Fähigkeit als Pädagogen, Schüler zum Verständnis komplexer Visualisierungen zu führen. Wenn wir die Aufmerksamkeit lenken und den Schülern zeigen, wo und wie sie ein Phänomen betrachten sollen, wird zumindest die Kluft zwischen den räumlichen Fähigkeiten verkürzt, und die Lernenden können sich auf die Botschaft (Wissen) und nicht auf die Visualisierung (Medium) konzentrieren.

* MINT wird oft als Disziplinen bezeichnet, die Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik umfassen, und wir schließen oft die Medizin ein, um die verwandten Bereiche der Gesundheitswissenschaften zu repräsentieren.

Loftus, Jay J., Michele Jacobsen, und Timothy D. Wilson. 2016. „Learning and Assessment with Images: A View of Cognitive Load through the Lens of Cerebral Blood Flow.“ British Journal of Educational Technology. http://dx.doi.org/10.1111/bjet.12474.

Mayer, Richard E. 2014. „Cognitive Theory of Multimedia Learning.“ In Cambridge Handbook of Multimedia Learning, edited by R. E. Mayer, 31-48. New York: Cambridge University Press.

Roach, Victoria A., Graham M. Fraser, James H. Kryklywy, Derek Mitchell, and Timothy D. Wilson. 2016. „The Eye of the Beholder: Can Patterns in Eye Movement Reveal Aptitudes for Spatial Reasoning?“ Anatomical Sciences Education 9 (4): 357-66.

Valcke, Martin. 2002. „Cognitive Load: Updating the Theory?“ Learning and Instruction 12: 147-54.

Wai, Jonathan, David Lubinski, and Camilla P. Benbow. 2009. „Spatial Ability for STEM Domains: Aligning over 50 Years of Cumulative Psychological Knowledge Solidifies Its Importance.“ Journal of Educational Psychology 101 (4): 817-35.

Dr. Tim Wilson ist außerordentlicher Professor an der University of Western Ontario. Er ist außerdem Mitglied des Beirats der Teaching with Technology Conference.

Abgedruckt aus The Best of Teaching with Technology, einem Bericht mit Artikeln, die auf einigen der am besten bewerteten Sitzungen der Teaching Professor Technology Conference 2016 (jetzt bekannt als Teaching with Technology Conference) basieren.