Experimente in der Linguistik

1. Experimente in der Linguistik 3. Vorlesung (04.11.2010) apl. Professor Dr. Ulrich Schade Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie ulrich.schade@fkie.fraunhofer.de

2. Experimente in der Linguistik Kontaktdaten apl. Professor Dr. Ulrich Schade Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie (FKIE) Neuenahrer Straße 20 53343 Wachtberg E-Mail: ulrich.schade@fkie.fraunhofer.de Telefon: 0228 9435 376 Fax: 0228 9435 685

3. Experimente in der Linguistik Überblick • Einführung • Zur wissenschaftstheoretischen Bedeutung von Experimenten • Hypothesenbildung • – Grundlagen zu „Experiment“ • Statistische Auswertung • Beispiele für Experimente in der Linguistik

4. Experimente in der Linguistik zur Erinnerung: Der methodologische Zyklus Phänomene / Daten Intuition Evaluation Modell Experiment Theorie Simulation

5. Experimente in der Linguistik zur Erinnerung: Variablen • Experimentelle Forschung unterscheidet sich von nichtexperimenteller Forschung in zwei Punkten: • Aktive Veränderung, indem der Experimentator systematisch mindestens eine Unabhängige Variable variiert und registriert, welchen Effekt diese aktive Veränderung auf die Abhängige Variable hat. • Ausschaltung der Wirkung anderer Variablen (Kontrolle von Störfaktoren) • In den folgenden Beispielen werden die unterschiedlichen Arten von Variablen stets benannt.

6. Experimente in der Linguistik Variablen Variablen müssen messbar sein. Messbarkeit ist im Selbstverständnis der (Natur-)Wissenschaften unabdingbare Voraussetzung. Messbarkeit grenzt Wissenschaft ab von Pseudowissenschaft (z.B. Astrologie), Esoterik etc. Experiment sind der Anker zur Wirklichkeit: Was durch Experimente – zumindest potenziell – nicht erfassbar ist, ist nicht Teil der Wissenschaft. Eine Theorie, welche keine Experimente beinhaltet, die sie widerlegen (falsifizieren) könnten, bleibt Hypothese.

7. Experimente in der Linguistik Messen Variablen müssen messbar sein. Die Messergebnisse müssen quantifizierbar sein, in einem genormten Maßsystem dargestellt und verglichen werden können. Messen: Man ordnet einem beobachteten Merkmal (empirischer Relativ) einen Wert einer Skala (numerisches Relativ) zu.

8. Experimente in der Linguistik Messen Variablen müssen messbar sein. Es werden unterschiedliche Skalen verwendet. Die wichtigsten sind Nominalskala Beispiel: Blutgruppe A, B, AB, Null Ordinalskala Beispiel: Kleidergröße S, M, L, XL, XXL Intervallskala Beispiel: Uhrzeit Verhältnisskala Beispiel: Länge (in Meter)

9. Experimente in der Linguistik Beispiel: Variablen • In der Fahrschule lernt man als Formel für den Bremsweg: • s = . 1m • Diese Formel (Hypothese) wollen wir experimentell überprüfen. Dann ist v (die Geschwindigkeit) die unabhängige Variable, die im Experiment variiert wird. Der Bremsweg s wird gemessen, so dass s die abhängige Variable ist. Eine Störvariable ist etwa der Zustand der Straße. Dieser Zustand muss also im Experiment kontrolliert werden, also konstant sein. 2 ( ) v 10 km/h

10. Experimente in der Linguistik zur Klassifikation von Experimenten • Im Folgenden wird diskutiert, wonach man Experimente klassifizieren kann. • Für uns geht es dabei um (psycho-)linguistische Experimente, also solche, die die kognitiven Prozesse Sprachproduktion, Sprachrezeption und Spracherwerb betreffen. Entsprechend sind die Beispiele ausgewählt.

11. Experimente in der Linguistik zur Klassifikation von Experimenten • Generell unterscheidet man zwischen • Laborexperiment und Feldexperiment. • Laborexperimente ermöglichen eine weitgehende Kontrolle und damit die Ausschaltung möglicher Störvariablen. • Feldexperimente finden in der "natürlichen" Umgebung statt.

12. Experimente in der Linguistik zur Klassifikation von Experimenten • Beispiel zuLaborexperiment vs. Feldexperiment • Betrachtet man Sprachproduktionsmodelle, so machen diese unterschiedliche Annahmen zur Verteilung von Versprechern. • Man kann nun versuchen, eine der postulierten Verteilungen mit einem Laborexperiment zu belegen. Dabei wird den Versuchspersonen Material präsentiert, welches sie produzieren. Das Material ist so konstruiert, dass es leicht zu Versprechern kommt.

13. Experimente in der Linguistik im Laborexperiment gewonnene Versprecher Beispiel aus Marx, E. (2000). Versprecher und Genusverarbeitung. Wiesbaden: DUV. Die untersuchte Hypothese war dabei, dass im Deutschen Phonemfehler, die zu einem Wort führen, häufiger auftreten, wenn dieses Wort mit dem Zielwort das grammatische Geschlecht teilt, und seltener, wenn Zielwort und das durch den Fehler entstehende Wort unterschiedliche grammatische Geschlechter haben.

14. Experimente in der Linguistik im Laborexperiment gewonnene Versprecher Beispiel aus Marx, E. (2000). Versprecher und Genusverarbeitung. Wiesbaden: DUV. Hund Fall Hengst Filz Hof Film Induktoren Hirt Föhn Hort Faun Forst Harn kritisches Paar Horst Farn Zielfehler Versuchsbedingung: genusgleich

15. Experimente in der Linguistik im Laborexperiment gewonnene Versprecher Beispiel aus Marx, E. (2000). Versprecher und Genusverarbeitung. Wiesbaden: DUV. Haupt Film Haar Fluch Haus Feind Induktoren Holz Filz Harz Fels Fass Held kritisches Paar Hass Feld Zielfehler Versuchsbedingung: genusungleich

16. Experimente in der Linguistik im Laborexperiment gewonnene Versprecher Beispiel aus Marx, E. (2000). Versprecher und Genusverarbeitung. Wiesbaden: DUV. Die unabhängige Variable ist hier, die Möglichkeit, genusgleiche bzw. genusungleiche Versprecher zu produzieren. Für beides gibt es genau gleich viele Möglichkeiten. Die abhängige Variable ist die Zahl der tatsächlich produzierten Versprecher.

17. Experimente in der Linguistik im Laborexperiment gewonnene Versprecher Beispiel aus Marx, E. (2000). Versprecher und Genusverarbeitung. Wiesbaden: DUV. Das Problem besteht hier darin, dass sich Personen in der Laborsituation evtl. anders verhalten (andere Versprecher produzieren) als in einer natürlichen Situation, etwa beim Gespräch.

18. Experimente in der Linguistik im Feldexperiment gewonnene Versprecher • Beispiel zuLaborexperiment vs. Feldexperiment • Will man dieselbe Hypothese mit einem Feldexperiment testen, so betrachtet man ein Versprecherkorpus, also eine Sammlung von Versprechern, die jemand gesammelt hat. Diese Versprecher sind in der „natürlichen“ Produktion entstanden. Das Problem liegt hier darin, dass evtl. Störvariablen eine Rolle spielen, etwa dass die sammelnde Person bestimmte Fehler nur selten bemerkt, so dass diese in der Sammlung unterrepräsentiert sind.

19. Experimente in der Linguistik zur Klassifikation von Experimenten • Wenn es um Experimente geht, die sich auf Prozesse beziehen, werden „on line“-Experimente von „off line“-Experimenten unterschieden. • „on line“-Experimente erfolgen während des Ablaufs des zu untersuchenden Prozesses; „off line“-Experimente erfolgen im Anschluss an den abgelaufenen Prozess.

20. Experimente in der Linguistik zur Klassifikation von Experimenten • Beispiel zuon line vs. off line • Für den Prozess der Sprachrezeption wird beispielsweise die Anbindung von Relativsätzen untersucht. • Someone shot the servant of the actresswho was on the balcony. • Someone shot the servant of the actress who was on the balcony. N2-Anbindung N1-Anbindung

21. Experimente in der Linguistik off line • Someone shot the servant of the actress who was on the balcony. • Bei einem „off line“-Experiment werden die VPs nach der Verarbeitung des Satzes gefragt, wer sich auf dem Balkon befand. • Die Antworten werden dann ausgezählt. Die entsprechenden Zahlen gehören zur abhängigen Variable. Als unabhängige Variable kann etwa die L1-Zugehörigkeit der VPs geändert werden: Muttersprachler des Englischen, Sprachlerner mit L1 Deutsch, usw. • Eine mögliche Störvariable ist die Sprachkompetenz.

22. Experimente in der Linguistik on line • Someone shot the servant of the actress who was on the balcony. • Bei einem „on line“-Experiment werden die VPs während der Verarbeitung des Satzes getestet. Die Präsentation des Satzes erfolgt beispielsweise „selbst geleitet“. Das heißt, die VPs holen sich bei Tastendruck ein Wort nach dem anderen bzw. eine Phrase nach der anderen auf den Bildschirm. Gemessen werden (abhängige Variable) die Zeitabstände zwischen den Tastendrücken, unter der Annahme, dass diese mit den Verarbeitungszeiten korrelieren.

23. Experimente in der Linguistik on line • Die unabhängige Variable ist hier aber dann meist der Satztyp. Bei einem Typ wird nach dem Relativsatz die Anbindung an die NP1 und bei dem anderen die an die NP2 erzwungen. Größere Lesezeiten weisen dann auf ein Verarbeitungsproblem hin, das bei einer falschen Anbindung erfolgen sollte. • Someone shot the maid of the actor who was on the balcony with her husband. • Someone shot the butler of the actress who was on the balcony with her husband.

24. Experimente in der Linguistik on line vs. off line • typische „off line“-Messmethoden • Fragebogen (darunter auch Befragung im Netz) • Korpusanalyse • Priming • typische „on line“-Messmethoden • Reaktionszeitmessungen • Blickbewegungsmessungen • EEGs und Messungen mit anderen bildgebenden Verfahren

25. Experimente in der Linguistik Priming • Priming kann dazu genutzt werden zu erkennen, ob bestimmte bei der Verarbeitung bestimmte Strukturen erzeugt werden. Nur solche Strukturen können auch „geprimt“ werden. • Priming kann auch „on line“ zusammen mit einer Reaktionszeit-messung verwendet werden: „geprimte“ Strukturen werden schneller verarbeitet.

26. Experimente in der Linguistik Priming • Beispiel • Im Englischen können Transferverben (give, sell, donate, …) mit einem „präpositionalen Dativ“ oder mit einem „normalen Dativ“ (auch „double-object“) genutzt werden. • The wealthy widow gave an old Mercedes to the church. • vs. • The wealthy widow gave the church an old Mercedes.

27. Experimente in der Linguistik Priming • Kay Bock und Helga Loebell haben gezeigt, dass man den präpositionalen Dativ mit einem präpositionalen Lokativ • The wealthy widow drove an old Mercedes to the church. • primen kann. Dies deutet darauf hin, dass die grammatische Enkodierung unabhängig von der Bedeutung erfolgt, die durch den jeweiligen Satz übermittelt werden soll. • Bock & Loebell (1990). Framing sentences. Cognition, 35, 1-39.

28. Experimente in der Linguistik Priming • Bei dem Experiment hörten die VPS jeweils zunächst einen Primingsatz (prep dative; prep loc oder double object). Danach sollten sie ein Bild beschreiben. • Die Art des Primsatzes bestimmt die unabhängige Variable; • Die Anzahl der von einer Art produzierten Sätze die abhängige Variable. • Typische mögliche Störvariablen für ein solches Experiment sind Geschlecht, Alter, Bildungsgrad und Muttersprache der VPs.

29. Experimente in der Linguistik Blickbewegungsmessungen • Bei Experimenten zum Sprachverstehen kann man die VPS die zu verarbeitenden Sätze oder Texte lesen lassen und dabei ihre Blickbewegungen messen, in der Annahme, dass diese die Verarbeitung spiegeln. • Zu technischen Details vgl. etwa • http://www.mpi.nl/world/tg/eye-tracking/eye-tracking.html#Lab1

30. Experimente in der Linguistik Blickbewegungsmessungen • Aufgezeichnet und ausgewertet werden hauptsächlich Fixationen (Punkte, die man genau betrachtet) und deren zeitliche Längen, Sakkaden (schnelle Augenbewegungen; Sprünge / Wie weit und wohin springt das Auge?) und Regressionen (Rücksprünge). Bild von http://de.wikipedia.org/wiki/Blickbewegung

31. Experimente in der Linguistik Blickbewegungsmessungen • Auch in der Sprachproduktionsforschung kann man die so genannten „Eye Tracker“ einsetzen. Dann werden die Fixationen und Sakaden auf dem Bild gemessen, das beschrieben werden soll. • Als Ergebnis ergibt sich, dass das Auge solange auf einer abgebildeten Figur ruht, bis begonnen wird, diese in einer Konstituente zu verbalisieren. Etwa 900 ms vor dem Beginn der nächsten Konstituente springt der Blick zu deren Bildäquivalent. • vgl. etwa • Griffin, Z. M., & Bock, J. K. (2000). What the eyes say about speaking. Psychological Science, 11, 274-279.

32. Experimente in der Linguistik Blickbewegungsmessungen • Als abhängige Variable dient bei der Rezeptionsforschung etwa die Antwort auf „Gab es Regressionen?“ (ja / nein), bei Sätzen, die nach der vorgegebenen Hypothese eine Restrukturierung (Beispiel „garden path“-Sätze) notwendig machen oder nicht (unabhängige Variable). • The complex houses married and single soldiers and their families.

33. Experimente in der Linguistik Blickbewegungsmessungen • Als abhängige Variable dient bei der Produktionsforschung insbesondere die „eye-voice span“. • Diese kann etwa in Abhängigkeit von Bildern bestimmt werden, die die Produktion eines Aktivsatzes oder eines Passivsatz nahe legen (unabhängige Variable). (Geht die Aktion von einem Agens oder einem Effektor aus? Ist dieser rechts oder links auf dem Bild? usw.)

34. Experimente in der Linguistik EEG als Beispiel für bildgebende Verfahren Die Elektroenzephalografie (EEG) ist eine Methode der medizinischen Diagnostik zur Messung der summierten elektrischen Aktivität des Gehirns durch Aufzeichnung der Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche. Das Elektroenzephalogramm (ebenfalls EEG abgekürzt) ist die graphische Darstellung dieser Schwankungen. Das EEG ist neben dem ENG und dem EMG eine standardmäßige Untersuchungsmethode in der Neurologie. Ursache dieser Potenzialschwankungen sind physiologische Vorgänge einzelner Gehirnzellen, die durch ihre elektrischen Zustandsänderungen zur Informationsverarbeitung des Gehirns beitragen. Entsprechend ihrer spezifischen räumlichen Anordnung addieren sich die von einzelnen Neuronen erzeugten Potenziale auf, so dass sich über den gesamten Kopf verteilte Potenzialänderungen messen lassen.

35. Experimente in der Linguistik EEG als Beispiel für bildgebende Verfahren Die Elektroenzephalografie (EEG) ist eine Methode der medizinischen Diagnostik zur Messung der summierten elektrischen Aktivität des Gehirns durch Aufzeichnung der Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche. Das Elektroenzephalogramm (ebenfalls EEG abgekürzt) ist die graphische Darstellung dieser Schwankungen. http://de.wikipedia.org/wiki/Elektroenzephalografie

36. Experimente in der Linguistik EEG als Beispiel für bildgebende Verfahren Bei den Experimenten werden „ereigniskorrelierte Potentiale“ gemessen und ausgewertet. http://de.wikipedia.org/wiki/Ereigniskorrelierte_Potentiale: Als (EKP, engl.: event-related potentials, ERP ) werden Wellenformen im Elektroenzephalogramm (EEG) bezeichnet, die entweder von Sinneswahrnehmungen ausgelöst (evoziert) oder mit kognitiven Prozessen (z.B. der Sprachverarbeitung) korreliert sind.

37. Experimente in der Linguistik EEG als Beispiel für bildgebende Verfahren Bekannt sind in Bezug auf die Sprachverarbeitung insbesondere ein negativer Ausschlag (N400) 400 ms nach der Präsentation eines Wortes, welches semantisch unpassend ist Albert fuhr sein Auto gegen die Hühnerbrühe und ein positiver Ausschlag (P600) 600 ms nach einem syntaktischen Problem Peter begegnete die Dame.

38. Experimente in der Linguistik EEG als Beispiel für bildgebende Verfahren Beispiel: In „Müller, King & Kutas (1997). Event-related potentials elicited by spoken relative clauses. Cognitive Brain Research, 5, 193–203.“ wird die Verarbeitung von Relativsatzkonstruktionen mit EEG-Messungen in Verbindung gesetzt. Es gibt zwei Arten von Relativsätzen. Bei der einen Art ist das Relativpronomen Subjekt und bei der anderen Art ist es Objekt des Relativsatzes.

39. Experimente in der Linguistik EEG als Beispiel für bildgebende Verfahren Beispiel The fireman who speedily rescued the cop … The fireman who the cop speedily rescued … Bei den Objektrelativsätzen stellten die Autoren eine größere Negativität fest, die mit der Verarbeitung der Relativsätze einsetzte. Die Autoren sehen darin den Beleg der komplexeren Verarbeitung, die sich aus der zugrunde gelegt Grammatiktheorie als Hypothese ergibt.

40. Experimente in der Linguistik EEG als Beispiel für bildgebende Verfahren Beispiel Die unabhängige Variable ist hier die Art des Relativsatzes. Die abhängigen Variablen ergeben sich aus den Messungen der Potentiale. Als mögliche Störvariable kann das semantische Merkmal (belebt / unbelebt) für die Bezugs-NP des Relativpronomens angesehen werden. Diese wurde dadurch kontrolliert, dass sie auf „belebt“ gesetzt wurde.

41. Experimente in der Linguistik EEG als Beispiel für bildgebende Verfahren Beispiel Möglicherweise ist aber gerade die genannte Störvariable diejenige, die die Daten erklärt. Belebte Objekte sind statistisch eher Agens und Subjekt in einem Satz. Manche unbelebte Objekte sind eher Thema und Objekt. Die Fortsetzung von „The Fireman who“ als Objektrelativsatz widerspricht also den statistischen Erwartungen der VP.

42. Experimente in der Linguistik EEG als Beispiel für bildgebende Verfahren Beispiel Die Fortsetzung von „The building brick who“ mit einem Objektrelativsatz würde dagegen den statistischen Erwartungen der VP entsprechen. Müller, King & Kutas würden, da sie von einem grammatischen Effekt ausgehen, auch bei einem Satz wie „The building brick who the kid loved most lies on the top of the construction“ den von ihnen gemessenen Effekt erwarten.

43. Experimente in der Linguistik EEG als Beispiel für bildgebende Verfahren Beispiel Dagegen würde die statistische Erklärung des Effektes diesen für „The building brick who the kid loved most lies on the top of the construction“ nicht erwarten.