Gestaltung von Computersimulationen

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1 Gestaltung von Computersimulationen Prof. Dr. Günter Daniel Rey Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 1

2 Überblick Computersimulationen Probleme beim Lernen mit Simulationen Überwiegende Herstellung bereits verstandener Simulationszustände Split-Attention Effekt Unterstützungsmaßnahmen Instruktionshinweis hinzufügen Leserichtungseffekt Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 2

3 Computersimulationen (z. B. de Jong & van Joolingen, 1998; de Jong, 2006; Rieber, 2005) Computerprogramme zur Durchführung virtueller Experimente in kontrollierten Umgebungen, um das zugrundeliegende mathematische Modell besser verstehen zu können Mathematisches Modell verantwortlich für die Reaktion auf die Benutzereingaben Häufig grafische Visualisierung der Ausgabe Beispiel: Computersimulation zum Thema Kohonennetze Quelle: Rey und Wender (2010) Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 3

4 Computersimulationen (Plass, Homer & Hayward, 2009) Beispiel: Computersimulation zu Zustandsgleichungen für ideale Gase Quelle: Plass, Homer und Hayward (2009) Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 4

5 Probleme beim Lernen mit Simulationen (z. B. de Jong, 2006; de Jong & van Joolingen, 1998) Schwierigkeiten bei der Auswahl von Eingabevariablen Überwiegende Herstellung bereits verstandener Simulationszustände Probleme bei der Hypothesenformulierung Beibehaltung von Hypothesen trotz widersprechender Daten Zeitgleiche Variation zu vieler Variablen Ingenieuransatz Split-Attention Effekt Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 5

6 Überwiegende Herstellung bereits verstandener Simulationszustände (Eysink, Dijkstra & Kuper, 2002) Beispiel: Computersimulation zum Erlernen logischer Ausdrücke 72 Studierende der Sozialwissenschaften mit einem Durchschnittsalter von 19.0 Jahren (SD = 1.1) lernten mit der Simulation Lernende nutzen freie Explorationsmöglichkeiten nicht hinreichend Lernende stellen überwiegend bereits bekannte und verstandene Simulationszustände her Quelle: Eysink, Dijkstra und Kuper (2002) Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 6

7 Split-Attention Effekt (z. B. Sweller & Chandler, 1994) Split-Attention Effekt als Beispiel zur Beachtung von Gestaltungsempfehlungen für Texte, Bilder, Animationen und Problemlöseaufgaben Problem: Trennung von aufeinander bezogenen Informationsquellen (z. B. Text und Bild) erfordert mentale Vereinigung und beeinträchtigt so die Lernleistungen Lösung: Mehrere Informationsquellen integrieren, z. B. durch Beschriftungen in unmittelbarer Nähe zu relevanten Bildelementen Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 7

8 Split-Attention Effekt (Rey, 2011a) Beispiel: Split-Attention Effekt in einer Computersimulation zur Signaldetektionstheorie Multiple Repräsentationen Dynamische Verknüpfungen Quelle: Rey (2011a) Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 8

9 Split-Attention Effekt (Rey, 2011a) 73 Studierende mit einem Durchschnittsalter von 21.6 Jahren (SD = 3.1) und keinen oder nur sehr geringen Vorkenntnissen Einfaktorielles Design mit drei Faktorstufen 1. Faktorstufe: Drag & Drop 2. Faktorstufe: Schieberegler 3. Faktorstufe: Textfeld Drag & Drop Schieberegler Textfeld Quelle: Rey (2011a) Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 9

10 Split-Attention Effekt (Rey, 2011a) Behalten: 10 MC-Fragen mit jeweils 3 bis 4 Antwortalternativen und einer korrekten Lösung Transfer: 10 MC-Fragen (vgl. Behalten) + eine offene Frage Benutzereinschätzung: 5 Fragen mit 6-stufiger Likert-Skala Transfer 5 7,67 8,16 4 4,26 4,39 6,42 3, Benutzereinschätzung p <.001; η p ² =.18 p <.05; η p ² =.10 1 Textfeld Schieberegler "Drag & Drop" Textfeld Schieberegler "Drag & Drop" Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 10

11 Unterstützungsmaßnahmen (z. B. de Jong, 2006; de Jong & van Joolingen, 1998; Plass, Homer & Hayward, 2009) Übungsaufgaben Erläuterungen und Hintergrundinformationen Überwachungs- und Planungswerkzeuge Instruktionshinweise oder ähnliche Unterstützungsmaßnahmen Strukturierung der Lernumgebung Allmählicher Aufbau der Computersimulation Adaptive Elemente Beachtung von Gestaltungsempfehlungen Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 11

12 Instruktionshinweis hinzufügen (Rey, 2011b, Exp. 2) Beispiel: Einfacher Instruktionshinweis in einer Computersimulation zu Kohonennetzen 98 Studierende mit einem Durchschnittsalter von 22.2 Jahren (SD = 4.0) und keinen oder nur sehr geringen Vorkenntnissen zu Kohonennetzen Quelle: Rey (2011b) Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 12

13 Instruktionshinweis hinzufügen (Rey, 2011b, Exp. 2) Einfaktorielles Design mit zwei Faktorstufen (Mit vs. ohne Instruktionshinweis) Instruktionshinweis: Verwenden Sie vor allem den Reset-Button, um systematisch zu überprüfen, was die einzelnen Parameter bewirken! Behalten: 10 MC-Fragen mit jeweils 3 bis 5 Antwortalternativen und einer korrekten Lösung Transfer: 7 MC-Fragen (vgl. Behalten) + 3 Fragen, in denen Zahlenwerte einzutragen waren p =.94; d = p <.01; d = 0.64 Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 13

14 Leserichtungseffekt (Rey, 2010) Beispiel: Leserichtungseffekt in einer Computersimulation zu künstlichen neuronalen Netzen Leserichtung als Richtung der Informationsaufnahme; in der deutschen Schriftsprache von links nach rechts Leserichtungseffekt als lernförderlicher Effekt durch Beachtung der Leserichtung bei der Informationsdarbietung von kausalen Zusammenhängen oder zeitlichen Abfolgen Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 14

15 Leserichtungseffekt (Rey, 2010) 113 Studierende mit einem Durchschnittsalter von 22.0 Jahren (SD = 3.6) 2 x 2 faktorielles Design Signalisierungen L e s e r i c h t u n g i n e n t g e g e n mit ohne Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 15

16 Leserichtungseffekt (Rey, 2010) Behalten: 10 MC-Fragen mit jeweils 2 bis 5 Antwortalternativen und einer korrekten Lösung Transfer: 7 MC-Fragen (vgl. Behalten) + 3 Fragen, in denen Zahlenwerte einzutragen waren Behalten Transfer HE für UV Leserichtung : p =.06; d = 0.36 HE für UV Leserichtung : p <.01; d = 0.53 Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 16

17 Zusammenfassung Computersimulation als Computerprogramm zur Durchführung eines virtuellen Experimentes in kontrollierter Umgebung, um zugrundeliegendes mathematisches Modell besser verstehen zu können Probleme beim Lernen mit Simulationen wie etwa Schwierigkeiten bei der Auswahl von Eingabevariablen, Beibehaltung von Hypothesen trotz widersprechender Daten, überwiegende Herstellung bereits verstandener Simulationszustände oder Split-Attention Effekt Unterstützungsmaßnahmen in Simulationen wie etwa Übungsaufgaben, Erläuterungen und Hintergrundinformationen, Instruktionshinweise oder Beachtung der Leserichtung Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 17

18 Prüfungsliteratur Rey, G. D. (2009). E-Learning. Theorien, Gestaltungsempfehlungen und Forschung. Bern: Huber. Gestaltung Bilder (S ) de Jong, T. (2006). Computer simulations - Technological advances in inquiry learning. Science, 312, Plass, J. L., Homer, B. D., & Hayward, E. O. (2009). Design factors for educationally effective animations and simulations. Journal of Computing in Higher Education, 21, Eysink, T. H. S., Dijkstra, S., & Kuper, J. (2002). The role of guidance in computer-based problem solving for the development of concepts of logic. Instructional Science, 30, Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 18

19 Weiterführende Literatur de Jong, T., & van Joolingen, W. R. (1998). Scientific discovery learning with computer simulations of conceptual domains. Review of Educational Research, 68, Rieber, L. P. (2005). Multimedia learning in games, simulations, and microworlds. In R. E. Mayer (Ed.), The Cambridge Handbook of Multimedia Learning (pp ). Cambridge, MA: Cambridge University Press. Rey, G. D., & Wender, K. F. (2010). Neuronale Netze. Eine Einführung in die Grundlagen, Anwendungen und Datenauswertung. Bern: Huber. Sweller, J., & Chandler, P. (1994). Why some material is difficult to learn. Cognition and Instruction, 12, Rey, G. D. (2011a). Interactive elements for dynamically linked multiple representations in computer simulations. Applied Cognitive Psychology, 25, Rey, G. D. (2011b). Reset button and instructional advice in computer simulations. European Psychologist, 16, Rey, G. D. (2010). Reading direction and signaling in a simple computer simulation. Computers in Human Behavior, 26, Professur E-Learning und Neue Medien 7. Gestaltung von Computersimulationen 19