Konzeptlernen: Kognitive Lernprozesse einfach erklärt

In vielen verschiedenen Kontexten lernen Studierende Konzepte. Konzepte sind etikettierte Mengen von Objekten, Symbolen oder Ereignissen, die gemeinsame Merkmale oder kritische Attribute aufweisen. Ein Konzept ist ein mentales Konstrukt oder eine Repräsentation einer Kategorie, die es ermöglicht, Beispiele und Nicht-Beispiele der Kategorie zu identifizieren (Howard, 1987). Konzepte können konkrete Objekte (z. B. „Tisch“, „Stuhl“, „Katze“) oder abstrakte Ideen (z. B. „Liebe“, „Demokratie“, „Ganzheit“) umfassen. Tatsächlich gibt es viele Arten von Konzepten (für einen detaillierten Überblick siehe Medin, Lynch & Solomon, 2000). Konzeptlernen bezieht sich auf die Bildung von Repräsentationen, um Attribute zu identifizieren, sie auf neue Beispiele zu verallgemeinern und Beispiele von Nicht-Beispielen zu unterscheiden.

Frühe Studien von Bruner, Goodnow und Austin (1956) untersuchten das Wesen der Konzepte. Die Lernenden erhielten Kästen mit geometrischen Mustern. Jedes Muster konnte anhand von vier verschiedenen Attributen klassifiziert werden: Anzahl der Stimuli (eins, zwei, drei); Form (Kreis, Quadrat, Kreuz); Farbe (rot, grün, schwarz); und Anzahl der Ränder auf der Box (eins, zwei, drei). Die Aufgabe bestand darin, das Konzept zu identifizieren, das in verschiedenen Teilmengen der Boxen dargestellt wurde.

Die Konfiguration von Merkmalen in einer Konzeptlernaufgabe kann variiert werden, um verschiedene Konzepte zu ergeben. Ein konjunktives Konzept wird durch zwei oder mehr Merkmale dargestellt (z. B. zwei rote Kreise). Andere Merkmale (Anzahl der Ränder) sind nicht relevant. Ein disjunktives Konzept wird durch eines von zwei oder mehr Merkmalen dargestellt; zum Beispiel zwei Kreise beliebiger Farbe oder ein roter Kreis. Ein relationales Konzept spezifiziert eine Beziehung zwischen Merkmalen, die vorhanden sein muss, wie z. B. die Anzahl der Objekte in der figur muss die Anzahl der Ränder übersteigen (Art des Objekts und Farbe sind unwichtig).

Bruner et al. (1956) fanden heraus, dass Lernende eine Hypothese über die dem Konzept zugrunde liegende Regel formulierten. Regeln können in Wenn-dann-Form ausgedrückt werden. Eine Regel zur Klassifizierung einer Katze könnte lauten: „Wenn sie domestiziert ist, vier Beine, Fell, Schnurrhaare und einen Schwanz hat, relativ klein ist, schnurrt und „Miau“ von sich gibt, dann ist es eine Katze.“ Obwohl es Ausnahmen gibt, wird diese Regel Katzen meistens korrekt klassifizieren. Generalisierung tritt auf, wenn die Regel auf eine Vielzahl von Katzen angewendet wird.

Menschen neigen dazu, schnell Regeln zu bilden (Bruner et al., 1956). Für jedes gegebene Konzept behalten sie die Regel so lange bei, wie sie Instanzen und Nicht-Instanzen des Konzepts korrekt identifiziert, und sie modifizieren sie, wenn dies nicht der Fall ist. Lernende erwerben Konzepte besser, wenn ihnen positive Instanzen oder Beispiele des Konzepts präsentiert werden. Das Lernen geht viel langsamer mit negativen (Nicht-)Instanzen. Wenn man versucht, die dem Konzept zugrunde liegende Regel zu bestätigen, ziehen es die Leute vor, positive anstelle von negativen Instanzen zu erhalten.

Seit dieser frühen Arbeit sind andere Ansichten über das Wesen der Konzepte entstanden. Die Merkmalsanalysetheorie leitet sich von der Arbeit von Bruner und anderen ab und postuliert, dass Konzepte Regeln beinhalten, die die kritischen Merkmale oder die intrinsischen (notwendigen) Attribute des Konzepts definieren (Gagné, 1985; Smith & Medin, 1981). Durch Erfahrungen mit dem Konzept formuliert man eine Regel, die die Bedingungen erfüllt, und behält die Regel so lange bei, wie sie effektiv funktioniert.

Diese Ansicht sagt voraus, dass verschiedene Instanzen eines Konzepts gleich schnell erkannt werden sollten, da jede Instanz anhand kritischer Merkmale beurteilt wird; dies ist jedoch nicht immer der Fall. Die meisten Menschen finden es schwieriger, einige Instanzen einer Kategorie (z. B. ein Delfin ist ein Säugetier) zu überprüfen als andere (z. B. ein Hund ist ein Säugetier). Dies unterstreicht das Problem, dass viele Konzepte nicht präzise anhand einer Reihe kritischer Attribute definiert werden können.

Eine zweite Perspektive ist die Prototypentheorie (Rosch, 1973, 1975, 1978). Ein Prototyp ist ein verallgemeinertes Bild des Konzepts, das nur einige der definierenden Attribute des Konzepts enthalten kann. Wenn man mit einer Instanz konfrontiert wird, ruft man den wahrscheinlichsten Prototyp aus dem LZG ab und vergleicht ihn mit der Instanz, um festzustellen, ob sie übereinstimmen. Prototypen können einige nicht definierende (optionale) Attribute enthalten. In der kognitiven Psychologie werden Prototypen oft als Schemata (Andre, 1986) oder organisierte Formen für das Wissen betrachtet, das wir über ein bestimmtes Konzept haben.

Die Forschung unterstützt die Vorhersage der Prototypentheorie, dass Instanzen, die näher am Prototyp liegen (z. B. Prototyp = „Vogel“; Instanzen = „Rotkehlchen“, „Spatz“), schneller erkannt werden als weniger typische (z. B. „Eule“, „Strauß“; Rosch, 1973). Ein Problem ist, dass die Prototypentheorie impliziert, dass Menschen Tausende von Prototypen im LZG speichern würden, was viel mehr Speicherplatz verbrauchen würde als Regeln. Ein zweites Problem ist, dass Lernende leicht falsche Prototypen bilden könnten, wenn sie einige nicht definierende Merkmale und nicht alle notwendigen Merkmale einbeziehen dürfen.

Es ist möglich, die Merkmalsanalyse- und Prototypenpositionen zu kombinieren. Angesichts der Tatsache, dass Prototypen kritische Merkmale enthalten, könnten wir Prototypen verwenden, um Instanzen von Konzepten zu klassifizieren, die ziemlich typisch sind (Andre, 1986). Für Instanzen, die mehrdeutig sind, können wir die kritische Merkmalsanalyse verwenden, die die Liste der kritischen Merkmale ändern könnte, um die neuen Merkmale zu integrieren.

Das Verständnis von Konzepten bei Kindern ändert sich mit der Entwicklung und Erfahrung. Kinder, die sich im Übergang über die Bedeutung eines Konzepts befinden, können gleichzeitig eine frühere Hypothese im Auge behalten, während sie eine überarbeitete entwickeln (Goldin-Meadow, Alibali & Church, 1993). Diese Interpretation stimmt mit Klausmeiers Position überein, die im Folgenden erörtert wird.

Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass es mehrere Möglichkeiten gibt, Konzepte zu erlernen und zu modifizieren (Chinn & Samarapungavan, 2009). Eine Möglichkeit zur Entwicklung von Prototypen besteht darin, einem typischen Beispiel des Konzepts ausgesetzt zu werden, das die klassischen Attribute widerspiegelt (Klausmeier, 1992). Eine zweite Möglichkeit besteht darin, Merkmale aus zwei oder mehr Beispielen zu abstrahieren; für Vögel könnten die Merkmale „Federn“, „zwei Beine“, „Schnabel“ und „Fliegen“ sein, obwohl nicht jedes Merkmal auf jedes Mitglied der Klasse zutrifft. Prototypen werden verfeinert und erweitert, wenn man neuen Beispielen des Konzepts ausgesetzt wird; so “lebt im Dschungel“ (Papagei) und „lebt am Ozean“ (Möwe).

Gagnés (1985) Theorie beinhaltet Konzepte als eine zentrale Form des Lernens. Lernende müssen zunächst grundlegende Voraussetzungen erfüllen, um zwischen Reizmerkmalen zu unterscheiden (d. h. relevante von irrelevanten Merkmalen zu unterscheiden).

Nach Gagné (1985) beinhaltet das Konzeptlernen eine mehrstufige Sequenz. Zunächst wird das Reizmerkmal als eine Instanz des Konzepts zusammen mit einer Nicht-Instanz präsentiert. Der Lernende bestätigt die Fähigkeit, die Unterscheidung zu treffen. In der nächsten (Verallgemeinerungs-)Phase identifiziert der Lernende Instanzen und Nicht-Instanzen. Drittens wird das Reizmerkmal—das zum Konzept werden soll—variiert und zusammen mit Nicht-Instanzen präsentiert. Die Begriffsbildung wird verifiziert, indem nach der Identifizierung mehrerer Instanzen der Klasse unter Verwendung von Reizen gefragt wird, die zuvor nicht beim Lernen verwendet wurden. Während des gesamten Prozesses werden korrekte Antworten verstärkt, und durch die Präsentation mehrerer Instanzen des Konzepts in enger Verbindung erfolgt kontiguierliches Lernen.

Klausmeier (1990, 1992) entwickelte und testete ein Modell der Begriffsbildung. Dieses Modell postuliert eine vierstufige Sequenz: konkret, Identität, klassifikatorisch und formal. Die Kompetenz auf jeder Ebene ist für die Erreichung auf der nächsten Ebene notwendig. Der Prozess der Begriffsbildung stellt eine Interaktion von Entwicklung, informeller Erfahrung und formaler Bildung dar.

Auf der konkreten Ebene können Lernende einen Gegenstand als denselben erkennen, dem sie zuvor begegnet sind, wenn der Kontext oder die räumliche Ausrichtung, in der er ursprünglich begegnet wurde, gleich bleibt. Diese Ebene erfordert, dass die Lernenden dem Gegenstand Aufmerksamkeit schenken, ihn anhand eines oder mehrerer definierender Attribute als von seiner Umgebung verschieden unterscheiden, ihn als visuelles Bild im LTM darstellen und ihn aus dem LTM abrufen, um ihn mit einem neuen Bild zu vergleichen und festzustellen, dass es sich um denselben Gegenstand handelt. So könnte ein Lernender lernen, ein gleichseitiges Dreieck zu erkennen und es von einem rechtwinkligen oder gleichschenkligen Dreieck zu unterscheiden.

Die Identitätsebene ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Gegenstand als derselbe erkannt wird, dem man zuvor begegnet ist, wenn der Gegenstand aus einer anderen Perspektive oder in einer anderen Modalität beobachtet wird. Diese Stufe beinhaltet die gleichen Prozesse wie auf der konkreten Ebene sowie den Prozess der Verallgemeinerung. So kann der Lernende gleichseitige Dreiecke in verschiedenen Ausrichtungen oder Positionen auf einer Seite erkennen.

Die klassifikatorische Ebene erfordert, dass Lernende mindestens zwei Elemente als gleichwertig erkennen. Zusätzliche Verallgemeinerung ist erforderlich; im Fall von gleichseitigen Dreiecken beinhaltet dies die Erkennung eines kleineren und größeren gleichseitigen Dreiecks als gleichwertig. Der Prozess setzt sich fort, bis der Lernende Beispiele und Nicht-Beispiele erkennen kann; auf dieser Stufe versteht der Lernende jedoch möglicherweise nicht die Grundlage für die Klassifizierung (z. B. Gleichheit der Seitenlänge und der Winkel). Die Fähigkeit, das Konzept zu benennen, ist auf dieser Ebene nicht notwendig, aber wie in den vorhergehenden Stufen kann sie den Konzepterwerb erleichtern.

Schließlich erfordert die formale Ebene, dass der Lernende Beispiele und Nicht-Beispiele des Konzepts identifiziert, das Konzept und seine definierenden Attribute benennt, eine Definition des Konzepts gibt und die Attribute spezifiziert, die das Konzept von anderen eng verwandten unterscheiden (d. h. drei gleiche Seiten und Winkel). Die Beherrschung dieser Stufe erfordert, dass der Lernende klassifikatorische kognitive Prozesse und eine Reihe von Denkprozessen höherer Ordnung implementiert, die Hypothesenbildung, Bewertung und Schlussfolgerung beinhalten.

Dieses Stufenmodell hat instruktionale Auswirkungen für Lernende an verschiedenen Punkten der Entwicklung. Der Unterricht kann über mehrere Klassenstufen verteilt werden, in denen Konzepte in regelmäßigen Abständen auf höheren Erreichungsebenen wiederholt werden. Jungen Kindern werden zunächst konkrete Bezugspunkte gegeben und mit der Entwicklung werden sie in der Lage, auf abstrakteren kognitiven Ebenen zu operieren. Zum Beispiel können junge Kinder das Konzept der „Ehrlichkeit“ lernen, indem sie spezifische Beispiele sehen (z. B. nicht stehlen, etwas zurückgeben, das nicht Ihnen gehört); wenn sie älter werden, können sie das Konzept in abstrakteren und komplexeren Begriffen verstehen (z. B. ehrliches Feedback von einem Vorgesetzten über die Leistung eines Arbeitnehmers erkennen; Vorteile der Ehrlichkeit diskutieren).

Tennyson (1980, 1981; Tennyson, Steve, & Boutwell, 1975) entwickelte ebenfalls ein Modell des Konzeptunterrichts, das auf empirischer Forschung basiert. Dieses Modell umfasst die folgenden Schritte (Tennyson & Park, 1980):

• Bestimmen Sie die Struktur des Konzepts, einschließlich übergeordneter, koordinierter und untergeordneter Konzepte, und identifizieren Sie die kritischen und variablen Attribute (z. B. Merkmale, die legitim variieren können, ohne das Konzept zu beeinträchtigen).
• Definieren Sie das Konzept anhand der kritischen Attribute und erstellen Sie mehrere Beispiele mit den kritischen und variablen Attributen.
• Ordnen Sie die Beispiele in Sätzen an, die auf den Attributen basieren, und stellen Sie sicher, dass die Beispiele ähnliche variable Attribute innerhalb eines jeden Satzes aufweisen, der Beispiele aus jedem koordinierten Konzept enthält.
• Ordnen und präsentieren Sie die Sätze in Bezug auf die Divergenz und den Schwierigkeitsgrad der Beispiele und ordnen Sie die Beispiele innerhalb eines jeden Satzes entsprechend dem aktuellen Wissen des Lernenden an.

Die meisten Konzepte können in einer Hierarchie mit übergeordneten (höheren) und untergeordneten (niedrigeren) Konzepten dargestellt werden. Für ein gegebenes Konzept können ähnliche Konzepte ungefähr auf der gleichen Ebene in der Hierarchie liegen; diese werden als koordinierte Konzepte bezeichnet. Zum Beispiel hat das Konzept “Hauskatze” “Katzenfamilie” und “Säugetier” als übergeordnete Konzepte, die verschiedenen Rassen (Kurzhaar, Siam) als untergeordnete Konzepte und andere Mitglieder der Katzenfamilie (Löwe, Jaguar) als koordinierte Konzepte. Das Konzept hat kritische Attribute (z. B. Pfoten, Zähne) und variable Attribute (z. B. Haarlänge, Augenfarbe). Ein Satz umfasst Beispiele und Nicht-Beispiele (z. B. Hund, Eichhörnchen) des Konzepts.

Obwohl das Konzept mit seinen kritischen Attributen definiert werden sollte, bevor Beispiele und Nicht-Beispiele gegeben werden, stellt die Präsentation einer Definition nicht sicher, dass die Schüler das Konzept lernen werden. Beispiele sollten sich in variablen Attributen stark unterscheiden, und Nicht-Beispiele sollten sich von Beispielen in einer kleinen Anzahl kritischer Attribute gleichzeitig unterscheiden. Diese Art der Präsentation verhindert, dass Schüler übergeneralisieren (Nicht-Beispiele als Beispiele klassifizieren) und untergeneralisieren (Beispiele als Nicht-Beispiele klassifizieren).

Das Aufzeigen von Beziehungen zwischen Beispielen ist ein effektiver Weg, um die Verallgemeinerung zu fördern. Ein Mittel ist die Verwendung von Konzept- (Wissens-) Karten oder Diagrammen, die Ideen als Knoten-Verbindungs-Anordnungen darstellen (Nesbit & Adescope, 2006). O’Donnell et al. (2002) zeigten, dass das Lernen durch Wissenskarten erleichtert wird, in denen Ideen miteinander verbunden sind. Nesbit und Adescope stellten fest, dass Konzeptkarten die Wissensbehaltung der Schüler verbesserten.

Die optimale Anzahl der zu präsentierenden Beispiele hängt von solchen Konzeptmerkmalen wie der Anzahl der Attribute und dem Grad der Abstraktheit des Konzepts ab. Abstrakte Konzepte haben in der Regel weniger greifbare Beispiele als konkrete Konzepte, und Beispiele für erstere können für Lernende schwer zu erfassen sein. Konzeptlernen hängt auch von Lernerattributen wie Alter und Vorwissen ab (Tennyson & Park, 1980). Ältere Schüler lernen besser als jüngere, und Schüler mit mehr relevantem Wissen schneiden besser ab als solche, denen dieses Wissen fehlt.

Beim Unterrichten von Konzepten ist es hilfreich, Beispiele zu präsentieren, die sich in optionalen Attributen unterscheiden, aber relevante Attribute gemeinsam haben, so dass letztere zusammen mit den irrelevanten Dimensionen klar herausgestellt werden können. Beim Unterrichten des Konzepts “Rechtwinkliges Dreieck” ist beispielsweise die Größe irrelevant, ebenso wie die Richtung, in die es zeigt. Man könnte rechtwinklige Dreiecke unterschiedlicher Größe präsentieren, die in verschiedene Richtungen zeigen. Die Verwendung von durchgearbeiteten Beispielen ist eine effektive kognitive Unterrichtsstrategie (Atkinson et al., 2000).

Die Schüler müssen nicht nur lernen, rechtwinklige Dreiecke zu verallgemeinern, sondern sie müssen auch lernen, sie von anderen Dreiecken zu unterscheiden. Um die Konzeptdiskriminierung zu fördern, sollten Lehrer negative Instanzen präsentieren, die sich deutlich von positiven Instanzen unterscheiden. Wenn sich die Fähigkeiten der Schüler entwickeln, können sie lernen, feinere Unterscheidungen zu treffen. Die in Tabelle 'Schritte zur Verallgemeinerung und Diskriminierung von Konzepten' gezeigten Vorschläge sind hilfreich, um Schülern beizubringen, Konzepte zu verallgemeinern und zwischen ihnen zu unterscheiden.

Dieses Modell erfordert eine sorgfältige Analyse der taxonomischen Struktur eines Konzepts. Die Struktur ist für viele Konzepte gut spezifiziert (z. B. das Tierreich), aber für viele andere – insbesondere abstrakte Konzepte – sind die Verbindungen zu Konzepten höherer und niedrigerer Ordnung sowie zu koordinierten Konzepten problematisch.

In einem grundlegenden Artikel argumentierten Pintrich, Marx und Boyle (1993), dass konzeptueller Wandel auch Motivationsprozesse (z. B. Ziele, Erwartungen, Bedürfnisse) beinhaltet, die Informationsverarbeitungsmodelle tendenziell vernachlässigen. Diese Autoren argumentierten, dass vier Bedingungen für das Zustandekommen eines konzeptuellen Wandels notwendig sind. Erstens ist eine Unzufriedenheit mit den eigenen aktuellen Vorstellungen erforderlich; ein Wandel ist unwahrscheinlich, wenn Menschen das Gefühl haben, dass ihre Vorstellungen zutreffend oder nützlich sind. Zweitens muss die neue Vorstellung verständlich sein–Menschen müssen eine Vorstellung verstehen, um sie zu übernehmen. Drittens muss die neue Vorstellung plausibel sein–Lernende müssen verstehen, wie sie zu anderen Verständnissen passt und wie sie angewendet werden könnte. Schließlich müssen sie die neue Vorstellung als fruchtbar wahrnehmen–in der Lage sein, Phänomene zu erklären und neue Bereiche der Untersuchung oder Anwendung vorzuschlagen.

Motivationsprozesse spielen an mehreren Stellen in diesem Modell eine Rolle. So zeigt die Forschung beispielsweise, dass die Ziele der Schüler ihre Aufmerksamkeit und Anstrengung lenken und ihre Selbstwirksamkeit positiv mit Motivation, dem Einsatz effektiver Aufgabenstrategien und dem Erwerb von Fähigkeiten zusammenhängt (Schunk, 1995). Darüber hinaus zeigen Schüler, die glauben, dass Lernen nützlich ist und dass Aufgabenstrategien effektiv sind, eine höhere Motivation und Lernbereitschaft (Borkowski, 1985; Pressley et al., 1990; Schunk & Rice, 1993). Es hat sich gezeigt, dass Ziele, Selbstwirksamkeit und Selbsteinschätzungen der Kompetenz das Lernen und die Selbstregulation in Bereichen wie Leseverständnis, Schreiben, Mathematik und Entscheidungsfindung fördern (Pajares, 1996; Schunk & Pajares, 2009; Schunk & Swartz, 1993a; Wood & Bandura, 1989; Zimmerman & Bandura, 1994). Wir sehen in dem Eingangsszenario, dass die Verlagerung hin zu mehr Problemlösung tatsächlich die Motivation einiger Schüler für das Lernen verbessert hat.

Kurz gesagt, die Literatur legt nahe, dass konzeptueller Wandel eine Interaktion zwischen den Kognitionen und motivationalen Überzeugungen der Schüler beinhaltet (Pintrich et al., 1993), was Auswirkungen auf den Unterricht hat. Anstatt einfach nur Wissen zu vermitteln, müssen die Lehrer die bereits vorhandenen Ideen der Schüler bei der Unterrichtsplanung berücksichtigen und sicherstellen, dass der Unterricht die Motivation zum Lernen einschließt.

Diese Ideen sind in hohem Maße auf die Naturwissenschaften anwendbar. Viele Naturwissenschaftspädagogen glauben, dass Wissen von den Lernenden aufgebaut und nicht einfach nur vermittelt wird (Driver et al., 1994; Linn & Eylon, 2006). Ein interessantes Thema ist, wie Schüler wissenschaftliche Fehlvorstellungen und vereinfachende wissenschaftliche Modelle entwickeln (Windschitl & Thompson, 2006). Eine wichtige Aufgabe ist es, den Schülern zu helfen, Fehlvorstellungen zu hinterfragen und zu korrigieren (Sandoval, 1995). Erfahrungen, die kognitive Konflikte erzeugen, können hilfreich sein (Mayer, 1999; Sandoval, 1995; Williams & Tolmie, 2000). Dies könnte beinhalten, dass sich die Schüler an praktischen Aktivitäten beteiligen und mit anderen (z. B. in Diskussionen) zusammenarbeiten, um ihre Erfahrungen durch gezieltes Fragen zu interpretieren (z. B. “Warum denkst du das?” “Wie hast du das herausgefunden?”). Dieser Ansatz passt gut zu der Vygotsky'schen Betonung sozialer Einflüsse auf die Wissenskonstruktion.

Nussbaum und Novick (1982) schlugen ein dreistufiges Modell zur Veränderung der Überzeugungen von Schülern vor:

• Enthüllen und verstehen Sie die Vorstellungen der Schüler.
• Erzeugen Sie einen konzeptuellen Konflikt mit diesen Vorstellungen.
• Erleichtern Sie die Entwicklung neuer oder überarbeiteter Schemata über die betrachteten Phänomene.

Die Rolle der Motivation ist entscheidend. Obwohl die Naturwissenschaften viele Themen haben, die interessant sein sollten, ist das Studium der Naturwissenschaften für viele Schüler von geringem Interesse. Das Lernen profitiert von praktischem Unterricht und der Verknüpfung mit Aspekten des Lebens der Schüler. So kann Bewegung mit dem Weg von Fußbällen, Elektrizität mit DVD-Playern und Ökologie mit kommunalen Recyclingprogrammen in Verbindung gebracht werden. Die Steigerung des Interesses an Themen kann auch die Qualität des Lernens der Schüler verbessern (Sandoval, 1995). So hilft die Verwendung von Illustrationen und Diagrammen den Schülern, wissenschaftliche Konzepte zu verstehen (Carlson, Chandler & Sweller, 2003; Hannus & Hyönä, 1999), obwohl einige Schüler möglicherweise lernen müssen, wie man Illustrationen als Teil des Textlernens studiert.