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Markus Knöpfel

• This dissertation explores the evolving role of problem-solving competence in higher education, particularly considering the growing integration of artificial intelligence and automation in professional settings. As routine tasks increasingly become automated, the ability to think critically, navigate complex problems, and collaborate across disciplines has emerged as a vital skill set for futureThis dissertation explores the evolving role of problem-solving competence in higher education, particularly considering the growing integration of artificial intelligence and automation in professional settings. As routine tasks increasingly become automated, the ability to think critically, navigate complex problems, and collaborate across disciplines has emerged as a vital skill set for future graduates. Against this backdrop, Problem-Based Learning (PBL) has gained attention as a pedagogical approach that fosters precisely these competencies. The first part of this work outlines the broader societal and technological transformations shaping professional life in the 21st century, highlighting the need for adaptable, ethically aware, and reflective problem-solvers. It emphasizes how PBL, rooted in real-world inquiry and collaborative learning, aligns with these demands by promoting deep understanding, self-directed learning, and cross- disciplinary thinking. The core of the dissertation presents three empirical studies that examine the measurability, effectiveness and implementation of PBL in higher education as well as its usability in online learning environments. The first study investigates whether generic problem-solving competence - understood as the ability to independently frame, analyze, and resolve unfamiliar challenges and reengineer using Analogies – can be measured independently of specific content knowledge in short-term instructional settings. The results present an approach which makes the measurement of the impact of problem-solving easy to capture and to react individually to promote the learning development. The second study compares the cognitive learning outcomes of students in PBL courses versus those in traditional tutorial-based formats, with a particular focus on student engagement and the development of problem-solving strategies. Herewith the results present a significant difference in the development and highlight the impact of the use of PBL in comparison to traditional tutorial courses. The third study addresses the growing relevance of digital education by comparing student learning outcomes in face-to-face and online PBL environments. It explores how digital tools and environments can either support or hinder the effectiveness of problem-based learning, and what conditions are necessary for success. Furthermore, the results present an important advantage of face-to-face setting but also support the use of digital environments when they are supported properly. Together, these studies offer evidence-based insights into the potential and limitations of PBL as a teaching method in modern universities. They also provide practical recommendations for educators and curriculum designers seeking to foster problem-solving competence in their students, both in physical classrooms and digital learning environments. The findings contribute to a deeper understanding of how PBL can be adapted and optimized to prepare students for the complex, technology-rich world of tomorrow.…
• Theoretischer Hintergrund Die Dissertation untersucht die gesellschaftlichen, technologischen und bildungsbezogenen Entwicklungen des 21. Jahrhunderts und ordnet sie in den Kontext moderner Hochschullehre beruflich relevanter Kompetenzen ein. Sie beschreibt die zunehmende Bedeutung von Problemlösekompetenzen vor dem Hintergrund einer Welt, die durch künstliche Intelligenz, automatisierteTheoretischer Hintergrund Die Dissertation untersucht die gesellschaftlichen, technologischen und bildungsbezogenen Entwicklungen des 21. Jahrhunderts und ordnet sie in den Kontext moderner Hochschullehre beruflich relevanter Kompetenzen ein. Sie beschreibt die zunehmende Bedeutung von Problemlösekompetenzen vor dem Hintergrund einer Welt, die durch künstliche Intelligenz, automatisierte Prozesse, datengetriebene Entscheidungsmodelle und eine immer höhere Komplexität geprägt ist. Diese Entwicklungen verschieben die Anforderungen an professionelle Handlungskompetenzen und lassen traditionelle Lernformate an ihre Grenzen stoßen. Besonders hervorgehoben wird die Rolle von Problem-Based Learning als didaktischer Ansatz, der Lernende mit realitätsnahen, unstrukturierten und herausfordernden Problemstellungen konfrontiert und dadurch kognitive Flexibilität, kritisches Denken, Selbststeuerung und reflektierte Erkenntnisprozesse fördert. Der Theorieteil der Arbeit zeigt, wie Problemlösen in der Wissenschaft als Kompetenz beschrieben wird, die sich aus der Fähigkeit zusammensetzt, neue Situationen zu analysieren, Probleme angemessen zu repräsentieren, Hypothesen zu bilden, Lösungswege abzuwägen und Entscheidungen zu treffen. Modelle der Didaktik, Kognitionspsychologie und verschiedene Lerntheorien dienen hierfür als Grundlage. Darüber hinaus wird die historische Entwicklung unterschiedlicher PBL-Implementierungen beschrieben, die jeweils Schwerpunkte auf Selbststeuerung, Kontext und kollaborative Wissenskonstruktion legen. Zudem wird die hohe Bedeutung von Analogien als eine Subskala im WILDE-Intelligenztest beschrieben, die schlussfolgerndes Denken abbildet. Analogien ermöglichen es, unbekannte Situationen über die strukturelle Ähnlichkeit zu bekannten Kontexten zu erschließen und bilden einen wesentlichen Mechanismus für Transferleistungen. Dabei erfolgt eine breite Einordnung der Frage, weshalb Problemlösen und Problem-Based Learning zentral für moderne Hochschulbildung sind, wie diese Konzepte zur Bewältigung gesellschaftlicher Herausforderungen beitragen können, wie sie bestenfalls zu implementieren sind und wie Messmethoden der Intelligenzforschung ihre Wirksamkeit untermauern. Methodik Der Kern der Dissertation präsentiert drei empirische Studien, die darauf abzielen, den Einfluss von Problem-Based Learning auf die Entwicklung domänenunabhängiger Problemlösekompetenzen zu untersuchen, deren Messung sowie Ansätze zur erfolgreichen Implementierung und den Abgleich zwischen einem Präsenz- und Onlinesetting im Hinblick auf die Wirksamkeit der Lernmethode. Als Messinstrument wird der WILDE-Intelligenztest eingesetzt, insbesondere die Subskalen des schlussfolgernden Denkens, im Besonderen die Subskala Analogien. In der ersten Studie werden Studierende randomisiert in zwei Gruppen eingeteilt, wobei die eine Gruppe im traditionellen Tutorien-Format und die andere in einem strukturierten PBL-Setting lernt. Beide Gruppen bearbeiten denselben fachlichen Inhalt, jedoch mit unterschiedlicher didaktischer Ausgestaltung. Prä-Posttests werden in einem Crossover-Design durchgeführt, um Veränderungen in den kognitiven Fähigkeiten zu erfassen. Die zweite Studie repliziert dieses Design mit einer größeren Stichprobe und erweitert die Analyse um den Zusammenhang zwischen der im PBL erreichten Kompetenzentwicklung und den Leistungen in den Abschlussprüfungen sowie einem im Verlauf der Bewerbungsphase für das Studium durchgeführten Deutschtest, um weitere Implikationen ableiten zu können. Besonders untersucht wird, ob höhere Werte in der Subskala Analogien des WIT I und WIT II (Version A & B) mit besseren akademischen Leistungen einhergehen. In der dritten Studie wird der Einfluss unterschiedlicher Lernsettings untersucht. Hierbei werden Online-PBL und Face-to-Face-PBL miteinander verglichen. Die Studie untersucht, wie digitale Lernumgebungen die soziale Präsenz, die kognitive Belastung und die Interaktionsqualität beeinflussen und ob diese theoretisch fundierten Aspekte die Entwicklung der Problemlösefähigkeit praktisch verändern. Alle drei Studien nutzen Prä-Post-Designs, statistische Analysen wie t-Tests und multivariate Verfahren und setzen auf sorgfältig konstruierte Lernmaterialien, um sowohl die inhaltliche als auch die didaktische Vergleichbarkeit zwischen den Bedingungen sicherzustellen. Ergebnisse Die Ergebnisse der Studien fallen konsistent zugunsten von PBL aus, mit im Verlauf dargestellten Limitationen. In der ersten Studie zeigen Studierende, die im PBL-Format gearbeitet und gelernt haben, signifikante Verbesserungen im Bereich des schlussfolgernden Denkens und Problemlösens, während die traditionell unterrichtete Vergleichsgruppe keine signifikanten Fortschritte erzielt. Die Effekte sind in der PBL-Gruppe insbesondere im Bereich der Analogien deutlich sichtbar. Die Ergebnisse der zweiten Studie bestätigen diese Aspekte und zeigen zusätzlich, dass Studierende mit höheren Scores im Analogien-Subtest auch bessere Leistungen in Prüfungen erzielen. Dieser Befund legt nahe, dass die im PBL geförderten kognitiven Fähigkeiten nicht nur in Testsituationen, sondern auch im fachlichen Kontext Relevanz besitzen. Die dritte Studie ergänzt diese Perspektive, indem sie die Wirksamkeit von Online-PBL mit der von Präsenz-PBL vergleicht. Beide Gruppen zeigen dabei Kompetenzentwicklungen, allerdings fällt der Zuwachs im Präsenzformat höher aus. Der Autor führt dies auf verschiedene Faktoren zurück, darunter die höhere soziale Präsenz, eine intensivere kommunikative Interaktion und eine geringere extrinsische kognitive Belastung in der Präsenzsituation, die das Lernen im Gruppenkontext erleichtern. Diskussion Die Diskussion setzt die empirischen Befunde in einen breiteren bildungswissenschaftlichen und gesellschaftlichen Kontext. Dabei zeichnen die Ergebnisse ein klares Bild: PBL ist eine wirkungsvolle Lernmethode, die traditionelle Lernformate in der Förderung kausaler, analogiebasierter und transferorientierter Denkprozesse übertrifft und ihre Wirksamkeit sowohl in klassischen als auch in digitalen Szenarien zeigt. Es wird dabei argumentiert, dass Hochschulen ihre Rolle im Angesicht gesellschaftlicher Herausforderungen wie technologischer Transformation, steigender Komplexität und wachsender Erwartungen an berufliche Anpassungsfähigkeit überdenken und ihre didaktischen Modelle auf deren Wirksamkeit hin prüfen müssen. Problem-Based Learning wird als ein Ansatz präsentiert, der den Wandel von wissensorientiertem zu kompetenzorientiertem Lernen sinnvoll unterstützt. Dabei hebt die Arbeit hervor, dass PBL als didaktischer Rahmen nicht nur Wissen vermittelt, sondern Lernprozesse fördert, die für die Bewältigung realer Probleme unabdingbar sind und sich vom domainabhängigen auf domainunabhängiges Lernen übertragen lassen. Bereits die historischen Wurzeln des PBL, etwa im medizinischen Kontext der McMaster University, zeigen, dass die Methode darauf abzielt, mit unvollständigen, widersprüchlichen und komplexen Informationen umzugehen und diese einer Lösung zuzuführen. Die Diskussion beleuchtet kritisch die Herausforderungen digitaler Lernumgebungen: Online-PBL ist wirksam, setzt jedoch klare didaktische Strukturen, technische Zuverlässigkeit und eine bewusste Förderung sozialer Verbundenheit sowie eine kompetente Begleitung durch Lehrpersonal voraus. Andernfalls drohen kognitive Belastung, kommunikative Missverständnisse und ein Verlust an kollektiver Reflexionsfähigkeit. Präsenzsettings bieten ein soziales und kognitives Umfeld, das sich digital nur eingeschränkt replizieren lässt. Gleichzeitig plädiert die Arbeit dafür, digitale Formate nicht als Ersatz, sondern als Ergänzung zu begreifen, die Flexibilität und multimodale Lernangebote ermöglichen und individuelle Förderung in synchronen und asynchronen Kommunikationssettings etablieren kann. Conclusio Abschließend werden die Erkenntnisse zusammengefasst und die Rolle von PBL für die Hochschulbildung der Zukunft betont. Die empirischen Ergebnisse zeigen klar, dass die Methode signifikante Verbesserungen im Bereich der Problemlösekompetenzen bewirken kann und traditionelle Lernmethoden darin übertrifft. Besonders wird die Bedeutung deduktiver und analogieorientierter Denkprozesse hervorgehoben, die sowohl in theoretischen Modellen als auch in den empirischen Befunden eine Rolle spielen. Die Arbeit argumentiert, dass Hochschulen PBL nicht als eine weitere Methode, sondern als grundlegendes Prinzip curricularer Gestaltung verstehen sollten. Digitale Lernumgebungen müssen sorgfältig eingesetzt werden, um die Potenziale technologiegestützten Lernens auszuschöpfen, ohne die wesentliche soziale Interaktion zu vernachlässigen. Insgesamt präsentiert die Arbeit ein empirisches Plädoyer für eine problembasierte, reflexive und kompetenzorientierte Hochschullehre, die Studierende auf die Anforderungen einer komplexen Welt vorbereitet und die hierfür notwendigen Kompetenzen vermittelt.…