P.I.A.N.O. Klavier spielen lernen mit interaktiver Visualisierung

1. Abstract

P.I.A.N.O. ist ein neu entwickeltes System, welches eine alternative Notendarstellung bietet, um Klavieranfängern einen leichteren Einstieg mit gutem Lernerfolg zu ermöglichen. In der gegenwärtigen Studie wurde untersucht, ob Personen das Lernen durch das System P.I.A.N.O. tatsächlich erleichtert wird. Die Probanden (n =57)übten drei verschiedene Stücke mit den Systemen P.I.A.N.O., Synthesia und Finale, wobei sowohl der Lernerfolg als auch der Cognitive Load und die User Experience erhoben wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass das System P.I.A.N.O. einen signifikant besseren Lernerfolg als die beiden anderen Systeme erbrachte und der Intrinsic und Extraneous Cognitive Load geringer, der Germane Cognitive Load höher war als bei den anderen beiden Systemen. Auch hinsichtlich der User Experience schnitt P.I.A.N.O. größtenteils signifikant besser ab. Die Ergebnisse zeigen, dass das System P.I.A.N.O. im Vergleich zu herkömmlichen Systemen sowohl zu einem besseren Lernerfolg führt, als auch von den Probanden attraktiver eingeschätzt wird. Das neu konzipierte System scheint sich somit gut für einen leichten und erfolgreichen Einstieg in das Klavierspielen zu eignen.

2. Einleitung und Theorie

Franz Liszt, Ludwig van Beethoven, Wolfgang Amadeus Mozart, Lang Lang und Ludovico Einaudi haben etwas gemeinsam: Sie waren oder sind allesamt große Pianisten. Seit Jahrhunderten ist das Klavier nicht aus der Welt der Musik wegzudenken und inspiriert auch heute noch moderne Komponisten wie zum Beispiele Adele in ihrem Oskar-Preis gekrönten Song „Skyfall“. Wer einmal Klavier gespielt hat, weißmit wie viel Eifer und Fleißes verbunden ist, dieses Instrument zu erlernen. Es erfordert sehr viel Ausdauer und Disziplin, Stücke immer wieder zuüben und meist ist sich der Lernende den Lernfortschritten gar nicht bewusst, da selten unmittelbares Feedback gegeben wird.

Wäre es nicht fantastisch, wenn man auf spielerische Weise und mit Leichtigkeit Klavierspielen erlernen könnte? Wenn man auch bereits bei geringen Lernerfolgen eine hilfreiche Rückmeldung bekäme und wenn das Erlernen neuer Stücke für den Lernenden mit keinerlei Motivationsschwierigkeiten verbunden wäre?

Mit diesen Ideen im Hinterkopf haben sich Studierende der Medieninformatik an der Universität Ulm an die Entwicklung des Systems P.I.A.N.O. gemacht, welches effektives und einfaches Erlernen des Klavierspielens ermöglichen soll. Im Rahmen des Empirischen Praktikums „Klavier spielen lernen … oder wie helfen neue Medien beim Lernen?“ am Institut für Psychologie und Pädagogik wurde das System von Studierenden der Psychologie mit den beiden, ebenfalls computerbasierten, Programmen Finale und Synthesia verglichen, die auch vereinfachtes Erlernen des Klavierspiels ermöglichen sollen. Bei dem System P.I.A.N.O. wird durch die Projektion auf eine weiße Fläche, an die eine Klaviatur montiert ist, dem Lerner genau angezeigt, welche Taste er in welchem Moment drücken muss. Außerdem wird durch verschiedene Beleuchtungsdauern angegeben, wie lange eine Taste gehalten werden soll, damit der Klavierspieler den Takt des Stückes erlernt. Beobachtet man einen ungeübten Pianisten, so fällt einem schnell auf, dass die Aufmerksamkeit zwischen dem Notenblatt und der Klaviatur oder gegebenenfalls auch den Pedalen wechselt. Durch die genaue Anleitung des Systems P.I.A.N.O. sollen dem Lerner einige Verarbeitungsschritte abgenommen werden und seine Aufmerksamkeit darauf konzentriert werden, im richtigen Moment die richtigen Tasten zu drücken. Auf diese Weise soll das Erlernen des Klavierspielens stark vereinfacht werden.

Im Folgenden sollen einige wesentliche Theorien aus der Forschung der Pädagogischen Psychologie erläutert werden, die für das Verständnis, sowie für die Interpretation und die Diskussion der gewonnenen Daten von eminenter Bedeutung sind.

Zunächst soll die Cognitive-Load-Theorie von Chandler und Sweller aus dem Jahre 1991 in ihren Grundzügen dargestellt werden. Entwickelt wurde die Theorie, um Lehrmaterial optimal an das menschliche Gedächtnis anzupassen und um dafür zu sorgen, dass Informationen möglichst effizient verarbeitet werden können.

Die Kernannahme von Chandler und Sweller (1991) ist, dass während dem Lernen hohe kognitive Anforderungen an das Arbeitsgedächtnis gestellt werden und somit kognitive Ressourcen beansprucht bzw. verbraucht werden. Da das Arbeitsgedächtnis nur eine begrenzte Kapazität aufweist, kann es zu Überlastungen kommen, insbesondere dann, wenn das Lernmaterial nicht adäquat präsentiert wird oder der Inhalt des Lernmaterials komplex ist (Chandler & Sweller, 1991).

Die beiden Forscher beschreiben drei verschiedene Arten der Belastung, die die verfügbaren Ressourcen beanspruchen und die im Folgenden kurz näher dargestellt werden sollen.

Die erste Form der Belastung ist der sogenannte Intrinsic Load, welcher im Wesentlichen die Komplexität des Lernstoffs beschreibt. Wenn der Lerninhalt für den Lerner schwierig ist, so ist der Intrinsic Load hoch, bei geringer Komplexität jedoch ist der Intrinsic Load gering. Die intrinsische Belastung ist auch von dem Vorwissen des Lerners abhängig: Bei einem großen Vorwissen wird auch der Intrinsic Load geringer (Chandler & Sweller, 1991). Das System P.I.A.N.O. nimmt dem Lerner durch die Projektion der einzelnen Noten auf die Klaviatur Verarbeitungsschritte ab und könnte demzufolge einen geringeren Intrinsic Load verursachen als die anderen beiden computerbasierten Lernsysteme. Sweller geht jedoch auch davon aus, dass kein bzw. wenig Verständnis stattfinden kann, wenn keinerlei Verknüpfungen zwischen einzelnen Informationselementen hergestellt werden (Chandler & Sweller, 1991).

Chandler und Sweller (1996) wiesen auf die große Relevanz der sogenannten Elementinteraktivität hin. Darunter versteht man die Anzahl an verschiedenen Elementen, die gleichzeitig im Arbeitsgedächtnis verarbeitet werden muss, um die gegebenen Informationen zu verstehen (Chandler & Sweller, 1996). Material mit einer geringen Elementinteraktivität ist leicht zu erlernen, da es die Anforderungen an das Arbeitsgedächtnis vergleichsweise gering hält. Material mit einer hohen Elementinteraktivität ist hingegen schwerer zu erlernen, da mehr Anforderungen an das Arbeitsgedächtnis gestellt werden. Die Elementinteraktivität hat einen großen Einfluss auf den Intrinsic Load.

Die zweite Form der Belastung des Gedächtnisses wird als Extraneous Load bezeichnet. Diese extrinsische Belastung bezieht sich auf die Art der Darstellung des dargebotenen Lernmaterials. Ist die Darstellung des Lernmaterials für den Lerner zu komplex,überflüssig oder lenkt vom eigentlichen Inhalt ab, so werden Kapazitäten beansprucht, die eigentlich für den Schemaerwerb benötigt werden (Chandler & Sweller, 1991). Eine optimierte Gestaltung des Lernmaterials bzw. der Lernumgebung kann die extrinsische Belastung verringern und somit zu einer besseren Lernleistung beitragen. Im Zusammenhang mit den drei Systemen P.I.A.N.O., Synthesia und Finale muss eruiert werden, ob P.I.A.N.O. ein geeigneteres Darstellungsformat aufweist als die anderen beiden Systeme.

Die letzte Form der Belastung ist der sogenannte Germane Load. Unter dieser lernbezogenen Belastung versteht man den Anteil der kognitiven Belastung, der für den Lernprozess nötig ist (Chandler & Sweller, 1991). Im Wesentlichen bezeichnet er also die Anstrengungen, den Aufwand oder die Motivation des Lernenden, das Lernmaterial zu verstehen. Diese Belastungsart sollte soweit wie möglich gefördert werden, da sie das eigentliche Lernen ermöglicht. Ansprechendes Lernmaterial führt zu einem höheren Germane Load, da der Lerner mehr verstehensförderliche Aktivitäten zeigt (Chandler & Sweller, 1991). Das System P.I.A.N.O. sollte durch eine ansprechendere Benutzeroberfläche und durch eine farbliche Präsentation, sowie durch die Reduktion des Intrinsic und Extraneous Load, den Germane Load erhöhen und so für mehr verstehensförderlichen Aktivitäten beim Lerner sorgen.

Neben der Cognitive Load Theorie stellt auch das Phänomen der geteilten Aufmerksamkeit, welches im Folgenden kurz skizziert werden soll, eine wichtige theoretische Grundlage für unsere Studie dar.

Allgemein bezieht sich der Terminus „Phänomen der geteilten Aufmerksamkeit“ sowohl auf die räumliche Kontiguität, als auch auf den Kontiguitätseffekt, der im Zusammenhang mit dem zeitlichen Aspekt steht, sowie auf die Modalität (Moreno & Mayer, 1999). Dieses Phänomen tritt auf, wenn Lernende ihre Aufmerksamkeit zwischen mehreren Informationsquellen aufteilen müssen (Ayres & Sweller, 2005), zum Beispiel wenn die Informationsquellen räumlich voneinander getrennt sind. Mayer prägte in diesem Zusammenhang das Prinzip der räumlichen Kontiguität (Mayer, 2001). Es sagt im Wesentlichen aus, dass die räumlich integrierte Darstellung von Informationen den Wissenserwerb mehr fördert als eine getrennte Darstellung: Ein erklärender Text, der neben einer Grafik platziert ist, sorgt dafür dass der Lerner ständig zwischen beiden Informationsquellen hin- und herspringen muss, um beides adäquat mental zu integrieren (Ayres & Sweller, 2005). Das Phänomen der geteilten Aufmerksamkeit ist besonders im Zusammenhang mit Lernen in multimedialen Lernumgebungen hervorzuheben. Der ständige Wechsel zwischen disparaten Informationen und das damit einhergehende Erfordernis, die multiplen Informationen mental zu integrieren, sorgen dafür, dass sich die kognitive Belastung erhöht (Ayres & Sweller, 2005). Diese Beobachtung impliziert, dass Lernmaterial möglichst in einem integrierten Format präsentiert werden sollte, so dass der Lerner möglichst wenig zwischen verschiedenen Informationsquellen wechseln muss. Dadurch, dass das Programm P.I.A.N.O. einzelne Verarbeitungsschritte für den Lernerübernimmt und Inhalte in räumlicher Nähe darstellt, sollte der Lerner weniger zwischen verschiedenen Informationsquellen hin- und herwechseln müssen.

Das Phänomen der geteilten Aufmerksamkeit kann nur beobachtet werden, wenn beide Informationsquellen, zwischen denen der Lerner wechseln muss, essentiell für das Verstehen sind (Ayres & Chandler, 2005). Wenn eine der Quellen bereits sämtliche Informationen enthält, entsteht für den Lerner kein Nachteil durch ein getrenntes Darstellungsformat.

Mayer, Steinhoff, Bower und Mars (1995) zeigten, dass der Effekt der geteilten Aufmerksamkeit auch bei nicht-mathematischen Problemen eine große Rolle spielt. Zwei Gruppen von Studierenden erhielten Lernmaterial zu dem Thema Blitzentwicklung. Eine Gruppe erhielt Material, bei dem die Illustrationen direkt beschriftet und anhand eines kurzen Textparagraphs erklärt wurden. Die andere Gruppe erhielt die identischen Informationen in Form von Bildern und Text; jedoch in zwei verschiedenen Lernheften. Die Gruppe, die das integrierte Lernmaterial erhalten hatte, zeigte bei Problemlöseaufgaben eine bessere Leistung als Studierende, die das nicht-integrierte Material erhalten hatten. Dieser Unterschied zwischen den beiden Gruppen konnte jedoch nur festgestellt werden, wenn die Studierenden ein geringes Maßan Vorwissen aufwiesen (Steinhoff, Bower & Mars, 1995). Studenten, die das nicht-integrierte Lernmaterial erhielten, waren gezwungen, die Informationen mental zu integrieren; wobei Studierende mit geringem Vorwissen nicht auf Schemata zurückgreifen konnten, die bei der Reduktion kognitiver Anforderungen hätten helfen können (Ayres & Sweller, 2005). Studierende mit höherem Vorwissen hatten bereits verfügbare Schemata, die die kognitiven Anforderungen durch das Wechseln der Aufmerksamkeit verringerten. Daraus geht hervor, dass das Phänomen der geteilten Aufmerksamkeit vom Vorwissen abhängig ist.

Wie bereits erwähnt können Informationen auch zeitlich voneinander getrennt präsentiert werden und so dafür sorgen, dass der Lerner seine Aufmerksamkeitsressourcen zwischen den verschiedenen Informationsquellen aufteilen muss (Ayres & Sweller, 2005). Die simultane Präsentation von relevanten Informationen sollte das Erfordernis für die mentale Integration und damit die mentale Belastung reduzieren. Mayer zeigte im Jahre 2001, dass Schüler besser lernen, wenn Wörter und Bilder zeitgleich statt sukzessive präsentiert werden. Diese Beobachtung ließer in das Kontiguitätsprinzip bzw. in das Prinzip der simultanen Darstellung einfließen. Er erkannte, dass neben der räumlichen Komponente auch die zeitbezogene Komponente eine bedeutungsträchtige Rolle beim Kontiguitätsprinzip spielt. (Mayer, 2001). Werden visuelle oder auditive Informationen sukzessive präsentiert, so müssen die zuvor aufgenommenen Informationen im Arbeitsgedächtnis verfügbar gehalten werden, was Arbeitsgedächtniskapazität erfordert. Bei dem System P.I.A.N.O. sollte das Prinzip der simultanen Darstellung adäquat umgesetzt sein, da die Tasten immer im selben Moment beleuchtet sind, in dem sie angeschlagen werden sollen.

Weitere Evidenz für das Phänomen der geteilten Aufmerksamkeit kommt aus dem Jahre 1999 von Moreno und Mayer. Die Forscher konnten zeigen, dass Lerner auch in computerbasierten Lernumgebungen im Hinblick auf den Abruf und auf den Transfer bessere Leistungen erzielten, wenn das Lernmaterial ein integriertes Format aufwies (Moreno & Mayer 1999, Mayer & Moreno, 1998). Studierende, die Lernmaterial in Form von Bildern und gesprochenem Text erhielten zeigten noch bessere Leistungen als Studierende, die rein visuelles Lernmaterial erhielten. Dies ist ein Beispiel dafür, dass das Phänomen der geteilten Aufmerksamkeit, wie eingangs erwähnt, auch im Bezug auf die Modalität auftreten kann (Moreno & Mayer 1999, Mayer & Moreno, 1998).

Die Aufmerksamkeit muss also geteilt werden, wenn Informationen in derselben Modalität oder räumlich oder zeitlich voneinander getrennt dargeboten werden (Mayer, 2001, Ayres & Sweller, 2005). Dieses Aufteilen stellt eine immense Anforderung an unser Arbeitsgedächtnis dar.

Chandler und Sweller (1996) zeigten außerdem, dass der Effekt der geteilten Aufmerksamkeit nur dann Auftritt, wenn das Material gleichzeitig auch eine hohe Elementinteraktivität aufweist. Dies bedeutet, dass ein inadäquates instruktionales Format, also ein hoher Extraneous Load, nur dann zu einer Überlastung des Arbeitsgedächtnisses führt, wenn der Lerninhalt relativ komplex ist, sprich auch der Intrinsic Load hoch ist (Ayres & Sweller, 2005). Bei einfachen Lernmaterialien können Lernende das schlechte Darstellungsformat kompensieren. Bei komplexem Material jedoch wird das Arbeitsgedächtnis durch die Kombination aus hoher Elementinteraktivität und aufgrund des Erfordernisses zwischen Informationen zu wechseln zu stark belastet, was in der Folge zu einer geringeren Lernleistung führt (Ayres & Sweller, 2005). Anders gesagt: Durch den hohen Intrinsic Load und den hohen Extraneous Load aufgrund einer inadäquaten Darstellung ist das Arbeitsgedächtnisüberlastet, sodass sozusagen „kein Platz“ mehr für verstehensförderliche Aktivitäten bzw. den Germane Loadübrig ist. Bei der multimedialen Lernumgebung P.I.A.N.O. sollte durch einen reduzierten Extraneous Load und einen geringeren Intrinsic Load aufgrund geringerer Elementinteraktivität der Germane Load höher sein als bei den anderen getesteten Lernsystemen.

Es lässt sich festhalten, dass es sich bei dem Effekt der geteilten Aufmerksamkeit um ein robustes Phänomen handelt, welches viele Implikationen für die Gestaltung von Lernumgebungen beinhaltet (Ayres & Sweller). Dabei gilt es zu berücksichtigen, dass die Gestaltung von Lernmaterial immer von den Lernereigenschaften abhängt (Ayres & Sweller, 2005). Material, das durch ein nicht-integriertes Format und hohe Elementinteraktivität ungünstig für Lerner mit geringem Vorwissen ist, kann für Lerner mit hohem Vorwissen wiederum günstig sein und vice versa (Ayres & Sweller, 2005).

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