How Reasoning Ability, Working Memory Capacity and Conceptual Learning Interrelate

190 Pages·2017·21.43 MB·English

by  Bruno Rütsche

ETH Library
How Reasoning Ability, Working
Memory Capacity and Conceptual
Learning Interrelate: Behavioral
and Neural Evidence
Doctoral Thesis
Author(s):
Rütsche, Bruno
Publication date:
2017
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-b-000210709
Rights / license:
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DISS.ETHNO.24629
How Reasoning Ability, Working Memory Capacity
and Conceptual Learning Interrelate: Behavioral and
Neural Evidence
Athesissubmittedtoattainthedegreeof
DOCTOROFSCIENCESofETHZURICH
(Dr. sc. ETHZurich)
presentedby
BRUNORÜTSCHE
MasterofScienceUZHinPsychologie
bornon20.06.1986
fromBütschwil-Ganterschwil,BütschwilSG
acceptedontherecommendationof
Prof. Dr. ElsbethStern
Prof. Dr. rer. natLutzJäncke
Prof. Dr. RolandGrabner
2017

Acknowledgements
Writing this doctoral thesis has been quite a journey. It was both exciting, rewarding
and the fulfillment of a dream, but at times - in all honesty - also a real test of patience,
endurance, and self-discipline. Although only a single person is officially honored at
the end, it has in fact been a group effort. It would never have been possible alone.
Although there are many more persons who would deserve a thanks, there are a select
fewthatIwanttopersonallyaddress.
First, I want to thank my supervisor Prof. Dr. Elsbeth Stern for making it possible
to write my dissertation in her research group. She has widened my perspective with
herknowledgethroughouttheyearsandprovidedmewithguidancewheneverIneeded
it. However, at the same time, she awarded me with an unparalleled freedom and trust
topursuemyowninterests. Forthat,Icannotbethankfulenough.
All the people at the Chair for Research on Learning and Instruction also deserve a
thanks for shaping the last few years. I am grateful for the many insightful and, at the
sametime,funnydiscussions;itwouldnothavebeenthesamewithoutyou.
Further thanks must go to both Prof. Dr. rer. nat Lutz Jäncke und Prof. Dr. Roland
Grabnerforbeingpartofmydoctoralcommitteeandevaluatingmythesis.
Although one can sometimes hardly believe it, there has been a time before being a
doctoralstudent. Therefore,IwanttothankmyparentsElisabethandPeterRütschefor
supporting me and allowing me to go my own way and brothers Marcel and Urs, well,
forbeingbrothers. Alsothankstoallmyfriends(foratalk,sports,and/or"just"abeer);
youknowwhoyouare.
Finally, although there really is no way to adequately put this into words, I want to
thank my partner Silja Sollberger for her unwavering support, both professionally and
personally. Shehashelpedmecountlesstimestoshapemythoughtswithheringenuity
and(nearly)alwaysfoundawaytocleartheconfusionthatattimesseemedtoovertake.
But most importantly, thank you for all the wonderful experiences together, for putting
everythingintoperspectiveand"simply"forbeingthere.
I
Abstract
The goal of the present thesis was to improve our understanding of the interrelation
between reasoning ability, working memory capacity, and conceptual learning. Three
studies,investigatingissuesandapplyingmethodsfrommultipleresearchareassuchas
educational psychology, cognitive psychology, and cognitive neuroscience, were con-
ductedinthisregard.
The first empirical study was concerned with finding out why working memory ca-
pacityissostronglyrelatedtointelligence,particularlyreasoningability. Dependingon
thetheoreticalposition,interindividualdifferencesinattentioncontrol,storagecapacity
ortheabilityforcontrolledretrievalfromlong-termmemoryarediscussedasthedriving
mechanisms underlying this association. We wanted to add to this debate by compar-
ing these theories not only from a behavioral but also from neural perspective. There-
fore, we measured brain activity with electroencephalography (EEG) during working
memory tasks that are representative for these theoretical accounts and related it to in-
terindividual differences in reasoning ability. We found that neural activity indicative
of all these mechanisms was related to reasoning ability, while behavioral performance
was uninformative in this regard. We interpreted this in line with recent findings sug-
gestingthattheneurocognitivebasisofworkingmemorycapacityandreasoningability
involvesmultiplemechanismsratherthanasingleone.
The second study used the same sample as the first study but focused on the role
of these working memory mechanisms for conceptual learning in an educational con-
text. Sincethesamplewasrecruitedfromalargerclassroomstudyinvestigatingphysics
learning in Swiss higher secondary schools, we could draw on an ecologically valid
measure of conceptual learning. The statistical analysis showed that the performance
in the task requiring controlled retrieval from long-term memory, after controlling for
the processes involved in the other tasks, was uniquely predictive of conceptual learn-
ing. This confirms the crucial role of prior knowledge for learning, since the ability
to specifically retrieve the relevant and disregard the irrelevant information might have
II
Abstract
helpedthedevelopmentofacoherentconceptualknowledgebaseduringtheinstruction.
However,incontrasttothefirststudy,therewasnoaddedvalueofneuralmeasuresover
andabovebehavioralmeasuresto-inthiscase-predicteducationaloutcomes.
The main interest of the third study lay on the interplay of cognitive abilities and
prior knowledge during conceptual learning. Although it is well-known in educational
researchthatpriorknowledgeisthemainfactorinfluencingconceptuallearning,study-
ing its effect has played a secondary role in the category learning literature in cognitive
psychology. This in turn severely restricts the applicability of these findings to real-
world learning situations such as classrooms. In contrast, the complexity of learning in
ecologically valid settings, such as the fact that cognitive ability and prior knowledge
interact during development and are thus inevitably correlated, makes it difficult to dis-
entanglespecific factors. Thus, to bringeducational andcognitiveresearch oncategory
and concept learning closer together, we took advantage of the control awarded by the
experimental approach and developed a novel laboratory-based learning paradigm con-
sisting of two subsequent learning phases: the first phase served to induce prior knowl-
edge, which then had to be refined in the second phase. This allowed us to pinpoint
the unique contributions of cognitive ability and prior knowledge during conceptual
learning. We found that reasoning ability predicted learning in the first phase, while its
effectinthesecondphaseoccurredindirectlyovertheeffectonthefirstlearningphase,
i.e. over the acquired prior knowledge. This is an experimental corroboration of pre-
vious correlational findings showing that the impact of cognitive abilities on learning
decreases once they have been invested in prior knowledge. With respect to learning
in the second phase, prior knowledge was the strongest predictor, but working mem-
ory provided an additional effect. Furthermore, we also assessed learning strategies
and found that participants who followed a rule abstraction rather than a rote learning
approachachievedoverallbetterlearninggains.
Takentogether,bydrawingonissuesandmethodsfrommultipleresearchareas,the
three empirical studies provided novel insights about when and why reasoning ability,
working memory capacity, and conceptual learning are related. The studies, however,
have not only improved our understanding of these associations, but have also yielded
new research questions and possibilities. Accordingly, it is my hope that the present
workservesasaninspirationandstartingpointforfutureresearch.
III
Zusammenfassung
Das Ziel dieser Dissertation war es, die Zusammenhänge zwischen schlussfolgerndem
Denken,ArbeitsgedächtniskapazitätundkonzeptuellemLernenzubeleuchten.Ausdie-
sem Grund wurden drei Studien durchgeführt, welche Fragestellungen und Methoden
mehrerer Forschungsgebiete wie der pädagogischen Psychologie, der kognitiven Psy-
chologieundderkognitivenNeurowissenschaftenvereinten.
DieersteempirischeStudiebefasstesichmitderFrage,wiesoArbeitsgedächtniska-
pazitätundschlussfolgerndesDenkensostarkzusammenhängen.FürdieseengeBezie-
hung werden je nach theoretischem Hintergrund interindividuelle Unterschiede in der
Aufmerksamkeitssteuerung, der Speicherkapazität oder der Fähigkeit zum kontrollier-
tem Abruf aus dem Langzeitgedächtnis verantwortlich gemacht. Wir wollten zu dieser
Debattebeitragen,indemwirdieseTheoriennichtnuraufderVerhaltensebene,sondern
auch auf neuronaler Ebene miteinander verglichen. Aus diesem Grund erfassten wir
mit einem Elektroenzephalogramm (EEG) die Hirnaktivität während kognitiven Auf-
gaben, welche die oben genannten kognitiven Mechanismen besonders erforderten. Es
zeigte sich, dass die Hirnaktivität während all dieser Mechanismen mit der individuel-
len Fähigkeit zu schlussfolgerndem Denken zusammenhing, während die Leistung in
den Aufgaben diesbezüglich nicht informativ war. Diesen Befund interpretierten wir
in Übereinstimmung mit neueren Erkenntnissen so, dass der Zusammenhang zwischen
Arbeitsgedächtniskapazität und schlussfolgerndem Denken aufgrund mehrerer Mecha-
nismenundnichteineseinzelnenMechanismuszuStandekommt.
DiezweiteStudieverwendetediegleicheStichprobewiedieersteStudie,untersuch-
te jedoch den Einfluss dieser Arbeitsgedächtnismechanismen auf konzeptuelles Lernen
ineinemschulischenKontext.WirkonntenaufeinökologischvalidesMassfürkonzep-
tuellesLernenzurückgreifen,weildieTeilnehmerzuvoraneinergrösserenKlassenraum-
Studie teilgenommen hatten, welche zum Ziel hatte, Physiklernen in Schweizer Gym-
nasienzuuntersuchen.DiestatistischeAnalysezeigte,dassdieLeistunginderAufgabe
zumkontrolliertenAbrufausdemLangzeitgedächtnis,nachdemfürdieProzessederan-
IV
Zusammenfassung
deren Aufgaben kontrolliert wurde, besonders prädiktiv für konzeptuelles Lernen war.
DieFähigkeit,sichaufdierelevantenInformationenzubeschränkenundirrelevanteIn-
halte zu ignorieren, schien somit den Aufbau einer kohärenten Wissensbasis während
dem Unterricht zu begünstigen. Dieser Befund unterstreicht die zentrale Rolle, welche
die Aktivierung von Vorwissen für erfolgreiches Lernen spielt. Im Gegensatz zur er-
sten Studie konnte jedoch kein zusätzlicher, über die Verhaltensmasse hinausgehender
NutzenderBerücksichtigungneuronalerMassefürdieVorhersagedesLernerfolgsfest-
gestelltwerden.
Der Fokus der dritten Studie lag darauf, das Zusammenspiel von kognitiven Fähig-
keitenundVorwissenbeimkonzeptuellenLernenbesserzuverstehen.DerEinflussvon
Vorwissen wurde in der kognitiven Psychologie bisher kaum untersucht, obwohl Vor-
wissen in der pädagogischen Psychologie als einer der wichtigsten Faktoren für kon-
zeptuelles Lernen gilt. Die Anwendbarkeit von Befunden der kognitiven Psychologie
auf reale Lernsituationen wie diejenige im Klassenraum ist somit eingeschränkt. Im
GegensatzdazuerschwertesdieKomplexitätderLernsituationimschulischenKontext
denEinflusseinzelnerFaktorenzubestimmen.ZumBeispielkannoftderTatsache,dass
kognitiveFähigkeitenundVorwissenwährendderEntwicklunginteragierenunddeswe-
genunvermeidlichkorreliertsind,nichtRechnunggetragenwerden.VordiesemHinter-
grund war es die Absicht der Studie, die pädagogische und kognitive Forschung zum
Kategorien- und Konzeptlernen näher zusammenzubringen. Wir nutzten dafür die ho-
he Kontrolle des experimentellen Ansatzes und entwickelten ein neues Labor-basiertes
Lernparadigma,dasauszweiaufeinanderfolgendenLernphasenbestand:DieerstePha-
se diente dazu Vorwissen zu induzieren, welches in der zweiten Phase weiter genutzt
und verfeinert werden musste. Dieser Ansatz ermöglichte es, die spezifischen Einflüs-
se von kognitiven Fähigkeiten und Vorwissen während dem Lernen zu bestimmen. Die
Resultatezeigten,dassschlussfolgerndesDenkendasLernenindererstenPhasepositiv
beeinflusste,währendderEffektaufdiezweitePhaseindirektüberdenEffektderersten
Phase, d.h. über das Vorwissen, erfolgte. Dieser Zusammenhang ist eine experimentel-
le Bestätigung von korrelativen Befunden zum abnehmenden Einfluss von kognitiven
Fähigkeiten auf das Lernen, sobald diese in Vorwissen investiert wurden. Der Lerner-
folginderzweitenPhasewurdeüberdasVorwissenhinausauchdurchArbeitsgedächt-
niskapazität hervorgesagt, jedoch in geringerem Masse. Die zusätzliche Messung von
Lernstrategien ergab ausserdem, dass Teilnehmer, die eher versucht hatten eine Regel
V
Zusammenfassung
zu abstrahieren, generell bessere Leistungen erzielten als solche, die eher auswendig
gelernthatten.
Insgesamt konnten in den drei durchgeführten Studien durch die Anwendung von
Methoden mehrerer Forschungsgebiete neuartige Erkenntnisse darüber gewonnen wer-
den, wann und wieso schlussfolgerndes Denken, Arbeitsgedächtniskapazität und kon-
zeptuelles Lernen zusammenhängen. Die Studien haben jedoch nicht nur das Verständ-
nisdieser Beziehungenverbessert, sondernauchneue Forschungsfragenund-möglich-
keitenhervorgebracht.DerAutorhofftdeshalb,dassdievorliegendeArbeitalsInspira-
tionundAusgangspunktfürweitereForschungdient.
VI
Contents
Acknowledgements I
Abstract II
Zusammenfassung IV
List of Figures XI
List of Tables XII
List of Abbreviations XIII
1 Overview 1
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 General Introduction 7
2.1 IntelligenceandReasoningAbility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 WorkingMemory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 ConceptualLearning(andtheRoleofPriorKnowledge) . . . . . . . . 16
2.4 TheImpactofCognitiveAbilitiesonLearning . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5 ResearchQuestionsandSummaryofEmpiricalStudies . . . . . . . . . 22
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 The Neurocognitive Basis of Working Memory Capacity and Rea-
soning Ability: An EEG Study 34
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.1 TheCognitiveBasisofWorkingMemoryCapacity . . . . . . . 35
3.1.2 The Neural Correlates of Working Memory Capacity and Rea-
soningAbility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
VII