Objektorientierter Softwareentwurf in der Sekundarstufe II

Der objektorientierte Softwareentwurf spielt in der Bildung eine immer wichtigere Rolle. Mit ihm kann die Modellbildungskompetenz und die Problemlösefähigkeit, wie sie u.a. in der Pisa-Studie gefordert werden, gut gefördert werden. In dieser Arbeit wird ein Konzept hierfür entwickelt, umgesetzt und evaluiert. Als Leitgedanken bei der Entwicklung dient die Förderung der Modellbildungskompetenz und der Problemlösefähigkeit, wobei der objektorientierte Softwareentwurf in seiner ganzen Breite von der Anforderungsanalyse über das Design bis zur Implementierung bearbeitet wird. Dazu werden zuerst die fachlichen Inhalte strukturiert und diese anschließend zusammen mit einer Lernzieltaxonomie in einer Lehrzielmatrix verknüpft, um so die Lernziele festzulegen. Als didaktisches Konzept wird ein dem üblichen Entwicklungsverlauf beim Softwareentwurf entgegengesetztes Vorgehen gewählt und begründet. Die entwickelten Lernprozesse werden dann mit Hilfe von Aktivitätsdiagrammen dargestellt und feiner ausgearbeitet. Zur Evaluation des Konzepts wurden die ausgearbeiteten Einheiten an 3 Schulen umgesetzt und mit einer Kontrollgruppe an 3 weiteren Schulen verglichen. Dazu wurde ein Test entwickelt und zusammen mit einem IQ-Test und Fragebögen zu den Randbedingungen von den Schülern und Eltern ausgefüllt. Das Ergebnis der Evaluation zeigt, dass die Verwendung dieses Konzepts aber auch der Einfluss des Lehrers und die Beschäftigung der Schüler mit dem Programmieren in der Freizeit wichtige Faktoren sind. Das entwickelte Konzept ist gut geeignet in den objektorientierten Softwareentwurf einzuführen und die Problemlösefähigkeit und die Modellbildungskompetenz im Vergleich zur Kontrollgruppe zu fördern

Frühe informatische Bildung – Ziele und Gelingensbedingungen für den Elementar- und Primarbereich

Wie können Ziele und Gelingensbedingungen informatischer Bildung im Elementar- und Primarbereich aussehen? Mit Blick auf die pädagogisch-inhaltlichen Zieldimensionen informatischer Bildung geben Fachexpertinnen und -experten Empfehlungen für die Entwicklung der inhaltlichen Angebote der Stiftung „Haus der kleinen Forscher“ im Bereich Informatik. Zudem wird die Umsetzung dieser Empfehlungen in den Stiftungsangeboten veranschaulicht

"Development and implementation of an automatic parameterization procedure for the MOMO force field"

Kraftfelder sind ein vielseitiges Werkzeug zur schnellen Berechnung vielfältiger Moleküleigenschaften. Die Qualität der damit erhaltenen Vorhersagen ist auch ein Maß, wie gut die wichtigen Einflussgrößen verstanden und vor allem in das Kraftfeld-Modell integriert sind. Bei der Parametrisierung müssen viele Effekte gegeneinander ausbalanciert werden, da die Kraftfeldterme nicht unabhängig voneinander betrachtet werden können. Umfangreiche Testrechnungen sind erforderlich, um die notwendige Qualität der Parameter sicher zu stellen. Eine Automatisierung dieses Prozesses bringt nicht nur eine enorme Zeitersparnis, sie zwingt auch zur sorgfältigen Definition von Vorgaben und Qualitätskriterien. Die Formulierung einer Strategie in einem Programm anstelle von „intelligentem Raten“ fördert zudem ein tieferes Verständnis. Bei einer Änderung der Strategie muss nur das entsprechende Programm geändert werden, dem Entwickler bleibt der manuelle Test erspart. Automatische Methoden zur Plausibilitätsprüfung vermeiden Probleme durch Fehler bei der Dateneingabe von Hand. Die programmgesteuerte Erstellung aussagekräftiger Protokolle und Grafiken macht die Fülle der bei der Parametrisierung und Evaluierung eines Kraftfeldes anfallenden Informationen für den Benutzer überschaubar. Probleme und deren Zusammenhang können so leichter erfasst werden. Für das MOMO-Kraftfeld konnten auf diese Weise verbesserte und neue Parameter für Wasserstoffbrücken abgeleitet werden, zwei empirische Punktladungsmodelle und deren Verträglichkeit mit zwei quantenchemischen Modellen verbessert und prinzipielle Probleme bei deren Vereinbarkeit erkannt werden sowie die automatische Parametrisierung von Bindungslängen, Bindungswinkeln und Torsionswinkeln ermöglicht werden. Bei Letzterem konnte jedoch keine Verbesserung gegenüber den Originalparametern erreicht werden, was nicht weiter verwunderlich ist, da diese seit Jahrzehnten entwickelt worden sind, wohingegen Wasserstoffbrücken und Partialladungen erst später hinzugekommen sind und nicht so umfangreich wie die bindenden Kraftfeldterme getestet wurden. Voraussetzung für die hier gewählte Vorgehensweise, alle Arbeiten weitgehend zu automatisieren und Strategien immer in Programme umzusetzen, waren sehr umfangreiche Programmierarbeiten. Ziel war es, auf einfache Weise die Steuerung des Kraftfeldes aus kleineren Programmen, die spezielle Probleme bearbeiten, zuzulassen. Durch die Nutzung zahlreicher Open-Source-Projekte, die gemeinsam die gewünschte Funktionalität zur Verfügung stellen, konnte der Aufwand auf die dazu passende Implementierung des MOMO-Kraftfeldes und das Verbinden mit der von diesen Projekten bereitgestellten Software beschränkt werden. Der Kern des MOMO-Kraftfeldes wurde aus Geschwindigkeitsgründen in der Compilersprache C geschrieben, Datenein- und -ausgabe und die Programme zur Parametrisierung und Auswertung wurden in Python geschrieben.Force fields are empiric models and hence need parameterization. In my doctoral thesis I developed some tool for automating this process for selected force-field terms. The programs provided cover hydrogen bonding, atomic point-charge models and bonded force-field terms. Reference data are prepared in customized XML-files; special python scripts use them to find new parameters making use of evolutionary algorithms. Even though the reference data are rather sparse the programs are still useful for improving and evaluating the force field in certain areas

Entwicklungsunterstützung für interaktive 3D-Anwendungen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung interaktiver 3D-Anwendungen. Interaktive 3D-Grafik wird heutzutage in den verschiedensten Domänen eingesetzt, z. B. im e-Commerce-, Unterhaltungs- und Ausbildungsbereich. Dennoch stellt die Entwicklung einer umfangreicheren 3D-Anwendung nach wie vor eine Herausforderung dar. Programmcode und 3D-Inhalte werden i. d. R. von verschiedenen Entwicklern erstellt, die unterschiedliches Fachwissen besitzen und mit völlig verschiedenartigen Werkzeugen arbeiten. Diese Situation führt häufig zu Problemen bei der Integration der erstellten Anwendungskomponenten in ein komplexes interaktives 3D-Gesamtsystem. So können etwa Inkonsistenzen auftreten, die einen korrekten Zugriff des Programms auf die 3D-Inhalte zur Laufzeit verhindern. Zudem fehlen Konzepte und Werkzeuge zur Unterstützung einer strukturierten interdisziplinären 3D-Entwicklung. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiger Lösungsansatz für die genannten Probleme vorgestellt. Es handelt sich dabei um eine Familie domänenspezifischer Sprachen, die für einen Einsatz in der Entwurfsphase vor der Implementierung im 3D-Entwicklungsprozess konzipiert wurden. Basissprache der Familie, die durch weitere Sprachkomponenten ergänzt wird, ist die Scene Structure and Integration Modelling Language (kurz SSIML). Mittels visueller Modelle lassen sich -- werkzeuggestützt -- Verknüpfungen zwischen Programmkomponenten und 3D-Inhalten spezifizieren. Durch die automatische Erzeugung von Codeskeletten aus einem Modell, die sowohl dem 3D-Designer als auch dem Programmierer als zu vervollständigende Vorlagen dienen, kann die Konsistenz zwischen den einzelnen Anwendungsbestandteilen sichergestellt werden. Neben der Verknüpfung von Programmcode und 3D-Inhalten sind die Strukturierung und Modularisierung von 3D-Inhalten, die aufgabenorientierte 3D-Visualisierung, 3D-Verhalten und Animation und Augmented Realitiy-Anwendungen weitere wichtige Aspekte, die durch die Mitglieder der SSIML-Sprachfamilie abgedeckt werden. Außerdem wird in der vorliegenden Arbeit ein 3D-Entwicklungsprozess skizziert, der einen sinnvollen Einbezug der vorgestellten Konzepte und Werkzeuge erlaubt

Programmierwerkzeuge. Ihre Integration in eine objektorientierte Programmierumgebung

TIB Hannover: RO 3425(86-27) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEDEGerman

Beurteilung von Agrarumweltmaßnahmen in Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz : Einzelbetriebliche Analyse der Programme im Ackerbau

Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, die Wirkungszusammenhänge zwischen den angebotenen Agrarumweltmaßnahmen der betrachteten Bundesländer im Bereich Ackerbau und dem landwirtschaftlichen Einkommen sowie den Umwelteinfluss der landwirtschaftlichen Produktionsverfahren auf einzelbetrieblicher Ebene zu analysieren. Dazu wird ein Simulationsmodell entwickelt, das im Kern die Definition von Produktionsaktivitäten mit ihren produktionstechnischen, ökonomischen und ökologischen Kennwerten beinhaltet, aus denen sich gesamtbetriebliche Erfolgsgrößen ableiten lassen. Zur ökologischen Bewertung der Maßnahmen werden ausgewählte Agrarumweltindikatoren verwendet, die ökonomische Bewertung erfolgt mit Kennzahlen zur Beschreibung der Einkommensänderung und der Veränderung der Einkommensvarianz. Grundlage zur Ermittlung dieser Kenngrößen bilden standortspezifische Ertragsfunktionen in Abhängigkeit von Stickstoff- und Pflanzenschutzmitteleinsatz. Zur Analyse der Auswirkungen einer Teilnahme an den einzelnen Agrarumweltmaßnahmen werden Modellbetriebe auf unterschiedlichen Standorten aus den jeweiligen Bundesländer herangezogen. Die Auswirkungen der Programmteilnahme werden sowohl auf der Ebene einer für die Betriebe typischen Fruchtfolge als auch auf gesamtbetrieblicher Ebene für den fünfjährigen Verpflichtungszeitraum dargestellt. Für die Teilnahme an den nordrhein-westfälischen Agrarumweltmaßnahmen sind für die Betriebe zum Teil erhebliche Anpassungsmaßnahmen hinsichtlich Fruchtfolge, Betriebsmitteleinsatz, Produktionstechnik und Arbeitseinsatz notwendig. Daher entstehen hier zum Teil große Einkommensverluste, die bei den Maßnahmen im Rahmen der „Extensivierung im Ackerbau“ nicht durch die Förderung kompensiert werden können. Durch die Maßnahme „Anlage von Schonstreifen“ wird das Einkommen nur marginal beeinflußt, weil hierbei nur ein geringer Teil der Flächen betroffen ist. Durch Teilnahme an den „Erosionsschutzmaßnahmen im Ackerbau“ kann das Einkommen gesteigert werden, allerdings steigt hier auch die Einkommensvarianz. Die Maßnahmen im Rahmen der Ackerextensivierung führen zum Teil zu einem deutlichen Absinken des Betriebsmitteleinsatz und damit zu einer Verbesserung der ökologischen Indikatoren in diesem Bereich, so daß hier günstige Prämien-Wirkungsbeziehungen vorliegen. Durch die Erosionsschutzmaßnahmen wird der potentielle Bodenabtrag gesenkt. Für die Teilnahme an den rheinland-pfälzischen Agrarumweltmaßnahmen sind insgesamt weniger betriebliche Anpassungsmaßnahmen notwendig. Hier ergeben sich beim „umweltschonenden Ackerbau“ gerade für den Betrieb auf dem schlechteren Standort deutliche Einkommensgewinne, bei allerdings nur mäßigen Verbesserungen der betrachteten ökologischen Indikatoren. Durch Teilnahme an der Maßnahme „Mulchsaat von Mais und Zuckerrüben“ ändert sich das Einkommen nur marginal, die Auswirkungen auf den potentiellen Bodenabtrag sind wie beim umweltschonenden Ackerbau abhängig vom gewählten Bodenschutzverfahren vor Sommerungen bzw. vor Zuckerrüben. Die Auswirkungen einer Teilnahme an den Maßnahmen „Anlage von Ackerrandstreifen“ und „Anlage von Saum- und Bandstrukturen“ sind ähnlich den Auswirkungen der nordrhein-westfälischen Maßnahme „Anlage von Schonstreifen“.Evaluation of agri-environmental schemes in North Rhine Westphalia and Rhineland Palatinate – Farm level analysis of arable schemes This thesis is targeted at analysing the impact of the available arable stewardship schemes in selected federal states on farm incomes as well as at analysing the environmental effects of land management methods at farm level. To this end, a simulation model has been created which includes the definition of various production activities by their production methods, economic and ecological criteria on which the calculation of whole farm performance figures is based. Selected agri-environmental criteria are used for the ecological evaluation of the schemes. The economic evaluation is built on criteria describing the change of income levels and change of income variance. These criteria are determined by using location specific yield functions subject to nitrogen and phytosanitary input. The impact of participating in individual agri-environmental schemes is calculated on the basis of model farms on different locations in the particular federal state. The participation effects are demonstrated for a farm typical crop rotation as well as on the whole farm level for the 5-year-agreement. In order to be accepted into the agri-environmental schemes in North Rhine Westphalia, participating farms partly need to adapt significantly their crop rotation, input of resources, production practices and employment of labour. This results partly in substantial income loss which cannot be fully compensated by the direct payments provided within the "Arable Extensification" option. The option "Arable Grass Margin", however, has little impact on farm incomes as only a small percentage of the land is affected in this case. Participation in the option "Arable Erosion Protection Measures" can result in higher farm incomes, but there is also an increased income variance. The measures related to arable extensification partly lead to a substantially reduced input of resources and hence an improvement of ecological indicators which means a favourable ratio between premiums and effects. Potential soil degradation is reduced by erosion protection measures. Participation in the agri-environmental schemes of Rhineland Palatinate overall requires fewer adaptation efforts at farm level. In this state, farms on less fertile soils can achieve remarkable income gains by joining the "Environmentally Sound Arable Production" option, however, with only moderate improvements of the selected ecological indicators. By participation in the "Mulch Drilling of Maize and Sugar Beets" option there is only a marginal change of income levels. The impact on potential soil erosion depends, similar to the "Environmentally Sound Arable Production" option, on the chosen soil protection procedure before spring crops respectively sugar beets. The effects of participating in the "Creation of Arable Field Margins" option and the "Creation of Fringe and Band Structures" option are similar to the option "Arable Grass Margins" in North Rhine Westphalia