Kompetenzen naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung

Wissenschaftsmethodische Kompetenzen sind ein Kernelement naturwissenschaftlicher Bildung und in den Bildungsstandards als Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung verbindlich festgeschrieben. Fokus aktueller naturwissenschaftsdidaktischer Forschung ist es, für diese normativen Standards theorie- und evidenzbasierte Kompetenzmodelle zu erarbeiten. In der vorliegenden Dissertation wird zum Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung für den Teilbereich der wissenschaftlichen Erkenntnismethoden geprüft, ob sich die im Kompetenzmodell wissenschaftlichen Denkens von Mayer (2007) angenommenen Teilkompetenzen Fragestellung formulieren, Hypothesen generieren, Planung einer Untersuchung sowie Deutung der Ergebnisse empirisch bestätigen lassen. Zudem wird quer- und längsschnittlich untersucht, wie sich die Kompetenz innerhalb der Sekundarstufe I entwickelt, welche Rolle Personenmerkmale spielen und ob die Unterrichtsgestaltung im Projekt Biologie im Kontext, in dessen Rahmen die Untersuchung stattfand, einen kompetenzfördernden Einfluss auf die Lernenden hat. Als Instrument wurde ein Kompetenztest mit offenen Aufgaben im Multimatrix-Design zum Thema Experimentieren im Biologieunterricht entwickelt und in Gymnasien, Realschulen und Hauptschulen in Hessen und Bayern in den Jahrgangsstufen 5-10 eingesetzt. Die Schülerantworten wurden anhand fünf a priori entwickelter Niveaustufen bewertet und mit der Item-Response-Theorie ausgewertet. Auf Basis einer Validierungsstudie (N= 1562) wurden mittels 24 Items die Schülerkompetenzen in querschnittlichen Analysen (N= 1553) sowie in einem Längsschnitt über ein Schuljahr (N= 1129) untersucht. Die Modellprüfung weist dem vierdimensionalen Modell eine bessere Passung zu als dem eindimensionalen Modell. Schwache bis mittlere Interkorrelationen und eine nachgeschaltete Faktorenanalyse lassen ebenfalls darauf schließen, dass dem vierdimensionalen Modell mit den postulierten Teilkompetenzen Fragestellung, Hypothese, Planung und Deutung gegenüber dem eindimensionalen Modell der Vorzug zu geben ist. Die querschnittlichen Analysen zeigen, dass zwischen den Jahrgangsstufen 5 6, 7 8 und 9 10 signifikante Leistungsunterschiede in der Gesamtkompetenz und den Teilkompetenzen bestehen. Dabei nehmen die zwischen den Teilkompetenzen festgestellten Leistungsunterschiede mit der Jahrgangsstufe zu. Die längsschnittlichen Analysen belegen Leistungszuwächse der Lernenden über ein Schuljahr: Die Kompetenz steigt hier in der Gesamtstichprobe und innerhalb der einzelnen Jahrgangsstufen der Sekundarstufe I signifikant an. Vergleicht man die verschiedenen Jahrgangsstufen in ihrem Kompetenzzuwachs über ein Schuljahr, so zeigt sich, dass der Kompetenzzuwachs in den Jahrgängen 5 8 stärker ausgeprägt ist als in den Jahrgängen 9 10. Auf Ebene der Teilkompetenzen liegt für die Gesamtstichprobe ein Kompetenzzuwachs über ein Schuljahr in den Teilkompetenzen Fragestellung, Hypothese und Planung vor, während in der Teilkompetenz Deutung ein geringer Kompetenzrückgang zu verzeichnen ist. Der Kompetenzgrad hängt mit der besuchten Schulform zusammen. Dabei zeigen Gymnasiasten querschnittlich untersucht bessere Leistungen als Realschüler oder Hauptschüler, wobei die Unterschiede zur Hauptschule besonders deutlich ausfallen. Kompetenzzuwächse über ein Schuljahr zeigen sich ausschließlich in Gymnasium und Realschule. Das Alter hat weder quer- noch längsschnittlich untersucht eigene Effekte auf die Kompetenzentwicklung, ebenso wenig wie das Geschlecht der Probanden. Der Einfluss der Biologienote ist im querschnittlichen Vergleich gering, im längsschnittlichen Vergleich nicht nachweisbar. Lernende, die am Projekt Biologie im Kontext teilnahmen, in dem Unterrichtsbausteine zur Erkenntnisgewinnung eingesetzt wurden, und deren Lehrkräfte verstärkt kompetenzorientiert unterrichteten, zeigen in den Klassen 9 10 größere Kompetenzzuwächse über ein Jahr als Probanden aus entsprechenden Kontrollklassen. Die Untersuchung zeigt, dass wissenschaftsmethodische Kompetenzen in der Sekundarstufe I vermittelt und weiterentwickelt werden. Der Befund der diskontinuierlichen Kompetenzentwicklung und der mit den Schuljahren zunehmenden Leistungsunterschiede zwischen den Teilkompetenzen führt als didaktische Implikation zu dem Schluss, dass weitere Maßnahmen zur Förderung wissenschaftsmethodischer Kompetenzen notwendig sind, um einen kumulativen Kompetenzaufbau gewährleisten zu können.

Klassifikationsgestützte on-line Adaption eines robusten beobachterbasierten Fehlerdiagnoseansatzes für nichtlineare Systeme

Diese Arbeit behandelt die Problemstellung der modellbasierten Fehlerdiagnose für Lipschitz-stetige nichtlineare Systeme mit Unsicherheiten. Es wird eine neue adaptive Fehlerdiagnosemethode vorgestellt. Erkenntnisse und Verfahren aus dem Bereich der Takagi-Sugeno (TS) Fuzzy-Modellbildung und des Beobachterentwurfs sowie der Sliding-Mode (SM) Theorie werden genutzt, um einen neuartigen robusten und nichtlinearen TS-SM-Beobachter zu entwickeln. Durch diese Zusammenführung lassen sich die jeweiligen Vorteile beider Ansätze miteinander kombinieren. Bedingungen zur Konvergenz des Beobachters werden als lineare Matrizenungleichungen (LMIs) abgeleitet. Diese Bedingungen garantieren zum einen die Stabilität und liefern zum anderen ein direktes Entwurfsverfahren für den Beobachter. Der Beobachterentwurf wird für die Fälle messbarer und nicht messbarer Prämissenvariablen angegeben. Durch die TS-Erweiterung des in dieser Arbeit verwendeten SM-Beobachters ist es möglich, den diskontinuierlichen Rückführterm mithilfe einer geeigneten kontinuierlichen Funktion zu approximieren und dieses Signal daraufhin zur Fehlerdiagnose auszuwerten. Dies liefert eine Methodik zur Aktor- und Sensorfehlerdiagnose nichtlinearer unsicherer Systeme. Gegenüber anderen Ansätzen erlaubt das Vorgehen eine quantitative Bestimmung und teilweise sogar exakte Rekonstruktion des Fehlersignalverlaufs. Darüber hinaus ermöglicht der Ansatz die Berechnung konstanter Fehlerschwellen direkt aus dem physikalischen Vorwissen über das betrachtete System. Durch eine Erweiterung um eine Betriebsphasenerkennung wird es möglich, die Schwellenwerte des Fehlerdiagnoseansatzes online an die aktuelle Betriebsphase anzupassen. Hierdurch ergibt sich in Betriebsphasen mit geringen Modellunsicherheiten eine deutlich erhöhte Fehlersensitivität. Zudem werden in Betriebsphasen mit großen Modellunsicherheiten Falschalarme vermieden. Die Kernidee besteht darin, die aktuelle Betriebsphase mittels eines Bayes-Klassikators in Echtzeit zu ermitteln und darüber die Fehlerschwellen an die a-priori de nierten Unsicherheiten der unterschiedlichen Betriebsphasen anzupassen. Die E ffektivität und Übertragbarkeit der vorgeschlagenen Ansätze werden einerseits am akademischen Beispiel des Pendelwagens und anderseits am Beispiel der Sensorfehlerdiagnose hydrostatisch angetriebener Radlader als praxisnahe Anwendung demonstriert.

Knowledge Building in Landscape Architecture

The objective of this study was to develop an internet-based seminar framework applicable for landscape architecture education. This process was accompanied by various aims. The basic expectation was to keep the main characteristics of landscape architecture education also in the online format. On top of that, four further objectives were anticipated: (1) training of competences for virtual team work, (2) fostering intercultural competence, (3) creation of equal opportunities for education through internet-based open access and (4) synergy effects and learning processes across institutional boundaries. This work started with the hypothesis that these four expected advantages would compensate for additional organisational efforts caused by the online delivery of the seminars and thus lead to a sustainable integration of this new learning mode into landscape architecture curricula. This rationale was followed by a presentation of four areas of knowledge to which the seminar development was directly related (1) landscape architecture as a subject and its pedagogy, (2) general learning theories, (3) developments in the ICT sector and (4) wider societal driving forces such as global citizenship and the increase of open educational resources. The research design took the shape of a pedagogical action research cycle. This approach was constructive: The author herself is teaching international landscape architecture students so that the model could directly be applied in practice. Seven online seminars were implemented in the period from 2008 to 2013 and this experience represents the core of this study. The seminars were conducted with varying themes while its pedagogy, organisation and the technological tools remained widely identical. The research design is further based on three levels of observation: (1) the seminar design on the basis of theory and methods from the learning sciences, in particular educational constructivism, (2) the seminar evaluation and (3) the evaluation of the seminars’ long term impact. The seminar model itself basically consists of four elements: (1) the taxonomy of learning objectives, (2) ICT tools and their application and pedagogy, (3) process models and (4) the case study framework. The seminar framework was followed by the presentation of the evaluation findings. The major findings of this study can be summed up as follows: Implementing online seminars across educational and national boundaries was possible both in term of organisation and technology. In particular, a high level of cultural diversity among the seminar participants has definitively been achieved. However, there were also obvious obstacles. These were primarily competing study commitments and incompatible schedules among the students attending from different academic programmes, partly even in different time zones. Both factors had negative impact on the individual and working group performances. With respect to the technical framework it can be concluded that the majority of the participants were able to use the tools either directly without any problem or after overcoming some smaller problems. Also the seminar wiki was intensively used for completing the seminar assignments. However, too less truly collaborative text production was observed which could be improved by changing the requirements for the collaborative task. Two different process models have been applied for guiding the collaboration of the small groups and both were in general successful. However, it needs to be said that even if the students were able to follow the collaborative task and to co-construct and compare case studies, most of them were not able to synthesize the knowledge they had compiled. This means that the area of consideration often remained on the level of the case and further reflections, generalisations and critique were largely missing. This shows that the seminar model needs to find better ways for triggering knowledge building and critical reflection. It was also suggested to have a more differentiated group building strategy in future seminars. A comparison of pre- and post seminar concept maps showed that an increase of factual and conceptual knowledge on the individual level was widely recognizable. Also the evaluation of the case studies (the major seminar output) revealed that the students have undergone developments of both the factual and the conceptual knowledge domain. Also their self-assessment with respect to individual learning development showed that the highest consensus was achieved in the field of subject-specific knowledge. The participants were much more doubtful with regard to the progress of generic competences such as analysis, communication and organisation. However, 50% of the participants confirmed that they perceived individual development on all competence areas the survey had asked for. Have the additional four targets been met? Concerning the competences for working in a virtual team it can be concluded that the vast majority was able to use the internet-based tools and to work with them in a target-oriented way. However, there were obvious differences regarding the intensity and activity of participation, both because of external and personal factors. A very positive aspect is the achievement of a high cultural diversity supporting the participants’ intercultural competence. Learning from group members was obviously a success factor for the working groups. Regarding the possibilities for better accessibility of educational opportunities it became clear that a significant number of participants were not able to go abroad during their studies because of financial or personal reasons. They confirmed that the online seminar was to some extent a compensation for not having been abroad for studying. Inter-institutional learning and synergy was achieved in so far that many teachers from different countries contributed with individual lectures. However, those teachers hardly ever followed more than one session. Therefore, the learning effect remained largely within the seminar learning group. Looking back at the research design it can be said that the pedagogical action research cycle was an appropriate and valuable approach allowing for strong interaction between theory and practice. However, some more external evaluation from peers in particular regarding the participants’ products would have been valuable.