University of Kaiserslautern
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Professional development program to promote students’ conceptual understanding through technology-enhanced teaching: a learner-centered evaluation
Get PDFIntroduction: The digital transformation of schools is currently in progress; yet, the beneficial utilization of technology-enhanced teaching (TET) for students’ learning remains an intricate endeavor. Teachers report a lack of skills in integrating technology to support learning and call for teacher professional development programs (TPDPs) and best practice materials. This paper outlines the concept and evaluation design of the TPDP MaTeGnu for upper secondary schools. MaTeGnu aims to exploit the potential of technology for instructional quality to support students’ conceptual learning with a focus on basic mental models. Based on a research synthesis on influential factors of TPDPs we formulate a TPDP model to facilitate the crucial transfer process from TPDP offer to teaching and thereof discuss the alignment of the MaTeGnu design with the model.
Methods: The present study aims to evaluate the MaTeGnu TPDP concept by assessing the students’ understanding, as central objective of the project. This evaluation employs an experimental-vs.-control-group design, which involves a comparison of the utilization of basic mental models (BMM) and the conceptual understanding of students regarding the concept of derivatives in classes, where teachers participate in MaTeGnu TPDP (NEG = 151) and in other classes at the respective schools (NCG = 571).
Results: Students from MaTeGnu teacher educator classes demonstrate significantly higher conceptual understanding [t(225) = 3.78, p < 0.001, d = 0.346] and utilization of basic mental models, particularly of local rate of change [t(267) = 5.17, p < 0.001, d = 0.474], compared to other students.
Discussion: The findings at the most distant impact level of TPDP reveal noteworthy empirical evidence of the efficacy of the MaTeGnu approach of TET with BMM, particularly the accompanying transfer support, as outlined in our proposed TPDP transfer process model. The emphasis on BMM could provide an effective strategy to implement TET beneficial for learning, even in the more formal setting of upper secondary school mathematics
Experimental Investigation of Internal and External EGR Effects on a CNG-OME Dual-Fuel Engine
Get PDFDual-fuel engines powered by renewable fuels provide a potential
solution for reducing the carbon footprint and emissions of
transportation, contributing to the goal of achieving sustainable
mobility. The investigation presented in the following uses a dual-fuel
engine concept running on biogas (referred to as CNG in this paper)
and the e-fuel polyoxymethylene dimethyl ether (OME). The current
study focuses on the effects of exhaust gas rebreathing and external
exhaust gas recirculation (EGR) on emissions and brake thermal
efficiency (BTE).
A four-cylinder heavy-duty engine converted to dual-fuel operation
was used to conduct the engine tests at a load point of 1600 min-1 and
9.8 bar brake mean effective pressure (BMEP). The respective shares
of high reactivity fuel (HRF, here: OME) and low reactivity fuel (LRF,
here: CNG) were varied, as were the external and internal EGR rates
and their combinations. CNG was injected into the intake manifold to
create a homogeneous air-fuel mixture, while OME was introduced as
a pilot injection directly into the combustion chamber. Results showed
an increase in total hydrocarbons (THC) and carbon monoxide (CO)
emissions, while nitric oxide (NOx) emissions were significantly
reduced compared to diesel operation. Soot emissions were completely
mitigated due to the absence of direct carbon bonds in both CNG and
OME. For the initial stage of the study, exhaust gas rebreathing was
implemented on only one exhaust valve through a second event lift.
For the second part of the study, the second event lift was also installed
on the other exhaust valve. At a substitution rate of 50 % CNG, THC
emissions could be lowered by up to 35 %, CO emissions by up to
50 % and NOx emissions by up to 18 % with the use of internal EGR.
The combination of internal and external EGR reduced emissions even
further
Ion molecule reaction dynamics for disentangling competing reactive pathways
Get PDFChemical reactions are by definition dynamical. Reactants move towards each other, collide and products separate again. Therefore, it is important to look beyond the stationary description, and look at how molecules rearrange and how energy is partitioned during a reactive collision. Chemical reactions are complex and often involve competing chemical and/or atomistic pathways whose dominance depends on several factors as for example the involved quantum states or collision energy. Here, we focus on ion molecule reactions which play an important role in gaseous environments even though their steady-state abundance is often much lower than that of their neutral counterparts. We present the use of angle and energy differential cross sections from crossed beam imaging experiments to disentangle competing reaction pathways. The general term pathways includes different effects of specific reactant quantum states on the atomistic mechanism to the competition of different product channels
Shrinking cities in the longer term: Changing urbanisation patterns and resilience following climate catastrophes
Get PDFCoastal port-industrial areas are becoming increasingly significant due to urban shrinkage, population
decline, and climate change. To address social and economic issues and enhance climate resilience, it
is crucial to anticipate urban shrinkage in both stable and growing coastal areas that are undergoing
economic transformation. Urban planning can better understand the dynamics of planning for urban
shrinkage and climate resilience, as port-industrial areas have a large economic impact on nearby
coastal communities.
This dissertation examines the long-term implications of urban shrinkage in coastal port-industrial
areas in the context of climate change and sea level rise in England. The research problem is that
current urban policy does not adequately address the challenges of urban shrinkage and climate
resilience in these areas. The research questions are: What are the population changes in local areas
in England? What effect does population decline have on changing urbanisation patterns in older
industrial areas? What type of adaptation efforts were made in North East Lincolnshire, England, and
Bremerhaven, Germany, in response to the 2013 tidal surge, and how did this affect urban
shrinkage?
The dissertation applies an integrated concept of Shrinkage-Resilience as a framework for analysis.
The methodology includes a review of existing models and frameworks, as well as case studies of
international and local contexts. The findings suggest that between 2013-2019, 68% of older
industrial areas (including coastal ports) in England are undergoing changing urbanisation patterns
relative to population, land use, and green belt areas, and are key areas for urban policy, such as the
Levelling Up agenda. One of the areas, North East Lincolnshire is discussed and compared to
Bremerhaven. These examples demonstrate the link between Shrinkage-Resilience approaches and
their practical implementation in coastal port-industrial areas affected by urban shrinkage.
This research advances the scientific practice of urban planning and policy-making for shrinking cities
by introducing the approach of Shrinkage-Resilience, which emphasises the importance of
considering long-term social, economic, and environmental impacts in urban shrinkage contexts. This
approach is crucial in the transition to a more sustainable and inclusive society, where the welfare of
present and future generations, the environment, and economic development are taken into
account. The dissertation provides recommendations for urban planning to incorporate policy
changes for shrinking cities and coastal port-industrial areas worldwide, to include disaster risk
reduction and climate change adaptation approaches
World2Go – Der digitale Botanische Garten mit handlungsorientierten Stationen im Klassenzimmer
Get PDFIm Rahmen der vorliegenden Dissertation sind zwei Geobotanik-Boxen konzipiert worden, die sich nahtlos in einen interdisziplinären Unterricht der beiden naturwissenschaftlichen Fächer Erdkunde und Biologie integrieren lassen. Die Geobotanik-Boxen basieren auf einem digital gestützten Lernzirkel, der sich thematisch mit den Anpassungsstrategien von Pflanzen an die tropische und subtropische Klimazone beschäftigt, der den Schüler*innen adressatengerechte Hinweise und Aufgaben zur Verfügung stellt und gleichzeitig das analoge Experimentieren und Durchführen von Versuchen ermöglicht. Dadurch sollen sowohl das digitale Lernen als auch naturwissenschaftliche Arbeitsweisen bei den Schüler*innen der Klassenstufen 5-13 gefordert und gefördert werden.
Begleitet wird der Einsatz der beiden Geobotanik-Boxen von einer zweigleisigen Studie, die sich sowohl auf die Schüler*innen als auch die Lehrer*innen bezieht. Durch ein quantitatives Forschungsdesign (Fragebogen für die Schüler*innen) soll zum einen herausgefunden werden, ob ein digitaler Lernzirkel in den Schulunterricht integriert werden kann, und zum anderen ein Überblick geschaffen werden, welchen Umgang die Schüler*innen mit digitalen Medien bereits erlernt haben. Der Schwerpunkt der Forschung befindet sich im zweiten Teilbereich der Studie. Hier werden die Lehrkräfte, die an dem Projekt „World2Go“ teilgenommen haben, in Interviews zum Lernzirkel und dem Einsatz von digitalen Medien im Unterricht befragt.
Da im Zuge des Projektes auch eine Lehrer*innenfort- und -weiterbildung konzipiert werden soll, die sich an den Wünschen und Bedürfnissen der Lehrkräfte orientiert, werden auch diese beiden Bereiche in den Interviews abgedeckt. Gestützt durch die Ergebnisse aus beiden Forschungsbereichen, beabsichtigt diese Arbeit die Entwicklung einer Lehrer*innenfort- und -weiterbildung. Diese Bildungsmaßnahme hat zum Ziel, einerseits das Projekt „World2Go“ vorzustellen und Lehrkräften die Integration der Geobotanik-Boxen in ihren Unterricht zu erleichtern und andererseits die Erkenntnisse aus der projektbezogenen Forschung aufzugreifen, um Lehrkräften die Gestaltung eines digital gestützten Unterrichts zu erleichtern
Babyboomer in Jena - Soziodemografische, sozialstrukturelle und wohnungsbezogene Merkmale
Get PDFDas Fachgebiet Stadtsoziologie der RPTU Kaiserslautern-Landau hat im Jahr 2022 eine teilstandardisierte Befragung der 50- bis 75-jährigen Einwohner:innen von sieben Modellkommunen durchgeführt. Urbane, suburbane und ländliche Kommunen aus drei Bundesländern wurden ausgewählt. Dieser „Steckbrief“ für die Stadt Jena beinhaltet die Ergebnisse für die zentralen soziodemografischen, sozialstrukturellen und wohnungsbezogenen Merkmale der Babyboomer (53- bis 67-jährigen).
Die Ergebnisse bilden einen kleinen Ausschnitt der Befragung zum Wohnen, der Wohnumgebung, der Freizeitgestaltung und digitaler Affinität der älteren Menschen und vor allem der Babyboomer-Kohorte in den Kommunen. Insgesamt wurden über 5.000 Menschen befragt. Eingebettet ist die Umfrage in das Projekt „Ageing Smart – Räume intelligent gestalten“, das die geburtenstarken Jahrgänge 1955 bis 1969 ("Babyboomer") adressiert. Mit dem sukzessiven Übergang der Babyboomer in den Ruhestand sind die Gesellschaft und insbesondere die Kommunen gefordert, angemessene Angebote zum Wohnen und für Betätigungsmöglichkeiten zu entwickeln.
Das Projekt wird durch die Carl-Zeiss-Stiftung sowie von der RPTU Kaiserslautern-Landau von 04/2021 bis 03/2026 gefördert. Zehn Fachgebiete der RPTU Kaiserslautern-Landau führen das Projekt gemeinsam mit dem Fraunhofer IESE und dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) durch
Algorithms and software for simulation of reactive flows in presence of complex reactions
Get PDFReaktive Strömungen sind ein wichtiger Bestandteil vieler umwelttechnischer und industrieller Prozesse und ein Forschungsgegenstand in vielen Bereichen. Ein Beispiel eines solchen Prozesses ist die Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors in der Automobilindustrie. Hierzu werden Katalysatoren und poröse Filter benutzt. In allen Forschungsbereichen wird mathematische Modellierung und Simulation eingesetzt, die es ermöglicht, die Effizienz des zu entwickelnden Prozesses oder Produkts zu steigern und Daten zu erhalten, die für theoretische oder experimentelle Forschungsmethoden unzugänglich sind. Numerische Algorithmen zur Simulation reaktiver Strömungen werden seit Jahrzehnten entwickelt und haben in vielen Bereichen ihre Leistungsfähigkeit bei der Lösung angewandter Industrie- und Umweltprobleme bewiesen. Die Klasse der reaktiven Strömungen und insbesondere die der reaktiven Strömungen auf der Porenskala ist aber sehr reichhaltig, und es gibt keinen allgemeinen Algorithmus, der für alle Strömungen dieser Art effizient ist. Eine Anpassung der Algorithmen für bestimmte Klassen von Problemen ist erforderlich. In dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung effizienter Algorithmen zur porenskaligen Simulation von Prozessen in katalytischen Filtern. Ein besonderes Merkmal dieser Filter ist, dass das Filtermaterial ein inertes, undurchlässiges Grundgerüst und nanoporöse aktive (Washcoat) Partikel enthält, in denen die Reaktionen stattfinden. Der Stofftransport findet innerhalb der Poren statt und in den Washcoat-Partikeln kann der Transport durch Konvektion (oft vernachlässigt) und Diffusion beschrieben werden. Die mathematischen Modelle basieren auf einer Konvektions-Diffusions-Reaktions-Gleichung oder Systemen solcher Gleichungen. Zu den größten Herausforderungen bei der Lösung solcher Probleme gehören die Nichtlinearitäten der reaktiven Terme und die Heterogenität des Strömungsfeldes, die durch die Heterogenität der porösen Medien verursacht wird. Letzteres bedeutet, dass in ein und derselben Materialprobe schnelle und langsame Zonen koexistieren, was bedeutet, dass sich die Art der maßgeblichen Gleichungen lokal ändert. Letzteres impliziert, dass nicht einfach Algorithmen für parabolische oder hyperbolische Probleme ausgewählt werden können. Die Algorithmen sollten für jede Art von Strömung robust sein oder sich an die Änderung der Art der Gleichungen anpassen können. Darüber hinaus kann die Eigenschaft ausgenutzt werden, dass der Washcoat (in dem die Reaktionen stattfinden und den Algorithmen eine wesentliche Änderung auferlegen) nur einen begrenzten Teil des Rechengebiets einnimmt. All dies motiviert dazu, die Klasse der Splitting-Verfahren erneut zu untersuchen, an die betrachtete Klasse von Problemen anzupassen und ihre Stabilität und Leistung numerisch zu untersuchen. Dies ist das Hauptthema der Dissertation. Die Steigerung der Rechenleistung und sich ändernde Rechnerarchitekturen erfordern eine Überarbeitung der bisherigen Softwareimplementierung und der bisher verwendeten Datenstrukturen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung von Softwarelösungen, die die Simulation reaktiver Strömungen für hochdimensionale Probleme ermöglichen. Zur reaktiven Strömungssimulation auf der Porenskala wurden verschiedene Methoden verwendet. Die Arbeit konzentrierte sich auf zwei allgemeine Methodenklassen: Splitting-Algorithmen und implizit-explizite Schemata. Zum Vergleich werden vollständig implizite Algorithmen verwendet. Eine Reihe von Benchmark-Geometrien und chemischen Reaktionen, deren Komplexität von einfachen 1D- und linearen Fällen bis hin zu CT-Scan-basierten echten Filterdomänen und echten nichtlinearen komplexen chemischen Reaktionen reichte, wurden berücksichtigt und untersucht. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass für alle betrachteten Fälle durch die Nutzung von Splitting-Verfahren für den (schwachen) Transport- und den Reaktionsterm, Verbesserungen in Bezug auf Speichernutzung und Konvergenzgeschwindigkeit erzielt werden können
Untersuchung des Einsatzes eines Digitalen Zwillings zur Physiksimulation von Materialflüssen in Cyber-Physischen Produktionssystemen
Get PDFCyber-physische Produktionssysteme (CPPS) ermöglichen die Herstellung kundenindividueller Produkte in kleinen Losgrößen durch Nutzung aktueller Entwicklungen der Informations- und Kommunikationstechnologien. Im Materialfluss in CPPS ist jedoch aufgrund unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften der Fördergüter und dynamischer Prozesszuweisungen die Gefahr physikalisch bedingter Störungen erhöht. Diese Arbeit untersucht die Nutzung von Physiksimulation als Basis eines Digitalen Zwillings von Fördermitteln, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Das Ziel besteht darin, durch die Simulation der physikalischen Phänomene einzelner Materialflussprozesse die negativen Einflüsse von Störungen zu verringern und somit die Leistungsfähigkeit des Produktionssystems zu erhöhen. Hierzu findet zunächst eine konzeptionelle Entwicklung des Digitalen Zwillings statt, die eine Analyse der beteiligten Systeme, eine Anforderungsdefinition, eine Festlegung von Aufbau- und Ablaufstruktur, sowie eine Formalisierung der einzelnen Funktionsbestandteile umfasst. Im Anschluss wird der Digitale Zwilling softwaretechnisch implementiert, mit einem exemplarischen Fördermittel vernetzt und prototypisch in Betrieb genommen. Die Ergebnisse zeigen die Eignung der Physiksimulation für den beschriebenen Zweck und die Wirksamkeit des Einsatzes auf Produktionssystemebene, indem Materialflussprozesse beschleunigt durchgeführt, überwacht und im Falle von Störungen nachträglich simulativ untersucht werden können.Cyber-physical production systems (CPPS) enable the manufacture of customized products in small batches by using the latest developments from information and communication technologies. However, CPPS lead to challenges in material handling due to different physical properties of conveyed goods and dynamic process assignments, which increases the risk of physically induced disturbances. This thesis explores the use of physics simulation as the foundation of a digital twin of material handling systems to address these challenges. The goal is to reduce the negative impact of disturbances by simulating the physical phenomena of individual material handling processes, thereby increasing the performance of the production system. For this purpose, the conceptual development of the digital twin is performed, which includes an analysis of the systems involved, a definition of requirements, a determination of the structure and the interactions within the digital twin, as well as a formalization of the individual functional modules. The digital twin is then implemented in software, connected with an exemplary material handling system, and put into operation as a prototype. Validation results show the suitability of physics simulation for the purpose described. Moreover, the approach's effectiveness in enhancing production system performance becomes evident through its ability to predict, monitor, and evaluate material flow processes, especially in the presence of disturbances
Mixed Isogeometric Methods for Hodge–Laplace Problems induced by Second-Order Hilbert Complexes
Get PDFPartial differential equations (PDEs) play a crucial role in mathematics and physics to describe numerous physical processes. In numerical computations within the scope of PDE problems, the transition from classical to weak solutions is often meaningful. The latter may not precisely satisfy the original PDE, but they fulfill a weak variational formulation, which, in turn, is suitable for the discretization concept of Finite Elements (FE). A central concept in this context is the
well-posed problem. A class of PDE problems for which not only well-posedness statements but also suitable weak formulations are known are the so-called abstract Hodge–Laplace problems. These can be derived from Hilbert complexes and constitute a central aspect of the Finite Element Exterior Calculus (FEEC).
This thesis addresses the discretization of mixed formulations of Hodge-Laplace problems, focusing on two key aspects. Firstly, we utilize Isogeometric Analysis (IGA) as a specific paradigm for discretization, combining geometric representations with Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) and Finite Element discretizations.
Secondly, we primarily concentrate on mixed formulations exhibiting a saddle-point structure and generated from Hilbert complexes with second-order derivative operators. We go beyond the well-known case of the classical de Rham
complex, considering complexes such as the Hessian or elasticity complex. The BGG (Bernstein–Gelfand–Gelfand) method is employed to define and examine these second-order complexes. The main results include proofs of discrete well-posedness and a priori error estimates for two different discretization approaches. One approach demonstrates, through the introduction of a Lagrange multiplier, how the so-called isogeometric discrete differential forms can be reused.
A second method addresses the question of how standard NURBS basis functions, through a modification of the mixed formulation, can also lead to convergent procedures. Numerical tests and examples, conducted using MATLAB and the open-source software GeoPDEs, illustrate the theoretical findings. Our primary application extends to linear elasticity theory, extensively
discussing mixed methods with and without strong symmetry of the stress tensor.
The work demonstrates the potential of IGA in numerical computations, particularly in the challenging scenario of second-order Hilbert complexes. It also provides insights into how IGA and FEEC can be meaningfully combined, even for non-de Rham complexes.Partielle Differentialgleichungen (PDEs) spielen eine entscheidende Rolle in Mathematik und Physik, um zahlreiche physikalische Prozesse zu beschreiben. Bei numerischen Berechnungen im Rahmen von PDE-Problemen ist oft der Übergang von klassischen zu schwachen Lösungen sinnvoll. Letztere erfüllen möglicherweise nicht genau die ursprüngliche PDE, jedoch erfüllen sie eine schwache Variationsformulierung, die sich wiederum für das Diskretisierungskonzept der
Finiten Elemente (FE) eignet. Ein zentraler Begriff in diesem Kontext ist das wohlgestellte Problem. Eine Klasse von PDE-Problemen, für die nicht nur Wohlgestelltheitsaussagen, sondern auch passende schwache Formulierungen bekannt sind, sind die sogenannten abstrakten Hodge–Laplace Probleme. Diese können aus Hilbertkomplexen abgeleitet werden und stellen einen zentralen Aspekt des Finite Element Exterior Calculus (FEEC) dar. Die vorliegende Arbeit setzt hier an und beschäftigt sich mit der Diskretisierung von gemischten Formulierungen von Hodge–Laplace-Problemen. Dabei liegt der Fokus auf zwei Punkten:
Zum einen nutzen wir die Isogeometrische Analyse (IGA) als spezifisches Paradigma für die Diskretisierung, indem Geometriedarstellungen mit Nicht-Uniforme Rationale B-Splines (NURBS) und Finite-Elemente-Diskretisierungen kombiniert werden. Zum anderen konzentrieren wir uns hauptsächlich auf solche gemischten Formulierungen, die eine Sattelpunktstruktur aufweisen und aus Hilbertkomplexen mit Ableitungsoperatoren zweiter Ordnung generiert werden. Insbesondere
gehen wir über den bekannten Fall der klassischen de Rham-Kette hinaus und betrachten beispielsweise den Hessian- oder Elastizitätskomplex. Zur Definition und Untersuchung der Komplexe zweiter Ordnung nutzen wir das Bernstein–Gelfand–Gelfand-Verfahren (BGG). Die Hauptergebnisse umfassen Beweise für diskrete Wohlgestelltheit und a-priori-Fehlerabschätzungen von zwei verschiedenen Diskretisierungsansätzen. Ein Ansatz zeigt durch die Einführung eines Lagrange-Multiplikators, wie die sogenannten isogeometrischen diskreten Differentialformen wiederverwendet werden können. Eine zweite Methode geht der Frage nach, wie standardmäßige NURBS-Basisfunktionen durch eine Modifikation der gemischten Formulierung
ebenfalls zu konvergierenden Verfahren führen können. Numerische Tests und Beispiele, durchgeführt mit MATLAB und der Open-Source-Software GeoPDEs, veranschaulichen die theoretischen Ergebnisse. Unsere Hauptanwendung erstreckt sich auf die lineare Elastizitätstheorie, wobei gemischte Methoden mit und ohne starke Symmetrie des Spannungstensors ausführlich diskutiert werden.
Die Arbeit demonstriert das Potential von IGA bei numerischen Berechnungen im Rahmen
des anspruchsvollen Falls von Hilbertkomplexen zweiter Ordnung. Zudem zeigt sie Zugänge auf, wie IGA und FEEC auch für nicht-de-Rham-Komplexe sinnvoll zu kombinieren sind
Die Implementierung des Referenzrahmens Schulqualität in Baden-Württemberg aus Schulleitungssicht
Get PDFEinen zentralen Baustein der Gesamtkonzeption zur Schul- und Unterrichtsentwicklung in Baden-Württemberg bildet der Referenzrahmen Schulqualität. Auf die Vorstellung dieses Referenzrahmens folgt die Annäherung an die zentrale Fragestellung der Arbeit: Wie wird er an den einzelnen Schulen implementiert? Eine Schlüsselstellung nehmen in diesem Prozess die Schulleitungen ein, die vor der Aufgabe stehen, den zum Schuljahr 2023/24 verbindlich geltenden Referenzrahmen in ihre jeweiligen Schulen in geeigneter Form einzubringen und anzuwenden. Anhand von Leitfadeninterviews sollen Schulleitungen verschiedener Schularten zum Beginn des Schuljahres befragt werden. Im Hauptteil wird zunächst der Forschungsstand zur grundsätzlichen Frage der Implementation von Schulinnovationen dargestellt. Nach der Begründung der Methodenwahl wird die Erstellung des Leitfadens beschrieben. Die Auswertung der Interviews erfolgt mittels qualitativer Inhaltsanalyse