Bildung für nachhaltige Entwicklung als Antwort auf den Globalisierungsprozess

„Jeder Mensch muss lernen wie er oder sie eine Zukunft im Sinne der Nachhaltigen Entwicklung für sich und gemeinsam mit anderen gestalten kann“ (de Haan 2009, S. 9 f.). Auf den Weltkonferenzen in Rio de Janeiro 1992 und Johannesburg 2002 wurde diese Vorgabe für die Politik und schließlich für die Bildung ausgegeben. Die Aufgabe besteht nun darin, Wege zu finden dies zu erreichen und umzusetzen. Bei den damit einhergehenden Überlegungen spielt die Bildung eine immens wichtige Rolle. An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an. Im Mittelpunkt steht die Überprüfung der These, dass Bildung, durch die Ermöglichung eines Bewusstseinswandels der Menschen im Bezug auf nachhaltige Entwicklung als eine Antwort auf die mit dem Globalisierungsprozess verbundenen Probleme verstanden werden kann. In diesem Zusammenhang werden Bildungskonzepte, wie die Bildung für nachhaltige Entwicklung , untersucht und es wird der Frage nachgegangen, wie ein Unterricht im Sinne der nachhaltigen Entwicklung gestaltet werden muss.

Cyber-Mobbing

„Cyber-Mobbing-Tod eines Teenagers“ titelt Spiegel-Online 2007: auch auf Stern.de (2009) findet sich die Meldung: „15-jährige tötet sich nach Cyber-Mobbing“, Zeit Online (2009) berichtet ebenfalls über diesen Vorfall. In Deutschland sind bisher keine derartigen Extremfälle öffentlich bekannt, dennoch ist das Phänomen, vermutlich veranlasst durch diese oder ähnliche Vorfälle, in das Interesse der medialen Öffentlichkeit gerückt. Diese Arbeit geht daher der Frage auf den Grund, ob Cyber-Mobbing auch ein Problem an deutschen Schulen ist und in welchem Ausmaß es dort auftritt. Im Fokus stehen jedoch nicht die genannten Extremfälle, da sie glücklicherweise eher eine Seltenheit darstellen, sondern alltägliche Formen des Cyber-Mobbings, weil genau hier der Grundstein für solch furchtbare Ereignisse gelegt wird. Cyber-Mobbing ist ein recht neues und junges Phänomen, das noch nicht allzu lange im Fokus der wissenschaftlichen Welt steht. Daher gelten viele Facetten als noch nicht ausreichend erschlossen, um eindeutige Aussagen hinsichtlich bestimmter Kausalitäten zu machen. Eine Vielzahl der wissenschaftlichen Arbeiten orientiert sich daher am Konzept des Mobbings, um Unterschiede oder Gemeinsamkeiten zwischen diesen Spielarten der Gewalt herauszuarbeiten. Daher folgt die vorliegende Arbeit dieser Tradition in metaanalytischer Form, untersucht folglich bestehende Literatur und setzt diese in einen kausalen Zusammenhang. Leitend für die Literaturanalyse ist die Frage ob sich die Dimensionen schulischer Gewalt, in diesem Falle Mobbing, durch die neuen Kommunikationsmedien verändert haben. Die Beantwortung dieser Frage zielt primär darauf ab herauszufinden, ob Cyber-Mobbing ähnlichen Strukturen folgt, wie Mobbing oder aber spezifische Muster existieren und ob die Schüler, die in Cyber-Mobbing involviert sind, auch in Mobbing verwickelt sind oder von einer Verschiebung der Interaktionsmuster gesprochen werden kann. Handelt es sich bei Cyber-Mobbing also um eine neue Form des Mobbings, oder um ein eigenständiges und unabhängiges Phänomen?

Unterstützung der Zusammenarbeit auf dem Vorfeld von Verkehrsflughäfen

Abstract. Auf Grund der steigenden Nachfrage nach Transportleistungen im Luftverkehr ist es dringend notwendig, die Kapazität der Flughäfen zu erhöhen. Neben der Anzahl der pro Zeiteinheit möglichen Starts und Landungen spielt dabei der Durchsatz auf dem Vorfeld eine entscheidende Rolle. Bewegungen von Boden- und Luftfahrzeugen, die Flüsse von Passagieren, Gepäck und Transportgütern und das Zusammenspiel der Dienstleister auf dem Vorfeld werden von der Verkehrszentrale überwacht und koordiniert. Aufgabenanalysen haben gezeigt, dass die Verkehrszentrale einen wichtigen Knotenpunkt der Informationsflüsse auf dem Flughafen darstellt. Zur Unterstützung der Arbeit der Verkehrszentrale wurde deshalb ein Kommunikationswerkzeug entwickelt, das die unterschiedlichen Medien und Verfahren der Kommunikation vereinheitlicht.

Chancen und Risiken der Arbeit im E-Business

E-Business, verstanden als ganzheitliche Strategie zur Reorganisation von Geschäftsprozessen, Strukturen und Beziehungen in Unternehmen, bietet für die Arbeitsgestaltung in einer digital vernetzten Welt Chancen und Risiken in Hinblick auf die Humankriterien. Empirische Untersuchungen in 14 Unternehmen zeigen „good practice“-Ansätze im B2B-Feld (Business-to-Business). Untersucht wurden die Tätigkeiten der elektronisch vernetzten Auftragsbearbeitung, des Web-, Content-Managements, der digitalen Druckvorlagenherstellung sowie der CAD- Bauplanzeichnung. Die beobachteten Arbeitsplätze zeigen, dass Arbeitsinhalte eher ganzheitlich und komplex gestaltet sind. Planende, ausführende, kontrollierende und organisierende Anteile weisen auf eine vielfältige Aufgabengestaltung hin, die hohe Anforderungen beinhaltet. Während alle beobachteten Tätigkeiten mit Aufnahme-, Erarbeitungs-, Verarbeitungs-, Übertragungs- und Weitergabeprozessen von Informationen zu tun haben, gibt es Differenzen in Bezug auf den Arbeitsumfang, den Zeitdruck, Fristsetzungen, erwartete Arbeitsleistungen sowie die Planbarkeit der Aufgaben. Die vorgefundenen Aufgabentypen (wenig bis sehr anforderungsreich im Sinne von Denk- und Planungsanforderungen) sind gekennzeichnet durch eine unterschiedlich ausgeprägte Aufgabenkomplexität. Interessant ist, dass, je anforderungsreicher die Aufgabengestaltung, je höher die Aufgabenkomplexität, je größer die Wissensintensität und je niedriger die Planbarkeit ist, desto größer sind die Freiräume in der Aufgabenausführung. Das heißt wiederum, dass bei zunehmenden E-Business-Anteilen mehr Gestaltungsspielräume zur Verfügung stehen. Die bestehenden Chancen auf eine humane Aufgabengestaltung sind umso größer, je höher die E-Business-Anteile in der Arbeit sind. Diese Wirkung findet sich auch bei einem Vergleich der Aufgabenbestandteile wieder. Die negativen Seiten des E-Business zeigen sich in den vorgefundenen Belastungen, die auf die Beschäftigten einwirken. Diskutiert wird die Verschiebung von körperlichen hin zu psychischen und vorrangig informatorischen Belastungen. Letztere stellen ein neues Belastungsfeld dar. Ressourcen, auf welche die Mitarbeiter zurückgreifen können, sind an allen Arbeitsplätzen vorhanden, allerdings unterschiedlich stark ausgeprägt. Personale, organisationale, soziale, aufgabenbezogene und informatorische Ressourcen, die den Beschäftigten zur Verfügung stehen, werden angesprochen. In Bezug auf die Organisationsgestaltung sind positive Ansätze in den untersuchten E-Business-Unternehmen zu beobachten. Der Großteil der untersuchten Betriebe hat neue Arbeitsorganisationskonzepte realisiert, wie die vorgefundenen kooperativen Organisationselemente zeigen. Die kooperativen Organisationsformen gehen allerdings nicht mit einer belastungsärmeren Gestaltung einher. Das vorgefundene breite Spektrum, von hierarchisch organisierten Strukturen bis hin zu prozess- und mitarbeiterorientierten Organisationsstrukturen, zeigt, dass Organisationsmodelle im E-Business gestaltbar sind. Neuen Anforderungen kann insofern gestaltend begegnet und somit die Gesundheit und das Wohlbefinden der Mitarbeiter positiv beeinflusst werden. Insgesamt betrachtet, zeigt E-Business ein ambivalentes Gesicht, das auf der Basis des MTO-Modells (Mensch-Technik-Organisation) von Uhlich (1994) diskutiert wird, indem vernetzte Arbeitsprozesse auf personeller, technischer sowie organisationaler Ebene betrachtet werden. E-business, seen as more than only the transformation of usual business processes into digital ones, furthermore as an instrument of reorganisation of processes and organisation structures within companies, offers chances for a human oriented work organisation. Empirical data of 14 case studies provide good practice approaches in the field of B2B (Business-to-Business). The observed work contents show, that tasks (e.g. order processing, web-, contentmanagement, first print manufacturing and architectural drawing) are well arranged. Executive, organising, controlling and coordinating parts constitute a diversified work content, which can be organised with high demands. Interesting is the result, that the more e-business-parts are within the work contents, on the one hand the higher are the demands of the type of work and on the other hand the larger is the influence on workmanship. The observed enterprises have realised new elements of work organisation, e.g. flexible working time, cooperative leadership or team work. The direct participation of the employees can be strengthened, in particular within the transformation process. Those companies in which the employees were early and well informed about the changes coming up with e-business work, the acceptance for new technique and new processes is higher than in companies which did not involve the person concerned. Structured in an ergonomic way, there were found bad patterns of behaviour concerning ergonomic aspects, because of missing knowledge regarding work-related ergonomic expertise by the employees. E-business indicates new aspects concerning requirements – new in the field of informational demands, as a result of poorly conceived technical balance in the researched SME. Broken systems cause interruptions, which increase the pressure of time all the more. Because of the inadequate usability of software-systems there appear in addition to the informational strains also elements of psychological stress. All in all, work contents and work conditions can be shaped and as a result the health and well-being of e-business-employees can be influenced: Tasks can be structured and organised in a healthfulness way, physiological strain and psychological stress are capable of being influenced, resources are existent and developable, a human work design within e-business structures is possible. The ambivalent face of e-business work is discussed on the basis of the MTO- (Mensch-Technik-Organisation) model (Ulich 1994). Thereby new and interesting results of researches are found out, concerning the personal/human side, the technical side and the organisational side of e-business work.

Dimensionierung und Gestaltung von Laufställen für behornte Milchkühe unter Berücksichtigung des Herdenmanagements

Die Haltung von Milchkühen in einem Laufstall hat sich aus arbeitswirtschaftlichen und Kostengründen stark verbreitet. Im Biolandbau wird diese Entwicklung vor allem aufgrund der höheren Tiergerechtheit dieser Haltungsform forciert. Gleichzeitig werden die allermeisten Kühe für die Laufstallhaltung jedoch enthornt, unter anderem weil sich in den üblichen Ställen mit Normmassen und –konzepten Probleme mit Verletzungen unter den Tieren ergaben. Dabei sprechen die Richtlinien und Verordnungen für biologisch wirtschaftende Betriebe deutlich gegen zootechnische Eingriffe. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb, zu prüfen, welche stallbaulichen Voraussetzungen eine Haltung horntragender Kühe im Laufstall gelingen lassen und mit welchen Managementmassnahmen diese optimiert werden kann. Dazu wurde zum einen in einer experimentellen Untersuchung an vier Kuhgruppen im cross-over-Design geprüft, wie sich ein gegenüber der Norm erhöhtes Platzangebot in verschiedenen Stallbereichen (Wartebereich: Crowding vs. unbeengt, Tier:Fressplatz-Verhältnis: 1:1 vs. 1:1,25, Liegefläche: 4,5 vs. 8,0 m2/Kuh, Laufhofffläche: 0 vs. 4,5 vs. 9,0 m2/Kuh) auf das (Sozial-)Verhalten behornter Kühe auswirkt, insbesondere auf das Ausmass an agonistischen Interaktionen und auf die Anzahl der Läsionen am Integument der Kühe. Zum anderen wurde in einer Praxiserhebung in 62 zumindest teilweise behornten Milchviehherden untersucht, welche Beziehungen zwischen dem Auftreten von Verletzungen und den Dimensionen und der Gestaltung der Laufställe sowie dem Herdenmanagement, der Mensch-Tier-Beziehung und den Charakteristika der Herde bestehen. Zudem wurden durch Interviews die in der Praxis vorrangig bestehenden Probleme eruiert und die Erfahrungen der Landwirte zusammengetragen. Im Experiment traten im Wartebereich beim grösseren Platzangebot statistisch auffällig (p=0,068) weniger agonistische Interaktionen unter den Kühen auf, die Zahl der Verletzungen zeigte keinen Unterschied. Im Fressbereich hatte eine Erhöhung der Anzahl Fressplätze keinen Einfluss. Eine grössere Liegefläche/Kuh auf der Tiefstreu hatte jedoch statistisch auffällig weniger agonistische Interaktionen, eine Abnahme der Läsionszahlen sowie längere Liegezeiten und kürzere Stehzeiten (im Stall) pro Tag und damit gleichzeitig eine erhöhte Herdensynchronität zur Folge (p=0,068). Ebenso bewirkte ein erhöhtes Laufhofflächenangebot/Kuh eine geringere Häufigkeit an agonistischen Interaktionen, eine Abnahme der Läsionszahlen sowie erhöhte Aufenthaltsdauern im Laufhof (jeweils p=0,068). In der Praxiserhebung konnten aus 113 Faktoren über Vorselektionen mittels univariaten Analysen (ANOVA) und multivariaten Regressionsanalysen in zwei Modellen multivariate Regressionsanalysen gerechnet werden, um die erklärenden Faktoren für die Variation der Verletzungen durch Hörner zu finden. Modell I (alle Betriebe, ohne Faktoren des Liegebereiches (Liegeboxenfaktoren)) wies einen Erklärungswert R2 von 0,825 und eine Signifikanz von p < 0,001 auf, Modell II (Liegeboxenbetriebe, alle Faktoren) einen Erklärungswert R2 von 0,882 und eine Signifikanz von p < 0,001. Als signifikante erklärende Faktoren für wenige Verletzungen verblieben in diesen Modellen der Stalltyp inkl. der Gliederung der Funktionsbereiche (unverbaut und übersichtlich mit klar getrennten Bereichen), eine hohe Anzahl Viehbürsten, breite Laufflächen, keine Hindernisse im Laufbereich, wenige Mitarbeiter, ein hoher Anteil eigener in die Herde eingegliederter Tiere, wenige Eingliederungen in den letzten sechs Wochen, die Rasse Fleckvieh, keine einzelnen unbehornten Kühe in der Herde und ein geringes Verletzungspotential der Hörner. Aus der Erfahrung der Landwirte ist der Fressbereich der Hauptproblembereich. Aus den Ergebnissen lässt sich schlussfolgernd sagen, dass ein Laufstall mit grosszügiger, deutlich über der Norm liegender Dimensionierung der flächigen Stallbereiche (Wartebereich, Liegefläche und Laufhoffläche/Kuh) für behornte Kühe günstige Haltungsbedingungen bietet. Engstellen hingegen bergen Konfliktpotential. Bei der Stallkonzeption muss eine klare Gliederung der Funktionsbereiche angestrebt werden, wenn Auseinandersetzungen vermieden werden sollen. Ein Tier:Fressplatz-Verhältnis von 1:1 mit ein paar Reserveplätzen scheint ausreichend, allerdings muss auf ein wirklich horngeeignetes Fressgitter mit sicherer Fixierung besonderen Wert gelegt werden. Im Management der Herde muss das Augenmerk vor allem auf das Vorgehen bei der Eingliederung von Tieren in die Herde gelegt werden. Da Eingliederungen das soziale Gefüge der Herde ändern, lassen sich mit möglichst wenig Eingliederungen von möglichst bekannten, also eigenen Tieren Auseinandersetzungen mit Verletzungen vermeiden. Günstig ist zudem, wenn nur eine Person die Herde betreut. Eine nur symptomatische, aber sehr effektive Massnahme zur Verringerung der Verletzungszahlen ist das Senken der Verletzungsgefahr der Hörner durch Entfernen spitzer Hornspitzen.

Professionswissen von Lehrkräften der Naturwissenschaften im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung

Die Ergebnisse internationaler Schulleistungsstudien wie TIMMS und PISA haben eine umfassende Diskussion zur Qualität, Struktur und Effizienz der Ausbildung und berufsbegleitenden Qualifizierung im deutschen Bildungssystem angestoßen. Die Kultusministerkonferenz der Länder (KMK) hat mit ihren Beschlüssen zu fachbezogenen Bildungsstandards für den mittleren Schulabschluss erstmalig ein funktionales und länderübergreifendes Konzept vorgelegt, in dem Bildung durch Kompetenzen beschrieben wird. Die von den Schülerinnen und Schülern zu erreichenden Kenntnisse und Fertigkeiten werden in Standards konkretisiert, die in den Bereichen Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung als Regelstandards organisiert sind. Die ländergemeinsamen Anforderungen für die Fachwissenschaften und Fachdidaktiken und die Standards für die Lehrerbildung beschreiben ein auf die Bildungsstandards bezugnehmendes Anforderungsprofil auf Seiten der Lehrkräfte zur Sicherung der Qualität in der Aus-, Fort- und Weiterbildung in allen drei Phasen der Lehrerbildung, mit dem Ziel eine kompetente Berufsausübung zu gewährleisten. Durch die Einführung des Kompetenzbegriffs werden somit auch die Kenntnisse und Fertigkeiten von Lehrkräften der Naturwissenschaften beschrieben, die auf Lehr- und Lernsituationen im Kompetenzbereich Fachwissen und Erkenntnisgewinnung ausgerichtet sind. Diese Standards markieren den Einstieg in ein Qualitätsmanagement, in dem normativen Standards konkretisiert und fachbezogen operationalisiert werden. Deren Evaluation ermöglicht eine empirisch fundiertere Darstellung der Lehrerbildung, die somit auch einen Beitrag zu einer weitergehenden Beschreibung des Professionswissens von Lehrkräften leistet. Allerdings ist im deutschsprachigen Raum bislang noch kein umfassendes Modell zum Professionswissen von Lehrkräften der Naturwissenschaften und einer niveaubezogenen Differenzierung ausgewiesener Kompetenzen verfügbar. Erste Strukturierungsansätze weisen auf die besondere Bedeutung der Bereiche Fachwissen, Fachdidaktisches Wissen und Pädagogisches Wissen hin. Insbesondere das in diesen Bereichen organisierte Wissen und Können von Lehrkräften ist für eine professionelle Handlungskompetenz von besonderer Bedeutung, die einen bedeutsamen Prädiktor für die Unterrichtsqualität darstellt und den Erwerb von Kenntnissen und Fertigkeiten im naturwissenschaftlichen Unterricht maßgeblich beeinflusst. Wesentliche Elemente einer umfassenden naturwissenschaftlichen Grundbildung werden in den Standards der Kompetenzbereiche Fachwissen und Erkenntnisgewinnung konkretisiert, die auch im Focus der Standards der Lehrerbildung in den naturwissenschaftlichen Fächern stehen. Die Kompetenzkonstrukte und Standards der Erkenntnisgewinnung systematisieren prozessbezogen zentrale Kompetenzen Fachmethodischen Wissens im Kontext einer naturwissenschaftlichen Untersuchung. Das Rahmenkonzept wissenschaftsmethodischer Kompetenzen von Mayer (2007) weist die Standards der Erkenntnisgewinnung in den Teilkompetenzen, bezogen auf die Phasen einer naturwissenschaftlichen Untersuchung, aus. Die vorliegende Untersuchung ist auf die Erhebung und Beschreibung von Kenntnissen und Fertigkeiten von Lehrkräften in den Kompetenzkonstrukten und Standards der Erkenntnisgewinnung ausgerichtet. Es wird untersucht, in welcher Weise die in den Kompetenzkonstrukten und Standards der Erkenntnisgewinnung beschriebenen wissenschaftsmethodischen Kompetenzen bei der Anlage fachdidaktisch begründeter Lernprozesse von den Lehrkräften berücksichtigt werden. Zudem wird der Frage nachgegangen, welche Erwartungen die Lehrkräfte an die Wirksamkeit ihrer Unterrichtsgestaltung in Bezug auf den intendierten Kompetenzerwerb wissenschaftsmethodischer Kompetenzen im naturwissenschaftlichen Unterricht haben. Im Anschluss wird das auf Seiten der Lehrkräfte verfügbare Fachmethodische Wissen beschrieben, auf das bei der Konkretisierung der Standards der Erkenntnisgewinnung im naturwissenschaftlichen Fachunterricht zurückgegriffen werden kann. Begleitend werden die Fächerkombination und das Lehramt als relevante Prädiktorvariablen im Hinblick auf die ausgewiesenen Fragestellungen betrachtet. Als Instrument wurde ein Erhebungsbogen entwickelt, der im Kooperationsprojekt „Kompetenzorientiert unterrichten in Mathematik und Naturwissenschaften“ der Universitäten Kassel und Gießen mit dem Amt für Lehrerbildung in Frankfurt zur Datenerhebung eingesetzt wurde. Den an der hessenweiten Qualifizierung teilnehmenden Lehrkräften (N = 282) wurde ein Erhebungsbogen mit 3 Instrumenten zu Beginn der Qualifizierung vorgelegt. Im ersten Instrument wurden die Ziele des naturwissenschaftlichen Arbeitens durch 24 Items abgebildet, die eine Selbstauskunft der Lehrkräfte durch eine sechsstufige Likert Skala erheben. Acht offene Testaufgaben haben im zweiten Instrument die wissenschaftsmethodischen Kenntnisse der Lehrkräfte in den Kompetenzkonstrukten und Standards der Erkenntnisgewinnung erhoben. Im dritten Instrument konnten die Lehrkräfte in drei freien Antwortformaten ihre Erwartungen an eine Qualifizierung im Kooperationsprojekt angeben. Wie die statistische Bearbeitung der Daten ausweist, berücksichtigen die Lehrkräfte die Kompetenzkonstrukte und Standards der Erkenntnisgewinnung in der Facette „Kompetenzorientiert Unterrichten“ und ihrer Dimensionen durchgängig „oft“. Lehrkräfte mit zwei naturwissenschaftlichen Fächern berücksichtigen die Kompetenzkonstrukte zudem häufiger bei der Anlage fachbezogenen Lernens. Im Hinblick auf die Erwartungen an die Lernprogression der Schülerinnen und Schüler werden die kompetenzbezogenen Ziele im naturwissenschaftlichen Unterricht nach Selbstauskunft der Lehrkräfte in der Facette „Kompetenzbezogene Ziele erreichen“ und ihrer Dimensionen „oft“ erreicht. Nach der Selbstauskunft der Lehrkräfte gehen diese davon aus, dass die intendierte Lernprogression wissenschaftsmethodischer Kenntnisse und Fertigkeiten von den Lernenden „oft“ erreicht wird. Insbesondere der Dimension Arbeitstechniken wird von den Lehrkräften in beiden Facetten ein gleichermaßen hoher Stellenwert im naturwissenschaftlichen Unterricht beigemessen. Ein Vergleich der Facetten „Kompetenzorientiert Unterrichten“ und „Kompetenzbezogene Ziele erreichen“ und ihrer Dimensionen zeigt allerdings auch, dass die Lehrkräfte die intendierte Lernprogression der Lernenden im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung schwächer einschätzen. Des Weiteren besteht ein belastbarer Zusammenhang zwischen der Planung von Lernprozessen und dem Erwerb von Kenntnissen und Fertigkeiten im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung. Die mittleren bis hohen Korrelationen zwischen den Facetten „Kompetenzorientiert Unterrichten“ und „Kompetenzbezogene Ziele erreichen“ deuten darauf hin, dass die seitens der Lehrkräfte eingesetzten fachmethodischen Kenntnisse in einem unmittelbaren Zusammenhang mit der Lernprogression im naturwissenschaftlichen Unterricht gesehen werden. Die Kompetenzkonstrukte und Standards der Erkenntnisgewinnung werden von den Lehrkräften durchgängig berücksichtigt und als bedeutsam im naturwissenschaftlichen Fachunterricht erachtet. Bezüglich der Prädiktorvariablen Lehramt und Alter liegen keine statistisch bedeutsamen Befunde vor. Die Standards der KMK werden von den Lehrkräften im Bereich Fachwissen und Fachdidaktischem Wissen gleichermaßen, unabhängig von ihrer Berufspraxis, umgesetzt. Die von den Lehrkräften angegebenen Lösungen der offenen Aufgaben in den Teilkompetenzen einer naturwissenschaftlichen Untersuchung lassen sich weitgehend der Niveaustufe 1 zuordnen. Lehrkräfte mit dem Lehramt für Gymnasien lösen die Aufgaben auf einem höheren Niveau, das allerdings die Niveaustufe 2 noch nicht erreicht. Offenbar gelingt es diesen Lehrkräften umfassender Kenntnisse und Fertigkeiten in den Teilkompetenzen einer naturwissenschaftlichen Untersuchung zu aktivieren. Allerdings werden die mittleren Anforderungen, die national und international der Niveaustufe 3 zugeordnet werden, von den Lehrkräften durchgängig nicht erreicht. Zudem besteht zwischen den beiden Facetten „Kompetenzorientiert Unterrichten“ und „Kompetenzbezogene Ziele erreichen“ und den offenen Aufgaben kein statistisch bedeutsamer Zusammenhang. Die Lehrkräfte setzen ihre Kenntnisse und Fertigkeiten mit den Anforderungen eines kompetenzorientierten naturwissenschaftlichen Fachunterrichts nur unzureichend in Beziehung. Wie die Befunde der im dritten Instrument erhobenen Erwartungen und Ziele einer Qualifizierung zeigen, bringen die Lehrkräfte die Bereitschaft mit, sich aktiv in die Qualitätsentwicklung einzubringen. Sie erwarten von dem kumulativen Kompetenzerwerb in den Bereichen Fachwissen und Fachmethodisches Wissen einen wesentlichen Beitrag zur Gestaltung standardorientierter Lehr- und Lernsituationen.

MEMS-based Tunable Optical Filter Arrays for Nano-Spectrometer in the Visible Spectral Range

Optische Spektrometer sind bekannte Instrumente für viele Anwendungen in Life Sciences, Produktion und Technik aufgrund ihrer guten Selektivität und Sensitivität zusammen mit ihren berührungslosen Messverfahren. MEMS (engl. Micro-electro-mechanical system)-basierten Spektrometer werden als disruptive Technologie betrachtet, in der miniaturisierte Fabry-Pérot Filter als sehr attraktiv für die optische Kommunikation und 'Smart Personal Environments', einschließlich des medizinischen Anwendungen, zu nennen sind. Das Ziel dieser Arbeit ist, durchstimmbare Filter-Arrays mit kostengünstigen Technologien herzustellen. Materialien und technologische Prozesse, die für die Herstellung der Filter-Arrays benötigt werden, wurden untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit, wurden durchstimmbare Fabry Pérot Filter-Arrays für den sichtbaren Spektralbereich untersucht, die als Nano-Spektrometer eingesetzt werden. Darüber hinaus wurde ein Modell der numerischen Simulation vorgestellt, die zur Ermittlung eines optimales geometrisches Designs verwendet wurde, wobei sich das Hauptaugenmerk der Untersuchung auf die Durchbiegung der Filtermembranen aufgrund der mechanischen Verspannung der Schichten richtet. Die geometrische Form und Größe der Filtermembranen zusammen mit der Verbindungsbrücken sind von entscheidender Bedeutung, da sie die Durchbiegung beeinflussen. Lange und schmale Verbindungsbrücken führen zur stärkeren Durchbiegung der Filtermembranen. Dieser Effekt wurde auch bei der Vergrößerung der Durchmesser der Membran beobachtet. Die Filter mit spiralige (engl. curl-bent) Verbindungsbrücken führten zu geringerer Deformation als die mit geraden oder gebogenen Verbindungsbrücken. Durchstimmbare Si3N4/SiO2 DBR-basierende Filter-Arrays wurden erfolgreich hergestellt. Eine Untersuchung über die UV-NIL Polymere, die als Opferschicht und Haltepfosten-Material der Filter verwendet wurden, wurde durchgeführt. Die Polymere sind kompatibel zu dem PECVD-Verfahren, das für die Spiegel-Herstellung verwendet wird. Die laterale Strukturierung der DBR-Spiegel mittels des RIE (engl. Reactive Ion Etching)-Prozesses sowie der Unterätz-Prozess im Sauerstoffplasma zur Entfernung der Opferschicht und zum Erreichen der Luftspalt-Kavität, wurden durchgeführt. Durchstimmbare Filter-Arrays zeigten einen Abstimmbereich von 70 nm bei angelegten Spannungen von weniger als 20 V. Optimierungen bei der Strukturierung von TiO2/SiO2 DBR-basierenden Filtern konnte erzielt werden. Mit der CCP (engl. Capacitively Coupling Plasma)-RIE, wurde eine Ätzrate von 20 nm/min erreicht, wobei Fotolack als Ätzmaske diente. Mit der ICP (engl. Inductively Coupling Plasma)-RIE, wurden die Ätzrate von mehr als 60 nm/min mit einem Verhältniss der Ar/SF6 Gasflüssen von 10/10 sccm und Fotolack als Ätzmasken erzielt. Eine Ätzrate von 80 bis 90 nm/min wurde erreicht, hier diente ITO als Ätzmaske. Ausgezeichnete geätzte Profile wurden durch den Ätzprozess unter Verwendung von 500 W ICP/300 W RF-Leistung und Ar/SF6 Gasflüsse von 20/10 sccm erreicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die Realisierung eines breiten Spektralbereichs der Filter-Arrays im Nano-Spektrometer.

Beitrag zur Analyse sicherer Kommunikationsprotokolle im industriellen Einsatz

Bei der Arbeit an sicherheitsgerichteten Kommunikationsprotokollen stellten sich immer wieder die Fragen nach der Eignung von einzelnen Mechanismen der Protokolle, um den Gefährdungen entsprechende Maßnahmen zur Beherrschung entgegenzusetzen. Dabei waren durchweg die Anforderungen der IEC 61508 mit dem Safety Integrity Level 3 zu erfüllen. Die IEC 61508-2 ist mit 5 Zeilen Umfang für die wesentlichen Anforderungen an die sicherheitsgerichtete Kommunikation sehr kurz gehalten und die IEC 61784-3 war zu Beginn der Arbeiten noch nicht veröffentlicht. Aber die IEC 61784-3 stellt auch heute nur einen unvollständigen Kriterienkatalog zusammen. Insbesondere die in IEC 61508-2 geforderte quantitative Analyse wird in der IEC 61784-3 nicht ausreichend thematisiert. In bisherigen sicherheitsgerichteten Protokollen und den relevanten Normen des Anwendungsbereichs fanden die Gefährdungspotentiale, wie Masquerading und Adressierung in offenen Übertragungssystemen, absichtliche Unterminierung der Sicherheitsmechanismen und fehlerhafte Konfiguration keine ausreichende Beachtung und die Gefährdungen durch absehbaren Missbrauch, absehbare Fehlbedienung und unberechtigter Zugriff auf sichere Kommunikationseinrichtungen wurde nur in Randgebieten diskutiert. Hier zeigt die vorliegende Arbeit die Bedeutung dieser für den Einsatz von sicherheitsgerichteten Kommunikationsprotokollen im industriellen Umfeld auf und folgert daraus die entsprechenden Maßnahmen, die in der Verantwortung des Anwenders liegen, bzw. zum Teil auch durch Protokollmechanismen beherrscht werden können. Die Arbeit stellt einen umfassenden Gefährdungskatalog auf und bewertet nach diesem Katalog die am weitest verbreiteten sicherheitsgerichteten Kommunikationsprotokolle nach einem einheitlichen Maßstab. Weiter zeigt die vorgelegte Arbeit, dass auch ein existierendes Zertifikat gemäß IEC 61508 SIL3 nicht in jedem Fall ausreichend ist, um die Eignung eines Protokolls für den Einsatz gemäß dem aktuellen Stand der Normen zu bestätigen. Hervor zu heben ist insbesondere die quantitative Bewertung jeder einzelnen Maßnahme der Protokolle. Bislang wurde diese nur für die Beherrschung von verfälschten Nachrichten durchgeführt. Die Arbeit führt diese quantitative Bewertung der eingesetzten Maßnahmen systematisch durch und zeigt dabei, dass diese Bewertung dringend erforderlich ist, da die betrachteten öffentlichen Protokolle nicht die für SIL3 notwendige Güte für alle ihre Maßnahmen aufweisen, bzw. aufwiesen. Einer der Schwerpunkte dieser Arbeit ist die Definition von Verarbeitungsmodellen für die Berechnung der maximalen Reaktionszeit und der Worst-Case Reaktionszeit. Dazu wurde ein Modell aus 5 Komponenten erstellt, dass geeignet ist, die Reaktionszeit über ein Kommunikationssystem für die im industriellen Umfeld gebräuchlichen Anwendungen zu untersuchen. Diese 5 Komponenten, das Eingangsmodul, die Sicherheitssteuerung, die Kommunikation zwischen beiden, sowie das Ausgangsmodul und die Kommunikation zwischen diesem und der Sicherheitssteuerung. Anhand dieses Modells wurde die maximale Reaktionszeit definiert. Dies ist die Zeit, die von der Änderung eines physikalischen Eingangssignals der Eingangskomponente, bis zur zugehörigen Reaktion des physikalischen Ausgangssignals der Ausgangskomponente, über die Sicherheitssteuerung hinweg, benötigt wird. Die maximale Reaktionszeit betrachtet dabei den Fall, dass im gesamten System aus diesen 5 Komponenten kein Fehler eine Wirkung entfaltet. Die Worst-Case Reaktionszeiten der Protokolle sind auf Grund der verschiedenen Konzepte sehr differenziert zu betrachten. Erschwerend kommt hier noch hinzu, dass die im konkreten System erreichte minimale Worst-Case Reaktionszeit stark von der Implementierung des jeweiligen Herstellers abhängt. Ebenso problematisch ist die unterschiedliche Modellbildung der jeweiligen Protokoll-Organisationen. Es werden Fehlerausschlüsse gemacht, wie die Annahme, dass nur ein Fehler auftritt und dieser Fehler sich nicht auf die Verbindung zwischen Eingangsmodul und Sicherheitssteuerung und auf die Verbindung zwischen Sicherheitssteuerung und Ausgangsmodul gleichzeitig auswirken kann. Da für den sicherheitsgerichteten Einsatz die maximale Reaktionszeit mit Fehlern die relevante Betrachtungseinheit darstellt, wurden anhand des Modells die Worst-Case 1 und 2 Reaktionszeiten definiert. Die erste definiert die Zeit die eine Reaktion maximal benötigt, wenn im Kommunikationssystem eine Fehlerwirkung vorliegt und bei der zweiten wird angenommen, dass mehrere der 5 Komponenten von Fehlerwirkungen betroffen sein können. Um einen vertieften Einblick in die Thematik zu erhalten, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein eigenes sicherheitsgerichtetes Kommunikationsprotokoll spezifiziert, entworfen und realisiert. Hierbei wurde besonderer Augenmerk auf die Wirksamkeit des Verfälschungsschutzes mittels CRCs für kurze Nachrichten gelegt und ebenso die Wirksamkeit gekoppelter CRCs betrachtet.

Systems of Parallel Communicating Restarting Automata

In der vorliegenden Dissertation werden Systeme von parallel arbeitenden und miteinander kommunizierenden Restart-Automaten (engl.: systems of parallel communicating restarting automata; abgekürzt PCRA-Systeme) vorgestellt und untersucht. Dabei werden zwei bekannte Konzepte aus den Bereichen Formale Sprachen und Automatentheorie miteinander vescrknüpft: das Modell der Restart-Automaten und die sogenannten PC-Systeme (systems of parallel communicating components). Ein PCRA-System besteht aus endlich vielen Restart-Automaten, welche einerseits parallel und unabhängig voneinander lokale Berechnungen durchführen und andererseits miteinander kommunizieren dürfen. Die Kommunikation erfolgt dabei durch ein festgelegtes Kommunikationsprotokoll, das mithilfe von speziellen Kommunikationszuständen realisiert wird. Ein wesentliches Merkmal hinsichtlich der Kommunikationsstruktur in Systemen von miteinander kooperierenden Komponenten ist, ob die Kommunikation zentralisiert oder nichtzentralisiert erfolgt. Während in einer nichtzentralisierten Kommunikationsstruktur jede Komponente mit jeder anderen Komponente kommunizieren darf, findet jegliche Kommunikation innerhalb einer zentralisierten Kommunikationsstruktur ausschließlich mit einer ausgewählten Master-Komponente statt. Eines der wichtigsten Resultate dieser Arbeit zeigt, dass zentralisierte Systeme und nichtzentralisierte Systeme die gleiche Berechnungsstärke besitzen (das ist im Allgemeinen bei PC-Systemen nicht so). Darüber hinaus bewirkt auch die Verwendung von Multicast- oder Broadcast-Kommunikationsansätzen neben Punkt-zu-Punkt-Kommunikationen keine Erhöhung der Berechnungsstärke. Desweiteren wird die Ausdrucksstärke von PCRA-Systemen untersucht und mit der von PC-Systemen von endlichen Automaten und mit der von Mehrkopfautomaten verglichen. PC-Systeme von endlichen Automaten besitzen bekanntermaßen die gleiche Ausdrucksstärke wie Einwegmehrkopfautomaten und bilden eine untere Schranke für die Ausdrucksstärke von PCRA-Systemen mit Einwegkomponenten. Tatsächlich sind PCRA-Systeme auch dann stärker als PC-Systeme von endlichen Automaten, wenn die Komponenten für sich genommen die gleiche Ausdrucksstärke besitzen, also die regulären Sprachen charakterisieren. Für PCRA-Systeme mit Zweiwegekomponenten werden als untere Schranke die Sprachklassen der Zweiwegemehrkopfautomaten im deterministischen und im nichtdeterministischen Fall gezeigt, welche wiederum den bekannten Komplexitätsklassen L (deterministisch logarithmischer Platz) und NL (nichtdeterministisch logarithmischer Platz) entsprechen. Als obere Schranke wird die Klasse der kontextsensitiven Sprachen gezeigt. Außerdem werden Erweiterungen von Restart-Automaten betrachtet (nonforgetting-Eigenschaft, shrinking-Eigenschaft), welche bei einzelnen Komponenten eine Erhöhung der Berechnungsstärke bewirken, in Systemen jedoch deren Stärke nicht erhöhen. Die von PCRA-Systemen charakterisierten Sprachklassen sind unter diversen Sprachoperationen abgeschlossen und einige Sprachklassen sind sogar abstrakte Sprachfamilien (sogenannte AFL's). Abschließend werden für PCRA-Systeme spezifische Probleme auf ihre Entscheidbarkeit hin untersucht. Es wird gezeigt, dass Leerheit, Universalität, Inklusion, Gleichheit und Endlichkeit bereits für Systeme mit zwei Restart-Automaten des schwächsten Typs nicht semientscheidbar sind. Für das Wortproblem wird gezeigt, dass es im deterministischen Fall in quadratischer Zeit und im nichtdeterministischen Fall in exponentieller Zeit entscheidbar ist.