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Charge and excitation-energy transfer in time-dependent density functional theory
(2013)
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Dirk Hofmann-Mees
- Learning about and understanding the mechanisms and pathways of charge and excitation-energy transfer of natural molecular complexes is a promising approach for the tailored design of new artificial energy-converting materials. Therefore, next to extensive experimental investigations, a theoretical method that is able to reliably describe and predict these phenomena from first principles is of practical relevance. In principle, density functional theory (DFT) and time-dependent density functional theory (TDDFT) appear as natural choices to study the relevant sizable molecules on a first-principles scale at bearable computational cost. However, the application of standard local and semilocal density functional approximations suffers from well-known deficiencies, in particular, as far as the simulation of charge-transfer phenomena is concerned. The present thesis approaches charge and excitation-energy transfer with the objective of improving the predictive power and extending the range of applicability of (TD)DFT.
The deficiencies of standard density functional approximations have been related to self-interaction. Hence, one major aspect of this work is the extension of the self-interaction correction in Kohn-Sham DFT that is based on the generalized optimized effective potential to TDDFT using a real-time propagation approach. The multiplicative Kohn-Sham potential allows for a transparent analysis of the exchange-correlation potential during time evolution. It reveals frequency-dependent field-counteracting behavior and step structures that appear in dynamic charge-transfer situations. The latter are important for the proper description of charge transfer. Self-interaction correction allows to access many cases that are difficult for standard TDDFT ranging from chain-like systems over excitonic excitations in semiconductor nanoclusters to short- and long-range charge-transfer excitations. At the same time, it does not spoil the reasonable accuracy that already (semi)local functionals exhibit for local excitations. Moreover, the TDDFT perspective on self-interaction correction sheds new light also on the ground-state formalism. Complex degrees of freedom in the energy-minimizing transformation of the generalized optimized effective potential approach yield smoother orbital densities that appear more reasonable when inserted into approximate functionals in the self-interaction correction formalism. This work provides new insight into the use of different functional approximations. Last but not least, the influence of spin-symmetry breaking and step structures of the potential on the preference to transfer integer units of the elementary electric charge between largely separated donor and acceptor moieties is illustrated when static external electric fields are applied. This work has been reported in three publications and one submitted manuscript.
In the field of excitation-energy transfer, recent discoveries of quantum coherence effects shed new light on the mechanisms behind energy-transfer rates. The latter are affected by a number of different properties of the isolated molecules, but involve also effects due to the environment of the system. This thesis addresses excitation-energy transfer phenomena from two perspectives. First, I use real-time propagation TDDFT to investigate the intermolecular coupling strength and the coupling mechanism between single fragments of supermolecular setups. These investigations base on standard closed quantum system TDDFT and exploit the coherent oscillation of excitation energy between separated molecules after the initial excitation process. Second, I use open quantum system ideas in the framework of TDDFT to study the influence of the system’s environment on the energy-transfer time scales and pathways in a circular arrangement of molecules using an effective energy-dissipation mechanism. The first part of these results is published. The second part is presented in this thesis and includes work in progress.
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Polyelectrolyte Coatings with Internal Hierarchy
(2013)
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Julia Gensel
- The results presented in this thesis are focused on the surface modification by polyelectrolytes and polyelectrolyte copolymers. The internal structural hierarchy originate thereby from the self-assembly processes at different length scales. To generate different levels of hierarchy, the coatings were constructed by using either the layer-by-layer (LbL) deposition method (lateral chemical structure), the adsorption of supramolecular aggregates (lateral topographycal structure), or the combination of both. Using these techniques, one can control the properties of the coatings by varying the chemical structure of the polyelectrolytes, for instance, their charge density, thus providing a convenient way for their functionalization and the ability to tune properties of the surface. Therefore, we were working with systems which have variable charge densities. With this approach, we were able to produce thin and ultrathin nanostructured films with tunable properties and functionality.
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Synthesis and Combinatorial Optimization of Novel Star-Shaped Resist Materials for Lithographic Applications
(2012)
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Florian Wieberger
- Gordon Earle Moore predicted in the mid-1960s the cost-efficient doubling of transistors’ number on integrated circuits every two years – known as Moore’s Law. Leading companies orientates by the development of integrated circuits on this Moore’s Law and contributed to this prediction to come true up to the present. In so doing, the semiconductor industry drafts every two years aims to fulfill this prediction summarized in the so-called International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). The ITRS lists guidelines for cost-effective progresses in performance of integrated circuits, e.g. design of integrated circuits, advancements of exposure tools and exposure techniques, and closely correlated resist materials. This thesis deals with the development of new resist materials and their combinatorial investigation concerning the performance in lithographic patterning.
The lithographic patterning procedure is a sequence of multiple processing steps and thus this procedure involves many processing variables interacting strongly with each other. For understanding and comprehensive investigation of such multi-variable dependent systems the development and implementation of combinatorial approaches were in the focus of this thesis. Furthermore this thesis is focused on the synthesis of new tailored resist materials for lithographic patterning. Star topology was the selected polymer architecture of this new resist material realized via the core-first atom transfer radical polymerization (ATRP) technique. The lithographic performance of electron beam lithography patterning was investigated for the resulting randomly distributed star terpolymers and star block copolymers by combinatorial libraries in view of features’ quality.
The first chapter deals with developed, adapted, and improved combinatorial techniques for thin film investigations in general and utilized for lithographic patterning investigations in particular. The lithographic patterning procedure of chemically amplified resist systems consists of various steps: film preparation, post apply bake (PAB) to remove residual solvent, exposure, post exposure bake (PEB) to activate the catalytic reaction, and development. For this rather complex process variable gradients were developed and adapted for each processing step to investigate and optimize the performance of especially new resist systems. For the film preparation a method was developed to prepare an internal material composition gradient. This was realized by a gradient extrudate prepared using two individual controllable syringe pumps and subsequent doctor-blading. The material composition gradient was verified by high performance liquid chromatography. The second (PAB) and also the fourth (PEB) processing step are both annealing processes of the resist film although they serve different purposes. For the investigation of such annealing processes temperature gradients were prepared adjustable in temperature range and temperature slope. This adjustability is ensured by the active heating and the active cooling source and also by the gap and the type of metal plate. For the third step exposure methods were developed to realize defined exposure dose gradients in very small areas of the resist film. Different exposure dose gradients were designed for photolithography as well as for electron beam lithography. For the latter case this dose gradient was programmed in the pattern design using the software which controls the electron beam during the exposure process. The dose gradient for photolithography investigations was realized by a special designed shadow mask. For the last processing step development a preliminary screening of the dissolubility conditions of the resist film was established utilizing quartz crystal microbalances. Based on this measured dissolubility behavior the time frame was set for development time gradients performed by a stepwise or continuously immersion of the resist films. Lastly two to three variable gradients were combined to binary or ternary combinatorial libraries, respectively. The ternary combinatorial libraries allow the investigation of three variables of the lithographic patterning process in one experiment. Thus it is possible to optimize a resist material system fast and efficiently in respect to resist performance.
In the second chapter a star-shaped teroligomer is reported as new high potential resist type for lithographic patterning purposes. The polymerization was carried out via the core-first ATRP route using a functionalized saccharose with eight initiating sites as core. Four star-shaped teroligomers were synthesized with varying target arm lengths. In addition a saccharose molecule was synthesized with an average number of 3.5 initiating sites and thus a star oligomer was realized with a reduced arm number but an identical core and similar arm length. As reference resist material a linear model oligomer was synthesized using ethyl 2-bromoisobutyrate as initiator. For all polymers narrow monomodal distributions were detected with polydispersity index values of lower than 1.1. Based on calibration polymerizations runs the monomer feed of the three used monomers was adapted to achieve targeted monomer incorporations for all teroligomers. The targeted monomer incorporation was copied from a currently industrially used linear teroligomer. One star oligomer was selected as proof of principle for the utilization of the star architecture for lithographic purposes. This new resist material was combinatorial investigated in a ternary library and thus optimized in one experiment concerning exposure dose, PEB temperature, and development time. The optimized patterns with a feature size of 100 nm and an excellent line edge roughness (LER) value of 3.1 nm were observed.
The last chapter of this thesis demonstrates the straight forward advancement of the star-shaped resist material reported in chapter two. The statistical monomer incorporation was exchanged by the introduction of the tailored star block copolymer architecture. This architecture was synthesized for the first time via the core-first ATRP route by full conversion of a first polar monomer and in-situ polymerization of additionally added nonpolar monomer. The successful syntheses were indicated by contact angle measurements showing increased hydrophobicity of star block copolymers in contrast to random star copolymers with the same monomer incorporation. The star block copolymers exhibited also enhanced dissolubility behavior characterized by quartz crystal microbalance measurements. Furthermore they demonstrated an up to eight times increased sensitivity at their lithographic application in contrast to the synthesized reference linear copolymer. The most promising star block copolymer was selected to investigate its lithographic performance. The optimization was performed in a ternary combinatorial library based on the gradient variables exposure dose and feature size, PEB temperature, and development time. The optimized pattern of clear lines and a feature size of 66 nm was observed with a LER value of 6 nm.
To conclude, different tailored star-shaped terpolymers were synthesized using the ATRP core-first route and successfully applied in the lithographic patterning process for the first time. In addition the combinatorial optimization offers the absolutely promising potential of utilizing these star shaped resist materials by the demonstrated brilliant LER values, the achieved extremely high sensitivity, and the fast and efficient development of clear 66 nm lines.
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Mesostrukturierte Metalloxide und Polyoxometallate mittels Ionogener Diblockcopolymere - Synthese, Charakterisierung und Anwendung
(2013)
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Thomas Lunkenbein
- Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Metalloxide und Polyoxometallate auf der Mesoebene mittels ionogener Diblockcopolymere zu strukturieren, zu charakterisieren und anwendungsspezifisch zu testen. Dabei wurden vor allem drei bisher bekannte Probleme, die mit der Mesostrukturierung von Metalloxiden einhergehen, umgangen.
Zum einen führt die schnelle Hydrolyse und Kondensation reaktiver Metallalkoxid-Precursoren zu unstrukturierbar großen Molekülen. Zum anderen ist oftmals ein direkter Zugang zu der gewünschten Morphologie aufgrund der mizellaren Dynamik des Templates, die von äußeren Einflüssen, wie pH-Wert, Konzentration oder Salzkonzentration abhängt, erschwert. Das dritte Problem ist die schlechte Anbindung des anorganischen Precursors an das organische Templat, was auf schwache, attraktive Wechselwirkungen zwischen beiden Materialien zurückzuführen ist. Generell müssen Hydrolyse, Kondensation und Hybridbildung zwingend synchron ablaufen, um eine Makrophasenseparation zuverlässig zu vermeiden.
Um diese Makrophasenseparation zu vermeiden, wurde am Lehrstuhl AC I ein neuartiges Konzept entwickelt, in dem alle drei Probleme adressiert und gelöst werden konnten. Diese Lösungsansätze werden nachfolgend entsprechend ihrer oben aufgeführten Reihenfolge erklärt. Zunächst wurden anionische oligomere Cluster oder pre-synthetisierte Kolloide als anorganische Precursoren verwendet, anstelle schnell hydrolyisierender und kondensierender Metallalkoxide. Die Cluster besetzen energetische Minima auf dem Weg zu ausgedehnten Oxidstrukturen und neigen somit nicht zur Kondensation. Weiterhin konnte mit 1-dimensionalen kernquervernetzten Polymerbürsten die mizellare Dynamik umgangen werden, da die rigiden zylindrischen Polymerbürsten invariant gegenüber äußeren Einflüssen sind. Außerdem besitzen diese 1-dimensionalen Nanoobjekte ionisierbare Seitenarme, welche einfach protoniert werden können und somit über starke Coulomb-Wechselwirkungen eine stabile Anbindung der anorganischen Oxide an das organische Templat gewährleisten.
Dieses Konzept der ladungsinduzierten Mesostrukturierung mittels molekularer oxidischer Precursoren wurde innerhalb dieser Doktorarbeit weitergeführt, deren Ergebnisse nachfolgend kurz dargestellt werden.
Zuerst wurde am Beispiel von pre-synthetisierten Rutil- und Anatas-Kolloiden gezeigt, dass nicht nur anionische oligomere Cluster, sondern auch Kolloide in 1-dimensionale Poylmerstrukturen eingelagert werden können. Die Kristallstruktur von Rutil und Anatas konnte durch Verwendung unterschiedlicher Säuren (HCl: Rutil; Essigsäure: Anatas) bei der Hydrolyse des Titanalkoxid-Precursors gezielt eingestellt werden. Diese TiO2-Polymorphe besitzen bei niedrigen pH-Werten eine positive Oberflächenladung. Polystyrolsulfonsäure-block-polyallylmethacrylat (PSS-b-PAMA) wurde in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl MCII als zylindrischer anionischer Antagonist synthetisiert. Die PSS-Seitenarme sind selbst bei niedrigen pH-Werten noch negativ geladen. Die resultierenden 1-dimensionalen Hybridmaterialien besaßen dieselbe Kristallstruktur wie der Precursor, eine homogene Verteilung der Nanopartikel in der Polymermatrix und nach Trocknung eine verschlaufte, sphaghetti-ähnliche Mikrostruktur mit relativ hoher spezifischer Oberfläche.
In einer detaillierteren Studie wurde zusätzlich der Einfluss der Länge der zylindrischen Template auf die Packung der 1-dimensionalen Nanoobjekte und auf die daraus resultierende spezifische Oberfläche untersucht. Dabei wurden zylindrische Hybridmaterialien aus Heteropolysäuren des Keggin-Typ Polyoxometallates (Keggin POM), die in 1-dimensionale Polybutadien-block-poly(2-vinylpyridin) (PB-b-P2VP) Polymerbürsten eingelagert wurden, verwendet. Hierbei zeigte sich insbesondere, dass eine kurze Ultraschallbehandlungsdauer das Aspektverhältnis der 1-dimensionalen Strukturen nur gering verändert, die Dispersion der anisotropen Hybridmaterialien perfektioniert und die interpartikulären Kontaktpunkte innerhalb der Mikrostruktur minimiert. Als Ergebnis wurde hierfür die maximal zugängliche spezifische Oberfläche erhalten. Eine Ausweitung dieses Syntheseprotokolls auf Keggin POMs mit unterschiedlicher Ladung, Heteroatomen und Metallkationen konnte auch erfolgreich durchgeführt werden. Katalysetests dieser Hybridzylinder offenbarten dabei Unterschiede in der Aktivität dieser Nanostäbchen in der sauer katalysierten Zersetzung von Isopropanol.
Angliedernd an die ladungsinduzierten Mesostrukturierung wurde ein neues Synthesekonzept zu invers hexagonal geordneten Polymer/ Keggin POM Mesostrukturen erarbeitet. Als organisches Templat wurde Polybutadien-block-poly(2-dimethylaminoethylmethacrylat) (PB-b-PDMAEMA) mit einem hohen Polymerisations-grad des PB-Blockes synthetisiert. Als weitere Schlüsselfaktoren erwiesen sich neben diesem hohen Polymerisationsgrad des PB-Blockes die Wahl des Lösungsmittel und der Keggin POM-Anteil. Um dieses Material auch für Anwendungen wie der Katalyse ansprechend zu machen, muss das polymere Templat am besten vollständig entfernt werden, um eine möglichst hohe Zugänglichkeit der aktiven Zentren zu gewährleisten. Dies wurde sowohl thermisch als auch mit aggressiveren Methoden versucht. Zum einen wurde durch systematische Studien zur thermischen Entfernung des Templates gezeigt, dass die Mesostruktur kollabiert bevor der Kohlenstoff komplett entfernt werden kann. Zum anderen wurde durch aggressivere Methoden, wie Plasmaätzen, erfolgreich der Zugang zu den Mesoporen an Ultradünnschnitten (<50 nm) realisiert. An die thermische Behandlung reihte sich auch die Umwandlung der geordneten Mesophasen in geordnete Carbid/ Kohlenstoff-Nanokomposite an. Letztere sind für Katalyse oder Ladungsspeicherung auch wissenschaftlich interessant. Für die Umwandlung der geordneten oxidischen Mesophasen in Carbid/ Kohlenstoff Nanokomposite wurde nicht versucht das polymere Templat in den Poren zu entfernen, sondern es wurde zum ersten Mal als Kohlenstoffquelle in der Carbidisierungsreaktion verwendet. Folglich lieferten die hergestellten geordneten Mesophasen einen direkten und einfachen Zugang zu porösen Carbid/ Kohlenstoff Nanokompositen und zeigten katalytische Aktivität in der Zersetzung von Ammoniak.
Diese Arbeit ist eine kumulative Dissertation. Die detaillierten Ergebnisse werden in den angehängten Publikationen beschrieben.
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Single-Particle Orbit Tracking - Setup, Characterisation and Application
(2013)
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Dominique Ernst
- In this thesis, the development and experimental realisation of an optical setup which records the 2-dimensional trajectories of single fluorescently labeled polystyrene beads, either 20nm or 50nm in diameter, with a high spatial and temporal resolution is introduced. Combining single molecule fluorescence techniques with a new method called single-particle orbit tracking the spatial position of the beads could be determined with an accuracy of less than 10nm at a time resolution of 4 ms. The idea is to manipulate the excitation light spatially and temporally to locate a particle. In order to do so, special optics which deflect a laser beam and guide it on a circular path were used. Subsequently, this rotating beam is projected by a microscope into the sample with the diffusing particles. Due to the spatially and periodically modulated excitation light, the emission signal of the bead is modulated with the frequency of the rotation of the laser focus. The amplitude of the modulated emission signal depends on the position of the particle within the excitation orbit. An ingeniously developed algorithm calculates the position of the particle with respect to the centre of the orbit by demodulating the emission signal and restores the particle back to the orbit centre. Applying this method successively, the trajectory of the diffusing bead can be reconstructed. Besides the experimental realisation, the characterisation of the setup in terms of the spatial and temporal accuracy as well as the experimental shortcomings that influences the measured trajectories and hence, the interpretation of the data, were also the main topics of this work. For this purpose a reference sample of 20nm sized beads in glycerol was used. The accuracies were studied mainly by computer simulations and the artifacts by experiments. The technical details of the setup and the characterisation results were published (publication P1).
The recorded trajectories were analysed with various methods, among which the commonly used mean squared displacement (MSD) yields the results with highest information. The diffusion coefficient as well as the diffusion behaviour could be quantified. With this method the obtainable accuracy in measuring the diffusion coefficient by the acquisition of single-particle trajectories was studied as a function of the length of the trajectories and as a function of the number of fitting points that were used for a linear fit to the experimentally determined MSD-curves. As expected, the relative error of the determined diffusion coefficient gets better for longer trajectories. Further, an optimal number of fitting points for the linear approximation to the MSD-curves was found, which yields the most exact values for the diffusion coefficients and which is independent of the trajectory length. For the first time, experimental results on that issue were compared with theoretical predictions, where a good agreement was found. These findings were published (publication P2). By the use of the Stokes-Einstein relation the diffusion coefficients could further be converted to particle radii. A closer examination of these radii emphasises the influence of the afore mentioned number of fitting points. For the optimal value, significantly precise radii could be determined.
Finally, an application of the new setup is presented. In cooperation with the chair of experimental physics I (group of Prof. Dr. M. Weiss) of the University of Bayreuth, the diffusion behaviour of single nanoparticles in a complex fluid was studied. Background hereto is the investigation of biochemical reactions in a biological cell, whose kinetic is given by the diffusion of the corresponding reaction partners. Due to the high crowding of the cell compartments the diffusion is hindered. The diffusion behaviour in these systems is called anomalous and more exactly subdiffusive. Several theoretical models have been developed to explain this phenomenon, but yet without experimental verifications. Here, the diffusion of 50nm sized polymer beads in the model system dextran (a highly branched biopolysaccaride) is investigated experimentally with high spatial and temporal resolution. The data were analysed in the group of the cooperation partner which yields a very good agreement with the model of “fractional Brownian motion”. These results were also published (publication P3).
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Jahresbericht 2010-11 zum Förderprojekt 01879 Untersuchung der Veränderung der Konzentration von Luftbeimengungen und Treibhausgasen im hohen Fichtelgebirge 2007 – 2014
(2012)
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Thomas Foken
Lisa Dirks
- no abstract
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Umweltbildung zum Thema Klimawandel im botanischen Garten: Wissen, Einstellungen und Konzepte von Jugendlichen
(2012)
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Daniela Sellmann
- Das Thema Klimawandel ist eines der wichtigsten sozio-wissenschaftlichen Themen unserer Zeit (Klosterman & Sadler, 2010) und sicherlich auch eine der größten Bedrohungen für unsere Ökosysteme (Fischlin et al., 2007). Dementsprechend groß ist das Interesse sowohl in der Wissenschaft als auch in der Öffentlichkeit. Die Komplexität des Phänomens, seine vielfältigen lokalen und globalen Auswirkungen sowie die Flut an, teilweise inkorrekten, Informationen, mit denen (nicht nur) Jugendliche konfrontiert werden (Weingart et al., 2000), führen zu Unsicherheiten (Fortner et al., 2000) und erschweren ein Verstehen des Klimawandels zusätzlich. Entsprechende Umfragen zeigen Jugendliche durchaus bereit, im Klimaschutz aktiv zu werden, sie dokumentieren häufig aber auch eine individuelle Hilflosigkeit angesichts des globalen Charakters des Klimawandels (Emnid, 2009; forsa, 2009). Durch oft widersprüchliche Informationen entstehen häufig Alltagsvorstellungen über den Klimawandel, die mit der wissenschaftlichen Sichtweise nicht übereinstimmen (z. B. Andersson & Wallin, 2000; Lombardi & Sinatra, 2010; Shepardson et al., 2009). Das Thema Klimawandel bedarf daher einer Kommunikationsstrategie, die gängige Alltagsvorstellungen mit der wissenschaftlichen Sichtweise auf einen gemeinsamen Nenner bringen kann, aber auch Handlungsoptionen vermittelt, um die vorhandene Aktionsbereitschaft zu aktivieren (Bord et al., 2000).
Die vorliegende Studie zieht konsequent die Prinzipien der Umweltbildung als Basis für eine Bildung zum Thema Klimawandel heran, also die Wissensvermittlung zu umweltrelevanten Themen, die Förderung von umweltfreundlichen Einstellungen sowie die Unterstützung einer besseren Naturverbundenheit (Stern et al., 2008). Zum Erreichen dieser Ziele bieten sich außerschulische Lernorte für Umweltbildungsprogramme besonders an, da sie direkte Erlebnisse mit der Natur ermöglichen und so neben kognitiven auch affektive Domänen ansprechen. Die vorliegende Studie wurde ganz bewusst am außerschulischen Lernort botanischer Garten durchgeführt, weil hier ausgewählte Pflanzenarten aus nahezu allen Ökosystemen der Welt vertreten sind. Dadurch steht Kindern und Jugendlichen sozusagen ein „Fenster zur botanischen Welt“ zur Verfügung, welches globale Auswirkungen des Klimawandels hervorragend veranschaulichen kann.
Alle vier vorgestellten Studien beleuchten das kognitive Wissen und Vorstellungen von Jugendlichen zwischen 14 und 19 Jahren zum Thema Klimawandel; sie beschreiben ihre Naturverbundenheit und Umwelteinstellungen und deren positive Beeinflussung durch ein speziell abgestimmtes Umweltbildungsprogramm in einem botanischen Garten. Darüber hinaus werden gezielte Implikationen für die Entwicklung und Durchführung ähnlicher Programme vorgeschlagen.
Teilstudie A bezieht sich auf die Veränderung von Schülervorstellungen in Abhängigkeit von der Gestaltung von Unterrichtsmaterialien. Beispielsweise konnte durch ein gezieltes Eingehen auf typische Alltagsvorstellungen eine höhere Rate an Veränderungen hin zu wissenschaftlichen Konzepten erreicht werden. Teilstudie B beschreibt Alltagskonzepte von Jugendlichen und deren Beeinflussung durch ein Umweltbildungsprogramm hin zu den wissenschaftlich korrekten Konzepten zum Thema Klimawandel. Dabei wird speziell eine Methode zur Erfassung solcher Veränderungen der Schülervorstellungen dargelegt, die auch im Unterrichtsalltag leicht und ohne großen Zeitaufwand einzusetzen ist. Teilstudie C zeigt das kognitive Wissen der teilnehmenden Jugendlichen sowohl direkt nach dem Programm als auch vier bis sechs Wochen später als signifikant höher als vor einer Programmteilnahme. Schließlich weist Teilstudie D direkt nach einer Programmteilnahme erhöhte Umwelteinstellungen und erhöhte Naturverbundenheit nach, die allerdings über den längeren Zeitraum von vier bis sechs Wochen betrachtet nur bezüglich der Ausnutzung der Natur bestehen blieb; der Grad der Naturverbundenheit sowie die positivere Einstellung zum Naturschutz fielen wieder auf das Ausgangniveau zurück, bedürfen demnach einer wiederholten Intervention.
In der Zusammenfassung bleibt also festzuhalten, dass kurzfristige Umweltbildungsprogramme zum Thema Klimawandel durchaus effektiv und langfristig das kognitive Wissen der Schülerinnen und Schüler erhöhen können; dies gilt ebenso für die Einstellung bezüglich der Ausnutzung der Natur, nicht aber für die Naturverbundenheit oder Umweltschutzeinstellungen. Letztere zeigten nur kurzfristig eine positive Veränderung. Eine längere Programmdauer und wiederholte Naturerlebnisse könnten hier Abhilfe schaffen. Darüber hinaus wird der Vorteil einer unterrichtlichen Einbindung von Alltagsvorstellungen erfolgreich aufgezeigt, konsequenteres Eingehen auf bestehende Vorstellungen im Unterricht wirkt sich direkt auf die Effektivität aus. Künftige vergleichbare Lerneinheiten sollten dies berücksichtigen.
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Umsetzung verschiedener didaktischer Theorien im außerschulischen Unterricht: Potentiale und Grenzen des wiederentdeckten Lernorts Bauernhof
(2012)
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Gabriele Fröhlich
- Die Entfremdung von Lebensmittelproduktion und landwirtschaftlicher Praxis sowie das Unwissen über enge Verflechtungen zwischen Umwelt und Landwirtschaft der heranwachsenden Generation (Ernst & Theimer, 2011; Hubert, Frank, & Igo, 2000; Tal, 2008) sind ein allgemeines gesellschaftliches Problem, dem man mit Bildung begegnen kann und sollte (Harms, King, & Francis, 2009). Um diese Themen, im Sinne einer Bildung für nachhaltige Entwicklung, zu vermitteln und so innerhalb der Gesellschaft zu festigen, scheint sich am besten situationsbezogenes und kontext-orientiertes Lernen am außerschulischen Lernort Bauernhof zu eignen (Knobloch, Ball, & Allen, 2007). Kontext-orientiertes Lernen ermöglicht den Schülerinnen und Schülern das in der Schule Gelernte auf den Alltag zu übertragen und so effektiver zu lernen (Bennett, Lubben, & Hogarth, 2007).
Das in dieser Studie entwickelte agrarische Umweltbildungsprojekt unterscheidet sich bewusst von bestehenden, zum Teil mehrtägigen und erlebnisorientierten Projekten, indem es Schulpraxisrelevanz für sich beansprucht: Es wird auf Ansprüche und Anforderungen des Lehrplans (fachliche Inhalte, Kompetenzvermittlung, kurze Projektdauer), der Lehrer (einfache Organisation und Durchführbarkeit) und der Schüler (schülerzentrierte und kooperative Lernmethode) Rücksicht genommen und diese bestmöglich umgesetzt.
Die Zielsetzungen der Promotionsstudie waren zum einen genauere Untersuchungen zur Naturverbundenheit von Kindern (Teilarbeit A), die Erziehung zu umweltfreundlicherem Konsumverhalten (Teilarbeit B) und eine kognitive Wissensvermittlung durch das entwickelte Projekt (Teilarbeit C). Darüber hinaus wurden noch Schülervorstellungen zur landwirtschaftlichen Praxis am Anfang und Ende der Sekundarstufe I erhoben (Teilarbeit D), um die Wahrnehmung von Landwirtschaft bei Kindern und Jugendlichen in einer modernen Industriegesellschaft besser beurteilen zu können. Das Wissen dieser Vorstellungen ist als Basis zur Erarbeitung effizienter Bildungsmaßnahmen in diesem Bereich erforderlich.
Teilarbeit A zeigt sowohl einen negativen Zusammenhang zwischen dem Alter (untersucht wurde der Zeitraum vor dem Einsetzen der Pubertät (9 – 13 Jahre)) als auch einen positiven Zusammenhang zwischen den kognitiven Fähigkeiten (Indikatorvariable: Schulform) und dem Grad der Naturverbundenheit.
Frühere Studien (Davis, 2011; Schultz, 2002) zeigten einen engen Zusammenhang zwischen Naturverbundenheit und umweltfreundlichem Verhalten. Dennoch hat sich in Teilarbeit B herausgestellt, dass Naturverbundenheit bei den Bildungsprojekt-Teilnehmern (Durchschnittsalter: 11,5 Jahre) keinen wichtigen Beitrag zur Intention für umweltfreundlicheres Konsumverhalten leistete, ebenso wenig wie das neu hinzugewonnene Wissen. Signifikant hingegen waren die Korrelationen mit situationsbedingten Lernemotionen, die direkt im Anschluss an die Unterrichtseinheit gemessen wurden. Jedoch war das Konsumverhalten nach sieben Wochen wieder auf dem vor der Intervention gemessenem Ausgangsniveau.
Wissensvermittlung, die Hauptintention der meisten Bildungsprojekte, erwies sich in Teilstudie C für die teilnehmenden Schüler insgesamt, unabhängig vom Lernort (Klassenzimmer vs. Bauernhof), als erfolgreich. Schlüsselt man die einzelnen Wissensbereiche weiter auf, so ergab sich ein signifikanter mittelfristiger Lernzuwachs bei Mädchen zum Thema Ernährung, und ein signifikanter kurz- und mittelfristiger Lernzuwachs für das Themengebiet Landwirtschaft bei beiden Geschlechtern.
Schließlich wurde in Teilstudie D Schülervorstellungen zu den Aufgaben eines Landwirts erhoben. Hierzu wurden Schüler am Anfang der Sekundarstufe I (5./6. Jahrgangsstufe) und am Ende (10. Jahrgangsstufe) befragt. Bei der induktiven Kategorienbildung der qualitativen Inhaltsanalyse nach Mayring (2007) ergaben sich kaum Unterschiede zwischen den Altersgruppen, jedoch lag der Schwerpunkt der Arbeitsaufgaben für die jüngeren Schüler bei den Tieren und für die Älteren bei den Pflanzen. Lediglich ein geringer Anteil der Zehntklässler nannte ökologische Aufgabenbereiche, bei den Jüngeren fehlt dieser Aspekt völlig. Generell zeigten sich sehr stereotype und einfache Vorstellungen bei den teilnehmenden Schülern.
Kurze, schülerzentrierte Bildungsmaßnahmen im Bereich der Landwirtschaft und Ernährung können kurz- und mittelfristig Wissen vermitteln, Anregungen für umweltfreundlichere Verhaltensweisen schaffen und positive Lernemotionen stärken, die sich jedoch stark auf das Antwortverhalten der Schüler auswirken können. Zusammenfassend kann man sagen, dass das entwickelte Bildungsprojekt gut geeignet ist, Grundlagen der agrarischen Umweltbildung schülergerecht zu vermitteln. Die Inhalte des Projekts sollten wiederholt in der Schullaufbahn aufgegriffen und altersgerecht vertieft werden, um den Schülern agricultural literacy(Frick et al., 1991) und damit ein realeres Bild über die moderne landwirtschaftliche Praxis zu vermitteln.
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Wissens- und sensorbasierte geometrische Rekonstruktion
(2012)
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Stefan Kuhn
- Möchte man herausfinden, wo sich bestimmte Objekte innerhalb eines gegebenen Raumes aufhalten könnten, so bleibt einem zunächst nur die Antwort "Irgendwo im gegebenen Raum". Erst mit Hilfe zusätzlicher Informationen, wie beispielsweise Sensordaten oder Eigenschaften der bestimmten Objekte oder der Umwelt im gegebenen Raum, lassen sich die möglichen Aufenthaltsorte einschränken, indem man solche Bereiche des Raumes ausschließt, in denen sich keines der bestimmten Objekte aufhalten kann.
Sind beispielsweise Menschen die bestimmten Objekte und deren mögliche Aufenthaltsorte innerhalb einer Roboter-Arbeitszelle von Interesse, dann muss man ohne weitere Informationen in der gesamten Roboter-Arbeitszelle Menschen vermuten. Unter der Voraussetzung, dass sich ein Mensch nicht in soliden Objekten der Umwelt aufhalten kann, reduzieren sich die möglichen Aufenthaltsorte innerhalb des gegebenen Raumes. Sensoren können verwendet werden, um freie Bereiche innerhalb der Roboter-Arbeitszelle zu erfassen, um damit die möglichen Aufenthaltsorte weiter einzugrenzen. Ein anderer Aspekt könnte das Minimalvolumen der bestimmten Objekte berücksichtigen, um so Regionen bei Unterschreitung dieses Minimalvolumens zu verwerfen, in denen zuvor Menschen vermutet werden mussten. Weitere Aspekte zur Eingrenzung möglicher Aufenthaltsorte stellen beispielsweise die Berücksichtigung von Farben, Distanzen, Geschwindigkeiten, Gewichten etc. dar.
Ziel dieser Arbeit ist die automatisierte, computerbasierte Lösung des obigen Problems, nämlich die Bestimmung und geometrische Beschreibung möglicher Aufenthaltsorte bestimmter Objekte innerhalb eines gegebenen Raumes unter Nutzung von Wissen und Sensoren. Es wird dabei gefordert, dass die geometrische Beschreibung - im Folgenden als geometrische Rekonstruktion bezeichnet - konservativ sein muss, d.h. die bestimmten Objekte innerhalb des gegebenen Raumes dürfen nicht aus der Rekonstruktion herausragen.
Das Problem wird zunächst allgemein im n-dimensionalen euklidischen Raum modelliert. Dieses Modell kann als Rahmenwerk angesehen werden, welches die konsistente Integration von Wissen und Sensoren erlaubt, um eine geometrische Rekonstruktion zu bestimmen. Unterschiedliches Wissen und unterschiedliche Sensoren werden exemplarisch integriert und diskutiert.
Basierend auf dem allgemein eingeführten Modell wird eine Implementierung für einen dreidimensionalen Voxelraum abgeleitet. Besondere Aufmerksamkeit ist bei der Verwendung diskreter Datenstrukturen erforderlich, um die Konservativität der resultierenden geometrischen Rekonstruktion zu gewährleisten.
Ein Prototyp wurde versuchsweise im industriellen Umfeld in einem Mensch/Roboter-Koexistenz-Szenario in Zusammenarbeit mit einem deutschen Automobilhersteller eingesetzt. Das Robotersystem nutzt die berechneten geometrischen Rekonstruktionen, um die Geschwindigkeit des Roboterarms bei Annäherung an einen Menschen zu reduzieren.
Ein weiteres Experiment diente der quantitativen Untersuchung der resultierenden geometrischen Rekonstruktionen in einem vergleichbaren Aufbau. Die verbleibende Anzahl an Voxeln der geometrischen Rekonstruktionen beläuft sich im Durchschnitt über alle Zeitpunkte der im Experiment betrachteten Sequenz auf etwa 1,22% bezüglich aller Voxel innerhalb des gegebenen Raumes. Im direkten Vergleich dazu verbleiben bei einer einfachen Multi-Kamera-Rekonstruktion, welche "Occlusion Masks" zur Behandlung von sichtverdeckenden Hindernissen nutzt, durchschnittlich etwa 9,62% der Gesamtanzahl an Voxeln innerhalb des gegebenen Raumes. Die wissens- und sensorbasierte geometrische Rekonstruktion besteht also durchschnittlich aus etwa 12,7% der Voxel gegenüber dem einfachen Ansatz, welcher "Occlusion Masks" nutzt und beschreibt damit die bestimmten Objekte wesentlich exakter.
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Jahresbericht 2008 - Universität Bayreuth Rechenzentrum
(2009)
- Universität Bayreuth Rechenzentrum Jahresbericht des Rechenzentrums
