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Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Verbesserung von Lehren und Lernen im Physikunterricht. Damit fügt sie sich in den Bereich physikdidaktischer Forschung ein, die eine forschungsbasierte Entwicklung und Evaluation von Unterricht zum Gegenstand hat, sich also auf die empirische Lehr-Lern-Forschung konzentriert. Die Motivation dazu basiert dabei auf drei in der aktuellen physikdidaktischen Diskussion prioritären Defiziten: Die mangelnde Fähigkeit deutscher Lernender zur Anwendung ihres physikalischen Wissens in neuen Kontexten, die Realitätsferne der Aufgaben und Inhalte des deutschen Physikunterrichts sowie die unzureichende Einbindung der auf diesen Erkenntnissen basierenden Konzepte in den Physikunterricht. Diese Defizite stellen die physikdidaktische Forschung vor drei grundlegende Aufgaben: Initiierung stärker schüler- und anwendungsorientierter Lehr-Lernprozesse, Hervorhebung der Bedeutung einer neuen "Aufgabenkultur" im Rahmen authentischer Problemstellungen sowie Entwicklung von Konzepten zur nachhaltigen Implementation neuer Erkenntnisse in den Physikunterricht. Der Anspruch dieser Arbeit ist die Reduktion der analysierten Defizite. Dazu erfolgt die Ausrichtung auf drei Ziele hin: Die theoriegeleitete Entwicklung praktikabler und flexibler Lernmedien im Rahmen aufgabenorientierter Lernumgebungen, die Implementation und detaillierte empirische Untersuchung des entwickelten Ansatzes sowie die Bildung einer "Learning Community" zur Unterrichtsentwicklung. Dazu wird basierend auf dem instruktionspsychologischen "Anchored Instruction"-Ansatz theoriegeleitet das Konzept einer Modifizierten "Anchored Instruction" (MAI) entwickelt. Dieses greift die Vorzüge der originären Rahmentheorie auf und behebt zudem die damit verbundenen Probleme durch die Umsetzung von drei Leitlinien: "Praktikabilität", "Flexibilität" und "empirische Forschung". Dies wird hier durch die Entwicklung und theoretische Einbettung von "Zeitungsaufgaben" als authentisch wirkendes Lernmedium zur Verankerung des Wissens an realitätsnahen Lerngegenständen verdeutlicht. Die Effektivität der Implementation von "Zeitungsaufgaben" als Lernmedium im Physikunterricht im Sinne des MAI-Ansatzes bildet dabei den ersten Untersuchungsschwerpunkt. Es wird Breitenwirkung und Robustheit des Ansatzes hinsichtlich Lerneffekt und Motivation im Rahmen einer Interventionsstudie mit 911 Lernenden, 15 Lehrkräften und in insgesamt 39 Schulklassen an zehn verschiedenen Schulen untersucht. Die durch Mehrebenenanalysen erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass "Zeitungsaufgaben" themenübergreifend zu größerer Motivation und Leistungsfähigkeit der Lernenden führen als "traditionelle" Aufgaben und dass diese Überlegenheit zudem auch wenigstens mittelfristig Bestand hat (Motivation: p < 0.001; Cohens d = 0.87; Leistung: p < 0.001; Cohens d = 1.13). Zudem wurden vielfache Einflüsse von Moderatorvariablen auf die Motivations- und Lerneffekte geprüft (Lehrkraftmerkmale, Geschlecht, Thema, Schulart, Physik-Vorleistung, Intelligenz und Textverständnis). Es zeigt sich, dass die positive Wirkung von "Zeitungsaufgaben" auf die Motivation der Lernenden weitgehend unempfindlich gegenüber diesen Einflussfaktoren ist. Hingegen wird die Lernleistung neben der großen, positiven Wirkung von "Zeitungsaufgaben" zudem noch durch die Physik-Vorleistung sowie durch die Ausprägung des Interesses der Lehrkräfte am Unterrichten von Physik beeinflusst, und zwar in praktisch bedeutsamen Ausmaß. Neben Breitenwirkung und Robustheit des MAI-Ansatzes stellt dessen Optimierung im Rahmen einer Interventionsstudie den zweiten Untersuchungsschwerpunkt dar. Diese Detailuntersuchung resultiert aus dem Zusammenhang zwischen Authentizität und Komplexität einerseits und kognitiver Belastung andererseits. Bezogen auf das MAI-Lernmedium " Zeitungsaufgabe" steht dabei die Optimierung des Instruktionstextes " also des Zeitungsartikels " im Zentrum der Untersuchung. Es wird nachgewiesen, dass "Zeitungsaufgaben" mit mittelschweren Zeitungsartikeln sowohl Motivation als auch Lernleistung besser fördern als "Zeitungsaufgaben" mit leichten oder schweren Zeitungsartikeln. Dagegen sind Motivation und Leistung bei der Arbeit mit "traditionellen Aufgaben" umso geringer je schwieriger der Aufgabentext ist. Zudem wird im Rahmen von Pfadanalysen ein Wirkgefüge modelliert, das kausale Zusammenhänge zwischen verschiedenen Variablen darstellt, die die positive Wirkung von "Zeitungsaufgaben" auf Motivation und Leistungsfähigkeit beeinflussen. Dieses Kausalmodell verdeutlicht, dass die positive Wirkung von "Zeitungsaufgaben" am stärksten davon abhängt, wie stark die laut Theorie für ein MAI-Lernmedium erforderlichen Merkmale auch tatsächlich von den Lernenden als solche wahrgenommen werden (Motivation: p < 0.001; b = 0.40; Leistung: p < 0.001; b = 0.30). Ein Konzept zur Einbindung der auf Erkenntnissen der Lehr-Lern-Forschung basierenden Maßnahmen in den Physikunterricht stellt den Abschluss dieser Arbeit dar.
Das Just-in-Time - Verfahren ist ein neues Unterrichtskonzept aus den USA (auch in D. schon z.T. eingesetzt), bei dem ein oder zwei Tage vor der Unterrichtsstunde Fragen hauptsächlich zu qualitativem und konzeptuellem Verständnis an die SchülerInnen gestellt und von diesen per eMail beantwortet werden. Aus den Lösungen wird dann von der Lehrkraft eine Folie mit falschen und richtigen Vorschlägen erstellt (i.a. anonym), die dann in der Klasse diskutiert werden. Die besonderen Vorteile des Verfahrens sind: Adaptiver Unterricht mit kurzfristiger ("just-in-time") Reaktionsmöglichkeit auf Präkonzepte und andere Lernschwierigkeiten; Förderung der Selbsttätigkeit und Eigenverantwortung für die eingesendeten Beiträge; Schaffung einer schriftlichen (eMail-Beitrag) und mündlichen (Diskussion) Gelegenheit zur Spracharbeit an fachlichen Inhalten. Das Lernarrangement Die über Webspace verfügende Lehrkraft lädt eine themenrelevante Aufgabe ins Internet. Diese Aufgabe ist von den SchülerInnen ihres Kurses am Computer zu Hause zu bearbeiten; die Bearbeitung wird über ein Formularfenster als Mail an die Lehr-kraft gesendet. Mit den Statements ihrer SchülerInnen im Kopf begibt sich die Lehrkraft nun an die Planung der folgenden Unterrichtsstunde: Insbesondere werden die interessantesten Statements auf TLP-Folie kopiert . Sie bilden den roten Faden der in Planung befindlichen Unterrichtsstunde. Die Schülerantworten sind also zum einen Planungsgrundlage für die folgende Unterrichtsstunde, zum anderen werden sie zu einem besonderen Unterrichtsmedium des JiTT-Verfahrens (Folie o.ä. mit den interessantesten Statements). Der Unterrichtsverlauf enthält Phasen, in denen die Schüleraussagen gelesen, erörtert und diskutiert werden sowie Phasen, in denen die Gruppe mit üblichen Unterrichtsmedien und -methoden (Arbeitsblätter, Versuche) arbeitet. Im Idealfalle reduziert sich die Rolle des Lehrers in der Diskussionsphase auf die eines Moderators. Fachdidaktische und instruktionspsychologische Begründung JiTT kann als besondere Form des Adaptiven Unterrichts aufgefasst werden: Der Lehrkraft ist es möglich, insbesondere auf vorhandene Präkonzepte und andere Lernschwierigkeiten in adäquater Form zu reagieren und ihren Unterricht zu gestalten. Das Verfahren kann des weiteren auf der Ebene der Motivation wirksam sein, indem Selbstbestimmung (Mitgestaltung des Unterrichtes!) und soziale Einbindung (Diskussion der Schülerbeiträge in der Gruppe!) in besonderer Weise gefördert und gefordert werden. Selbstbestimmung und soziale Einbindung sind aber (zusammen mit Kompetenz) Hauptfaktoren in einer der führenden Theorien der Motivationspsychologie (Selbstbestimmungstheorie nach DECI & RYAN). Bemerkungen zum Design der Feldstudie In den Hauptteil der Feldstudie des Projektes zur Evaluation des Verfahrens waren zwei Physik-Leistungskurse eines rheinland-pfälzischen Gymnasiums (Teilgebiete "Mechanik" und "Elektrodynamik") eingebunden, ein Ergänzungsteil wurde im Rahmen einer Mechanik-Vorlesung des Lehramtsstudiums Physik an einer rheinland-pfälzischen Universität realisiert. Das erhobene Datenmaterial wurde insbesondere mit Hilfe des Verfahrens der multivariaten, hierarchischen Regressionsanalyse evaluiert. Ergebnis der Feldstudie und Diskussion Ein relevanter Effekt des JiTT-Verfahrens auf die Performanz der Lernenden kann nicht nachgewiesen werden. Im Hinblick auf mögliche Erklärungsmuster erscheinen folgende Aspekte von Bedeutung: Im Zuge der adäquaten Berücksichtigung von Schülervorstellungen ist es ausreichend, die "Mainstream-Päkonzepte" der Lernenden zu kennen. Detaillierte-res Wissen führt zu keinem signifikant erfolgreicheren Unterricht; Die vergleichsweise offen gestalteten JiTT-Phasen des Unterrichts scheinen insbesondere die leistungsschwächeren Lernenden zu überfordern; Ein eventuell doch vorhandener, auf JiTT zurückführbarer Einfluss auf die Performanz wird durch die Effizienz des im Unterricht eingesetzten methodischen Werkzeugs der Modellbildung überdeckt. Im Hinblick auf die motivationalen Einstellungen der Lernenden erscheint bemer-kenswert, dass man in JiTT zwar durchaus eine Bereicherung für den Unterricht sieht, dem gewachsenen zeitlichen Druck sowie den erweiterten Kontrollmöglichkeiten seitens der Lehrkraft jedoch kritisch gegenübersteht. Somit ist zweifelhaft, ob es durch den Einsatz des Verfahrens tatsächlich zu einer Verstärkung der autonom regulierten Varianten der Motivation kommt.
Der Aufbau der Studienarbeit ist wie folgt: Nach einer kurzen Einführung in das Thema des Scanmatchings wird anhand der theoretischen Basis von Icp, Idc und MbIcp der aktuelle Stand der Technik vorgestellt. Im nächsten Kapitel folgt die Beschreibung des eigenen Ansatzes. Dieser umfasst die strukturellen Aspekte der Implementation, eigeneModifikationen und die Einbindung der Verfahren in die Kartenerstellung von Robbie. Im Anschluss findet sich die Evaluation der Verfahren. Dort werden Effizienztests der wichtigsten Programmparameter durchgeführt und die Wirkungsweise des Scanmatchers im Zuge der Kartenerstellung evaluiert. In letzten Kapitel folgt dann eine Zusammenfassung der Ergebnisse mit Ausblick aufweitere Nutzungs- und Forschungsbereiche.
In den systematischen Neurowissenschaften werden oft Experimente durchgeführt, welche die Kommunikation von Hirnarealen bei der Bewältigung einer bestimmten Aufgabe untersuchen. Dabei wird angenommen, dass Neuronenverbände, die ihre Aktivität synchronisiert haben, an dieser Aufgabe beteiligt sind. In den aufgezeichneten EEG-Daten kann diese Zusammenarbeit anhand von interregionaler Kohärenz als Phasensynchronizität der Hirnstromfrequenz nachgewiesen bzw. quantifiziert werden. Ziel der Arbeit ist die Implementierung einer Software, welche die notwendigen Schritte der Kohärenzanalyse durchführt und die Ergebnisse statistisch aufbereitet und darstellt. Da die Verfahren und der Ablauf weitgehend durch die Anforderungsspezifikation vorgegeben sind, liegt ein Schwerpunkt der Arbeit auf dem Entwurf und der Programmierung einer intuitiv zu bedienenden Benutzeroberfläche, die den automatisierten Ablauf der Analyse ermöglicht. Ein Statistik-Toolkit soll die Überprüfung von Arbeitshypothesen ermöglichen (Signifikanz). Weiterhin soll die Darstellung den Transport und die Diskussion der Ergebnisse erleichtern.
Kurzfassung Theorien, Szenarien, Vermutungen und Annahmen lassen sich in den Sozialwissenschaften seit geraumer Zeit mittels computergestützter Simulation analysieren, erhärten oder entkräften. Im Feld der Simulationsumgebungen gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Softwarelösungen. Das Projekt EmIL hat zum Ziel eine Simulationsumgebung zu erschaffen, die einen Schritt weiter geht als die bisher etablierten Lösungen. So soll in dieser Simulationsumgebung namens EmIL-S die Möglichkeit geschaffen werden Normentstehung zu analysieren. Dies wird durch eine Auftrennung der Simulationsumgebung in verschiedene Bereiche erreicht. Diese Diplomarbeit beschreibt die Konzepte die hinter diesem Projekt stehen und stellt einen lauffähigen Prototyp für diese Simulationsumgebung zur Verfügung. Die Erstellung dieses Prototypens, das hierfür zugrunde liegende Szenario und alle verwendeten Komponenten werden detailliert in dieser Arbeit beschrieben. Auch werden die mittels dieses Prototypens gewonnen Erkenntnisse dargelegt und analysiert. Im Zuge dieser Beschreibungen werden konzeptionelle sowie technische Fehler an der Simulationsumgebung aufgezeigt und Lösungs- bzw. Verbesserungsvorschläge dargelegt. Diese Arbeit kann auch als Leitfaden für die Erstellung von Simulationen mittels EmIL-S hilfreich sein.
Zur Erstellung von 3-D-Oberflächenmodellen real existierender Objekte wird häufig sehr teure Hardware eingesetzt, z.B. 3-D-Laser-Range-Scanner. Da diese keine Grauwert- oder Farbinformationen erfassen können, muss das Objekt zur Wiedergabe farbiger Strukturen zusätzlich abfotografiert und mit den Bildern registriert werden. Die Arbeit entwickelt demgegenüber ein Verfahren zum Einsatz eines kalibrierten Stereokamerasystems. Aus den erhaltenen Sequenzen zweidimensionaler Stereobilder kann ein texturiertes 3-D-Mesh rekonstruiert werden. Im Vergleich zum Einsatz eines Scanners ist dieses Verfahren zwar weniger genau, aber dafür preisgünstiger, platzsparend und schneller einsetzbar. Den Schwerpunkt der Arbeit bilden die Fusionierung der Tiefenkarten und die Erstellung eines texturierten Meshs aus diesen.
Diese Arbeit bewegt sich im Spannungsfeld dreier Gebiete: Virtualisierung, Echtzeitverarbeitung und Parallelverarbeitung. Jedes dieser Gebiete gilt für sich genommen als weitgehend erforscht, doch ergeben sich bei ihrer gemeinsamen Betrachtung zahlreiche neue Fragestellungen und Möglichkeiten. In dieser Arbeit werden dazu Modelle zur Beschreibung von Echtzeitanwendungen innerhalb der Prozesshierarchie einer Virtualisierungsumgebung entwickelt. Bestehende Schnittstellen zur Virtualisierung werden auf ihre Möglichkeiten zur Echtzeitverarbeitung untersucht, und es werden neue Schnittstellen zur Virtualisierung auf Mehrprozessormaschinen geschaffen und erprobt, die die spezifischen Anforderungen eingebetteter Systeme "insbesondere die Echtzeitfähigkeit" berücksichtigen. Damit wird eine sichere und effiziente Koexistenz von Programmen mit unterschiedlich harten Zeitanforderungen in getrennten virtuellen Maschinen auf einem gemeinsamen Mehrprozessorrechner ermöglicht.