Problemlösekompetenz in komplexen technischen Systemen – Möglichkeiten der Entwicklung und Förderung im Unterricht der Berufsschule mit Hilfe computergestützter Modellbildung und Simulation. Theoretische und empirische Analyse in der gewerblich-technischen Berufsbildung

Immer wieder ist zu beobachten, wie schwierig es für Lernende im gewerblich-technischen Bereich ist, einen verständnisvollen Zugang zu komplexen technischen Systemen zu finden und wie schwer es ihnen fällt, geeignete mentale Modelle mit ausreichend großer Reichweite zum erfolgreichen Umgang mit komplexem Systemverhalten für ihren späteren Beruf zu entwickeln. Vor dem Hintergrund dieser unterrichtspraktischen Relevanz thematisiert der vorliegende Beitrag als übergeordnetes Ziel, mit Hilfe computergestützter Modellbildung und Simulation (CMS) das Erfassen und Beherrschen komplexer technischer Systeme zum Aufbau beruflicher Handlungskompetenz als wesentlicher Bestandteil des Bildungsauftrags der Berufsschule in verstärktem Maße unterrichtlich etablieren zu können. Eine vorrangige Aufgabe dabei ist es, Lehrenden bei der praktischen Gestaltung geeigneter Lernsituationen Hilfestellung zu leisten bei der Entscheidung, ob und in welcher Form computergestützte Modellbildung und Simulation zum Zwecke ihrer unterrichtlichen Entwicklung sowie einer geeigneten Diagnostik geeignet ist. Den Lehrenden im Bereich der gewerblichen Bildung soll so eine Möglichkeit aufgezeigt werden, wie die Entwicklung und Förderung dieser bereichsübergreifenden Kompetenzen angelegt sein sollte und wie sie diese in ihrem Unterricht entwickeln und nutzen können. Dabei wird offensichtlich, dass komplexe Problemlösekompetenz durch lediglich einen einzigen, umfassenden Indikator nicht bestimm- beziehungsweise darstellbar ist. Die Befähigung zum Lösen komplexer Probleme ist jeweils nur in einem Bündel einzelner Kompetenzen darstellbar. Im konkreten Einzelfall ist jedoch recht gut beschreibbar, welche Komponenten zu diesem Bündel gehören. Eine allgemeine, Domänen unabhängige komplexe Problemlösekompetenz, die in spezifischen Kontexten und unterschiedlichen Berufsfeldern flexibel eingesetzt werden könnte, gibt es nicht. Der Grund liegt u. a. darin, dass Wissen als auch Fähigkeiten und Kompetenzen kontextgebunden sind. Erst über mannigfaltige und zeitintensive Einübungen können sie zunehmend bereichsübergreifend verallgemeinert werden. Mit der im empirischen Teil vorgestellten Untersuchung wird versucht, zur bislang im gewerblich-technischen Bereich nur sehr gering ausgeprägten experimentellen Fundierung der Entwicklung und Erfassung von Kompetenzen mit computergestützter Modellbildung und Simulation (CMS) beizutragen. Hauptanliegen der quasiexperimentellen und explorativen Studie war es, in der beruflichen Erstausbildung an einem ausgewählten regelungstechnischen Beispiel zu prüfen, ob Lernenden über CMS unter der Verwendungsperspektive als so genanntes „Kognitives Tool“ eine (alternative) Zugangs- beziehungsweise Erschließungsmöglichkeit für den erfolgreichen Umgang mit komplexen technischen Systemen ermöglicht werden kann. An dem ausgewählten regelungstechnischen Beispiel wurde untersucht, ob Auszubildenden der Berufsschule, die über keine Kenntnisse in höherer Mathematik verfügen, ein solcher Zugang zu komplexem Systemverhalten gelingen kann. Im Rahmen der empirischen Untersuchungen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass computergestützte Modellbildung und Simulation, wenn sie unter bestimmten Konstruktionsbedingungen entwickelt und unter bestimmten Implementationsbedingungen eingesetzt wird, Lernergebnisse erbringt, die den theoretischen Anforderungen an Entwicklung und Erfassung einer komplexen Problemlösekompetenz genügen. In diesem Zusammenhang konnte auch aufgezeigt werden, dass sich eine komplexe Problemlösekompetenz in einer beruflichen Domäne operationalisieren und es sich beobachten lässt, ob bei den Auszubildenden eine Bewegung in Richtung auf den Aufbau entsprechender Fähigkeiten festzustellen ist. Genau so wichtig ist es aber auch zu zeigen, dass der Einsatz computergestützter Modellbildung undSimulation kein Selbstläufer ist, sondern vielmehr seitens der Lehrenden ein didaktisches Expertenwissen voraussetzt. Das Problem der notwendigen Balance zwischen (Lerner-)Konstruktion und (Lehrer-)Instruktion wurde in der Arbeit ausführlich dargestellt. Sind diese Bedingungen gegeben, so führt die Gestaltung computerbasierter Lernumgebungen durch Modellbildung und Simulation bei der unterrichtlichen Förderung einer Problemlösekompetenz zum erfolgreichen Umgang mit komplexen technischen Systemen zu einer tiefen Elaboration von Konzepten und Zusammenhängen

Variantenmanagement in der Modellbildung und Simulation unter Verwendung des SES/MB Frameworks

Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung von allgemeinen Methoden zum Variantenmanagement in der Modellbildung und Simulation bis auf die Ebene der Simulationsexperimente und zur automatisierten Ausführung von Simulationsexperimenten. Der Lösungsvorschlag basiert auf der modular-hierarchischen Modellbildung und dem System Entity Structure/Model Base Framework. Das Variantenmanagement umfasst die Phasen Variantenanalyse, -formalisierung, -implementierung und –generierung. Weiterhin wird ein Konzeptrahmen zum automatisierten Experimentieren erarbeitet.This thesis contributes to the development of general methods for variant management in modelling and simulation up to the simulation experiments’ level and their automated execution. The proposed solution is developed based on the modular-hierarchical modeling approach and the System Entity Structure/Model Base Framework. The variant management comprises the phases variant analysis, variant formalization, variant implementation and variant generation. Moreover, a framework for automated experimentation is proposed

Hammering beneath the Surface of Mars . Modellbildung und Optimierung des HP3-Mole

Um Antworten auf die Frage nach der Entstehung erdähnlicher Planeten zu geben, werden im Rahmen der NASA-Marsmission InSight Untersuchungen des Wärmestroms im Planeteninneren durchgeführt. Damit der Wärmestrom im Inneren bestimmt werden kann, schlägt sich der HP3 Mole tiefer in des- sen Boden als alle Messinstrumente jemals zuvor. Um das gewünschte Ziel von fünf Metern Tiefe zu erreichen, wird ein spezieller Mechanismus als „selbsteinschlagender Nagel“ verwendet. Mehrkörpersimulationen des Systems unter Berücksichtigung der Kontaktdynamik ermöglichen einen Einblick in das mechanisch-dynamische Verhalten und die Wechselwirkungen beim Betrieb des Moles. Diese Modelle bilden die Ausgangsbasis für die Einbindung in eine Optimierungsumgebung, und damit die Optimierung des Mechanismus selbst. To answer the question for the evolution of earth-like planets, NASA’s In-sight mission addresses heat flow experiments of Mars’ interior. For measuring the red planet’s internal heat flow, the HP³ Mole hammers deeper below Mars’ surface than any instrument before. To achieve the desired penetration depth of five meters, a special hammering mechanism is used. Multibody simulations, combined with contact dynamics are used to gain further knowledge about the dynamic behaviour and interactions of the system. Based on these models optimizations using an optimization framework are carried out

Design und Simulation von Nanoantennen

Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Design und der Simulation von Nanoantennen

Hochtemperaturaufladung von gasgetragenen Partikelsystemen

Ziel der vorliegenden Arbeit war eine detaillierte Untersuchung der Mechanismen und Einflussfaktoren der Hochtemperaturaufladung gasgetragener Partikelsysteme. Dieses Ziel wurde durch Experimente, Modellbildung und Simulation verfolgt. Das beinhaltete die systematische Untersuchung der verfahrenstechnisch bedeutendensten Prozessparameter Temperatur, Partikelanzahlkonzentration und Partikelgröße. Die Ladung hängt ausserdem auch von den Materialien von Rohrwand und Partikeln und dem Trägergas ab

Stochastic dynamic programming in life course analysis: basic concepts and a simple model

"Die Methodik von Lebenslaufstudien hat sich bisher auf die Untersuchung von Lebensereignissen konzentriert. Es ist aber notwendig, Lebensläufe als Ganzes und auch nicht nur als Ergebnisse sondern als biologischer und kultureller Determinanten, Ergebnis der aktiven Adaption von Lebensplänen an fluktuierende Umwelten zu untersuchen. Vielversprechende neue statistische Modelle werden hierzu von der Stochastischen Dynamischen Programmierung zur Verfügung gestellt, die aber erst seit kurzem in der Soziobiologie, und, meines Wissens nach, bislang noch nicht auf menschliche Lebensläufe angewandt werden. Ich diskutiere einige Probleme dieser Anwendungen und stelle ein einfaches Modell zusammen mit einigen unterstützenden Daten vor." (Autorenreferat