Numerische Kognition und Mathematiklernen

Mathematische Lernschwierigkeiten (d. h. Dyskalkulie) treten auf, wenn Kinder die Bedeutung von Zahlen nicht verstehen. Um diesen Kindern helfen zu können, müssen wir wissen, wie unser Geist und unser Gehirn die Bedeutung von Zahlen erlernt und darstellt. Unsere Forschung nutzt verschiedene Verhaltens- und Neuroimaging-Methoden, um die grundlegenden Prinzipien dieses Prozesses zu untersuchen. Dieses Wissen kann entscheidende Erkenntnisse darüber liefern, warum manche Kinder Schwierigkeiten haben, die Bedeutung von Zahlen zu erfassen. Letztlich können sie zu Interventionen führen, die die Entwicklung mathematischer Fähigkeiten bei Kindern mit Lernschwierigkeiten wirksam fördern.

1. Vogel, S. E. & B. De Smedt. (2021). Developmental brain dynamics of numerical and arithmetic abilities. Npj Science of Learning, 6(1), Article 1. https://doi.org/10.1038/s41539-021-00099-3
2. Sommerauer, G., Graß, K.-H., Grabner, R. H., & Vogel, S. E. (2020). The semantic control network mediates the relationship between symbolic numerical order processing and arithmetic performance in children. Neuropsychologia, 141, 107405. https://doi.org/10.1016/j.neuropsychologia.2020.107405
3. Heidekum, A. E., Grabner, R. H., De Smedt, B., De Visscher, A., & Vogel, S. E. (2019). Interference during the retrieval of arithmetic and lexico-semantic knowledge modulates similar brain regions: Evidence from functional magnetic resonance imaging (fMRI). Cortex, 120, 375–393. https://doi.org/10.1016/j.cortex.2019.06.007

Viele Kinder und Erwachsene tun sich beim Erlernen und in der Anwendung von effizienten Rechenstrategien schwer. Die Folgen von ineffizienten Strategien und den daraus resultierenden Rechenfehlern können schwerwiegend und auch sehr kostspielig sein. Wir verwenden bildgebende Verfahren, um besser zu verstehen, wie das Gehirn den Erwerb von Rechenstrategien unterstützt und wie wir von ineffektiven Rechenstrategien (z. B. Zählen) zu effizienteren (z. B. Abruf von arithmetischen Fakten) wechseln. Die Erkenntnisse aus dieser Forschung lassen sich direkt auf den Unterricht übertragen und bilden die Wissensgrundlage zur Erforschung von Hirnstimulationstechniken um die Entwicklung von Rechenstrategien zu fördern und zu verbessern.

1. Brunner, C., Koren, N. A., Scheucher, J., Mosbacher, J. A., De Smedt, B., Grabner, R. H., & Vogel, S. E. (2021). Oscillatory electroencephalographic patterns of arithmetic problem solving in fourth graders. Scientific Reports, 11(1), Article 1. https://doi.org/10.1038/s41598-021-02789-9
2. Grabner, R. H., Brunner, C., Lorenz, V., Vogel, S. E., & De Smedt, B. (2021). Fact retrieval or compacted counting in arithmetic-A neurophysiological investigation of two hypotheses. Journal of Experimental Psychology. Learning, Memory, and Cognition. https://doi.org/10.1037/xlm0000982

Haben Sie sich schon einmal gefragt, warum manche Menschen anscheinend besser rechnen können, z. B. wie viel Geld sie für ihr Mittagessen oder auf dem Markt ausgegeben haben? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir die Faktoren untersuchen, die diese Fähigkeit beeinflussen, und verstehen, wie das Gehirn bei Berechnungen arbeitet. Einer dieser zentralen Faktoren ist die Metakognition: die Fähigkeit, mentale Operationen zu überwachen (z. B. zu wissen, dass ich einen Fehler gemacht habe) und sie entsprechend anzupassen (z. B. Strategien zu ändern). In diesem Projekt werden wir eine Kombination aus Querschnitts- und Längsschnitt-Experimenten und bildgebenden Verfahren (EEG) einsetzen, um die mentalen und Gehirnprozesse zu untersuchen, die mit metakognitiver Regulierung und Rechnen bei Kindern und Erwachsenen verbunden sind. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit werden uns dabei helfen, Lehrmaterialien und Lernmethoden zu verbessern, um allen Menschen zu besseren Leistungen in Mathematik zu verhelfen.

1. Vogel, S. E., & De Smedt, B. (2021). Developmental brain dynamics of numerical and arithmetic abilities. Npj Science of Learning, 6(1), Article 1. https://doi.org/10.1038/s41539-021-00099-3
2. Bellon, E., Fias, W., & De Smedt, B. (2019). More than number sense: The additional role of executive functions and metacognition in arithmetic. Journal of Experimental Child Psychology, 182, 38–60. https://doi.org/10.1016/j.jecp.2019.01.012
3. Bellon, E., Fias, W., Ansari, D., & De Smedt, B. (2020). The neural basis of metacognitive monitoring during arithmetic in the developing brain. Human Brain Mapping, 41(16), 4562–4573. https://doi.org/10.1002/hbm.25142

Ist die Gleichung 1/3 + 1/4 = 2/7 richtig? Oder ist sie es nicht? Manchmal steht unser erster Eindruck im Widerspruch zu wissenschaftlichen Erkenntnissen: die obige Gleichung fühlt sich richtig an, sie ist es aber nicht (1/3 + 1/4 = 7/12). Häufig geben wir dieser Intuition nach und treffen überstürzte Entscheidungen, die uns auch zu kritischen Fehlern verleiten können. In diesem Forschungsgebiet untersuchen wir, wie das menschliche Gehirn mathematische (Fehl-)Konzepte repräsentiert und wie wir intuitive Fehlentscheidungen im Kontext der Mathematik unterdrücken und überwinden können. Die Erkenntnisse aus dieser Forschung helfen uns, neue Lern- und Lehrmethoden zu entwickeln, um konzeptuellen Fehlvorstellungen entgegenzuwirken und Interferenzen zu verringern.

1. Stricker, J., Vogel, S. E., Schöneburg-Lehnert, S., Krohn, T., Dögnitz, S., Jud, N., Spirk, M., Windhaber, M.-C., Schneider, M., & Grabner, R. H. (2021). Interference between naïve and scientific theories occurs in mathematics and is related to mathematical achievement. Cognition, 214, 104789. https://doi.org/10.1016/j.cognition.2021.104789
2. Meier, M. A., Wambacher, D., Vogel, S. E., & Grabner, R. H. (2022). Interference between naïve and scientific theories in mathematics and science: An fMRI study comparing mathematicians and non-mathematicians. Trends in Neuroscience and Education, 29, 100194. https://doi.org/10.1016/j.tine.2022.100194

Lernumgebungen, in denen Lerninhalte in anderen Sprachen, als die Muttersprache der Lernenden, dargeboten werden, gewinnen seit den letzten Jahren immer mehr an Beliebtheit. Diese Art des Lernens ist jedoch stets mit Kosten verbunden, welche Auftreten sobald das erlernte wissen in einer anderen Sprache benötigt wird. Diese Kosten können sowohl die Genauigkeit als auch die Geschwindigkeit bei der Wiedergabe dieser Inhalte in einer anderen Sprache beeinflussen. Im Zuge des BilMath Projekts versuchen wir die Mechanismen hinter diesen Kosten genauer zu verstehen. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse können somit bei einer effizienten Gestaltung von mehrsprachigen Lernumgebungen beitragen.

1. Wußing, M., Grabner, R. H., Sommer, H., & Saalbach, H. (2023) Language-switching and retrieval-based learning: an unfavorable combination. Frontiers in Psychology, 14, https://doi.org/10.3389%2Ffpsyg.2023.1198117
2. Saalbach, H., Eckstein, D., Andri, N., Hobi, R., & Grabner, R. H. (2013). When language of instruction and language of application differ: Cognitive costs of bilingual mathematics learning. Learning and Instruction, 26, 36-44. https://doi.org/10.1016/j.learninstruc.2013.01.002