Elementare Behandlung exponentieller Prozesse

Die Unterrichtsschritte, die im Videoband nicht gezeigt werden konnten, werden in diesem Beiheft erläutert: Nach einer "Beschreibung des Themas" wird die "Ausarbeitung der drei Lernsequenzen" am Beispiel des Unterrichts in einer kaufmännischen Berufsschule, einer Berufsfachschule Gesundheitswesen und einer technischen Fachoberschule ausführlich dargestellt.

Die Natur als Erholungs(t)raum

Zur Erholung in die Natur gehen oder doch lieber zur Natursimulation greifen? Intuitiv würden die meisten Menschen der Natur einen größeren Erholungswert zusprechen als einer Natursimulation. Aber ist die Natur tatsächlich erholsamer? In der Naturerholungsforschung (Restorative Environment Research) kommen häufig Natursimulationen zum Einsatz, um die erholsame Wirkung von Natur zu ermitteln. Problematisch ist dabei, dass deren ökologische Validität und Vergleichbarkeit noch nicht empirisch abgesichert ist. Vorliegende Arbeit setzt an dieser methodischen und empirischen Lücke an. Sie überprüft sowohl die ökologische Validität als auch die Vergleichbarkeit von Natursimulationen. Dazu wird die erholsame Wirkung von zwei Natursimulationen im Vergleich zu der physisch-materiellen Natur empirisch untersucht und verglichen. Darüber hinaus werden Aspekte des subjektiven Erlebens und der Bewertung im Naturerholungskontext exploriert. Als bedeutsamer Wirkmechanismus wird die erlebnisbezogene Künstlichkeit/Natürlichkeit angesehen, die sich auf die Erlebnisqualität von Natursimulationen und der physisch-materiellen Natur bezieht: Natursimulationen weisen im Vergleich zur physisch-materiellen Natur eine reduzierte Erlebnisqualität auf (erlebnisbezogene Künstlichkeit), z.B. eine reduzierte Qualität und Quantität der Sinnesansprache. Stellt man einen derartigen Vergleich nicht nur mit der physisch-materiellen Natur, sondern mit unterschiedlichen Natursimulationstypen an, dann zeigen sich auch hier Unterschiede in der erlebnisbezogenen Künstlichkeit. Beispielsweise unterscheidet sich ein Naturfoto von einem Naturfilm durch das Fehlen von auditiven und bewegten Stimuli. Diese erlebnisbezogene Künstlichkeit kann die erholsame Wirkung von Natur - direkt oder indirekt über Bewertungen - hemmen. Als Haupthypothese wird angenommen, dass mit zunehmendem Ausmaß an erlebnisbezogener Künstlichkeit die erholsame Wirkung der Natur abnimmt. Dem kombinierten Feld- und Laborexperiment liegt ein einfaktorielles Vorher-Nachher-Design zugrunde. Den 117 Probanden wurde zunächst eine kognitiv und affektiv belastende Aufgabe vorgelegt, danach folgte die Erholungsphase. Diese bestand aus einem Spaziergang, der entweder in der physisch-materiellen Natur (urbaner Park) oder in einer der beiden audio-visuellen Natursimulationen (videogefilmter vs. computergenerierter Spaziergang durch selbigen urbanen Park) oder auf dem Laufband ohne audio-visuelle Darbietung stattfand. Die erlebnisbezogene Künstlichkeit/Natürlichkeit wurde also wie folgt operationlisiert: die physische Natur steht für die erlebnisbezogene Natürlichkeit. Die beiden Natursimulationen stehen für die erlebnisbezogene Künstlichkeit. Die computergenerierte Version ist im Vergleich zur Videoversion erlebnisbezogen künstlicher, da sie weniger fotorealistisch ist. Die Zuordnung zu einer der vier experimentellen Erholungssettings erfolgte nach dem Zufallsprinzip. Die Effekte von moderater Bewegung wurden in den Natursimulationen durch das Laufen auf dem Laufband kontrolliert. Die Beanspruchungs- bzw. Erholungsreaktionen wurden auf kognitiver (Konzentriertheit, Aufmerksamkeitsleistung) affektiver (3 Befindlichkeitsskalen: Wachheit, Ruhe, gute Stimmung) und physiologischer (Alpha-Amylase) Ebene gemessen, um ein umfassendes Bild der Reaktionen zu erhalten. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die beiden Natursimulationen trotz Unterschiede in der erlebnisbezogenen Künstlichkeit/Natürlichkeit zu relativ ähnlichen Erholungsreaktionen führen, wie die physisch-materielle Natur. Eine Ausnahme stellen eine der drei affektiven (Wachheit) und die physiologische Reaktion dar: Probanden der physisch-materiellen Naturbedingung geben an wacher zu sein und weisen - wider erwarten - eine höhere physiologische Erregung auf. Demnach ist die physisch-materielle Natur nicht grundsätzlich erholsamer als die Natursimulationen. Die Hypothese ließ sich somit nicht bestätigen. Vielmehr deuten sich komplexe Erholungsmuster und damit auch unterschiedliche Erholungsqualitäten der Settings an, die einer differenzierten Betrachtung bedürfen. Für die ökologische Validität von Natursimulationen gilt, dass diese nur mit Einschränkung als ökologisch valide bezeichnet werden können, d.h. nur für bestimmte, aber nicht für alle Erholungsreaktionen. Die beiden Natursimulationen führen ebenfalls trotz Unterschiede in der erlebnisbezogenen Künstlichkeit zu ähnlichen Erholungsreaktionen und können somit als gleichwertig behandelt werden. Erstaunlicherweise kommt es hier zu ähnlichen Erholungsreaktionen, obwohl die bestehenden Unterschiede von den Probanden wahrgenommen und die erlebnisbezogen künstlichere computergenerierte Version negativer bewertet wird. Aufgrund der nicht erwartungskonformen Ergebnisse muss das Erklärungskonzept der erlebnisbezogenen Künstlichkeit/Natürlichkeit infrage gestellt werden. Alternative Erklärungskonzepte für die Ergebnisse („Ungewissheit“, mentale räumliche Modelle), die sich andeutenden unterschiedlichen Erholungsqualitäten der Settings, methodische Einschränkungen sowie die praktische Bedeutung der Ergebnisse werden kritisch diskutiert.

Stochastische Simulation von Zufallsexperimenten mit Fathom

In der Mathematikdidaktik gibt es die weit verbreitete Auffassung, durch die Verwendung von Simulationen Lernprozesse zu unterstützen. Dies hat mich im Rahmen meiner Dissertation dazu bewogen, erstens eine Werkzeuganalyse des Simulationspotentials der Software Fathom durchzuführen und zweitens exemplarische Analysen dazu, wie Lernende mit der Software arbeiten. Bei der Werkzeuganalyse standen vor allem folgende zwei Fragen im Mittelpunkt: Was bietet die Software an Simulationspotential? Wie gut und leicht lassen sich Zufallsexperimente in Fathom realisieren? Dieses Wissen ist für die praktische Anwendung der Software und die diagnostische Kompetenz der Lehrkräfte, die Schüler bei der Arbeit mit der Software unterstützen wollen, essentiell. Mit dieser Werkzeuganalyse wurde ein allgemeineres Instrument entwickelt, mit dem man das Simulationspotential auch anderer Werkzeugsoftware wie Excel, Tinkerplots oder den TI-Nspire systematisch analysieren könnte. Im zweiten Teil werden die Ergebnisse einer Fallstudie zur Kompetenz von Studierenden beim Bearbeiten von stochastischen Simulations- und Modellierungsproblemen vorgestellt. Die insgesamt aufwendige Analyse von Mikroprozessen macht sehr viel relevante und wichtige Details im Umgang von Studierenden mit Simulationsaufgaben erkennbar. Auch ist als Ergebnis der Studie nicht nur einfach ein differenziertes Bild der Kompetenzen von Studierenden anzusehen. Vielmehr liegt ein wesentlicher Beitrag auch in der Konzeptualisierung unterschiedlicher Kompetenzen und ihrer Wechselwirkung, wie sie bei der Bearbeitung von mathematischen Aufgaben mit dem Computer auftreten.

Entwicklung eines Online-Messverfahrens zur Bestimmung des Bodenbedeckungsgrades bei der Stoppelbearbeitung zu Mulchsaatverfahren

Die vorliegende Arbeit ist Teil eines Verbund-Forschungsprojektes mit dem Ziel, eine Präzisions-Bodenbearbeitung in Abhängigkeit von verschiedenen Bodenparametern sowie dem Bodenbedeckungsgrad zu realisieren. Ziel dieses Teilprojektes war die Bereitstellung einer Online-Messung des Bedeckungsgrades, um die Bearbeitungsintensität während der Feldüberfahrt regeln zu können: Ein Kamerasensor vorne am Schlepper ermittelt die Bodenbedeckung und ein Tiefen-Sollwert wird an das Regelsystem eines Gerätes zur teilfächenspezifischen Bodenbearbeitung ausgegeben. Da unter Feldbedingungen Methoden zur Bedeckungsgradmessung nur relativ zueinander verglichen werden können, wurde zunächst ein Laborvergleich mit wohldefinierten Bodenbedeckungen durchgeführt, um die prinzipiellen Stärken und Schwächen von Bildanalyse sowie zwei visuellen Methoden (Gitterraster-Methode und „Meterstick-Methode“) zu ermitteln: • Eine visuelle Methode, die auf einer begrenzten Anzahl von einfachen Stichprobenbeobachtungen beruht (Gitter), überschätzte den Bedeckungsgrad systematisch, wobei dieser Effekt unter Feldbedingungen vermutlich klein gegenüber der bekannten Schwankungsbreite zwischen Messungen verschiedener Beobachter ist. • Eine visuelle Methode, die auch Größe und Orientierung des Strohs berücksichtigt (Meterstick), lieferte präzise mittlere Messwerte. Diese Methode war die mit Abstand arbeitsaufwändigste. • Nach einer einfachen Korrektur des Abbildungsfehlers des Kameraobjektivs war auch die Bildverarbeitungs-Methode in der Lage, die bekannten tatsächlichen Bedeckungsgrade exakt darzustellen, bei gleichzeitig der geringsten Schwankungsbreite der Messwerte. Die Online-Messung der Bodenbedeckung durch Ernterückstände ist bisher jedoch ungelöst. Obwohl in früheren Untersuchungen Texturmerkmale oder Farbunterschiede erfolgreich genutzt wurden, um den Bedeckungsgrad zu bestimmen, wird eine Bedienperson zur interaktiven Festlegung bestimmter Parameter benötigt. Um den Prototypen eines onlinefähigen Kamerasensors zu entwickeln, wurden geeignete Ausrüstung und Bedingungen zur Bildaufnahme untersucht und verschiedene Auswertealgorithmen mit Hilfe einer wissenschaftlichen Bildanalysesoftware geschrieben und getestet: • Da im Nahinfraroten zwischen ca. 800 und 1400 nm der größte Intensitäts-Kontrast zwischen Stroh und Boden besteht wurde zur Bildaufnahme eine Schwarz-Weiss-CCD-Kamera mit aufgesetztem Infrarotfilter gewählt. Eine Diffusor-Box sorgte für homogene Beleuchtungsbedingungen. • Zwei auf Kantendetektion und automatischer Schwellwertsetzung basierende Versionen („A“ und „B“) eines „klassischen“ Segmentierungsalgorithmus wurden geschrieben. Durch einen iterativen Ansatz konnten geeignete Thresholding-Verfahren abhängig von der Größenordnung der Bodenbedeckung verwendet werden. Die zur Online-Regelung der Bearbeitungstiefe nötige Beschränkung der Prozesslaufzeit auf ca. 1000 ms/Bild konnte eingehalten werden. • Eine alternative automatisierbare Kontrollmethode wurde entwickelt, welche Merkmale der Grauwerthistogramme der Stroh/Boden-Bilder auswertet (Algorithmus „C“). Dieser Ansatz ist nochmals deutlich schneller als eine Bildsegmentierung (ca. 5 – 10 Bilder/s). • Der Sensor wurde an einem Quad montiert und die Bodenbedeckung auf drei Testfeldern untersucht. Zwischen den Messergebnissen eines Algorithmus vom Typ A/B und dem Ansatz C wurde eine Pearson-Korrelation von 0,967 für die Messwertegesamtheit gefunden. • Auf Versuchsparzellen mit definiert aufgebrachten Strohmengen (ein weiteres Teil-projekt) wurden an GPS-referenzierten Punkten Bilder mit dem Sensor aufgenommen und Referenzmessungen mit der visuellen Gitterraster-Methode durchgeführt. Zwischen der Bildverarbeitung (A, B) und dem Gitter ergaben sich befriedigende Pearson-Korrelationen im Bereich von 0,7 – 0,8. Allerdings waren für hohe Bedeckungen die Ergebnisse des Sensors meist signifikant niedrigere als der Mittelwert von drei das Gitter auszählenden Personen. Eine Kontrolle mit Ansatz C ergab, dass die Histogramm-Merkmale der einzelnen Bilder deutlich besser mit den per Bildverarbeitung ermittelten Bedeckungsgraden korrelierten als mit den Gittermessungen. – Insgesamt erwies sich die schnelle Bildverarbeitung als geeignet für den Einsatz als neue Referenzmethode zur Messung der Bodenbedeckung durch Ernterückstände. • Da der Aufbau des Sensors ohne die Diffusor-Box praxisgerechter ist, besteht weiterer Forschungsbedarf in Bezug auf die dann auftretenden Probleme durch stark wechselnde Beleuchtung und Schattenwurf. • In einem letzten Schritt wurde der Kamerasensor erfolgreich in ein bereits entwickeltes System zur teilflächenspezifischen Bodenbearbeitung an der Universität Kiel integriert. Eine Regelung der Arbeitstiefe durch den Kamerasensor war problemlos möglich, allerdings gilt es noch belastbare Kriterien für die Vorgabe von Tiefen-Sollwerten in Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad zu entwickeln.

Wahrnehmungspsychologie und Landschaft

Landschaft ist ein Wahrnehmungsphänomen und als solches kulturwissenschaftlich rekonstruiert worden. Dieser Rekonstruktion zufolge ist es eine an Gemälden gewonnene Anschauungsform, die auf das Land außerhalb von Gemälden übertragen worden ist, das wie ein Bild betrachtet wird. Dieser Erkenntnis widerspricht die Wahrnehmungspsychologie, genauer die Evolutionspsychologie, dahin gehend, dass die Landschaftswahrnehmung schon in der frühen Menschheitsentwicklung erworben wurde. Denn die heutigen landschaftlichen Präferenzen entsprächen dem Bildeindruck von Habitaten, in denen die frühen Menschen lebten. Grundlage dieser Vermutung ist die Savannen-Theorie, der zufolge die Menschwerdung in der afrikanischen Baumsavanne stattgefunden habe. Mit dieser evolutionspsychologischen Ableitung der Landschaftswahrnehmung und ihrer Schlussfolgerungen, z. B. für die Wanderforschung und den Naturschutz, setzt sich dieser Aufsatz kritisch auseinander.

Molecular Imaging using Strong-Field Processes

Die Arbeit befasst sich mit dem Zusammenhang zwischen einfachen Molekülen und deren Verhalten in starken, kurzen Laserfeldern. Einerseits wird versucht, strukturelle Daten des Moleküls in den Elektronen- und Photonenspektren wiederzuerkennen. Andererseits geht es darum, ein Bild der elektronischen Wellenfunktion aus den spektralen Daten abzuleiten.

Rituale in der Grundschule

Im ersten Teil dieser Arbeit werden zunächst theoretische Grundlagen gelegt. Der Frage „Was ist ein Ritual?“ wird im zweiten Kapitel nachgegangen. Hier zeigt sich die Vielfalt des Begriffs. Neben der Darstellung des Begriffs Ritual, werden verschiedene angrenzende Begriffe kurz geklärt und von Ritualen abgegrenzt. Nach diesem Einstieg wird anschließend ein Einblick in eine Theorie zum Thema Ritual gegeben. Da ich mich vorrangig für die Umsetzung in der Grundschule interessiere, habe ich nur eine Theorie als Beispiel ausgewählt. Die Theorie des Ethnologen Arnold van Gennep bietet sich zum einen an, da sie Grundlage für viele spätere Theorien ist, zum anderen lässt sie sich auf den Grundschulunterricht übertragen, wie dies im dritten Kapitel geschieht. Nachdem eine relativ alte Theorie zum Thema dargelegt wurde, erscheint es interessant, wie sich Rituale in der Schule mit der Zeit verändert haben. Im vierten Kapitel wird vorgestellt, seit wann es Rituale in der Schule gibt und wie diese aussahen. Ihre Form und Funktionen haben sich von den Anfängen der Schule, über die Reformpädagogen bis in die heutige Zeit immer wieder verändert. In der Geschichte offenbaren sich bereits einige Gefahren, die man beachten muss, wenn man Rituale in der Grundschule einsetzen will. Im folgenden fünften Kapitel soll auf weitere Probleme beim Einsatz von Ritualen eingegangen werden eingegangen werden. Ebenso werden die positiven Aspekte von Ritualen im Unterricht behandelt. Außerdem wird dargelegt, was bei der Einführung von Ritualen zu beachten ist und welche Bedeutung diese besonders für den Anfangsunterricht haben. Nachdem im ersten Teil Rituale theoretisch behandelt wurden und bereits erste Bezüge zur Praxis hergestellt wurden, soll im zweiten Teil dieser Arbeit das Thema Rituale in der Grundschule am Beispiel einer jahrgangsübergreifenden Eingangsklasse untersucht werden. Vorab werden die Grundlagen und die Situation der empirischen Untersuchung in der Eingangsklasse geschildert. Im siebten Kapitel sollen die „Rituale in der Froschklasse“, der Eingangsklasse dargestellt werden. Neben dem Ablauf der Rituale wird darauf eingegangen, wie diese in der Ein- und Durchführung aussehen. In der Klasse spielen aber nicht nur Rituale, sondern ebenso ritualisierte Handlungen und die Klassenregeln eine Rolle, ohne sie wäre das Bild des Klassenlebens unvollständig. Daher werden auch sie hier aufgeführt. So kann zudem ein Einblick in die Verteilung von Ritualen, ritualisierten Handlungen und Regeln innerhalb der Klasse gewonnen werden. Im Anschluss an diese ausführliche Darstellung, der in der Eingangsklasse vorkommenden Rituale, werden einige von ihnen in Bezug zur Theorie van Genneps gesetzt und im Hinblick auf diese genauer untersucht. Die Grundlage der vorherigen beiden Kapitel bildet vorwiegend die von mir gemachten Beobachtungen in der Eingangsklasse. Im neunten Kapitel soll die Sicht der Klassenlehrerin eine vorrangige Rolle spielen, die sie in einem Interview äußern konnte. Ihre Ansichten über die Einführung von Ritualen und ihre Möglichkeiten und Probleme werden unter anderem in Bezug zu meinen Beobachtungen gesetzt. In den vorangegangenen Kapiteln des empirischen Teils dieser Arbeit steht immer die Frage im Hintergrund, welche Unterschiede es zwischen den Erstklässlern und den Zweitklässlern gibt bzw. wie die Lehrerin zwischen den beiden Klassen unterscheidet. Im zehnten Kapitel wird die Durchführung der ethnographischen Fallstudie reflektiert. Abschließend werden die Ergebnisse des ersten und zweiten Teils im Schlusswort zusammengeführt und resümiert.

The Media is the Message?!

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der grafischen Gestaltung von Mathematiklehrwerken und der damit verbundenen Wirkungen auf die SchülerInnen. Es wurde untersucht, welche Art von Gestaltungsaspekten in Schulbüchern eine positive Auswirkung auf die Lernmotivation hat. Im theoretischen Teil dieser Arbeit wird zunächst erläutert, wie der menschliche Wahrnehmungsapparat nach theoretischen Erkenntnissen aus der Wahrnehmungspsychologie visuelle Elemente wie Farbe und Form verarbeitet. Anhand gestaltpsychologischer und motivationspsychologischer Theorien werden mögliche Einflüsse und in diesem Zusammenhang bedeutungsvolle Aspekte aufgezeigt. Einzelne Funktionen und Wirkungsaspekte der einzelnen Medienbausteine wie Bild, Typografie und Bild-Text-Kombinationen werden anhand von Beispielen aus Mathematiklehrwerken dargestellt. Ein Exkurs über den vermehrten Einfluss der neuen Medien bei Kindern und Jugendlichen verdeutlicht, welche visuellen Medienerfahrungen Kinder und Jugendliche bei der Betrachtung eines Schulbuches mitbringen. Anschließend werden die erarbeiteten theoretischen Grundlagen in einer praktischen Arbeit genutzt. Eine exemplarisch ausgewählte Seite eines Mathematiklehrwerks werde unter verschiedenen gestalterischen Gesichtspunkten umgestaltet, so dass mehreren Varianten entstehen. Diese Entwürfe werden in einer qualitativen Studie mit einzelnen SchülerInnen diskutiert. Die Ergebnisse der aufgezeichneten Interviews wurden durch die Auswertungsmethode des zirkulären Dekonstruierens auf die aufgeworfenen Forschungsfragen untersucht und ausgewertet.