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Early action-goal understanding in the context of multifunctional tool use
No full textDuring early childhood, tool-use abilities develop with remarkable speed. This is probably because, in addition to showing profound object exploration skills, infants and toddlers are able to engage in social learning. That is, young children can learn how to use an object as a tool by observing another person’s tool-use actions. Motivated by findings on early multifunctional tool-use learning indicating that the way an object is represented impacts further handling of that object, the first main aim of the present dissertation is to take a closer look at how object representations that are activated when using objects as tools are acquired. In this context, the two abovementioned ways of tool-use learning, namely learning during own exploration and object manipulation on the one hand and social learning on the other hand, are investigated in more detail. A theoretical model on the acquisition of tool-use knowledge through exploratory learning is presented which provides a theoretical basis and framework for interpreting empirical findings on 24-month-olds’ multifunctional tool-use learning in a teaching scenario. Looking into social learning of tool use in more detail, the second aim of this dissertation is to investigate an early ability to use information on others’ desires to interpret this persons’ later tool-use actions. An empirical study is presented, providing first evidence that at 18 months, infants can identify transient action effects, common in tool-use actions, as referent of another person’s emotional expressions. More far-reaching statements about the ability to represent diverse desires for action effects and use that knowledge for action-goal attribution are prevented by toddlers’ pronounced tendency to perform one particular tool movement, regardless of the resulting action effect in a task requiring desire understanding as well as multifunctional tool use. Lastly, prompted by findings indicating that infants and toddlers can activate own action knowledge based on other persons’ goals, this dissertation presents theoretical considerations on how representing others’ goals can facilitate multifunctional tool use, as well as a first attempt to test the derived implications.
In sum, the present dissertation highlights the importance of integrating the two ways of learning, i.e., exploratory learning and social learning for successful flexible tool use. Further, it emphasizes the role of the (social) context not only for the acquisition but also for the application of tool-use knowledge.In der frühen Kindheit entwickeln sich die Fähigkeit des Werkzeuggebrauchs mit bemerkenswerter Geschwindigkeit. Dies ist wahrscheinlich darin begründet, dass Säuglinge und Kleinkinder nicht nur tiefgreifende Fähigkeiten zur Exploration von Objekten zeigen, sondern auch in der Lage sind, soziales Lernen zu betreiben. Das heißt, Kleinkinder können lernen, wie man einen Gegenstand als Werkzeug benutzt, indem sie die Handlungen einer anderen Person bei der Werkzeugbenutzung beobachten. Motiviert durch Befunde zum frühen multifunktionalen Werkzeuggebrauchslernen, die darauf hindeuten, dass die Art und Weise, wie ein Objekt repräsentiert wird, den weiteren Umgang mit diesem Objekt beeinflusst, besteht das erste Hauptziel der vorliegenden Dissertation darin, genauer zu untersuchen, wie Objektrepräsentationen, die beim Gebrauch von Objekten als Werkzeug aktiviert werden, erworben werden. In diesem Zusammenhang werden die beiden oben genannten Arten des Werkzeuggebrauchslernens, nämlich das Lernen durch eigene Exploration und Objektmanipulation einerseits und das soziale Lernen andererseits, näher untersucht. Es wird ein theoretisches Modell zum Erwerb von Werkzeuggebrauchswissen durch exploratives Lernen vorgestellt, das eine theoretische Grundlage und einen Rahmen für die Interpretation empirischer Befunde zum multifunktionalen Werkzeuggebrauchslernen von 24 Monate alten Kindern in einem Lehrszenario bietet. Das zweite Ziel dieser Dissertation ist es das soziale Lernen von Werkzeuggebrauch näher zu betrachten, indem die frühe Fähigkeit, Informationen über die Wünsche anderer Personen zu nutzen, um deren spätere Handlungen beim Werkzeuggebrauch zu interpretieren, untersucht wird. Es wird eine empirische Studie vorgestellt, die erste Belege dafür liefert, dass Säuglinge im Alter von 18 Monaten transiente Handlungseffekte, wie sie bei Werkzeuggebrauchshandlungen üblich sind, als Zielobjekt für die emotionalen Äußerungen einer anderen Person identifizieren können. Weitergehende Aussagen über die Fähigkeit, unterschiedliche Wünsche für Handlungseffekte zu repräsentieren und dieses Wissen für die Handlungszielzuschreibung zu nutzen, werden durch die ausgeprägte Tendenz von Kleinkindern verhindert, eine bestimmte Werkzeugbewegung auszuführen, unabhängig von dem resultierenden Handlungseffekt in einer Aufgabe, die sowohl das Verstehen von Wünschen als auch den multifunktionalen Werkzeuggebrauch erfordert. Ausgehend von Befunden, die darauf hindeuten, dass Säuglinge und Kleinkinder eigenes Handlungswissen auf der Grundlage der Ziele anderer Personen aktivieren können, werden in dieser Dissertation theoretische Überlegungen dazu angestellt, wie die Repräsentation von Zielen anderer den multifunktionalen Werkzeuggebrauch erleichtern kann, sowie ein erster Versuch unternommen, die abgeleiteten Implikationen zu testen.
Zusammenfassend unterstreicht die vorliegende Dissertation die Bedeutung der Integration der beiden Lernformen - des explorativen Lernens und des sozialen Lernens - für eine erfolgreiche flexible Werkzeugnutzung. Darüber hinaus wird die Rolle des (sozialen) Kontexts nicht nur für den Erwerb, sondern auch für die Anwendung von Wissen über die Werkzeugnutzung betont
Der Einfluss neuer und umfangreicher accelerometrischer Datenbanken in der Türkei auf das Verständnis von Nahfeldeffekten und seismischen Verstärkungsfaktoren in seismischen Baunormen
No full textThe population growth in major cities located near active fault segments, such as Istanbul, Tokyo, and Los Angeles, which are among the eight most densely populated cities in the world - significantly increases the seismic risk to these urban areas. Near-fault ground motions, primarily controlled by seismic source effects, can exhibit elevated amplitudes, when the site is aligned with rupture propagation due to directivity effects, even during moderate-magnitude earthquakes. Pulse-like ground motions, which can be caused by directivity effects, can further lead to an increased seismic damage to surrounding structures. In Türkiye, where 71% of the population lives near active fault segments, understanding such near-fault ground motion characteristics is essential for improving seismic hazard assessment and resultantly for earthquake resilient environments.
The global exponential increase of installed seismic networks, enabled the development of more than 600 ground motion models (GMMs), which form a primary tool of any probabilistic seismic hazard assessment (PSHA). However, despite the increasing number of GMMs, the related uncertainty (in ergodic GMMs) has not significantly decreased. This suggests, that critical parameters may still be inadequately captured. While a large number of GMMs are available, only a handful incorporate near-fault directivity effects, and even then, only limited to large-magnitude earthquakes. As a result, most classical Probabilistic Seismic Hazard Analysis (PSHA) neglects these near-fault effects, with only a few exceptions. However, located at the intersection of three major tectonic plates (Eurasian, Arabian and African plates) – Türkiye is not only marked by large magnitude events but also by frequent moderate earthquakes that can pose significant cumulative risks by progressively damaging and weakening structures over time. This highlights the importance of not only accounting for directivity effects in large-magnitude events but also considering them in moderate-sized earthquakes.
The exponential increase of installed seismic networks across Türkiye, particularly following the MW 7.6 1999 Kocaeli and MW 7.2 Düzce earthquakes, has significantly enhanced the country’s ground motion database, forming a novel and dense accelerometric database (> 800 stations) that contains today more than 95,000 recordings, covering a wide range of distances and magnitudes (Sandıkkaya et al., 2024). This remarkable data availability of high-quality seismic recordings brings up new opportunities that form the foundation of this thesis, which are:
• Investigation of systematic near-fault effects, including directive-induced pulse-like ground motions, even for moderate earthquakes.
• Empirical analysis of soil amplification factors compared to those recommended in modern seismic design codes (e.g. Eurocode 8 - Part 1, Turkish Seismic Building Code, 2019) and calculated based on probabilistic seismic hazard maps (ESHM20 and EMME14).
Therefore, the thesis first analyzes in Chapter 2, the 2019 MW 5.8 Silivri earthquake ground motions that occurred along the western branch of the North Anatolian Fault Zone, namely the Main Marmara Fault, MMF. This portion of the fault segment, that has not ruptured for the last 250 years, represents a major source contributing to the seismic hazard of the Istanbul region. A statistical residual analysis is performed to capture discrepancies between recorded ground motions and those predicted by recent ground motion models. The results indicate an increase in ground motion residuals toward the rupture propagation, suggesting a link to directivity effects. Repeating the procedure for subsequent earthquakes along the MMF reveals a systematic trend of increased ground motion residuals with azimuthal dependency toward rupture propagation (e.g., towards Istanbul).
Later, in Chapter 3, the 2022 MW 6.1 Gölyaka-Düzce earthquake ground motions are analyzed, which caused severe damage to over 800 buildings despite the moderate magnitude. Near-fault recordings are analyzed to investigate ground motion variability, potentially explaining the severe seismic damage. In addition to the residual analysis, physic based simulations validate the empirical findings of directivity effects and the occurrence of pulse-like ground motions. Further, the observed trend of pulse characteristics (e.g., pulse-orientation) challenge traditional assumptions that directivity-induced velocity pulses occur exclusively on fault-normal (FN) orientations.
Finally, Chapter4 introduces recent site amplification factors (SAFs) defined in seismic building codes, such as Eurocode 8 - Part1and theTurkish Earthquake Building Code (TEBC2019). These predefined SAFs are compared against two methods: (1) empirically derived site-specific SAFs (δS2SS) and (2) probabilistic SAFs based on the ratios of Uniform Hazard Spectra (UHS) derived from PSHA. While slight discrepancies exist between code-based and empirical SAFs, particularly at short periods where code-based SAFs tend to show lower site amplification, the overall alignment among the methods confirms that the recent building codes broadly reflect actual site amplification behavior. However, discrepancies between SAFs derived from different PSHA models suggest potential influences of nonlinear site models represented by specific ground motion models (GMMs) used in these PSHA frameworks.
Based on the recently published seismic database of Türkiye, this dissertation provides important insights for the understanding of seismic ground motions in near-fault areas, which can serve as an important tool for the future development of seismic building codes. Specifically, the findings from Chapters 2 and 3 point to the need for the inclusion of directivity in the update of the Turkish Seismic Hazard Map, which has been neglected for such cases to date, primary (but not exclusively) due to the lack of sufficient number of ground motion recordings. Since seismic hazard maps serve as the basis for seismic standards, the inclusion of such effects would also serve to improve the understanding of site factors in seismic standards.Das Bevölkerungswachstum in Großstädten, die in der Nähe aktiver Verwerfungszonen liegen, wie Istanbul, Tokio und Los Angeles - die zu den acht am dichtesten besiedelten Städten der Welt gehören - erhöht das seismische Risiko für diese städtischen Gebiete erheblich. Bodenbewegungen nahe Verwerfungen, die hauptsächlich durch seismische Quelleffekte kontrolliert werden, können erhöhte Amplituden aufweisen, wenn der Standort in der Ausbreitungsrichtung der Verwerfung liegt (Direktivität), selbst bei moderaten Erdbeben Magnituden. Pulsartige Bodenbewegungen, die durch solche Direktivitätseffekte entstehen können, können zusätzlich zu einer erhöhten seismischen Beschädigung der umgebenden Strukturen führen. In der Türkei, wo 71% der Bevölkerung in der Nähe aktiver Verwerfungszonen leben, ist das Verständnis der Eigenschaften von verwerfungsnahen Bodenbewegungen entscheidend für die Verbesserung der seismischen Gefährdungseinschätzung und somit für erdbebensicheres Bauen. Der weltweite exponentielle Anstieg installierter seismischer Netzwerke ermöglichte die Entwicklung von mehr als 600 Bodenbewegungsmodellen, die ein zentrales Werkzeug jeder probabilistischen Erdbebengefährdungseinschätzung (engl. PSHA) darstellen. Trotz der zunehmenden Anzahl von Bodenbewegungsmodellen hat sich die damit verbundene Unsicherheit jedoch nicht signifikant verringert. Dies könnte darauf hindeuten, dass kritische Parameter möglicherweise noch unzureichend erfasst werden. Während eine große Anzahl von Bodenbewegungsmodellen verfügbar ist, berücksichtigen nur wenige Direktivitätseffekte in Verwerfungsnähe und selbst dann nur für große Magnituden. Infolgedessen vernachlässigen die meisten klassischen PSHA-Modelle diese Effekte nahe Verwerfungen, mit nur wenigen Ausnahmen. Da die Türkei an der Schnittstelle von drei großen tektonischen Platten liegt (Eurasische, Arabische and Afrikanische Platten), ist sie nicht nur durch sehr starke Erdbeben gekennzeichnet, sondern auch durch häufige Erdbeben mittlerer Magnitude, die durch progressive Beschädigung und Schwächung von Strukturen im Laufe der Zeit zu erheblichen kumulativen Risiken führen können. Dies unterstreicht die Bedeutung, nicht nur bei großen Ereignissen Direktivitätseffekte zu berücksichtigen, sondern auch bei mittelgroßen, moderaten Erdbeben.
Der exponentielle Anstieg installierter seismischer Netzwerke in der Türkei, insbesondere nach den MW 7.6 Erdbeben in Kocaeli 1999 und MW 7.2 in Düzce, hat sich die seismische Datenbank des Landes erheblich verbessert und repräsentiert heute eines der größten nationalen seismischen Datenbanken ( Stationen > 800), mit mehr als 95.000 seismischen Aufzeichnungen vertreten durch eine breite Palette von Entfernungen und Magnituden. Diese bemerkenswerte Verfügbarkeit von hochqualitativen seismischen Aufzeichnungen eröffnet neue Möglichkeiten, die die Grundlage dieser Dissertation bilden:
• Untersuchung der systematischen Auswirkungen in Verwerfungsnähe, einschließlich direktivinduzierter pulsartiger Bodenbewegungen, selbst bei mittleren Erdbeben.
• Empirische Analyse von Bodenverstärkungsfaktoren im Vergleich zu denen, die in modernen seismischen Normen (z. B. Eurocode 8 - Teil 1, Türkische Erdbebenbauordnung, 2019) empfohlen und probabilistischen Erdbebengefährdungskarten (ESHM20 und EMME14) berechnet werden.
Dementsprechend analysiert Kapitel 2 der Dissertation zunächst die Bodenbewegungsaufzeichnungen des Silivri-Erdbebens (MW 5.8) aus dem Jahr 2019. Diese fand entlang des westliche Teils der Nordanatolischen Verwerfung, der Marmara-Hauptverwerfung (MMF), statt. Dieser Teil der Verwerfung, der seit den letzten 250 Jahren nicht mehr gebrochen ist, stellt eine wichtige Quelle für die seismische Gefährdung der Region Istanbul dar. Um Diskrepanzen zwischen den aufgezeichneten Bodenbewegungen und denen, die durch aktuelle Bodenbewegungsmodelle vorhergesagt wurden, zu erfassen, wird eine statistische Residuenanalyse durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen einen Anstieg der Residuen in Richtung der Verwerfungsausbreitung, was auf einen Zusammenhang mit Direktivitätseffekten hinweist. Die Wiederholung des Verfahrens für nachfolgende Erdbeben entlang der MMF zeigt einen systematischen Trend erhöhter Residuen mit azimuthal abhängiger Richtung zur Verwerfungsausbreitung (in Richtung Istanbul).
Im Kapitel 3 werden die Bodenbewegungen des Erdbebens Gölyaka-Düzce (MW 6.1) aus dem Jahr 2022 analysiert. Trotz der moderaten Magnitude verursachte es schwere Schäden an über 800 Gebäuden. Verwerfungsnahe seismische Aufzeichnungen werden untersucht, um die Variabilität der Bodenbewegungen zu analysieren, die möglicherweise die schweren seismischen Schäden erklären. Zusätzlich zur Residuenanalyse validieren physikalische Simulationen die empirischen Ergebnisse der Direktivitätseffekte und das Auftreten pulsartiger Bodenbewegungen. Weiterhin stellen die beobachteten Pulscharakteristiken (z. B. Pulsorientierung) traditionelle Annahmen in Frage, dass direktiv-induzierte Geschwindigkeitspulse nur bei großen Magnituden und auf fault-normalen Orientierungen auftreten.
Abschließend wird in Kapitel 4 auf die aktuellen Bodenverstärkungsfaktoren (engl. SAFs) eingegangen, die in seismischen Bauvorschriften definiert sind, wie dem Eurocode 8 - Part 1 und der Türkischen Erdbebenbauordnung (TEBC 2019). Diese vordefinierten SAFs werden mit zwei Methoden verglichen: (1) empirisch abgeleitete standortspezifische SAFs (δS2Ss) und (2) probabilistische SAFs basierend auf den Verhältnissen der Uniform Hazard Spectra (UHS), die durch die Europäischen Erdbebengefährdungseinschätzungsmodelle (ESHM20 und EMME14) abgeleitet wurden. Geringfügige Unterschiede sind zwischen den normbasierten und empirischen SAFs, besonders bei kurzen Perioden vorhanden, wobei die normbasierten SAFs oft eine geringere Bodenverstärkung anzeigen. Zwischen den probabilistischen Methoden (ESHM20 und EMME14) besteht für kurze Perioden ein deutlicher Unterschied, der in Zusammenhang mit den implementierten nichtlinearen Standortmodellen in den Bodenbewegungen erklärt werden könnte. Insgesamt bestätigen die Übereinstimmungen zwischen den beiden Methoden jedoch, dass die Standortfaktoren der aktuellen Bauvorschriften das tatsächliche Verhalten der Bodenverstärkung (empirische δS2Ss Werte) weitgehend zufrieden abbilden.
Basierend auf der kürzlich veröffentlichten seismischen Datenbank der Türkei (Sandıkkaya et al., 2024), liefert die vorliegende Dissertation wichtige Erkenntnisse für das Verständnis seismischer Bodenbewegungen in verwerfungsnahen Gebieten, welches als Hilfsmittel für die Weiterentwicklung sicherer Bauvorschriften dienen kann. Insbesondere die Erkenntnisse aus den Kapiteln 2 und 3 weisen auf die Notwendigkeit hin, bei der Aktualisierung der türkische Erdbebengefährdungskarte die Direktivität mit einzubeziehen, die in solchen Fällen bisher vernachlässigt wurde, was in erster Linie (aber nicht ausschließlich) auf das Fehlen einer ausreichenden Anzahl von seismischen Bodenbewegungsaufzeichnungen zurückzuführen ist. Da seismische Gefährdungskarten als Grundlage für seismische Normen dienen, würde die Einbeziehung solcher Effekte auch dazu dienen, das Verständnis von Standortfaktoren in seismischen Normen zu verbessern
Data Literacy und maschinelles Lernen im natur- und technikwissenschaftlichen Unterricht
No full textIn den aktuellen Bildungsplänen der MINT-Fächer in Baden-Württemberg finden zukunftsrelevante Technologien wie maschinelles Lernen nach verschiedenen Analysen bislang kaum Berücksichtigung. Hinsichtlich einer Bedarfsanalyse aus der schulischen Praxis sowie aktueller Forderungen von Expertinnen und Experten ist es wichtig, dass technische Allgemeinbildung diese Entwicklungen berücksichtigt. Es stellt sich daher die Frage, wie maschinelles Lernen und zugehörige Grundlagen wie z. B. Data Literacy in bestehende Curricula im MINT-Unterricht integriert werden können. Konzeptideen finden sich momentan hauptsächlich im Fachbereich Informatik. Im Unterricht müssen jedoch einerseits bestehende Inhalte, deren allgemeinbildender Charakter bereits zur Diskussion stand, aus den Curricula durchgeführt und andererseits neue technologische Entwicklungen integriert werden. Der vorliegende Beitrag befasst sich aus diesem Grund mit Integrationsmöglichkeiten zukunftsrelevanter Technologien, hier maschinelles Lernen in den MINT-Unterricht der Sekundarstufen I und II im Schulfach Naturwissenschaft und Technik in Baden-Württemberg mit dem großen Ziel einer Data Literacy.In the current STEM curricula in Baden-Württemberg, future-relevant technologies such as machine learning are seldom considered, according to various analyses. Given a needs analysis from the educational field and current demands from experts, it is crucial that technical education reflects these developments. Therefore, the question arises as to how machine learning and related fundamentals, such as Data Literacy, can be integrated into existing STEM curricula. Currently, conceptual ideas mainly exist within the field of computer science. However, in the classroom, it is necessary to both include existing contents that have been questioned for their general educational character and integrate new technological developments. This paper thus addresses possibilities for integrating future-relevant technologies, specifically machine learning into STEM education for secondary levels I and II in the subject of Science and Technology in Baden-Württemberg with the overarching goal of promoting Data Literacy
Zur Politisierung von Studierenden durch das Studium
No full textDer Beitrag untersucht, ob Studierende während und durch das Studium zu politisiert werden, d. h. zu Menschen mit höherer Teilhabebereitschaft und Teilhabeverhalten werden. Auf Basis des Potsdamer Studierenden-Panels und der Potsdamer Absolventenstudie werden Querschnittsanalysen mit Drittvariablenkontrolle von vielfältigen Indikatoren von Teilhabe auf die Studiendauer vorgenommen. Darüber hinaus werden dieselben zu schätzenden kausalen Effekte mithilfe von Fixed Effects Panelregressionen untersucht. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass sich die Potsdamer Studierenden während des Studiums nicht über das bereits vor dem Studium vorhandene Maß politisieren
Anionic polymerization of 1,3-dienes in nonpolar solvents and in bulk
No full textDiese Arbeit beschreibt die sec-Butyllithium initiierte, anionische Polymerisation von Isopren und ß-Myrcen in verschiedenen Kohlenwasserstoff-Lösungsmitteln und in Substanz. Neben den gängigen Lösungsmitteln für die anionische Polymerisation, Cyclohexan und Benzol, wurden Cyclohexen, Cyclohexa-1,4-dien, 4-Vinyl-1-cyclohexen und DL-Limonen als Lösungsmittel für Polymerisationen im Rahmen eines ersten Screenings beider Monomere, sowie (mit Ausnahme von Benzol) für systematische kinetische Studien zur anionischen Polymerisation von β-Myrcen verwendet. Alle synthetisierten Polymere wurden mittels NMR-Spektroskopie und Gelpermeationschromatographie (GPC), sowie gegebenenfalls mittels MALDI-TOF-Massenspektrometrie, analysiert. Die Ergebnisse des Screenings zeigten, dass die anionische Polymerisation der beiden Monomere in den gängigen Lösungsmitteln sowie in ungesättigten Kohlenwasserstoffen grundsätzlich möglich ist und dass alle Polydiene einen hohen Gehalt an 1,4-Einheiten (> 90 %) und einen geringen Gehalt an 3,4-Einheiten (6-12 %) aufweisen. Auch zeigten Sie, dass die Polymerisationen von Isopren merklich langsamer als jene von β-Myrcen verliefen, wofür ein möglicher Erklärungsansatz gefunden werden konnte. Die Ergebnisse der systematischen kinetischen Studien wiederum zeigten, dass die Polymerisationen in allen Lösungsmitteln, bis auf Cyclohexa-1,4-dien ab [M]0/[I]0 = 100 (Eine mögliche Erklärung für den Abbruch wurde postuliert) und (im geringeren Maße) DL-Limonen ab [M]0/[I]0 = 400 lebend verliefen (ohne Abbruch- und Kettenübertragungsreaktionen) und führten zu Polymyrcenen mit einem hohen Gehalt (> 90 %) an 1,4-Einheiten und einem geringen Gehalt (6-7 %) an 3,4-Einheiten. Hinsichtlich der Reaktionsordnung (RO) in Bezug auf die Anfangs-Monomerkonzentration ([M]0)) ergab eine Untersuchung am Beispiel der Polymerisation von β-Myrcen in Cyclohexan eine RO von 1, was auf eine lineare Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von [M]0 hinweist. Die Reaktionsordnung in Bezug auf die Konzentration der aktiven Zentren ([P*]0) wiederum lag in Cyclohexan bei 0,25 und erhöhte sich in ungesättigten Lösungsmitteln auf 0,5. Dies weist darauf hin, dass die Polymyrcenyllithium-Ketten im jeweiligen Lösungsmittel als tetramere bzw. dimere Assoziate vorliegen. Bezogen auf den Assoziationsgrad der Ketten konnte zudem gezeigt werden, dass dieser offenbar mit steigender Dielektrizitätskonstante (ε) und damit mit dem zunehmenden Potential Li+-Ionen zu solvatisieren, abnimmt. Im Rahmen der anionischen Polymerisation von β-Myrcen in 4-Vinyl-1-cyclohexen traten Farbänderungen der Reaktionslösungen auf, für welche ein Erklärungsansatz postuliert wurde. Die im Rahmen dieser Arbeit ermittelten und diskutierten apparenten Aktivierungsenergien des Wachstumsschritts betragen 81 kJ mol-1 (in Cyclohexan) und 77 kJ mol-1 (in DL-Limonen). Bei der Polymerisation von β-Myrcen und Isopren in Substanz wurden wie bei den Polymerisationen in Lösung Polydiene mit einem hohen Gehalt an 1,4-Einheiten (> 90 %) und einem geringen Gehalt an 3,4-Einheiten (5-9 %) erhalten. Jedoch traten hier bei Raumtemperatur exotherme Reaktionen, Viskositätsanstiege und Farbumschläge auf. Bei Isopren waren diese Effekte verzögert und es wurden anders als bei β-Myrcen keine multimodale Molmassenverteilung in der GPC beobachtet. Mögliche Erklärungen für die auftretenden Phänomene sowie die beobachteten Unterschiede wurden postuliert.This work describes the sec-butyllithium-initiated anionic polymerization of isoprene and β-myrcene in various hydrocarbon solvents and in bulk. In addition to the common solvents for anionic polymerization, cyclohexane and benzene, cyclohexene, cyclohexa-1,4-diene, 4-vinyl-1-cyclohexene, and DL-limonene were used as solvents for polymerizations in an initial screening of both monomers, as well as (with the exception of benzene) for systematic kinetic studies on the anionic polymerization of β-myrcene. All synthesized polymers were analyzed by NMR spectroscopy and gel permeation chromatography (GPC), and, where appropriate, by MALDI-TOF mass spectrometry. The screening results showed that anionic polymerization of the two monomers is fundamentally possible in common solvents as well as in unsaturated hydrocarbons, and that all polydienes exhibit a high content of 1,4-units (> 90%) and a low content of 3,4-units (6-12%). They also showed that the polymerization of isoprene was noticeably slower than that of β-myrcene, for which a possible explanation could be found. The results of the systematic kinetic studies showed that the polymerizations proceeded in a living state (without termination and chain transfer reactions) in all solvents except for cyclohexa-1,4-diene from [M]0/[I]0 = 100 (a possible explanation for the termination was postulated) and (to a lesser extent) DL-limonene from [M]0/[I]0 = 400 and led to polymyrcenes with a high content (> 90 %) of 1,4-units and a low content (6-7 %) of 3,4-units. Regarding the reaction order (RO) with respect to the initial monomer concentration ([M]0)), a study using the example of the polymerization of β-myrcene in cyclohexane yielded an RO of 1, indicating a linear dependence of the reaction rate on [M]0. The reaction order with respect to the concentration of the active sites ([P*]0) was 0.25 in cyclohexane and increased to 0.5 in unsaturated solvents. This indicates that the polymyrcenyllithium chains exist as tetrameric or dimeric associates in the respective solvent. Furthermore, it was shown that the degree of association of the chains decreases with increasing dielectric constant (ε) and thus with the increasing potential to solvate Li+ ions. During the anionic polymerization of β-myrcene in 4-vinyl-1-cyclohexene, colour changes in the reaction solutions occurred, for which an explanation was proposed. The apparent activation energies of the growth step determined and discussed in this work are 81 kJ mol-1 (in cyclohexane) and 77 kJ mol-1 (in DL-limonene). As in the solution polymerizations, the bulk polymerization of β-myrcene and isoprene yielded polydienes with a high content of 1,4-units (> 90%) and a low content of 3,4-units (5-9%). However, exothermic reactions, viscosity increases, and colour changes occurred at room temperature. These effects were delayed in isoprene, and unlike β-myrcene, no multimodal molar mass distribution was observed in GPC. Possible explanations for the phenomena occurring and the observed differences were postulated
Große spannungsgesteuerte Ionenkanäle: Zellgebundene und zellfreie Strategien zur Produktion, Optimierung und Funktionsanalyse ohne Reinigung
No full textIon channels, particularly voltage-gated ion channels (VGICs), play a critical role in cellular physiology, meticulously controlling the selective movement of ions across biological membranes. Among these, cardiac-associated ion channels (hERG, hCaV1.2, hNaV1.5) and pain-associated ion channels (hNaV1.8, hNaV1.9) have become key therapeutic targets in recent decades, as their dysfunctions are directly linked to serious health conditions, such as arrhythmias and chronic pain, with significant unmet medical needs. Despite significant research efforts, traditional technologies for producing these channels predominantly rely on cellular expression systems, which often suffer from inherent limitations including cytotoxic effects, protein aggregation, misfolding, and compromised functional expression. To overcome these limitations, this thesis explores eukaryotic cell-free protein synthesis (CFPS) as an innovative and transformative platform technology specifically tailored for synthesizing large, pharmacologically relevant VGICs. The CFPS approach involves synthesizing membrane proteins in lysates enriched with Endoplasmic Reticulum-derived microsomal vesicles, enabling co-translational membrane integration. Notably only a limited number of non-human lysate systems which can be handled in S1 safety labs such as the Spodoptera frugiperda 21 (Sf21) and Chinese Hamster Ovary (CHO) lysates have demonstrated this capability. Across the three sections of this thesis evaluate CFPS applicability for complex, multipass membrane proteins. In the initial section, the synthesis efficiency and integration capabilities of CFPS for large VGICs, specifically hhCaV1.2, hERG, hNaV1.8, and hNaV1.9, were analyzed within microsomal environments. A comparative analysis was performed between Sf21 and CHO lysates, and batch versus continuous exchange reaction modes were evaluated, providing critical insights into optimizing protein synthesis and integration. In the second section, functionality tests of the synthesized VGICs were conducted using lipid bilayer electrophysiology assays. Channels produced in CHO lysates exhibited functional ion transport properties and accurately responded to pharmacological antagonists. Specifically, the hNaV1.8 and hNaV1.9 channels demonstrated significant specificity towards their known inhibitors, confirming the preservation of their natural pharmacological characteristics despite the influence of artificial lipid bilayers. The final section presents a comprehensive comparison of CFPS-produced VGICs embedded in native microsomal membranes versus traditionally obtained cell-based native plasma membrane vesicles of comparable dimensions. This comparison utilized lipid bilayer electrophysiology to elucidate critical functional distinctions and similarities, highlighting the advantages and limitations inherent to each approach. In conclusion, this thesis establishes CFPS as a robust, versatile, and effective platform for producing and characterizing challenging-to-express VGICs with significant pharmacological relevance. By successfully and rapidly synthesizing functional VGICs and preserving their physiological responsiveness, this work lays the foundation for advanced scientific investigations and the rapid development of high throughput screening systems, ultimately facilitating accelerated drug discovery and targeted therapeutic interventions in VGIC research.Ionenkanäle, insbesondere spannungsabhängige Ionenkanäle (VGICs), spielen eine entscheidende Rolle in der Zellphysiologie, da sie die selektive Bewegung von Ionen durch biologische Membranen genauestens kontrollieren. Zu diesen Kanälen gehören die herzassoziierten Ionenkanäle (hERG, hCaV1.2, hNaV1.5) und die schmerzassoziierten Ionenkanäle (hNaV1.8, hNaV1.9), die sich in den letzten Jahrzehnten zu wichtigen therapeutischen Zielen entwickelt haben, da ihre Fehlfunktionen direkt mit schwerwiegenden Gesundheitszuständen wie Herzrhythmusstörungen und chronischen Schmerzen verbunden sind, für die es einen erheblichen medizinischen Bedarf gibt. Trotz intensiver Forschung stützen sich traditionelle Herstellungsmethoden für diese Kanäle hauptsächlich auf zelluläre Expressionssysteme, welche oft unter inhärenten Limitierungen wie zytotoxischen Effekten, Proteinaggregation, Fehlfaltung und eingeschränkter funktioneller Expression leiden. Um diese Herausforderungen zu überwinden, untersucht diese Arbeit die eukaryotische zellfreie Proteinsynthese (CFPS) als innovative und transformative Plattformtechnologie zur Produktion hochmolekularer, pharmakologisch relevanter VGICs. Der CFPS-Ansatz beinhaltet die Proteinsynthese in Lysaten, welche mit vom endoplasmatischen Retikulum stammenden mikrosomalen Vesikeln angereichert sind, wodurch eine ko-translationale Integration der Proteine in Membranen ermöglicht. Nur wenige Systeme wie Spodoptera frugiperda 21 (Sf21) und Chinese Hamster Ovary (CHO)-Lysate verfügen über diese Fähigkeit. Die Dissertation ist in drei Hauptabschnitte unterteilt, welche die Anwendbarkeit von CFPS für komplexe, multipass-Membranproteine systematisch evaluieren. Im ersten Abschnitt werden die Syntheseeffizienz und Integrationsfähigkeit großer VGICs (hCaV1.2, hERG, hNaV1.8 und hNaV1.9) im mikrosomalen Umfeld untersucht. Dabei wird die Effizienz der Sf21- und CHO-basierten CFPS-Systeme sowie die Betriebsmodi (Batch oder kontinuierlicher Austausch) verglichen, um kritische Erkenntnisse zur Optimierung von Proteinsynthese und -integration zu gewinnen. Im zweiten Abschnitt werden funktionelle Tests der synthetisierten VGICs mittels lipidbasierten elektrophysiologischen Assays durchgeführt. Dabei zeigten die in CHO-Lysaten produzierten Kanäle funktionelle Eigenschaften und reagierten spezifisch auf pharmakologische Antagonisten. Insbesondere die Kanäle hNaV1.8 und hNaV1.9 demonstrierten hohe Spezifität für bekannte Inhibitoren, was die Bewahrung ihrer physiologischen und pharmakologischen Eigenschaften bestätigt, trotz des Einflusses der verwendeten Lipid-Doppelschichten. Im abschließenden Abschnitt der Arbeit erfolgt ein Vergleich zwischen der Funktionalität der zellfrei produzierten VGICs und der natürlich exprimierten VGICs aus zellulären Vesikeln (native Vesikel). Durch elektrophysiologische Messungen in Lipid-Doppelschichten werden wichtige funktionelle Unterschiede und Gemeinsamkeiten herausgestellt und Vor- und Nachteile der jeweiligen Ansätze aufgezeigt. Zusammenfassend etabliert diese Dissertation die zellfreie Proteinsynthese als leistungsfähige, vielseitige und effiziente Plattform zur Herstellung und Charakterisierung pharmakologisch relevanter, schwierig zu exprimierender VGICs. Durch die erfolgreiche Herstellung funktioneller Kanäle und die Bewahrung ihrer physiologischen Funktionalität legt diese Arbeit den Grundstein für weitere wissenschaftliche Untersuchungen sowie für die schnelle Entwicklung von Hochdurchsatz-Screening-Systemen im Bereich der VGIC-Forschung
Aphasie trifft Hund: Hundegestützte Gruppentherapie bei Aphasie
No full textGruppentherapie wird in der sprachtherapeutischen Praxis und in Reha-Einrichtungen bereits standardmäßig durchgeführt. Zunehmend kommt es dabei auch zum Einsatz tiergestützter Intervention. Die jeweilige Wirksamkeit wird in einzelnen Publikationen bereits diskutiert. Diese Arbeit schildert die Sicht der Patient:innen und deren Gefühle in Bezug auf die tiergestützte Gruppentherapie. Hierbei stellt sich heraus, dass die Patient:innen durch den Therapiebegleithund mehr Freude an der Therapie haben und sich durch diesen gestärkt fühlen
Ansätze zum Lernen kollaborativer visueller Referenzierung
No full textGiven the central role of referring to objects in situated human-human interaction, researchers have long tried to understand and replicate this ability. This thesis aims specifically to learn models for the task of collaborative visual referring, the joint activity of resolving references to objects over multiple turns of interaction. We ask whether neural network-based agents can learn this capability within visually situated, task-oriented contexts. Furthermore, we argue that such a collaborative capability is intuitively best learned through interaction with others.
We formulate three premises that affect situated human-human referring behavior: (i) the role of time and (ii) effort in utterance production, as well as (iii) the support provided from a partner. The idea is that these premises should be part of the neural agent learning process to cause more human-like behavior to emerge. Therefore, we base our research framework on the mechanics of RL which allows us to bootstrap neural agent learning in a virtual environment with heuristic-based simulated partners. Moreover, the role of time is inherently represented with time steps, and language actions can be attributed with effort signals. Within this framework, we implement an interactive game in which a follower and a guide collaborate to select a Pentomino piece among distractors.
Our results show that neural followers benefit from intermediate feedback provided by heuristic guides and that neural guides can adapt their communication strategies toward exhibited heuristic follower behavior. Neural agents trained further together also show a tendency to minimize their collaborative effort, a phenomenon we observe in human-human interactions.
These findings contribute to the larger research goal of creating learning systems that communicate more naturally and adaptively with humans. Future research in this direction could enable neural network-based companions to assist in complex real-world tasks, such as furniture assembly.Aufgrund der zentralen Rolle des Verweisens auf Objekte in der situativen Mensch-Mensch Interaktion versuchen Forscher seit langem, diese Fähigkeit zu verstehen und nachzubilden. Ziel dieser Thesis ist es, insbesondere Modelle für die Aufgabe der kollaborativen visuellen Bezugnahme zu erlernen, also die gemeinsame Tätigkeit des Auflösens von Verweisen auf Objekte über mehrere Interaktionsrunden hinweg. Wir fragen, ob neuronale Agenten diese Fähigkeit in visuell situierten, aufgabenorientierten Kontexten erlernen können. Darüber hinaus argumentieren wir, dass eine solche kollaborative Fähigkeit intuitiv am besten durch die Interaktion mit anderen erlernt wird.
Wir formulieren drei Prämissen, die das situierte zwischenmenschliche Verweisverhalten beeinflussen: (i) die Rolle der Zeit und (ii) der Anstrengung bei der Äußerungsproduktion sowie (iii) die Unterstützung durch einen Partner. Die Idee ist, dass diese Prämissen Teil des Lernprozesses neuronaler Agenten sein sollten, um ein menschenähnlicheres Verhalten hervorzubringen. Daher stützen wir unseren Forschungsrahmen auf die Mechaniken des RL. Diese ermöglichen uns das Lernen neuronales Agentenlernen in einer virtuellen Umgebung mit heuristikbasierten simulierten Partnern zu starten. Hierbei wird die Rolle der Zeit inhärent durch Zeitschritte abgebildet, und Sprachaktionen können mit Anstrengungssignalen verknüpft werden. In diesem Rahmen implementieren wir ein interaktives Spiel, bei dem ein Follower und ein Guide zusammenarbeiten, um ein Pentominostück unter Ablenkern auszuwählen.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass neuronale Follower von Zwischenfeedback durch heuristische Guides profitieren und dass neuronale Guides ihre Kommunikationsstrategien an das gezeigte heuristische Followerverhalten anpassen können. Neurale Agenten, die weiter gemeinsam trainiert werden, zeigen zudem auch eine Tendenz, ihre gemeinsame Anstrengung zu minimieren, ein Phänomen, das wir bei Mensch-Mensch-Interaktionen beobachten. Diese Erkenntnisse tragen zum größeren Forschungsziel bei, Lernsysteme zu schaffen, die natürlicher und adaptiver mit Menschen kommunizieren. Zukünftige Forschung in dieser Richtung könnte es neuronalen netzwerkbasierten Begleitern ermöglichen, bei komplexen Aufgaben der realen Welt wie dem Zusammenbau von Möbeln zu helfen
Text vignettes as a tool for professional development in teacher education
No full textDer Lehrkräfteberuf ist geprägt von komplexen pädagogischen Situationen, die insbesondere im Umgang mit Heterogenität und Inklusion hohe Anforderungen an professionelles Handeln stellen (Krauskopf et al., 2020). Um diesen Herausforderungen angemessen zu begegnen, benötigen Lehrkräfte professionelle Kompetenzen, zu denen neben kognitiven auch affektiv-motivationale Komponenten wie Selbstwirksamkeit zählen (Baumert & Kunter, 2006; Blömeke et al., 2015). Vor diesem Hintergrund gewinnen Ansätze des situierten Lernens an Bedeutung (Lave & Wenger, 1991), wie der Einsatz von Vignetten, die authentische Situationen für angehende Lehrkräfte erfahrbar machen und zur Förderung professioneller Kompetenzen beitragen können.
Ziel der vorliegenden kumulativen Dissertation war es, Textvignetten evidenzbasiert zu konzipieren und systematisch zu strukturieren sowie deren Einsatz im Rahmen vignettenbasierter Interventionen zu erproben, um deren Effekte auf die Selbstwirksamkeitsentwicklung angehender Lehrkräfte im Zusammenspiel mit emotionalen Aspekten systematisch zu untersuchen. Die vorliegende Dissertation basiert auf vier empirischen Arbeiten. Zum Zeitpunkt der Eröffnung des Promotionsvorhabens waren die Teilstudien 1, 2 und 4 nach erfolgreichem Peer-Review in Fachzeitschriften bzw. einem Herausgeberband publiziert. Teilstudie 3 ist derzeit zur Veröffentlichung eingereicht und befindet sich im Peer-Review-Verfahren.
In Teilstudie 1 wurde untersucht, inwiefern subjektive Lernerfahrungen angehender Lehrkräfte für die evidenzbasierte Konzeption von Textvignetten genutzt werden können. Dazu wurden 1337 anonymisierte Feldtagebucheinträge aus einem außerunterrichtlichen Praktikum analysiert, systematisch bewertet und 99 davon in Textvignetten überführt. Die entwickelten Textvignetten wurden in einer Stichprobe von 450 Lehramtsstudierenden hinsichtlich ihrer Authentizität beurteilt und im Durchschnitt als realitätsnah eingeschätzt.
In Teilstudie 2 wurde im Rahmen von zwei Teilstichproben angehender Lehrkräfte untersucht (Studie 1: n = 364; Studie 2: n = 304), inwiefern sich Textvignetten hinsichtlich des emotionalen Erlebens unterscheiden lassen und ob sich daraus Emotionscluster ableiten lassen. Auf Basis der Einschätzungen angehender Lehrkräfte konnten drei Vignettencluster (positiv nuancierte, negativ nuancierte und neutrale Vignetten) identifiziert werden, die sich in der Art und Intensität der evozierten Emotionen unterschieden. Zusatzanalysen zeigten, dass negativ nuancierte Vignetten immersiver erlebt werden und ein höheres Diskussionsbedürfnis auslösen, während positiv nuancierte Vignetten mit höherer Perspektivübernahme und situativer Selbstwirksamkeit einhergingen.
In Teilstudie 3 wurde auf eine Stichprobe von 443 angehenden Lehrkräften zurückgegriffen. Im Rahmen eines quasi-experimentellen Prä-Post-Follow-up-Kontrollgruppendesigns wurde untersucht, welchen Effekt eine textvignettenbasierte Intervention in Verbindung mit einem Praktikum auf die Entwicklung der Selbstwirksamkeit angehender Lehrkräfte zeigt. Während in der Interventionsgruppe mit Textvignetten gearbeitet wurde, bearbeiteten die Studierenden der Kontrollgruppe akademische Fachtexte. Die Ergebnisse zeigen, dass die Selbstwirksamkeit in der Interventionsgruppe zunächst direkt nach der textvignettenbasierten Intervention abnahm, nach dem Praktikum jedoch im Vergleich zur Kontrollgruppe anstieg.
In Teilstudie 4 wurde auf Basis einer Stichprobe von 60 angehenden Lehrkräften untersucht, wie sich der Einsatz einer Textvignette als Masterly-Modell und als Coping-Modell im Vergleich zu akademischen Fachtexten auf die Entwicklung der Selbstwirksamkeit auswirkt. Zudem wurde der Zusammenhang von Freude und Ärger mit der Selbstwirksamkeit in der Auseinandersetzung mit Textvignetten sowie akademischen Fachtexten und deren Entwicklung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass nur die Textvignette als Coping-Modell im Vergleich zum akademischen Fachtext zu einer Zunahme der Selbstwirksamkeit führte. Zudem erwies sich das Erleben von Freude am Ende der Intervention als positiver, Ärger hingegen als negativer Prädiktor für die Selbstwirksamkeit.
Zusammenfassend machen die zentralen Befunde der vorliegenden Dissertation deutlich, dass Textvignetten, die auf Basis subjektiver Lernerfahrungen entwickelt, emotional nuanciert gestaltet und in Verbindung mit Praxisphasen im Kontext der akademischen Lehrkräftebildung eingesetzt werden, ein wirksames Instrument zur Förderung der Selbstwirksamkeit angehender Lehrkräfte sein können.The teaching profession is characterized by complex educational contexts that place high demands on professional competence, particularly in relation to diversity and inclusion (Krauskopf et al., 2020). To address these challenges effectively, teachers require professional competencies that encompass cognitive, affective, and motivational components, such as self-efficacy (Baumert & Kunter, 2006; Blömeke et al., 2015). Against this backdrop, approaches based on situated learning (Lave & Wenger, 1991) are gaining in importance, such as the use of vignettes that allow preservice teachers to engage with authentic situations and support the development of professional competencies.
This cumulative dissertation aimed to design text vignettes based on empirical evidence, structure them systematically, and evaluate their use in vignette-based interventions to investigate their effect on preservice teachers’ self-efficacy development in relation to emotional factors. The dissertation is based on four empirical studies. Studies 1, 2, and 4 had been published in academic journals or an edited volume following successful peer review at the time of submission. Study 3 has been submitted for publication and is currently under peer review.
Paper 1 investigated the extent to which the subjective learning experiences of preservice teachers can inform the evidence-based design of text vignettes. To this end, 1.337 anonymized field journals from an extracurricular internship were analyzed and systematically evaluated, with 99 of them subsequently being transformed into text vignettes. A sample of 450 preservice teachers subsequently assessed the resulting vignettes for authenticity and perceived them as realistic.
Paper 2 examined the extent to which text vignettes differ in terms of emotional experience and whether distinct emotional clusters can be identified. Data were collected from two subsamples of preservice teachers (Sample 1: n = 364; Sample 2: n = 304). Based on the participants’ ratings, three clusters of vignettes were identified (positively nuanced, negatively nuanced, and neutral vignettes). These clusters differed in the type and intensity of emotions they evoked. Additional analyses revealed that negatively nuanced vignettes were experienced as more immersive and elicited a greater need for discussion. In contrast, positively nuanced vignettes were associated with greater perspective-taking and situational self-efficacy.
Paper 3 examined the effects of a vignette–based intervention in combination with an internship on the development of preservice teachers’ self-efficacy. Data were collected from 443 preservice teachers using a quasi-experimental pre-post-follow-up control group design. While the intervention group worked with text vignettes, the control group worked with academic texts. Results showed that self-efficacy initially declined in the intervention group directly after the vignette–based intervention but increased following the internship compared to the control group.
Paper 4 examined the effects of using a text vignette as a masterly model or a coping model, compared to academic texts, on the development of preservice teachers’ self-efficacy. Data were collected from a sample of 60 preservice teachers. The study also investigated the relationship between enjoyment and anger and their impact on self-efficacy in response to both vignette and academic text conditions. Results showed that only the coping model vignette led to an increase in self-efficacy compared to the academic text. Additionally, enjoyment at the end of the intervention was a positive predictor of self-efficacy, while anger was a negative predictor.
In summary, the main findings of this dissertation highlight that text vignettes, based on subjective learning experiences, designed with emotional nuance, and implemented in connection with internships within the context of academic teacher education, can foster preservice teachers’ self-efficacy
