DE19603001A1 - Elektronisch unterstütztes Verfahren zum verbesserten Lernen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisch unterstütztes Trainings- und Lernverfahren über die auditive, visuelle und/oder taktile Sinnesmodalität mit der üblichen und typischen zeitlichen Abfolge von der Aufgabenstellung an den Trainierenden über dessen innere Verarbeitungszeit (=Latenz) für diese Aufgabe und über die Ausgabe seiner Antwort durch den Trainierenden (=Response) bis zur abschließenden, bekräftigenden Vertiefung des Trainings- und Lernerfolges (=Reinforcement) durch Affirmation, Negation und/oder Aus­ gabe der zutreffenden Antwort, sowie auf mehrere Vorrichtungen nach diesem Verfahren.

Übliche und typische menschliche Trainings- und Lernvorgänge vollziehen sich bisher in der nachstehenden zeitlichen Abfolge:

• 1. Zunächst wird eine Aufgabe an den Trainierenden ausgegeben.
• 2. Darauf folgt die innere zentrale Verarbeitung durch den Trainierenden zwecks Findung der zutreffenden Antwort.
• 3. Glaubt der Trainierende, die zutreffende Antwort gefunden zu haben, so gibt er sie verbal oder auf andere Weise aus.
• 4. Jetzt ist es nach bisherigen Erkenntnissen eine der wichtigsten Voraussetzung für effiziente menschliche Trainings- und Lernvorgänge, wenn die nach entsprechen­ der innerer Verarbeitungszeit erfolgte Antwort des Trainierenden auf eine Aufgabe zwecks Festigung des von ihm Gelernten sogleich überprüft und das Ergebnis dem Trainierenden mitgeteilt wird. Das kann durch Affirmation bei zutreffender Antwort, durch Negation bei unzutreffender Antwort und/oder durch Ausgabe der zutreffenden Antwort an den Trainierenden geschehen.

Als einfaches Beispiel sei die Aufforderung an einen Erstkläßler genannt, er möge das Wort "bringt" buchstabieren. Sowohl wenn er als Antwort auf diese Aufgabe - nach deren inneren Verarbeitung - richtig "bringt" buchstabiert als auch - noch viel wichtiger - falls er es beispielsweise fälschlich "brinkt" buchstabiert, ist für ihn die Bekräftigung der zutreffen­ den Schreibweise für überdauerndes Lernen unabdingbar. Diese Ausgabe der zutreffen­ den Antwort und die damit verbundene Verstärkung des Lernerfolges werden in der Lern- Psychologie international als "Reinforcement" bezeichnet. Im weiteren Verlauf dieser Be­ schreibung wird dafür einheitlich der deutsche Begriff "Bekräftigung" benutzt werden.

Neurologisch wird davon ausgegangen, daß durch die Bekräftigung entweder bestehende synaptische Verbindungen verstärkt oder sogar neue Synapsen gebahnt werden. Der amerikanische Lernpsychologe Prof. B. F. Skinner hat durch umfangreiche Versuche fest­ gestellt, daß der Lernerfolg weitgehend vom richtigen Zeitpunkt der Bekräftigung abhängt. (B. F. Skinner / W. Correll "Denken und Lernen", 1976, Hahner-Verlagsgesellschaft, Aa­ chen, ISBN 3-89294-153-X). Je länger die Zeitspanne zwischen der Antwort des Trainie­ renden und deren Bekräftigung ist, desto geringer ist die Auswirkung auf den Lernerfolg. Nach Skinners Untersuchungen liegt der optimale Zeitpunkt für die Bekräftigung innerhalb 0,5 Sekunden nach der Antwort eines Lernenden oder Trainierenden auf eine Aufgabe.

Dieser Stand des Wissens hat sich in den beiden letzten Jahrzehnten nicht mehr nen­ nenswert verändert. Aus Gründen der praktischen Realisierbarkeit ist er jedoch selbst im schulischen Bereich nicht einmal auch nur andeutungsweise eingeführt: Man denke nur daran, daß die Korrektur eines einfachen Diktates durch die Lehrkraft zumeist erst nach Tagen, bei komplexeren Klassenarbeiten manchmal erst nach Wochen, zurückgegeben wird. Daß die Neurowissenschaften gerade in jüngster Zeit erheblichen Forschungsbedarf auf diesem Gebiete des Lernens erkannt haben, ist unter anderem aus der Anfang 1996 in Berlin erfolgten Gründung eines neuen Sonderforschungsbereiches "Mechanismen entwicklungs- und erfahrungsbedingter Plastizität des Nervensystems" durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft zu erkennen.

Der obige Regelkreis des typischen Lernvorganges wird bespielsweise auch beim soge­ nannten "Biofeedback" eingehalten. Unter Biofeedback versteht man eine Lernmethode bei der für den Patienten primär meist unbewußte vegetative oder motorische Funktio­ nen (z. B. Herzfrequenz, Blutdruck, EEG- und EKG-Signale, Hauttemperatur und -wider­ stand, Atemfrequenz u. a.) durch lnstrumente aufgezeichnet und als akustische oder opti­ sche Signale bewußt wahrnehmbar gemacht werden, um sie so auch der bewußten Ein­ flußnahme durch die Patienten zugänglich zu machen." (Pschyrembel Klinisches Wörter­ buch, 1994, 257. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, New York, ISBN 3-11-012692-3).

Auch beim Biofeedback wird also dem Trainierenden zunächst die Aufgabe gestellt, z. B. die wünschenswerte Veränderung seiner Herzfrequenz, deren Äquivalent ihm beispiels­ weise in Form eines in seiner Frequenz veränderbaren Tones oder eines veränderbaren Bildschirmmusters dargestellt wird. Nach der inneren Verarbeitung der Aufgabenstellung verändert sich als Antwort möglicherweise die Herzfrequenz. Aber selbstverständlich kann sich auch hierbei erst als Ergebnis dieser veränderten Herzfrequenz auch die Frequenz des Tones oder die Gestalt des Bildschirmmusters als Bestärkung der Richtigkeit seiner - zumeist unbewußten - Bemühungen verändern. Die Reihenfolge bleibt also auch hierbei: Aufgabe - Latenz - Antwort - Bekräftigung.

Die Erfindung hat sich deshalb zur Aufgabe gestellt vor allem für diejenigen Trainings- und Lernbereiche, in denen es um Ja/Nein- bzw. Entweder/Oder-Entscheidungen geht, al­ so um sogenannte Multiple-Choice- oder True-False-Aufgaben, ein elektronisches Verfah­ ren zu schaffen, das deutlich über das Konzept von Skinner und seiner Nachfolger hin­ ausgeht und sich auch preisgünstig in zahlreichen Lernbereichen einsetzen läßt.

Dabei wurde davon ausgegangen, daß das menschliche Gehirn - im Gegensatz zu der vorherr­ schend seriellen Arbeitsweise der meisten Computer - schwerpunktmäßig auf Parallelver­ arbeitung eingestellt ist. Die international gebräuchliche Bezeichnung dafür lautet "parallel­ distributed processing", also etwa "parallel-verteilte Verarbeitung". (Eric R. Kandel "Neuro­ wissenschaften", 1996, Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg, Berlin, Oxford, ISBN 3-86025-391-3). Erst in jüngerer Zeit bemüht sich übrigens auch die Computertech­ nik, beispielsweise für die sogenannte "Künstliche Intelligenz" mit neuronalen Netzen den auf so vielen Gebieten dank dieser Fähigkeit zur Parallelverarbeitung vorhandenen Vor­ sprung des menschlichen Gehirns einzuholen.

Gelöst wurde die Aufgabenstellung der Erfindung dadurch, daß die Bekräftigung nicht se­ riell, also nicht erst nach der Antwort, sondern parallel, d. h. schon in der Zeitspanne zwi­ schen dem Beginn der Aufgabenstellung an den Lernenden und dem Ende seiner Antwort (=Response), also unmittelbar vor, während oder unmittelbar nach der zentralen Erarbei­ tung der höchstpersönlichen Antwort des Trainierenden, der Latenz, erfolgt. Dazu werden die beiden Grafiken in Bild 1 herangezogen, in denen entlang der horizontal verlaufenden Zeitachsen t die Einzelschritte des Lernvorganges dargestellt sind: Im Teilbild A ist der oben bereits beschriebene typische bisherige Stand des Lernverlaufes dargestellt, das heißt nach der Aufgabe an den Trainierenden folgt dessen Latenz, also die innere Re­ chenzeit im Gehirn des Trainierenden zwecks Entscheidungsfindung, dann die Ausgabe der Antwort durch den Trainierenden. Nach der von Skinner postulierten Zeitspanne von bis zu 0,5 Sekunden erfolgt im bisherigen Idealfall die Bekräftigung.

Im Teilbild B ist der erfindungsgemäße Ablauf zu erkennen. Er unterscheidet sich vom bis­ herigen Stand der Lerntechnik durch das Timing, also die Wahl eines neuartigen, effizien­ teren Zeitpunktes für die Bekräftigung. Diese Bekräftigung wird ganz wesentlich auf der Zeitachse verschoben, und zwar dergestalt, daß sie - wie durch die Pfeile angezeigt - schon während der Zeitspanne zwischen dem Beginn der Aufgabenstellung an den Trai­ nierenden und dem Ende der Antwort des Trainierenden liegt. Dabei sind verschiedene Ausgestaltungen des Verfahrens möglich und in den Ansprüchen 2 bis 11 aufgelistet:
Bei manchen Lern- und Trainingsaufgaben wird es sinnvoll sein, die Bekräftigung schon während der Aufgabenstellung auszugeben (Anspruch 2); bei anderen Lern- und Trai­ ningsaufgaben kann es vorteilhafter sein, die Bekräftigung während der inneren Verarbei­ tung (Latenz) durch den Trainierenden auszugeben Anspruch 3); in noch anderen Fällen kann es zweckmäßiger sein, die Bekräftigung erst zwischen dem Beginn und dem Ende der Antwort (=Response) des Trainierenden auszugeben (Anspruch 4). Oftmals wird es auch vorteilhaft sein, die Bekräftigung in einer anderen Sinnesmodalität als derjenigen, in der die Aufgabe und/oder Antwort erfolgte, auszugeben (Anspruch 5), um die Sinnesmo­ dalität, die unmittelbar für den Trainingsvorgang benutzt wurde, nicht zu verwirren oder ungebührlich zu belasten. So können bei einer auditiven Aufgabe und/oder Antwort ent­ weder eine visuelle (Anspruch 6) oder eine taktile Bekräftigung (Anspruch 7), bei einer vi­ suellen Aufgabe und/oder Antwort entweder eine auditive (Anspruch 8) oder eine taktile Bekräftigung (Anspruch 9) oder bei einer taktilen Aufgabe und/oder Antwort entweder eine visuelle (Anspruch 10) oder eine auditive (Anspruch 11) Bekräftigung zweckmäßig sein.

Neurologisch kann davon ausgegangen werden, daß die Bekräftigung der Antwort des Trainierenden in der erfindungsgemäßen Zeitspanne zwischen dem Beginn der Aufga­ benstellung an den Trainierenden und dem Ende seiner Antwort (=Response), also unmit­ telbar vor, während oder unmittelbar nach der Erarbeitung der höchstpersönlichen Antwort des Trainierenden, besonders effiziente Aussichten hat, entweder - wenn die Antwort des Trainierenden zutreffend ist - sogleich die "richtigen" Synapsen zu verstärken oder - falls der Trainierende eine unzutreffende Antwort zu entwickeln begonnen hat - rechtzeitig die "falschen" Synapsen zu inhibieren.

Dieser erfindungsgemaße neuartige Lernablauf läßt sich sowohl unter Benutzung vorhan­ dener Lerngeräte, wie beispielsweise handelsüblicher Computer, als auch mit speziell da­ für entwickelten oder zu entwickelnden Programmen und/oder Geräten durchführen. Zu­ nächst sei die Arbeitsweise des Verfahrens am Beispiel des auf dem deutschen Markt ein­ geführten und sehr verbreiteten Alfons-Computer-Lernprogramms für Rechtschreibung eines bedeutenden deutschen Schulbuchverlages aus 1995 dargestellt. In diesem Pro­ gramm findet sich beispielsweise unter anderem folgender Lern- und Trainingsablauf:
Auf dem Monitorbildschirm erscheinen ein großes Quadrat, das in neun kleinere quadrati­ sche Felder unterteilt ist, und daneben der Text "Wähle ein Feld, dann geht′s los!" Wird mit der Maus eines der neun Felder angeklickt, erscheint der Bildschirmtext "Was gehört in die Lücke? "B" oder "P", "b" oder "p"? - Setze ein!" : Die -ause. Unabhängig davon, ob der trainierende Schüler nun richtig ein P oder falsch ein B einsetzt, erscheint auf dem an­ geklickten Feld zunächst nur ein großes X zum Zeichen dafür, daß diese Teilaufgabe be­ arbeitet worden ist. Erst nachdem dies insgesamt neunmal vollzogen wurde, werden alle neun Felder umgeklappt, und es erscheinen fröhliche oder traurige Gesichter als Zeichen dafür, ob das betreffende Wort richtig oder falsch geschrieben wurde. Das Wort selbst er­ scheint aber noch gar nicht. Der Schüler muß erst erneut jedes der traurigen Gesichter einzeln anklicken, um sich seine falsche Schreibweise noch einmal vorstellen zu lassen und sie dann zu korrigieren.

Erfindungsgemäß würde dem trainierenden Schüler bei diesem Programm beispielsweise in dem Augenblick, in dem er sich für eine der beiden möglichen Schreibweisen entschie­ den hat und dies mittels Taste oder Maus dem Computer einzugeben beginnt, die richtige Schreibweise auf dem betreffenden Feld dargestellt. Diese Darstellung kann aber auch schon nach dem Erscheinen der Aufgabe um eine vorprogrammierte Zeitspanne verzö­ gert erfolgen, die kürzer als die kürzeste zu erwartende innere zentrale Verarbeitungszeit bemessen ist, also beispielsweise bei 200 bis 300 Millisekunden liegt, so daß dem Trainie­ renden die Bekräftigung vor seiner Antwort, mithin noch innerhalb seiner Latenz, vorliegt.

Als weiteres Beispiel sei nun die Arbeitsweise einer speziellen Vorrichtung eigens nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben: Ein Lernwilliger habe die Absicht, seine Tonhöhendiskrimination zu verbessern, und zwar entweder als Vorstufe für das Erlernen eines Musikinstrumentes, zur Verbesserung seiner Singstimme oder zwecks Verbesse­ rung seiner sprachlichen Melodiefähigkeit bzw. -erkennung. Die Sprachmelodie ist be­ kanntlich eine wichtige Komponente der sogenannten Prosodie des Sprechens, zu der daneben noch das Sprechtempo und der Sprechrhythmus gehören. Die Fähigkeit norma­ ler Erwachsener, zwei aufeinanderfolgende Töne in ihrer Frequenz voneinander zu unter­ scheiden, liegt bei einem Intervall von 2%; Musiker und Tonmeister bringen es auf bis zu 0,4%. (J. Meyer "Zur Tonhöhenempfindung bei musikalischen Klängen in Abhängigkeit vom Grad der Gehörschulung", ACUSTICA (42), 1979, 4, Seiten 189-204).

Zu diesem Zwecke dient die in Bild 2 dargestellte batteriebetriebene elektronische Vorrich­ tung. An das handgehaltene Gerät (1) ist ein Stereokopfhörer (2) angeschlossen. Als Ausgabekanäle verfügt das Gerät (1) außerdem über die beiden Leuchtdioden (3) zur Lin­ ken und (4) zur Rechten sowie über das Display (5) in der Mitte. Als Eingabekanäle dienen die Taster (6) zur Linken, (7) in der Mitte und (8) zur Rechten. Nach dem Aufsetzen des Kopfhörers (2) betätigt der Trainierende die Starttaste (7). Im Display erscheinen neben­ einander drei grafische Symbole für "Aufgabe - Latenz - Antwort" ähnlich dem Bild 1 dieser Beschreibung. Mit Hilfe der Tasten (6) und (8) bewegt der Trainierende den Cursor auf denjenigen Zeitpunkt, zu dem er die Bekräftigung erhalten möchte. Durch erneutes Betäti­ gen der Starttaste löst er den eigentlichen Trainingsvorgang aus.

Im Kopfhörer ertönen nun links und rechts unmittelbar nacheinander zwei kurze Tonbursts von beispielsweise 100 Millisekunden Dauer, deren Frequenz um beispielsweise 10% aus­ einanderliegt. Der Trainierende soll sich jeweils entscheiden, ob er den tieferen der beiden Töne von links oder von rechts gehört hat, und dementsprechend entweder die Taste (6) oder (8) betätigen. Außerdem wurde der Trainierende informiert, daß sich der Frequenz­ abstand zwischen den beiden Tonbursts verringern werden, sobald er eine bestimmte An­ zahl dieser Tonburstpärchen zutreffend zugeordnet hat.

In der einfachsten Ausführung der elektronischen Steuerung innerhalb des Gerätes (1), die in an sich bekannter Weise beispielsweise durch eine diskrete Schaltung mit CMOS- Bausteinen oder durch einen Mikroprozessor ausgeführt werden kann, leuchtet genau in dem Augenblick, den der Trainierende zuvor im Dialog mit dem Display festgelegt hat, die der zutreffenden Entscheidung entsprechende Leuchtdiode (3) oder (4) auf. Zugleich kann ein affirmativer bzw. negierender Text im Display (5) die Bekräftigung weiter verstär­ ken. Der eingangs eingestellte Zeitpunkt ist im Dialog mit dem Gerät (1) auch während des Trainings manuell in der zuvor beschriebenen Weise veränderbar. (Anspruch 12).

Eine anspruchsvollere Lösung besteht darin, den Zeitpunkt der Bekräftigung in Abhängig­ keit vom Lernerfolg des Trainierenden zu verändern. Für diese Variante ist die Verwen­ dung eines Mikroprozessors oder einer ähnlichen Technik in an sich bekannter Weise an­ gezeigt. Als Kriterium für den Lernerfolg des Trainierenden kann dabei die Schnelligkeit seiner Antworten, die bedingt ist durch seine innere zentrale Verarbeitungszeit (Latenz), oder die Trefferquote seiner Antworten oder eine Mischung aus Schnelligkeit seiner Ant­ worten und der Trefferquote seiner Antworten herangezogen werden (Anspruch 13).

Ferner kann in einer weiteren Abwandlung des Erfindungsgedankens der Zeitpunkt der Bekräftigung in Abhängigkeit vom Schwierigkeitsgrad der Aufgabe verschoben werden, so daß beispielsweise im oben herangezogenen Trainingsbeispiel der Tonhöhendiskriminati­ on bei der erwähnten automatischen Verringerung des Intervalls und der dadurch beding­ ten Erhöhung des Schwierigkeitsgrades zwischen den beiden Tonbursts die Bekräftigung immer früher erfolgt (Anspruch 14).

Es sei darauf hingewiesen, daß die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht als Begrenzung des Erfindungsgedankens anzusehen sind, sondern daß vielmehr Verände­ rungen und Abwandlungen vom Fachmann leicht durchgeführt werden können, ohne den Grundgedanken und den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (14)

1. Elektronisch unterstütztes Trainings- und Lernverfahren über die auditive, visuelle und/oder taktile Sinnesmodalität mit der üblichen und typischen zeitlichen Abfolge von der Aufgabenstellung an den Trainierenden über dessen innere Verarbeitungszeit (=Latenz) für diese Aufgabe und über die Ausgabe seiner Antwort durch den Trai­ nierenden (=Response) bis zur Bekräftigung, zum sogenannten "Reinforcement", d. h. zur abschließenden Vertiefung des Trainings- und Lernerfolges durch Affirmation, Ne­ gation und/oder Ausgabe der zutreffenden Antwort, dadurch gekennzeichnet, daß die Bekräftigung, also die Vertiefung des Trainings- und Lernerfolges durch Affirmati­ on, Negation und/oder Ausgabe der zutreffenden Antwort an den Lernenden, bereits während der Zeitspanne zwischen dem Beginn der Aufgabenstellung an den Lernen­ den und dem Ende seiner Antwort (=Response) erfolgt.

2. Lernverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Bekräftigung während einer Zeitspanne, die zwischen dem Beginn und dem Ende der Aufgabenstellung an den Lernenden liegt.

3. Lernverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Bekräftigung während einer Zeitspanne, die zwischen dem Beginn und dem Ende der inneren Verarbeitung (Latenz) durch den Lernenden liegt.

4. Lernverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Bekräftigung während einer Zeitspanne, die zwischen dem Beginn und dem Ende der Antwort (=Response) des Lernenden liegt.

5. Lernverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die Bekräftigung in einer anderen Sinnesmodalität als derjenigen, in der die Aufgabe und/oder Antwort erfolgte.

6. Lernverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die visuelle Bekräftigung einer auditiven Aufgabe und/oder Antwort.

7. Lernverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die taktile Bekräftigung einer auditiven Aufgabe und/oder Antwort.

8. Lernverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die auditive Bekräftigung einer visuellen Aufgabe und/oder Antwort.

9. Lernverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die taktile Bekräftigung einer visuellen Aufgabe und/oder Antwort.

10. Lernverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die visuelle Bekräftigung einer taktilen Aufgabe und/oder Antwort.

11. Lernverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die auditive Bekräftigung einer taktilen Aufgabe und/oder Antwort.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der vor­ genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt der Bekräftigung an den Lernenden manuell veränderbar ist.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der vor­ genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Zeitpunkt der Bekräf­ tigung an den Lernenden automatisch in Abhängigkeit von dessen Lernerfolg verän­ dert, also beispielsweise von der Schnelligkeit seiner Antworten oder von der Treffer­ quote seiner Antworten oder von einer Mischung aus Schnelligkeit seiner Antworten und der Trefferquote seiner Antworten.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der vor­ genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Zeitpunkt der Bekräf­ tigung an den Lernenden automatisch in Abhängigkeit vom Schwierigkeitsgrad des Lernstoffes verändert.