In diesem Interview spricht Dr. Anna Schmitt mit Dr. Decarli über ihre neuesten Forschungsergebnisse zur frühen Entwicklung mathematischer Fähigkeiten. Basierend auf der Studie Das Zahlenverständnis im Alter von 12 Monaten lässt Rückschlüsse auf die mathematischen Fähigkeiten von 4-Jährigen zu (Decarli et al., 2023) erläutert Dr. Decarli, wie die Fähigkeit von Säuglingen im Alter von 12 Monaten, Mengen wahrzunehmen, ihre späteren mathematischen Fähigkeiten im Alter von 4 Jahren vorhersagen kann. Diese Forschungsarbeit beleuchtet die Grundlagen der numerischen Kognition und liefert wertvolle Erkenntnisse für Wissenschaftler, Pädagogen und Eltern, die sich für die frühkindliche Entwicklung interessieren.*
*Decarli, G., Zingaro, D., Surian, L. und Piazza, M. (2023). Das Zahlenverständnis im Alter von 12 Monaten lässt Rückschlüsse auf die mathematischen Fähigkeiten von 4-Jährigen zu. Developmental Science, 26(6).
Um auf die vollständige Studie zugreifen zu können, finden Sie hier einen direkten Link: https://doi.org/10.1111/desc.13386
Könnten Sie uns das Ziel Ihrer Studie erläutern?
Das Verständnis und die Berücksichtigung der typischen Entwicklungsverläufe beim Erwerb mathematischer Fähigkeiten sind von entscheidender Bedeutung, da mathematische Kompetenz für alltägliche Aktivitäten unerlässlich ist und es dem Einzelnen ermöglicht, mit numerischen Daten umzugehen, komplexe Probleme im Zusammenhang mit Mengen und Wahrscheinlichkeit zu lösen und fundierte Entscheidungen zu treffen (Geary, 2011). Einige Autoren vertreten die Ansicht, dass sich formale mathematische Fähigkeiten auf der Grundlage eines speziellen neurokognitiven Systems entwickeln, das die Fähigkeit unterstützt, die ungefähre Anzahl von Objekten in Mengen darzustellen; dieses System wird als „Approximate Number System“ (ANS) bezeichnet. Es wird angenommen, dass dieses System die Numerosität mit einer Präzision (die als ANS-Schärfe bezeichnet wird) darstellt, die von Person zu Person variiert und sich mit zunehmender Reife sowie im Laufe des Mathematiklernens verändert.
Die meisten Studien, die den Zusammenhang zwischen dem autonomen Nervensystem (ANS) und mathematischen Fähigkeiten untersucht haben, stützten sich auf korrelative Ansätze und nutzten dabei interindividuelle Unterschiede. Allerdings wurden dabei meist Kinder untersucht, die bereits in irgendeiner Form an mathematischen Lerninhalten teilgenommen hatten (z. B. verbale Zählprinzipien). Dies erschwert es, die Richtung des Kausalzusammenhangs zwischen der ANS-Schärfe und symbolischen mathematischen Fähigkeiten zu bestimmen. Daher war es das Ziel unserer Studie zu untersuchen, ob die frühe Zahlenwahrnehmungsschärfe von Säuglingen als Grundlage für spätere mathematische Fähigkeiten dient. Konkret wollten wir feststellen, ob die im Alter von 12 Monaten – also lange vor jeglichem mathematischen Lernen – gemessene ANS-Schärfe ein zuverlässiger und spezifischer Prädiktor für symbolische mathematische Fähigkeiten im Alter von 4 Jahren ist, unabhängig von der allgemeinen Intelligenz oder den Hemmungsfähigkeiten. Dieser Längsschnittansatz wurde konzipiert, um frühere Forschungsergebnisse zu replizieren und zu erweitern, wobei eine Stichprobe aus einem anderen kulturellen und sprachlichen Umfeld sowie verschiedene Aufgaben zum Einsatz kamen, um die Spezifität und Robustheit dieses Entwicklungszusammenhangs zu überprüfen.
Welche Lücken in der wissenschaftlichen Literatur hat Ihre Studie geschlossen?
Unsere Studie baut auf der bahnbrechenden, aber in sich abgeschlossenen Arbeit von Starr und Kollegen (2013) auf, die erstmals zeigten, dass die im Alter von 6 Monaten gemessene ANS-Schärfe die Leistungen in symbolischer Mathematik im Alter von 3,5 Jahren longitudinal vorhersagte. Mit unserer Studie wollten wir ihre wichtigen Ergebnisse replizieren und gleichzeitig neue Elemente einführen, um dieses Thema weiter zu untersuchen. Konkret führten wir eine Längsschnittstudie durch, in der wir zunächst 12 Monate alte Säuglinge sowohl bei einer Aufgabe zur Wahrnehmung von Zahlenmengen als auch bei einer Aufgabe zur Wahrnehmung von Gesichtern testeten. Letztere diente als Kontrollaufgabe, um die Spezifität des potenziellen Zusammenhangs zwischen der Wahrnehmung von Zahlenmengen und mathematischen Fähigkeiten zu bewerten und sicherzustellen, dass dieser Zusammenhang nicht durch allgemeinere Wahrnehmungsfähigkeiten beeinflusst wurde. Bemerkenswert ist, dass wir – anders als Starr et al., die bei den Teilnehmern unterschiedliche Kontrollaufgaben verwendeten (entweder eine Farberkennungsaufgabe oder eine Größenerkennungsaufgabe) – für alle Teilnehmer dieselbe Kontrollaufgabe (Gesichtserkennung) einsetzten. Dieser einheitliche Ansatz stellte sicher, dass die Teilnehmer durchgängig hinsichtlich derselben nicht-numerischen Wahrnehmungsfähigkeit bewertet wurden.
Anschließend untersuchten wir dieselben Teilnehmer im Alter von 4 Jahren erneut anhand eines umfassenden Satzes nicht-symbolischer und symbolischer formaler Mathematikaufgaben sowie allgemeiner Verarbeitungsfähigkeiten, darunter Messungen der allgemeinen Intelligenz, eine Gesichtsunterscheidungsaufgabe sowie Aufgaben zur Hemmungsfähigkeit. Die Einbeziehung einer Hemmungsaufgabe war ein weiterer neuartiger Aspekt unserer Studie. Tatsächlich deuten neuere Forschungsergebnisse darauf hin, dass die inhibitorische Kontrolle sowohl bei Aufgaben zum Vergleich der Anzahl (indem sie dabei hilft, irrelevante visuelle Informationen zugunsten numerischer Informationen zu unterdrücken) als auch bei formalen mathematischen Aufgaben (indem sie komplexe Berechnungen unterstützt) eine Schlüsselrolle spielen könnte. Nach dieser Auffassung ließe sich die beobachtete Korrelation zwischen der ANS-Schärfe und der Leistung bei symbolischen Mathematikaufgaben durch die gemeinsame Abhängigkeit von der inhibitorischen Kontrolle erklären.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Untersuchung einer neuen Stichprobe mit einem anderen sprachlichen und kulturellen Hintergrund als bei Starr et al., die Durchführung einer Kontrollaufgabe zur Gesichtswahrnehmung bei allen Säuglingen im Alter von 12 Monaten sowie die Einführung eines Tests zur Hemmungsfähigkeit uns neue Erkenntnisse über die Rolle der frühen Wahrnehmung von Mengen bei der Entwicklung mathematischer Fähigkeiten liefern.
Welchen methodischen Ansatz haben Sie gewählt, und warum?
In unserer Forschung haben wir ein Längsschnittstudiendesign umgesetzt. Bei dieser Art von Studie werden dieselben Teilnehmer über einen längeren Zeitraum hinweg zu mehreren Zeitpunkten untersucht, sodass Forscher Veränderungen und Entwicklungsverläufe bei denselben Personen verfolgen können. In unserem Fall ermöglichte uns dieser Ansatz, noch nicht sprechende Kleinkinder im Alter von 12 Monaten zu untersuchen und sie im Alter von 4 Jahren erneut zu testen, um die untersuchten Fähigkeiten in verschiedenen Entwicklungsstadien zu messen. Die größte Stärke dieser Art von Studiendesign besteht darin, dass wir beobachten können, wie sich frühe Fähigkeiten im Laufe der Zeit entwickeln, und individuelle Entwicklungsverläufe nachverfolgen können. Indem wir dieselben Teilnehmer über mehrere Zeitpunkte hinweg begleiteten, konnten wir einen zeitlichen Zusammenhang zwischen frühen Fähigkeiten im Bereich der Zahlenvorstellung und späteren symbolischen Erwerbungen (wie dem Zählen) herstellen. Dies liefert weitere Belege für die Hypothese, die einen Zusammenhang zwischen diesen beiden Fähigkeiten postuliert.
Was waren Ihre ursprünglichen Hypothesen, und worauf beruhten diese?
Unsere ursprüngliche Hypothese lautete, dass die Fähigkeit von Säuglingen, numerische Mengen wahrzunehmen und zu verarbeiten, eine spezifische und selektive Rolle bei der Entwicklung späterer mathematischer Fähigkeiten spielen könnte. Konkret stellten wir die Hypothese auf, dass die Leistungsfähigkeit des ANS (und nicht andere Wahrnehmungsfähigkeiten wie beispielsweise die Gesichtswahrnehmung) im Alter von 12 Monaten die frühen symbolischen mathematischen Fähigkeiten im Alter von 4 Jahren vorhersagen würde. Gemäß dieser Hypothese hilft die ANS Kindern dabei, symbolische Darstellungen mit ihrem intuitiven Verständnis von Mengen zu verknüpfen, sodass sie Zahlenwörtern eine Bedeutung zuweisen und diese Symbole auf ihre bereits vorhandenen Vorstellungen von Größenordnungen abbilden können. Diese Hypothese wurde durch frühere Forschungsergebnisse motiviert, die einen Längsschnittzusammenhang zwischen der Wahrnehmung von Mengen und den mathematischen Leistungen bei Kindern im Schulalter belegen (Libertus, Feigenson & Halberda, 2011; Halberda, Mazzocco & Feigenson, 2008; Libertus, Odic & Halberda, 2012). Zudem wurden bei Kindern mit Entwicklungsdyskalkulie, einer spezifischen Lernstörung im Bereich der Mathematik, Defizite bei Aufgaben zum Vergleich der Anzahl beobachtet, bei denen die Teilnehmer die größere von zwei Mengen angeben müssen (siehe Decarli et al., 2020; Decarli et al., 2023).
Eine weitere wichtige Hypothese, die unserer Forschung zugrunde lag, war, dass der Zusammenhang zwischen der Sensitivität des autonomen Nervensystems (ANS) und mathematischen Fähigkeiten nicht durch allgemeine Intelligenz oder inhibitorische Fähigkeiten bedingt sein würde. In der wissenschaftlichen Literatur haben einige Autoren die These aufgestellt, dass inhibitorische Fähigkeiten eine bedeutende Rolle im Zusammenhang zwischen der Sensitivität des ANS und mathematischen Fähigkeiten spielen würden (z. B. Gilmore et al., 2013). Im Gegensatz zu dieser theoretischen Position erwarteten wir, eine Korrelation zwischen dem autonomen Nervensystem und mathematischen Fähigkeiten zu finden, die auch nach Berücksichtigung domänenübergreifender Fähigkeiten signifikant bleiben würde.
Welche Lerngruppen gab es bei euch, und warum wurden sie ausgewählt?
An unserer Studie nahm eine Gruppe von 60 Säuglingen teil, die zunächst im Alter von 12 Monaten getestet wurden, sowie eine Folgeuntersuchungsstichprobe von 40 Kindern aus derselben Gruppe, die im Alter von 4 Jahren getestet wurden. Wir wählten diesen Altersbereich, um zwei wichtige Entwicklungsstadien zu erfassen: vorverbale Kleinkinder, die noch keine formalen numerischen Kenntnisse erworben haben, und Kinder im Vorschulalter, die beginnen, sich mit symbolischen mathematischen Konzepten auseinanderzusetzen. Die Auswahl dieser spezifischen Altersgruppen ergab sich aus unserem Ziel, die Vorläufer symbolischen mathematischen Wissens vor Beginn jeglicher formaler Bildung zu untersuchen. Durch die Untersuchung von Säuglingen im Alter von 12 Monaten konnten wir ihre frühe Zahlenwahrnehmung beurteilen, während die Nachuntersuchung im Alter von 4 Jahren Aufschluss über ihre sich entwickelnden numerischen/symbolischen Fähigkeiten in einer für das frühe Lernen entscheidenden Phase gab.
Was sind Ihre wichtigsten Ergebnisse?
Unsere Studie ergab mehrere wichtige Erkenntnisse. Erstens stellten wir einen signifikanten Zusammenhang zwischen der Schärfe des autonomen Nervensystems (gemessen anhand einer Punktvergleichsaufgabe) und den mathematischen Fähigkeiten im Alter von vier Jahren fest. Dagegen konnten wir keinen Zusammenhang zwischen mathematischen Fähigkeiten und Hemmungsfähigkeiten feststellen, was darauf hindeutet, dass diese allgemeinen kognitiven Fähigkeiten in dieser Entwicklungsphase möglicherweise keine wesentliche Rolle beim frühen Erlernen mathematischer Fähigkeiten spielen.
Bei der Auswertung der Längsschnittdaten stellten wir fest, dass die anhand eines impliziten Änderungserkennungsparadigmas im Alter von 12 Monaten gemessene Zahlenwahrnehmungsschärfe signifikant mit der Leistung der Kinder bei einer expliziten Punktvergleichsaufgabe im Alter von 4 Jahren korrelierte, was auf eine hohe zeitliche Zuverlässigkeit der verschiedenen Messverfahren hindeutet. Noch wichtiger war jedoch die zentrale Erkenntnis, dass wir die signifikante Längsschnittkorrelation zwischen der ANS-Schärfe im Alter von 12 Monaten und der Leistung in einem standardisierten symbolischen Mathematiktest im Alter von 4 Jahren replizieren konnten, wie sie ursprünglich von Starr et al. beobachtet worden war (auch wenn sich das Alter unserer Teilnehmer leicht von dem der ursprünglichen Studie unterschied). Dieser Zusammenhang war robust, da er auch nach Berücksichtigung der allgemeinen Intelligenz und der Hemmungsfähigkeiten signifikant blieb. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass dieser Zusammenhang spezifisch für die Zahlenwahrnehmung war: Weder unsere Kontrollaufgabe – eine im Alter von 12 Monaten gemessene Fähigkeit zur Gesichtserkennung – sagte die spätere mathematische Leistung voraus, noch sagte die ANS im Alter von 12 Monaten die Fähigkeiten zur Gesichtsverarbeitung im Alter von 4 Jahren voraus.
Zusammenfassend lassen diese Ergebnisse darauf schließen, dass die Zahlenscharfheit bei Vorschulkindern mit den mathematischen Fähigkeiten korreliert und dass die frühe Wahrnehmung von Zahlen im Alter von 12 Monaten als zuverlässiger und spezifischer Prädiktor für spätere mathematische Fähigkeiten im Alter von 4 Jahren angesehen werden kann. Entscheidend ist, dass dieser Zusammenhang nicht durch domänenübergreifende Fähigkeiten wie den IQ oder die inhibitorische Kontrolle vermittelt wurde.
Stützen sie Ihre Forschungshypothesen? Stimmen sie mit der wissenschaftlichen Literatur überein oder weichen sie davon ab?
Unsere Ergebnisse stützen im Großen und Ganzen unsere Hypothesen und stimmen mit einer früheren, ähnlichen Studie auf diesem Gebiet überein. Insbesondere konnten wir die wichtigsten Längsschnitt-Ergebnisse von Starr und Kollegen reproduzieren und damit bestätigen, dass die frühe Leistungsfähigkeit des autonomen Nervensystems ein langfristiger Vorläufer späterer mathematischer Fähigkeiten ist. Diese Übereinstimmung untermauert die Belege für einen entwicklungsbedingten Zusammenhang zwischen der frühen Wahrnehmung von Zahlenmengen und formalen mathematischen Fähigkeiten vom Säuglingsalter bis in die Kindheit hinein.
Im Einklang mit unseren Hypothesen, jedoch im Gegensatz zu einigen Veröffentlichungen, lieferten unsere Ergebnisse keine Belege für eine Rolle inhibitorischer Fähigkeiten beim Erlernen der Mathematik. Diese Erkenntnis steht im Gegensatz zu einigen Theorien, die vermuten lassen, dass inhibitorische Fähigkeiten den beobachteten Zusammenhang zwischen dem autonomen Nervensystem (ANS) und der mathematischen Leistung erklären könnten. So schlugen beispielsweise Gilmore und Kollegen (2013) vor, dass Aufgaben zum Vergleich von Punkten auf inhibitorischer Kontrolle beruhen, da die Teilnehmenden Reaktionen auf nicht-numerische Merkmale wie Größe oder Dichte unterdrücken müssen. Nach ihrer Auffassung ließen sich individuelle Unterschiede in der mathematischen Leistung eher durch Unterschiede in der Hemmung erklären als durch numerische Repräsentationen an sich. Unsere Daten stützen diese Hypothese nicht. Wir fanden keine Korrelation zwischen mathematischen Fähigkeiten und inhibitorischen Fähigkeiten, und der beobachtete Zusammenhang zwischen der Schärfe des autonomen Nervensystems und der symbolischen Mathematik blieb auch nach Kontrolle für die Hemmung bestehen.
Können die Ergebnisse dieser Studie in der Praxis für Lehrer, Schulpsychologen, Ärzte oder sogar Eltern von Nutzen sein? Wenn ja, in welchem Umfang?
Die Ergebnisse unserer Studie liefern wertvolle Informationen für alle, die an der frühkindlichen Entwicklung beteiligt sind, darunter Pädagogen, Psychologen und Eltern. Unsere Ergebnisse zeigen, dass bereits in den ersten Lebensmonaten interindividuelle Unterschiede in der Wahrnehmung von Zahlenmengen bestehen, die später in der Kindheit zu unterschiedlichen mathematischen Leistungen führen können. Dieses Wissen könnte dabei helfen, Kinder zu identifizieren, bei denen das Risiko für mathematikbezogene Lernschwierigkeiten besteht, und zur frühzeitigen Erkennung von Schwierigkeiten beitragen, die später zu Problemen im Mathematikunterricht führen könnten. Darüber hinaus könnten die Ergebnisse unserer Studie Pädagogen und Psychologen dabei unterstützen, gezielte und rechtzeitige Fördermaßnahmen zu entwickeln, die darauf abzielen, diese Fähigkeiten bereits im Vorschulalter so früh wie möglich zu stärken. Schließlich unterstreichen unsere Ergebnisse für Eltern, wie wichtig es ist, Kinder schon von klein auf zur Auseinandersetzung mit Mengen und Zahlen zu ermutigen. Alltägliche Aktivitäten, wie das Vergleichen von Mengen, könnten dazu beitragen, das intuitive Zahlenverständnis der Kinder zu fördern und so möglicherweise ihre spätere mathematische Entwicklung unterstützen.
Welche möglichen Zusammenhänge oder Verbindungen sehen Sie zwischen Ihrer Studie und den wissenschaftlichen Untersuchungen, die im Zusammenhang mit Magrid durchgeführt wurden?
Cornu, V., Schiltz, C., Pazouki, T. und Martin, R. (2017b). Förderung frühkindlicher visuell-räumlicher Fähigkeiten: Eine kontrollierte Interventionsstudie im Klassenzimmer. Angewandte Entwicklungswissenschaft, 23(1), 1–21. https://doi.org/10.1080/10888691.2016.1276835
Jung, S., Meinhardt, A., Braeuning, D., Roesch, S., Cornu, V., Pazouki, T., Schiltz, C., Lonnemann, J. und Moeller, K. (2020c). Hierarchische Entwicklung früher visuell-räumlicher Fähigkeiten – Eine taxonomiebasierte Beurteilung mithilfe der MaGrid-App. Frontiers in Psychology, 11. https://doi.org/10.3389/fpsyg.2020.00871
Pazouki, T., Cornu, V., Sonnleitner, P., Schiltz, C., Fischbach, A. & Martin, R. (2018d). MaGrid: Eine sprachneutrale Anwendung für die frühe mathematische Förderung und das Lernen. International Journal of Emerging Technologies in Learning (iJET), 13(08), 4. https://doi.org/10.3991/ijet.v13i08.8271
Es bestehen klare Verbindungen zwischen unserer Studie und den im Rahmen des Magrid-Projekts durchgeführten Arbeiten, da sich beide mit den frühen Vorläufern der Mathematik befassen. Während unsere Studie darauf abzielt, diese grundlegenden Fähigkeiten zu bewerten, konzentriert sich Magrid hauptsächlich auf deren Training mithilfe einer sprachneutralen Anwendung. Beide Ansätze betonen die Bedeutung der Zahlenwahrnehmung als Schlüsselfaktor für den späteren Erwerb mathematischer Fähigkeiten. Diese sich ergänzenden Ansätze unterstreichen die entscheidende Rolle der frühen numerischen Kognition bei der Förderung der mathematischen Entwicklung von Kindern und weisen auf mögliche pädagogische Anwendungsbereiche sowohl für die Beurteilung als auch für Fördermaßnahmen hin.
Was ist das Thema Ihrer aktuellen wissenschaftlichen Forschung?
Derzeit arbeite ich an mehreren Forschungsprojekten, die sich mit verschiedenen Aspekten des Lernens befassen. Im Mittelpunkt meiner aktuellen Forschung steht insbesondere die Untersuchung der Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Legasthenie und Dyskalkulie sowohl auf kognitiver als auch auf neuronaler Ebene. Außerdem untersuche ich die Rolle positiver und negativer Emotionen im Lernprozess und analysiere, wie emotionale Zustände die schulischen Leistungen und die kognitive Entwicklung von Kindern beeinflussen können. Schließlich schließe ich gerade eine Studie über domänenübergreifende und domänenspezifische Vorläufer mathematischer Fähigkeiten ab, um die frühen kognitiven Faktoren zu identifizieren, die zum Erwerb mathematischer Fähigkeiten beitragen.
