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Effectiveness of Explicit and Constructivist Mathematics Instruction for Low-Achieving Students in the Netherlands

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Effectiveness of Explicit and Constructivist Mathematics Instruction for Low-Achieving Students in the Netherlands

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Forgetting isn't the problem – not learning in the first place is (innerdrive.co.uk)

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A common misconception in education is that the biggest obstacle to academic success is forgetting information. While students (and their teachers) may find it frustrating to forget something they thought they had learned, it's actually a natural part of the learning process.

One of the biggest challenges lies in ensuring that students learn in the first place.

Why do we forget?

In 1885, German psychologist, Hermann Ebbinghaus discovered one of the longest and most enduring findings in cognitive psychology: the "Spacing Effect", or the notion that humans tend to forget large amounts of information if they only learn something once.

But why does this happen to learners? Because forgetting allows the brain to sort important from trivial information, which is an integral part of the learning process. Indeed, a comprehensive literature review found that the ability to retrieve and generate relevant information is made possible by inhibiting, and thus forgetting, unwanted information.

Luckily, learners can control the information that their brain retains or discards through Spacing. When a student periodically reviews and retrieves that information, it reinforces their learning, so that it is consolidated into their long-term memory. At the same time, information that their do not recall will fade from the learner's memory.

Learning is the priority

Now that we know that forgetting is a key part of learning, our priority should be to boost learning rather than retention in order to maximise students' academic achievements. In other words, we must accept that covering a piece of information in the classroom isn't a guarantee that students will actually learn it. This means that we need to find ways to minimise one of the greatest barriers to student learning: cognitive overload.

What is Cognitive Load Theory?
Cognitive Load Theory highlights how working memory has a limited capacity. Therefore, if students are presented with too many things at once, the brain suffers from something known as overload. This can slow down or even stop learning, because the brain can no longer process all the information being presented.

A famous psychological experiment confirmed the working memory's limited capacity, showing that when participants were presented with a series of numbers one at a time on a screen, they could only accurately recall a sequence of 7 +/- 2 items. More recent research suggests that this number may be even lower.

What are the consequences of cognitive overload?
There are multiple ways cognitive overload can hinder learning. Here are the most notable examples:

When a student's working memory becomes clogged up by excess information, they may The Redundancy Effect - remember the irrelevant information and forget what they actually need to know. This means that the filtering process that happens when we forget becomes prone to error, ultimately inhibiting learning (and retention).

Experiencing cognitive overload can be frustrating and demotivating for students. This can lead to decreased motivation to engage in learning activities.

Decreased self-efficacy - Research has shown a strong link between high cognitive load and low academic self-efficacy. This is because a heavy cognitive load overwhelms students, making them feel incapable of effectively managing their academic workload. This in turn can have a detrimental effect on their self-efficacy.

How can you help your students overcome cognitive overload?

As you can see, it is crucial that your teaching approach is curated to reduce cognitive overload so that students' learning can be facilitated. The following strategies can help you achieve this...

It is important for students to receive all the necessary information for them to understand a certain concept or idea. However, this does not mean that it has to be all presented at once, as this is the easiest way for students to experience cognitive overload.

When teaching a new topic, try to present the most important information first and then slowly introduce supplementary content. This ensures that students understand certain concepts before introducing others, allowing them to connect ideas better. Providing a learning structure further enables students to build on previously learned knowledge so that new concepts can be learned faster.

When a task takes too long to complete, students may feel overwhelmed and unsure of where to start or how to tackle the task. This may result in cognitive overload, slowing down the learning process.

If a task is going to take a long time, it can be very helpful to break it down into shorter deadlines. Setting smaller goals is a great way to ensure that students have a clearer direction and don't feel overwhelmed.

As a bonus, setting frequent but small deadlines has been found to help students manage their time and energy over the course of the academic year, as well as improve overall grades.

When students receive information alternatively from two or more sources, it can place a burden on working memory as focus is spread too thinly. This can subsequently lead to cognitive overload.

To avoid this, you can combine your formats, for example by using integrated diagrams that present both text and images in one place. This allows your students to focus all their attention on one thing, leading to better information intake. Research suggests that when the text is directly within a diagram, students aren't forced to split their attention between multiple sources.

Final thoughts

There is nothing to forget if nothing is learned. We must therefore prioritise student learning in the first place. In order for our students to learn effectively, we need to prevent them from experiencing cognitive overload. Implementing the strategies discussed above will help you achieve this and may even expand students' retention capacity.

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Forgetting isn't the problem - not learning in the first place is

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A common misconception in education is that the biggest obstacle to academic success is forgetting information. While students (and their teachers) may find it frustrating to forget something they thought they had learned, it's actually a natural part of the learning process. One of the biggest challenges lies in ensuring that students learn in the first place.

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Dieses Padlet wird unter der Creative Commons-Lizenz „Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International (CC BY-SA 4.0)“ veröffentlicht. https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de

Als Autor sollte Hardy Seifert genannt werden.

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Weniger ist mehr: Vier von vielen Wegen, um Cognitive Load zu reduzieren - Lehrblick - ZHW Uni Regensburg

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Hoher cognitive load kann das Lernen mühsam machen. Unzählige Studien untersuchten, wodurch cognitive load verursacht wird und wie er minimiert werden kann. Dabei zeigt sich: Weniger ist hier häufig mehr.

Cognitive load entsteht im Wesentlichen dadurch, dass das Arbeitsgedächtnis beim Verarbeiten neuer Informationen überlastet wird. Mögliche Ursachen dafür sind einerseits die Komplexität des Lerngegenstands (intrinsic load), andererseits eine ungünstige Gestaltung der Lernumgebung (extraneous load). Sweller, van Merriënboer & Paas (2019) beschreiben zahlreiche Effekte, die dazu beitragen, cognitive load von Lernenden zu erhöhen. Vier davon, die für den Hochschulalltag besonders relevant scheinen, stellt dieser Beitrag vor.

Zuviel des Guten | Der Kohärenz-Effekt

Präsentationsmedien wie z.B. Powerpoint sind aus dem Lehralltag kaum wegzudenken. Sie ermöglichen es Lehrenden, mit wenigen Klicks Text, Bild, Videos und Animationen zu einer Präsentation zusammenzustellen. Häufig landen dabei interessante, aber vollkommen irrelevante Informationen in den Präsentationen. Diese Elemente sehen zwar schön aus, lenken aber die Aufmerksamkeit der Lernenden auf Unwesentliches. Auch Logos, Datum, Foliennummern oder Ihr Name auf den Folien (s. Abbildung 1) werden von Studierenden bewusst oder unbewusst wahrgenommen und binden damit kognitive Kapazitäten. Dies erhöht die kognitive Belastung und erschwert es, die relevanten Informationen zu identifizieren, wesentliche Informationen zu integrieren und sie in einen sinnvollen Zusammenhang zu bringen.

Dieser Kohärenz-Effekt (Fiorella & Mayer, 2021) ist insbesondere im Zusammenhang mit Untersuchungen zur Wirksamkeit multimedialer Lernumgebungen gut belegt. Eine Meta-Analyse von Sundararajan & Adesope (2020) zeigt, dass der Lernerfolg deutlich gesteigert werden kann, wenn bei Lernmaterialien ablenkende Elemente entfernt werden. Es lohnt sich daher, bei den eigenen Folien nochmals zu prüfen, ob diese nicht mit irrelevanten Elementen überfrachtet sind. Ausführliche Hinweise für eine kohärente Gestaltung von Präsentationsfolien finden Sie im Beitrag zum Thema "5 typische Fehler bei der Foliengestaltung (und wie Sie diese vermeiden)".

Der Kohärenz-Effekt greift auch, wenn während eines Lehrvortrags Folien zu einem Thema sichtbar sind, Lehrende aber zeitgleich, z.B. in einem Exkurs, ein anderes Thema erklären. Die visuellen Informationen der Folien machen in diesem Fall keinen Sinn. Im Gegenteil: Dadurch, dass Studierende ihre Aufmerksamkeit zwischen verschiedenen auditiven und visuellen Informationen teilen, wird die kognitive Belastung unnötig erhöht. Ein Druck auf die "B"-Taste (für black) oder "W"-Taste (für white) blendet die Präsentationsfolien kurzfristig aus und erleichtert Ihren Studierenden ein aufmerksames Zuhören.

Doppelt gemoppelt | Der Redundanzeffekt

Nicht nur ablenkende Details, auch die Präsentation identischer Informationen in verschiedenen Formaten kann die kognitive Belastung der Lernenden erhöhen und zu schlechterer Lernleistung führen. Sweller, van Merriënboer & Paas (2019) sprechen hier vom Redundanz-Effekt. Er tritt dann auf, wenn Studierende gleichzeitig mit verschiedenen Informationsquellen arbeiten, die in sich geschlossen sind und auch ohne Bezug zueinander verstanden werden können. Studierende investieren dabei vollkommen unnötig kognitive Anstrengung in die mentale Integration verschiedener Informationsquellen. Ein Beispiel für den Redundanz-Effekt ist eine PowerPoint-Präsentation, bei der ein:e Sprecher:in während der Präsentation wörtlich den Text abliest, der auf der Folie angezeigt wird.

Geringe Abweichungen, etwa das weitgehend freie Wiedergeben eines visuell präsentierten Textes, lösen die Redundanz auf und führen zu deutlich besserem Lernerfolg (Fiorella & Mayer, 2021). Interessant ist dabei, dass in verschiedenen Studien Studierende die redundante Präsentation bevorzugten und dabei ihren eigenen Lerneffekt deutlich überschätzen. Ähnlich wie bei der Frage zur Bereitstellung von Folien im Vorfeld von Veranstaltungen decken sich subjektive Vorlieben nicht immer mit empirischen Evidenzen.

Der Weg ist das Ziel | Goal-free Effekt

Nicht nur durch einen didaktisch angepassten Vortrag, auch durch die Art der Aufgabenstellung kann cognitive load verringert werden. Übungsaufgaben werden üblicherweise als Problemstellung mit verschiedenen Parametern und einer spezifischen Zielstellung formuliert. Ein einfaches Beispiel aus dem Schulunterricht zeigt, was damit gemeint ist (Paas & Kirschner, 2012):

Ein Auto beschleunigt aus dem Stand gleichmäßig für 1 Minute. Seine Endgeschwindigkeit beträgt 2 km/min. Wie weit ist es in dieser Zeit gefahren?

Für Noviz:innen, die Probleme rückwärtsgerichtet lösen, verursacht die Lösung dieser geschlossenen Problemstellung hohen cognitive load. Sie müssen aufgrund fehlender Schemata gleichzeitig alle vorgegebenen Parameter, die Zielstellung und mögliche Lösungswege im Kopf behalten. Anders sieht es aus, wenn Lernende mit unspezifischen Problemstellungen (goal-free problems) arbeiten. Im obigen Beispiel wäre das:

Ein Auto beschleunigt aus dem Stand gleichmäßig für 1 Minute. Seine Endgeschwindigkeit beträgt 2 km/min. Mit der unspezifischen Zielstellung: Berechnen Sie so viele Werte wie möglich.

Die Zielstellung ist hier unspezifisch. Studierende werden lediglich aufgefordert, so viele Werte wie möglich zu berechnen. Dabei können sie sich auf die verschiedenen Parameter und deren Zusammenhänge konzentrieren, ohne ein spezielles Ziel mitzudenken. Dies ermöglicht ihnen ein vorwärtsgerichtetes Problemlösen, das deutlich weniger cognitive load verursacht.Dass unspezifische Übungsaufgaben auch im universitären Kontext das Lernen bei Studienanfänger:innen verbessern können, zeigt z.B. eine Studie von Trumpower, Goldsmith und Guynn (2004):
Studierenden in einem einführenden Kurs zum Thema Statistik wurden Übungsaufgaben mit oder ohne spezifischer Zielsetzung gestellt. Bei einer Vergleichsgruppe mit Studierenden in einem Fortgeschrittenenkurs wurde das Versuchsdesign wiederholt.
Bei den Anfänger:innen erwarben die Studierenden, die mit unspezifischen Aufgaben gelernt hatten, mehr Wissen und konnten dieses besser auf unbekannte (spezifische) Aufgaben transferieren als die Kontrollgruppe. Für Studierende mit fortgeschrittenen Kenntnissen hingegen brachte die unspezifische Aufgabenstellung keine Lernvorteile.

Alles ist relativ | Der Expertise-Reversal Effekt

Es klingt zunächst kontraintuitiv - ist aber empirisch gut belegt: Auch zu viel didaktische Unterstützung kann sich negativ auf den Lerneffekt auswirken. Didaktische Hilfen dienen in der Regel dazu, fehlende kognitive Schemata zu ersetzen und den Aufbau geeigneter Schemata zu unterstützen. Anleitungen und Hilfestellungen, die für Noviz:innen ausgesprochen hilfreich sein können, sind für Expert:innen teilweise nutzlos oder sogar kontraproduktiv. Der oben beschriebene Goal-free Effekt z.B. unterstützt nur Studienanfänger:innen, nicht aber fortgeschrittene Studierende. Kalyuga & Sweller (2018) beschreiben dies als Expertise Reversal Effect und nennen einige Beispiele:

Studierende mit geringen Kenntnissen profitieren z.B. durch das Lernen mit Lösungsbeispielen. Mit zunehmender Expertise kehrt sich dieser Effekt um, und weniger geleitete Lernformen wie problembasiertes Lernen erzielen höhere Effekte.

Hinweise zur Anwendung kognitiver oder metakognitiver Lernstrategien sind für Studienanfänger wichtig und unterstützen das Lernen. Fortgeschrittene Studierende aber erzielen bessere Lerneffekte ohne diese Hinweise.

Noviz:innen fällt das Lernen leichter, wenn komplexe Informationen zunächst als einzelne, isolierte Elemente vermittelt werden. Expert:innen hingegen würden versuchen, diese Einzelinformationen mit vorhandenen Schemata abzugleichen, was den cognitive load unnötig erhöht.

Es gibt - wie so oft in der Didaktik - keine Lösung, die für alle Probleme und jede Zielgruppe passt. In der Lehrpraxis verlangt es viel Fingerspitzengefühl, so viel Anleitung wie nötig zu geben und gleichzeitig so wenig unnötige Informationen wie möglich zu präsentieren.

Oftmals sind es kleine Änderungen, die den cognitive load von Studierenden verringern und damit das Lernen erleichtern. Welche Erfahrungen haben Sie gesammelt? Mit welchen Umstellungen haben Sie gute Lerneffekte erzielt? Teilen Sie gerne Ihre Erfahrungen auf Twitter, LinkedIn oder über die Kommentarfunktion.

Literatur

Fiorella, L., & Mayer, R. (2021). Principles for Reducing Extraneous Processing in Multimedia Learning: Coherence, Signaling, Redundancy, Spatial Contiguity, and Temporal Contiguity Principles. In R. Mayer & L. Fiorella (Eds.), The Cambridge Handbook of Multimedia Learning (Cambridge Handbooks in Psychology, pp. 185-198). Cambridge: Cambridge University Press. doi:10.1017/9781108894333.019

Kalyuga, S. & Sweller, J. (2018). Cognitive Load and Expertise Reversal. In K.A. Ericsson, R.R. Hoffman, A. Kozbelt, A. & A.M. Williams, (Eds), The Cambridge Handbook of Expertise and Expert Performance (pp. 793 - 811). Cambridge University Press.

Paas, F., Kirschner, F. (2012). Goal-Free Effect. In: Seel, N.M. (Ed.), Encyclopedia of the Sciences of Learning. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-1428-6_299

Sundararajan, N. & Adesope, O. (2020). Keep it Coherent: A Meta-Analysis of the Seductive Details Effect. Educational Psychology Review 32, 707-734. https://doi.org/10.1007/s10648-020-09522-4

Sweller, J., van Merriënboer, J.J.G. & Paas, F. (2019). Cognitive Architecture and Instructional Design: 20 Years Later. Educational Psychology Review 31, 261-292. https://doi.org/10.1007/s10648-019-09465-5

Trumpower, D.L., Goldsmith, T.E. & Guynn, M.J. (2004). Goal specificity and knowledge acquisition in statistics problem solving: Evidence for attentional focus. Memory & Cognition 32, 1379-1388. https://doi.org/10.3758/BF03206328

Vorschlag zur Zitation des Blogbeitrags: Hawelka, B. (2023, 6. April). Weniger ist mehr: Vier von vielen Wegen, um Cognitive Load zu reduzieren. Lehrblick - ZHW Uni Regensburg. https://doi.org/10.5283/zhw/20230406.DE

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Weniger ist mehr: Vier von vielen Wegen, um Cognitive Load zu reduzieren - Lehrblick - ZHW Uni Regensburg

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Hoher cognitive load kann das Lernen mühsam machen. Unzählige Studien untersuchten, wodurch cognitive load verursacht wird und wie er minimiert werden kann. Dabei zeigt sich: Weniger ist hier häufig mehr. Cognitive load entsteht im Wesentlichen dadurch, dass das Arbeitsgedächtnis beim Verarbeiten neuer Informationen überlastet wird.