Évaluation de la perception des intervenants de la mise en œuvre d’un modèle d’équipe de soutien à l’enseignant pour intégrer les services à l’école en contexte inclusif

L’école ne semble plus en mesure de répondre par elle-même aux besoins multidimensionnels des élèves en difficulté qui sont maintenant intégrés dans la classe ordinaire. (Cooper, 1999; Deslandes & Bertrand, 2001; Dryfoos, 1994; Greenberg, 2004; Ministère de l'Éducation du Loisir et du Sport, 2005; Paavola, 1995; Riddle & Tett, 2001; The Learning Partnership, 2004). Les équipes de soutien à l’enseignant semblent un moyen efficace d’appuyer l’enseignant et l’élève, mais cette approche est très peu utilisée dans les milieux éducatifs au Canada. Certains élèves présentant des problèmes complexes ne reçoivent pas l’appui nécessaire faute d’un manque de spécialiste à l’intérieur du cadre scolaire. Dans cette perspective, les services intégrés pourraient être une voie propice pour le travail de partenariat mais plusieurs obstacles semblent empêcher la collaboration et la coopération entre les intervenants scolaires et les partenaires de la communauté. La présente recherche a identifié un modèle qui permet d’appuyer l’enseignant dans sa pratique afin d’aider l’élève en difficulté et de le maintenir dans la classe ordinaire. Le modèle d’équipe de soutien à l’enseignant mis en œuvre dans les écoles d’un conseil francophone scolaire de l’Ontario est un modèle dérivé de Chalfant, Pysh et Moultrie (1979). Vers les années 1970, ces équipes ont été formées en vue d’offrir un appui à l’enseignant de classe ordinaire pour éviter les placements d'élèves en éducation spéciale l’intention est encore la même en 2010. Par ce modèle, nous favorisons l’entrée des services intégrés à l’intérieur du cadre scolaire et les partenaires travaillent en équipe afin de favoriser le succès scolaire des élèves. Un coordonnateur du milieu scolaire est le lien qui assure la coordination et les suivis des différentes recommandations proposées par l’équipe. Le travail de collaboration et de coopération est essentiel pour assurer le succès scolaire de l’élève. Les résultats de cette mise en œuvre nous ont permis de constater que le modèle est efficace dans l’atteinte de ses buts. D’une façon générale, les intervenants scolaires affirment se sentir effectivement appuyés par les équipes de soutien tant dans la formation, les échanges et les discussions que dans les ressources matérielles. Ce qui ressort le plus souvent de leurs propos est qu’ils apprécient la réelle collaboration et la concertation qui existent entre tous les intervenants qui assurent les suivis. Quatre-vingt-treize pour cent des répondants qui ont participé aux équipes de soutien affirment qu’il y a eu des changements positifs chez les élèves. Différents défis ont aussi été relevés. Mentionnons entre autre, la lourdeur du rôle du coordonnateur, la grandeur du territoire du Conseil (perte de temps sur la route), des cas de conflits existants entre les parents et l’école. Indépendamment de ces défis, l’application du modèle d’équipe de soutien à l’enseignant répond à l’objectif d’inclusion scolaire des élèves en difficulté tout en permettant aux enseignants de ne pas se sentir seuls ni d’être effectivement seuls à assumer ce mandat.

L’évolution de l’évaluation de la composante linguistique de la compétence à écrire par le ministère de l’Éducation : une étude longitudinale sur les épreuves uniques de 5e secondaire

Cette recherche vise à décrire comment a évolué l’évaluation de la compétence à écrire dans les épreuves uniques d’écriture de 5e secondaire, en portant spécifiquement le regard sur la composante linguistique de cette compétence. Une recherche documentaire a permis de recueillir des épreuves et autres documents les concernant pour une période allant de 1971 à 2012. Bien que notre étude porte en particulier sur les épreuves uniques d’écriture, implantées en 1986, nous avons pu remonter plus loin dans le temps afin de brosser un tableau le plus large possible de l’évaluation certificative de l’écriture en 5e secondaire. Plusieurs aspects sont analysés : le contexte des épreuves, les tâches qu’elles contiennent, les paramètres encadrant leur correction, ainsi que les seuils de réussite relatifs à la langue, les épreuves entières, la compétence à écrire et la matière français, langue d’enseignement. Nous avons également pu observer, à l’échelle provinciale, l’évolution des résultats des élèves aux épreuves uniques d’écriture. À l’aide de divers concepts théoriques reliés à l’évaluation de la compétence écrire et sa composante linguistique, un cadre méthodologique a été développé pour permettre l’analyse des épreuves d’écriture. Celle-ci révèle notamment que la nature des tâches et leurs paramètres sont restés assez constants dans le temps, particulièrement depuis 1986. Le nombre d’erreurs linguistiques permises a augmenté, alors que les résultats des élèves sont restés stables. De plus, le regard historique de cette étude montre comment le ministère de l’Éducation accorde à notre époque une grande importance à l’écriture et à la correction de l’orthographe.

Un aspect méconnu de l’île de Montréal : les occupations amérindiennes du Sylvicole supérieur à la fin du XVIIe siècle

Ce mémoire a pour objectif général de définir et de caractériser les présences amérindiennes sur l’île de Montréal au cours de la période s’échelonnant du Sylvicole supérieur à la fin du XVIIe siècle ainsi que de tenter de comprendre le rôle qu’exerça le mont Royal dans ce contexte. En nous appuyant sur des théories de l’archéologie du paysage, nous avons étudié la création consciente et inconsciente de paysages et la manière par laquelle ces lieux ont façonné les comportements et les identités de leurs occupants. Grâce à la continuité d’activités répétitives, liées au concept de taskscape, nous avons tenté d’y établir un modèle de trame d’occupation reflétant une utilisation dynamique et stratégique du paysage face aux politiques coloniales. La démarche adoptée est celle d’une approche holistique s’appuyant à la fois sur des données archéologiques, historiques, ethnohistoriques et ethnographiques émanant des rapports de fouilles archéologiques, des traditions orales et des différents documents coloniaux datant des XVIe, XVIIe et XVIIIe siècles. Cette étude a permis de déterminer différentes zones associées à des perceptions différentes du paysage reflétant une stratégie de continuité dans la conceptualisation, l’organisation et la manipulation de l’espace à la suite de l’appropriation des terres par le gouvernement colonial.

Una secuencia didáctica para un concepto unificador en un curso de álgebra lineal de un programa de formación a la ingeniería

L’introduction aux concepts unificateurs dans l’enseignement des mathématiques privilégie typiquement l’approche axiomatique. Il n’est pas surprenant de constater qu’une telle approche tend à une algorithmisation des tâches pour augmenter l’efficacité de leur résolution et favoriser la transparence du nouveau concept enseigné (Chevallard, 1991). Cette réponse classique fait néanmoins oublier le rôle unificateur du concept et n’encourage pas à l’utilisation de sa puissance. Afin d’améliorer l’apprentissage d’un concept unificateur, ce travail de thèse étudie la pertinence d’une séquence didactique dans la formation d’ingénieurs centrée sur un concept unificateur de l’algèbre linéaire: la transformation linéaire (TL). La notion d’unification et la question du sens de la linéarité sont abordées à travers l’acquisition de compétences en résolution de problèmes. La séquence des problèmes à résoudre a pour objet le processus de construction d’un concept abstrait (la TL) sur un domaine déjà mathématisé, avec l’intention de dégager l’aspect unificateur de la notion formelle (Astolfi y Drouin, 1992). À partir de résultats de travaux en didactique des sciences et des mathématiques (Dupin 1995; Sfard 1991), nous élaborons des situations didactiques sur la base d’éléments de modélisation, en cherchant à articuler deux façons de concevoir l’objet (« procédurale » et « structurale ») de façon à trouver une stratégie de résolution plus sûre, plus économique et réutilisable. En particulier, nous avons cherché à situer la notion dans différents domaines mathématiques où elle est applicable : arithmétique, géométrique, algébrique et analytique. La séquence vise à développer des liens entre différents cadres mathématiques, et entre différentes représentations de la TL dans les différents registres mathématiques, en s’inspirant notamment dans cette démarche du développement historique de la notion. De plus, la séquence didactique vise à maintenir un équilibre entre le côté applicable des tâches à la pratique professionnelle visée, et le côté théorique propice à la structuration des concepts. L’étude a été conduite avec des étudiants chiliens en formation au génie, dans le premier cours d’algèbre linéaire. Nous avons mené une analyse a priori détaillée afin de renforcer la robustesse de la séquence et de préparer à l’analyse des données. Par l’analyse des réponses au questionnaire d’entrée, des productions des équipes et des commentaires reçus en entrevus, nous avons pu identifier les compétences mathématiques et les niveaux d’explicitation (Caron, 2004) mis à contribution dans l’utilisation de la TL. Les résultats obtenus montrent l’émergence du rôle unificateur de la TL, même chez ceux dont les habitudes en résolution de problèmes mathématiques sont marquées par une orientation procédurale, tant dans l’apprentissage que dans l’enseignement. La séquence didactique a montré son efficacité pour la construction progressive chez les étudiants de la notion de transformation linéaire (TL), avec le sens et les propriétés qui lui sont propres : la TL apparaît ainsi comme un moyen économique de résoudre des problèmes extérieurs à l’algèbre linéaire, ce qui permet aux étudiants d’en abstraire les propriétés sous-jacentes. Par ailleurs, nous avons pu observer que certains concepts enseignés auparavant peuvent agir comme obstacles à l’unification visée. Cela peut ramener les étudiants à leur point de départ, et le rôle de la TL se résume dans ces conditions à révéler des connaissances partielles, plutôt qu’à guider la résolution.

Une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics : simulation des interfaces immergées et de la dynamique Brownienne des molécules avec des interactions hydrodynamiques

Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics (SPH) pour la résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles, même en présence des forces singulières. Les termes de sources singulières sont traités d'une manière similaire à celle que l'on retrouve dans la méthode Immersed Boundary (IB) de Peskin (2002) ou de la méthode régularisée de Stokeslets (Cortez, 2001). Dans notre schéma numérique, nous mettons en oeuvre une méthode de projection sans pression de second ordre inspirée de Kim et Moin (1985). Ce schéma évite complètement les difficultés qui peuvent être rencontrées avec la prescription des conditions aux frontières de Neumann sur la pression. Nous présentons deux variantes de cette approche: l'une, Lagrangienne, qui est communément utilisée et l'autre, Eulerienne, car nous considérons simplement que les particules SPH sont des points de quadrature où les propriétés du fluide sont calculées, donc, ces points peuvent être laissés fixes dans le temps. Notre méthode SPH est d'abord testée à la résolution du problème de Poiseuille bidimensionnel entre deux plaques infinies et nous effectuons une analyse détaillée de l'erreur des calculs. Pour ce problème, les résultats sont similaires autant lorsque les particules SPH sont libres de se déplacer que lorsqu'elles sont fixes. Nous traitons, par ailleurs, du problème de la dynamique d'une membrane immergée dans un fluide visqueux et incompressible avec notre méthode SPH. La membrane est représentée par une spline cubique le long de laquelle la tension présente dans la membrane est calculée et transmise au fluide environnant. Les équations de Navier-Stokes, avec une force singulière issue de la membrane sont ensuite résolues pour déterminer la vitesse du fluide dans lequel est immergée la membrane. La vitesse du fluide, ainsi obtenue, est interpolée sur l'interface, afin de déterminer son déplacement. Nous discutons des avantages à maintenir les particules SPH fixes au lieu de les laisser libres de se déplacer. Nous appliquons ensuite notre méthode SPH à la simulation des écoulements confinés des solutions de polymères non dilués avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume. Le point de départ de l'algorithme est le système couplé des équations de Langevin pour les polymères et le solvant (CLEPS) (voir par exemple Oono et Freed (1981) et Öttinger et Rabin (1989)) décrivant, dans le cas présent, les dynamiques microscopiques d'une solution de polymère en écoulement avec une représentation bille-ressort des macromolécules. Des tests numériques de certains écoulements dans des canaux bidimensionnels révèlent que l'utilisation de la méthode de projection d'ordre deux couplée à des points de quadrature SPH fixes conduit à un ordre de convergence de la vitesse qui est de deux et à une convergence d'ordre sensiblement égale à deux pour la pression, pourvu que la solution soit suffisamment lisse. Dans le cas des calculs à grandes échelles pour les altères et pour les chaînes de bille-ressort, un choix approprié du nombre de particules SPH en fonction du nombre des billes N permet, en l'absence des forces d'exclusion de volume, de montrer que le coût de notre algorithme est d'ordre O(N). Enfin, nous amorçons des calculs tridimensionnels avec notre modèle SPH. Dans cette optique, nous résolvons le problème de l'écoulement de Poiseuille tridimensionnel entre deux plaques parallèles infinies et le problème de l'écoulement de Poiseuille dans une conduite rectangulaire infiniment longue. De plus, nous simulons en dimension trois des écoulements confinés entre deux plaques infinies des solutions de polymères non diluées avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume.

A brain-computer interface for navigation in virtual reality

L'interface cerveau-ordinateur (ICO) décode les signaux électriques du cerveau requise par l’électroencéphalographie et transforme ces signaux en commande pour contrôler un appareil ou un logiciel. Un nombre limité de tâches mentales ont été détectés et classifier par différents groupes de recherche. D’autres types de contrôle, par exemple l’exécution d'un mouvement du pied, réel ou imaginaire, peut modifier les ondes cérébrales du cortex moteur. Nous avons utilisé un ICO pour déterminer si nous pouvions faire une classification entre la navigation de type marche avant et arrière, en temps réel et en temps différé, en utilisant différentes méthodes. Dix personnes en bonne santé ont participé à l’expérience sur les ICO dans un tunnel virtuel. L’expérience fut a était divisé en deux séances (48 min chaque). Chaque séance comprenait 320 essais. On a demandé au sujets d’imaginer un déplacement avant ou arrière dans le tunnel virtuel de façon aléatoire d’après une commande écrite sur l'écran. Les essais ont été menés avec feedback. Trois électrodes ont été montées sur le scalp, vis-à-vis du cortex moteur. Durant la 1re séance, la classification des deux taches (navigation avant et arrière) a été réalisée par les méthodes de puissance de bande, de représentation temporel-fréquence, des modèles autorégressifs et des rapports d’asymétrie du rythme β avec classificateurs d’analyse discriminante linéaire et SVM. Les seuils ont été calculés en temps différé pour former des signaux de contrôle qui ont été utilisés en temps réel durant la 2e séance afin d’initier, par les ondes cérébrales de l'utilisateur, le déplacement du tunnel virtuel dans le sens demandé. Après 96 min d'entrainement, la méthode « online biofeedback » de la puissance de bande a atteint une précision de classification moyenne de 76 %, et la classification en temps différé avec les rapports d’asymétrie et puissance de bande, a atteint une précision de classification d’environ 80 %.

Analyse de la transformation du métier d’auxiliaire familiale et sociale en CLSC au Québec depuis les années 1990

Le vieillissement de la population et les différentes réformes du système de santé au Québec ont mené à divers bouleversements, et à un déplacement des soins et des services vers le domicile. Les groupes professionnels travaillant dans le secteur du maintien à domicile ont vu leur travail se transformer et évoluer au fil des ans. Selon R. Bourque (1992), qui s’est intéressée à la professionnalisation du métier d’auxiliaire familiale et sociale dans les années 1980 et au début des années 1990, les auxiliaires familiales et sociales font partie des travailleuses ayant connu le plus de changement dans la nature de leurs tâches depuis leur intégration à l’intérieur de la santé et des services sociaux en 1972. Notre recherche s’intéresse à l’évolution des pratiques professionnelles des auxiliaires familiales et sociales en CLSC au Québec depuis les années 1990. L’étude réalisée à l’aide de huit entretiens semi-dirigés portant sur l’évolution des pratiques des AFS depuis les années 1990, a permis de saisir et de comprendre l’évolution des tâches et des fonctions de ces AFS à partir de leur quotidien. Les résultats démontrent une spécialisation accrue du travail vers les soins d’hygiène et les actes délégués de type infirmier. Toutefois, l’hétérogénéité des pratiques de ces AFS témoigne de la survie de certaines tâches, notamment au niveau des activités de la vie domestique (AVD). L’enjeu majeur de ce groupe professionnel se situe dans la consolidation d’une association plus forte et plus inclusive afin de faire valoir leurs revendications et faire face aux défis qu’elles doivent surmonter au quotidien afin de faire reconnaître leur travail.

Effet de la pratique mixte sur les processus de consolidation lors de l'apprentissage concomitant de deux tâches interférentes.

Si les bénéfices de la pratique physique sur l’apprentissage moteur ne sont plus à démontrer, de nombreuses études s’accordent sur le fait qu’il est également possible d’apprendre une nouvelle habileté en observant un modèle qui réalise la tâche à apprendre. De plus, plusieurs chercheurs ont montré que les mécanismes permettant l’acquisition d’une nouvelle habileté motrice par pratique physique et par observation sont semblables. Or, l’apprentissage se poursuit au-delà des séances de pratique par des « processus de consolidation » essentiels pour que les habiletés pratiquées soient retenues à long terme. À cet effet, Trempe, Sabourin, Rohbanfard et Proteau (2011), ont montré que la consolidation ne s'effectuait pas de la même façon selon que la pratique était faite physiquement ou par observation. Par conséquent, nous avons tenté de déterminer si pratiquer une tâche par pratique physique et l’autre par observation permet d'optimiser l'apprentissage concomitant de ces deux tâches bien qu’elles soient normalement interférentes. Nos résultats ont montré que la tâche A causait une interférence antérograde sur la tâche B peu importe le type de pratique effectué, ce qui suggère que les processus de consolidation prenant place suite à l’observation sont plutôt similaires à ceux qui prennent place suite à la pratique physique. Ainsi, il semble que la pratique mixte ne permet pas de réduire les interférences lors de l’apprentissage de deux tâches semblables.

Lien entre l'activité pariéto-occipitale enregistrée pendant une tâche de mémoire à court terme visuelle et les habiletés mathématiques : une étude en magnétoencéphalographie

La mémoire à court terme visuelle (MCTv) est un système qui permet le maintien temporaire de l’information visuelle en mémoire. La capacité en mémoire à court terme se définit par le nombre d’items qu’un individu peut maintenir en mémoire sur une courte période de temps et est limitée à environ quatre items. Il a été démontré que la capacité en MCTv et les habiletés mathématiques sont étroitement liées. La MCTv est utile dans beaucoup de composantes liées aux mathématiques, comme la résolution de problèmes, la visualisation mentale et l’arithmétique. En outre, la MCTv et le raisonnement mathématique font appel à des régions similaires du cerveau, notamment dans le cortex pariétal. Le sillon intrapariétal (SIP) semble être particulièrement important, autant dans la réalisation de tâches liées à la MCTv qu’aux habiletés mathématiques. Nous avons créé une tâche de MCTv que 15 participants adultes en santé ont réalisée pendant que nous enregistrions leur activité cérébrale à l’aide de la magnétoencéphalographie (MEG). Nous nous sommes intéressés principalement à la composante SPCM. Une évaluation neuropsychologique a également été administrée aux participants. Nous souhaitions tester l’hypothèse selon laquelle l’activité cérébrale aux capteurs pariéto-occipitaux pendant la tâche de MCTv en MEG sera liée à la performance en mathématiques. Les résultats indiquent que l’amplitude de l’activité pariéto-occipitale pendant la tâche de MCTv permet de prédire les habiletés mathématiques ainsi que la performance dans une tâche de raisonnement perceptif. Ces résultats permettent de confirmer le lien existant entre les habiletés mathématiques et le fonctionnement sous-jacent à la MCTv.

Prisons provinciales : regards sur les pratiques professionnelles médicales à l’égard de la santé des détenus

Ce mémoire a pour objectif de comprendre la prise en charge médicale des détenus à partir des pratiques professionnelles du personnel médical. Une méthodologie qualitative comprenant 14 entretiens semi-dirigés menés auprès d’infirmières et de médecins œuvrant dans six établissements québécois de détention provinciale a été utilisée pour réaliser cette étude. Notre recherche apporte une compréhension du regard que posent les professionnels de la santé sur leurs rôles et leurs fonctions mais également sur leurs patients détenus. Sur le plan professionnel, elle met en lumière l’autonomie d’action du personnel infirmier, ses avantages dans l’exercice de leur profession, mais elle fait également ressortir les contraintes qu’impose la prison comme milieu de travail. L’éclatement du mandat professionnel entre le soin, la relation d’aide et la surveillance ainsi que la dichotomie dans les représentations du patient détenu, entre risque et protection, font également partie de nos analyses. De plus, nos résultats ont permis de dresser des parallèles avec la gestion du risque et la nouvelle santé publique sous l’angle de la responsabilisation des détenus. Enfin, nous proposons que la responsabilisation du patient détenu est intégrée au sein des pratiques médicales malgré le fait que certains éléments de l’environnement carcéral et de la relation thérapeutique font obstacle à sa pleine réalisation. Le caractère toujours coercitif de la prison nous questionne à savoir si la période d’incarcération peut vraiment constituer un « moment privilégié » de responsabilisation du détenu face à sa santé.

Les connaissances morphologiques d’élèves dyslexiques du primaire

En raison de leur déficit phonologique leur causant d’importantes difficultés en lecture, les élèves dyslexiques sont particulièrement à risque d’échec scolaire. Des études récentes ont montré que l’information véhiculée par les unités morphologiques contenue dans les mots en permettrait la reconnaissance, en plus d’en faciliter l’accès au sens. L’objectif de cette étude est d’évaluer les connaissances morphologiques d’élèves dyslexiques francophones de niveau primaire. Nous avons administré trois tâches servant à évaluer les connaissances morphologiques dérivationnelles en lien avec les règles de formation des mots à un groupe d’élèves dyslexiques (n=54) et deux groupes contrôles, soit un groupe d’élèves du même âge chronologique (n=46) et un groupe d’élèves de même niveau de lecture (n=88). Nous avons hiérarchisé ces trois tâches en fonction d’un continuum basé sur les opérations mentales sollicitées. Nos résultats montrent que les trois groupes d’élèves ont tous tiré profit des unités morphologiques pour réussir ces trois tâches et que le niveau de réussite va de pair avec le caractère explicite de ces tâches.

Räumliche Modellierung der Dynamik von Landnutzung in Hessen und ihrer Wirkung auf die biologische Kohlenstoffspeicherung - Entwicklung eines GIS-basierten Modellsystems

Die gegenwärtige Entwicklung der internationalen Klimapolitik verlangt von Deutschland eine Reduktion seiner Treibhausgasemissionen. Wichtigstes Treibhausgas ist Kohlendioxid, das durch die Verbrennung fossiler Energieträger in die Atmosphäre freigesetzt wird. Die Reduktionsziele können prinzipiell durch eine Verminderung der Emissionen sowie durch die Schaffung von Kohlenstoffsenken erreicht werden. Senken beschreiben dabei die biologische Speicherung von Kohlenstoff in Böden und Wäldern. Eine wichtige Einflussgröße auf diese Prozesse stellt die räumliche Dynamik der Landnutzung einer Region dar. In dieser Arbeit wird das Modellsystem HILLS entwickelt und zur Simulation dieser komplexen Wirkbeziehungen im Bundesland Hessen genutzt. Ziel ist es, mit HILLS über eine Analyse des aktuellen Zustands hinaus auch Szenarien über Wege der zukünftigen regionalen Entwicklung von Landnutzung und ihrer Wirkung auf den Kohlenstoffhaushalt bis 2020 zu untersuchen. Für die Abbildung der räumlichen und zeitlichen Dynamik von Landnutzung in Hessen wird das Modell LUCHesse entwickelt. Seine Aufgabe ist die Simulation der relevanten Prozesse auf einem 1 km2 Raster, wobei die Raten der Änderung exogen als Flächentrends auf Ebene der hessischen Landkreise vorgegeben werden. LUCHesse besteht aus Teilmodellen für die Prozesse: (A) Ausbreitung von Siedlungs- und Gewerbefläche, (B) Strukturwandel im Agrarsektor sowie (C) Neuanlage von Waldflächen (Aufforstung). Jedes Teilmodell umfasst Methoden zur Bewertung der Standorteignung der Rasterzellen für unterschiedliche Landnutzungsklassen und zur Zuordnung der Trendvorgaben zu solchen Rasterzellen, die jeweils am besten für eine Landnutzungsklasse geeignet sind. Eine Validierung der Teilmodelle erfolgt anhand von statistischen Daten für den Zeitraum von 1990 bis 2000. Als Ergebnis eines Simulationslaufs werden für diskrete Zeitschritte digitale Karten der Landnutzugsverteilung in Hessen erzeugt. Zur Simulation der Kohlenstoffspeicherung wird eine modifizierte Version des Ökosystemmodells Century entwickelt (GIS-Century). Sie erlaubt einen gesteuerten Simulationslauf in Jahresschritten und unterstützt die Integration des Modells als Komponente in das HILLS Modellsystem. Es werden verschiedene Anwendungsschemata für GIS-Century entwickelt, mit denen die Wirkung der Stilllegung von Ackerflächen, der Aufforstung sowie der Bewirtschaftung bereits bestehender Wälder auf die Kohlenstoffspeicherung untersucht werden kann. Eine Validierung des Modells und der Anwendungsschemata erfolgt anhand von Feld- und Literaturdaten. HILLS implementiert eine sequentielle Kopplung von LUCHesse mit GIS-Century. Die räumliche Kopplung geschieht dabei auf dem 1 km2 Raster, die zeitliche Kopplung über die Einführung eines Landnutzungsvektors, der die Beschreibung der Landnutzungsänderung einer Rasterzelle während des Simulationszeitraums enthält. Außerdem integriert HILLS beide Modelle über ein dienste- und datenbankorientiertes Konzept in ein Geografisches Informationssystem (GIS). Auf diesem Wege können die GIS-Funktionen zur räumlichen Datenhaltung und Datenverarbeitung genutzt werden. Als Anwendung des Modellsystems wird ein Referenzszenario für Hessen mit dem Zeithorizont 2020 berechnet. Das Szenario setzt im Agrarsektor eine Umsetzung der AGENDA 2000 Politik voraus, die in großem Maße zu Stilllegung von Ackerflächen führt, während für den Bereich Siedlung und Gewerbe sowie Aufforstung die aktuellen Trends der Flächenausdehnung fortgeschrieben werden. Mit HILLS ist es nun möglich, die Wirkung dieser Landnutzungsänderungen auf die biologische Kohlenstoffspeicherung zu quantifizieren. Während die Ausdehnung von Siedlungsflächen als Kohlenstoffquelle identifiziert werden kann (37 kt C/a), findet sich die wichtigste Senke in der Bewirtschaftung bestehender Waldflächen (794 kt C/a). Weiterhin führen die Stilllegung von Ackerfläche (26 kt C/a) sowie Aufforstung (29 kt C/a) zu einer zusätzlichen Speicherung von Kohlenstoff. Für die Kohlenstoffspeicherung in Böden zeigen die Simulationsexperimente sehr klar, dass diese Senke nur von beschränkter Dauer ist.

Accurate Hartree-Fock-Slater calculations on small diatomic molecules with the finite-element method

We report on the self-consistent field solution of the Hartree-Fock-Slater equations using the finite-element method for the three small diatomic molecules N_2, BH and CO as examples. The quality of the results is not only better by two orders of magnitude than the fully numerical finite difference method of Laaksonen et al. but the method also requires a smaller number of grid points.

Entwicklung und Anwendung einer Kraftwerks- und Speichereinsatzoptimierung für die Untersuchung von Energieversorgungsszenarien mit hohem Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland

In dieser Arbeit wurde ein gemischt-ganzzahliges lineares Einsatzoptimierungsmodell für Kraftwerke und Speicher aufgebaut und für die Untersuchung der Energieversorgung Deutschlands im Jahre 2050 gemäß den Leitstudie-Szenarien 2050 A und 2050 C ([Nitsch und Andere, 2012]) verwendet, in denen erneuerbare Energien einen Anteil von über 85 % an der Stromerzeugung haben und die Wind- und Solarenergie starke Schwankungen der durch steuerbare Kraftwerke und Speicher zu deckenden residualen Stromnachfrage (Residuallast) verursachen. In Szenario 2050 A sind 67 TWh Wasserstoff, die elektrolytisch aus erneuerbarem Strom zu erzeugen sind, für den Verkehr vorgesehen. In Szenario 2050 C ist kein Wasserstoff für den Verkehr vorgesehen und die effizientere Elektromobilität hat einen Anteil von 100% am Individualverkehr. Daher wird weniger erneuerbarer Strom zur Erreichung desselben erneuerbaren Anteils im Verkehrssektor benötigt. Da desweiteren Elektrofahrzeuge Lastmanagementpotentiale bieten, weisen die Residuallasten der Szenarien eine unterschiedliche zeitliche Charakteristik und Jahressumme auf. Der Schwerpunkt der Betrachtung lag auf der Ermittlung der Auslastung und Fahrweise des in den Szenarien unterstellten ’Kraftwerks’-parks bestehend aus Kraftwerken zur reinen Stromerzeugung, Kraft-Wärme-Kopplungskraftwerken, die mit Wärmespeichern, elektrischen Heizstäben und Gas-Backupkesseln ausgestattet sind, Stromspeichern und Wärmepumpen, die durch Wärmespeicher zum Lastmanagment eingesetzt werden können. Der Fahrplan dieser Komponenten wurde auf minimale variable Gesamtkosten der Strom- und Wärmeerzeugung über einen Planungshorizont von jeweils vier Tagen hin optimiert. Das Optimierungsproblem wurde mit dem linearen Branch-and-Cut-Solver der software CPLEX gelöst. Mittels sogenannter rollierender Planung wurde durch Zusammensetzen der Planungsergebnisse für überlappende Planungsperioden der Kraftwerks- und Speichereinsatz für die kompletten Szenariojahre erhalten. Es wurde gezeigt, dass der KWK-Anteil an der Wärmelastdeckung gering ist. Dies wurde begründet durch die zeitliche Struktur der Stromresiduallast, die wärmeseitige Dimensionierung der Anlagen und die Tatsache, dass nur eine kurzfristige Speicherung von Wärme vorgesehen war. Die wärmeseitige Dimensionierung der KWK stellte eine Begrenzung des Deckungsanteils dar, da im Winter bei hoher Stromresiduallast nur wenig freie Leistung zur Beladung der Speicher zur Verfügung stand. In den Berechnungen für das Szenario 2050 A und C lag der mittlere Deckungsanteil der KWK an der Wärmenachfrage von ca. 100 TWh_th bei 40 bzw. 60 %, obwohl die Auslegung der KWK einen theoretischen Anteil von über 97 % an der Wärmelastdeckung erlaubt hätte, gäbe es die Beschränkungen durch die Stromseite nicht. Desweiteren wurde die CO2-Vermeidungswirkung der KWK-Wärmespeicher und des Lastmanagements mit Wärmepumpen untersucht. In Szenario 2050 A ergab sich keine signifikante CO2-Vermeidungswirkung der KWK-Wärmespeicher, in Szenario 2050 C hingegen ergab sich eine geringe aber signifikante CO2-Einsparung in Höhe von 1,6 % der Gesamtemissionen der Stromerzeugung und KWK-gebundenen Wärmeversorgung. Das Lastmanagement mit Wärmepumpen vermied Emissionen von 110 Tausend Tonnen CO2 (0,4 % der Gesamtemissionen) in Szenario A und 213 Tausend Tonnen in Szenario C (0,8 % der Gesamtemissionen). Es wurden darüber hinaus Betrachtungen zur Konkurrenz zwischen solarthermischer Nahwärme und KWK bei Einspeisung in dieselben Wärmenetze vorgenommen. Eine weitere Einschränkung der KWK-Erzeugung durch den Einspeisevorrang der Solarthermie wurde festgestellt. Ferner wurde eine untere Grenze von 6,5 bzw. 8,8 TWh_th für die in den Szenarien mindestens benötigte Wasserstoff-Speicherkapazität ermittelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, das technisch-ökonomische Potential von Langzeitwärmespeichern für eine bessere Integration von KWK ins System zu ermitteln bzw. generell nach geeigneteren Wärmesektorszenarien zu suchen, da deutlich wurde, dass für die öffentliche Wärmeversorgung die KWK in Kombination mit Kurzzeitwärmespeicherung, Gaskesseln und elektrischen Heizern keine sehr effektive CO2 -Reduktion in den Szenarien erreicht. Es sollte dabei z.B. untersucht werden, ob ein multivalentes System aus KWK, Wärmespeichern und Wärmepumpen eine ökonomisch darstellbare Alternative sein könnte und im Anschluss eine Betrachtung der optimalen Anteile von KWK, Wärmepumpen und Solarthermie im Wärmemarkt vorgenommen werden.

Task-Level Robot Learning

We are investigating how to program robots so that they learn from experience. Our goal is to develop principled methods of learning that can improve a robot's performance of a wide range of dynamic tasks. We have developed task-level learning that successfully improves a robot's performance of two complex tasks, ball-throwing and juggling. With task- level learning, a robot practices a task, monitors its own performance, and uses that experience to adjust its task-level commands. This learning method serves to complement other approaches, such as model calibration, for improving robot performance.