Räumlicher Wissenserwerb mit dynamischen Repräsentationen: Kognitive Prozesse und inter-individuelle Unterschiede
Final Report Abstract
Räumliche Strukturen (z.B. Systeme in den Ingenieurwissenschaften, Anatomie in der Medizin, Raum in der Geographie, Gebäude in der Architektur) werden zunehmend auf Basis virtueller, computerbasierter Modelle dynamisch und interaktiv dargestellt. Wenn es sich dabei um virtuelle Umgebungen handelt, dann könnte ein Beobachter Teil des Raumes sein. Die Visualisierung erfolgt jedoch in einem kleinen Maßstab (auf einem Computerbildschirm). Animationen oder interaktive Ansichtsveränderungen der räumlichen Strukturen z.B. mittels Zoom und Rotation können komplex sein und Lernende überfordern. Der Zugang zu diesem Problem bestand in einer Zerlegung visueller Ansichtsveränderungen in drei grundlegende räumliche Transformationen: Rotation, Perspektivenwechsel und Integration. Diese Prozesse wurden mit separaten Operationalisierungen untersucht und mit korrespondierenden räumlichen Fähigkeitsaspekten (mentale Rotation, mentale Perspektiventransformation und visuell-räumliche Arbeitsgedächtniskapazität) in Beziehung gesetzt. Dabei ergaben sich folgende wesentliche Erkenntnisse: Durch gezielte, fokussierte dynamische Visualisierungen (Animationen) für einen Transformationsprozess lässt sich das räumliche Verständnis unterstützen. Vor allem für Personen mit niedrigeren räumlichen Fähigkeiten ergeben sich dadurch kognitive Verarbeitungsvorteilte. Die mentale Rotation und die Perspektiventransformation ließen sich gut voneinander trennen. Der enge Bezug zwischen inter-individuellen Fähigkeitsunterschieden (z.B. mentale Rotationsfähigkeit) und der Transformation in einer Visualisierung (z.B. explizit gezeigte Rotation in der Visualisierung) hilft bei der Identifikation relevanter kognitiver Prozesse. Wenn Designer informiert sind über die kognitiven Anforderungen, die bei räumlichen Transformationen entstehen, können sie dynamische Visualisierungen und Interaktionsmöglichkeiten gezielter einsetzen. Zu Beginn der Auseinandersetzung mit virtuellen Umwelten ist der Einfluss interindividueller Fähigkeitsunterschiede sehr bedeutsam. Dieser Einfluss reduziert sich aber nach vergleichsweise kurzer Zeit, wenn man Trainingsmöglichkeiten einräumt. Darüber hinaus wurde demonstriert, dass räumliche Orientierungsstrategien aus der Realwelt in den räumlichen Lernerfolg mit virtuellen Umgebungen hineinspielen. Weitere Forschungen sind notwendig, um den Prozess des räumlichen Integrierens besser zu beschreiben. Die gegenwärtige Operationalisierung scheint auch nichträumlichen, analytischen Prozessen zugänglich. Auch zur Unterstützung strategischer Vorgehensweisen bei der interaktiven Exploration räumlicher Umgebungen ist weitere Forschung notwendig, um Lernende effektiver anzuleiten. Die Notwendigkeit, dynamische Visualisierungen auf den umgebenden Raum zu beziehen und dabei eine räumliche Repräsentation zu erwerben, ergibt sich auch bei Alltagstätigkeiten wie der Navigation mit Navigationsgeräten. Hierzu gibt es ein Folgeprojekt in Kooperation mit der Geoinformatik in Münster (Prof. Dr. Angela Schwering), gefördert von der DFG. Die Thematik findet auch ein breiteres öffentliches Interesse (z.B. Gastbeitrag des Antragstellers "Immer dem Navi nach" in der Publikumszeitschrift Gehirn & Geist 9/2015, Spektrum der Wissenschaft Verlag, übernommen von ZEIT WISSEN ONLINE).
Publications
- (2012). Facilitating spatial perspective taking through animation: Evidence from an aptitude-treatment-interaction. Learning and Individual Differences, 22, 505-510
Münzer, S.
- (2015). Facilitating recognition of spatial structures through animation and the role of mental rotation ability. Learning and Individual Differences, 38, 76-82
Münzer, S.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.lindif.2014.12.007) - Acquisition of spatial knowledge through self-directed interaction with a virtual Model of a Multi-level building: Effects of training and individual differences. Computers in Human Behavior
Volume 64, November 2016, Pages 191-205
Münzer, S., & Vali Zadeh, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.chb.2016.06.047) - Specificity of mental transformations involved in understanding spatial structures. Learning and Individual Differences
Volume 61, January 2018, Pages 40-50
Münzer, S., Fehringer, B., & Kühl, T.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.lindif.2017.11.004)
