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Mathematics Education in the Digital Age
No full textThis article discusses outcomes from a Summer School for university students in their mathematics teacher training on the topic of Mathematics Education in the Digital Age that took place at the Chair of Mathematics Education at Potsdam University, Germany, in the autumn of 2022. The Summer School was organized by the University of Potsdam in collaboration with Griffith University, Queensland, Australia, and it was partially funded by the German Academic Exchange Service (DAAD) as part of the project UP Network for Sustainable Teacher Education. In this article, we will provide a background for the importance of fostering digital competencies in mathematics teacher training, describe the Summer School concept in detail, evaluate the Summer School, and present ideas on how to modify the concept for future offerings
Arktisches Aerosol - von der Grenzschicht in die Stratosphäre
No full textClimate models struggle with the parameterization of aerosols, because they strongly interact with radiation and clouds. This thesis provides a comprehensive overview of various aerosol measurements for the determination of aerosol properties in the Arctic and changes over the last two decades. For this purpose, the data sets of sun and star photometer were homogenized to analyze the entire course of a year.
Compared to lower latitudes, the Arctic atmosphere is very pristine and has significantly fewer aerosol sources, but warms fastest globally. Therefore, the investigation and understanding of long-range transport are important. It is shown that observed aerosol events can generally not be traced back to a single aerosol source, but rather result from a superposition of several sources and sinks along the transport pathway into the Arctic. The aerosol budget in March and April is predominantly influenced by this long-range transport, while local sources contribute most in summer, as a multiple linear regression analysis has revealed. When the aerosol layers reach Svalbard, the orography of Kongsfjord plays an important role on their shape and arriving altitude. Due to the fjord and the mountain ridges, a turbulent wind shear zone is formed, which can mix aerosols from the free troposphere into the boundary layer.
A clear annual cycle has been found in a homogenized 20 year long data set from sun and star photometer, with a large variability, high AOD and large particles in winter. On the other hand, summer is characterized by more homogeneous aerosol levels, a clearer atmosphere and smaller particles. Additionally, the period of the Arctic Haze in spring becomes clearer, while in autumn the AOD increases. The length of a single aerosol event is estimated to several hours by autocorrelation analysis. The stratosphere was analyzed with Raman Lidar observations. A clear annual cycle is also observed, with enhanced backscattering in summer and early autumn. This can be traced back to the Southeast Asian summer monsoon. Typically, these aerosols in the lower stratosphere are spherical and small (<100 nm).
Additionally, an innovative validation procedure for the star photometer is presented. With this new method, only one good two-star measurement is needed to calibrate an unlimited number of stars. To achieve a height-resolved profile of aerosol properties, Raman Lidar observations are crucial. With the inversion of an applicable scattering theory, even microphysical properties, like particle volume size distribution or refractive index, can be retrieved from these profiles. A regularization of Lidar signals also improves the extinction profile significantly. With this result, the optical depth can be obtained by Raman Lidar in the troposphere and, in some cases, even for clouds in the lower stratosphere. Last but not least, remote sensing and in-situ observations are used together to achieve a better understanding of aerosol properties.
With the knowledge gained, the understanding of Arctic aerosol has improved, and the results help to enhance climate models for better parameterization of aerosols from the boundary layer to the lower stratosphere in the Arctic.Die Parametrisierung von Aerosolen stellt für Klimamodelle nach wie vor eine Herausforderung dar, da diese in komplexer Weise mit Strahlung und Wolken interagieren. Die vorliegende Arbeit gibt einen umfassenden Überblick über verschiedene Aerosolmessungen zur Bestimmung der Aerosoleigenschaften in der Arktis und deren Anderungen in den letzten zwei Jahrzehnten. Der homogenisierte Datensatz von Sonnen- und Sternphotometerbeobachtungen ermöglicht die Analyse des gesamten Jahresverlaufs.
Im Vergleich zu niederen Breiten weist die arktische Atmosphäre eine deutlich geringere Anzahl an Aerosolquellen auf. Zudem ist sie in geringerem Maße durch menschliche Einflüsse geprägt. Außerdem erwärmt sie sich global gesehen am schnellsten. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den weiträumigen Transport zu untersuchen und zu verstehen. Die Ergebnisse legen nahe, dass die beobachteten Aerosolereignisse in der Regel nicht auf eine einzige Aerosolquelle zurückzuführen sind. Stattdessen scheinen sie das Ergebnis einer Überlagerung mehrerer Quellen und Senken entlang des Transportweges in die Arktis zu sein. Der Aerosolgehalt im März und April wird in erster Linie durch den Ferntransport beeinflusst, während im Sommer lokale Quellen den größten Beitrag leisten, wie eine multiple lineare Regressionsanalyse zeigt. Nachdem die Aerosole Svalbard erreicht haben, spielt die Orographie des Kongsfjords eine wesentliche Rolle für die Form und die Höhe, in der die Schicht auftritt. Der Fjord und die umliegenden Gebirgskämme bilden eine turbulente Windscherungszone aus, durch die Aerosole aus der freien Troposphäre in die Grenzschicht gemischt werden können.
In dem 20 Jahre langen Datensatz mit Photometerbeobachtungen kann ein klarer Jahreszyklus mit einer signifikanten Variabilität, einer hohen AOD und großen Teilchen im Winter festgestellt werden. Demgegenüber streuen die Aerosolwerte im Sommer in Hinblick auf Größe und Streueigenschaften weniger, zudem ist die Atmosphäre klarer und die Partikel sind kleiner. Des Weiteren lässt sich eine Abnahme des arktischen Dunstes im Frühjahr sowie eine Zunahme der atmosphärischen Verschmutzung im Herbst beobachten. Die Dauer von Aerosolereignissen wird durch eine Autokorrelationsanalyse auf einige Stunden geschätzt. Die Stratosphäre wird mit einem Raman Lidar beobachtet und analysiert. Auch dort zeigt sich ein klarer Jahreszyklus, welcher durch eine verstärkte Rückstreuung im Sommer und Frühherbst gekennzeichnet ist. Diese Beobachtung lässt sich auf den südostasiatischen Monsun zurückführen. Die in der unteren Stratosphäre auftretenden Aerosole sind typischerweise sphärisch und weisen eine Größe von weniger als 100 nm auf.
Ein innovatives Verfahren zur Evaluierung des Sternphotometers wird präsentiert. Diese neue Methode erlaubt die Kalibrierung einer unbegrenzten Anzahl von Sternen mit nur einer guten Zwei-Stern-Messung pro Winter. Um ein höhenaufgelöstes Profil der Aerosoleigenschaften zu erhalten, sind eobachtungen mit einem Raman Lidar von entscheidender Bedeutung. Die Inversion einer geeigneten Streutheorie ermöglicht die Ableitung mikrophysikalischer Eigenschaften, wie der Größenverteilung oder des Brechungsindexes der Teilchen. Die Regularisierung der Lidarsignale führt zu einer signifikanten Verbesserung des Extinktionsprofils. Dies ermöglicht die Bestimmung der optischen Dicke mit dem Raman Lidar in der Troposphäre und in einigen Fällen sogar für Wolken in der unteren Stratosphäre. Schließlich werden Fernerkundungsdaten und In-situ-Beobachtungen gemeinsam genutzt, um Eigenschaften von arktischem Aerosol besser zu verstehen. All diese Erkenntnisse tragen zu einem verbesserten Verständnis des arktischen Aerosols bei und dienen der Verbesserung von Klimamodellen, welche eine präzisere Behandlung der Aerosole von der Grenzschicht bis zur unteren Stratosphäre in der Arktis benötigen
Adaptive Nutzung des LSI.J zur Überprüfung des Sprachverständnisses von Jugendlichen mit intellektueller Beeinträchtigung
No full textDie sprachtherapeutische Diagnostik bei Jugendlichen mit intellektuellen Beeinträchtigungen stellt eine Herausforderung dar, da Instrumente in der Regel nicht für diese Zielgruppe konzipiert und/oder zu kindlich gestaltet sind. Das Leipziger Sprachinstrumentarium Jugend (LSI.J) ist ein detailliertes, Tablet-basiertes Instrument zur Überprüfung des auditiven Sprachverständnisses von Jugendlichen, wurde jedoch bisher nicht bei Jugendlichen mit Primärbeeinträchtigungen erprobt. Die vorliegende Pilotuntersuchung stellt die Ergebnisse von zwei Jugendlichen mit Down-Syndrom in der Testbatterie dar und diskutiert Vorteile und Limitationen des Einsatzes gegenüber herkömmlichen Verfahren. Auf mögliche Modifikationsnotwendigkeiten des Verfahrens zur adaptiven Nutzung wird abgezielt
Grenzüberschreitend gedachte Daseinsvorsorge in der Raumentwicklung als Beitrag zu robusteren und effizienteren Versorgungsstrukturen in Grenzräumen?
No full textDie Sicherung der Daseinsvorsorge ist ein wichtiges Handlungsfeld der Raumentwicklung, das eng verknüpft ist mit dem Ziel der Territorialen Agenda der Europäischen Union (TAEU) „ein gerechtes Europa, das allen Orten und Menschen Zukunftsperspektiven bietet“. Mit der TAEU wurde sich auf die Priorität „Integration über Grenzen hinweg - Leichteres Leben und Arbeiten über Landesgrenzen hinweg“ verständigt, mit der sich die für Raumentwicklung zuständigen Ministerinnen und Minister der Mitgliedstaaten der Europäischen Union (EU) verpflichtet haben, Maßnahmen zu ergreifen, um in Entwicklungsstrategien eine stabile grenzüberschreitende Zusammenarbeit zu etablieren. Die Daseinsvorsorge dient der Versorgung der Bevölkerung und ist in Grenzregionen, in denen die Tragfähigkeit der Einrichtungen und Dienstleistungen durch die „begrenzten“ Einzugsbereiche, v. a. wenn es sich um sprachsensible oder national geprägte Einrichtungen (Gesundheitsversorgung, Bildungsangebote etc.) handelt, gefährdet. In diesem Artikel wird am Beispiel des Grenzraumes Brandenburg-Lubuskie mit Hilfe des Konzeptes der Planungskulturen dargestellt, mit welchen Herausforderungen eine grenzüberschreitende Raumentwicklung im Handlungsfeld der Daseinsvorsorge aufgrund des Aufeinandertreffens unterschiedlicher Planungskulturen konfrontiert wird und welche Anknüpfungspunkte sich ergeben können. Dabei wird dargestellt, wie die Daseinsvorsorge von der Raumentwicklung derzeit behandelt wird, wie die Raumentwicklung in grenzüberschreitende Aktivitäten eingebunden ist und welche Herausforderungen und Chancen sich für die Raumentwicklung ergeben, um Daseinsvorsorge über Grenzen hinweg zu denken
Biofilme in Flussökosystemen - Mechanismen, die die Struktur und Funktion von Biofilmen auf lokaler bis regionaler Ebene beeinflussen
No full textRiver and stream ecosystems harbor immense biodiversity and perform vital functions: they purify water, provide habitats and recreation, and are key components of global biogeochemical cycles. Acting as links between terrestrial and marine systems, they transport, transform, and store organic matter, nutrients, and sediments. Microbial biofilms play a central role in these processes. These complex, three-dimensional communities of bacteria, algae, fungi, protists, and small invertebrates colonize submerged surfaces and perform essential tasks such as organic matter production and degradation. The efficiency of degradation depends on the interplay between resource traits and biofilm community traits (“match–mismatch” dynamics).
Stream ecosystems are hierarchically organized networks where unidirectional water flow connects local biofilms and their functions to the larger fluvial network. This has led to the recognition of rivers as meta-ecosystems: Locally connected systems linked by the exchange of energy, matter, and organisms. Human influences such as climate change, land use, nutrient inputs, and hydromorphological alterations strongly affect biodiversity and functioning. For instance, altered flow regimes or damming fragment rivers and drive biodiversity loss, which is especially severe in freshwater ecosystems. Species-rich communities are thought to be more resilient, yet the implications for ecosystem functioning remain unclear, particularly regarding the relationship between bacterial composition and biofilm functions.
My dissertation focuses on heterotrophic benthic bacterial communities, which host vast biodiversity and perform key functions. While local mechanisms influencing their composition and function are well studied, important gaps remain. One concerns wildfire impacts, increasingly relevant with climate change. Pyrogenic organic matter (PyOM), a product of incomplete combustion, was long considered recalcitrant, yet some fractions are bioavailable. PyOM contributes substantially to riverine carbon budgets, but ecological consequences are poorly understood. In my first study, a mesocosm experiment in the Kleine Ysper (Upper Austria) examined PyOM effects on dissolved organic matter and biofilm function. PyOM addition increased dissolved carbon, lowered pH, and reduced DOM aromaticity. Sedimentation of particulate PyOM altered enzymatic activities: oxidative enzymes increased, hydrolytic ones declined, indicating enhanced processing of recalcitrant substrates. This highlights the importance of local disturbances such as wildfires for biofilm functions and carbon dynamics, while emphasizing the need to explore regional effects.
Beyond the local scale, river networks connect habitats through regional processes that remain less understood due to their complexity. My second study investigated biofilms across the Vjosa River network, one of Europe’s last free-flowing systems. This natural network provides an ideal reference to understand how connectivity shapes bacterial structure–function coupling. Regional factors (network structure, geology) influenced bacterial composition directly and indirectly via local conditions and algal communities. Algal composition was the strongest predictor of bacterial structure and indirectly affected enzymatic functions, likely due to organic matter released by algae. Dissolved organic matter contributed little, suggesting that carbon form labile algal leachates predominates. Geological and network-driven differences shaped bacterial communities, which became more homogeneous and less diverse downstream. Clear structure–function coupling emerged, linking bacterial composition to enzymatic activity. These results show that both local and regional factors jointly determine bacterial structure–function relationships and underscore the need to view rivers as hierarchically organized networks.
The third study examined regional-scale processes in Kenya’s Mara River, focusing on how bacterial metacommunities differ between benthic and planktonic habitats. Metacommunity theory distinguishes deterministic processes (species sorting) from stochastic ones (dispersal-driven). Benthic communities are typically shaped by deterministic processes, planktonic ones by stochasticity. My results support this: planktonic communities showed higher variability and external influence, while benthic biofilms were more stable and governed by internal interactions. Co-occurrence patterns revealed higher modularity in benthic communities, indicating stronger biotic structuring. Planktonic communities were richer but less even, likely due to mass effects. With increasing river size, both habitats’ bacterial communities converged in composition and diversity—a process I describe as a “spiraling selection engine,” driven by erosion, drift, and recolonization. In benthic biofilms, mean diversity remained stable but variability decreased, while in planktonic communities richness and evenness declined, suggesting stronger species sorting downstream. These findings show that benthic and planktonic bacterial communities are shaped by distinct ecological processes and must be differentiated to understand river network dynamics.
In summary, my thesis demonstrates that biofilms are structured by both regional processes—such as dispersal and network connectivity—and local factors, particularly interactions with algae. In turn, bacterial communities strongly determine biofilm ecosystem functions, exhibiting clear functional shifts under disturbance.Fließgewässer beherbergen eine enorme Biodiversität und erfüllen zentrale Ökosystemfunktionen – sie reinigen Wasser, bieten Lebensräume und sind essenzielle Bestandteile globaler Stoffkreisläufe. Als Verbindung zwischen Land und Meer transportieren, transformieren und speichern sie organisches Material, Nährstoffe und Sedimente. Bakterielle Biofilme spielen dabei eine Schlüsselrolle. Diese komplexen, dreidimensionalen Gemeinschaften aus Bakterien, Algen, Pilzen, Protisten und Kleintieren besiedeln feste Oberflächen und übernehmen Aufgaben wie den Auf- und Abbau organischer Substanz. Die Effizienz des Abbaus hängt vom Zusammenspiel der Eigenschaften des organischen Materials und der Biofilmgemeinschaft ab.
Fließgewässer sind hierarchisch organisierte Netzwerke, in denen die Fließrichtung lokale Habitate verbindet. Dadurch können lokale Prozesse im Kontext regionaler Strukturen verstanden werden. Diese Sichtweise führte zur Beschreibung von Flüssen als Meta-Ökosysteme – einer Vielzahl lokaler Systeme, die durch Austausch von Energie, Materie und Organismen verknüpft sind. Menschliche Einflüsse wie Klimawandel, Landnutzung, Nährstoffeinträge und bauliche Eingriffe verändern Biodiversität und Funktion erheblich. Geänderte Niederschlagsmuster und Dämme fragmentieren Flüsse und beschleunigen den Biodiversitätsverlust, der aquatische Ökosysteme besonders stark trifft. Während artenreiche Gemeinschaften als robuster gelten, ist immer noch unklar, wie sich Ökosystemveränderungen auf die Kopplung zwischen bakterieller Zusammensetzung und Biofilmaktivität auswirken.
Meine Dissertation untersucht heterotrophe bakterielle Gemeinschaften in Biofilmen, da sie zentral für Biodiversität und Ökosystemfunktionen sind. Auf lokaler Ebene sind viele Mechanismen bekannt, doch Wissenslücken bestehen, etwa zu den Folgen von Waldbränden. Pyrolysiertes organisches Material (PyOM), ein Produkt unvollständiger Verbrennung, gilt teils als schwer abbaubar, enthält aber auch bioverfügbare Fraktionen. PyOM trägt zunehmend zum Kohlenstoffhaushalt von Flüssen bei, seine ökologischen Folgen sind jedoch wenig erforscht. In meiner ersten Studie führte ich an der Kleinen Ysper (Oberösterreich) ein Experiment durch, um die Wirkung von PyOM auf gelöstes organisches Material und Biofilmfunktionen zu untersuchen. PyOM erhöhte den gelösten Kohlenstoff, senkte den pH-Wert und verringerte die Aromatizität. Sedimentiertes PyOM beeinflusste die Enzymaktivität: oxidative Enzyme nahmen zu, hydrolytische ab – ein Hinweis auf verstärkte Verarbeitung schwer abbaubarer Substrate. Die Studie zeigt, dass lokale Störungen wie Waldbrände Biofilmfunktionen und Kohlenstoffflüsse stark beeinflussen, und betont die Notwendigkeit, regionale Effekte weiter zu erforschen.
Die zweite Studie untersuchte Biofilme im gesamten Vjosa-Flussnetzwerk, einem der letzten frei fließenden Flüsse Europas. Dieses nahezu unbeeinflusste System eignet sich ideal, um natürliche Muster von Konnektivität und Struktur-Funktions-Beziehungen zu analysieren. Regionale Faktoren wie Geologie und Netzwerkstruktur beeinflussten die bakterielle Zusammensetzung direkt und indirekt über deren Effekte auf lokale Bedingungen wie z.B. die Algengemeinschaften. Algen waren der stärkste Prädiktor der Bakterienstruktur und beeinflussten enzymatische Funktionen über die Bereitstellung leicht verfügbarer organischer Verbindungen. Gelöstes organisches Material im Wasser spielte dagegen eine geringe Rolle. Mit zunehmender Flussgröße homogenisierten sich die bakteriellen Gemeinschaften und die Diversität nahm ab, vermutlich aufgrund geringerer Umweltheterogenität. Insgesamt zeigte sich eine starke Kopplung zwischen bakterieller Zusammensetzung und enzymatischen Funktionen, geprägt durch lokale und regionale Faktoren. Damit wird deutlich, dass Flüsse als hierarchische Netzwerke verstanden werden müssen, um Biodiversität und Funktion zu erfassen und schützen zu können.
Die dritte Studie befasste sich mit dem tropischen Mara-Flussnetzwerk (Kenia) und verglich bakterielle Metagemeinschaften in benthischen und planktonischen Habitaten. Laut Metagemeinschaftstheorie formen sowohl lokale Bedingungen als auch regionale Prozesse die Artenzusammensetzung. Deterministische Prozesse (Artensortierung) und stochastische (Zufall, Drift) wirken dabei unterschiedlich stark. Meine Ergebnisse zeigen: planktonische Gemeinschaften waren variabler und stärker extern beeinflusst, benthische stabiler und stärker intern reguliert. Ko-okkurrenzmuster zeigten höhere Modularität in benthischen Gemeinschaften, was auf engere biotische Interaktionen hindeutet. Planktonische Gemeinschaften waren artenreicher, aber ungleichmäßiger verteilt, vermutlich durch Masseeffekte. Mit zunehmender Flussgröße näherten sich die Zusammensetzung und Diversität beider Habitattypen an – ein Prozess, den ich als „spiraling selection engine“ beschreibe, verursacht durch Erosion, Drift und Neubesiedlung. Benthische Gemeinschaften zeigten flussabwärts geringere Variabilität, planktonische abnehmende Artenvielfalt – Hinweise auf zunehmende Artensortierung. Die Ergebnisse zeigen, dass bakterielle Gemeinschaften in unterschiedlichen Habitaten durch verschiedene Prozesse geprägt werden und eine differenzierte Betrachtung nötig ist, um regionale Biodiversitätsmuster zu verstehen.
Zusammenfassend zeigt meine Dissertation, dass Biofilme sowohl durch regionale Prozesse – etwa Ausbreitung und Netzwerkverbindungen – als auch durch lokale Faktoren wie biotische Interaktionen mit Algen geprägt werden. Diese bakteriellen Gemeinschaften bestimmen maßgeblich Biofilmfunktionen, die sich bei Störungen deutlich verändern
COP1 misst die Temperatur durch Erfassung der Molekularbewegung in Arabidopsis
No full textTemperature is molecular motion, but how living systems sense this is poorly understood. Many responses in plants integrate light and temperature signals, for example via light receptors and the circadian clock. CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENESIS 1 (COP1) is a central regulator of light signaling and is also necessary to respond to temperature, while the underlying mechanism of COP1-mediated temperature response is still unclear.
In this thesis, I show that COP1 acts as a molecular motion sensor, toggling between active and inactive states in response to temperature. An intramolecular Valine-Proline (VP) motif binds to the WD40 domain of COP1 at low temperatures, preventing COP1 substrate docking. At warmer temperatures, molecular motion detaches the VP motif from the WD40 domain of COP1, enabling client proteins such as ELONGATED HYPOCOTYL 5 (HY5), a potent repressor of elongated growth, to be bound and targeted for degradation.
This study explains how plants are able to obtain a precise readout of temperature within a given climate range. Modulating the affinity of the COP1 intramolecular latch is sufficient to tune the temperature responsiveness and adjust the temperature range within which the plant responds. This discovery helps us to understand how plants are able to adapt to different climates.Temperatur ist molekulare Bewegung, aber wie lebende Systeme diese wahrnehmen, ist kaum verstanden. Viele Reaktionen in Pflanzen integrieren Licht- und Temperatursignale, zum Beispiel über Lichtrezeptoren und die zirkadiane Uhr. CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENESIS 1 (COP1) ist ein zentraler Regulator von Lichtsignalen und ist auch notwendig, um auf Temperatur zu reagieren, während der zugrunde liegende Mechanismus der COP1-vermittelten Temperaturreaktion noch unklar ist.
In dieser Arbeit zeigen wir, dass COP1 als molekularer Bewegungssensor fungiert, der als Reaktion auf die Temperatur zwischen aktiven und inaktiven Zuständen umschaltet. Ein intramolekulares Valine-Proline (VP)-Motiv bindet bei niedrigen Temperaturen an die WD40-Domäne von COP1 und verhindert so das Andocken von COP1-Substraten. Bei wärmeren Temperaturen löst sich das VP-Motiv durch molekulare Bewegung von der WD40-Domäne von COP1, so dass Kundenproteine wie ELONGATED HYPOCOTYL 5 (HY5), ein starker Hemmstoff des Längenwachstums, gebunden werden können und seinen Abbau auslösen.
Diese Studie erklärt, wie Pflanzen in der Lage sind, die Temperatur innerhalb eines bestimmten Klimabereichs genau zu messen. Die Modulation der Affinität der intramolekularen COP1-Verriegelung reicht aus, um die Temperaturreaktion abzustimmen und den Temperaturbereich, in dem die Pflanze reagiert, anzupassen. Diese Entdeckung hilft uns zu verstehen, wie sich Pflanzen an verschiedene Klimazonen anpassen könn
Vom Geysir zum Vulkan: Charakterisierung der Eruptionsdynamik durch Entropie- und Frequenzanalyse seismischer Zeitreihen
No full textForecasting volcanic eruptions involves answering fundamental questions: when, where, how long, and how large an eruption will be. While statistical methods can model eruption cycles and estimate future durations, they are limited to volcanoes with extensive historical records. Furthermore, volcanic systems are dynamic and complex. For instance, changes in the magma volume and/or composition, as well as the geometry of the plumbing system, can alter the eruption magnitude and style. Monitoring the progression of magma propagation is then very crucial to forecast when the eruption will start. It is also crucial to monitor the progression of the eruption itself, as the eruption can change its magnitude, duration, and style.
In this thesis, I explore the use of Permutation Entropy (PE) to extract features from seismic data in real-time. As magma propagates to the surface, it interacts with its surrounding rock and generates seismic signals with different complexities. PE is capable of quantifying the complexities of the seismic waveform, and the temporal changes in PE could reflect the journey of the magma to the surface. As a preliminary test, I applied PE to 63 eruptive events of Strokkur Geyser, Iceland, where it consistently followed a pattern and statistically outperformed RMS amplitude in forecasting eruption onset.
The second case focuses on the 2014 Holuhraun eruption (Iceland). In addition of PE, I introduce Phase Permutation Entropy (PPE), using the unwrapped instantaneous phase. While one parameter could be more sensitive to a stage before or during an eruption, another parameter could respond better during another stage. Therefore, I also analyze the temporal variation in the Mean Instantaneous Frequency (MIF), Root-Mean-Square (RMS), and Root-Median-Square of seismic amplitude (RMeS) before, during, and after the eruption. MIF and PPE are sensitive to dike propagation, while PE and PPE correlated with the time-averaged discharge rate of magma (TADR). Clustering analysis shows that using all four parameters (log(RMeS), MIF, PE, PPE) improved the separation of the eruption stages, which is consistent with the expert interpretation, compared to using fewer parameters.
Lastly, I applied the method to the 2021 Geldingadalir eruption. Here, RMS, PE, and MIF help characterize the transitions in the last three months of the eruption, when it changes from dominating minute-long to dominating hour-long and then again minute-long. The minute-long effusions generated minute-long tremor episodes and the hour-long effusions generated hour-long tremor episodes. While all parameters are stable during all episodes of hour-long tremor, we observed a transition during the successive minute-long tremor episodes. The initial tremor episodes show increasing RMS and decreasing MIF and PE. The later episodes exhibit a main RMS peak followed by a smaller, shorter second peak, which increases MIF and PE about 23 s-310 s before the tremor end. During the repose time between tremor episodes, RMS, MIF, and PE vary depending on whether the next tremor occurs in minutes or hours.
These case studies demonstrate that entropy-based seismic features, along with the amplitude and frequency, can capture the subtle dynamics of volcanic activity, which can be implemented in real-time, offering valuable tools for eruption monitoring and forecasting.Die Vorhersage von Vulkanausbrüchen erfordert die Beantwortung fundamentaler Fragen. Wann, wo wird der Ausbruch stattfinden und wie lange und wie groß wird er werden. Während statistische Methoden zwar Ausbruchszyklen und deren Dauer abschätzen können, sind sie auf Vulkane mit umfangreichen historischen Aufzeichnungen beschränkt. Vulkanische Systeme sind zudem dynamisch und komplex. So können beispielsweise Veränderungen des Magmavolumens und/oder der Magmazusammensetzung sowie der Geometrie des Leitungssystems das Ausmaß und die Art des Ausbruchs beeinflussen. Die Überwachung des Magmaflusses ist besonders wichtig um den Ausbruchszeitpunkt vorherzusagen. Desweiteren ist es wichtig den Verlauf des Ausbruches zu überwachen, da sich dessen Ausmaß, die Dauer und die Art verändern können.
In dieser Arbeit wird die Verwendung von Permutationsentropie (PE) untersucht um Merkmale aus seismischen Daten in Echtzeit zu extrahieren. Während Magma an die Oberfläche steigt, interagiert es mit dem umgebenden Gestein und erzeugt seismische Signale von unterschiedlicher Komplexität. Mithilfe von PE kann die Komplexität der Wellenform quantifiziert werden. Die Zeitlichen Veränderungen der PE könnten den Weg des Magmas an die Oberfläche widerspiegeln. Als vorläufigen Test wird PE auf 63 Eruptionsereignisse des Strokkur-Geysirs in Island angewendet. Dort folgte es konsistent einem Muster und übertraf statistisch die RMS-Amplitude bei der Vorhersage des Ausbruchsbeginns.
Der zweite Fall fokussiert sich auf die Holuhraun Eruption 2014 in Island. Zusätzlich zu PE wird die Phase Permutation Entropy (PPE) eingeführt, unter Verwendung der Momentanphase. Da die Parameter unterschiedlich sensitive während der verschiedenen Phasen des Ausbruchs reagieren können werden zusätzlich die Zeitliche Variation der Parameter, Momentanfrequenz (MIF), das Quadratische Mittel (RMS) und das Quadratische Mittel der Seismischen Amplitude (RMeS) vor während und nach dem Ausbruch untersucht. MIF und PPE reagieren sensitiv auf die Bewegung von Magma, während PE und PPE mit der zeitlich gemittelten Magmaausstoßrate (TADR) korrelieren. Clusteranalysen zeigen, dass die Verwendung aller vier Parameter (log(RMeS), MIF, PE, PPE) die Trennung der Ausbruchsstadien im Vergleich zur Verwendung weniger Parameter verbessert. Die Trennung stimmt mit der Experteninterpretation während des Ausbruches überein.
Zuletzt wurden diese Methoden auf die 2021 Geldingadalir Eruption angewendet. Hier helfen RMS, PE und MIF dabei, die Übergänge in den letzten drei Monaten des Ausbruchs zu charakterisieren, wenn diese von einem dominierenden minutenlangen zu einem dominierenden stundenlangen und dann wieder minutenlangen Eruptionen wechselt. Die minutenlangen Effusionen erzeugen minutenlange Tremors und die stundenlangen erzeugen stundenlange Tremors. Während alle Parameter während aller stundenlangen Tremor-Episoden stabil bleiben, wird während der darauffolgenden minutenlangen Tremor-Episoden einen Übergang beobachtet. Die ersten Tremor-Episoden zeigen zunehmende RMS und abnehmende MIF und PE auf. Die späteren Episoden weisen einen Haupt-RMS-Peak auf, gefolgt von einem kleineren, kürzeren zweiten Peak, der MIF und PE etwa 23s bis 310s vor dem Ende des Tremors ansteigen lässt. Während der Ruhezeit zwischen den Tremor-Episoden variieren RMS, MIF und PE, je nachdem, ob das nächste Tremor innerhalb von Minuten oder Stunden auftritt.
Diese Fallstudien zeigen, dass Entropie basierte seismische Eigenschaften, zusammen mit Amplitude und Frequenz in der Lage sind die subtilen dynamiken von Vulkanischer Aktivität zu erfassen. Diese können in Echtzeitanwendungen integriert werden und sind ein wertvolles Werkzeug um Eruptionen zu überwachen und vorherzusagen
Von mittlerer Kindheit bis frühe Adoleszenz: Eine personen-orientierte Perspektive auf exekutive Funktionen, deren variierende Leistungsmuster, längsschnittliche Veränderungen und Korrelate
No full textExecutive functions (EF) refer to cognitive abilities that allow for supervised and goal oriented behavior, making EF essential for both academic and social success. Theoretical accounts differentiate between basal, cool EF facets and more complex hot EF facets. Most research to date has adopted a variable-oriented approach to the study of EF facets and EF development. Therefore, research was focused on EF differentiation and it's emerging factor structure across larger aggregated samples. In contrast, this thesis adopted a person-oriented approach to the study of the development of different EF facets from middle childhood (6-11 years) through to early adolescence (9-13 years), thereby focusing on the identification of latent EF performance profiles and performance transitions across time. Inter- and intraindividual differences in EF strengths and weaknesses were considered across meaningful performance subgroups characterized by below-, average, and above-average EF performance over three timepoints. Three overarching research questions were posed and addressed with the help of three Research Papers (I – III).
All three Papers relied on data collected within a longitudinal multi-method cohort study including reports from 1,657 German children. The three cool EF (inhibition, working memory updating, cognitive flexibility) and two hot EF (decision-making [DM], delay of gratification) central to this thesis were measured behaviorally. In Paper I, we used latent profile analysis to identify differing profiles of below-, average and above-average manifestations of all five EF facets at T1 (mean age = 8.36, SD = 0.95, 52.1% girls). Four latent profiles were identified and related to cross-sectional socio-demographic characteristics and also used for the longitudinal prediction of self-regulatory outcomes 1 and 3 years later. In Paper II, we replicated T1 EF profiles and identified ensuing EF performance profiles at further timepoints T2 (mean age = 9.11, SD = 0.93, 51.8% girls) and T3 (mean age = 11.06, SD = 0.92, 51.4% girls). We then used latent transition analysis to examine likely profile membership transitions from T1 to T2, and from T2 to T3. Both patterns of profile membership stability and change were observed. In Paper III, we employed the latent EF profiles previously identified in Paper II at T3, along with concurrent theory of mind, within multigroup structural equation models (SEM) to predict four styles of social information processing in late adolescence 8 years later (T4; mean age = 18.92, SD = 1.05, 54.4% girls).
Papers I and II demonstrated significant inter- and intraindividual variability in EF expression throughout middle childhood and early adolescence: Four latent profiles were identified at each timepoint (T1-T3) into which individuals of the sample were sorted via a person-specific membership probability. Over 30% of individuals deviated from an observed normative all-average profile at any point in time (T1-T3). Latent profiles including the regulated-DM profile (above-average ability to make regulated, rather than affective decisions; T1-T2) and the low-delay profile (below-average ability to delay immediate rewards in favor of future larger rewards; T1-T3), demonstrated that profile strengths and weaknesses did not occur across the cool or hot EF factors in unison, but rather for individual EF facets. Paper II demonstrated that EF development did not follow a single trajectory. Rather, a multitude of transitions and patterns of EF growth but also decline co-occurred for differing subgroups within this typically developing sample. A catch-up effect was observed for some individuals (e.g., the dissolution of a low-inhibition “risk” profile between T2 and T3), while a performance dip was observed for other individuals (e.g., the increasing prevalence of the low-delay profile from T1 to T3). Papers I – III demonstrated that varying latent profiles of EF across middle childhood and early adolescence were associated with concurrent demographic variables and cognitive abilities including socio-economic status and processing speed, and also consequent self-regulation. Profiles were further associated with consequent social cognition. Of interest, membership in the T3 high-hot EF profile (above-average DM and delay of gratification) predicted favorable non-aggressive styles of social information processing at T4. The thesis demonstrated how less prevalent patterns in EF ability and development may be marginalized or overlooked in variable-oriented methods, which focus on overall trends such as the development of an overarching cool EF factor structure instead. The thesis further illuminated how hot EF become increasingly important for profile formation and outcome prediction as adolescence progresses, and that both EF strengths and weaknesses per individual are not set in stone. In conclusion, this thesis argued for the importance of considering person-oriented approaches alongside variable-oriented approaches within the field of cognitive developmental psychology in order to better understand the ranges of normative EF development across childhood and adolescence.Exekutive Funktionen (EF) sind kognitive Fähigkeiten, die kontrolliertes und zielgerichtetes Verhalten ermöglichen und somit für akademischen und sozialen Erfolg unerlässlich sind. Theoretische Ansätze unterscheiden zwischen basalen „kühlen“ EF-Facetten und komplexeren „heißen“ EF-Facetten. Bisherige Forschungsansätze verfolgten meist einen variablenorientierten Ansatz zur Untersuchung von EF-Facetten und deren Entwicklung. Der Fokus lag daher auf der EF-Differenzierung und der EF-Faktorenstruktur in großen aggregierten Stichproben. Im Gegensatz dazu verfolgte diese Arbeit einen personenorientierten Ansatz zur Untersuchung der Entwicklung verschiedener EF-Facetten von der mittleren Kindheit (6–11 Jahre) bis zur frühen Adoleszenz (9–13 Jahre). Der Schwerpunkt lag dabei auf der Identifizierung latenter EF-Fähigkeitsprofile und Profilzugehörigkeit im Zeitverlauf. Inter- und intraindividuelle Unterschiede in EF-Stärken und -Schwächen wurden in relevanten Subgruppen mit unter-, durchschnittlicher und überdurchschnittlicher EF-Fähigkeiten über drei Zeitpunkte hinweg berücksichtigt. Drei übergreifende Forschungsfragen wurden gestellt und mithilfe von drei Publikationen (I – III) adressiert.
Alle drei Publikationen basierten auf Daten einer longitudinalen multimethodischen Kohortenstudie mit Berichten von 1.657 deutschen Kindern. Die drei für diese Arbeit zentralen kühlen EF (Inhibition, Arbeitsgedächtniss Updating, kognitive Flexibilität) und zwei heißen EF (Entscheidungsfindung [DM], Belohnungsaufschub) wurden verhaltensbasiert gemessen. In Paper I verwendeten wir eine latente Profilanalyse, um unterschiedliche Profile aller fünf EF-Facetten zu T1 zu identifizieren (mittleres Alter = 8,36, SD = 0,95, 52,1 % Mädchen). Vier latente Profile wurden identifiziert und mit soziodemografischen Merkmalen im Querschnitt in Beziehung gesetzt und auch zur longitudinalen Vorhersage selbstregulatorischer Fähigkeiten ein und drei Jahre später verwendet. In Paper II haben wir die EF-Profile zu T1 repliziert und weitere EF-Profile zu Zeitpunkten T2 (mittleres Alter = 9,11, SD = 0,93, 51,8 % Mädchen) und T3 (mittleres Alter = 11,06, SD = 0,92, 51,4 % Mädchen) ermittelt. Dann wurde eine latente Transitionsanalyse verwendet, um wahrscheinliche Profilmitgliedschaftsübergänge von T1 nach T2 und von T2 nach T3 zu untersuchen. Es wurden sowohl Muster der Stabilität als auch der Veränderung der Profilzugehörigkeit beobachtet. In Paper III haben wir die zuvor in Paper II zu T3 identifizierten latenten EF-Profile zusammen mit Theory of Mind in mehrgruppigen Strukturgleichungsmodellen verwendet, um vier Stile der sozialen Informationsverarbeitung in der Adoleszenz 8 Jahre später (T4; mittleres Alter = 18,92, SD = 1,05, 54,4 % Mädchen) vorherzusagen.
Paper I und II zeigten signifikante inter- und intraindividuelle Variabilität der EF-Fähigkeiten während der mittleren Kindheit und frühen Adoleszenz: Zu jedem Zeitpunkt (T1–T3) wurden vier latente Profile identifiziert, denen die Kinder der Stichprobe über eine personenspezifische Mitgliedschaftswahrscheinlichkeit zugeordnet wurden. Über 30% der Kinder wichen zu jedem Zeitpunkt (T1–T3) von einem normativen Durchschnittsprofil ab. Latente Profile, darunter das Profil „Regulated DM“ (überdurchschnittliche Fähigkeit, regulierte anstatt affektive Entscheidungen zu treffen; T1–T2) und das Profil „Low Delay“ (unterdurchschnittliche Fähigkeit, unmittelbare Belohnungen zugunsten zukünftiger größerer Belohnungen aufzuschieben; T1–T3), zeigten, dass Profilstärken und -schwächen nicht über alle EF-Facetten der kühlen oder heißen EF-Faktoren gleichzeitig auftraten, sondern für einzelne EF. Paper II zeigte, dass die Entwicklung von EF keiner einzigen Trajektorie folgte. Vielmehr traten in verschiedenen Profilen zahlreiche Transitionen und Muster von EF-Zuwachs, aber auch -Abnahme gleichzeitig auf. Bei einigen Personen wurde ein „catch-up“ Effekt beobachtet (z. B. die Auflösung eines Risikoprofils mit geringer Inhibition zwischen T2 und T3), während bei anderen Personen eine Fähigkeitsabnahme zu verzeichnen war (z. B. die zunehmende Prävalenz des Profils mit geringem Belohnungsaufschub von T1 zu T3). Die Paper I – III haben gezeigt, dass unterschiedliche latente EF-Profile im mittleren Kindesalter und in der frühen Adoleszenz mit demografischen Variablen und kognitiven Fähigkeiten, einschließlich sozioökonomischem Status und Verarbeitungsgeschwindigkeit, sowie der daraus resultierenden Selbstregulierung verbunden waren. Interessanterweise sagte die Zugehörigkeit im „high-hot-EF“ Profil zu T3 (überdurchschnittliche Entscheidungsfindung und Belohnungsaufschub) günstige, nicht-aggressive Stile der sozialen Informationsverarbeitung zu T4 vorher. Diese Arbeit zeigte, wie seltene Muster von EF-Fähigkeiten und EF-Entwicklung in variablenorientierten Methoden marginalisiert oder übersehen werden können, welche sich stattdessen auf allgemeine Trends wie die Entwicklung einer übergreifenden kühlen EF-Faktorenstruktur konzentrieren. Die Arbeit verdeutlichte zudem, wie heiße EF im Laufe der Adoleszenz für die Profilbildung und Ergebnisvorhersage zunehmend an Bedeutung gewinnt und dass sowohl die Stärken als auch die Schwächen der EF pro Individuum nicht in Stein gemeißelt sind. Abschließend argumentierte diese Arbeit für die Bedeutung der Berücksichtigung personenorientierter Ansätze neben variablenorientierten Ansätzen im Bereich der kognitiven Entwicklungspsychologie, um die Bandbreite der normativen EF-Entwicklung in Kindheit und Jugend besser zu verstehen
Forschungsbericht zum Projekt „Workflow-Management-Systeme für Open-Access-Hochschulverlage (OA-WFMS)“
No full textDer Forschungsbericht fasst die Arbeitsergebnisse und Schlussfolgerungen des Projekts „Workflow-Management-Systeme für Open-Access-Hochschulverlage (OA-WFMS)“ zusammen. Das Verbundvorhaben wurde von 2023 bis 2025 vom BMFTR gefördert und gemeinsam von der HTWK Leipzig und dem Universitätsverlag Potsdam umgesetzt.
Ziel des Projekts war die konzeptionelle Entwicklung eines Workflow-Management-Systems (WFMS), das Hochschulverlage und -bibliotheken bei Publikationsprojekten, vom Manuskripteingang bis zur Online- und gegebenenfalls Druckveröffentlichung, unterstützt. Der Bericht stellt die angewandten Methoden sowie die mit ihnen gewonnenen Erkenntnisse vor, darunter eine systematische Bedarfsermittlung und Anforderungsanalyse, ein Verfahren zur Erstellung von Lastenheften, die Entwicklung prototypischer Lastenhefte anhand zweier Pilotverlage sowie - darauf aufbauend - eine Machbarkeitsstudie auf Basis eines technischen Prototyps.
Die Kernidee hinter der Entwicklung des Prototyps war zu zeigen, dass unterschiedliche Softwarelösungen, Verlagsprogramme und Datenquellen über eine Middleware effizient verbunden und mittels eines Dashboards steuerbar gemacht werden können. Abschließend gibt der Bericht einen Ausblick auf Implementierung und Betrieb eines WFMS und den Aufbau einer Anwendungs-Community.This research report summarizes the results and conclusions of the project “Workflow Management Systems for Open Access University Publishers (OA-WFMS)”. This joint project was funded by the Federal Ministry of Research, Technology and Space of Germany (BMFTR) from 2023 to 2025 and was carried out by the HTWK Leipzig and Universitätsverlag Potsdam.
The aim of the project was to develop a workflow management system (WFMS) that supports university publishers and libraries in publication projects, from manuscript submission to online and, if necessary, print publication. The report presents the methods used and findings derived from them, including a systematic needs assessment and requirements analysis, a procedure for creating a requirements specification, the development of a prototypical requirements specification based on two pilot publishers, and, building on this, a feasibility study based on a technical prototype.
The development of the prototype demonstrates that different software solutions, publishing programs, and data sources can be efficiently connected via middleware and controlled using a dashboard. The report concludes with an outlook on the implementation and operation of a WFMS and the establishment of an user community
DeutschGPT – Deutschunterricht im Dialog mit Künstlicher Intelligenz
No full textLarge generative language models (LLMs) have lost the exoticism of their early days. They have long since become part of everyday life, including in teaching and learning. In this new phase of linguistic and literary didactics dealing with ChatGPT and similar tools, German language education must confront new theoretical and practical questions: How does AI work, and what can we expect from this technology in the future? How does the use of AI affect the acquisition of language skills? How do students interact with digital text generators, and what consequences does this have for their educational development? How can AI be meaningfully integrated into German language teaching? Where do the risks lie, and where are the opportunities for shaping the school of tomorrow? The contributions in this volume explore these and other questions. They also present a selection of current research projects related to the use of AI in German language education. As such, the volume provides a comprehensive overview of the current state of research on the topic of German language teaching and AI.Große generative Sprachmodelle (LLMs) haben die Exotik der Anfangstage verloren. Sie sind längst Alltag geworden, auch im Lehren und Lernen. In dieser neuen Phase des sprach- und literaturdidaktischen Umgangs mit ChatGPT & Co. muss sich der Deutschunterricht in Theorie und Praxis neuen Fragen stellen: Wie funktioniert KI und was ist von dieser Technik in Zukunft noch zu erwarten? Wie wirkt sich die Verwendung von KI auf den sprachlichen Kompetenzerwerb aus? Wie gehen Schüler:innen mit digitalen Textgeneratoren um und welche Konsequenzen hat das für ihre Bildungsgeschichte? Wie lässt sich KI sinnvoll in den Deutschunterricht integrieren? Wo liegen Risiken, wo Chancen für die Gestaltung der Schule von morgen? Diesen und anderen Fragen gehen die Beiträge des Bandes nach. Sie präsentieren zudem eine Auswahl aktueller Forschungsprojekte rund um den Einsatz von KI im Deutschunterricht. Der Band bildet somit den gegenwärtigen Forschungsstand zum Thema Deutschunterricht und KI in seiner ganzen Breite ab