Leibniz University Hannover
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Handwerk 4.0 – Innovationen für die Praxis
No full textDieser Abschlussband bündelt die Ergebnisse von Forschungsprojekten zur digitalen Transformation des Handwerks aus der Förderlinie „Handwerk 4.0: digital und innovativ“. Im Fokus stehen praxisnahe Entwicklungen aus den Bereichen Künstliche Intelligenz, Robotik, Augmented Reality, 3D-Druck, Internet of Things, Cloud-Integration und ergonomische Assistenzsysteme. Die Projekte zeigen, wie digitale Technologien Arbeitsprozesse effizienter gestalten, neue Geschäftsmodelle ermöglichen und die Attraktivität handwerklicher Berufe stärken können. Neben technischen Lösungen werden auch Erfahrungen aus der Zusammenarbeit zwischen Forschung, IT-Dienstleistenden und Handwerksbetrieben sichtbar. Der Band dokumentiert Innovationen, Erkenntnisse und Zukunftsperspektiven einer zunehmend vernetzten Handwerkswelt
Mechanistic in-silico characterization of antiviral PROTACs
No full textAls Proteolyse-targeting Chimeras (PROTACs) bezeichnet man heterobifunktionale Moleküle, die das Zielprotein proteasomal abbauen. Trotz mehrerer therapeutisch vielversprechender PROTACs sind deren pharmakokinetische (PK) Eigenschaften bislang nur unzureichend verstanden. Dies liegt unter anderem an der begrenzten Übertragbarkeit der für niedermolekulare Verbindungen entwickelten in-vitro Analyse-Methoden, sowie an der noch nicht entschlüsselten Rolle der Linker-Strukturen im Hinblick auf die PK. Darüber hinaus ist die translationale Strategie für PROTACs auf die Onkologie zugeschnitten, da PROTACs dort überwiegend eingesetzt wurden. Mit der zunehmenden Verbreitung dieser Technologie für andere Indikationen, einschließlich Infektionskrankheiten, wächst der Bedarf, das bestehende translationale Konzept anzupassen und zu erweitern, um die PROTAC-Entwicklung voranzutreiben.
Diese Arbeit charakterisiert die PK-Eigenschaften antiviraler PROTACs. Korrelationen zwischen ihrem PK-Verhalten und physikochemischen oder in-vitro ADME-Eigenschaften, sowie den Eigenschaften der zugrundeliegenden niedermolekularen Verbindungen wurden untersucht. Mittels Physiologie-basierten Pharmakokinetik (PBPK)-Modellen wurden diese substanzspezifischen Parameter integriert, um intravenöse PK-Profile von PROTACs vorherzusagen. Dabei zeigte sich jedoch eine systematische Unterschätzung des Verteilungsverhaltens. Die Hauptursache für die beobachteten Abweichungen blieb unbekannt, was auf eine Erkenntnislücke bei PBPK-Simulationen für PROTACs hinweist.
Zudem wurde ein mechanistisches pharmakodynamischen (PD) Modell weiterentwickelt, um den antiviralen Effekt von PROTACs vorherzusagen, sowie die Bildung einer reversiblen oder irreversiblen kovalenten Bindung zwischen PROTAC und dem Zielprotein einzuschließen. Dadurch wurden PROTACs mit unterschiedlichen Bindungsmodalitäten verglichen, um den Einfluss von Kovalenz auf die Bindungskinetik, den Proteinabbau und die antivirale Wirkung zu studieren. Das Modell wurde unter Verwendung der in-vitro und in-vivo Aktivitätsdaten des PROTACs BT153, das gegen SARS-CoV-2 Mpro gerichtet ist, validiert. Durch Verknüpfung des PK/PD-Modells mit einem Virusdynamik-Modell wurde die Reduktion der Viruslast nach BT153-Behandlung in vivo reproduziert. Zusätzlich wurden potenzielle Fallstricke für Dateninterpretation bei der Verwendung eines transfizierten Systems zur Degradationsprofilierung in der antiviralen PROTAC-Forschung analysiert.
Insgesamt etabliert diese Arbeit ein einheitliches Modellierungs-Framework, das die molekulare Bindungskinetik, Pharmakokinetik und antivirale Wirkung von PROTACs miteinander verknüpft. Dies ermöglicht und unterstützt durch in-silico Vorhersagen der antiviralen Wirksamkeit die Bewertung der Wirkung in vitro und in vivo im Hinblick auf die Planung präklinischer Studien. Abschließend wurde dieses Modellierungs-Framework in R implementiert, wodurch eine flexible Anpassung ermöglicht wird, um breitere Anwendungen in der antiviralen PROTAC-Entwicklung zu unterstützen.Proteolysis-targeting chimeras (PROTACs) are a class of heterobifunctional molecules that induce selective degradation of the target protein by hijacking the proteasome ubiquitination system. Despite several successful cases of PROTACs demonstrating therapeutic potentials, their pharmacokinetic (PK) profiles remain poorly understood, partly due to the limited applicability of in vitro screening methods designed for small molecules, and the unpredictable influence of their linker structures. Furthermore, the application of PROTACs has by far been largely confined to oncology, where translational strategies have only recently been established and remain tailored to this therapeutic area. In contrast, the development of PROTACs for other indications, including infectious diseases, remains in its early stages. As the use of this technology expands, there is a growing need to adapt and expand the existing translational framework to support PROTAC development.
This thesis presents a comprehensive characterization of the PK properties of antiviral PROTACs. Potential correlations between their PK behaviors and physicochemical properties, in vitro ADME characteristics, and those of their parent small molecule compounds were investigated. A physiologically based pharmacokinetic (PBPK) modelling approach was employed to integrate these compound-dependent parameters to predict intravenous PK profiles of PROTACs, resulting in a systematic under-prediction of their in vivo distributions. The primary cause of the observed discrepancies remained unknown, revealing a translation gap in PBPK simulations for PROTACs.
On the pharmacodynamic (PD) side, a mechanistic model was developed to predict antiviral effect for PROTACs, and was extended to incorporate both reversible and irreversible covalent binding to the target protein. This allows for a systematic comparison of PROTACs with different binding modalities, elucidating the impact of covalency on ternary complex formation, degradation, and antiviral efficiency. Model validation was carried out using an antiviral PROTAC BT153, which targets SARS-CoV-2 Mpro, with experimental data from both in vitro and in vivo efficacy studies. By linking the constructed PK/PD model to a viral dynamics model, the observed reduction in viral load following BT153 treatment was successfully reproduced, demonstrating the translational utility of this framework. Additionally, this thesis examined potential translational pitfalls associated with using transfected systems for degradation profiling, providing insights to guide study design and data interpretation in antiviral PROTAC research.
Collectively, this work establishes a unified modelling framework linking molecular binding kinetics, PROTAC in vivo disposition, and antiviral outcomes together. It offers valuable predictive insights into antiviral efficacy, supporting the evaluation and extrapolation of efficacy results, as well as preclinical study design. Finally, this modelling framework was implemented in R, allowing for flexible adaptation, thereby supporting broader applications in antiviral PROTAC development
Quantum Coherence and Correlated Transport in Quantum Dot Systems
No full textThe present thesis studies the electrical transport of two distinct quantum dot systems, providing insights into many-particle correlations, quantum dissipation and spin relaxation.
The first part examines the third shell of a gate-defined single quantum dot formed in a two-dimensional electron gas within a GaAs/AlGaAs heterostructure. A quantum point contact, capacitively coupled to the quantum dot, serves as a sensitive charge detector to determine the exact number of electrons occupying the quantum dot. The addition energy of electrons in the third shell shows a triangular evolution with a maximum at half-filling, exceeding its value for shell transitions. This trend is described analytically with Hund’s rule exchange correlations. Zero-bias anomalies (ZBAs) are observed across all shell fillings, displaying similar trend, reflecting particle-hole symmetry of three degenerate orbitals with spin degeneracy. The unexpectedly broad ZBAs widths arise not only from the Kondo resonance but also from the contribution of excited Hund multiplets. The broad ZBA and, interestingly, the apparent addition energy both decrease with increasing temperature.
The second part investigates asymmetrically coupled InAs double quantum dots in a GaAs/AlAs heterostructure. A strong temperature dependence is observed in both the coherent tunneling peaks and the background current. It is attributed to quantum dissipation from two different
bosonic baths, originating from substrate phonons. The extracted system parameters are used to determine the charge qubit dephasing time. Under an applied magnetic field, the resonant peaks split into two, with one peak fading at lowtemperatures due to a spin-dependent blockade. This blockade is lifted by spin flips. For the upper channel, the spin flips occur via thermal excitaion and thus are suppressed at low temperature. The spin-flip rate is directly determined from the measured current, providing insights into the spin relaxation mechanism
On the validation of aeroelastic simulations of wind turbines using digital image correlation
No full textThe modern development of wind turbines (WT) is driving a consistent growth in rotor size. With longer rotor blades, the need for accurate validation of aeroelastic simulations becomes more significant. This thesis provides a validation of aeroelastic simulations of WTs through a comparison with field measurements.
The focus is on rotor blade deformation and torsion, as these values gain significance with the structural evolution of rotor blades. These can be measured by optical measurement techniques, such as Digital Image Correlation (DIC). Since DIC is highly dependent on weather conditions, the availability of measurements over a long period of time is limited. The question is, whether DIC can be used to validate aeroelastic simulations of WTs.
A short introduction to all relevant fields of interest, such as basics of WTs, lidar measurements, aeroelastic models and their validation, as well as DIC and other relevant rotor blade deformation measurement techniques is given. Afterwards, a measurement setup is defined to evaluate the potential of DIC.
A measurement campaign was carried out during January 2019 at the National Wind Technology Center (NWTC) of the National Renewable Energy Laboratory (NREL), in Boulder, Colorado. A 600 kW WT was equipped with rotor blades, developed, and manufactured within the SmartBlades2 research consortium. These blades were intensively equipped with instrumentation. In addition to this, a SpinnerLidar was installed on top of the turbine, to capture the incoming wind field with high resolution. The high-resolution measurement of rotor blade deformation and torsion using DIC, combined with the spatially and temporally detailed capture of the incoming wind field via SpinnerLidar, represents a unique approach. In summary, 13 measurement series are evaluated, covering a total measurement duration of 45.3 min on four different days.
Based on this setup, DIC measurements are verified through comparative measurements. This marks the first time that DIC is verified for field application on WTs.
An aeroelastic simulation model is established using OpenFAST. To enable a validation based on DIC measurements in the range of minutes, the simulations must closely replicate real-world conditions. Thus, a method is developed to directly feed in as much wind measurement data as possible. This feed-in method is verified with comparative wind measurement techniques in the field.
The simulation model and the feed-in method are used to conduct transient post-test simulations of the measurement series that are evaluated with DIC. A validation of the WT behavior as well as the rotor blade deformation and torsion is carried out and evaluated. In the end, suggestions for improvements are given to further develop the already high potential of DIC for the future development of WTs.Die moderne Entwicklung von Windenergieanlagen (WEA) führt zu einem stetigen Wachstum der Rotorgröße. Mit der Länge der Rotorblätter wächst auch die Notwendigkeit einer genauen Validierung aeroelastischer Simulationen. Diese Arbeit handelt von der Validierung aeroelastischer Simulationen von WEAs mittels Feldmessungen.
Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Rotorblattverformung und -torsion, da diese Größen mit der strukturellen Entwicklung der Rotorblätter an Bedeutung gewinnen. Diese können mit optischen Messverfahren, wie der Digital Image Correlation (DIC), gemessen werden. Da DIC stark wetterabhängig ist, ist die Verfügbarkeit von Messungen über einen langen Zeitraum hinweg begrenzt. Es stellt sich die Frage, ob DIC dennoch für die Validierung von aeroelastischen Simulationen von WEAs verwendet werden kann.
Nach einer Einführung in alle relevanten Bereiche, wie die Grundlagen von WEAs, Lidar-Messungen, aeroelastische Modelle und deren Validierung, sowie DIC und andere relevante Rotorblattverformungsmessverfahren, wird ein Messaufbau definiert, um das Potential von DIC zu bewerten.
Eine Messkampagne wurde im Januar 2019 am National Wind Technology Center (NWTC) des National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Boulder, Colorado, durchgeführt. Eine 600 kW WEA wurde mit Rotorblättern ausgestattet, die im Rahmen des Forschungskonsortiums SmartBlades2 entwickelt und hergestellt wurden. Diese Blätter wurden intensiv mit Messtechnik ausgestattet. Zusätzlich wurde ein SpinnerLidar auf der Turbine installiert, um das einströmende Windfeld mit hoher Auflösung zu erfassen. Die hochauflösende Messung der Rotorblattverformung und -torsion mittels DIC, kombiniert mit der räumlich und zeitlich hochauflösenden Erfassung des Windfeldes mittels SpinnerLidar, stellt einen einzigartigen Ansatz dar. Insgesamt werden 13 Messreihen ausgewertet, die eine Gesamtmessdauer von 45,3 Minuten an vier verschiedenen Tagen umfassen.
Auf der Grundlage dieses Aufbaus werden die DIC-Messungen durch Vergleichsmesstechnik verifiziert. Dies ist das erste Mal, dass DIC im Feld an WEAs verifiziert wird.
Ein aeroelastisches Simulationsmodell der WEA wird mit OpenFAST erstellt. Um eine Validierung auf der Grundlage von DIC-Messungen im Minutenbereich zu ermöglichen, müssen die Simulationen die realen Bedingungen genau nachbilden. Daher wird eine Methode entwickelt, um so viele Windmessdaten wie möglich direkt einzuspeisen. Diese Einspeisemethode wird mit Vergleichsmesstechnik im Feld verifiziert.
Das Simulationsmodell und die Einspeisemethode werden zur Durchführung instationärer Post-Test-Simulationen der Messreihen verwendet. Es wird eine Validierung des WEA-Verhaltens sowie der Rotorblattverformung und -torsion durchgeführt und bewertet. Abschließend werden Verbesserungsvorschläge erarbeitet, um das bereits hohe Potential von DIC für die zukünftige Entwicklung von WEAs weiter auszubauen
Wie sich lokale Demokratie verändert – und warum sie gerade jetzt unverzichtbar ist
No full textIm September 2026 sind die Bürgerinnen und Bürger Niedersachsens wieder dazu aufgerufen, ihre Stimmen bei den Kommunalwahlen abzugeben. Gut 29.000 Ratsmitglieder sowie über 250 Hauptverwaltungsbeamtinnen und -beamte müssen neu gewählt werden. Doch bei der Wahl geht es um mehr als nur die Namen auf den Stimmzetteln. Die Entscheidungen, die auf kommunaler Ebene getroffen werden, haben oft einen direkteren Einfluss auf das tägliche Leben der Menschen als so mancher Gesetzesentwurf auf Bundes- oder Landesebene. Gleichzeitig können Bürgerinnen und Bürger hier besonders einfach mit Politikerinnen und Politikern in Kontakt treten und an Entscheidungsprozessen mitwirken. Kommunale Demokratie macht Politik für viele Menschen greifbar und erlebbar. Schon allein deshalb ist kommunalpolitisches Engagement für eine gesunde Demokratie elementar. Doch auch angesichts der vielfältigen Herausforderungen, vor denen unser Land derzeit steht, kommt der lokalen Demokratie eine besondere Rolle zu – und macht sie gerade jetzt unverzichtbar.
[Ungekürzter Text – Aufgrund eines Setzfehlers wurde im Original nicht der vollständige Beitrag abgedruckt
Mechanisms and Additive Effects in the Early Stages of Calcium Phosphate Nucleation
No full textCalcium phosphates are present in numerous geological, industrial and biological settings, making up the majority of our bone’s inorganic content; however, their formation and transformation pathways are not fully understood. In this work, state-of-the-art potentiometric titration methods were developed, shown to be critical in understanding this system and in avoiding premature phase separation. The initial ion association, or pairing, between Ca2+ ions and the three phosphate ions (H2PO4, HPO42- and PO43-) was quantitatively evaluated; it could be shown that the Ca2+ - PO43- interaction is two orders of magnitude weaker than previously assumed, and actually becomes negligible below a pH around 9. The changed ion pair speciation means that [CaHPO4]0 is dominant between pH 6-10 and likely plays a key role in the formation of calcium phosphate clusters and early phase separation. Investigation of the following stages in the titration reveals a strong pH dependence. At low pH, nucleation directly forms a crystalline phase, while intermediate phases become more prevalent as pH increases – up to three distinct precursor phases are present. Further it could be shown that
several of these intermediates likely correspond to unique amorphous calcium phosphates; at high pH it was also found that such phases could be stable in aqueous media on the timescale of days. Indeed the nucleation event itself, at least at pH 9.8, was plausibly shown to be a liquid-liquid phase separation; the binodal for this process was also determined. Remarkably the miscibility gap was seen to be based on PO43-, resulting in a tricalcium phosphate like composition. The interplay between thermodynamic and kinetic influences on the nucleation was also studied in the range containing the physiological pH 7.4. A counter-intuitive effect was observed, where slower addition produced a thermodynamically less stable product, dicalcium phosphate dihydrate, whereas fast addition produced a more stable product, poorly crystalline hydroxyapatite. Interestingly, at addition rates between the extremes, a mixed product containing both phases was recovered. Finally, multiple biologically and industrially relevant additives were screened, including poly-amino acid model systems similar to proteins involved in crystal formation. A range from no effects, to influence along all stages of the nucleation pathway was seen. The results presented in this work are of direct interest to a wide range of communities from bio-mineralisation, to geology and industrial areas, pproviding insight into the solution chemistry and nucleation behaviour of calcium phosphates
Hybrid quantum sensing using an optomechanical resonator coupled atom interferometer
No full textQuantum sensing using atom interferometry possesses immense potential for application in gravimetry, inertial navigation and for gravitational wave detection, apart from carrying out tests of fundamental physics. Atom interferometry can be used to perform absolute inertial measurements with unprecedented long term stability, unlike classical sensors which are prone to drift and incur calibration errors. However, atom interferometers seldom achieve their fundamental sensitivity due to the coupling of ambient vibrations. It is the dominant noise source that not only impairs performance but also affects its operability. Ideal compensation of the effects due to vibration noise using a versatile accelerometer, while concurrently enabling miniaturized atom interferometer setups has not been pioneered. Such a compact hybrid quantum sensor will enable reliable operation with an enhanced performance in field applications, paving the way for robust atom interferometry beyond laboratory conditions. A novel optomechanical resonator has been designed, developed and successfully hybridized with an atom interferometer to suppress the effects of vibration noise, and the results are presented in this thesis. The optomechanical resonator’s inertial test mass is simultaneously
used to create a continuous intracavity optical lattice to sense its displacement, and a pulsed optical lattice to manipulate the atoms. For the first time, a broadband accelerometer is seamlessly hybridized with an atom interferometer via mechanical resonator mediated coupling of the optical lattices to measure acceleration. This enables elimination of vibration induced measurement ambiguity in our atom interferometer with a well defined mechanical transfer function. Vibration noise correlation is demonstrated up to our prototype atom interferometer’s most sensitive operating mode of T = 6 ms using double Bragg diffraction, ultimately limited by its technical noise. The optomechanical resonator measures acceleration with a sensitivity down to 1.1×10−6 ms−2/
√Hz corresponding to a displacement sensitivity of 8.6 × 10−15 m/ √Hz. Substantial 1/f noise suppression due to the developed optical readout scheme enables a measurement bandwidth spanning from sub-hertz frequencies up to several kilohertz. Multiple versions of the optomechanical resonator with different characteristics were developed and hybridized with our atom interferometer. This paves the way for developing tailored optomechanical resonators for specific inertial sensing applications
A Meta-Perspective on Usable Security Research Through Advice and Transparency
No full textUsable security research emerged about 30 years ago and is now an established sub-discipline of security and privacy (SP) research. The field made many contributions in that time, but many challenges remain in real-world applications and for practitioners. In this thesis, I reflect on the current state of usable privacy and security (UPS) and its impact from two viewpoints: how we, as researchers, impact practice through advice, and how we, as researchers, impact our research through research reporting transparency.
I contribute four publications to this cumulative dissertation. The first paper investigates usable security advice from online sources for practitioners and uncovers many shortcomings, such as an overload of scattered pieces of advice that might contradict each other or are outdated. If software professionals receive only low-quality and outdated advice, it is not surprising that real-world applications often have poor usable security. In the second paper, I investigate artificial intelligence (AI) assistants as a novel source of advice but find many parallels with other online advice sources. Practitioners frequently use AI assistants without trusting the AI assistants’ security capabilities, but try to scrutinize AI suggestions. Hence, improving AI assistants and their security capabilities should be a major concern.
My third and fourth publications are meta-research in which I investigate transparency in UPS research through interviews and a literature analysis. The results show that researchers appreciate transparency, but current drawbacks and challenges prevent larger efforts because these outweigh incentives. Moreover, there is an implicit community standard that leads to inconsistencies in research reporting and generally leaves room for improving transparency. Transparency is necessary to evaluate publications (e.g., as reviewers) and ensure that other researchers can build on existing research or replicate it.
Based on my insights, I provide recommendations on improving the advice ecosystem and reporting transparency in UPS research. Both can increase the impact of research; on practice through transferring knowledge and advice from academia, and on its own advancement through transparency that facilitates replications, meta-research, and building upon others’ research. Overall, the UPS community should further pursue meta-research to advance itself by critically reflecting and learning from the past.Die Usable-Security-Forschung begann vor rund 30 Jahren und ist heute eine etablierte Teildisziplin der Sicherheits- und Datenschutzforschung. Das Feld hat in dieser Zeit viele Beiträge geleistet, doch bestehen weiterhin zahlreiche Herausforderungen in praktischen Anwendungen und für Fachleute. In dieser Dissertation reflektiere ich den aktuellen Stand von Forschung zu Usable Privacy and Security (UPS) und deren Einfluss aus zwei Blickwinkeln: Wie wir als Forschende die Praxis durch Advice beeinflussen und wie wir unsere eigene Forschung durch Transparenz in der Berichterstattung beeinflussen.
Diese kumulative Dissertation umfasst vier Publikationen. Die erste Arbeit untersucht Sicherheitsempfehlungen für Fachleute aus Online-Quellen und deckt zahlreiche Schwächen auf, etwa eine Überfülle verstreuter Ratschläge, die sich teilweise widersprechen oder veraltet sind. Wenn Software-Professionals lediglich auf qualitativ minderwertige und
veraltete Empfehlungen zurückgreifen können, überrascht es nicht, dass reale Anwendungen oft eine schlechte Usable Security aufweisen. In der zweiten Arbeit befasse ich mich mit KI-Assistenten als neuartige Quelle von Advice. Dabei zeigen sich viele Parallelen zu anderen Online-Quellen: Praktiker nutzen KI-Assistenten häufig, vertrauen deren Sicherheitsfähigkeiten aber nicht und versuchen, die Ergebnisse kritisch zu prüfen. Daher sollte die Verbesserung von KI-Assistenten und ihren Fähigkeiten in Bezug auf Sicherheit eine zentrale Aufgabe sein.
Meine dritte und vierte Publikation sind Meta-Forschung, in denen ich die Transparenz in der UPS-Forschung anhand von Interviews und einer Literaturanalyse untersuche. Die Ergebnisse zeigen, dass Forschende Transparenz grundsätzlich schätzen, bestehende Nachteile und Herausforderungen jedoch größere Bemühungen verhindern, da erstere die Anreize überwiegen. Zudem existiert ein impliziter Standard unter UPS-Forschenden, der zu Inkonsistenzen in der Forschungsberichterstattung führt und insgesamt Raum für Verbesserungen bei der Transparenz lässt. Transparenz ist notwendig, um Publikationen zu bewerten (z. B. als Gutachter) und sicherzustellen, dass andere Forschende auf bestehender Arbeit aufbauen oder sie replizieren können.
Auf Grundlage meiner Erkenntnisse gebe ich Empfehlungen zur Verbesserung des Beratungssystems und der Berichtstransparenz in der UPS-Forschung. Beides kann den Einfluss der Forschung erhöhen: auf die Praxis, indem Wissen und Empfehlungen aus der Wissenschaft übertragen werden, und auf die eigene Weiterentwicklung, indem Transparenz Replikationen, Meta-Forschung und Anschlussforschung erleichtert. Insgesamt sollte die UPS-Community Meta-Forschung stärker verfolgen, um durch kritische Reflexion und Lernen aus der Vergangenheit die eigene Weiterentwicklung weiter voranzutreiben
Einsatz von nutzerzentrierter und neurosymbolischer K¨unstlicher Intelligenz in Informationssystemen
No full textModern Artificial Intelligence (AI) has emerged as a transformative force within Information Systems (IS), playing an increasingly critical role in modern organizations. This importance is evidenced not only by substantial investments but also by its widespread presence in mainstream applications, such as AI-driven chatbots and AI-enhanced search technologies. As digitalization efforts continue, the advent of cutting-edge technologies, particularly through Large Language Models (LLMs), necessitates ongoing organizational adaptation to maintain competitiveness. These technologies offer considerable opportunities, including enhanced decision-making, improved risk and knowledge management, better strategic alignment, and optimized supply chains with respect to both financial outcomes and sustainability.
Despite these opportunities, current developments resemble the early, unregulated phase of the World Wide Web, commonly referred to as the “wild west”, and are accompanied by substantial disruptions and risks. Established user interaction paradigms are increasingly obsolete, traditional modes of knowledge consumption are shifting, and foundational IS processes must be re-envisioned. In response, this thesis advocates for the integration of user-centered and neuro-symbolic AI approaches that harness AI capabilities while anchoring human expertise at the core of system design. Central to this vision is the use of knowledge-based techniques, particularly Knowledge Graphs (KGs), which semantically interlink information and, when combined with LLMs, substantially enhance knowledge management and organizational insight.
This thesis introduces two novel, user-centered and neuro-symbolic AI approaches that enable the transformation of structured (relational databases) and unstructured (text) organizational data into semantically rich KGs. Given that such data are often underutilized and poorly connected, these approaches facilitate both human and machine interpretability. They support automation, increase efficiency, and provide confidence scores to foster user trust and usability.
Building on these KGs, three AI-driven procurement approaches are proposed to advance data analytics, automation, sustainable sourcing, and information handling—areas typically constrained by manual, time-intensive processes. These include: (1) a digital procurement workspace supporting process automation and analytics, (2) a customizable dashboard framework tailored to diverse user expertise levels, and (3) a system for automated, concurrent negotiations, particularly vital in contexts marked by geopolitical (tariffs and sanctions) or pandemic-inducedsupply chain disruptions. All proposed solutions prioritize user acceptance, usability, and experiential quality while unlocking new potential for efficiency and cost reduction.
Finally, a novel goal-oriented recommendation system is introduced, addressing limitations in traditional recommendation systems that struggle with intent inference. By explicitly capturing user goals, this approach enables stepwise, goal-aligned product recommendations, thereby enhancing the relevance, effectiveness, and user satisfaction of recommendations. Collectively, this thesis contributes a comprehensive collection for embedding user-centered and neuro-symbolic AI into modern IS, demonstrating tangible benefits in data transformation, procurement, and intelligent recommendation systems
Die Entwicklung beruflicher Selbstregulation in der Berufseingangsphase und ihre Wirkung auf das Wohlbefinden von Lehrkräften
No full textIn der vorliegenden Dissertation wird sich mit der beruflichen Selbstregulation von (angehenden) Lehrkräften als einer persönlichen Strategie der Belastungsbewältigung auseinandergesetzt. Im Modell zur professionellen Kompetenz von Lehrkräften von Baumert und Kunter (2006) wird berufliche Selbstregulation neben den Bereichen Professionswissen, Überzeugungen/Werthaltungen und motivationalen Orientierungen als eine Facette der professionellen Handlungskompetenz von Lehrkräften verankert. Beschrieben wird eine adaptive Form der Selbstregulation im Sinne der Fähigkeit, effektiv mit den eigenen Ressourcen zu haushalten (Klusmann 2015). Demnach bringen Lehrkräfte, die zu beruflicher Selbstregulation fähig sind, das zur erfolgreichen Berufsausübung notwendige Maß an beruflichem Engagement auf und sind zugleich in der Lage, sich von beruflichen Belangen zu distanzieren und ihre eigenen Ressourcen zu schonen (Klusmann 2011; Roloff Henoch et al. 2015). Diesem effektiven Umgang mit den eigenen Ressourcen wird eine hohe Bedeutung für eine langfristig erfolgreiche Berufsausübung, und damit sowohl für die Karrieren der einzelnen Lehrkräfte als auch mit Blick auf den langanhaltenden Lehrkräftemangel in Deutschland, zugeschrieben (Klusmann 2011).
Zur Messung der beruflichen Selbstregulation empfehlen Baumert und Kunter den Einsatz von Auszügen des Inventars zur Erfassung arbeitsbezogener Verhaltens- und Erlebensmuster (AVEM) von Schaarschmidt und Fischer (2001a). Dieses Inventar findet sowohl im deutschsprachigen Raum (siehe z. B. Krause 2003b; Schaarschmidt 2005; Hedderich und Hecker 2009; Oesterreich 2015) als auch international (Gençer et al. 2010; Mašková 2023) Verwendung. Es ermöglicht anhand von 66 bzw. 44 Items die clusteranalytische Unterscheidung von vier Typen bzw. Mustern des Umgangs mit beruflichen Anforderungen: Gesundheitsmuster, Schonungsmuster, Risikomuster A und Risikomuster B. Diese Typologie ist für die vorliegende Dissertation von zentraler Bedeutung.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird auf Daten der Studierendenkohorte (Startkohorte 5) des Nationalen Bildungspanels (NEPS, Blossfeld und Roßbach 2019) sowie der Zusatzstudie des Lehramtsstudierenden-Panels (LAP, Schaeper et al. 2023) zurückgegriffen. Dabei kam eine stark gekürzte Version des AVEM-Inventars zum Einsatz, die speziell für die Lehramtsstichprobe entwickelt wurde. Die Kurzskala umfasst 13 Items zu jeweils zwei Subdimensionen des beruflichen Engagements und der Widerstandsfähigkeit gegenüber beruflichen Belastungen.
Das Kurzinstrument wurde mit Unterstützung ausgewählter Expert:innen und unter Zuhilfenahme von Skalenkennwerten aus der COACTIV, der COACTIV-R und der BilWiss-Studie (Baumert et al. 2008; Max-Planck-Institut für Bildungsforschung 2010; Kunter et al. 2016) entwickelt. Bei dem Einsatz galt als fraglich, ob es auf Basis der wenigen Items möglich sei, die bekannte Typologie zu replizieren, die sich in der Vergangenheit als prädiktiv für den Verbleib im Beruf, die Gesundheit und die Qualität der Berufsausübung von Lehrkräften erwiesen hat (z. B. Schaarschmidt et al. 2000; Schaarschmidt 2005; Klusmann et al. 2008; Roloff Henoch et al. 2015). Ziel der vorliegenden Dissertation ist es daher einerseits, die Kurzskala eingehend zu überprüfen, wobei neben der Untersuchung der faktoriellen Struktur und internen Konsistenz insbesondere die Reproduktion der bekannten AVEM- bzw. Selbstregulationsmuster im Fokus steht (Beitrag 1). Andererseits wird die ermittelte Selbstregulationstypologie anhand der Phase des Übergangs vom Lehramtsreferendariat in den Beruf auf zeitliche Stabilität getestet (Beitrag 2) und gemeinsam mit dem Schulleitungshandeln hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Wohlbefinden und die Gesundheit von Lehrkräften geprüft (Beitrag 3). In den Beiträgen wird die berufliche Selbstregulation theoretisch in verschiedene Modelle der Gesundheits- und Belastungsforschung eingebettet. Hierbei wird insbesondere auf Ressourcentheorien zur Erklärung von Stress am Arbeitsplatz zurückgegriffen. Die Beiträge beleuchten, wie Selbstregulation als Strategie der Stressbewältigung fungiert und welche Rolle sie im Kontext der Gesundheit und des (beruflichen) Wohlbefindens von Lehrkräften spielt.
Mit diesem Vorhaben leistet die vorliegende Dissertation wichtige Beiträge für Wissenschaft und Praxis. Durch die Überprüfung und Validierung einer Kurzskala zur Erfassung beruflicher Selbstregulation wird ein neues, zeitökonomisches Instrument bereitgestellt, das in zukünftigen quantitativen Studien zur Analyse der Belastung und Beanspruchung von Lehrkräften sowie ihren individuellen Bewältigungsstrategien eingesetzt werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass viele Lehrkräfte bereits im Referendariat risikobehaftete Selbstregulationsmuster aufweisen und sich der Anteil mit dem Übergang in den Beruf nur geringfügig reduziert. Dies deutet auf einen Bedarf an gezielten Interventionen wie Resilienz- und Achtsamkeitstrainings hin.
Neben den individuellen Voraussetzungen wird auch die Bedeutung des beruflichen Umfelds in den ersten Berufsjahren von Lehrkräften beleuchtet. So wird im dritten Beitrag der transformationale Führungsstil der Schulleitung als zentrale Ressource für ihr berufliches Wohlbefinden und die Gesundheit betrachtet. Hierbei zeigt sich, dass der Zusammenhang zwischen dem Führungsstil und den Outcomes nicht signifikant durch die vier Selbstregulationsmuster beeinflusst wird. Es lässt sich schlussfolgern, dass Lehrkräfte ungeachtet ihrer beruflichen Selbstregulation von transformationaler Führung profitieren, wobei die Schulleitung jedoch nicht in der Lage ist, die ungünstigen Voraussetzungen jener Personen zu kompensieren, deren Selbstregulationsmuster als risikobehaftet eingestuft werden.
Die Beiträge der kumulativen Dissertation bekräftigen die Bedeutsamkeit beruflicher Selbstregulation für das Wohlbefinden und die Gesundheit von Lehrkräften und legen damit die Notwendigkeit stärkerer Gesundheitsprävention und fürsorge nahe. Mögliche präventive Maßnahmen können sich neben der Stärkung der Selbstregulation von Lehrkräften auch auf die Gestaltung eines förderlichen beruflichen Umfelds erstrecken. Ein Beispiel für eine aus diesem Kontext relevante Personengruppe ist die Schulleitung, deren Führungsverhalten sich im letzten Beitrag dieser Dissertation als wichtige Stütze für Lehrkräfte erwiesen hat und sie folglich in der langfristig erfolgreichen Ausübung ihrer Arbeit unterstützen kann. Angesichts des anhaltenden Lehrkräftemangels in Deutschland und der zentralen Bedeutung der Lehrkräfte für die Ausbildung nachfolgender Generationen ist es von großer Relevanz, Strategien zu identifizieren und zu erproben, die die Attraktivität des Lehrkraftberufs erhöhen und die langfristige Gesundheit der berufstätigen Lehrkräfte sichern kann.This dissertation explores the occupational self-regulation of (prospective) teachers as a personal strategy for coping with workplace demands. In Baumert and Kunter’s (2006) model of teachers’ professional competence, occupational self-regulation is embedded as a facet of teachers’ professional competencies alongside professional knowledge, beliefs/values, and motivational orientations. The dissertation describes an adaptive form of self-regulation, defined as the capacity to effectively manage one’s own resources in an occupational setting (Klusmann 2015). Accordingly, teachers proficient in occupational self-regulation exhibit the necessary level of professional commitment for successful professional practice while maintaining the ability to detach from work-related matters to conserve their personal resources (Klusmann 2011; Roloff Henoch et al. 2015). This effective resource management is deemed critical for long-term professional success, and thus to both individual teacher careers and in addressing the persistent teacher shortage in Germany (Klusmann 2011).
For measuring occupational self-regulation, Baumert and Kunter recommend the use of subdimensions of the Occupational Stress and Coping Inventory (AVEM) developed by Schaarschmidt and Fischer (2001a). This inventory is used both in German-speaking countries (see e.g., Krause 2003b; Schaarschmidt 2005; Hedderich and Hecker 2009; Oesterreich 2015) and internationally (Gençer et al. 2010; Mašková 2023). Employing 66 or 44 items, it allows the cluster analytic distinction of four types or patterns in handling professional demands: healthy-ambitious pattern H, healthy-unambitious pattern U, excessively ambitious risk pattern A, and resigned risk pattern R. This typology is central to this dissertation.
The data in the context of this study stems from the student cohort (starting cohort 5) of the German National Educational Panel Study (NEPS, Blossfeld and Roßbach 2019) and the add-on study Panel of Teacher Education Students (LAP, Schaeper et al. 2023). A highly condensed version of the AVEM inventory, tailored for the teacher sample, was employed. The short scale comprises 13 items, covering two sub-dimensions of work engagement and resilience to work-related stress respectively.
The short instrument was developed with the support of selected experts and using scale metrics from the COACTIV, COACTIV-R, and BilWiss studies (Baumert et al. 2008; Max Planck Institute for Human Development 2010; Kunter et al. 2016). It was initially considered questionable whether it would be possible to replicate the well-known typology, which has been shown in the past to be predictive of teachers’ job retention, health, and the quality of professional performance (e.g., Schaarschmidt et al. 2000; Schaarschmidt 2005; Klusmann et al. 2008; Roloff Henoch et al. 2015), on the basis of such a limited item set. Thus, the primary goals of this dissertation are to evaluate the psychometric quality of the short scale and to reproduce the known typology (article 1), to test the stability over time of the derived self-regulation typology with focus on the transition from preparatory service to the teaching profession (article 2), and to assess its impacts on teachers’ well-being and health, taking school leadership behavior into consideration (article 3). In the articles, occupational self-regulation is theoretically embedded in various models of research on (teacher) occupational stress, particularly drawing on resource theories to explain workplace stress. The articles shed light on how self-regulation functions as a strategy for stress management and what role it plays in the context of teachers’ health and (occupational) well-being.
This dissertation provides significant contributions to both science and practice. By validating a short scale for measuring occupational self-regulation, a new, time-efficient tool is offered for future quantitative studies on teacher stress and coping strategies. Findings indicate many teachers already exhibit risky self-regulation patterns during their preparatory service. This proportion is only slightly reduced with the transition into the profession, indicating a need for specific interventions like resilience and mindfulness trainings.
In addition to individual prerequisites, the importance of the work environment during the early career years of teachers is examined. In the third article, the transformational leadership style of school leaders is considered as a central resource for occupational well-being and health. It is shown that the relationship between the leadership style and the outcomes is not significantly influenced by the four self-regulation patterns. It can be concluded that teachers benefit from transformational leadership regardless of their occupational self-regulation, although school leaders are not able to fully compensate for the unfavourable conditions of those whose self-regulation patterns are classified as detrimental.
The contributions of this cumulative dissertation confirm the importance of occupational self-regulation for teachers’ well-being and health and recommend the necessity for strengthened health prevention and care. Potential preventive measures could encompass enhancing teachers’ self-regulation and creating a supportive professional environment. School leadership, identified as an invaluable support for teachers, plays a role in sustaining long-term occupational success. Given the persistent teacher shortage in Germany and the vital role teachers play in educating future generations, identifying and testing strategies to enhance the teaching profession’s appeal and ensure the long-term health of practising teachers is critically important