DE19603001C2 - Vorrichtung zum unterstützten Trainieren und Lernen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum elektronisch unterstützten Trainieren und Lernen. Derartige Trainings- und Lernverfahren erfolgen 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.

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 Voraussetzungen 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 der 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 sofort 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 Instrumente 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.

Aus DE 34 03 475 A1 ist ein Sprachlehrgerät bekannt, das Eingabe- und Aus­ gabeeinheiten und einen Mikrocomputer zur Steuerung besitzt. Mittels einer Sprachwiedergabeeinheit kann ein von einem Schüler zu lernendes Wort hörbar gemacht werden, woraufhin der Schüler mittels einer Eingabevorrichtung die nach seiner Einschätzung zutreffende Schreibweise des Wortes eingibt. Anschließend wird dem Schüler mittels einer Anzeigeeinrichtung optisch und zusätzlich akustisch mitgeteilt, ob das von ihm eingegebene Wort richtig oder falsch eingegeben wurde.

Aus der DE 44 20 645 ist ein Phonogerät für Lernzwecke, insbesondere zum Erlernen von Fremdsprachen mit einer Tonabnahmeeinrichtung und einer Zusatzein­ richtung zur Tonaufnahme, digitalen Tonspeicherung und Wiedergabe gespeicherter Tonsignale bekannt. Ein Schüler kann einen von der Tonabnahmeeinrichtung hörbar gemachten Originaltext abhören und ihn nachsprechen. Anschließend kann er den nachgesprochenen Text, der in der Zusatzeinrichtung gespeichert worden ist, abhören und mit der Aufnahme des Tonträgers vergleichen.

DE 34 20 742 C2 offenbart ein elektronisches Musikinstrument mit Tasten, denen jeweils ein LED-Element zugeordnet ist, um einem Spieler durch Blinken die von ihm zu einem bestimmten Zeitpunkt anzuschlagende Taste visuell anzuzeigen, während der Spieler herkömmliche Noten liest.

Die Patentschrift DE 43 18 336 C1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Training der menschlichen Ordnungsschwelle, wobei einem Trainierenden synchron in unterschiedlichen Sinnesbereichen zwei unmittelbar aufeinanderfolgen­ de Sinnesreize zugeführt werden.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, für diejenigen Trainings- und Lernberei­ che, in denen es um Ja/Nein- bzw. Entweder/Oder-Entscheidungen geht, also um sogenannte Multiple-Choice- oder True/False-Aufgaben, eine Vorrichtung zum elektronisch unterstützten Trainieren und Lernen derartiger Aufgaben bereitzustel­ len, mit deren Hilfe auf preisgünstige Weise ein Lernverfahren angewendet werden kann, das deutlich über das Konzept von Skinner und seinen Nachfolgern hin­ ausgeht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vor­ teilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüche angegeben. Die Erfindung geht davon aus, daß das menschliche Gehirn - im Gegensatz zu der vorherrschend seriellen Arbeitsweise der meisten Computer - schwerpunktmäßig auf Parallelverarbeitung eingestellt ist. Die international gebräuchliche Bezeichnung dafür lautet "parallel-distributed processing", also etwa "parallel-verteilte Verarbeitung". (Eric R. Kandel "Neurowissenschaften", 1996, Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg, Berlin, Oxford, ISBN 3-86025-391-3). Erst in jüngerer Zeit bemüht sich übrigens auch die Computertechnik, beispielsweise für die sogenannte "Künstliche Intelligenz" mit neurona­ len Netzen den auf so vielen Gebieten dank dieser Fähigkeit zur Parallelverarbeitung vor­ handenen Vorsprung des menschlichen Gehirns einzuholen.

Erfindungsgemäß wird davon ausgegangen, daß die Bekräftigung nicht se­ riell, also nicht erst nach der Antwort, sondern parallel, d. h. schon in der Zeitspanne nach 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, zu einem eindeutig definierten Zeitpunkt erfolgt. Dazu werden die beiden Grafiken in Bild 1 herangezogen, in denen entlang der horizontal verlaufenden Zeitachsen t die Einzelschritte des Lernvor­ ganges 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 Rechenzeit im Gehirn des Trainierenden zwecks Ent­ scheidungsfindung, 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 - zu einem eindeutig definierten Zeitpunkt schon während der Zeitspanne nach dem Beginn der Aufgabenstellung an den Trainierenden und dem Ende der Antwort des Trainierenden liegt. Dabei sind verschiedene Ausgestaltungen möglich und in den An­ sprüchen 2 bis 5 aufgelistet:

Bei manchen Lern- und Trainingsaufgaben wird es sinnvoll sein, die Bekräftigung schon zu einem eindeutig definierten Zeitpunkt nach dem Beginn der Aufgabenstellung auszu­ geben; bei anderen Lern- und Trainingsaufgaben kann es vorteilhafter sein, die Bekräftigung zu einem eindeutig definierten Zeitpunkt während der inneren Verarbei­ tung (Latenz) durch den Trainierenden auszugeben; in noch anderen Fällen kann es zweckmäßiger sein, die Bekräftigung zu einem eindeutig definierten Zeitpunkt erst zwischen dem Beginn und dem Ende der Antwort (= Response) des Trainierenden auszu­ geben. Oftmals wird es auch vorteilhaft sein, die Bekräftigung in einer ande­ ren Sinnesmodalität als derjenigen, in der die Aufgabe und/oder Antwort erfolgte, auszu­ geben, um die Sinnesmodalität, die unmittelbar für den Trainingsvorgang benutzt wurde, nicht zu verwirren oder ungebührlich zu belasten. So können bei einer auditiven Aufgabe und/oder Antwort entweder eine visuelle oder eine taktile Bekräftigung, bei einer visuellen Aufgabe und/oder Antwort entweder eine auditive, oder eine taktile Bekräftigung oder bei einer taktilen Aufgabe und/oder Antwort entweder eine visuelle oder eine auditive Bekräftigung zweckmäßig sein.

Neurologisch kann davon ausgegangen werden, daß die Bekräftigung der Antwort des Trainierenden in der erfindungsgemäßen Zeitspanne nach dem Beginn der Aufgabenstel­ lung an den Trainierenden und dem Ende seiner Antwort (= Response), also unmittelbar 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 erfindungsgemäße neuartige Lernablauf läßt sich unter Benutzung erfindungsgemäßer Lerngeräte durchführen. Zu­ nächst sei die Arbeitsweise 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 Schülermuß 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.

Es sei nun die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 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 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.

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.

Ferner kann in einer weiteren Abwandlung des Erfindungsgedankens der Zeitpunkt der Bekräftigung in Abhängigkeit vom Schwierigkeitgrad 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.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum elektronisch unterstützten Trainieren und Lernen von Multiple-Choice- und/oder True/False-Aufgaben über die auditive, visuelle und/oder taktile Sinnesmodalität mit einer Ausgabe einer Aufgabe an den Trainierenden (Aufgabenstellung) und einer Eingabe einer Antwort durch den Trainierenden (Response), mit Mitteln (1, 2, 3) zur visuellen und/oder taktilen und/oder auditiven Aufgabenstellung und Bekräftigung und vom Lernenden betätigbaren Mitteln (6, 7, 8) zur Antworteingabe, wobei die Bekräftigung (Reinforcement) durch Affirma­ tion, Negation und/oder Ausgabe der zutreffenden Antwort an den Lernenden während einer Zeitspanne nach Beginn der Aufgabenstellung an den Lernenden und vor dem Ende seiner Antwort (Response) erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt der Bekräftigung an den Lernenden manuell veränderbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Zeitpunkt der Bekräftigung an den Lernen­ den automatisch in Abhängigkeit von dessen Lernerfolg verändert, also beispiels­ weise von der Schnelligkeit seiner Antworten oder von der Trefferquote seiner Antworten oder von der Mischung aus Schnelligkeit seiner Antworten und der Trefferquote seiner Antworten.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Zeitpunkt der Bekräftigung an den Lernenden automatisch in Abhängigkeit vom Schwierigkeitsgrad des Lernstoffs verändert.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein handgehaltenes Gerät aufweist, in welches ein Stereokopfhörer anschließbar ist, daß das handgehaltene Gerät ferner über Eingabemittel verfügt, mittels der der Benutzter Angaben wie rechts, Mitte und/oder links eingeben kann, und daß das handgehaltene Gerät über visuelle und/oder Audioausgabekanäle verfügt und Eingaben am Gerät durch einen Mikro­ prozessor verarbeitet werden und Ausgaben des Geräts in Abhängigkeit des Arbeitsergebnisses des Mikroprozessors erfolgen.