Die Cognitive Load Theory (CLT) postuliert, dass das Lernen neuer, komplexer Informationen mit einer Belastung des Arbeitsgedächtnisses des Lernenden einhergeht. Nachdem die Theorie erstmals 1988 von John Sweller postuliert wurde, arbeitete eine kleine Gruppe von Forschern an Universitäten in Australien und den Niederlanden an ihrer Weiterentwicklung. Sie entwickelte sich schnell zu einer der populärsten Theorien in der pädagogischen Psychologie und im Instruktionsdesign. Die CLT basiert auf Erkenntnissen der Kognitionspsychologie und geht davon aus, dass das Arbeitsgedächtnis nur eine begrenzte Anzahl von Informationselementen simultan verarbeiten kann, wodurch die Fähigkeit, neue Informationen zu verarbeiten, stark eingeschränkt ist. Auf der Grundlage der CLT wurden eine Reihe von Empfehlungen und Prinzipien abgeleitet, die den Lernenden helfen sollen, ihre verfügbaren kognitiven Ressourcen optimal für das Lernen zu nutzen, um Informationen in Form von Schemata in das Langzeitgedächtnis zu übertragen. Ziel ist es, eine Überlastung des Arbeitsgedächtnisses (d.h. eine kognitive Überlastung) zu vermeiden, da diese das Lernen behindern. Nach der Theorie sind drei Arten von kognitiver Belastung während des Lernens relevant. Während der Intrinsic Cognitive Load (ICL) die Komplexität der zu lernenden Informationen unter Berücksichtigung des Vorwissens des Lernenden beschreibt, wird der Extraneous Cognitive Load (ECL) durch die Gestaltung des Lernmaterials bestimmt, welcher sich negativ auf den Lernerfolg auswirken kann. Während ICL und ECL konzeptionell klar definiert sind, wird die Definition der dritten Belastungsart, des Germane Cognitive Load (GCL), innerhalb der CLT kontrovers diskutiert. In diesem Zusammenhang ist unklar, ob der GCL eine eigenständige Quelle kognitiver Belastung darstellt oder ob er sich lediglich auf die kognitiven Ressourcen bezieht, die der Lernende mental aufwendet, um Schemata aufzubauen. Daraus hat sich in den letzten Jahren eine Debatte darüber entwickelt, ob der GCL überhaupt ein Teil der CLT ist und ob es ausreicht, die kognitive Belastung während des Lernens mit dem ICL und dem ECL zu beschreiben. Auch die Annahme, dass die drei Arten unabhängig voneinander additiv zur Gesamtbelastung beitragen, wurde häufig in Frage gestellt. Neben den offenen theoretischen Fragen innerhalb der CLT stellt die Messung der verschiedenen Belastungsarten die größte Herausforderung für die Forschung dar. Latente Konstrukte wie die kognitive Belastung können nur indirekt gemessen werden, wodurch es umso wichtiger ist, die Reliabilität und Validität entsprechender Messungen zu überprüfen. Von besonderer Bedeutung ist dabei die multidimensionale Messung (d.h. die separate Messung der einzelnen Arten der kognitiven Belastung) sowie der optimale Zeitpunkt der Messung (d.h. während oder nach dem Lernen). Ziel dieser Dissertation ist es daher, die Chancen und Herausforderungen der Messung kognitiver Belastung zu diskutieren. Da die kognitive Belastung in der Praxis häufig mit Fragebögen gemessen wird, wird diese Erhebungsmethode in der vorliegenden Dissertation vorrangig betrachtet. So wurde in einer Metaanalyse überprüft, inwieweit die zu diesem Zeitpunkt verfügbaren Fragebögen in der Lage sind, die verschiedenen Arten kognitiver Belastung reliabel und valide zu messen. Dazu wurden experimentelle Studien aus dem Bereich des multimedialen Lernens herangezogen, in denen die CLT eine ganz wesentliche Rolle spielt. Darüber hinaus wurde aufgrund konzeptueller und psychometrischer Inkonsistenzen der verfügbaren Fragebögen ein neuer Fragebogen entwickelt und validiert, der vor allem den Lernenden helfen soll, besser zwischen den verschiedenen Arten der kognitiven Belastung zu unterscheiden. In einer experimentellen Studie wurde zudem untersucht, wie sich unterschiedliche Komplexitätsgrade innerhalb eines Lernmaterials auf die Gesamtbewertung der kognitiven Belastung durch den Lernenden auswirken. Damit verbunden war die Frage, ob sich Lernende einen Ankerpunkt (z.B. den ersten Eindruck) suchen, von dem aus sie das gesamte Lernmaterial hinsichtlich der kognitiven Belastung bewerten. Insgesamt zeigte sich, dass das Konstrukt der kognitiven Belastung mit hoher interner Konsistenz gemessen werden kann, wobei sich Einschränkungen hinsichtlich der Validität ergaben. So deuten die Korrelationen zwischen den einzelnen Arten der kognitiven Belastung darauf hin, dass die Lernenden nicht ausreichend zwischen ihnen differenzieren können. Dies gilt auch dann, wenn die Items im Fragebogen so formuliert sind, dass die Lernenden erkennen sollten, welche Art von kognitiver Belastung sie beurteilen sollen. Darüber hinaus spiegeln sich die theoretischen Annahmen der CLT nicht immer in den Messergebnissen wider. Es ist unklar, ob diese Ambivalenz auf theoretische Unzulänglichkeiten oder auf Messungenauigkeiten zurückzuführen ist. Forschende sollten ihre Messergebnisse vor diesem Hintergrund kritisch reflektieren. Da es sich bei der kognitiven Belastung um ein dynamisches Konstrukt handelt, dessen Intensität während des Lernprozesses stark variieren kann, werden die Forschenden dazu angehalten, die Messung zu geeigneten Zeitpunkten während des Lernprozesses durchzuführen. Basierend auf den Erkenntnissen dieser Dissertation werden Handlungsempfehlungen für den zukünftigen Einsatz von Fragebögen zur Messung kognitiver Belastung abgeleitet und theoretische Implikationen diskutiert.:Zusammenfassung 3 Summary 5 1 Introduction 7 2 Foundations of Cognitive Load Theory 9 2.1 Human Cognitive Architecture 9 2.2 Evolutionary Educational Psychology 12 2.3 The Construct of Cognitive Load 14 2.4 Types of Cognitive Load 16 3 Cognitive Load Theory in Multimedia Learning 22 4 Measuring Cognitive Load 25 4.1 Physiological Measures 25 4.2 Dual-task Approaches 26 4.3 Self-rating Scales 27 5 Conceptual and Psychometric Issues in Cognitive Load Research 31 5.1 Three-factor Model and Additivity Hypothesis 31 5.2 Reliable and Valid Measurement of Cognitive Load with Subjective Scales 33 5.3 Timing of Cognitive Load Measurement 36 6 Article 1: A systematic meta-analysis of the reliability and validity of subjective cognitive load questionnaires in experimental multimedia learning research 40 7 Article 2: Development and validation of a theory-based questionnaire to measure different types of cognitive load 98 8 Article 3: The distorting role of primacy effects when reporting cognitive load in a learning material with varying complexities 136 9 Discussion 193 9.1 Contributions of this Thesis 193 9.2 Limitations and Future Directions 196 9.3 Conclusion 197 10 References 198 Danksagung 208 / Cognitive Load Theory (CLT) postulates that learning new, complex information places a burden on the learner’s working memory. After the theory was first postulated by John Sweller in 1988, a small group of researchers at universities in Australia and the Netherlands worked to develop it further. It quickly became one of the most popular theories in educational psychology and instructional design. CLT is based on findings in cognitive psychology and posits that working memory can only process a limited number of information elements simultaneously, severely limiting its ability to process new information. Based on CLT, a set of recommendations and principles has been derived to help learners make optimal use of their available cognitive resources for learning in order to transfer information to long-term memory in the form of schemata. The goal is to avoid overloading working memory (i.e., cognitive overload), which impedes learning. According to the theory, three types of cognitive load are relevant during learning. While intrinsic cognitive load (ICL) describes the complexity of the information to be learned, taking into account the learner's prior knowledge, extraneous cognitive load (ECL) is determined by the design of the learning material and can have a negative impact on learning success. While ICL and ECL are conceptually well-defined, the definition of the third type of load, germane cognitive load (GCL), is controversial within CLT. In this context, it is unclear whether GCL is a source of cognitive load in its own right or whether it simply refers to the cognitive resources that the learner mentally expends to build schemata. This has led to a debate in recent years as to whether GCL is a part of CLT at all, and whether it is sufficient to use the ICL and ECL to describe cognitive load during learning. The assumption that the three types additively and independently contribute to the total cognitive load has also been questioned. In addition to the open theoretical questions within CLT, the measurement of the different types of cognitive load represents the greatest challenge for research. Latent constructs such as cognitive load can only be measured indirectly, making it all the more important to examine the reliability and validity of such measures. Of particular importance is multidimensional measurement (i.e., measuring each type of cognitive load separately) and the optimal timing of measurement (i.e., during or after learning). Thus, the purpose of this thesis is to discuss the opportunities and challenges of measuring cognitive load. Since cognitive load is often measured in practice with questionnaires, this thesis prioritizes this survey method. Therefore, a meta-analysis was conducted in order to examine the extent to which questionnaires available at this time are able to reliably and validly measure the different types of cognitive load. For this purpose, experimental studies from the field of multimedia learning, in which CLT plays a very important role, were used. In addition, due to conceptual and psychometric inconsistencies of available questionnaires, a new questionnaire was developed and validated, mainly to help learners better differentiate between different types of cognitive load. An experimental study was also conducted to test how different levels of complexity within a learning material affect the learner’s overall assessment of cognitive load. Related to this was the question of whether learners seek an anchor point (e.g., first impression) from which they evaluate the entire learning material in terms of cognitive load. Overall, it was found that the construct of cognitive load can be measured with a high degree of internal consistency, although there are limitations in terms of validity. For example, the correlations between the different types of cognitive load indicate that the learners cannot sufficiently differentiate between them. This is true even though the items in the questionnaire are worded in such a way that learners should be able to identify which type of cognitive load they are being asked to assess. Furthermore, the theoretical assumptions of CLT are not always reflected in the measurement results. It is unclear whether this ambivalence is due to theoretical shortcomings or measurement inaccuracies. In light of this, researchers should critically reflect on their measurement results. Because cognitive load is a dynamic construct whose intensity can vary widely during learning, researchers are encouraged to measure it at appropriate times during the learning process. Based on the findings of this thesis, recommendations for the future use of questionnaires to measure cognitive load are derived and theoretical implications are discussed.:Zusammenfassung 3 Summary 5 1 Introduction 7 2 Foundations of Cognitive Load Theory 9 2.1 Human Cognitive Architecture 9 2.2 Evolutionary Educational Psychology 12 2.3 The Construct of Cognitive Load 14 2.4 Types of Cognitive Load 16 3 Cognitive Load Theory in Multimedia Learning 22 4 Measuring Cognitive Load 25 4.1 Physiological Measures 25 4.2 Dual-task Approaches 26 4.3 Self-rating Scales 27 5 Conceptual and Psychometric Issues in Cognitive Load Research 31 5.1 Three-factor Model and Additivity Hypothesis 31 5.2 Reliable and Valid Measurement of Cognitive Load with Subjective Scales 33 5.3 Timing of Cognitive Load Measurement 36 6 Article 1: A systematic meta-analysis of the reliability and validity of subjective cognitive load questionnaires in experimental multimedia learning research 40 7 Article 2: Development and validation of a theory-based questionnaire to measure different types of cognitive load 98 8 Article 3: The distorting role of primacy effects when reporting cognitive load in a learning material with varying complexities 136 9 Discussion 193 9.1 Contributions of this Thesis 193 9.2 Limitations and Future Directions 196 9.3 Conclusion 197 10 References 198 Danksagung 208

Einfache oder komplexe dynamische Systeme stellen Individuen und Gesellschaften gleichermaßen vor mitunter große Herausforderungen, wie regionale und globale Krisen immer wieder zeigen. Ein basales und allgemeines Verständnis dynamischer Zusammenhänge scheint daher nicht nur wünschenswert, sondern mit Blick auf ausgewählte aktuelle Krisen sogar notwendiger denn je. Doch auch in alltäglichen Situationen oder im Schulkontext kann ein fundamentales Verständnis dynamischer Systeme die individuellen Entscheidungen oder den mathematischen Erkenntnisgewinn unterstützen. Allerdings zeigt eine breite Basis empirischer Befunde, dass bereits relativ einfache Dynamiken, wie Fluss-Bestands-Systeme (FB-Systeme), nur unzureichend erfasst zu werden scheinen. Diese Dissertationsschrift verfolgt daher die generelle Fragestellung, wie sich ein basales Verständnis formal einfacher FB-Systeme fördern oder generieren lassen könnte. Aufgrund einer bislang fehlenden einheitlichen theoretischen Beschreibung des FB-Verständnisses und dessen Einflussfaktoren basiert die vorgestellte Untersuchungsserie einerseits auf drei ausgewählten generellen theoretischen Perspektiven und daraus abgeleiteten Einflussfaktoren. Zusätzlich wurden einzelne weitere theoretische Modelle und eine Vielzahl spezifischer empirischer Befunde, zur Wirksamkeit verschiedener Präsentationsformate auf kognitive Fähigkeiten, für die Begründung der experimentellen Manipulationen herangezogen. In einer Serie von sieben experimentellen Untersuchungen wurden diverse Möglichkeiten grafischer Darstellungen, isoliert und in Wechselwirkung mit verschiedenen Personenmerkmalen, empirisch bezüglich ihres Einflusses auf das basale Verständnis illustrierter FB-Systeme überprüft. Unter Anwendung geltender wissenschaftlicher Standards und durch Nutzung moderner inferenzstatistischer Verfahren erlauben die gewonnen Ergebnisse eine fundierte Beurteilung der untersuchten Einflussfaktoren. Organisiert in drei Teilen, konnten in einer Folge von einfachen statischen Abbildungen, über passive dynamische Repräsentationen, bis hin zu interaktiven animierten Interventionsformaten, zahlreiche Illustrationsvarianten in ihrer Wirkung auf ein basales FB-Verständnis beurteilt werden. In den Experimenten 1 bis 3 wurden zunächst ausgewählte statische Darstellungsformate, spezifische Kontexteinbettungen und adaptierte Instruktionsansätze überprüft. Dabei zeigte sich keiner der manipulierten Darstellungsaspekte als genereller Wirkfaktor auf das basale FB-Verständnis. Weder kombinierte oder angepasste Diagrammdarstellungen, noch Zusatzinformationen oder überlebensrelevante Kontexteinbettungen führten zu den erwarteten Verbesserungen des FB-Verständnisses. Selbst, auf etablierten pädagogischen Interventionen basierende Instruktionsformen zeigten keinen systematischen Einfluss auf die Lösungsraten von FB-Aufgaben. In den anschließenden Experimenten 4 bis 6 konnten unter passiven dynamischen Darstellungen – rezipierende Animationen ohne Eingriffsmöglichkeiten – gleichfalls keine generell wirksamen Formate identifiziert werden. Ob fließend oder segmentiert, einmalig oder repetitiv, einzeln oder kombiniert: Keine der untersuchten passiven Animationsarten schlug sich in verbesserten Lösungsraten nieder. Im letzten Teil der Dissertation wurden schließlich interaktiv dynamische Formate am Beispiel von eigens konzipierten computerspielbasierten Lerninterventionen empirisch untersucht. Erneut zeigten sich keine Haupteffekte für die Attribute dieser Art der Informationsvermittlung. Einerseits bieten die gewonnenen Daten insgesamt keine konkreten Hinweise darauf, welche Formate generell geeignet sein könnten, FB-Zusammenhänge verständlich zu kommunizieren. Andererseits ließen sich wiederholt relevante Individualfaktoren identifizieren, die, spezifisch und in Wechselwirkungen mit den Repräsentationsformaten, das Ausmaß des individuellen FB-Verständnisses substanziell zu beeinflussen scheinen. Bereits in den ersten Experimenten traten spezifische Personenmerkmale hervor, die sich über die gesamte Untersuchungsserie hinweg als eigenständige Determinanten prädiktiv für das FB-Verständnis zeigten. Das Geschlecht (wobei Männer im Mittel ein besseres FB-Verständnis zeigten) und die mathematischen Fähigkeiten der Versuchspersonen bestimmen offenbar das Verständnis einfacher dynamischer Systeme deutlich stärker, als jedes der manipulierten Darstellungsformate. Gleichfalls scheinen sie für alle untersuchten Varianten der Repräsentationsformate vergleichbar und unabhängig voneinander relevant zu sein – wie statistische Kontrollmaßnahmen zeigen konnten. Vereinzelt, aber weniger stringent, konnten ebenfalls prädiktive Einflüsse motivationaler und kognitiver Faktoren, wie räumliche Intelligenz, beobachtet werden. Einige dieser Personenmerkmale traten wiederholt, wenn auch ohne erkennbare Systematik, in Wechselwirkung mit den experimentellen Darstellungsvarianten in Erscheinung. In Abhängigkeit von bestimmten Personenmerkmalen wirkten sich demnach einige der untersuchten Darstellungsformen unterschiedlich auf die Leistung in FB-Aufgaben aus. Insbesondere für animierte Präsentationsformate zeigten sich dabei Interaktionseffekte mit dem Geschlecht, wonach Männer und Frauen offenbar von verschiedenen Illustrationsarten profitieren. In nahezu allen Experimenten der Teile II und III konnte ein derartiger Geschlechter-Darstellungsformat-Interaktionseffekt beobachtet werden. Weitaus seltener zeigten sich hingegen Moderatoreffekte von motivationalen oder kognitiven Faktoren. Obwohl die mathematischen Fähigkeiten über alle Experimente hinweg als substanzieller Prädiktor des FB-Verständnisses in Erscheinung traten, fanden sich überdies durchgängig keine Anzeichen für dementsprechende Interaktionseffekte. Darüber hinaus boten explorative Vergleiche zwischen den verschiedenen Experimenten weitere interessante Hinweise auf die Hintergründe des generell relativ schwach ausgeprägten basalen FB-Verständnisses. Da Experiment 6 in Kooperation mit der Pädagogischen Hochschule Heidelberg durchgeführt werden konnte, ließen sich mathematisch sehr gut vorgebildete Versuchspersonen für die Teilnahme gewinnen. Diese zeigten, im Vergleich zu den Kohorten der vorangegangenen Experimente, ein sehr hohes Verständnis der illustrierten FB-Systeme. Dies unterstreicht, über die Bedeutung individueller mathematischer Fähigkeiten hinaus, dass ein gutes bis sehr gutes FB-Verständnis prinzipiell realisierbar ist. Weitere explorative Analysen deuten überdies auf eine besonders positive Wirkung passiver dynamischer Repräsentationen im Kontext der kreierten computerspielbasierten Interventionen. Die in Experiment 7 ursprünglich als Kontrollbedingung konzipierte Darstellungsvariante führte gegenüber einer vergleichbaren Stichprobe weiblicher Versuchsteilnehmer zu deutlich verbesserten Lösungsraten. Ergänzend zu vergleichenden Diskussionen der drei separaten Dissertationsteile folgt eine abschließende Generaldiskussion. Neben generellen Aspekten der Ergebnisse werden darin die zentralen Schlussfolgerungen und Erkenntnisse zusammengefasst. Die Erörterung potenzieller theoretischer und praktischer Implikationen sowie die Vorstellung spezifischer Anschlussfragestellungen und zukünftiger Forschungsanstrengungen bilden den Abschluss dieser Dissertationsschrift.

Verkehrsschilder gelten als das gängigste Mittel zur Regulation des Straßenverkehrs und der Kommunikation zu den Straßennutzer*innen. Die Fähigkeit eines Fahrers bzw. einer Fahrerin, ein Verkehrsschild zu verstehen, ist deshalb essentiell für die Verkehrssicherheit. Zahlreiche Studien zeigen allerdings, dass mit einem durchschnittlichen Verständnis zwischen 50 und 70% der Verkehrsschilder z.T. große Verständnisschwierigkeiten bei den Fahrer*innen vorliegen. Die Verwendung von Piktogrammen stellt eine Möglichkeit dar, um vereinfachte, auf das Wesentliche reduzierte standardisierte Informationen zu übermitteln. In Folge der Zunahme des Verkehrsvolumens über die letzten Dekaden haben viele Länder solche symbolischen Schilder eingeführt, um internationale Reisen dort zu erleichtern, wo Sprachdifferenzen Barrieren darstellen könnten. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Verbesserung von Beschilderungen im Straßenverkehr für in- und ausländische Fahrer*innen in Bezug auf Verständlichkeit, Korrektheit von Entscheidungen und Reaktionszeiten. Derzeit gibt es eine Fülle an Forschung zu Symbolen auf Warn- und Gebotsschildern, allerdings nicht auf Wegweisern. Ziel dieser Studie war es, einen Forschungsbeitrag zur Nutzung von Piktogrammen im Straßenverkehr und zur Verkehrssicherheit zu leisten. Dazu wurde in einem Reaktionszeitexperiment zum einen die gerichtete Hypothese untersucht, dass Piktogramme schneller und sicherer erkannt werden als verbale Zielangaben. Diese Hypothese konnte nicht bestätigt werden, stattdessen wurde ein gegenteiliger Effekt gefunden. Zum anderen wurde die gerichtete Hypothese untersucht, dass deutsche Muttersprachler*innen sowohl bei symbolischen als auch bei verbalen Zielangaben insgesamt schnellere Reaktionszeiten und mehr korrekte Antworten zeigen; dies konnte bestätigt werden. Unter Einbezug der Kovariaten Alter, Geschlecht und Fahrerfahrung zeigten sich besonders ein signifikanter Effekt des Alters und des Schildes, das die Versuchspersonen präsentiert bekamen; der zuvor noch gefundene Haupteffekt der Art der Zielangabe (symbolisch/ verbal) war dann nicht mehr signifikant. Mögliche Gründe werden abschließend diskutiert.:Danksagung Zusammenfassung 1. Hinführung und Ziele 2. Theorie 2.1 Überblick über bisherige Literatur 2.2 Überlegungen zum Studiendesign 3. Hypothesen 3.1 Reaktionszeitunterschiede zwischen symbolischen und verbalen Zielangaben 3.2 Reaktionszeitunterschiede zwischen deutschen Muttersprachler*innen und Nicht-Muttersprachler*innen 4. Methoden 4.1 Stichprobe 4.2 Ablauf und Materialien 4.3 Design 4.4 Statistische Analyse 5. Ergebnisse 5.1 Deskriptive Analyse der abhängigen Variablen 5.2 Überprüfung auf Normalverteilung 5.3 Deskriptive Analyse der Daten der Nachbefragung 5.4 Überprüfung der Hypothesen 6. Diskussion 6.1 Vergleich verbaler und symbolisches Zielangaben 6.2 Vergleich deutscher und nicht-deutscher Muttersprachler*innen 6.3 Weitere Ergebnisse und Überlegungen 7. Literaturverzeichnis Anhang Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis / Road signs can be regarded as the most common means of traffic regulation and communication to road users. The driver’s ability to understand a road sign therefore is essential for traffic safety. However, a large body of research shows that – with a mean comprehension value that varies between 50 and 70% - drivers have difficulties in understanding the meaning of traffic signs. The use of pictorials represents one way of conveying simplified, standardized pieces of information. With the increase in traffic volumes over the last decades, a lot of countries have introduced such symbolic signs to facilitate international travelling where language differences constitute linguistic barriers. Currently, a variety of studies on symbolic warning and mandatory signs, but not on directory signs exists. The present study subsequently deals with the improvement of directory signs in road traffic for national and international drivers regarding comprehensibility, correctness of decisions and reaction times. The aim of this study is to contribute to existing research on the topic of use of pictorials in road traffic and on traffic safety. A reaction time experiment was developed and carried out with 101 participants aged 18 to 87. 63 of the test persons had acquired German as mother language; for 38 of the participants, German was not the native tongue. Each participant was presented with 32 German directory signs that had specially been developed for the experiment. Participants had to indicate the direction they would use to reach a certain predetermined target location that could either be represented verbally or as a symbol. Two hypotheses were tested: the first hypothesis stated that pictorials should be detected faster and more accurately than verbal targets. This could not be confirmed; instead, we found the opposite pattern. The second hypothesis assumed that German native speakers would show faster reaction times and a greater number of correct answers for symbolic as well as for verbal targets compared to non-native German speakers; this hypothesis could be confirmed. Including the covariates age, sex and driving experience, a very significant effect of age as well as of the specific sign that the subjects were presented with could be shown; the previously found main effect of target type (verbal/pictorial) was not significant, anymore. Finally, the present study discusses possible reasons and influencing factors for the observed effects like arrangement and number of targets on a sign as well as the word length of the used targets.:Danksagung Zusammenfassung 1. Hinführung und Ziele 2. Theorie 2.1 Überblick über bisherige Literatur 2.2 Überlegungen zum Studiendesign 3. Hypothesen 3.1 Reaktionszeitunterschiede zwischen symbolischen und verbalen Zielangaben 3.2 Reaktionszeitunterschiede zwischen deutschen Muttersprachler*innen und Nicht-Muttersprachler*innen 4. Methoden 4.1 Stichprobe 4.2 Ablauf und Materialien 4.3 Design 4.4 Statistische Analyse 5. Ergebnisse 5.1 Deskriptive Analyse der abhängigen Variablen 5.2 Überprüfung auf Normalverteilung 5.3 Deskriptive Analyse der Daten der Nachbefragung 5.4 Überprüfung der Hypothesen 6. Diskussion 6.1 Vergleich verbaler und symbolisches Zielangaben 6.2 Vergleich deutscher und nicht-deutscher Muttersprachler*innen 6.3 Weitere Ergebnisse und Überlegungen 7. Literaturverzeichnis Anhang Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis

Diese Arbeit untersuchte den Einfluss von Emotionen auf das Lernen und wie Studierende motiviert werden, mithilfe sozialer Merkmale Mathematik zu lernen. Hierzu wurden ein Experiment zur Höflichkeit und zwei Experimente zu dekorativen Bildern durchgeführt. Im ersten Experiment (N = 277) wurden die Teilnehmer einer von vier Gruppen (Faktoren Instruktion und Feedback) mit Manipulation der Höflichkeit (höflich vs. direkt) zugeordnet. Die Studierenden mussten im Rahmen eines Online-Maschinenbaukurses Themen aus der höheren Mathematik lernen. Es mussten vier Kapitel abgeschlossen und vier Posttests durchgeführt werden, um das erlernte Wissen zu kontrollieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Höflichkeit im Feedback die Studierende motivierte, länger zu üben und zu höheren Lernergebnissen führte. Höflichkeit in den Instruktionen hatte jedoch keinen Einfluss auf das Lernen. Es wurde angenommen, dass Höflichkeit in Instruktionen nicht so einflussreich ist wie Höflichkeit im Feedback und daher hatten die Änderungen in Instruktionen keinen Einfluss auf das Lernen. Anschließend wurden dekorative Bilder verwendet, um den Einfluss weiterer sozialer Prozesse auf das Lernen zu untersuchen. Die Bilder enthielten keine Lerninformationen, waren jedoch kontextbezogen und sollten die Emotionen der Teilnehmer beeinflussen, um ihr Lernen zu verbessern. Insgesamt wurden zwei Experimente mit dekorativen Bildern und identischen Faktoren durchgeführt. Die Experimente untersuchten die Einflüsse von Mastery- und Coping-Modellen mithilfe von positiven und negativen dekorativen Bildern. Dabei wurden die Faktoren Bild im ersten Abschnitt (positiv vs. negativ) und Bild im zweiten Abschnitt (positiv vs. negativ) verwendet. Im ersten Experiment (N = 100) mussten die Studierende über nichtparametrische Tests lernen. Die Ergebnisse zeigen, dass das erste positive dekorative Bild die Lernergebnisse im ersten Abschnitt verbesserte, während das zweite positive dekorative Bild die intrinsische und extrinsische kognitive Belastung verringerte. Die Ergebnisse unterstützen teilweise das Mastery-Modell. Dekorative Bilder hatten jedoch keinen Einfluss auf die Lernergebnisse im zweiten Abschnitt einschließlich Behalten, Transfer, lernrelevanter kognitiver Belastung und Emotionen. Höchstwahrscheinlich war die emotionale Induktion durch dekorative Bilder zu schwach. Um den Einfluss dekorativer Bilder auf das Lernen zu erhöhen, wurde ein neues Experiment (N = 92) mit einer wiederholten Präsentation der Bilder (jedes Bild wurde viermal gezeigt) vorbereitet. Darüber hinaus wurden im Gegensatz zum vorherigen Experiment die Bilder mit den Lernmaterialien (logarithmische Aufgaben) kombiniert. Unerwartet hatten dekorative Bilder im Experiment keinen Einfluss. Möglicherweise wurden die Bilder übersehen. Insgesamt hatten die sozialen Hinweiszeichen beim Lernen im Mathematik-Online-Kurs einen gewissen Einfluss auf die Teilnehmer. Emotionen sollten jedoch bei allen Experimenten eine Rolle spielen. Im ersten Experiment waren die Teilnehmer motiviert, durch höfliches Feedback zu lernen, aber die Höflichkeit in den Instruktionen war nicht wichtig. Im zweiten Experiment beeinflusste die Valenz der Bilder das Lernen, da das erste positive Bild die Lernergebnisse teilweise verbesserte und die kognitive Belastung verringerte. Die Positionen der Bilder sollten jedoch berücksichtigt werden. Im dritten Experiment führte die Kombination der Bilder und Lernmaterialien auf denselben Seiten dazu, dass die Teilnehmer die Bilder ignorierten.:Danksagung 4 Zusammenfassung 5 Abstract 7 Introduction and Theories 9 Introduction and Overview 9 Cognitive Load Theory 10 Cognitive Theory of Multimedia Learning 11 Cognitive-Affective Theory of Learning with Multimedia 12 Cognitive-Affective-Social Theory of Learning with Media 13 Design Effects 14 Introduction and Overview 14 An Overview on Politeness Research 15 Decorative Pictures and Learning with Multimedia 17 Methods 20 Participants and Design 20 Learning Materials 21 Measures 22 Results and Discussion 23 Summary of Results and Conclusion 23 Implications 25 Limitations and Future Directions 25 References 27 Appendix: Publications 34 Boundary Conditions of the Politeness Effect in Online Mathematical Learning 35 The Influence of Affective Decorative Pictures on Learning Statistics Online 45 Does the Position and Emotional Valence of Decorative Pictures (in Multimedia Learn-ing) Influence Learning Performance? 58 Lebenslauf 94 Selbständigkeitserklärung 99 / This work investigated the influence of emotions on learning and how to motivate students to learn mathematics with the help of social features. For this, one experiment concerning politeness and two experiments about decorative pictures were carried out. In the first experiment (N = 277), participants were assigned to one of four groups (instructions and feedback factors) with manipulation of politeness (polite vs. direct). The students had to learn topics from higher mathematics as part of an online mechanical engineering course. There were four chapters to complete and four posttests to control the knowledge learned. The results show that politeness in feedback motivated students to work longer and led to higher learning outcomes. However, politeness in instructions did not influence learning. It was assumed that politeness in instruction is not as powerful as politeness in feedback, and therefore, the changes in instruction did not influence learning. Next, decorative pictures were used to investigate the influence of further social processes on learning. The pictures contained no learning information but were context-related and should have influenced the participants’ emotions to enhance their learning. In sum, two experiments with decorative pictures and identical factors were conducted. The experiments investigated the influences of mastery and coping models with the help of positive and negative decorative pictures. The factors picture in the first section (positive vs. negative) and picture in the second section (positive vs. negative) were used. In the first experiment (N = 100), the students had to learn about nonparametric tests. The results show that the first positive decorative picture improved the learning outcomes in the first section, whereas the second positive decorative picture decreased the intrinsic and extraneous cognitive load. The results partially support the mastery model. However, decorative pictures had no influence on the learning outcomes in the second section, including retention, transfer, germane cognitive load, and emotions. Most likely, the emotional induction by decorative pictures was too weak. To increase the influence of decorative pictures on learning, a new experiment (N = 92) with a repeated presentation of the pictures (each picture was shown four times) was prepared. Furthermore, in contrast to the previous experiment, the pictures were combined with the learning materials (logarithmic tasks). Unexpectedly, decorative pictures in the experiment had no influence. Possibly, the pictures were overlooked. In summary, the social features of learning mathematics through an online course had some influence on the participants. Emotions, however, should play a role in all experiments. In the first experiment, the participants were motivated to learn through polite feedback, but politeness was not important during the instructions. In the second experiment, the valence of the pictures influenced the participants’ learning, as the first positive picture partially enhanced the learning outcomes and decreased the cognitive load. However, the positions of the pictures should be considered. In the third experiment, the combination of the pictures and learning materials on the same pages led to the participants ignoring the pictures.:Danksagung 4 Zusammenfassung 5 Abstract 7 Introduction and Theories 9 Introduction and Overview 9 Cognitive Load Theory 10 Cognitive Theory of Multimedia Learning 11 Cognitive-Affective Theory of Learning with Multimedia 12 Cognitive-Affective-Social Theory of Learning with Media 13 Design Effects 14 Introduction and Overview 14 An Overview on Politeness Research 15 Decorative Pictures and Learning with Multimedia 17 Methods 20 Participants and Design 20 Learning Materials 21 Measures 22 Results and Discussion 23 Summary of Results and Conclusion 23 Implications 25 Limitations and Future Directions 25 References 27 Appendix: Publications 34 Boundary Conditions of the Politeness Effect in Online Mathematical Learning 35 The Influence of Affective Decorative Pictures on Learning Statistics Online 45 Does the Position and Emotional Valence of Decorative Pictures (in Multimedia Learn-ing) Influence Learning Performance? 58 Lebenslauf 94 Selbständigkeitserklärung 99

This thesis investigates the relationship between eye movements, memory and thinking in five studies based on eye tracking experiments. The studies draw on the human ability to spatially index multimodal events as demonstrated by people’s gaze reverting back to emptied spatial locations when retrieving information that was associated with this location during a preceding encoding phase – the so called “looking-at-nothing” phenomenon. The first part of this thesis aimed at gaining a better understanding of the relationship between eye movements and memory in relation to verbal information. The second part of this thesis investigated what could be learned about the memory processes involved in reasoning and decision-making by studying eye movements to blank spaces. The first study presented in this thesis clarified the role of eye movements for the retrieval of verbal information from memory. More precisely, it questioned if eye movements to nothing are functionally related to memory retrieval for verbal information, i.e. auditorily presented linguistic information. Eye movements were analyzed following correct and incorrect retrievals of previously presented auditory statements concerning artificial places that were probed during a subsequent retrieval phase. Additionally, eye movements were manipulated as the independent variable with the aid of a spatial cue that either guided the eyes towards or away from associated spatial locations. Using verbal materials elicited eye movements to associated but emptied spatial locations, thereby replicating previous findings on eye movements to nothing. This behaviour was more pronounced for correct in comparison to incorrect retrievals. Retrieval performance was higher when the eyes were guided towards in comparison to being guided away from associated spatial locations. In sum, eye movements play a functional role for the retrieval of verbal materials. The second study tested if the looking-at-nothing behaviour can also diminish; for example, does its effect diminish if people gain enough practice in a retrieval task? The same paradigm was employed as in the first study. Participants listened to four different sentences. Each sentence was associated with one of four areas on the screen and was presented 12 times. After every presentation, participants heard a statement probing one sentence, while the computer screen remained blank. More fixations were found to be located in areas associated with the probed sentence than in other locations. Moreover, the more trials participants completed, the less frequently they exhibited the looking-at-nothing behaviour. Looking-at-nothing behaviour can in this way be seen to indeed diminish when knowledge becomes strongly represented in memory. In the third and fourth study eye movements were utilized as a tool to investigate memory search during rule- versus similarity-based decision-making. In both studies participants first memorized multiple pieces of information relating to job candidates (exemplars). In subsequent test trials they judged the suitability of new candidates that varied in their similarity to the previously learned exemplars. Results showed that when using similarity, but not when using a rule, participants fixated longer on the previous location of exemplars that were similar to the new candidates than on the location of dissimilar exemplars. This suggests that people using similarity retrieve previously learned exemplars, whereas people using a rule do not. Eye movements were used yet again as a tool in the fifth study. On this occasion, eye movements were investigated during memory-based diagnostic reasoning. The study tested the effects of symptom order and diversity with symptom sequences that supported two or three contending hypotheses, and which were ambiguous throughout the symptom sequence. Participants first learned information about causes and symptoms presented in spatial frames. Gaze allocation on emptied spatial frames during symptom processing and during the diagnostic response reflected the subjective status of hypotheses held in memory and the preferred interpretation of ambiguous symptoms. Gaze data showed how the diagnostic decision develops and revealed instances of hypothesis change and biases in symptom processing. The results of this thesis demonstrate in very different scenarios the tight interplay between eye movements, memory and thinking. They show that eye movements are not automatically directed to spatial locations. Instead, they reflect the dynamic updating of internal, multimodal memory representations. Eye movements can be used as a direct behavioural correlate of memory processes involved in similarity- versus rule-based decision-making, and they reveal rich time-course information about the process of diagnostic reasoning. The results of this thesis are discussed in light of the current theoretical debates on cognitive processes that guide eye movements, memory and thinking. This thesis concludes by outlining a list of recommendations for using eye movements to investigate thinking processes, an outlook for future research and possible applications for the research findings. / Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Interaktion von Blickbewegungen, Gedächtnis- und Denkprozessen. In fünf experimentellen Untersuchungen, die auf der Messung von Blickbewegungen beruhen, wurde die menschliche Fähigkeit zum räumlichen Indizieren multimodaler Ereignisse untersucht. Diese Fähigkeit manifestiert sich u.a. im sogenannten „Looking-at-nothing“ Phänomen, das beschreibt, dass Menschen beim Abruf von Informationen aus dem Gedächtnis an Orte zurückblicken, die in einer vorhergehenden Enkodierphase mit den abzurufenden Informationen assoziiert wurden, selbst wenn diese räumlichen Positionen keinerlei erinnerungsrelevante Informationen mehr enthalten. In der ersten Untersuchung wurde der Frage nachgegangen, ob Blickbewegungen an geleerte räumliche Positionen den Abruf von Informationen aus dem Gedächtnis erleichtern. Während ein solches Verhalten für den Abruf zuvor visuell dargebotener Informationen bereits gezeigt werden konnte, ist die Befundlage für die Erinnerungsleistung bei auditiv dargebotenen, linguistischen Informationen unklar. Um diesen Zusammenhang zu untersuchen, wurde das Blickverhalten zunächst als Folge von richtigen und falschen Antworten untersucht. In einem weiteren Schritt wurde das Blickverhalten experimentell manipuliert. Dies geschah mit Hilfe eines räumlichen Hinweisreizes, der die Blicke entweder hin zu der Position leitete, die mit dem abzurufenden Stimulus assoziiert war, oder weg von dieser Position. Die Ergebnisse dieser Untersuchung konnten bisherige Befunde zum Looking-at-nothing Verhalten replizieren. Zudem zeigte sich, dass beim korrekten Abruf von Informationen aus dem Gedächtnis vermehrt Looking-at-nothing gezeigt wurde, während das bei fehlerhaften Abrufen nicht der Fall war. Die Blickmanipulation ergab, dass die Gedächtnisleistung besser war, wenn der Hinweisreiz den Blick hin zur assoziierten räumlichen Position leitete. Im Gegensatz dazu war die Erinnerungsleistung schlechter, wenn der Blick von der assoziierten räumlichen Position weggeleitet wurde. Blickbewegungen an geleerte räumliche Positionen scheinen demnach auch den Abruf verbaler Stimuli zu erleichtern. In der zweiten Untersuchung wurde erforscht, ob das Looking-at-nothing Verhalten nachlässt, wenn das experimentelle Material stark gelernt, d.h. stark im Gedächtnis repräsentiert ist. Dazu wurde das gleiche experimentelle Paradigma, wie in der ersten Untersuchung verwendet. Vier verschiedene Sätze wurden während der Enkodierphase mit vier verschiedenen räumlichen Positionen assoziiert. Nach jeder Präsentation aller vier Sätze, wurde einer der Sätze getestet. Diese Prozedur wiederholte sich in zwölf Durchgängen. In den ersten vier Durchgängen sahen die Versuchspersonen beim Abruf häufiger in das Feld, dass mit der getesteten Information assoziiert war, d.h. sie zeigten wie erwartet das Looking-at-nothing Verhalten. Je mehr Durchgänge die Versuchspersonen bearbeiteten, desto seltener blickten sie zu der assoziierten räumlichen Position. Demnach verschwindet das Looking-at-nothing Verhalten, wenn Informationen stark im Gedächtnis repräsentiert sind. In der dritten und vierten Untersuchung wurden Blickbewegungen an geleerte räumliche Positionen als Methode verwendet um Denkprozesse zu untersuchen. In der dritten Untersuchung lernten Versuchsteilnehmer zunächst Informationen über fiktive Bewerber (Exemplare) für eine freie Position in einem Unternehmen. Jedes Exemplar wurde mit seinen Eigenschaften während der Lernphase mit einer distinkten räumlichen Position verknüpft. In einer nachfolgenden Entscheidungsphase beurteilten die Versuchsteilnehmer neue Bewerber. Diese neuen Bewerber variierten in ihrer Ähnlichkeit mit den zuvor gelernten Bewerbern. Versuchsteilnehmer die eine ähnlichkeitsbasierte Entscheidungsstrategie verwendeten, sahen an die geleerten räumlichen Positionen zurück, die in der Lernphase mit den Exemplaren verknüpft wurden. Wendeten sie jedoch eine abstrakte Regel an, um die neuen Bewerber zu beurteilten, so zeigten sie kein Looking-at-nothing Verhalten. Dieses Ergebnis lässt darauf schließen, dass eine ähnlichkeitsbasierte im Gegensatz zu einer regelbasierten Strategie den Abruf zuvor gelernter Exemplare bewirkt. Auch in der fünften Untersuchung wurden Blickbewegungen als Methode eingesetzt, diesmal zur Untersuchung gedächtnisbasierter Schlussfolgerungsprozesse, wie sie beim Finden von Erklärungen für eine Anzahl gegebener Informationen auftreten. Manipuliert wurden die Reihenfolge der präsentierten Informationen und die Diversität der möglichen Erklärungen. Die getesteten Symptomsequenzen unterstützen stets mindestens zwei mögliche Erklärungen. Die Versuchsteilnehmer lernten in einer vorangestellten Lernphase die Symptome und ihre möglichen Erklärungen. Symptome und Erklärungen wurden mit räumlichen Positionen verknüpft. In einer anschließenden Diagnosephase wurden verschiedene Symptomsequenzen getestet. Das Blickverhalten während der Diagnosephase reflektierte die Interpretation der Symptome im Sinne der subjektiv wahrscheinlichsten Erklärung. Die Aufzeichnung und Analyse der Blickbewegungen erlaubte es die Entwicklung dieser Interpretation über die gesamte Sequenz hinweg zu beobachten und Hypothesenwechsel lokalisieren zu können. Insgesamt stützen die Ergebnisse dieser Dissertation die Annahme einer engen funktionalen Verbindung von Blickbewegungen, Gedächtnis- und Denkprozessen. Sie zeigen, dass Blickbewegungen nicht automatisch an alle assoziierten räumlichen Positionen gerichtet werden, sondern dass sie vielmehr den situations- und aufgabenabhängigen Abruf von Informationen aus dem Gedächtnis widerspiegeln. Blickbewegungen können als direktes Verhaltensmaß zur Messung von Gedächtnisprozessen beim ähnlichkeitsbasierten Entscheiden herangezogen werden und liefern wertvolle Prozessdaten über die Integration von Symptominformationen beim diagnostischen Schließen. Die Ergebnisse dieser Dissertation werden im Lichte der aktuellen theoretischen Diskussion über kognitive Prozesse beim Bewegen der Augen, beim Gedächtnisabruf und beim komplexen Denken betrachtet. Abschließend werden Empfehlungen für die Verwendung der Methode der Blickbewegungsmessung als Prozessmaß zur Untersuchung gedächtnisbasierter Denkprozesse gegeben, ein Überblick über zukünftige Forschungsmöglichkeiten präsentiert und Ideen für Anwendungsmöglichkeiten der präsentierten Befunde aufgezeigt.

Previous studies that examined human judgments of frequency and duration found an asymmetrical relationship: While frequency judgments were quite accurate and independent of stimulus duration, duration judgments were highly dependent upon stimulus frequency. A potential explanation for these findings is that the asymmetry is moderated by the amount of attention directed to the stimuli. In the current experiment, participants\' attention was manipulated in two ways: (a) intrinsically, by varying the type and arousal potential of the stimuli (names, low-arousal and high-arousal pictures), and (b) extrinsically, by varying the physical effort participants expended during the stimulus presentation (by lifting a dumbbell vs. relaxing the arm). Participants processed stimuli with varying presentation frequencies and durations and were subsequently asked to estimate the frequency and duration of each stimulus. Sensitivity to duration increased for pictures in general, especially when processed under physical effort. A large effect of stimulus frequency on duration judgments was obtained for all experimental conditions, but a similar large effect of presentation duration on frequency judgments emerged only in the conditions that could be expected to draw high amounts of attention to the stimuli: when pictures were judged under high physical effort. Almost no difference in the mutual impact of frequency and duration was obtained for low-arousal or high-arousal pictures. The mechanisms underlying the simultaneous processing of frequency and duration are discussed with respect to existing models derived from animal research. Options for the extension of such models to human processing of frequency and duration are suggested.

Es wird über die Entwicklung und Erprobung von Instrumenten zur Messung von Ingenieurskreativität und Fachinteresse am Studium der Elektrotechnik berichtet. Im Fall des Fachinteresses wird ein Algorithmus vorgeschlagen um effizient Skalen maßzuschneidern. Für spezifische Kreativität werden die Schwierigkeiten der Erfassung diskutiert und erste Möglichkeit der Lösung dieser Probleme diskutiert. / The development and testing of two scales measuring creativity in engineering and vocational interest is reported. Concerning the scale of vocational interest an algorithm for the efficient tailoring of such scales is proposed. In case of specific creativity the difficulties of the measurement are discussed and first solutions developed.

Täglich treffen Menschen zahlreiche Entscheidungen. Häufig stellt sich dabei die Frage, ob man einer direkt verfügbaren Versuchung nachgibt oder versucht, ein in der Zukunft liegendes Ziel zu erreichen. Impulsivität und Selbstkontrolle können dabei als konfligierende Persönlichkeitseigenschaften im Entscheidungsprozess gesehen werden. In der Entscheidungsforschung wird postuliert, dass zwei getrennte Systeme existieren, die bei jeder Wahl berücksichtigt werden: ein eher impulsives und ein reflektives System. Je nach Stärke der Anteile der beiden Systeme werde eine Entscheidung getroffen. Neben behavioralen Theorien haben die Befunde der kognitiven Neurowissenschaften dazu beigetragen, den beschriebenen Systemen relevante Hirnregionen zuzuschreiben: limbische Regionen, vor allem das ventrale Striatum, werden dabei vor allem mit dem impulsiven System in Verbindung gebracht, während kortikale Strukturen, im Besonderen dorsolateraler präfrontaler (DLPFC) und anteriorer cingulärer Kortex (ACC), mit Selbstkontrolle assoziiert werden. Das Belohnungssystem ist eng mit dopaminergen Signalübertragungswegen verbunden, die unter anderem durch Gene für Dopamin- Rezeptor, -Transporter und -Abbau beeinflusst werden. Studien zur Erforschung der behavioralen Grundlagen und neuronalen Zusammenhänge menschlicher Entscheidungen haben bislang vor allem Forced-Choice-Paradigmen verwendet, bei denen sich die Probanden zwischen einer sofort verfügbaren, kleineren Belohnung und einer späteren, größeren Belohnung entscheiden müssen. Bei dieser Operationalisierung erfolgt bei jeder Entscheidung eine eindeutige Zuordnung zum impulsiven oder selbstkontrollierten System, alltägliche Entscheidungen hingegen sind meist deutlich weniger eindeutig und transparent. Aus diesem Grund wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein fMRT-Paradigma entwickelt, das menschliche Entscheidungen abbildet, ohne auf diese dichotome Einteilung zurückzugreifen. So sollten mithilfe des Versuchsresistenz-Paradigmas (VR-Paradigma) sowohl Belohnungsareale aktiviert, als auch schwierige Entscheidungen abgebildet werden. Dabei wurden den Probanden in neun Blöcken jeweils zwanzig kleine Geldbeträge (zwischen einem und 99 Cent) angeboten, von denen pro Block nur fünf gutgeschrieben werden konnten. Es wurden zwei aufeinander aufbauende Studien an unterschiedlichen Stichproben durchgeführt: Im Rahmen der ersten Studie wurden 53 männliche Studenten untersucht. Neben dem VR-Paradigma wurden psychologische Fragebögen erhoben, bei 30 Probanden erfolgte außerdem eine genetische Analyse hinsichtlich dreier Dopamin-assoziierter Polymorphismen (COMT Val158Met, DAT1 und DRD2/ANKK1 Taq 1A). In einer zweiten Studie wurden die Daten 16 männlicher alkoholabhängiger Patienten sieben bis 14 Tage nach Beginn eines Entzugs und 16 männlicher Kontrollprobanden analysiert. Diese wurden ebenfalls dem VR-Paradigma unterzogen und begleitend mithilfe psychologischer Fragebögen untersucht. Bei der Auswertung wurden die Entscheidungen im Sinne eines 2x2-Designs nach Antwort (Ja oder Nein) und Höhe (Hoch (≥ individuellem Median der gutgeschriebenen Beträge) oder Niedrig (< individuellem Median) eingeteilt. Dabei sollten Belohnungsreaktionen vor allem bei höheren Beträgen auftreten, während schwierige Entscheidungen und Versuchungsresistenz über die Ablehnung hoher Beträge und die Annahme niedriger Beträge abgebildet werden. Die Auswertung der ersten Studie erbrachte einen signifikanten Unterschied der Reaktionszeiten im VR-Paradigma bezogen auf die Höhe der angebotenen Beträge und die Interaktion von Antwort und Höhe, wobei die Ablehnung eines hohen Betrags die längsten Reaktionszeiten hervorrief. Bei hohen im Vergleich zu niedrigen Beträgen konnten Aktivierungen im bilateralen ventralen Striatum, rechten DLPFC, ACC, in der bilateralen Insula und im inferioren parietalen Lobus (IPL) nachgewiesen werden. Bei der Ausübung von Versuchungsresistenz (Interaktion der Haupteffekte) wurde dagegen der linke DLPFC aktiviert. Im Rahmen einer Konnektivitätsanalyse (psychophysiologische Interaktionen) konnte eine Korrelation der Aktivierung des linken DLPFC mit dem ventralen Striatum nur bei hohen abgelehnten Beträgen, nicht aber bei niedrigen zurückgewiesenen Beträgen gefunden werden. Bezüglich der Verbindung zwischen neuronaler Aktivierung und Persönlichkeit konnten Zusammenhänge der Belohnungsreaktion mit hohen Werten auf Impulsivitätsskalen und für Risikoverhalten sowie niedrigen Werten für Selbstkontrolle nachgewiesen werden. Für die Aktivierung in Kontrollarealen bei Versuchungsresistenz konnte ein entgegengesetzter Effekt beobachtet werden. Die Auswertung der genetischen Daten ergab eine signifikante stärkere Aktivierung des ventralen Striatums bei 10R- Homozygoten. Bei 10R-Homozygoten liegt eine erhöhte Zahl von Dopamin-Transportern an der Synapse vor, was am ehesten zu einer verringerten Verfügbarkeit von Dopamin im synaptischen Spalt führt. Die Auswertung von Studie 2 erbrachte signifikante Unterschiede der Reaktionszeiten nur bezüglich der Höhe der angebotenen Belohnung, die Gruppenzugehörigkeit (Patient- Kontrolle) und die Interaktion der Haupteffekte hatten keinen Einfluss. Die Patienten behielten signifikant häufiger eine Kaufoption bis zum Ende eines Blocks übrig. Bei der neuronalen Aktivierung konnte eine stärkere Aktivierung des linken DLPFC und linken IPL bei Patienten nachgewiesen werden. Außerdem fanden sich signifikant höhere Werte auf impulsivitätsassoziierten Persönlichkeitsskalen für Patienten im Vergleich zu Kontrollen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten mit dem neu entwickelten VR-Paradigma neuronale Aktivierungen in Belohnungs- (v.a. ventrales Striatum) und Kontrollarealen (v.a. linker DLPFC und ACC) nachgewiesen werden. Außerdem scheint eine Konnektivität zwischen DLPFC und ventralem Striatum abhängig von der Notwendigkeit zur Ausübung kognitiver Kontrolle zu bestehen. Das Ausmaß neuronaler Aktivierung war mit Persönlichkeitsmaßen von Impulsivität und Selbstkontrolle korreliert, hier haben also interindividuelle Unterschiede in neuronaler Aktivierung Auswirkungen auf die Persönlichkeit. Der gefundene Einfluss des DAT1-Gens steht im Gegensatz zu bisherigen Befunden, dies kann mit der unterschiedlichen Operationalisierung zusammenhängen. Unterschiede zwischen alkoholabhängigen Patienten und Kontrollen hinsichtlich einer stärkeren Aktivierung in Kontrollarealen bei Patienten lassen vermuten, dass Patienten einen höheren kognitiven Aufwand zur Kontrollausübung aufwenden müssen. Mithilfe des neuartigen Versuchungsresistenz-fMRT-Paradigmas zur Versuchungsresistenz werden bekannte Hirnregionen im Entscheidungsprozess angesprochen und es bietet darüber hinaus neue Einblicke in Interaktionseffekte. Weiterführende Studien können über eine Anwendung des Paradigmas an einer größeren klinischen Stichprobe in Verbindung mit genetischer Analytik neue Einblicke in Suchtmechanismen und deren Aufrechterhaltung ermöglichen.

Das Verständnis über visuelle Aufmerksamkeitsprozesse ist nicht nur für die Kognitionsforschung von großem Interesse. Auch in alltäglichen Bereichen des Lebens stellt sich die Frage, wie wir unsere Umwelt in unterschiedlichen Situationen visuell wahrnehmen. Entsprechende Untersuchungen können in realen Szenarien und aufgrund neuer innovativer 3D-Verfahren auch in Umgebungen der virtuellen Realität (VR) durchgeführt werden. Zur Erforschung von Aufmerksamkeitsprozessen wird unter anderem die Methode der Blickbewegungsmessung (Eyetracking) angewandt, da das Sehen für uns Menschen die wichtigste Sinnesmodalität darstellt. Herkömmliche Blickbewegungsmessungen beziehen sich allerdings überwiegend auf zweidimensionale Messebenen, wie Bildschirm, Leinwand oder Szenevideo. Die vorliegende Arbeit stellt eine Methode vor, mit der dreidimensionale Blickorte und Blickbewegungen sowohl in einer realen als auch in einer stereoskopisch projizierten VR-Umgebung anhand moderner Eyetracking-Technologien bestimmt werden können. Dafür wurde zunächst in Studie I geprüft, ob die Blickbewegungsmessung durch die für eine stereoskopische Bildtrennung notwendigen 3D-Brillen hindurch möglich ist und inwieweit durch diesen Versuchsaufbau die Qualität der erhobenen Eyetracking-Daten beeinflusst wird. Im nächsten Schritt wurde zur Berechnung dreidimensionaler Blickorte das Anforderungsprofil an einen universellen Algorithmus erstellt und mit einem vektorbasierten Ansatz umgesetzt. Die Besonderheit hierbei besteht in der Berechnung der Blickvektoren anhand der Augen- bzw. Foveaposition und binokularen Eyetracking-Daten. Wie genau dreidimensionale Blickorte anhand dieses Algorithmus berechnet werden können, wurde nachfolgend in realer (Studie II) als auch stereoskopisch projizierter VR-Umgebung (Studie III) untersucht. Anschließend erfolgte die Bestimmung dreidimensionaler Blickbewegungen aus den berechneten 3D-Blickorten. Dazu wurde ein ellipsoider Fixationserkennungsalgorithmus konzipiert und implementiert. Für die dispersionsbasierte Blickbewegungserkennung waren sowohl ein zeitlicher als auch örtlicher Parameter für die Identifikation einer Fixation erforderlich. Da es noch keinerlei Erkenntnisse im dreidimensionalen Bereich gab, wurden die in Studie II und III ermittelten 3D-Blickorte der ellipsoiden Fixationserkennung übergeben und die daraus berechneten Fixationsparameter analysiert. Die entwickelte Methode der räumlichen Blickbewegungsmessung eröffnet die Möglichkeit, bislang in zwei Dimensionen untersuchte Blickmuster nunmehr räumlich zu bestimmen und grundlegende Zusammenhänge zwischen Blickbewegungen und kognitiven Prozessen dreidimensional sowohl in einer realen als auch virtuellen Umgebung zu analysieren.

Einfache oder komplexe dynamische Systeme stellen Individuen und Gesellschaften gleichermaßen vor mitunter große Herausforderungen, wie regionale und globale Krisen immer wieder zeigen. Ein basales und allgemeines Verständnis dynamischer Zusammenhänge scheint daher nicht nur wünschenswert, sondern mit Blick auf ausgewählte aktuelle Krisen sogar notwendiger denn je. Doch auch in alltäglichen Situationen oder im Schulkontext kann ein fundamentales Verständnis dynamischer Systeme die individuellen Entscheidungen oder den mathematischen Erkenntnisgewinn unterstützen. Allerdings zeigt eine breite Basis empirischer Befunde, dass bereits relativ einfache Dynamiken, wie Fluss-Bestands-Systeme (FB-Systeme), nur unzureichend erfasst zu werden scheinen. Diese Dissertationsschrift verfolgt daher die generelle Fragestellung, wie sich ein basales Verständnis formal einfacher FB-Systeme fördern oder generieren lassen könnte. Aufgrund einer bislang fehlenden einheitlichen theoretischen Beschreibung des FB-Verständnisses und dessen Einflussfaktoren basiert die vorgestellte Untersuchungsserie einerseits auf drei ausgewählten generellen theoretischen Perspektiven und daraus abgeleiteten Einflussfaktoren. Zusätzlich wurden einzelne weitere theoretische Modelle und eine Vielzahl spezifischer empirischer Befunde, zur Wirksamkeit verschiedener Präsentationsformate auf kognitive Fähigkeiten, für die Begründung der experimentellen Manipulationen herangezogen. In einer Serie von sieben experimentellen Untersuchungen wurden diverse Möglichkeiten grafischer Darstellungen, isoliert und in Wechselwirkung mit verschiedenen Personenmerkmalen, empirisch bezüglich ihres Einflusses auf das basale Verständnis illustrierter FB-Systeme überprüft. Unter Anwendung geltender wissenschaftlicher Standards und durch Nutzung moderner inferenzstatistischer Verfahren erlauben die gewonnen Ergebnisse eine fundierte Beurteilung der untersuchten Einflussfaktoren. Organisiert in drei Teilen, konnten in einer Folge von einfachen statischen Abbildungen, über passive dynamische Repräsentationen, bis hin zu interaktiven animierten Interventionsformaten, zahlreiche Illustrationsvarianten in ihrer Wirkung auf ein basales FB-Verständnis beurteilt werden. In den Experimenten 1 bis 3 wurden zunächst ausgewählte statische Darstellungsformate, spezifische Kontexteinbettungen und adaptierte Instruktionsansätze überprüft. Dabei zeigte sich keiner der manipulierten Darstellungsaspekte als genereller Wirkfaktor auf das basale FB-Verständnis. Weder kombinierte oder angepasste Diagrammdarstellungen, noch Zusatzinformationen oder überlebensrelevante Kontexteinbettungen führten zu den erwarteten Verbesserungen des FB-Verständnisses. Selbst, auf etablierten pädagogischen Interventionen basierende Instruktionsformen zeigten keinen systematischen Einfluss auf die Lösungsraten von FB-Aufgaben. In den anschließenden Experimenten 4 bis 6 konnten unter passiven dynamischen Darstellungen – rezipierende Animationen ohne Eingriffsmöglichkeiten – gleichfalls keine generell wirksamen Formate identifiziert werden. Ob fließend oder segmentiert, einmalig oder repetitiv, einzeln oder kombiniert: Keine der untersuchten passiven Animationsarten schlug sich in verbesserten Lösungsraten nieder. Im letzten Teil der Dissertation wurden schließlich interaktiv dynamische Formate am Beispiel von eigens konzipierten computerspielbasierten Lerninterventionen empirisch untersucht. Erneut zeigten sich keine Haupteffekte für die Attribute dieser Art der Informationsvermittlung. Einerseits bieten die gewonnenen Daten insgesamt keine konkreten Hinweise darauf, welche Formate generell geeignet sein könnten, FB-Zusammenhänge verständlich zu kommunizieren. Andererseits ließen sich wiederholt relevante Individualfaktoren identifizieren, die, spezifisch und in Wechselwirkungen mit den Repräsentationsformaten, das Ausmaß des individuellen FB-Verständnisses substanziell zu beeinflussen scheinen. Bereits in den ersten Experimenten traten spezifische Personenmerkmale hervor, die sich über die gesamte Untersuchungsserie hinweg als eigenständige Determinanten prädiktiv für das FB-Verständnis zeigten. Das Geschlecht (wobei Männer im Mittel ein besseres FB-Verständnis zeigten) und die mathematischen Fähigkeiten der Versuchspersonen bestimmen offenbar das Verständnis einfacher dynamischer Systeme deutlich stärker, als jedes der manipulierten Darstellungsformate. Gleichfalls scheinen sie für alle untersuchten Varianten der Repräsentationsformate vergleichbar und unabhängig voneinander relevant zu sein – wie statistische Kontrollmaßnahmen zeigen konnten. Vereinzelt, aber weniger stringent, konnten ebenfalls prädiktive Einflüsse motivationaler und kognitiver Faktoren, wie räumliche Intelligenz, beobachtet werden. Einige dieser Personenmerkmale traten wiederholt, wenn auch ohne erkennbare Systematik, in Wechselwirkung mit den experimentellen Darstellungsvarianten in Erscheinung. In Abhängigkeit von bestimmten Personenmerkmalen wirkten sich demnach einige der untersuchten Darstellungsformen unterschiedlich auf die Leistung in FB-Aufgaben aus. Insbesondere für animierte Präsentationsformate zeigten sich dabei Interaktionseffekte mit dem Geschlecht, wonach Männer und Frauen offenbar von verschiedenen Illustrationsarten profitieren. In nahezu allen Experimenten der Teile II und III konnte ein derartiger Geschlechter-Darstellungsformat-Interaktionseffekt beobachtet werden. Weitaus seltener zeigten sich hingegen Moderatoreffekte von motivationalen oder kognitiven Faktoren. Obwohl die mathematischen Fähigkeiten über alle Experimente hinweg als substanzieller Prädiktor des FB-Verständnisses in Erscheinung traten, fanden sich überdies durchgängig keine Anzeichen für dementsprechende Interaktionseffekte. Darüber hinaus boten explorative Vergleiche zwischen den verschiedenen Experimenten weitere interessante Hinweise auf die Hintergründe des generell relativ schwach ausgeprägten basalen FB-Verständnisses. Da Experiment 6 in Kooperation mit der Pädagogischen Hochschule Heidelberg durchgeführt werden konnte, ließen sich mathematisch sehr gut vorgebildete Versuchspersonen für die Teilnahme gewinnen. Diese zeigten, im Vergleich zu den Kohorten der vorangegangenen Experimente, ein sehr hohes Verständnis der illustrierten FB-Systeme. Dies unterstreicht, über die Bedeutung individueller mathematischer Fähigkeiten hinaus, dass ein gutes bis sehr gutes FB-Verständnis prinzipiell realisierbar ist. Weitere explorative Analysen deuten überdies auf eine besonders positive Wirkung passiver dynamischer Repräsentationen im Kontext der kreierten computerspielbasierten Interventionen. Die in Experiment 7 ursprünglich als Kontrollbedingung konzipierte Darstellungsvariante führte gegenüber einer vergleichbaren Stichprobe weiblicher Versuchsteilnehmer zu deutlich verbesserten Lösungsraten. Ergänzend zu vergleichenden Diskussionen der drei separaten Dissertationsteile folgt eine abschließende Generaldiskussion. Neben generellen Aspekten der Ergebnisse werden darin die zentralen Schlussfolgerungen und Erkenntnisse zusammengefasst. Die Erörterung potenzieller theoretischer und praktischer Implikationen sowie die Vorstellung spezifischer Anschlussfragestellungen und zukünftiger Forschungsanstrengungen bilden den Abschluss dieser Dissertationsschrift.