Mathe-Üben in Studium und Abitur

Fehlende Grundkenntnisse in der Mathematik zählen zu den größten Hindernissen für einen erfolgreichen Start in ein Hochschulstudium. Studienanfänger in einem MINT-Studium bringen inzwischen deutlich unterschiedliche Vorrausetzungen mit: „Mathe-Angst“ gilt als typisches Phänomen und der Übergang in ein selbstbestimmtes Lernverhalten stellt eine große Herausforderung dar. Diese Fall-Studie beschreibt, wie mit Hilfe einer Mathe-App bereits zu Beginn des Studiums aktives Lernen unterstützt und selbstbestimmtes Lernen eingeübt werden kann. Das neue Kurskonzept mit App-Unterstützung stößt an der Hochschule Offenburg auf breite Akzeptanz. Der mobile BYOD-Ansatz ermöglicht Lern-Szenarien, die über PC- bzw.- Laptop-gebundene eLearning-Lösungen nicht realisierbar sind. Der Inhalt des MassMatics-Vorbereitungskurs orientiert sich am Mindestanforderungskatalog des cosh-Arbeitskreises für den Übergang Schule-Hochschule. In der Zwischenzeit wurde der App-gestützte Kurs mit seinen über 500 Aufgaben von mehr als 1000 Studierenden besucht.

Constructing a user experience user experience-based mobile learning environment

Mobile learning, in the past defined as learning with mobile devices, now refers to any type of learning-on-the-go or learning that takes advantage of mobile technologies. This new definition shifted its focus from the mobility of technology to the mobility of the learner (O'Malley and Stanton 2002; Sharples, Arnedillo-Sanchez et al. 2009). Placing emphasis on the mobile learner’s perspective requires studying “how the mobility of learners augmented by personal and public technology can contribute to the process of gaining new knowledge, skills, and experience” (Sharples, Arnedillo-Sanchez et al. 2009). The demands of an increasingly knowledge based society and the advances in mobile phone technology are combining to spur the growth of mobile learning. Around the world, mobile learning is predicted to be the future of online learning, and is slowly entering the mainstream education. However, for mobile learning to attain its full potential, it is essential to develop more advanced technologies that are tailored to the needs of this new learning environment. A research field that allows putting the development of such technologies onto a solid basis is user experience design, which addresses how to improve usability and therefore user acceptance of a system. Although there is no consensus definition of user experience, simply stated it focuses on how a person feels about using a product, system or service. It is generally agreed that user experience adds subjective attributes and social aspects to a space that has previously concerned itself mainly with ease-of-use. In addition, it can include users’ perceptions of usability and system efficiency. Recent advances in mobile and ubiquitous computing technologies further underline the importance of human-computer interaction and user experience (feelings, motivations, and values) with a system. Today, there are plenty of reports on the limitations of mobile technologies for learning (e.g., small screen size, slow connection), but there is a lack of research on user experience with mobile technologies. This dissertation will fill in this gap by a new approach in building a user experience-based mobile learning environment. The optimized user experience we suggest integrates three priorities, namely a) content, by improving the quality of delivered learning materials, b) the teaching and learning process, by enabling live and synchronous learning, and c) the learners themselves, by enabling a timely detection of their emotional state during mobile learning. In detail, the contributions of this thesis are as follows: • A video codec optimized for screencast videos which achieves an unprecedented compression rate while maintaining a very high video quality, and a novel UI layout for video lectures, which together enable truly mobile access to live lectures. • A new approach in HTTP-based multimedia delivery that exploits the characteristics of live lectures in a mobile context and enables a significantly improved user experience for mobile live lectures. • A non-invasive affective learning model based on multi-modal emotion detection with very high recognition rates, which enables real-time emotion detection and subsequent adaption of the learning environment on mobile devices. The technology resulting from the research presented in this thesis is in daily use at the School of Continuing Education of Shanghai Jiaotong University (SOCE), a blended-learning institution with 35.000 students.

Wearable Computing und RFID in Produktion und Logistik – Ansätze zur bereichsübergreifenden Nutzung digitaler Informationen

Die voranschreitende Entwicklung von Konzepten und Systemen zur Nutzung digitaler Informationen im industriellen Umfeld eröffnet verschiedenste Möglichkeiten zur Optimierung der Informationsverarbeitung und damit der Prozesseffektivität und -effizienz. Werden die relevanten Daten zu Produkten oder Prozessen jedoch lediglich in digitaler Form zur Verfügung gestellt, fällt ein Eingriff des Menschen in die virtuelle Welt immer schwerer. Auf Grundlage dessen wird am Beispiel der RFIDTechnologie dargestellt, inwiefern digitale Informationen durch die Verwendung von in den Arbeitsablauf integrierten Systemen für den Menschen nutzbar werden. Durch die Entwicklung eines Systems zur papierlosen Produktion und Logistik werden exemplarisch Einsatzszenarien zur Unterstützung des Mitarbeiters in Montageprozessen sowie zur Vermeidung von Fehlern in der Kommissionierung aufgezeigt. Dazu findet neben einer am Kopf getragenen Datenbrille zur Visualisierung der Informationen ein mobiles RFID-Lesegerät Anwendung, mit Hilfe dessen die digitalen Transponderdaten ohne zusätzlichen Aufwand für den Anwender genutzt werden können.

Autorenwerkzeuge für digitale, multimediale und interaktive Lernbausteine im Web 2.0

Die vorliegende Forschungsarbeit siedelt sich im Dreieck der Erziehungswissenschaften, der Informatik und der Schulpraxis an und besitzt somit einen starken interdisziplinären Charakter. Aus Sicht der Erziehungswissenschaften handelt es sich um ein Forschungsprojekt aus den Bereichen E-Learning und Multimedia Learning und der Fragestellung nach geeigneten Informatiksystemen für die Herstellung und den Austausch von digitalen, multimedialen und interaktiven Lernbausteinen. Dazu wurden zunächst methodisch-didaktische Vorteile digitaler Lerninhalte gegenüber klassischen Medien wie Buch und Papier zusammengetragen und mögliche Potentiale im Zusammenhang mit neuen Web 2.0-Technologien aufgezeigt. Darauf aufbauend wurde für existierende Autorenwerkzeuge zur Herstellung digitaler Lernbausteine und bestehende Austauschplattformen analysiert, inwieweit diese bereits Web 2.0-Technologien unterstützen und nutzen. Aus Sicht der Informatik ergab sich aus der Analyse bestehender Systeme ein Anforderungsprofil für ein neues Autorenwerkzeug und eine neue Austauschplattform für digitale Lernbausteine. Das neue System wurde nach dem Ansatz des Design Science Research in einem iterativen Entwicklungsprozess in Form der Webapplikation LearningApps.org realisiert und stetig mit Lehrpersonen aus der Schulpraxis evaluiert. Bei der Entwicklung kamen aktuelle Web-Technologien zur Anwendung. Das Ergebnis der Forschungsarbeit ist ein produktives Informatiksystem, welches bereits von tausenden Nutzern in verschiedenen Ländern sowohl in Schulen als auch in der Wirtschaft eingesetzt wird. In einer empirischen Studie konnte das mit der Systementwicklung angestrebte Ziel, die Herstellung und den Austausch von digitalen Lernbausteinen zu vereinfachen, bestätigt werden. Aus Sicht der Schulpraxis liefert LearningApps.org einen Beitrag zur Methodenvielfalt und zur Nutzung von ICT im Unterricht. Die Ausrichtung des Werkzeugs auf mobile Endgeräte und 1:1-Computing entspricht dem allgemeinen Trend im Bildungswesen. Durch die Verknüpfung des Werkzeugs mit aktuellen Software-Entwicklungen zur Herstellung von digitalen Schulbüchern werden auch Lehrmittelverlage als Zielgruppe angesprochen.

Collision Detection: Broad Phase Adaptation from Multi-Core to Multi-GPU Architecture

We present in this paper several contributions on the collision detection optimization centered on hardware performance. We focus on the broad phase which is the first step of the collision detection process and propose three new ways of parallelization of the well-known Sweep and Prune algorithm. We first developed a multi-core model takes into account the number of available cores. Multi-core architecture enables us to distribute geometric computations with use of multi-threading. Critical writing section and threads idling have been minimized by introducing new data structures for each thread. Programming with directives, like OpenMP, appears to be a good compromise for code portability. We then proposed a new GPU-based algorithm also based on the "Sweep and Prune" that has been adapted to multi-GPU architectures. Our technique is based on a spatial subdivision method used to distribute computations among GPUs. Results show that significant speed-up can be obtained by passing from 1 to 4 GPUs in a large-scale environment.

Generisches Framework Studi-App

Mit der Idee eines generischen, an vielfältige Hochschulanforderungen anpassbaren Studierenden-App-Frameworks haben sich innerhalb des Arbeitskreises Web der ZKI ca. 30 Hochschulen zu einem Entwicklungsverbund zusammengefunden. Ziel ist es, an den beteiligten Einrichtungen eine umfassende Zusammenstellung aller elektronischen Studienservices zu evaluieren, übergreifende Daten- und Metadatenmodelle für die Beschreibung dieser Dienste zu erstellen und Schnittstellen zu den gängigen Campusmanagementsystemen sowie zu Infrastrukturen der elektronischen Lehre (LMS, Druckdienste, elektronischen Katalogen usw.) zu entwickeln. In einem abschließenden Schritt werden auf dieser Middleware aufsetzende Studienmanagement-Apps für Studierende erstellt, die die verschiedenen Daten- und Kommunikationsströme der standardisierten Dienste und Kommunikationskanäle bündeln und in eine für den Studierenden leicht zu durchschauende, navigationsfreundliche Aufbereitung kanalisiert. Mit der Konzeption eines dezentralen, über eine Vielzahl von Hochschulen verteilten Entwicklungsprojektes unter einer zentralen Projektleitung wird sichergestellt, dass redundante Entwicklungen vermieden, bundesweit standardisierte Serviceangebote angeboten und Wissenstransferprozesse zwischen einer Vielzahl von Hochschulen zur Nutzung mobiler Devices (Smartphones, Tablets und entsprechende Apps) angeregt werden können. Die Unterstützung der Realisierung klarer Schnittstellenspezifikationen zu Campusmanagementsystemen durch deren Anbieter kann durch diese breite Interessensgemeinschaft ebenfalls gestärkt werden. Weiterhin zentraler Planungsinhalt ist ein Angebot für den App-Nutzer zum Aufbau eines datenschutzrechtlich integeren, persönlichen E-Portfolios. Details finden sich im Kapitel Projektziele weiter unten.

A Fast Platform for Interactive E-Learning Systems

Modern e-learning systems represent a special type of web information systems. By definition, information systems are special computerized systems used to perform data operations by multiple users simultaneously. Each active user consumes an amount of hardware resources. A shortage of hardware resources can be caused by growing number of simultaneous users. Such situation can result in overall malfunctioning or slowed-down system. In order to avoid this problem, the underlying hardware system gets usually continuously upgraded. These upgrades, typically accompanied with various software updates, usually result in a temporarily increased amount of available resources. This work deals with the problem in a different way by proposing an implementation of a web e-learning system with a modified software architecture reducing resource usage of the server part to the bare minimum. In order to implement a full-scale e-learning system that could be used as a substitute to a conventional web e-learning system, a Rich Internet Application framework was used as basis. The technology allowed implementation of advanced interactivity features and provided an easy transfer of a substantial part of the application logic from server to clients. In combination with a special server application, the server part of the new system is able to run with a reasonable performance on a hardware with very limited computing resources.

Erfahrbares Programmieren durch den zielgerichten Einsatz von Flugdrohnen im Informatikunterricht

Informatik- und insbesondere Programmierunterricht sind heute ein wichtiger Bestandteil der schulischen Ausbildung. Vereinfachte Entwicklungsumgebungen, die auf die Abstraktion typischer Programmierkonzepte in Form von grafischen Bausteinen setzen, unterstützen diesen Trend. Zusätzliche Attraktivität wird durch die Verwendung exotischer Laufzeitumgebungen (z. B. Roboter) geschaffen. Die in diesem Paper vorgestellte Plattform “ScratchDrone” führt ergänzend zu diesen Angeboten eine moderne Flugdrohne als innovative Laufzeitumgebung für Scratch-Programme ein. Die Programmierung kann dabei dank modularer Systemarchitektur auf verschiedenen Abstraktionsebenen erfolgen, abhängig vom Lernfortschritt der Schüler. Kombiniert mit einem mehrstufigen didaktischen Modell, der Herausforderung der Bewegung im 3D-Raum sowie der natürlichen menschlichen Faszination für das Fliegen wird so eine hohe Lernmotivation bei jungen Programmieranfängern erreicht.