Basiswissen Heuristik Strukturiertes Denken als allgemeine Strategie zur

Basiswissen Heuristik Strukturiertes Denken als allgemeine Strategie zur Lösung komplexer Probleme 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 1

Kapitel 1 : Grundlagen des Wissensgebiets Heuristik 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 2

Was sind Heuristiken „Bekannte Heuristiken sind zum Beispiel Versuch und Irrtum (trial and error), statistische Auswertung von Zufalls-Stichproben und das Ausschlussverfahren. Heuristische Verfahren basieren auf Erfahrungen; sie können auch auf „falschen“ Erfahrungen (z. B. verzerrte Wahrnehmung, Vorurteilen und Neigungen[bias], Scheinkorrelation…) basieren. “* * Wikipedia: „Heuristik“, 2016 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 3

Was sind Heuristiken gibt es seit dem Altertum: * Erste Ansätze stammen aus dem 4. Jahrhundert vom griechischen Mathematiker Pappos von Alexandria. Pappos entwickelte folgende Methode: 1. Betrachte das Problem als gelöst; 2. suche den Lösungsweg durch Rückwärtsschreiten (Analyse; engl. working backwards); 3. beweise durch Vorwärtsschreiten (Synthese; engl. working forwards), dass dieser Weg zur Lösung führt. Weitere Ansätze: Bernard Bolzano (1781– 1848) "Ich glaube keineswegs, hier irgendein Verfahren bei dem Geschäfte des Nachdenkens angeben zu können, das nicht von jedem guten Kopf schon längst wäre beobachtet worden; und ich verspreche niemandem, daß er hier etwas in dieser Art ganz Neues antreffen werde, sondern ich werde mich nur bemühen, die verschiedenen Regeln und Verfahrensarten, die der Talentvolle, meistens ohne sich ihrer selbst bewußt zu sein, befolgt, in deutliche Worte zu fassen" Bolzano (1837) zur Heuristik *ebenda 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 4

Moderne Heuristiken Bekannte Moderne Heuristiken: Heuristiken zur Lösung mathematischer Aufgaben und Probleme: [George (György) Pólya (1887 -1985)] Theorie des erfinderischen Problemlösens (TRIZ): [Genrich S. Altschuller (1926 -1998)] Systematische Heuristik als Methodologie der Ingenieurwissenschaften: [Johannes Max Müller (1921 -2008): ] Qualitativ-heuristische Sozialforschung: [Gerhard Kleining (*1926)] Heuristiken für Entscheiden unter Unsicherheit: [Gerd Gigerenzer (*1947)] Urteilsheuristiken in der Denkpsychologie: Daniel Kahneman und Amos Tversky Heuristiken zur Optimierung von IT-Anwendungslösungen (Schnelle Suche, geringer Rechenaufwand+minimale Kosten): Fuzzy-Logik, Suche nach Viren anhand von typischen Merkmalen (Virensuchprogramme) 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 5

Eigenschaften von Heuristiken Klassen von Heuristiken (1)* Alltags-Heuristiken Zu unserer mentalen Grundausstattung gehörende Heuristiken (z. B. Gigerenzer: Blickheuristik beim Ball fangen) Wirtschaftswissenschaftliche Heuristiken Heuristisch gestützte Entscheidungsverfahren im Business Prozeß-Heuristiken -Betriebswirtschafts-Heuristiken -Projektmanagement-Heuristiken -Logistik-Heuristiken Systemgestaltungs-Heuristiken Operations Research (verwendet Heuristiken) * Unvollständiger Überblick wegen der Vielfalt der Anwendungen und fehlender Systematisierung (Erfassungstand 2016) 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 6

Eigenschaften von Heuristiken Klassen von Heuristiken (2) Mathematik- Heuristiken Lösung schwieriger Optimierungsprobleme - z. B. Komplexes Routing: Traveling Salesmann Probleme ohne bekannten Lösungsansatz: -z. B. Randerkennung von Sensornetzen Lösung spezieller kombinatorischer Probleme: - z. B Tabu Search und Simulated Annealing Lern-Heuristiken Lösungs-Heuristiken für (mathematische) Aufgaben in Schule und Ausbildung (Polya u. a. ) Kognitions- Heuristiken Kreativitäts-Heuristiken Urteilsheuristiken - Urteilen unter Unsicherheit - Urteilen in begrenzter Rationalität - Urteilen angesichts ungewisser Konsequenzen 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 7

Eigenschaften von Heuristiken Klassen von Heuristiken (3) IT-Heuristiken IT-Prozeßheuristiken (Effektivere Programmierung, Benchmarking u. a. ) IT-Sicherheits-Heuristiken (Früherkennung sicherheitsrelevanter Probleme) Virensuchprogramme Medizin-Heuristiken Prozeß-Heuristiken für Ausnahmesituationen in der med. Versorgung Engineering-Heuristiken Design-Heuristiken ( Boden; S. Yilmaz, C. M. Seifert) Systematische Heuristik (J-Müller) Erfinderisches Problemlösen (TRIZ) Entscheidungs-Heuristiken Verfügbarkeitsheuristiken Repräsentativitäts-Heuristiken Ankereffekt-Heuristiken 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 8

Eigenschaften von Heuristiken Klassen von Heuristiken (4) ‚Out of Order‘-Heuristiken Problemlösen in Ausnahmesituationen und unter Streß -Sicherheitsheuristik (Skrobotz) Sozialwissenschaftliche Heuristiken zum moralischen Verhalten Heuristiken für sozialwissenschaftliche Forschungen: -Spezielle Analyseverfahren und -Mathematiken u. a. 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 9

Das Wissensgebiet „Heuristik“ Entwicklung des Wissensgebiets „Heuristik“ als wissenschaftliche Disziplin (1)* Erste Ansätze: (Mittelalter bzw. zu Beginn der Neuzeit): Versuche zur Entwicklung einer , , ars inveniendi", einer Erfindungslehre, die den Menschen lehrt, wissenschaftliche Entdeckungen zu deduzieren wie logische oder mathematische Ableitungen. Mit Hilfe einer allumfassenden Heuristik ein System zu schaffen, das wissenschaftliche Entdeckungen garantiert, wurde später als unmöglich erkannt. *Nach: Rainer Bromme, Eckhard Hömberg. Psychologie und Heuristik. Dr. Dietrich Steinkopff-Verlag Darmstadt, 1977, ISBN 3 -7985 -0481 -4 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 10

Das Wissensgebiet „Heuristik“ Entwicklung eines eigenständigen Wissensgebiets „Heuristik“ (2)* Zweiter Ansatz: (Anfang/Mitte des 20. Jahrhunderts): Nicht universelle Methoden sind das Ziel, sondern einzelne heuristische Regeln (engl. : heuristics), die an den unterschiedlichsten Stellen des Problemlöseprozesses ansetzen und erfahrungsgemäß die Lösung vereinfachen. Dritter Ansatz: (Ende des 20. Jahrhunderts): Versuche, die willkürlichen und unüberschaubaren Sammlungen von Regeln in eine systematische Ordnung zu bringen, so daß sie für die wissenschaftliche Arbeit in höherem Maße nützlich werden können. *Nach: Rainer Bromme, Eckhard Hömberg. Psychologie und Heuristik. Dr. Dietrich Steinkopff-Verlag Darmstadt, 1977, ISBN 3 -7985 -0481 -4 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 11

Das Wissensgebiet „Heuristik“ Entwicklung eines eigenständigen Wissensgebiets „Heuristik“ (3), Vierter Ansatz: (aktuell): Auch außerhalb der wissenschaftlichen Arbeit anwendbares Strukturiertes Denken unter Zuhilfenahme von kontextabhängigen Methodologien, allgemeinen und speziellen heuristischen Regeln und Berücksichtigung von menschlichen Voreingenommenheiten und Fehlhaltungen. 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 12

Das Wissensgebiet „Heuristik“ In der modernen Heuristik verwendeter Ansatz: Eine Heuristik ist. . ein Prozeß der eine neue Handlung konstruiert, die auf die Erreichung des Ziels in einer -für das System (oder den Anwender) neuen- Situation gerichtet ist. * Heuristiken geben dem Denken eine Struktur, die es möglich macht, auch mit bruchstückhaftem Wissen erfolgreich zu agieren und Probleme zu lösen. * nach: Pospelov, D. A. , Pushkin, V. N. und Sadovskij, W. N. Toward a definition of heuristics. In : Pushkin, V. N. (Ed. ), 1 -11 (1972) 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 13

Eigenschaften von Heuristiken Aus heutiger Sicht gilt: Heuristiken sind Strategien, die das Finden von Lösungen zu Problemen ermöglichen sollen, zu denen kein mit Sicherheit zum Erfolg führender Algorithmus bekannt ist. Sie ermöglichen es, schnell und auf der Grundlage bruchstückhaften Wissens, Schlussfolgerungen zu ziehen, die – obwohl nicht logisch zwingend – in vielen Kontexten angemessen und nützlich sind Aufgrund der durchgehend hohen Komplexität der Systeme und Vorgänge in der heutigen Gesellschaft, gehören sie zu den Standard. Fähigkeiten, die Manager, Teams und Mitarbeiter beherrschen sollten. Verallgemeinerte Methodische Hinweise (VMH) aus erfolgreichen Problemlösungen, im einfachsten Falle „Daumen-“ oder „Faustregeln“, dienen dabei der kognitiven Entlastung 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 14

Anwendungsregeln Wichtig: Bei der Anwendung von Heuristiken ist ein ausreichendes Wissen über ihre Kontextbezogenheit notwendig! Im falschen Kontext angewandt, können sie zu systematischen Fehleinschätzungen führen! Voreingenommenheit oder eingeschliffene Verhaltenstrends (Bias‘es) verstärken Fehleinschätzungen und führen oft dazu, daß die Anwendung von Heuristiken nicht erfolgreich ist. Heuristisch determiniertes Handeln unterscheidet sich grundsätzlich vom „Einfach Drauflos-Werkeln“ mit ungenügendem Wissen und im Vertrauen auf : „Es wird schon gut gehen“! 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 15

Anwendungsregeln Wichtig: Heuristiken sind keine Programme oder Anwendungslösungen (im Sinne von App‘s). Sie unterstützen lediglich wie ein „Wörterbuch“ unser problemlösendes Denken. Für ihren Gebrauch wird (wie beim Übersetzen durch die Anwendung von Rechtschreibung und Grammatik), ein ‚sprachspezifisches‘, übergeordnetes Denkmodell (Anwendungsstrategien, Metaheuristiken, ) benötigt. 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 16

Motivation 25. 04. 2018 Wer heute Heuristiken anwendet, kann den Vorteil in Anspruch nehmen, auch dann noch handlungsfähig zu sein, wenn Andere aufgeben müssen. Er wird mit großer Wahrscheinlichkeit auch in schwierigen Situationen eine befriedigende Lösung für zu lösende Probleme finden. Eine Garantie für eine optimale, schnelle Lösung, die allen Ansprüchen gerecht wird, kann er aber nicht übernehmen. © D. Skrobotz, 2018 Folie 17

Kapitel 2: Die Systematisierung des Wissensgebietes 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 18

Die Strukturierung von Heuristiken Das umfangreiche Wissensgebiet der Heuristik hat einen eigenen, methodologisch bedingten strukturellen Aufbau: Bausteine des heutigen Wissensgebiets 'Heuristik' sind Metaheuristiken, Heuristiken und heuristische Regeln, die in der angegebenen Reihenfolge heuristische Regeln Unterstrukturen bilden können. Die Darstellung von Heuristiken folgt nicht zwingend einer vorgeschriebenen Form. 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 19

Metaheuristiken Eine Metaheuristik ist ein Handlungsrahmen zur näherungsweisen Lösung Metaheuristik einer bestimmten Klasse von Problemen. Metaheuristiken definieren eine abstrakte Folge von Schritten, die (theoretisch) auf beliebige Problemstellungen angewandt werden können. Damit eine Metaheuristik in der Praxis anwendbar ist, muß sie sich auf eine anwendungsspezifisch definierte Menge an heuristischen Regeln (engl: heuristics) und ein Anwendungsfeld beziehen Die Anwendung einer Metaheuristik ist ein innovativer Problemlösungsansatz dessen Erfolg stark von der Kompetenz der beteiligten Personen abhängig ist In der Regel ist nicht garantiert, dass eine Metaheuristik eine optimale Lösung findet, aber sie wird in unübersichtlichen und scheinbar ausweglosen Situationen einen brauchbaren, dem optimalen Ziel möglichst nahe liegenden Ansatz dazu ergeben. 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 20

Heuristiken sind Strategien, die das Finden von Lösungen zu Problemen Heuristiken ermöglichen sollen, zu denen (aktuell) kein mit Sicherheit zum Erfolg führender Algorithmus bekannt ist. Mit ihnen können schnell und auf der Grundlage bruchstückhaften Wissens, Schlussfolgerungen gezogen und Handlungsfolgen zum Erreichen von Zielen entwickelt werden, mit denen in schwierigen Situationen eine befriedigende Lösung für Probleme und komplexe Aufabenstellungen gefunden werden kann. 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 21

Heuristiken können formuliert sein: v als Gesamt-Strategie mit Handlungschritten zur Problemlösung (Beispiel 'Systematische Heuristik' von J. Müller ) v als methodischer Leitfaden im Denkprozeß (Beispiel 'TRIZ' von S. Altschuller) v als kontextbezogene Handlungsstrategie mit strukturierter Sammlung von heuristischen Regeln (Beispiel: ‚Sicherheitsheuristik‘) Es ist möglich, sie als Modul einer Metaheuristik unterzuordnen, wenn Handlungsrahmen und Kontext dazu passen (Sub-Metaheuristik). 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 22

Heuristische Regeln (engl. : heuristics) sind verständlich formuliertes Erfahrungswissen aus erfolgreichen Problemlösungsverfahren. Sie können auch unabhängig von Metaheuristiken und Heuristiken hilfreich für eine Problemlösung sein. Aber: Ohne den methodischen Rahmen einer Heuristik können sich schnell Fehler einschleichen, die den Problemlösenden in die Irre führen können. Man unterscheidet unterschiedliche Klassen von heuristischen Regeln, die sich im Laufe der Zeit aus der Erfahrung mit erfolgreichen Problemlösungsprozessen entwickelt haben. Beachte: Heuristische Regeln führen bei der Anwendung auf unterschiedliche Problemlösungs-Klassen zu unterschiedlichen Ergebnissen! 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 23

Heuristische Regeln Klassen von heuristischen Regeln: Klassen Ø Verallgemeinerte Methodische Hinweise (VMH) aus erfolgreichen Problemlösungen Ø „Daumen-“ oder „Faustregeln“: Erfahrungen in Regelform aus früheren Lösungsprozessen Ø „Heuristic Basic Laws“: Verallgemeinerte Grundgesetzmäßigkeiten, die bei einer Veilzahl von Lösungsprozessen weiterhelfen Ø „Bias“ : Hinweise auf Denkfehler und (Fehl-)Haltungen die Lösungsprozesse negativ beeinflussen können 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 24

Lösungsfeindliche Effekte Für die Anwendung von Heuristiken ist die Kenntnis von Effekten wichtig, die einer schnellen und optimalen Problemlösung im Wege stehen: Der wichtigste lösungsfeindliche Effekt sind Bias. Mit dem zusammenfassenden Begriff Bias werden Voreingenommenheiten, Vorurteile und Tendenzen im Denken und Handeln bezeichnet , die das Finden von optimalen Lösungen für Probleme beeinträchtigen. Sie werden durch Befangenheit gegenüber bestimmten Sachverhalten und Fragestellungen, sowie dem Hang zu speziellen Vorlieben und Neigungen verstärkt. Bias sind die Hauptursache für systematische Fehler im Problemlösungsprozeß und werden daher oft mit diesen gleichgesetzt. Nur mit der Kenntnis von Bias, welche relevant für den aktuellen Problemlösungsprozeß sind, ist es möglich, Heuristiken erfolgreich einzusetzen! 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 25

Kapitel 3 Heuristiken als methodische Grundlage für die Lösung von Problemen 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 26

Theorien zur Lösung von Problemen Folgende Merkmale charakterisieren ein Problem: 1. Es liegt ein Ziel vor, dessen angestrebte Erreichung in Frage steht 2. Das dem Ziel im Weg stehende Hindernis lässt sich nicht allein mittels Routineaktivitäten beseitigen, sondern erfordert Nachdenken. Problemlösen bedeutet das Beseitigen eines Hindernisses oder das Schließen einer Lücke in einem Handlungsplan durch bewusste kognitive Aktivitäten, die das Erreichen eines beabsichtigten Ziels möglich machen sollen. 1 1 Allgemeine Psychologie für Bachelor: Denken-Urteilen-Entscheiden-Problemlösen ; Lesen, Hören, Lernen im Web; Betsch, T. ; Funke, J. ; Plessner, H. 2011, XII, 222 S. 33 Abb. Mit Hörbeiträgen und weiteren kostenlosen Zusatzmaterialien im Web; Mit Online Extras, Softcover, ISBN: 978 -3 -642 -12473 -0 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 27

Theorien zur Lösung von Problemen Für das Problemlösende Handeln gibt es gegenwärtig zwei Strategien: Rationales Handeln: Der Mensch trifft seine Entscheidungen über das Abwägen jedes möglichen Ergebnisses, dessen Wahrscheinlichkeit und des erreichbaren relativen Nutzens Heuristisch determiniertes Handeln: Der Mensch trifft seine Entscheidungen innovativ und mit Hilfe von heuristischen Verfahren, weil keine Strategie bekannt ist, um mit Sicherheit ein definiertes Ziel zu erreichen. 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 28

Heuristiken zur Lösung von Problemen Heuristisch determiniertes Handeln beruht auf Problemlösendem Denken : 1 Schlussfolgerndes Denken Urteilendes Denken Verschiedene Alternativen werden gegeneinander abgewogen Wahrheitserhaltende (deduktive) Ableitung logischer Schlüsse Problemlösendes Denken Induktives Denken Kreatives Denken Abschätzung von zukünftigen Ereignissen auf der Basis bisheriger Erfahrungen und Kenntnisse Erschaffung neuer Inhalte 1 Nach: Allgemeine Psychologie für Bachelor: Denken-Urteilen-Entscheiden-Problemlösen ; Lesen, Hören, Lernen im Web; Betsch, T. ; Funke, J. ; Plessner, H. 2011, XII, 222 S. 33 Abb. Mit Hörbeiträgen und weiteren kostenlosen Zusatzmaterialien im Web; Mit Online Extras, Softcover, ISBN: 978 -3 -642 -12473 -0 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 29

Heuristiken zur Lösung von Problemen Heuristiken nutzen das problemlösende Denken in spezieller Form: Schlussfolgerndes Denken Induktives Denken Abschätzung von Lösungsmöglichkeiten mit Hilfe heuristischer Strategien Deduktive Ableitung von Schlüssen mit Hilfe heuristischer Regeln Problemlösendes heuristisches Denken Kreatives Denken Urteilendes Denken Erschaffung neuer Inhalte durch kreative Verwendung heuristischer Regeln Verschiedene Lösungs-Alternativen werden mit Hilfe heuristischer Regeln gegeneinander abgewogen Die Denkstrukturen werden gezielt auf das Handeln in einem unsicheren Handlungsraum fokussiert 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 30

Heuristiken zur Lösung von Problemen Die verschiedenen Phasen des Problemlösens sind durch jeweils charakteristische kognitive Aktivitäten gekennzeichnet: 1 Informations. Beschaffung und -Management Situations Problem analyse und Identifikation Zielbildung Modellbildung Plan Erstellung Planen Plan ausführung Kontrolle Ergebnis Bewertung Selbstreflexion Entscheiden 1 Nach: Allgemeine Psychologie für Bachelor: Denken-Urteilen-Entscheiden-Problemlösen ; Lesen, Hören, Lernen im Web; Betsch, T. ; Funke, J. ; Plessner, H. 2011, XII, 222 S. 33 Abb. Mit Hörbeiträgen und weiteren kostenlosen Zusatzmaterialien im Web; Mit Online Extras, Softcover, ISBN: 978 -3 -642 -12473 -0 25. 04. 2018 © D. Skrobotz, 2018 Folie 31

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