Doctoral Thesis
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Beyond productivity- Effects of extreme weather events on ecosystem processes and biotic interactions
(2012)
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Julia Walter
- Under global climate change, extreme weather events, such as heat waves, drought or heavy rain spells, are projected to increase in magnitude and frequency. As these may affect vegetation and ecosystems more than gradual shifts in mean climatic parameters, investigating the consequences of extreme weather events recently became an important issue in climate change research. The main focus of most experiments investigating effects of extreme weather events on vegetation is on primary productivity. In our experiment in artificially planted communities, even an extreme drought of 1000-year recurrence did not have effects on above- or below-ground biomass production from 2005-2010.
Thus, the main objectives of this thesis were (1) to investigate if extreme weather events have an effect on ecosystem functions beyond productivity, (2) to test if such a high resistance or resilience in response to drought regarding productivity also exists in more naturally grown plant communities and (3) to further elucidate possible mechanisms of the surprisingly large stability of the plant communities.
To investigate these objectives, several experimental studies were conducted in artificially planted, as well as in naturally grown grassland communities and consequences of extreme weather events for ecosystem processes, such as decomposition and herbivory were investigated. In a pot experiment, it was studied, if grass plants react improved towards repeated drought when compared to a first drought and thus reveal a kind of drought memory. Such a memory might be one possible, but up until now widely neglected mechanism of resilience.
Even though biomass production remained stable in our experiment in artificially planted communities, biomass quality was severely affected by extreme drought, thereby strongly affecting the development of a herbivore caterpillar feeding on drought-exposed leaves. Further, plant compounds of the host plant depended on the composition of the plant community it was grown in. This in turn resulted in strong effects on the larval mortality of herbivores feeding on such plants.
In contrast to the study in artificially planted communities, aboveground net primary productivity (ANPP) was reduced in naturally composed grassland in response to extreme rainfall variability, including an extreme drought followed by heavy rainfall. Forage quality was altered by drought. Furthermore, mowing frequency strongly altered forage quality and biomass production, but did not interact with rainfall variability and thus did neither buffer, nor amplify effects of extreme rainfall variability. Despite effects of rainfall variability on ANPP, grassland showed high resilience after drought followed by heavy rain, as effects were large shortly after the extreme event, but did not persist until a second harvest later in the year.
In natural grassland, rainfall variability and drought also affected ecosystem processes, here litter decomposition, beyond productivity. Drought followed by heavy rain pulses decreased decomposition rates. Decomposition in more frequently mown meadows was more vulnerable towards drought exposure. Winter warming and additional winter rain had no long-term effect on decomposition. To conclude, projected increases in drought frequency under climate change may inhibit decomposition and alter nutrient and carbon cycling along with soil quality in temperate grassland, whereas a reduction of snow cover leading to more variable soil surface temperatures may counteract increased decomposition under winter warming.
In this thesis, an ecological stress memory as one possible mechanism of resilience is defined as any response of a single plant after a stress experience that improves the reaction of the plant towards future stress experience and which is assessed on a whole plant level. This thesis further provides evidence of a drought memory in grass plants: Plants repeatedly subjected to drought showed improved photo-protection and a higher rate of living biomass when compared to plants faced with their first drought. Similarly, tree seedlings exposed to drought in summer revealed higher frost resistance during winter, providing evidence of a long-lasting “cross-stress-memory” .
To sum up, the thesis shows that extreme weather events, even though neither severely affecting biomass production in artificially composed, nor in naturally growing communities in the long-term, exert strong influence on physiological or biogeochemical parameters, such as plant compounds or soil biotic activity. These changes in turn modify ecosystem functions beyond productivity, for example herbivory or decomposition, possibly altering biotic interactions and nutrient cycling. Furthermore, the findings imply that plants exhibit a stress memory after stress exposure, which may be one mechanisms leading to a high stability and resilience upon frequent stress.
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Shape Calculus Applied to Elliptic Optimal Control Problems
(2012)
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Michael Frey
- This thesis is devoted to the analysis of a very simple, pointwisely state-constrained optimal control problem of an elliptic partial differential equation. The transfer of an idea from the field of optimal control of ordinary differential equations, which proved fruitful with respect to both theoretical treatment and design of algorithms, is the starting point. On this, the state inequality constraint, which is regarded as an equation inside the active set, is differentiated in order to obtain a control law.
A geometrical splitting of the constraints is necessary to carry over this approach to the chosen model problem. The associated assertions are rigorously ensured. The subsequent derivation of a control law in the sense of the abovementioned idea yields an equivalent reformulation of the model problem. The active set appears as an independent and equal optimization variable in this new formulation. Thereby a new class of optimization problem is established, which forms a hybrid of optimal control and shape-/topology optimization: set optimal control. This class is integrated into the very abstract framework of optimization on vector bundles; for that purpose some important notions from the field of calculus on manifolds are introduced and related with shape calculus.
First order necessary conditions of the set optimal control problem are derived by means of two different approaches: on the one hand a reduced approach via the elimination of the state variable, which uses a formulation as bilevel optimization problem, is pursued, and on the other hand a formal Lagrange principle is presented.
A comparison of the newly obtained optimality conditions with those known form literature yields relations between the Lagrange multipliers; in particular, it becomes apparent that the new approach involves higher regularity. The comparison is embedded to the theory of partial differential-algebraic equations, and it is shown that the new approach yields a reduction of the differential index.
Upon investigation of the gradient and the second covariant derivative of the objective functional different Newton- and trial algorithms are presented and discussed in detail. By means of a comparison with the well-established primal-dual active set method different benefits of the new approach become apparent. In particular, the new algorithms can be formulated in function space without any regularization. Some numerical tests illustrate that an efficient and competitive solution of state-constrained optimal control problems is achieved.
The whole work gives numerous references to different mathematical disciplines and encourages further investigations. All in all, it should be regarded as a first step towards a more comprehensive perspective on state-constrained optimal control of partial differential equations.
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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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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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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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untitled document
(2009)
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Cathérine Conradty
- Multimediales Lernen, bspw. mit dem Computer, ist eine wichtige Unterstützung im Unterricht geworden. Wenn auch Wirkung und Nutzen kontrovers diskutiert werden, gehört der Computer inzwischen zum Lehrplan an deutschen Schulen. Computerhandhabung ist eine notwendige Kompetenz für das Berufsleben. Zudem gilt das Medium als motivationsfördernd, was sich positiv auf den Lernerfolg auswirken soll. Ein kritischer Faktor bei Multimedia-Lernen ist neben der Multimodalität die Unterrichtsform: meist wird der Computer in ansonsten eher seltener schülerzentrierter Freiarbeit eingesetzt. Das eine wie das andere kann an sich Schüler kognitiv überfordern und damit das Lernen erschweren. Im Studie A wird der Effekt auf kognitive Lernerfolg und motivationale Variablen bei variierter Lehrer-Anleitung in computerunterstützter Freiarbeit empirisch untersucht. Fehlt die aktive Lehrerbegleitung, war der Lernerfolg im Nachtest geringer. Nach sechs Wochen aber schnitten die völlig selbstständig Lernenden besser ab als die betreuten Schüler. Wissen, das selbstständig erarbeitet wurde, ist bei der computerunterstützten Freiarbeit konsistenter. Der durch während des Unterrichts empfundenen Druck und geringe Selbstkompetenz verursachte negative Effekt auf den Lernerfolg scheint hingegen durch gezielte Anleitung verhindert zu werden. Auch konnten mit Anleitung die Jungen für das Thema gewonnen werden - allerdings ohne bemerkenswerten Effekt auf den Lernerfolg. Wichtigster Faktor der Untersuchung scheint das Vorwissen zu sein, das den Lernerfolg, das Interesse und das Kompetenzgefühl steigert, und gleichzeitig den Stress im Unterricht senkt. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass tatsächlich eine völlig selbstständige computerunterstützte Freiarbeit lohnenswert ist, allerdings als Festigungsphase nach einem Vorwissen bildenden, evtl. lehrerzentrierten Vorunterricht. In Studie B wurde ein Medienvergleich zwischen Hypertext und Buchtext durchgeführt. Die computerunterstützte Gruppe variierte nach den Erfahrungen aus Studie I den Grad der Lehrerunterstützung: Ein Teil der Computer-Testgruppe hatte statt der Konsolidierung im Frage-Antworten-Spiel mit dem Lehrer ein computerunterstütztes Quiz. Wenn auch das gewohnte Buch kurzfristig zu besserem Lernerfolg verhalf, vergaßen die Schüler mit der computerunterstützten Einheit mit lehrerzentrierter Konsolidierung weniger. Der Lernerfolg war aber letztlich nicht abhängig vom Medium, sondern von der Lehrerbegleitung. Ohne Betreuung waren die Schüler demotiviert und lernten kaum, wobei besonders die Mädchen litten. In Studie C wurde eine Papier-& Bleistift-Methode des Multimedia-Lernens evaluiert, das Concept Mapping (CMing). Diese „persönlichen Landkarten der Konzepte“ scheinen v. a. als Konsolidierungsphase nach computerunterstütztem Lernen hilfreich zu sein. Hier wurden Concept Maps (CMs) über zwei unterschiedlich schwere Themen erstellt, um Fehler zu typisieren und auf ihre mögliche Ursachen zu untersuchen. Die Teilnehmer, obwohl völlig unerfahren, fühlten sich beim CMing sofort kompetent. Über das einfache Thema erstellten sie komplexe Wissenskarten. Hingegen nahmen bei dem zweiten, schwierigeren Thema die technischen Fehler zu. Dies scheint vor allem ein Problem der Verbalisierungsfähigkeit der Schüler zu sein. In Studie D wurde die Eignung des CMings zur Evaluierung von Schülerwissen untersucht. Bei der Diversität der Qualitätsmerkmale für CMs kann ihre Auswertung im Schulalltag kompliziert werden. Dafür reduzierten wir die Qualitätskriterien auf die Anzahl der richtigen Verbindungen in der Wissenskarte, der „Komplexität“. In den CMs über beide Themen korreliert die Komplexität signifikant mit dem kognitiven Nachtest und dies umso besser, wenn man bei der Korrektur technische Fehler vernachlässigte. Allerdings war der Korrelations-Koeffizient schwach. Da durch CMing ein vernetztes, verstehendes Lernen gefördert wird, rechneten wir damit, dass die Qualität der CM auf den Erfolg im spätere Wissenstest schließen lässt. Entsprechende Korrelation von Komplexität mit spätem Nachtest fanden wir allerdings nur bei dem schweren Thema. Eine Reduzierung der Qualitätsmerkmale auf die Komplexität unterschätzt das abgebildete Wissen der Schüler. Studien C und D zeigen, dass sich CMing sehr gut eignet, um spezifische Wissenslücken und Vorstellungen der Schüler aufzudecken, auf die der Lehrer dann seinen Unterricht adäquat ausrichten kann. Multimediale Lerneinheiten lohnen sich als schülerzentrierte Lernform. Gerade im Wechsel mit lehrerzentrierten Wissensvermittlungs-Stunden unterstützen sie den kognitiven Lernerfolg. Wichtiger noch ist vielleicht: die Vielfalt im Schulalltag fördert die Motivation sowohl der Schüler als auch der Lehrenden. Zusätzlich werden Kompetenzen wie Computerhandhabung, Selbstorganisation und eigenverantwortliches Lernen, Vernetztes Denken und Teamwork gefördert.
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Individualisierung im Fach Mathematik: Effekte auf Leistung und Emotionen
(2010)
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Maria Tulis
- Computerbasierte Lernprogramme stellen eine sinnvolle und zunehmend praktikable Möglichkeit dar, Individualisierung im Mathematikunterricht umzusetzen. Welche Rolle Emotionen in diesen neuen Lernumgebungen – vor allem im Zusammenhang mit Fehlern und Misserfolg spielen, ist kaum geklärt. Die vorliegende Arbeit verfolgte mehrere Ziele: Zum einen ging es darum, Einsatzmöglichkeiten und Effekte computerbasierter Individualisierung auf Leistung und Emotionen von SchülerInnen zu untersuchen. Es wurde erwartet, dass durch das Programm Merlins Rechenmühle (MRM 2.0) deutlichere Leistungsverbesserungen erreicht werden als durch herkömmliche Übungsstunden (experimentelles Design innerhalb von 12 Versuchsklassen durch randomisierte Zuweisung zu Treatment- und Kontrollgruppe in jeder Klasse) und positive Veränderungen in den Mathematikemotionen, dem mathematischen Selbstkonzept, der Fachvalenz sowie der Einstellung zu Fehlern erzielt werden (Quasi-experimentelles Design durch Vergleich von 12 Versuchs- und 13 Kontrollklassen). Bei den Analysen wurden insbesondere Unterschiede zwischen leistungsschwachen und -starken SchülerInnen berücksichtigt. Zum anderen wurde die Bedeutung unterschiedlicher Fehlerkulturvariablen für Emotionen im Fach Mathematik analysiert. Neben Leistungstests am Beginn und am Ende der ersten Schuljahreshälfte, wurde das emotionale Erleben der SchülerInnen auf zwei Arten erhoben: (1) ein Fragebogen zur Erhebung habitualisierter (d.h. durch wiederholte Lernerfahrungen stabilisierter) Mathematikemotionen zu zwei Messzeitpunkten (prä-post) und (2) online-Erfassung der State-Emotionen in der computerbasierten Lernumgebung und im traditionellen Unterricht. Dabei wurde ein Augenmerk auf das prozessbezogene emotionale Erleben während der Arbeit mit dem Programm und insbesondere nach Erfolg und Misserfolg gelegt. Vorab wurden anhand einer Online-Befragung der Stellenwert und der Ablauf von Übungsstunden im Unterrichtsalltag aus Sicht von Mathematiklehrkräften erhoben, um Einsatzmöglichkeiten des Programms im Unterricht zu bestimmen. In einer Pilotstudie vor der eigentlichen Hauptstudie wurde zudem das Programm erstmals in der 5. Jahrgangsstufe einer Realschule eingesetzt und evaluiert. In der Hauptuntersuchung (N = 685 SchülerInnen) wurde MRM 2.0 in 12 Versuchsklassen (Hauptschule und Gymnasium) in den regulären Mathematikunterricht integriert. Die Ergebnisse zeigten signifikante Gewinne in der Mathematikleistung nach der Intervention – sowohl beim Vergleich zwischen Versuchs- und Kontrollklassen, als auch beim Vergleich zwischen Versuchs- und Warte-Kontrollgruppen innerhalb der Versuchsklassen. Für die Nachtestleistung konnte ein Transfereffekt und ein Effekt der vermehrten Bearbeitung von Textaufgaben (unter Kontrolle des Leistungsniveaus) gefunden werden. Zudem wurden mit MRM 2.0 in vergleichbarer Zeit wesentlich mehr Aufgaben aktiv (und individuell) bearbeitet. Beim Vergleich zwischen Versuchs- und Kontrollklassen berichteten die SchülerInnen der Versuchsklassen (und insbesondere jene, die sich in herkömmlichen Übungsstunden überfordert fühlten) nach der Intervention höhere Freude sowie weniger Langeweile und Ärger. Tendenziell zeigten sich auch positive Effekte in der Fehler-Lernorientierung und der Fachvalenz zugunsten der Versuchsklassen. Zu Beginn leistungsschwache SchülerInnen wiesen zudem nach den Übungsstunden mit MRM 2.0 ein höheres mathematisches Selbstkonzept auf. Während der Arbeit mit dem Programm dominierten positive Emotionen (auch bei leistungsschwachen SchülerInnen und Mädchen!), wobei von keinem Novitätseffekt auszugehen ist. Zwischen den prozessbezogen erhobenen Emotionen im Unterricht (States) und den mit Fragebogen erfassten (habitualisierten) Emotionen (Traits) wurden mittlere, positive Zusammenhänge gefunden. In Verbindung mit den Fragebogen-Befunden zu geschlechts- und leistungsspezifischen Unterschieden, die sich in den State-Emotionen nicht widerspiegelten, gewinnt die Erfassung situationsbezogener Emotionen an Bedeutung. Vor allem für Maßnahmen zur Förderung positiver Emotionen im Unterrichtsfach Mathematik bzw. der Motivation von Leistungsschwachen und Schülerinnen sind die gefundenen Ergebnisse bemerkenswert. Darüber hinaus wurde die Bedeutsamkeit einer positiven Einstellung zu Fehlern sowohl für State- als auch Trait-Emotionen deutlich: Analysen von Erfolgs- und Misserfolgssituationen bestätigten die Hypothese, dass SchülerInnen, die Fehlern konstruktiv und lernzielorientiert begegnen, auch in Misserfolgssituationen eine positive Emotionsbilanz aufrechterhalten.
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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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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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Intuitive Human-Robot Interaction by Intention Recognition
(2013)
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Muhammad Awais
- For two humans to interact with each other to perform a common task, they need to know the expectation of each other during interaction. For example if we consider an example of a waiter and a guest. If the waiter tilts the bottle to offer a drink to the guest then he may expect two actions from the guest, i.e., either the guest will forward his glass to get it filled or he will take his glass backward for not accepting the drink. If the guest forwards his glass then the waiter expects that the guest will keep his glass at a certain point until he pours the liquid into the glass. Similarly if the guest takes its glass backward then he expects from the waiter not to pour the liquid into his glass. In any case of misunderstanding an accident can occur. It applies to almost all the instances of human-human interaction. The recognition of the intention plays a key role in human-human interaction. It is equally important in human-robot interaction.
With the increase of research in the field of robotics, the robots are and will be becoming more and more part of human life. For the robots to be the effective part of the human life they should be helpful to the human. For a robot to be helpful to the human he should act according to the human. In case if the robot tries to help the human without knowing the intention of the interacting human then the robot can be itself a problem rather than a solution to the problems. Therefore it is necessary for a robot to know the intention of the human with whom the robot is supposed to interact to facilitate him.
The aim of this work is to propose a solution to make the human robot interaction intuitive. For making the human-robot interaction intuitive the intention of the human should be known to the interacting robot. A probabilistic approach is introduced to recognize the human intention. The approach uses the finite state machines. Each finite state machine representing a unique human intention carries a probabilistic value that is called the weight of the finite state machine. That weight tells the robot about the current human intention.
Since it is not possible to embed all the possible intentions into the robot that the robot may need to recognize. Thus, there should be a measure that the robot can learn new human intentions. An approach is discussed for this purpose.
For the human-robot interaction to be intelligent the robot should be quick in his response towards the human intention. An approach is described that addresses the issue of quick (proactive) response of the robot. The proposed approach also discusses the scenario concerning the ambiguous human intention. An ambiguous intention is a human intention that apparently corresponds to more than one human intention.
There may be a scenario in which the human has a totally new intention that the robot does not know already and also has not learned that intention. In this case, apparently there is no human- robot interaction. In order to cope with this problem an approach is discussed that enables the robot to select an appropriate action to interact with the human.
An approach concerning the generalization of the human intention is also discussed. By generalizing the human intention, the robot can extend its response according to the human intention. The extension of the response means that the robot takes those actions that were not instructed to him to be taken concerning the human intention.
