Menschliche Informationsverarbeitung I

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1 Arbeitswissenschaft II Sommersemester 2005 Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft der RWTH Aachen 5. Lehreinheit Menschliche Informationsverarbeitung I Lernziele Praxisbeispiel Vorlesungseinheit 5: 1 Einführung Stufenmodell menschlicher Informationsverarbeitung Informationsaufnahme: Entdecken und Erkennen Informationsverarbeitung Literatur

2 5-2 Arbeitswissenschaft II: Arbeitstechnologie und Ergonomie Lernziele Ziel der Lehrveranstaltungen Menschliche Informationsverarbeitung I + II ist es, einen Überblick über die Prinzipien menschlicher Informationsverarbeitung zu geben und auf dieser Grundlage Empfehlungen für die ergonomische Gestaltung von Cockpits, Leitwarten usw. zu vermitteln. Die zentrale Frage dabei ist, wie man solche Arbeitsplätze an die Fähigkeiten und Fertigkeiten des Menschen anpassen muss, um eine menschgerechte, effektive und effiziente Aufgabenerfüllung zu erreichen. Auf folgende Schwerpunkte soll im folgenden detaillierter eingegangen werden: die Stufen der Informationsverarbeitung beim Menschen, Funktionsmechanismen der Informationsaufnahme, grundsätzliche Informationsverarbeitungsmodelle, Aufmerksamkeitsdefizite, Gestaltungskriterien für die verschiedenen Stufen der Informationsverarbeitung sowie der Mensch als Regler. Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2005)

3 Menschliche Informationsverarbeitung 5-3 Praxisbeispiel In einem kurzen Videofilm wird die Mensch-Maschine-Interaktion von Piloten in verschiedenen Flugzeugcockpits dargestellt. Während zu Beginn der Flugzeugära die meisten Abstürze auf technische Fehler (Materialermüdung, Konstruktionsfehler) zurückzuführen waren, sind heute über zwei Drittel aller Flugzeugkatastrophen auf menschliches Versagen zurückzuführen. Was stimmt also nicht in der Kommunikation zwischen Mensch und Maschine? Der Airbus A 320 gilt als Beispiel modernster Technologie. Der Pilot gibt der Maschine nur noch Zielwerte vor und Computer berechnen die günstigsten Parameter. Die Aufgabe des Menschen besteht in der Überwachung und im Notfall im Eingriff in das System. Durch diese Funktionsteilung kann erheblich Personal eingespart werden. Doch ist der Mensch im Cockpit wirklich ersetzbar? Wie müssen bei dieser Aufgabenteilung die Mensch-Maschine-Schnittstellen gestaltet sein? Zu der Mensch-Maschine-Interaktion befragt, bemängelt der ehemalige Sicherheitschef der Lufthansa das Gestaltungskonzept im Airbus A 320. So wurde z. B. das klassische Steuerhorn durch einen Sidestick ersetzt, wodurch eine gefühlsmäßige Rückkopplung über die Flugzeuglage nicht stattfinden kann. Der Pilot ist auf zusätzliche Informationen vom Monitor angewiesen. Weitere Beispiele für ein unzulängliches Design und die damit verbundenen Konsequenzen werden dargestellt. Fazit des Filmes: Der Mensch ist das flexibelste und lernfähigste Element im Cockpit und aufgrund seiner Fähigkeiten, komplexe Situationen zu bewältigen, aus dem Cockpit nicht mehr wegzudenken. Es kommt also darauf an, die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine so zu gestalten, dass der Mensch die vielfältigen Informationen so aufnehmen, verarbeiten und auf sie reagieren kann, dass Katastrophen und schwere Unfälle vermieden werden. Lernziele der Vorlesungseinheit Menschliche Informationsverarbeitung I: Ziel dieser Lehrveranstaltung ist es, die drei Stufen der Informationsverarbeitung beim Menschen kennen zu lernen, den Funktionsmechanismus Informationsaufnahme zu verstehen und daraus Arbeitsplatzgestaltungsprinzipien zu erarbeiten, Entscheiden als Teil des Funktionsmechanismus Informationsverarbeitung zu verstehen und bei der Arbeitsplatzgestaltung anzuwenden. Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2004)

4 5-4 Arbeitswissenschaft II: Arbeitstechnologie und Ergonomie 1 Einführung 1.1 Entwicklung der Anzeigen im Flugzeug 1.2 Leitwarten in Kraftwerken Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2005)

5 Menschliche Informationsverarbeitung Stufenmodell menschlicher Informationsverarbeitung Physikalisch messbare Signale / Reize X i Entdecken Antriebe: Motivation Konzentration Erkennen Entscheiden Handeln Gedächtnis (Kurzzeitspeicher, Langzeitspeicher) Fähigkeiten Fertigkeiten Bewegen Halten Physikalisch messbare Reaktionen Y i 1 Entwicklung der Anzeigen im Flugzeug Mit der kommerziellen Nutzung stiegen die Anzahl der Flugzeuge sowie die Anforderungen an die Flugsicherheit und gleichzeitig damit auch die Anforderungen an die Piloten. Während zu Beginn der Flugzeugära die Piloten mit sehr wenig Instrumenten auskamen (Wright-Flugzeug), mussten die Piloten der Concorde bis zu 135 Anzeigen im Blick haben und diese Informationen verarbeiten. Mit dem Konzept des Airbus A 320 versuchte man, die Instrumentenanzahl zu reduzieren und alle relevanten Informationen in Displays zu integrieren. 1.2 Leitwarten in Kraftwerken Ein anderes Beispiel für komplexe Mensch-Maschine-Systeme sind Leitwarten von Kraftwerken. Auch hier muss eine Vielzahl verschiedener Instrumente, Anzeigen und Kontrolleuchten überwacht werden, um den Systemzustand beurteilen zu können und ggf. darauf Einfluss nehmen zu können. Die Wahrnehmung, Erkennung und Verarbeitung relevanter Informationen spielt eine zentrale Rolle. Um Ursachen von Störzuständen schnell und zuverlässig identifizieren zu können, versucht man beispielsweise bei der ökologischen Schnittstellengestaltung, Informationen in ihrem physikalischen/funktionalen Zusammenhang anzuzeigen. Bei älteren Leitwarten erfolgte die Gestaltung häufig nach dem Prinzip ein Sensor - ein Indikator. Moderne rechnerbasierte Leitstände erlauben verschiedene Sichten auf die dargestellten Prozesse und neben den einzelnen Messgrößen können auch aggregierte Zustandsgrößen angezeigt werden. 2 Stufenmodell menschlicher Informationsverarbeitung Jeder Prozess, den der Mensch innerhalb seiner Umwelt ausführt, ist dadurch gekennzeichnet, dass Informationen aufgenommen werden (Entdecken und Erkennen), diese anschließend verarbeitet und daraus Handlungsentscheidungen abgeleitet werden (Entscheiden) sowie schließlich in eine Reihe von Handlungen (Reaktionen) umgesetzt werden. Wird die Wirkungsweise des Menschen beim Prozess der Interaktion mit der Umwelt betrachtet, so können also drei Teilprozesse unterschieden werden: Informationsaufnahme (Entdecken und Erkennen) Informationsverarbeitung (Entscheiden) Informationsausgabe (Handeln, Bewegen und Halten) Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2004)

6 5-6 Arbeitswissenschaft II: Arbeitstechnologie und Ergonomie 3 Informationsaufnahme: Entdecken und Erkennen Informationsaufnahme (frühe Prozesse) Die notwendigen Informationen werden durch die Sinnesorgane wahrgenommen und identifiziert. Entdecken (Wahrnehmen) dient der Informationsaufnahme erfolgt über die Sinnesorgane kurze Verarbeitungszeit Erkennen Identifizieren eines Sinneseindruckes und Zuordnung an feste Begriffe Merkmalsextraktion Reizzusammenfassung Trennung von Signal und Rauschen Trennung von Nebensächlichem und Bedeutungsvollem 3.1 Allgemeine Wahrnehmungseigenschaften Unter Wahrnehmung wird die Nutzung des Sinnessystems einschließlich der frühen Verarbeitungsergebnisse verstanden. 0. Reizspezifität 1. Absolutschwellen (Psychometrische Funktion) 2. Psychophysische Empfindungsstärke E (Stevens sche Potenzfunktion) E = k*(r-r 0 ) n 1 Entdeckungswahrscheinlichkeit Schwelle Schwellenwert R 0 Reizstärke R 3. Unterschiedsschwelle ΔE (Weber-Fechner sches Gesetz) Δ R Δ E = = konst. R 4. Zeitliches Veränderungsgesetz dr E = f ( R ) + f dt R absolute Reizstärke R 0 Schwellenreizstärke k,n von der Reizart abhängige Parameter E Empfindungsstärke Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2005)

7 Menschliche Informationsverarbeitung Beziehung zwischen relativer Reizstärke und relativer Empfindungsstärke Stevens sche Potenzfunktion: E = k*(r-r 0 ) n 3 Informationsaufnahme: Entdecken und Erkennen Die Informationsaufnahme steht an erster Stelle der menschlichen Informationsverarbeitung. Die notwendigen Informationen werden über verschiedene Sinnesorgane wahrgenommen (entdeckt) und identifiziert (erkannt). 3.1 Allgemeine Wahrnehmungseigenschaften Art und Umfang der Information, die vom Menschen aufgenommen werden kann (der sensorische Input) unterliegt den speziellen Möglichkeiten und den Grenzen der Sinnesorgane. Zur Beurteilung der Möglichkeiten und Grenzen sensorischer Informationsaufnahme sind - die Sensitivität gegenüber verschiedenen Formen der Umgebungsenergie und - die Funktion, die die Wahrnehmungssysteme erfüllen, heranzuziehen. Zur Beschreibung der Sensitivität dienen die Schwellenreizstärke R 0 (wahrnehmbare minimale Energie), bei der 50 % Entdeckungswahrscheinlichkeit besteht, und die Unterschiedsschwelle ΔE als wahrnehmbarer minimaler Energieunterschied. 3.2 Beziehung zwischen relativer Reizstärke und relativer Empfindungsstärke Jedes Sinnesorgan transformiert Reize erst ab einer bestimmten energetischen Einwirkung oder chemischen Konzentration (Schwellenreizstärke R 0 ). Dabei kann man für unterschiedliche Modalitäten verschiedene Verhältnisse zwischen Reizstärke und dadurch ausgelöster Empfindungsstärke feststellen. Bei Einwirkung von elektrischem Schmerzreiz reicht z. B. eine minimale Erhöhung der Reizstärke aus, um das Schmerzempfinden erheblich zu steigern. Im Gegensatz dazu muss die Reizdarbietung von weißem Licht relativ stark erhöht werden, um die Empfindungsstärke anzuheben. Übersteigt die Reizintensität bestimmte Werte, können die Rezeptoren zerstört werden. Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2004)

8 5-8 Arbeitswissenschaft II: Arbeitstechnologie und Ergonomie 3.3 Sensorische Modalitäten Wahrnehmungssystem Organ Empfindung visuell auditiv vestibulär olfaktorisch gustatorisch taktil kinästhetisch thermisch Schmerzwahrnehmung Auge Innenohr Vestibulärapparat im Mittelohrbereich Schleimhautstück im oberen Nasenraum Zungenoberfläche Haut Muskelspindel Haut alle freien Nervenenden Farbe, Helligkeit Tonhöhe, Lautstärke Linear und Winkelbeschleunigung Geruch Geschmack Druck, Berührung, Vibration Stellung der Körperteile zueinander warm, kalt Schmerz 3.4 Bandbreite und Auflösung menschlicher Wahrnehmungssysteme Bandbreite Auflösung Signal/Störung visuell Wellenlänge: nm Winkel: 1' bis 30'' auditiv Frequenz: 20 Hz- 20 khz Schalldruckpegel: db Frequenz: 1 Hz (bei 200 Hz) - 60 Hz (bei 10 khz), Schalldruckpegel: 0,5-1,5 db räumliche Lokalisierung: 1 (horizontale Ebene) - 10 (über Kopf) Wahrnehmungssystem Kontrast- Verhältnis: 10:1 20 db taktil thermisch Berührungsreizschwellen: Männer: 9 mg (Lippe) bis 350 mg (Fußsohle), Frauen: 5 mg (Lippe) - 79 mg (Fußsohle) Vibratorischer Schwellenwert: 0,1 µm (Fingerspitzen) bis 20 µm (Po) bei 200 Hz, 1cm² Areal Oberer Grenzwert: C (3 sec Exposition, 44mm² Areal), 3 min Exposition bei 49 C führt zu leichter Verbrennung Berührung: 14-18% bei einem Druck auf die Haut von 1-8 g/mm² Vibratorische Amplitude: ~20% konstant von db über Schwellenwert, bei 160 Hz an Fingerspitze; Vibratorische Frequenz: ~20-25% bei Hz; 0,2 C bei schnellen Temperaturwechseln (0,3 C/sec) Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2005)

9 Menschliche Informationsverarbeitung Eigenschaften der verschiedenen Modalitäten Visuell: Reaktionszeit: ms Eng begrenztes Feld scharfen Sehens "Übersehen" wichtiger Informationen möglich + Hohe Empfindlichkeit für Bewegung / Veränderung im peripheren Sichtfeld + Benutzer kann aus Gesamtinformation auswählen + Benutzer entscheidet über Wahrnehmungszeitpunkt + Sehr große Anzahl einfach zu unterscheidender Symbole + Geeignet für grafische & textuelle Informationen Auditiv: + Reaktionszeit: ms + Wahrnehmung ist nicht an Fokus gebunden (wenn Signal ausreichend deutlich) Benutzer kann Wahrnehmung schlecht selektiv steuern Wahrnehmung nur on-line möglich Begrenzte Anzahl einfach zu unterscheidender Symbole Ungeeignet für grafische Informationsteile Eignung für Warnund Alarmsignale Haptisch: + Reaktionszeit: ms + Einzige Modalität zur Erfassung mechanischer Objekteigenschaften + Intuitive Einbindung Bewegungssteuerung Nur Information geringer Komplexität übermittelbar Wahrnehmung an Körperkontakt gebunden 3.3 Sensorische Modalitäten Die Informationsaufnahme erfolgt über die menschlichen Sinnesorgane. Umgangssprachlich ist von fünf Sinnen die Rede, tatsächlich sind es einige mehr. Jedes dieser Sinnesorgane ist auf eine ganz bestimmte Wahrnehmungsart - die sogenannte Modalität - spezialisiert, d. h. es kann ganz bestimmte Reize in einem ganz bestimmten Intensitätsbereich in Empfindungen umsetzen. Jede Modalität ist Beschränkungen unterworfen, welche Qualität und Quantität der wahrgenommenen Eingangsinformationen und möglicherweise auch aller nachfolgenden Prozesse bestimmen. Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2004)

10 5-10 Arbeitswissenschaft II: Arbeitstechnologie und Ergonomie 3.6 Komponenten des Erkennens Ziel: eine in sich stimmige Interpretation der sichtbaren Welt Bottom-up-Modelle (datengesteuert) beruht auf physikalischen Eigenschaften der Daten rein serielle Prozesse -Kontrast -Raumlage -Farben -Größe usw. A Verarbeitung, Wissen Erkennen Sensorische Wahrnehmung Top-down-Modelle (konzeptgesteuert) A 3.7 Datengesteuertes Erkennen Schablonenmodell Schablonenvergleich Ja Angleichung Raumlage Angleichung Größe A- Detektor einfachstes Klassifizierungs-- und Wiedererkennungsverfahren nicht flexibel genug für hohen Grad der Verschiedenheit der zu erkennenden Muster Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2005)

11 Menschliche Informationsverarbeitung Pandämonium nach Selfridge Modell, basierend auf der Kenntnis neuraler Mechanismen Mustererkennung mittels Merkmalsextraktion Grenzen: nur für das Erkennen einfacher Strukturen 3.6 Komponenten des Erkennens Beim Erkennen von Objekten gibt es zwei nicht voneinander zu trennende Mechanismen: Bottom-up- und Top-down-Prozesse. Bottom-up-Prozesse beruhen auf der Verarbeitung der objektiv vorhandenen Reize. Sie werden von der physikalischen Qualität der Reizinformation beeinflusst. Top-down-Prozesse stellen den Einfluss von kognitiven Inhalten auf das Erkennen dar. Sie sind von der Erfahrung, dem Kontext, dem Vorwissen etc. abhängig. Je nach Komplexität des Objektes sind Bottom-up- bzw. Top-down-Prozesse stärker am Erkennungsvorgang beteiligt Schablonenmodell Die Verwendung einer Schablone ist das einfachste aller möglichen Verfahren zur Klassifizierung und Wiedererkennung von Mustern, z. B. Buchstaben. Um eine Schablone zu verwenden, bedarf es einer genauen Repräsentation eines jeden Musters, das erkannt werden soll. Das Erkennen beruht auf einem Vergleich des externen Signals mit einer internen Schablone. Die Schablone, die am besten passt, wird als Muster identifiziert. Zuvor muss unter Umständen das externe Signal sowohl in Raumlage als auch in Größe der Schablone angepasst werden. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass die menschliche Mustererkennung ausschließlich mit Schablonen vor sich geht. Der hohe Grad an Verschiedenheit der Muster und die Fähigkeit des Menschen neue Muster zu erkennen sprechen dagegen Pandämonium nach Selfridge Das Pandämonium nach Selfridge ist ein verfeinertes Modell zur Objekterkennung, basierend auf der Kenntnis neuraler Mechanismen. Es postuliert die Erkennung von Mustern mittels Merkmalsextraktion. Es ist bekannt, dass bestimmte Nervenzellen in der Lage sind auf Raumlagen, Winkel, Lichtkontraste, Bewegungen und Farben zu reagieren. Die interne Repräsentation der zu erkennenden Muster besteht aus einer Aufzählung solcher Merkmale. Das Modell fordert, dass die Stimuli durch möglichst viele differenzierende Merkmale gekennzeichnet sein sollten, wenn diese schnell und eindeutig erkannt werden sollen. Obwohl es denkbar wäre, dass auch komplexe Objekte durch die Verknüpfung mehrerer Merkmalsdetektoren erkannt werden können, scheint dieses Modell seine Grenzen zu haben. Es erklärt nur einen Teil des Erkennungsvorgangs. Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2004)

12 5-12 Arbeitswissenschaft II: Arbeitstechnologie und Ergonomie Schablonenmodell: Experiment 1 T E C T Schablonenmodell: Experiment 2 Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2005)

13 Menschliche Informationsverarbeitung Konzeptgesteuerte Wahrnehmung Wissensunterstützte Mustererkennung Unbewusste Trennung in Figur und Hintergrund Schablonenmodell: Experiment 1 Das Beispiel zeigt, dass trotz des gleichen Musters unterschiedliche Buchstaben erkannt werden. Die datengesteuerte Verarbeitung des Schablonenmodells wird durch einen Top-down-Prozess, der das Vorwissen über die Existenz der Wörter THE und CAT nutzt, überlagert. 3.8 Konzeptgesteuerte Wahrnehmung In einem datengesteuerten System passiert nichts, wenn nicht am Anfang Daten eingegeben werden. Dann verläuft alles in aufeinander folgenden Prozessschritten bis schließlich die Antwort ausgegeben wird. Bei vielen Entdeckungsleistungen würde ein datengesteuertes System jedoch nicht funktionieren. Um beispielsweise zu erkennen, dass es sich in der linken Abbildung um einen Dalmatinerhund handelt, muss der Mensch Zusatzinformationen bekommen, die im Bild nicht gegeben sind. Dass die Fähigkeiten des Menschen bei der wissensbasierten Mustererkennung auch dazu führen können, dass Figur und Hintergrund unbewusst so getrennt werden, dass fälschlicherweise Figuren statt Buchstaben erkannt werden, zeigt die rechte Abbildung ( FLY ). Viele optische Täuschungen basieren auf einer solchen Mehrdeutigkeit der dargebotenen Daten. Immer wenn Vorwissen oder ein Konzept von der möglichen Interpretation eines Gegenstandes hilft diesen zu erkennen, spricht man von einem konzeptuell gesteuerten Prozess. Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2004)

14 5-14 Arbeitswissenschaft II: Arbeitstechnologie und Ergonomie 3.9 Focused Attention Deficits Items zählen! 3? 7? Unvermögen, die eigene Aufmerksamkeit zu bündeln; parallel ablaufende automatische Prozesse können nicht unterdrückt werden automatisch kontrolliert ablaufender ablaufender Prozess Prozess (bottom-up) (top-down) STROOP-Test Konflikt Lesen der Zahlen entspricht dem automatischen Prozess (bottom-up) Zählen der Items entspricht dem kontrollierten Prozess (top-down) Gestaltungsprinzipien: Informationsaufnahme Gesetz der Vertrautheit (Bedeutungshaltigkeit) Dinge scheinen dann am ehesten eine Gruppe zu bilden, wenn die Gruppe vertraut oder bedeutsam erscheint. Gesetz der Nähe Innerhalb einer Konfiguration werden nahe beieinander liegende Reize eher als zusammengehörig gesehen als voneinander entfernte Reize. Redundanzprinzip Mehrere Informationen werden dann besser wahrgenommen und erkannt, wenn sie gleichzeitig über verschiedene Wahrnehmungskanäle (z. B. visuell und auditiv) dargeboten werden. Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2005)

15 Menschliche Informationsverarbeitung Gestaltungsprinzipien: Informationsaufnahme Prinzip der Ähnlichkeit Ähnliche Objekte scheinen eine Gruppe zu bilden. Farbwahrnehmung Farben werden nicht nur als Augenerlebnis wahrgenommen, sondern vermitteln einen Stimmungsgehalt und eine inhaltliche Komponente. Symbole oder Bilder Bei der Darstellung bekannter Sachverhalte, wie z. B. Hinweisschilder, sind Symbole anstatt eines Textes zu wählen. 3.9 Focused Attention Deficits Das im Stroop-Test auftretende Phänomen wird Focused Attention Deficit genannt. Offensichtlich ist der Mensch nicht in der Lage, parallel ablaufende, automatische Prozesse so zu unterdrücken, dass unerwünschte oder irrelevante Informationen von (vollständiger) Verarbeitung ausgeschlossen bleiben. Solche Prozesse werden offenbar datengesteuert in Gang gesetzt und laufen parallel ab. Das Unvermögen, die eigene Aufmerksamkeit zu bündeln tritt auf, wenn solche automatisch ablaufenden Prozesse (wie z. B. das Lesen der Zahlen, was eigentlich nicht erforderlich ist) mit kontrolliert ablaufenden Prozessen (wie z. B. das Zählen der Items) interagieren. Ein Konflikt ergibt sich daraus, dass automatisierte Prozesse sich in den Vordergrund der Informationsverarbeitung drängen. Das Phänomen lässt sich bei allen Stufen der menschlichen Informationsverarbeitung beobachten Gestaltungsprinzipien: Informationsaufnahme Die Wahrnehmung und das Erkennen sind keine passiven Vorgänge, bei dem ausschließlich der Stimulus (Eingangssignal) bestimmt, was wahrgenommen wird. In vielen Fällen ist die Wahrnehmung zwar mühelos und selbstverständlich, es existieren jedoch eine Reihe von Prinzipien, die die Informationsaufnahme vereinfachen, z. B. indem Mehrfachdeutungen reduziert werden. Besonders bei der Gestaltung von komplexen Mensch-Maschine-Systemen, bei denen dem Menschen eine Vielzahl von Informationen zur Verarbeitung angeboten wird, ist bei der Konstruktion und Gestaltung die Einhaltung von ergonomischen Gestaltungsprinzipien besonders wichtig Gestaltungsprinzipien: Informationsaufnahme Zu den wichtigsten Gestaltungsprinzipien und -hinweisen gehören: - das Gesetz der Vertrautheit - das Gesetz der Nähe - das Redundanzprinzip - das Prinzip der Ähnlichkeit - die Wahrnehmung von Farben und - die Darstellung von Symbolen oder Bildern. Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2004)

16 5-16 Arbeitswissenschaft II: Arbeitstechnologie und Ergonomie 4 Informationsverarbeitung 1 Informationsverarbeitung (zentrale Prozesse) Die aufgenommenen Informationen werden im Sinne einer Aufgabenerfüllung weiterverarbeitet. Entscheiden ein auf Konflikt lösen orientierter Prozess, bei dem zwischen mehreren Optionen zu wählen ist Gedächtnis umfassender Speicher, aber auch Engpass des Informationsverarbeitungssystems 4.1 Informationsverarbeitungsmodelle Sequenzielle Modelle (Stufenmodelle) Sequenzielle Modelle Subtraktionsmethode nach Donders (1868) Stufenmodelle Methode der additiven Faktoren (Sternberg, 1969) Ressourcenmodelle Einfache Ressourcenmodelle (Kahnemann, 1973) Multiple Ressourcenmodelle (Wickens, 1984) Kombiniertes Stufen- und Ressourcenmodell (Sanders, 1982) Grundannahme: Informationsverarbeitung kostet Zeit verschiedene Verarbeitungsstufen werden sequenziell durchlaufen die Leistungsvariabilität wird auf die Art und Anzahl der zu durchlaufenden Verarbeitungsstufen zurückgeführt Grundannahme: Informationsverarbeitung kostet Kapazität Kapazitäten sind beschränkt und variieren mit dem Erregtheitszustand Grundannahme: energetische Zustände beeinflussen unterschiedliche Stufen der Verarbeitung Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2005)

17 Menschliche Informationsverarbeitung Stufenmodelle Alle Verarbeitungsschritte erfolgen sequenziell. Stimulus Prozess 1 Prozess 2 Prozess 3 Prozess 4 Ausführung der Reaktion 0 Zeit Reaktionszeit McClelland, Informationsverarbeitung Unter Informationsverarbeitung wir die Verarbeitung der aufgenommenen Informationen im Sinne einer Aufgabenerfüllung verstanden. Dabei spielen die zentralen Prozesse des Entscheidens und das Gedächtnis des Menschen eine zentrale Rolle. 4.1 Informationsverarbeitungsmodelle Zwischen der Informationsaufnahme und den Reaktionen des Menschen postulieren die meisten Psychologen eine Reihe von mentalen Prozessen. Ganz allgemein wird davon ausgegangen, dass der in einem Rezeptor eintreffende Stimulus (Signal) in eine kognitive Repräsentation und danach in eine Reaktion transformiert werden muss. Zur Erforschung menschlicher Informationsverarbeitung sind verschiedene Modellvorstellungen mit unterschiedlichen Grundannahmen entwickelt worden. Im wesentlichen können drei Gruppen von Modellen unterschieden werden: - sequentielle (Stufen-) Modelle, - Ressourcenmodelle und - kombinierte Stufen- und Ressourcenmodelle. 4.2 Stufenmodelle Stufenmodelle versuchen primär den Informationsverarbeitungsfluss von einem Stimulus (Signal) bis zu einer Reaktion (Response) zu beschreiben. Dabei werden verschiedene Stufen der Bearbeitung identifiziert und diesen bestimmte Bearbeitungszeiten zugeordnet. Die verschiedenen Verarbeitungsstufen werden nach diesen Modellvorstellungen rein seriell durchlaufen. Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2004)

18 5-18 Arbeitswissenschaft II: Arbeitstechnologie und Ergonomie 4.3 Subtraktionsmethode nach Donders Modellvorstellung Wahrnehmen Entscheiden Handeln Methode zur Analyse der Reaktionszeit Grundannahme: mentale Prozesse laufen seriell ab und kosten Zeit Durchlaufzeiten der Verarbeitungsstufen sind additiv Anzahl der Anzahl der gemessene mentale Aufgabe Stimuli Responses Prozesse A 1 1 einfache Reaktionszeit B viele viele einfache Reaktionszeit Stimuluskategorisierung Response-Auswahl C viele 1 einfache Reaktionszeit Stimuluskategorisierung Stimuluskategorisierungs - Zeit = C - A Response - Auswahl - Zeit = B - C Zeitliche Entkopplung von mentalen Prozessen Unterscheidung verschiedener Verarbeitungsstufen 4.4 Kaskadenmodelle Verschiedene Abfolgen überschneiden sich zeitlich. Stimulus Prozess 1 Prozess 2 Prozess 3 Prozess 4 Ausführung der Reaktion 0 Zeit Reaktionszeit McClelland, 1979 Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2005)

19 Menschliche Informationsverarbeitung Methode der additiven Faktoren nach Sternberg 4-Stufen-Modell der Informationsverarbeitung Lesbarkeit des Stimulus Größe Positive Set Responseart (Ja/Nein) Relative Frequenz der Responseart Stimulus Stimuluskodierung serieller Vergleich binäre Entscheidung Übersetzung und Responseorganisation Response a) RT b) RT c) RT d) RT schlecht mit nein schwierig gut ohne Zweitaufgabe ja einfach Lesbarkeit, Erkennbarkeit GpS GpS GpS GpS zusätzliche Transformation RT = Reaktionszeit, GpS = Größe positive Set positive und negative Responses Vertauschen von Antworttasten 4.3 Subtraktionsmethode nach Donders Die Subtraktionsmethode nach Donders ist ein Informationsverarbeitungsmodell aus dem vorigen Jahrhundert, das versucht die Informationsverarbeitung zeitlich in Stufen zu zerlegen. Donders entwarf drei Typen von Reaktionszeitaufgaben: Aufgabe A beinhaltete eine einfache Reaktionsaufgabe, Aufgabe B eine Wahlreaktionsaufgabe (mehrere Stimuli und jeweils eine zugehörige Reaktionstaste), in Aufgabe C gibt es zwei oder mehr Stimuli, aber nur eine Antworttaste (z. B.: Taste drücken, wenn die linke Lampe aufleuchtet, keine Taste drücken, wenn rechte Lampe aufleuchtet). Durch den Vergleich mittels Subtraktion lässt sich herausfinden, wieviel Zeit für jeden der seriell ablaufenden Prozesse benötigt wird. Die Subtraktionsmethode ist ein Beispiel, wie man mentale Prozesse zeitlich entkoppeln und voneinander unterscheiden kann. Die Schwäche dieses Modells liegt in der Annahme, dass die unterschiedlichen Aufgaben tatsächlich nur den einen unterstellten Prozess erfordern. 4.4 Kaskadenmodelle Während Stufenmodelle davon ausgehen, dass der Prozess n+1 erst beginnen kann, wenn der Prozess n vollständig ausgeführt ist, basieren Kaskadenmodelle auf der Annahme, dass mehrere Prozesse gleichzeitig anlaufen, die als einfaches Netzwerk miteinander verknüpft sind. Diese Betrachtungsweise schließt die Möglichkeit ein, dass die Prozesse eine Ressource gleichzeitig in Anspruch nehmen. Somit dient das Kaskadenmodell als Übergang von den Stufen- zu den Ressourcenmodellen. 4.5 Methode der additiven Faktoren nach Sternberg Ähnlich wie Donders subtraktive Prozedur basiert Sternbergs Methode der additiven Faktoren (1969) auf Stufen der Verarbeitung als elementaren Transformationsprozessen. Er postulierte vier sequentielle Stufen. Experimentell kann man den Einfluss verschiedener Parameter auf diese Stufen untersuchen: Es existiert zunächst ein Pool von Zeichen (z. B. alle Buchstaben des Alphabets). Der Versuchsperson werden einige Elemente (z. B. vier Buchstaben) dieses Zeichenpools zum Erinnern dargeboten. Diese Zeichen bezeichnet man als Positive Set. Im nächsten Schritt wird der Versuchsperson ein Zeichen aus dem Zeichenpool präsentiert und sie muss entscheiden, ob dieses einzelne Zeichen im Positive Set enthalten ist. Dabei werden zusätzlich verschiedene Parameter verändert, die Einfluss auf die einzelnen Stufen des Modells haben und die Reaktionszeiten gemessen. Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2004)

20 5-20 Arbeitswissenschaft II: Arbeitstechnologie und Ergonomie 4.6 Ressourcenmodell nach Kahnemann Hypothese: Eine einzige begrenzte psychische Ressource, die auf Verarbeitungseinheiten verteilt werden muss. Verschiedene Quellen von Arousal: Angst, Wut, sexuelle Erregtheit, Muskelspannung, Drogen, usw. Verschiedene Äußerungen von Arousal: Pupillen- Arousal dilatation, Abnahme des Hautwiderstands, (Erregtheitszustand) Pulsfrequenz nimmt zu usw. verfügbare Verfügbare Kapazität Kapazität und Arousal nehmen zu, um Nachfrage nach Verarbeitungskapazität zu befriedigen Fazit: Ressourcenmodelle machen keine Angaben über den zeitlichen Ablauf der Verarbeitung und ob sie parallel oder seriell erfolgt. Wichtig ist nur, wie viel Energie für die Verarbeitung aufgewandt wird. Momentane Absichten Allocation Policy (Energiezuweisung) mögliche Aktivitäten Reaktionen Bewertung der Nachfrage nach Kapazität 4.7 Divided Attention Deficits Entspannte Situation Unvermögen, die Aufmerksamkeit über mehrere Tätigkeiten zu verteilen; kontrollierte Prozesse können nicht parallel ablaufen Ursachen: Gefahrensituation FAHREN und GESPRÄCH Wichtigkeit einer der Informationen Überangebot an Informationen zu langsame Verarbeitung der Informationen FAHREN Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2005)

21 Menschliche Informationsverarbeitung Ressourcenkonflikte Akkordeon spielen Noten lesen Tasten bedienen/ Pumpen Visuelles System Hand-Armmotorik Laufen Beinmotorik Auto fahren in fremder Stadt Orientieren Karte lesen Karte blättern Verkehr beobachten Visuelles System Hand- Armmotorik Fahren Lenken/ Schalten Gas geben/ Bremsen Beinmotorik 4.7 Divided Attention Deficits Ein anderes Phänomen, das Divided Attention Deficit, ist ein alltäglich zu beobachtendes Phänomen. Es handelt sich dabei um das Unvermögen, die Aufmerksamkeit über das gesamte Informationsangebot zu verteilen. So ist man z. B. in der Lage gleichzeitig ein Fahrzeug zu fahren und ein Gespräch zu führen. Wenn sich aber im Verkehr eine kritische Situation ergibt, hapert das Gespräch und man muss den Gesprächspartner bitten den letzten Satz nochmals zu wiederholen. Eine Erklärung dazu ergibt sich aus dem Ressourcenmodell der Informationsverarbeitung. 4.8 Ressourcenkonflikte Ressourcenmodelle, auch Kapazitätsmodelle genannt, gehen davon aus, dass die Kapazität, die für verschiedene mentale Prozesse zur Verfügung steht, beschränkt ist. Dabei werden einfache und multiple Ressourcenmodelle unterschieden. Mehrere Tätigkeiten können gleichzeitig ausgeführt werden, wenn diese nicht die gleichen Ressourcen des Menschen in Anspruch nehmen oder die Ressourcen verteilt genutzt werden können. Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen (2004)

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