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Mandl, H., Gruber, H. & Renkl, A. (1991). Lernen mit dem Computer. Empirisch-pädagogische Forschung in der BRD zwischen 1970 und 1990 (Forschungsbericht Nr. 7). München: Ludwig-Maximilians-Universität, Lehrstuhl für Empirische Pädagogik und Pädagogische Psychologie.



LERNEN MIT DEM COMPUTER
EMPIRISCH-PÄDAGOGISCHE FORSCHUNG IN DER BRD ZWISCHEN 1970 UND 1990

Zusammenfassung

Wir zeigen zunächst bundesdeutsche Trends zwischen 1970 und 1990 bezüglich des Lernens mit dem Computer in den Bereichen Bildungspolitik, Technik und Lerntheorie auf. Anschließend diskutieren wir die empirische Forschung, die wir anhand der Art eingesetzter Lernprogramme - Übungsprogramme, Tutorielle Systeme, Simulationen, Cognitive Tools - untergliedern. Ein Ausblick zeigt Perspektiven für empirisch-pädagogische Forschung zum Lernen mit dem Computer auf verschiedenen Ebenen auf, nämlich Lernerebene, Programmebene, Kontextebene.

Abstract

At first we give an overview of German trends between 1970 and 1990 with regard to learning with computers in the fields of educational policy, technology, and learning theory. Subsequently, we discuss empirical findings which we subdivide according to the kind of learning program employed (drill-and-practice programs, tutorial systems, simulations, cognitive tools). Finally, we outline perspectives for empirical research on learning with computers at three levels, namely learner, program, and context level.
 

Dieses Kapitel hat das Lernen mit dem Computer zum Thema, wobei der Wissens- und Fertigkeitserwerb im Vordergrund steht. Natürlich sind auch soziale Aspekte, z.B. Kommunikation oder Einstellung zum Computer (Altermann-Köster, Holtappels, Kanders, Pfeiffer & de Witt, 1990), motivationale Themen (Lepper & Chabay, 1988; Lepper & Malone, 1987) oder differentielle Fragestellungen, z.B. geschlechtsspezifische Umgangsweisen mit dem Computer (Krahn, 1990; Mandl & Heiland, 1992), wichtige Themen, die wir aus Platzgründen jedoch zugunsten der Darstellung von Lerneffekten im engeren Sinne nur am Rande behandeln können.

Zunächst gehen wir auf bundesdeutsche Trends bezüglich des Lernens mit dem Computer zwischen 1970 und 1990 in den drei Bereichen Bildungspolitik, Technik und Lerntheorie ein. Anschließend diskutieren wir die empirische Forschung in verschiedenen Teilbereichen, die durch die Art der eingesetzten Computerprogramme (Übungsprogramme, Tutorielle Systeme, Simulationen, Cognitive Tools) definiert werden. Ein Ausblick soll Perspektiven empirisch-pädagogischer Forschung zum Lernen mit dem Computer aufzeigen. Dabei kann es in diesem Kapitel aber nur darum gehen, die wichtigsten Linien aufzuzeigen. Eine vollständige Übersicht über die Gesamtheit aller empirisch-pädagogischen Untersuchungen zum Lernen mit dem Computer ist im Rahmen dieses Kapitels nicht intendiert.

Die Forschung der Empirischen Pädagogik zum Lernen mit dem Computer in der Bundesrepublik Deutschland wies in den 70er Jahren gegenläufige Züge verglichen mit den 80er Jahren auf. Wir versuchen, die Entwicklung in drei differenten Bereichen als jeweils parallel nachzuzeichnen, nämlich in der Bildungspolitik, in der technischen computerbezogenen Entwicklung sowie in den Lerntheorien.


1. Trends in der Bildungspolitik

Gegen Ende der 60er Jahre war in der Bundesrepublik Deutschland eine optimistische Einstellung zu bildungspolitischen Fragen vorherrschend. Angestrebte bildungspolitische Ziele waren Verwirklichung einer hinreichenden Durchlässigkeit der Bildungswege, Chancengleichheit für alle Schüler, individuelle Ausrichtung des Unterrichts und demzufolge Begabtenförderung entsprechend den Neigungen und Eignungen. Weitere bildungspolitisch relevante Kennzeichen der späten 60er und der 70er Jahre waren gesteigertes öffentliches Interesse an wissenschaftlich kontrollierter Curriculumsrevision, der Versuch, einem sich angesichts eines Geburtenberges abzeichnenden Lehrermangel entgegenzuwirken, sowie Bedarf an der Entwicklung neuer Methoden der Wissensvermittlung.

Von Ansätzen wie Programmiertem Unterricht oder Kybernetischer Pädagogik (Englert, Frank, Schiefele & Stachowiak, 1966) wurde ein bedeutender Beitrag zur Einlösung dieser bildungspolitischen Vorgaben erwartet (Seidel & Lipsmeier, 1989). Dem computerunterstützten Unterricht (CUU) wurde dabei großes Gewicht beigemessen. In Verbindung mit einem beachtlichen Optimismus, der den technischen Fortschritt in der Rechnerentwicklung begleitete, wurde die Hoffnung abgeleitet, durch das Medium Computer den Unterricht grundsätzlich verändern und verbessern zu können. Es wurde angenommen, daß der Computer sich in ganz besonderer Weise dazu eignete, Entwicklungen in der Unterrichtstechnologie zu realisieren, die sich in der Spezialform des Programmierten Unterrichts auf die Skinnersche Verhaltensforschung bezog (Skinner, 1954, 1958) und sich daher an den Mechanismen operanten Konditionierens orientierte. Amerikanische Verlautbarungen zum Programmierten Unterricht, in dem eine operationale Definition der Lernziele (vgl. Bloom, Engelhart, Furst, Hill & Krathwohl, 1956) realisiert werden konnte, führten auch in der BRD zur Einrichtung zahlreicher Arbeitsgruppen und Forschungsstellen, die sich mit CUU beschäftigten. Beispiele dafür sind etwa der Arbeitskreis Computer im Unterricht oder die Zentralstelle für Programmierten Unterricht in Augsburg. Als selbständige, überregionale Institutionen entstanden Ende der 60er Jahre im deutschen Sprachraum das Bildungstechnologische Zentrum in Wiesbaden, das Forschungs- und Entwicklungszentrum für objektivierte Lehr- und Lernverfahren in Paderborn sowie die Universität für Bildungswissenschaften in Klagenfurt (vgl. Eyferth et al., 1974; Seidel & Lipsmeier, 1989).

Mitte der 70er Jahre kamen allerdings - auch bedingt durch das Fehlen zwingender empirischer Belege etwa aus der pädagogischen Evaluationsforschung (Lehmann & Lauterbach, 1985) - Zweifel am Gelingen der Umsetzung der Konzepte des CUU auf. Die überzogenen Erwartungen, die an den CUU gestellt worden waren, konnten nur teilweise eingelöst werden, die Annahmen zur Brauchbarkeit des Einsatzes von Computern im Unterricht bestätigten sich nicht im erhofften Maß. Daher flaute das Interesse ab, das die Politik und vor allem die finanzstarke Computerindustrie dem CUU entgegenbrachte. Dies führte letztendlich zur Schließung vieler Institutionen, die sich um die Entwicklung des CUU bemüht hatten (Wedekind, 1981). Der tatsächliche Erfolg der Forschungsprogramme dämpfte die Euphorie in bezug auf Möglichkeiten der Individualisierung des Unterrichts bei gleichzeitigem Einhalten curricularer Vorgaben.

Ein wichtiges Kennzeichen der 80er Jahre war die Herausbildung einer Informationsgesellschaft (Binder, 1989), in der durch die Entwicklung der Massenmedien, das Aufkommen der Informatik und speziell durch die Entstehung und Verfügbarkeit von Kleincomputern bzw. Computernetzen der Umgang mit Elektronik und mit Computern alltäglich wurde. Damit wurde quasi von selbst auch die Idee des Lernens mit dem Computer wieder zu einer naheliegenden Unterrichtsform. Weidenmann und Krapp (1989) merken dazu passend an, daß das Lernen mit dem Computer um das Lernen für den Computer (z.B. Informatik als Unterrichtsfach) ergänzt wurde. Mit steigendem Interesse am Computer ließen auch die prinzipiellen Zweifel an Unterrichtsmethoden nach, die den Rechner nutzten. Dessen Einsatz im Unterricht ist unter den Gesichtspunkten von Erwachsenenbildung, Weiterbildung und lebenslangem Lernen, die in den 80er Jahren wichtig wurden, wegen der Bedeutung des Computers speziell im Berufsleben funktional (vgl. Fricke, 1991).

Der rasante technische Fortschritt in den 80er Jahren ließ auch in der Industrie wachsenden Bedarf an neuen Wegen der Vermittlung entstehen, da die Firmen mit der Notwendigkeit konfrontiert wurden, ihre Mitarbeiter in immer kürzeren Zeitabständen mit technischen Innovationen vertraut zu machen. Der große Weiterbildungsbedarf war mit normalen Lehrkonzepten für die Industrie nicht mehr zu bewältigen, weswegen ein Rückgriff auf computergesteuerte Lernsysteme notwendig wurde. Die Notwendigkeit, flexibel auf den Lerner reagieren und gleichzeitig die umfangreichen, spezifischen Wissensanforderungen der Ausbildung in bestimmten Domänen erfüllen zu können, wurde wiederum erst durch die technische Fortentwicklung der Rechnerelektronik ermöglicht.

Als Konsequenz der geschilderten Entwicklungen in den 80er Jahren wurden an größeren Forschungsinstituten, z.B. am Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften in Kiel, am Deutschen Institut für Fernstudien in Tübingen, am Deutschen Institut für Internationale Pädagogische Forschung in Frankfurt, an der Fernuniversität - Gesamthochschule in Hagen, am Landesinstitut für Schule und Weiterbildung in Soest oder am Hessischen Institut für Bildungsplanung und Schulentwicklung in Wiesbaden Abteilungen bzw. Arbeitskreise gegründet, die den Computer wieder als pädagogisches Medium fokussierten und sich dabei theoretisch auch auf kognitionspsychologische Ansätze stützten.

2. Trends in der Technikentwicklung

Frühe Formen des Lernens mit dem Computer, speziell des CUU, waren wegen der technischen Vorgaben sehr eingeengt: "Als Hardware für CUU kamen (...) nur größere Systeme in Betracht, da die Entwicklung von Kleinrechnern noch nicht so weit fortgeschritten war" (Keil, 1976, S. 2). CUU-Programme wurden fast ausschließlich an Großrechenanlagen realisiert. Die Benutzerschnittstellen waren unkomfortabel, die technische Qualität von Peripheriegeräten (z.B. Monitor) ungenügend, die Software nur für Computerexperten handhabbar. Ein wesentliches Problem stellte vor allem die fehlende Mobilität der CUU-Programme dar, da sie an intransportable Rechner beträchtlichen physischen Umfangs gebunden waren. Der in den 70er Jahren erreichte Stand der Technik erlaubte noch nicht jene Mikroprogrammierung, die später für die Entstehung der Personal Computer-Technologie bedeutsam war. Erst die Entwicklung miniaturisierter (VLSI; very large scale integration) Schaltkreise erlaubte eine Überwindung der Probleme, die geringe Rechnergeschwindigkeit und leistungsschwache Speichermedien aufwarfen (Posthoff & Reinemann, 1987). Die in den 70er Jahren entstandene Auffassung, mit dem Stand der Technologie könnten komplexe pädagogische Probleme nicht adäquat angegangen werden, war durchaus begründet. Kleinrechnergestützte Lernsysteme (Lehnert, 1974), die in den 70er Jahren als exotische Erscheinungen gelten mußten (Freibichler, 1974), konnten nur singuläre Aufgaben übernehmen und mußten ebenso wie Systeme auf unhandlichen Großrechenanlagen zu unbefriedigenden Resultaten führen. Die Trennung von Rechenanlage und Lernplatz führte letztlich auch zu einer Anfälligkeit der Kommunikation zwischen Wissenschaft und Praxis, die sich bildungspolitisch ungünstig auswirkte.

Die in bezug auf das Lernen mit dem Computer wesentliche technische Entwicklung der 80er Jahre war, daß Personal Computer entstanden, die für den Benutzer persönlich verfügbar waren und deren Leistungsstärke dennoch sowohl bezüglich der Geschwindigkeit als auch der Speichermedien die der Großrechenanlagen der 70er Jahre bei weitem übertraf. Damit verbunden war eine höhere Qualität der Peripheriegeräte, so daß z.B. leistungsstarke Graphikdarstellung ermöglicht wurde, die erst die Verknüpfung mit visuellen Medien, also z.B. mit der Videotechnik, zuläßt. Die höhere Geschwindigkeit der Rechner ging einher mit der Programmierung "intelligenter" und in angemessener Zeit nutzbarer Software. Leistungsfähigere Speichermedien erlaubten das Entstehen wissensbasierter Computerprogramme (Expertensysteme; z.B. Hayes-Roth, Waterman & Lenat, 1983; Heyer, Krems & Görz, 1988; Waterman, 1986), die neueren kognitionspsychologischen Theorien Folge leisten konnten. Mit der kognitionspsychologischen Entwicklung eng verknüpft ist die der Künstlichen Intelligenz (KI; z.B. Kiefer, 1988; Krems, 1988; Winston 1977), die zum Entstehen mächtiger Programmiersprachen wie etwa LISP oder PROLOG führte. Für die Instruktionsforschung bedeutsam wurde die Möglichkeit, Domänenwissen in Hypermedien (Jonassen & Mandl, 1990) lernwirksam, z.B. in Hinblick auf Entdeckendes Lernen, aufbereiten zu können.

3. Trends in der Entwicklung von Lerntheorien

Ende der 60er Jahre waren in der Empirischen Pädagogik und in der Psychologie dem Behaviorismus verwandte lerntheoretische Ansätze noch verbreitet. Entsprechend dieser Orientierung waren auch die in den 70er Jahren entstehenden Computerlernprogramme ausgerichtet. Behavioristisch angehauchte CUU-Systeme, die dem Modell des Programmierten Unterrichts (Skinner, 1954) nahestanden, waren bevorzugt. Der Forderung nach individualisiertem Unterricht wurde dadurch Folge geleistet, daß einzelne Lernschritte maximal vereinfacht wurden. Dadurch konnte jeder Schüler den Stoff bewältigen und zugleich ein persönliches Lerntempo einschlagen. Eine wesentliche Funktion des Computers im CUU bestand in der Bereitstellung einer Vielzahl einfacher Lerngelegenheiten im Sinne der Prinzipien drill and practice (Keil, 1976) und error free learning (Markle & Tiemann, 1974). Die konsequenteste pädagogische Aufarbeitung der in der Unterrichtstechnologie angestrebten zweckrationalen Bereitstellung geeigneter Lernbedingungen in Hinblick auf die operanten Lernziele leistete wohl der Ansatz der Kybernetischen Pädagogik (Frank & Meder, 1971).

Die ersten Untersuchungen beschäftigten sich mit Vergleichen der Lernwirksamkeit von CUU und dem sogenannten konventionellen Unterricht, zum Teil in bezug auf Schülergruppen, die bestimmte Merkmale aufwiesen (Issing, 1988). Beispielsweise fanden Bauer, Ohms und Sturzebecher (1976), daß leistungsschwache Schüler von CUU profitieren konnten. Solche Studien resultierten also durchaus in Befunden, die bereits von der behavioristischen Tradition losgelöst waren und in die Richtung der ATI-Forschung (aptitude-treatment interaction; Cronbach & Snow, 1977; Snow & Salomon, 1975) wiesen. Häufig wurde versucht, aus derartigen singulären Vergleichsstudien allgemeingültige Aussagen über die Effektivität einzelner Unterrichtsformen im allgemeinen abzuleiten; die Mehrzahl der Vergleichsuntersuchungen erbrachte jedoch keine signifikanten Unterschiede. Medien-Vergleichs-Untersuchungen der genannten Art sind problematisch und werden heute nur noch selten durchgeführt, weil die Einhaltung experimentell gleicher Versuchsbedingungen, z.B. bezüglich Lehrstoffmenge, Darbietungszeit oder Schwierigkeitsgrad, kaum möglich ist, wenn die zu vergleichenden Medien unter Nutzung ihrer spezifischen Präsentationsmöglichkeiten realisiert werden sollen. Die Aussagekraft von Vergleichsuntersuchungen muß relativiert werden, da durch den Einsatz von Computern im Unterricht selbstverständlich neue Inhalte definiert und neue Zugänge zu bestimmten Inhalten gewonnen werden können. Ein Vergleich ist nur dann sinnvoll, wenn Instrumente verwendet werden, die für die Spezifika beider Unterrichtsformen, des konventionellen wie des computerunterstützten, sensitiv sind.

Es ist daher bevorzugenswert, einzelne Medienvariablen experimentell zu untersuchen mit dem Ziel, optimale Gestaltungs- und Darbietungsformen z.B. für das Lernen mit dem Computer zu entwickeln. Einzelvariablenuntersuchungen befaßten sich bisher schwerpunktmäßig mit der audio-visuellen Gestaltung von Computerprogrammen und mit Variablen lernpsychologisch-didaktischer Art.

Ein wesentliches Kennzeichen des CUU der 70er Jahre aus lerntheoretischer Perspektive ist, daß die Schüler mit dem Computer nur eingeschränkt interagieren konnten, daß nur undifferenzierte Rückmeldung durch den Computer möglich war und daß den Schülern wenig Gelegenheit gegeben wurde, die Inhalte zu elaborieren. Kognitionspsychologische Ansätze waren allenfalls rudimentär vorhanden, wenngleich sich der CUU immerhin soweit vom Behaviorismus entfernte, daß mentale Prozesse als durchaus bedeutsam angesehen wurden. Die Prozesse während des Lernens standen damals allerdings nicht im Interesse der Forschung.

Die Entwicklung der Empirischen Pädagogik in Deutschland in den 80er Jahren ist erheblich geprägt durch den Vollzug der kognitiven Wende. Die im Lerner ablaufenden kognitiven Lernprozesse wurden in das Zentrum des Interesses der Lehr-Lern-Forschung gerückt. Dementsprechend lehnte sich die empirische Forschung an die grundlagentheoretischen Befunde der Gedächtnispsychologie und der Wissenspsychologie (Mandl & Spada, 1988) an. Diese Orientierung der Lehr-Lern-Modelle in den 80er Jahren führte auch in der Pädagogik zu einer Neuinterpretation zentraler Annahmen, die als shift to the knowledge-based paradigm (Feigenbaum, 1989) bezeichnet werden kann. Der Begriff Wissen erlangte außerordentliche Bedeutung, womit für die Pädagogik die Themen Wissenserwerb, Wissensrepräsentation, Wissensabruf und Wissensmodifikation wichtig wurden. Es wurde erkannt, daß das Entstehen von Kompetenzen und Fertigkeiten keineswegs allein über die Förderung genereller kognitiver Fähigkeiten zu erreichen war und daß fach- bzw. domänenbezogenes Wissen eine zentrale Rolle spielte. Dies spannte neue Möglichkeiten für den Einsatz von Computern im Unterricht auf, führte aber auch zu neuen Aufgaben, die die Pädagogik zu bewältigen hatte.

In Orientierung an der Entwicklung der kognitiven Psychologie und der KI wird in Teilbereichen der Empirischen Pädagogik heute das Problem angegangen, über den Einsatz von Computern eine Modellierung der Lernprozesse vorzunehmen. Es wird versucht, komplexe Mentale Modelle (DeKleer & Brown, 1983; Johnson-Laird, 1983; Schnotz, 1988) des Schülers aufbauen und evaluieren zu können. Dazu ist es sinnvoll, den Lerner aktiv lernen zu lassen, ihn konstruktivistisch agieren und so expertennahe Kompetenz gewinnen zu lassen (situated learning; Brown, Collins & Duguid, 1989; Mandl, Prenzel & Gräsel, 1991). Erst dann wird es denkbar, Prozesse des Selbstlernens bzw. des autodidaktischen Lernens (Prenzel, 1990), die bildungspolitisch besonders dringlich sind, computergesteuert zu realisieren. Es sei betont, daß diese Lernformen die konventionellen ergänzen, nicht ersetzen sollen. Eine dringliche Aufgabe der pädagogischen Forschung ist es daher, Möglichkeiten und Grenzen der Einbettung des Lernens mit dem Computer in den herkömmlichen Unterricht zu eruieren (Achtenhagen, 1990; Achtenhagen & Preiß, 1990).

Aus der vergleichenden Gegenüberstellung der 70er und der 80er Jahre in bezug auf die Entwicklung von Möglichkeiten des Einsatzes von Computern im Unterricht lassen sich einige didaktische Funktionen ableiten, die der Computer im Unterricht übernehmen kann (Weidenmann & Krapp, 1989). Neben der traditionellen Vermittlung von Begriffs- und Faktenwissen, die bereits Aufgabe von Lehrmaschinen in den 20er Jahren war (z.B. Pressey, 1926/1965) wird nun auch das Erlernen prozeduraler Fertigkeiten verlangt. Zugleich erlaubt es der Computer, Gedankenexperimente zur Erschließung oder Veranschaulichung komplexer Systeme durchzuführen, die nicht real in den Unterricht einbezogen werden können. In Simulationsprogrammen sollen die Lernenden sogar aktiv in solchen komplexen Systemen agieren, ohne dabei bereits den komplexen Kontext beherrschen zu müssen, in dem solche Systeme in der realen Lebenswelt normalerweise stehen. Damit kommt dem Computer zumindest implizit auch die Funktion der Modellbildung als Unterrichtsinhalt zu.

Betrachtet man die Entwicklung des Lernens mit dem Computer in den 70er und 80er Jahren, bleibt festzuhalten, daß der feststellbare Wandel die Diskussion über dieses Thema auch in den 90er Jahren grundlegend beeinflussen wird. Der möglich gewordene flexible Einsatz von Computern erlaubt eine differenzierte Analyse seiner Funktion im Lernprozeß, die von pädagogisch-theoretischen Annahmen zum Lernen ihren Ausgang nimmt. Eine Unterscheidung verschiedener Formen des Lernens muß daher einer Analyse der Verwendung des Computers beim Lernen vorangehen. Verschiedene Lernformen benötigen unterschiedliche Computerprogramme, deren Verwendungsmöglichkeit demzufolge differenziert betrachtet werden muß. Kanselaar (1992) unterscheidet vier Lernarten: (1) Lernen als Wiederholen und Memorieren; (2) Lernen als interaktiver und konstruktiver Prozeß; (3) Lernen als explorativer und entdeckender Prozeß; (4) Lernen als Rekonstruktionsprozeß. Auf diese Einteilung abgestimmt können vier Typen von Computerprogrammen unterschieden werden, die zu jeweils einer der Lernformen kongruent sind (siehe Abbildung 1). Im weiteren Verlauf dieses Kapitels werden wir die vier Arten des Lernens mit dem Computer separat darstellen.

 Lernform                                Computerprogrammtyp                         
Lernen als Wiederholen und Memorieren   Übungsprogramm                               
Lernen als interaktiver und             Tutorielles Programm                         
konstruktiver Prozeß                                                                 
Lernen als explorativer und             Simulationsprogramm                          
entdeckender Prozeß
Lernen als Rekonstruktionsprozeß Cognitive Tool

Abb. 1

Verschiedene Lernformen und dazu kongruente

Computerprogrammtypen.

4. Empirisch-pädagogische Forschung in der BRD

Im folgenden gehen wir differenziert auf den Beitrag der Empirischen Pädagogik in der BRD zum Lernen mit dem Computer in vier unterschiedlichen Bereichen ein, die sich aus einer Analyse möglicher Lernprozesse ergeben und in vier unterschiedlichen Typen von Computerprogrammen ihren Niederschlag fanden: In Übungsprogrammen, in Tutoriellen Programmen, in Simulationsprogrammen und in Cognitive Tools. Zu den ersten drei Programmarten gibt es bereits eine Vielzahl von Beispielen, der vierte Typ stellt eine neuere Entwicklung dar. Wir geben eine kurze Darstellung der Prinzipien der jeweiligen Programmtypen, nennen ihre wichtigsten Funktionen im Unterricht und stellen jeweils ein spezifisches Programm näher dar. Neben der Entwicklung und dem Einsatz der Programme blieb häufig zu einer wissenschaftlich fundierten Evaluation nur wenig Zeit (Lehmann & Lauterbach, 1985). Daher gibt es zu wenige empirische Studien zu diesem Thema. Selbstverständlich ist es aber nicht notwendig, daß in der BRD jegliche Forschungsbefunde repliziert werden, die z.B. in den USA bereits gewonnen wurden. Sofern gesicherte Erkenntnisse vorliegen, kann sich die deutsche Forschung natürlich auf die dort gewonnenen Resultate beziehen.

4.1 Übungsprogramme

Computerunterstützte Übungsprogramme sollen den Lernenden bei der Festigung von Wissen und Fertigkeiten unterstützen. Die herkömmliche Struktur dieser Lehrprogramme besteht im wesentlichen aus einer Folge von Übungsaufgaben, die meist nach folgendem Schema abgehandelt werden: (1) Anbieten der Aufgabe; (2) Registrieren der Antwort des Lernenden; (3) Bewerten der Antwort des Lernenden; (4) Übergang zur nächsten Aufgabe.

Bei vielen Programmen erfolgt Rückmeldung lediglich in Form von Falsch- oder Richtig-Angaben. Es gibt aber auch anspruchsvolle Programme, die den Lernenden beim Aufgabenlösen z.B. durch Zusatzinformationen unterstützen oder bei der Auswahl der nächsten Schwierigkeitsstufe den bisherigen Lernfortschritt berücksichtigen. Übungsprogramme sind in der Regel in ein Curriculum eingebettet. Sie setzen voraus, daß der Lernende bereits ein Verständnis des zur Frage stehenden Inhaltsbereichs erworben hat und das zu erlangende Wissen oder die Fertigkeiten in den curricularen Zusammenhang einordnen kann. Übungsprogramme vermitteln nicht nur einfache Formen des Wissens, z.B. Grundrechenarten oder Lesefertigkeiten, sondern dienen auch der Übung komplexer Fertigkeiten, wie z.B. mathematischer Beweistechniken.

Im Rahmen des Modellversuchs Computerunterstützter Unterricht in Biologie wurde in den 70er Jahren an der Universität Freiburg eine Reihe von Übungsprogrammen erprobt (Gottwald, 1975). In dem dabei eingesetzten Programm PFLABE, mit dem Studenten Wissen für das Bestimmen einheimischer Blütenpflanzen erwerben sollten, ergab sich jedoch kein besseres Lernergebnis gegenüber einem Praktikum, in dem das gleiche Wissen in konventioneller Weise vermittelt wurde. Allerdings lag der zeitliche Aufwand für die Absolvierung des Übungsprogramms weit unter dem für das Praktikum. Das Übungsprogramm ZOPRAM (Zoologisches Praktikum) sollte unterschiedliches Eingangswissen von Studenten ausgleichen. Die Ergebnisse zeigten, daß dieses Ziel erreicht wurde, daß sich also Defizite bei Studenten mit niedrigen Eingangsvoraussetzungen beheben ließen. Diese Ergebnisse stellten jedoch eher Beobachtungs- und Erfahrungswerte im Zusammenhang mit dem Einsatz von Übungsprogrammen dar als methodisch abgesicherte Befunde.

Empirisch gut belegt ist, daß sich Übungsprogramme im Bereich der Sonderschule vielfach bewährt haben. So führte Walter (1989) mit lernbehinderten Sonderschülern der sechsten bis neunten Jahrgangsstufe ein Trainingsexperiment zur Übung von Lösungsalgorithmen beim schriftlichen Multiplizieren durch. Er konnte zeigen, daß die mit Computer lernende Experimentalgruppe der Kontrollgruppe, die die gleichen Übungsaufgaben nur mit Papier und Bleistift zu lösen hatte, auch über längere Zeit hinweg überlegen war. Die gewonnenen Ergebnisse bestätigen die Befunde, nach denen computerunterstützter Unterricht mit Lernbehinderten prinzipiell durchführbar ist und darüber hinaus zu substantiellen Leistungsverbesserungen der Schüler führen kann (Walter, 1985, 1987).

Übungsprogramme erwiesen sich auch in einer Vielzahl amerikanischer Evaluationsuntersuchungen als effektiv, insbesondere in Hinblick auf die eingesparte Lernzeit und auf Unterstützung schwächerer Schüler (Frey, 1989; Fricke, 1991). Bezogen auf den Hochschulbereich ist dagegen die Befundlage weniger günstig, weil Übungsprogramme den Lernvoraussetzungen und Lernanforderungen von Studenten häufig nicht genügen (für einem Überblick zum didaktischen Computereinsatz im Hochschulbereich siehe Schulmeister, 1989).

4.2 Tutorielle Programme

Tutorielles Programm ist eine Sammelbezeichnung für komplexe Systeme, die auf Stoffvermittlung und Überprüfung des Lernerfolgs zielen und dabei teilweise Lehrerfunktion übernehmen. Von anderen Programmtypen unterscheiden sie sich vor allem hinsichtlich ihres Dialogcharakters, insofern sie flexibel auf verschiedene Eingaben des Lernenden reagieren. In Hinblick auf die Qualität dieses Dialogs unterscheiden wir herkömmliche Tutorielle Programme von sogenannten Intelligenten Tutoriellen Systemen (ITS), die sich verstärkt auf Ansätze der KI und den Kognitionswissenschaften stützen.

Traditionelle Tutorielle Systeme. Ein Tutorielles Programm herkömmlicher Art ist im allgemeinen nach folgendem Grundmuster aufgebaut. Es bietet dem Lernenden zunächst Information über einen komplexen Sachverhalt dar, stellt anschließend Fragen zu dessen Verständnis und verzweigt dann in andere Programmteile. Hier wird Feedback über die Korrektheit der Antwort gegeben, die Information wird gegebenenfalls wiederholt oder es wird mit weiterer Information fortgefahren (Mandl & Hron, 1989).

Ältere Tutorielle Programme waren auf eine einfach strukturierte und vergleichsweise unflexible Stoffdarbietung festgelegt. Sie boten nur geringe Diagnose- und Rückmeldungsmöglichkeiten. Demgegenüber versuchen neuere Programme, die Lehrstoffdarbietung an das jeweilige Kenntnis- und Fertigkeitsniveau des Lernenden anzupassen; dies geschieht allerdings ohne expliziten Rückgriff auf kognitionspsychologische Methoden wie bei ITS.

Ein Beispiel für ein anspruchsvolles Tutorielles Programm herkömmlicher Art ist KAVIS II (Knowledge Acquisition Video Instruction System; Fischer, Mandl, Frey, Jeuck & Ackermann, 1988). KAVIS II ist ein computerunterstütztes audiovisuelles Instruktionssystem zur Vermittlung von Lehrinhalten aus dem Bereich der Biologie. Es wurde am Deutschen Institut für Fernstudien an der Universität Tübingen auf dem Hintergrund lern- und kognitionspsychologischer Ansätze zum Wissenserwerb entwickelt und enthält einen Wissensvermittlungsteil und einen Vertiefungsteil. In einer Evaluationsstudie (Fischer & Mandl, 1988) konnte gezeigt werden, daß KAVIS II positive Wirkungen auf den Erwerb von Fachwissen und das Verstehen komplexer Sachverhalte hatte. In der Untersuchung mit drei Treatmentgruppen wurden drei unterschiedliche differentielle Rückmeldungsarten miteinander verglichen: Metaoperationale Steuerungsrückmeldung (Hinweise auf den logischen Status begangener Fehler), audiovisuelle Sachrückmeldung (Erklärung des erfragten Stoffes mit zusätzlichen textlich-bildlichen Hinweisen) sowie eine Kombination beider. Die Wirkung dieser Rückmeldungsarten wurde bei Lernenden mit unterschiedlichem Vorwissen analysiert. Insbesonders Lernende mit geringen Vorkenntnissen wurden durch audiovisuelle Sachrückmeldungen gefördert. Lernende mit höherem Vorwissen konnten formale und inhaltliche Steuerungsinformationen besonders effizient nutzen. Subjektive Lernerfahrungen und affektiv-motivationale Reaktionen auf Rückmeldung konnten positiv beeinflußt werden, so daß anstelle versagensorientierter Meidung Lernkontrolle und Rückmeldung als sachlich-instrumentelle Hilfe zur Lernregulation erkannt und benutzt wurde.

Anspruchsvolle Lehrstoffe lassen sich mit dem Computer und angeschlossenen Präsentationsmedien wie Videorecorder oder Bildplatte erfolgreich vermitteln (vgl. Fricke, 1991). Lernende können mit Tutoriellen Programmen in einem begrenzten Lerngebiet selbständig arbeiten. Die vorliegenden Erfahrungen lassen erwarten, daß Lernsysteme der genannten Art bei relativ klar strukturierten Lehrstoffen in Zukunft - insbesondere im Erwachsenenbereich - erfolgversprechend eingesetzt werden können (Mandl & Hron, 1989).

Eine besondere Variante computerunterstützter Lernumgebungen wurde von Papert (1982; 1987) in Zusammenhang mit dem Erlernen der Programmiersprache LOGO entwickelt. Sein Ansatz zielt darauf ab, Kindern mathematische und physikalische Sachverhalte auf der Grundlage des Entdeckenden Lernens verständlich zu machen. Nach seiner Auffassung ist diese Lernform zentral für den Wissenserwerb von Kindern. Typisch für den Papertschen Ansatz sind Problemstellungen, bei denen Kinder durch gezielte Verwendung von LOGO-Befehlen geometrische Figuren oder Muster konstruieren. Papert geht dabei von positiven Auswirkungen auf allgemeine Denk- und Problemlösefähigkeiten aus. Evaluationsstudien über die von Papert vorgeschlagenen computerbasierten Lernumgebungen zeigen aber, daß sich Wissenstransfer nicht ohne weiteres einstellt (Dalbey & Linn, 1985). Die dem Papertschen Ansatz zugrundeliegende LOGO-Philosophie wurde auch in der BRD einer kritischen Würdigung unterzogen (z.B. Bender, 1987; Löthe, 1987; Schupper, 1987).

Intelligente Tutorielle Systeme (ITS).
Dieser Programmtyp stellt hinsichtlich der verwendeten Methoden und zugrundeliegenden Theorien aus kognitiver Psychologie und KI eine bemerkenswerte Entwicklung im Bereich computerunterstützten Lernens dar (Mandl & Lesgold, 1988; Sleeman & Brown, 1982; Wenger, 1987). Obwohl es problematisch ist, für die Kennzeichnung dieser Programme den Intelligenzbegriff zu verwenden, hat es sich eingebürgert, von einem intelligenten computerunterstützten Lehrprogramm zu sprechen, wenn es ein Modell der kognitiven Prozesse des Lernenden aufbaut, fortlaufend ausdifferenziert und auf dieser Grundlage die Instruktion steuert. Systeme dieses Typs sollen eine individualisierte Unterweisung auf der Grundlage des jeweils erreichten Wissens- und Fertigkeitsstands des Lernenden realisieren.

Während in den USA schon zu Beginn der 80er Jahre eine Reihe von ITS entwickelt worden waren (z.B. SOPHIE: Brown, Burton & DeKleer, 1982; GUIDON: Clancey, 1983), begann die Auseinandersetzung mit ITS in der BRD erst ab 1985 mit Beginn des DFG-Schwerpunktprogramms Wissenspsychologie (Mandl & Spada, 1989). Im Rahmen mehrerer Projekte wurden Lernumgebungen entwickelt, deren inhaltliche Schwerpunkte in den Bereichen physikalisches Wissen, Programmierwissen und elementare Wahrscheinlichkeitstheorie lagen (Lukas & Albert, 1989; Mandl, Hron, Bollwahn, Oestermeier & Tergan, in Druck; Möbus, 1990; Plötzner, Spada, Stumpf & Opwis, in Druck; Reimann, 1990; Weber, 1988; Weber, Waloszek & Wender, 1987).

Als ein Beispiel für ein ITS sei die Mikrowelt REFRACT (Reimann, 1990) genannt. Mikrowelten stehen für eine bestimmte Philosophie im Bereich von ITS, insofern sie dem Lernenden eine weitgehend selbstgesteuerte explorative Erfahrungsbildung ermöglichen. In offen gestalteten Lernumgebungen können die Möglichkeiten in einem Gegenstandsbereich durch vielfältige Manipulationen erforscht werden, wobei die Schüler ihre Ziele selbst wählen können (Entdeckendes Lernen). Das System REFRACT ist eine Mikrowelt für optische Berechnungen an einer Oberfläche (Snell's Gesetz). Es wurde von Reimann (1990) mit dem Ziel entwickelt, Schülern eine explorative Lernumgebung zur Verfügung zu stellen, in der sie idealisierte Phänomene auf aktive, selbstgesteuerte Weise explorieren können. Parallel zum Lernen über den Gegenstandsbereich hat der Benutzer die Möglichkeit, grundlegende Fertigkeiten zu üben wie etwa das Entwerfen von Experimenten, das Analysieren von Daten und das Formulieren und Testen von Hypothesen. Das System wurde bisher hauptsächlich zu Forschungszwecken eingesetzt.

Die Projekte im DFG-Schwerpunktprogramm Wissenspsychologie erbrachten eine Reihe grundlegender Erkenntnisse über Wissensdiagnose und Lernmodellierung. Der Forschungsschwerpunkt lag bei den meisten ITS-Projekten auf diagnostischen und Modellierungsaspekten. Es wurde angestrebt, Problemlöse- und Wissensprozesse von Lernenden in Form computationaler Modelle zu beschreiben und zu simulieren. Den Projekten war insofern ein methodisches Vorgehen gemeinsam, als sie ihren Gegenstandsbereich auf der Grundlage von Aufgabenanalysen strukturierten und empirische Untersuchungen zum jeweiligen Lernverhalten und zu Fehlkonzepten durchführten. Die Ergebnisse dieser Arbeiten dienten jeweils als Grundlage für die Realisierung des Modellierungsverhaltens. Unterschiede zwischen den Projekten bestanden neben den verschiedenen Wissensdomänen in den jeweils zugrundeliegenden kognitionspsychologischen Ansätzen und der damit zusammenhängenden Akzentuierung der jeweils bearbeiteten wissenspsychologischen Thematik.

Die praktische Realisierung intelligenter tutorieller Unterweisung ist jedoch weit weniger fortgeschritten, als die optimistischen Verlautbarungen in diesem Bereich nahelegen. Die meisten der bisher entwickelten Programme sind nicht in der Lage, hinreichend differenzierte Modelle über die kognitive Struktur des Lernenden aufzubauen, die für eine gezielte individuelle Unterweisung in komplexen Domänen notwendig sind. Die Frage, ob die bestehenden Begrenzungen grundsätzlicher Art sind oder lediglich das frühe Stadium der derzeitigen Entwicklungsphase kennzeichnen, ist umstritten. Zum einen ist das Wissen über menschliche Lernprozesse noch unzureichend; zum anderen verbleibt die grundsätzliche Frage, ob die Verstehensprozesse eines menschlichen Tutors überhaupt maschinell nachgebildet werden können. Dies würde nämlich die Entwicklung intelligenter Maschinen voraussetzen, die über die Symbolmanipulation hinausgehend Wissen über die externe Umwelt bzw. einen Lernenden erwerben und mit dem Referenzproblem adäquat umgehen können. Dreyfus und Dreyfus (1986), Searle (1983) und Winograd und Flores (1986) argumentieren, daß dies grundsätzlich nicht möglich ist.

4.3 Simulationsprogramme

In bezug auf die Forschung zu Simluationsprogrammen als Lernmedium muß ebenso wie im Falle der Übungsprogramme und der Tutoriellen Programme festgestellt werden, daß in der deutschsprachigen Forschung neben der Programmentwicklung meist keine Zeit blieb, methodisch befriedigende Evaluationen vorzunehmen (Lehmann & Lauterbach, 1985; Leutner, 1989). Bevor jedoch auf den empirischen Forschungsstand eingegangen wird, soll zunächst erläutert werden, was unter Simulation zu verstehen ist.

Der Begriff Simulation bezieht sich auf unterschiedliche Programmtypen. Dabei steht nur zum Teil das didaktische Ziel der Wissensvermittlung im Vordergrund (Wedekind, 1981). Gerade in Deutschland hat sich sehr stark ein Forschungszweig entwickelt, der Simulationen als Mittel zur Untersuchung komplexen Problemlösens heranzieht (Dörner, Kreuzig, Reither & Stäudel, 1983; Funke, 1985, 1990). Wir konzentrieren uns jedoch auf Computersimulationen als Lernmedium.

Wedekind (1981) charakterisiert Computersimulationen wie folgt: "Unter Simulation ist die zielgerichtete Arbeit mit dem Modell eines Systems zu verstehen, wobei es sich im Falle der Computersimulation immer um ein mathematisches oder formal-logisches Modell handelt, dessen Algorithmus als ein vom Rechner zu verarbeitendes Programm vorliegt" (S. 26).

Unter Modell ist in Anlehnung an Oberquelle (1984) eine zweckgerichtete Beschreibung eines bestimmten Ausschnittes der Realität, z.B. eines Systems, zu verstehen, der wiederum aus einer Anzahl von Elementen sowie aus Relationen zwischen diesen Elementen besteht. Der Schüler kann in der Simulation eines Realsystems die Elemente und Relationen eruieren oder auch kontrollieren. Der fiktive Charakter der Eingriffe erlaubt es dem Lernenden, frei zu experimentieren und Eingriffe, die in Realsituationen gefährlich wären, vorzunehmen, ohne mit ernsthaften Folgen rechnen zu müssen. Dadurch eignen sich Simulationen besonders für den Aufbau Mentaler Modelle, die als Grundlage zur Steuerung von Systemen dienen (Kluwe & Haider, 1990). Mentalen Modellen wird in neueren Ansätzen für den Umgang mit komplexen Problemstellungen besonderes Gewicht beigemessen (Seel, 1986). Weitere bedeutsame didaktische Funktionen von Simulationen sind neben der Vermittlung deklarativen und prozeduralen Wissens die Veranschaulichung des Gegenstandsbereiches sowie die Motivierung und Aktivierung der Schüler (Leutner, 1990).

Es gibt zwei Arten von Computersimulationen, bei denen unterschiedliche didaktische Ziele im Vordergrund stehen: Simulationen als Substitute für Experimente und Planspiele.

Simulationen als Substitute für Experimente. Vielfach kann z.B. im naturwissenschaftlichen Unterricht ein reales Experiment nicht durchgeführt werden, da es zu aufwendig, zu teuer oder zu gefährlich wäre. Hier können Simulationsprogramme Abhilfe schaffen, da dann die Experimente im Computer stattfinden. Oft ist die Rechnersimulation sogar die einzige Möglichkeit, einen experimentellen Effekt vorzuführen, etwa wenn die relevanten Prozesse zu schnell (z.B. Kernreaktion) oder zu langsam (z.B. Planetenumlaufbahnen) ablaufen. Zudem kann der Untersuchungsgegenstand auch zu groß (z.B. Planetensystem) oder zu klein (z.B. Moleküle) sein (Leutner, 1990).

Ein Beispiel für ein Simulationsprogramm aus den 70er Jahren ist MENTEN (Hille & Wedekind, 1977; Wedekind, 1981). Es entstammt dem Bereich der Enzymkinetik, die sich mit der Abhängigkeit chemischer Reaktionsgeschwindigkeiten von der Konzentration beteiligter Reaktanden und von den Außenbedingungen beschäftigt. MENTEN simuliert durch Enzyme geförderte biochemische Reaktionen in Organismen. In der Lernsituation kann der Schüler zunächst Hypothesen über den Einfluß bestimmter Enzymkonzentrationen auf die Geschwindigkeit aufstellen, mit der aus einem Ausgangsstoff ein Endprodukt entsteht. Danach können verschiedene Konzentrationswerte sowohl für den Ausgangsstoff als auch für das Enzym eingegeben werden. Als Ausgabe erhält man sogenannte Konzentrations-Zeit- und Geschwindigkeits-Konzentrations-Diagramme. Diese Daten müssen vom Schüler auf die Hypothesen zurückbezogen werden, die sich daraus ergebenden Konsequenzen sind zu evaluieren. Das Programm erlaubt somit Lernen im Sinne des WEIV-Paradigmas (Spada, Reimann & Häusler, 1983).

In der Bundesrepublik wurden bereits in den 70er Jahren etliche Projekte zum didaktischen Einsatz von Simulationen durchgeführt, so unter anderem der Tübinger Modellversuch Computerunterstützte Simulationen im naturwissenschaftlichen Unterricht (Simon, 1977) oder der Freiburger Modellversuch im Biologieunterricht (Gottwald, 1975). Studien, die vorwiegend positive Resultate des Simulationseinsatzes erbrachten (Simon, 1977), stehen Untersuchungen gegenüber, die keine Überlegenheit dieser Unterrichtsform nachweisen konnten (Treitz, 1984). Die Befundlage ist also durchaus kontrovers (Mandl & Hron, 1985).

Planspiele.
Bei Planspielen nimmt der Schüler zumeist eine bestimmte Rolle ein (z.B. Fabrikleiter, Bürgermeister, Entwicklungshelfer) und versucht, so zu agieren, daß das System (z.B. eine Jeansfabrik, eine Gemeinde, ein Entwicklungsland) einen möglichst zufriedenstellenden Zustand erreicht und daß dieser aufrechterhalten bleibt. Die Auswirkungen von Schülereingriffen werden durch das Programm ermittelt und rückgemeldet.

Computerunterstützte Planspiele lassen sich folgendermaßen charakterisieren (vgl. Leutner, 1990): (1) Es gibt ein Ziel, das es zu erreichen gilt; (2) Regeln legen fest, welche Aktionen in welcher Weise ergriffen werden können und welche Auswirkungen sie haben; (3) es gibt Wettbewerb um das Erreichen des Zieles, sei es mit einem Gegner oder mit dem System selbst; (4) das Erreichen des Zieles ist nicht trivial; (5) es gibt keine realen Konsequenzen.

In die Kategorie der Planspiele sind diejenigen Simulationen einzuordnen, die in der Forschung bislang in erster Linie zum Studium des komplexen Problemlösens eingesetzt wurden, etwa das bekannte LOHHAUSEN (Dörner et al., 1983) oder die SCHNEIDERWERKSTATT (Putz-Osterloh, 1981). Bundesdeutsche Forschungsprojekte zum didaktischen Einsatz von Planspielen werden in größerem Umfang erst seit Ende der 80er Jahre durchgeführt. Wir beschreiben an dieser Stelle exemplarisch ein Planspiel, das unter didaktischen Gesichtspunkten und unter besonderer Berücksichtigung der ökologischen Validität des fachwissenschaftlichen Modells erstellt wurde, die JEANSFABRIK (Preiß, 1990, 1992).

Aufgabe des Schülers in der JEANSFABRIK ist es, die Leitung einer Firma zu übernehmen und den Betrieb über mehrere Planungszyklen (Spielmonate) hinweg zu leiten. Ziel ist dabei, den Gewinn des Betriebes zu maximieren. Im einfachsten Fall stehen als Eingriffsmaßnahmen die Veränderung des Angebotspreises und der Produktionsmenge zur Verfügung; bei komplexeren Planungssituationen kann z.B. zusätzlich Werbung betrieben oder die Produktionskapazität erweitert werden. Hat der Schüler seine Entscheidungen getroffen, wird eine Marktsimulation vorgenommen, die über die Auswirkungen der Maßnahmen informiert, so etwa in Hinblick auf die Variablen Marktanteil, Ertrag und Gewinn. Das Planspiel erlaubt es, sowohl eine Monopolsituation als auch einen Markt mit mehreren Anbietern zu simulieren. Zudem ist es möglich, alle Firmen außer der vom Schüler geleiteten mit standardisierten Marktstrategien agieren zu lassen, so daß konstante Versuchs- und Lernbedingungen geschaffen werden können. Das Planspiel JEANSFABRIK wird bereits im Rahmen der kaufmännischen Erstausbildung in Niedersachsen eingesetzt und wurde dort im Rahmen des Projekts Lernen, Denken, Handeln in komplexen ökonomischen Situationen - unter Nutzung neuer Technologien in der kaufmännischen Erstausbildung in den Jahren 1985 bis 1991 evaluiert (Achtenhagen, 1991; Achtenhagen & John, 1992). Allgemeines Ziel des Projekts war es, Vorschläge zur Reform des ersten Ausbildungsjahres für kaufmännische Berufe zu erarbeiten (Achtenhagen, 1991). Ein zentraler Baustein in diesem Ausbildungskonzept ist die JEANSFABRIK. Aus der Vielzahl der in diesem Rahmen entstandenen empirischen Befunde stellen wir einige interessante Ergebnisse vor.

In einer ersten Evaluation (Schuljahr 1989/90) wurde der Planspieleinsatz in vier Experimentalklassen mit Kontrollklassen ohne Planspielunterricht verglichen. Als Instrumente wurden sowohl konventionelle Multiple Choice-Tests als auch komplexe Problemlöseaufgaben eingesetzt. Es zeigte sich keine Überlegenheit der Experimentalklassen, was insofern enttäuschend war, als der unterrichtsmethodische Aufwand beim Planspieleinsatz erheblich höher war als beim konventionellen Unterricht. Aus zusätzlich durchgeführten Unterrichtsbeobachtungen wurde jedoch der Schluß gezogen, daß die Lehrer für den Planspielunterricht mangelnde Expertise besaßen. So wurden z.B. die Ergebnisrückmeldungen des Systems auf die Planspielentscheidungen nicht hinreichend erklärt und kommentiert; zudem wurden die Lernprozesse in Lernerkleingruppen nicht ausreichend überwacht und gesteuert. Auf der Basis der diagnostizierten Defizite entwickelte die Göttinger Gruppe zusammen mit den beteiligten Lehrern entsprechende Eingriffsstrategien für das folgende Schuljahr (1990/91). Danach waren die Experimentalklassen sowohl in bezug auf konventionelle Multiple Choice-Tests als auch hinsichtlich komplexer Problemlöseaufgaben den Kontrollklassen überlegen.

Diese Befunde weisen auf die Bedeutung der Lehrerrolle und der Einbettung von Planspielen in ein didaktisches Gesamtkonzept hin. Es genügt nicht, Lehrern oder Kursleitern computerunterstützte Planspiele zur Verfügung zu stellen; vielmehr sind entsprechende Trainings- oder Weiterbildungsmaßnahmen erforderlich.

Während die Göttinger Gruppe die Evaluation des Planspieleinsatzes in ökologisch validen Settings zum Schwerpunkt hatte, führte Leutner (1989, 1991; Leutner & Schrettenbrunner, 1989) streng kontrollierte experimentelle Studien zur Bestimmung der Effizienz bestimmter Lernhilfen beim Lernen mit Planspielen durch. Exemplarisch seien die Ergebnisse der Untersuchung von Leutner (1989) zusammengefaßt: In einem Handlungstest erwiesen sich detaillierte informationale Lernhilfen als förderlich. Zusätzlich ergab sich jedoch ein ATI-Effekt: Niedrig-ängstliche Schüler profitierten von besonders detaillierten Hinweisen, während für hoch-ängstliche Lerner ein mittlerer Informationsgehalt am günstigsten war. In bezug auf einen Wissentest profitierten die Schüler mit geringen Vorkenntnissen am meisten bei mittlerem Informationsgehalt. Für Schüler mit hohen Vorkenntnissen erwies sich niedriger Informationsgehalt als am förderlichsten. Prüfungsängstliche zeigten lediglich Leistungseinbußen, wenn Hinweise als Rückmeldungen, nicht jedoch, wenn sie als Handlungsanweisungen gegeben wurden.

Leutner (1989) zog aus den Ergebnissen didaktische Schlußfolgerungen: "(1) Nicht alle Schüler lernen gleich gut durch die Teilnahme an einem gegebenen Planspiel. (2) Das Ausmaß an Vorkenntnissen und an Prüfungsangst des einzelnen Schülers sollte berücksichtigt werden, um seinen individuellen Lernerfolg zu optimieren. (3) Die Planspielleitung sollte Schüler mit geringen Vorkenntnissen mit wenig detaillierten Denkanstößen begleiten, Schüler mit hohen Vorkenntnissen hingegen relativ frei agieren lassen. (4) Schüler mit ausgeprägter Prüfungsängstlichkeit sollten während des Planspiels ebenfalls wenig detaillierte Denkanstöße erhalten, die als Handlungsanweisungen vor der Entscheidung, nicht als Leistungsrückmeldung nach der Entscheidung zu geben sind" (S. 356).

Abschließend seien die internationalen, insbesondere amerikanischen, Befunde zu Effekten des Einsatzes von Simulationen zusammengefaßt. Die Lernenden sind in der Regel hoch motiviert und aktiv. Darüber hinaus können Planspiele Einstellungen ändern - wenn auch nicht immer in der beabsichtigten Richtung. Was kognitive Lernziele betrifft, bieten Planspiele die Möglichkeit, Faktenwissen anzuwenden und Fertigkeiten zu erwerben (Tennyson, Thurlow & Breuer, 1987). Allerdings gibt es Hinweise darauf, daß die positiven Effekte von Computersimulationen zum Teil auf einen motivierenden Neuigkeitseffekt zurückzuführen sind (Frey, 1989). Dafür sprechen Befunde, die eine negative Korrelation zwischen Programmdauer und Effektstärke belegen (Dekkers & Donatti, 1981).

4.4 Cognitive Tools

Die bisherigen Programmtypen besaßen instruktionale Funktionen, die meist auch ohne Computer, also etwa durch eine andere Person erfüllt werden könnten: Ein Lehrer kann drill and practice im Unterricht einsetzen, er kann einzelnen Schülern tutorielle Hilfe geben (z.B. im Rahmen der Stillarbeit), und er kann Planspiele auch ohne Rechner durchführen. In diesem Abschnitt wenden wir uns Programmtypen zu, die als Cognitive Tools (die deutsche Bezeichnung kognitive Werkzeuge konnte sich nicht einbürgern) dienen und die menschliche Kapazität vergrößern, erweitern oder fördern (Kozma, 1987). Als Beispiel kann das wohl am weitesten verbreitete Computerwerkzeug genannt werden: Textverarbeitungssyteme. Auch Autorensysteme sind diesem Programmtypus zuzuordnen.

Obwohl computerunterstützte Cognitive Tools keine expliziten instruktionalen Elemente beinhalten, können sie dennoch Lernprozesse in mehrfacher Hinsicht fördern (Kozma, 1987). Beispielsweise führen sie zu einer Erleichterung der Aufgabenanforderungen und damit zu einer Entlastung der Verarbeitungsanforderungen an den Arbeitsspeicher; damit bleibt mehr Kapazität frei für kognitive Prozesse höherer Ordnung wie Problemlösen oder aktiv-konstruktives Lernen. Cognitive Tools strukturieren ferner die Tätigkeit vor; dies kann genutzt werden, um bestimmte lernförderliche Aktivitäten mit erhöhter Wahrscheinlichkeit auftreten zu lassen. Schließlich können sie die Prozesse, die sie ausführen, explizit darbieten; damit ist die Möglichkeit der Internalisierung dieser Prozesse durch den Lernenden gegeben.

Durch die wenig vorstrukturierte Art sind Cognitive Tools insbesondere zum Einsatz im Rahmen konstruktivistischer Lernkonzeptionen geeignet (Collins, Brown & Newman, 1989; Spiro, Feltovich, Coulson & Anderson, 1989; The Cognition and Technology Group at Vanderbilt, 1990), die angesichts der zunehmenden Evidenz für mangelnde Transferierbarkeit von Wissensinhalten, die mittels traditioneller Instruktionsformen erworben werden (Resnick, 1987), in den letzten Jahren vermehrt Aufmerksamkeit erfahren (Mandl et al., 1991).

Im folgenden soll auf zwei Beispiele computerunterstützter Cognitive Tools eingegangen werden, nämlich auf das Modellbildungssystem MODUS und auf BUBBLE DIALOGUE, ein Tool zum Training kommunikativer Kompetenz.

MODUS. Modellbildungssysteme erlauben es dem Lerner, sich eigene Simulationsprogramme zu erstellen, d.h. das der Simulation zugrundeliegende Modell ist nicht mehr vorgegeben, sondern wird erst kreiert. So kann etwa das Verhalten eines Pendels mit den Größen Ort und Geschwindigkeit durch zwei gekoppelte Differentialgleichungen beschrieben werden. In vielen Modellbildungssystemen muß zunächst das korrekte Gleichungssystem eingegeben werden und darüber hinaus der Lösungsalgorithmus. Als Beispiel für ein Programm, das durch einen graphischen Eingabemodus praktikabler ist (graphikorientiertes System) und weniger hohe mathematische Anforderungen stellt, sei MODUS genannt (Walser & Wedekind, 1991).

Bei diesem Programm stehen graphische Symbole für verschiedene Programmelemente zur Verfügung: Zustände, Raten, Konstanten, Funktionen, Teilmodelle und Parameter. Mithilfe der Maus wird die Struktur des Modells als Zeichnung eingegeben; durch die Eingabe von Operatoren werden Elemente miteinander verknüpft. Das zugrundeliegende mathematische Gleichungssystem wird vom Programm selbst erstellt. Nachdem der Lerner die Initialisierungswerte bzw. Systemparameter festgelegt hat, kann die Simulation durchgeführt werden. Als Ausgaben stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung: Zeitverlaufsdiagramme, dreidimensionale Phasendiagramme, dynamische Säulen und Wertetabellen.

Der Einsatz von MODUS wird ab der achten Jahrgangsstufe und für alle Schulformen empfohlen. Als Unterrichtsfächer kommen Mathematik sowie natur-, wirtschafts- und gesellschaftswissenschaftliche Fächer in Frage. Bei der Verwendung in der Schule kann sich der Lehrer demnächst zudem auf Themenhefte stützen, die vom Landesinstitut für Schule und Weiterbildung in Soest vorbereitet werden.

BUBBLE DIALOGUE. Das Tool BUBBLE DIALOGUE (Knuth & Cunningham, 1991; McMahon, O'Neill & Cunningham, 1991) dient dem Ziel, beim Schüler reflexives Denken zu fördern. BUBBLE DIALOGUE ist ein auf der Hypercard-Technik basierendes Programm, das Rollenspiel und die Analyse reflexiver Dialoge kombiniert. Der Anwender spielt die Rollen von auf dem Bildschirm dargebotenen Figuren. Er gestaltet Dialoge sowohl in bezug auf das innere Sprechen dieser Figuren als auch hinsichtlich ihres öffentlichen Sprechens. Durch das Anklicken eines Symbols erscheint für die ausgewählte Figur eine offene Sprech- oder Gedankenblase wie in einem Comic. Der Schüler soll einüben, die Perspektive dieser Figur zu übernehmen, den Unterschied zwischen Denken und öffentlichem Sprechen zu erkennen und den Dialog, also das öffentliche Sprechen, zu sequenzieren. BUBBLE DIALOGUE ist somit gewissermaßen ein Werkzeug, um über das eigene Denken nachzudenken. Es ist nicht intendiert, direkt Informationen oder Kenntnisse zu vermitteln. Indem der Schüler veranlaßt wird, Perspektiven und Rollen von Figuren auf dem Computerbildschirm zu übernehmen, wird ihm gezeigt, daß verschiedene Personen unterschiedliche Sichtweisen einer Situation haben können, die womöglich von seiner eigenen differieren.

In Erweiterung des BUBBLE DIALOGUE wird im Projekt CAIMAN (Computer-Assisted Interactive-multimedial MANager training) an der Universität München damit begonnen, Rollenspielsequenzen als Videosignale in die Lernumgebung am Rechner einzubinden (Mandl, Henninger & Nistor, 1992). Der Benutzer hat die Aufgabe, an festgelegten Punkten der Videoeinspielung Anmerkungen, Alternativäußerungen oder metakommunikative Kommentare in den Computer einzugeben. Die inhaltliche Gestaltung der Videofilme ist zum Teil auf konkrete Trainingsinhalte (z.B. Rollenspiel des Teilnehmers) selbst bezogen, zum Teil aber auch auf vorproduzierte Gesprächssituationen.

5. Ausblick

Es kann nicht bezweifelt werden, daß das Thema Lernen mit dem Computer in der heutigen Empirischen Pädagogik eine zentrale Rolle spielen muß. Trotz durchaus vielfältiger Anstrengungen kann aber der Forschungsstand keineswegs zufriedenstellen; vielmehr ist festzuhalten, daß zu wenige theoriegeleitete empirische Befunde vorliegen. Die meisten Aktivitäten zum Lernen mit dem Computer innerhalb der Empirischen Pädagogik befassen sich mit der Entwicklung und dem Einsatz neuer Lernsysteme, zu wenige jedoch mit deren Evaluation oder gar mit der kognitiven Modellierung der dabei intendierten und initiierten Lernprozesse. Kritisch anzumerken ist zudem, daß sich die Pädagogik stark an der Technikentwicklung orientiert: Pädagogisch wird das erforscht, was technisch bereits realisiert ist. Stattdessen sollten umgekehrt solche Systeme entwickelt werden, die pädagogisch sinnvoll sind. Pädagogische Theoriebildung sollte der Erstellung der Systeme also vorausgehen und sie leiten.

Empirische Untersuchungen zum Lernen mit dem Computer sind zumeist auf die Resultate von Lernprozessen ausgerichtet, also auf die Produkt- und Wirkungsebene. Gerade auf diesem Gebiet weist die in den USA durchgeführte Forschung eine umfangreiche Befundlage vor, die in die deutsche Pädagogik weitgehend übernommen werden kann (vgl. Fricke, 1991). Ein Manko, zugleich aber ein vielversprechender Ansatz besteht bezüglich Prozeßanalysen des Lernens mit dem Computer. Eine geeignete Voraussetzung für deren Untersuchung bieten Simulationsprogramme und Cognitive Tools, die detaillierte Analysen kognitiver Prozesse erlauben. Erst dies gestattet, Befunde aus der kognitiven Psychologie, z.B. zur Wissensrepräsentation, zum Wissenserwerb oder zur Wissensnutzung (Mandl & Spada, 1988), für die Theoriebildung in der Empirischen Pädagogik und für die praktische Anwendung nutzbar zu machen.

Von grundsätzlicher Bedeutung ist es, Computerprogramme aus theoretischer Perspektive pädagogisch zu evaluieren, statt sie lediglich informell zu erproben und dann einzusetzen. Darüber hinaus stellt sich für künftige Forschung die Aufgabe, Analysen auf drei Ebenen, die jeweils unterschiedliche Bedeutung für die Instruktion besitzen, zu leisten, nämlich auf der Lernerebene, der Programmebene und der Kontextebene.

Lernerebene. Um Grundlagenwissen für die effiziente Gestaltung von Lernumgebungen zu erhalten, ist es notwendig, die Lernprozesse, die zum Wissenserwerb führen, detailliert zu analysieren (vgl. Fricke, 1991). Einen theoretischen Rahmen dafür bietet beispielsweise das WEIV-Paradigma (Spada et al., 1983), das Wissenserwerb als Prozeß der Hypothesengenerierung und -evaluation konzipiert. Von besonderem Interesse sind dabei die im Rahmen der Hypothesentestung eingesetzten Strategien (Heuristiken, domänenspezifische Strategien, exekutive Kontrollstrategien) und deren Effizienz in Hinblick auf den Aufbau handlungsleitender Mentaler Modelle über den jeweiligen Gegenstandsbereich (Mandl, Gruber & Renkl, in Druck).

Neben der Analyse des Erwerbs von Kenntnissen sind darüber hinaus die Prozesse der (Re-) Strukturierung und der Verfeinerung (tuning; Anderson, 1982) vorhandenen Wissens zentral, die qualitative Aspekte der Wissensorganisation bestimmen. Diese sind von entscheidender Bedeutung, da sie die Anwendbarkeit von Wissen in verschiedenen Problemsituationen sowie dessen Transferierbarkeit auf andere Problembereiche bestimmen. Daher sind Analysen der Prozesse des Aufbaus und der Veränderung von Wissen im Umgang mit Computerlernprogrammen notwendig. Damit wird Grundlagenwissen für instruktionale Bedingungen geschaffen, die Lernprozesse initiieren, an deren Ende anwendbares Wissen steht. Nach Neber (1991) sind dabei insbesondere die hierarchische Organisation und die Konditionalisierung von Wissen auf relevante Anwendungsbereiche von Belang.

Neben den wissensinternen Determinanten der Transferierbarkeit von Wissen sind auch Faktoren, die außerhalb des domänenspezifischen Wissens liegen, von Bedeutung, etwa metakognitive Kompetenzen (Clark, in Druck; DeCorte, 1989; Salomon & Perkins, 1989). Die Prozesse des Erwerbs metakognitiver Kompetenzen und deren Förderung durch den Einsatz vom Computerprogrammen sind somit ebenfalls von zentraler Bedeutung. Collins und Brown (1988) beispielsweise sehen ein Potential von Computern darin, die Bewußtheit eigener kognitiver Prozesse zu fördern, indem sie die Problemlöseprozesse des Lerners, z.B. die Schritte bei der Lösung einer mathematischen Problemstellung, in abstrahierter Form wiedergeben.

Neben den genannten, eher kognitiven Themenstellungen sollten auf Lernerseite in der künftigen Forschung verstärkt soziale und motivationale Prozesse beim Lernen mit dem Computer beachtet werden (Lepper & Malone, 1987). Gerade der Computer bietet durch die Faszination, die er auf viele ausübt, die Möglichkeit, Lernumgebungen zu schaffen, bei denen der Lernende intrinsisch motiviert oder bei denen gar Flußerleben (Csikszentmihalyi, 1985) ermöglicht wird (Rheinberg, 1985).

Programmebene. Auf der Programmebene sind Analysen zu fordern, die Effekte der Gestaltung und Sequenzierung instruktionaler Elemente evaluieren. Ein fruchtbarer Weg in diesem Bereich könnte die Übertragung der Konzepte situierten Lernens (Collins et al., 1989; Spiro et al., 1989; The Cognition and Technology Group at Vanderbilt, 1990) auf die Programmgestaltung sein, da das Problem der Vermittlung anwendbaren und transferierbaren Wissens zur Zeit sowohl ein wissenschaftlich intensiv diskutiertes als auch ein praktisch bedeutsames Thema darstellt (Resnick, 1987). An dieser Stelle seien exemplarisch einige Anregungen für die Programmgestaltung aus Modellen des situierten Lernens erwähnt.

Der Ansatz der Cognitive Apprenticeship (Collins et al., 1989) gibt Hinweise auf die Sequenzierung von Lernaufgaben. Diese sollten aufsteigende Komplexität aufweisen, so daß mehr und mehr Fertigkeiten und Konzepte erworben und angewandt werden müssen. Eine große Diversität der Aufgabenstellungen hilft, die erworbenen Fertigkeiten und Kenntnisse bei verschiedenen Aufgabentypen anzuwenden und damit in einem weiten Anwendungsbereich nutzbar zu machen. Schließlich ist darauf zu achten, daß Beschränkungen zu Beginn eines Lernprozesses nicht zum Trainieren lokaler Fertigkeiten führt, deren Sinn der Lerner im Gesamtkontext nicht erfaßt. Globale Aufgaben sind in frühen Lernphasen günstiger; sie ermöglichen es, den Zweck der zu erwerbenden Kompetenz einzuordnen. Sind bei den globalen Aufgaben einzelne Anforderungen zu schwierig, können diese vom Lernprogramm übernommen werden.

Im Konzept der Random Access Instruction (Spiro et al., 1989) wird insbesondere die Einnahme multipler Perspektiven betont. Wissen soll zu verschiedenen Zeiten, bei verschiedenen Aufgabentypen, in verschiedenen kontextuellen Einbettungen und unter verschiedenen Zielsetzungen angewandt werden. Damit wird Wissen zum einen multipel kontextuiert und zum anderen abstrahiert (Adams, 1989). Solcherart erworbene Kenntnisse und Fertigkeiten können auch in realen Problemstellungen angewandt werden, die in der Regel komplexer sind als übliche Lernaufgaben.

Im Licht der Ansätze zum situierten Lernen ist die Weiterentwicklung und Evaluation offener computerunterstützter Lernumgebungen besonders interessant, in denen der Lerner eine aktiv-konstruktive Rolle einnehmen kann. Neben Mikrowelten (Papert, 1982) bieten insbesondere Hypercard-Systeme (Jonassen & Mandl, 1990; Spiro, Feltovich, Jacobson & Coulson, 1991) für diesen Zweck geeignete Lernumgebungen.

Kontextebene.
Der Kontext, in dem ein Lernprogramm eingesetzt wird, ist in mehrfacher Weise von Bedeutung. An dieser Stelle seien drei besonders bedeutsame Aspekte aufgegriffen, nämlich die Kombination von Lernprogrammen mit anderen Lernmedien, die Rolle des Lehrenden und die Bedeutung der sozialen Lernform.

Ein Lernprogramm ist in aller Regel nur ein Baustein einer Lehreinheit. Um das volle Potential von Lernprogrammen zu nutzen, muß der Einsatz des Rechners vor- und nachbereitet sowie der richtge Einsatzzeitpunkt ausgewählt werden, d.h. das Lernprogramm ist in ein didaktisches Gesamtkonzept einzubetten. Vielfach werden zusätzlich andere Medien, z.B. schriftliche Unterrichtsmaterialien, Lehrfilme oder Videoeinbindungen in Rechnerprogramme eingesetzt (Medienverbund).

Die Integration von Lernsoftware in das Unterrichtskonzept ist - zumindest zum Teil - Aufgabe des Lehrenden. Vielfach geäußerte Befürchtungen, der Computer könne den Lehrenden überflüssig machen, erwiesen sich bislang als nicht begründet (Weidenmann & Krapp, 1989). Im Gegenteil bleibt dem Lehrer, wenn ihm der Computer bestimmte Aufgabenbereiche wie etwa die Durchführung von Drillphasen abnimmt, mehr Zeit, auf Schüler individuell einzugehen oder andere, eher aufwendige Unterrichtsformen (z.B. problemorientierte Projektphasen) vorzubereiten. Natürlich stellt der Einsatz neuer Unterrichtstechnologien den Lehrer oder Seminarleiter auch vor neue Anforderungen, wenn der Computer effizient genutzt werden soll (Achtenhagen, 1991). Bislang ist jedoch wenig darüber bekannt, welche zusätzlichen Qualifikationen Lehrende benötigen. Sicherlich sollte sich Fortbildung nicht nur auf technische Hardware- und Software-Aspekte beschränken, sondern Lehrenden die didaktischen Funktionen vermitteln, die bestimmte Programme erfüllen bzw. vernachlässigen. Sie müssen wissen, wann sie Lernhilfen geben sollen, die über diejenigen hinausgehen, die im Programm implementiert sind, wie diese Hilfen zu gestalten sind und wie Lehreinheiten mit dem Computer vor- und nachzubereiten sind. Hier liegt erheblicher Forschungsbedarf vor.

Der dritte Kontextaspekt, den wir erwähnen wollen, ist die Sozialform des Lernens mit dem Computer (Brockmann, 1977; Huber, 1985; Karl, 1977; Leutner, 1988). Hinter dem Einsatz von Computern wird häufig ein heimlicher Lehrplan vermutet (Geulen, 1988), der die Sozialisation eines leistungsorientierten Einzelgängers intendiert. Andererseits zeigt sich, daß der Computer soziale Interaktionen nicht nur dadurch fördern kann, daß er als nicht endender Gesprächsstoff dient (Frey, 1989), sondern auch, indem er vielfältige Möglichkeiten zum kooperativen Lernen bietet (Huber, 1985; O'Malley & Scanlon, 1990), etwa bei Planspielen (Fürstenau, 1992; Leutner, 1988; Mandl, Gruber & Renkl, 1992) oder bei Hypercard-Systemen (Blaye & Light, 1991). Die Möglichkeiten kooperativen Lernens mit dem Computer sind vor allem aus zwei Gründen von Bedeutung. Erstens erfordert der Berufsalltag in den Industriestaaten vielfach kooperative Kompetenzen, zweitens kommt in den Ansätzen zum situierten Lernen der Kooperation ein besonderer Stellenwert zu (Collins et al., 1989). Lernt er mit anderen, muß der Lernende seine Gedanken und Standpunkte äußern, um sie den Mitlernern mitzuteilen. Durch dieses Explizieren bzw. Artikulieren wird eine fachliche Auseinandersetzung mit den Mitlernern über potentielle Problemdefinitionen und -lösungen angeregt. Artikulation und Reflektion fördern jedoch nicht nur die Entwicklung differenzierter Standpunkte und Sichtweisen, sondern auch die metakognitive Bewußtheit für eigene kognitive Prozesse.

Die drei genannten Ebenen - Lerner, Programm, Kontext - sind natürlich nicht nur isoliert zu betrachten; von besonderem Interesse ist ihr Zusammenspiel, z.B. die Auswirkungen eines kooperativen Lernkontextes auf Prozesse des Wissenserwerbs (Mandl et al., 1992) oder der Einfluß der Aufgaben- und Rückmeldungsstruktur eines Lernprogrammes auf Möglichkeiten kooperativen Lernens (Blaye & Light, 1991; Huber, 1985; O'Malley & Scanlon, 1990). Insbesondere von Studien, die solchermaßen verschiedene Ebenen einbeziehen und deren gegenseitige Abhängigkeiten analysieren, sind in Zukunft Erkenntnisse zu erwarten, die von unmittelbarer praktischer Relevanz für die Gestaltung computerunterstützter Lernumgebungen sind.

Für künftige Forschungsvorhaben ist zudem zu fordern, daß Befunde und Kompetenzen aus verwandten wissenschaftlichen Teildisziplinen integriert werden, so etwa aus den Bereichen der kognitiven Psychologie, des Instructional Design und der Künstlichen Intelligenz. Dabei ist es auch für die deutsche Forschung besonders vielversprechend, in Zukunft verstärkt auf europäischer Ebene zu kooperieren, wie dies bereits im Rahmen des CERI-Projekts (Centre for Educational Research und Innovation, 1987, 1989) oder des DELTA-Programmes (Commission of the European Communities, 1991) geschieht.



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