Jonas Schäfer

• Problem-solving is part of many activities in every-day life and of educational tasks. Problem-solving abilities have been shown to benefit personal and professional success and, thus, are considered an essential learning outcome in early and middle childhood, particularly in the science domain. Previous research has indicated that problem-solving is based on a complex interplay of domain-specific knowledge, such as science concept knowledge, and domain-general cognitive abilities, such as reasoning. However, there is disagreement on whether domain-specific knowledge or domain-general cognitive abilities are the dominant predictor of children’s problem-solving performance. Furthermore, evidence on the impact of executive functions on children’s problem-solving performance is rare and inconclusive, which may be attributed to an insufficient number of appropriate assessment instruments. Therefore, the two major goals of the present dissertation were (1) to develop and validate new digital problem-solving tasks for children and (2) to investigate the cognitive correlates of science problem-solving in elementary school children. In Study 1, science problem-solving tasks with gears and building blocks were developed for tablet-based application and validated by demonstrating measurement invariance and convergent validity in a sample of 215 six- to eight-year-old children. Based on the same sample, Study 2 showed that domain-specific knowledge was significantly less predictive for science problem-solving performance than the domain-general cognitive abilities language and reasoning. Based on another sample of 476 six- to eight-year-olds, Study 3 demonstrated that the core executive functions working memory and cognitive flexibility were positively related to science problem-solving performance, but inhibition was not. These findings provide important new insights into the cognitive correlates of children’s problem-solving that are discussed with regard to problem structures, cognitive mechanisms, and future research perspectives.
• Problemlösen ist Teil vieler Alltagsaktivitäten und schulischer Aufgaben. Es hat sich gezeigt, dass Problemlösungsfähigkeiten zu persönlichem und beruflichem Erfolg beitragen und daher, gerade im Bereich der Naturwissenschaften, als wesentliches Lernziel in der frühen und mittleren Kindheit angesehen werden. Bisherige Forschung hat gezeigt, dass das Problemlösen auf einem komplexen Zusammenspiel von bereichsspezifischem Wissen, wie dem Wissen über naturwissenschaftliche Konzepte, und bereichsübergreifenden kognitiven Fähigkeiten, wie dem logischen Denken, beruht. Es besteht jedoch Uneinigkeit darüber, ob bereichsspezifisches Wissen oder bereichsübergreifende kognitive Fähigkeiten der wichtigere Prädiktor für die Problemlösungsleistung von Kindern ist. Darüber hinaus gibt es nur wenig und widersprüchliche Evidenz für den Einfluss exekutiver Funktionen auf die Problemlösungsleistung von Kindern, was auf eine unzureichende Anzahl geeigneter Erhebungsinstrumente zurückzuführen sein könnte. Daher waren die beiden Hauptziele der vorliegenden Dissertation (1) die Entwicklung und Validierung neuer digitaler Problemlösungsaufgaben für Kinder und (2) die Untersuchung der kognitiven Korrelate des naturwissenschaftlichen Problemlösens bei Grundschulkindern. In Studie 1 wurden naturwissenschaftliche Problemlösungsaufgaben mit Zahnrädern und Bausteinen für eine tabletbasierte Anwendung entwickelt und durch den Nachweis von Messinvarianz und konvergenter Validität in einer Stichprobe von 215 sechs- bis achtjährigen Kindern validiert. Auf Grundlage derselben Stichprobe zeigte Studie 2, dass bereichsspezifisches Wissen einen signifikant geringeren Einfluss auf die Leistung im naturwissenschaftlichen Problemlösen hatte als die bereichsübergreifenden kognitiven Fähigkeiten Sprache und logisches Denken. Auf Grundlage einer weiteren Stichprobe von 476 Sechs- bis Achtjährigen zeigte Studie 3, dass die exekutiven Kernfunktionen Arbeitsgedächtnis und kognitive Flexibilität positiv mit der Leistung im naturwissenschaftlichen Problemlösen zusammenhingen, die Inhibition hingegen nicht. Diese Ergebnisse liefern wichtige neue Erkenntnisse über kognitive Fähigkeiten, die kindlichem Problemlösen zugrunde liegen, welche im Hinblick auf Problemstrukturen, kognitive Mechanismen und zukünftige Forschungsperspektiven diskutiert werden.