Uniform Substitution for Differential Game Logic

This paper presents a uniform substitution calculus for differential game logic (dGL). Church's uniform substitutions substitute a term or formula for a function or predicate symbol everywhere. After generalizing them to differential game logic and allowing for the substitution of hybrid games for game symbols, uniform substitutions make it possible to only use axioms instead of axiom schemata, thereby substantially simplifying implementations. Instead of subtle schema variables and soundness-critical side conditions on the occurrence patterns of logical variables to restrict infinitely many axiom schema instances to sound ones, the resulting axiomatization adopts only a finite number of ordinary dGL formulas as axioms, which uniform substitutions instantiate soundly. This paper proves soundness and completeness of uniform substitutions for the monotone modal logic dGL. The resulting axiomatization admits a straightforward modular implementation of dGL in theorem provers

Auswirkungen von Covid-19 im Spiegel der Lehrevaluation 2020 an Pädagogischen Hochschulen

Der Ausbruch der Covid-19-Pandemie hat dazu geführt, dass die Lehre an Pädagogischen Hochschulen im Frühjahrs- oder Sommersemester 2020 in Deutschland, Österreich und der Schweiz notfallmäßig auf Online-Formate umgestellt werden musste. Auswirkungen dieser Zäsur spiegeln sich unter anderem in Befunden der Lehrevaluation wider. Der Beitrag basiert auf zwölf Dossiers zu Lehrevaluationen an Pädagogischen Hochschulen, die auf der Basis von Ergebnispräsentationen und anderen Quellen zusammengestellt wurden; vertiefend stehen für einen dieser Fälle Originaldaten der Befragung von Studierenden und Lehrenden zur Verfügung. Beim Vergleich dieser Daten mit Befunden aus den anderen Dossiers zeigt sich, dass die akute Krisensituation bei tendenziell hohem individuellem Mehraufwand weitgehend erfolgreich bewältigt wurde, wobei die Belastungen der Umstellung für die Lehrenden in der Regel höher waren als für die Studierenden. Die Umstellung war gleichwohl aus Sicht beider Gruppen mit Einbußen hinsichtlich der Qualität des Lehrangebots, der Interaktion und des Lernerfolgs verbunden. Mehrheitlich wollen beide Gruppen nach dem Ende der Pandemie nicht zum Status quo ante der Präsenzlehre zurückkehren, wobei der Wunsch nach dem Einsatz von Online-Formaten bei den Studierenden insgesamt deutlich stärker ausgeprägt ist als bei den Lehrenden.&nbsp

Software Tools for Technology Transfer manuscript No. (will be inserted by the editor) How to Prove Complex Properties of Hybrid Systems with KeYmaera: A Tutorial

The date of receipt and acceptance will be inserted by the editor Abstract. This paper is a tutorial on how to model and prove complex properties of complex hybrid systems in KeYmaera, an automatic and interactive formal verification tool for hybrid systems implementing differential dynamic logic. Hybrid systems can model highly nontrivial controllers of physical plants, whose behaviors are often safety critical such as trains, cars, airplanes, or medical devices. Formal methods can help design systems that work correctly. This paper illustrates how KeYmaera can be used to systematically model, validate, and verify hybrid systems. We develop tutorial examples that illustrate challenges arising in many realworld systems. In the context of this tutorial, we identify the impact that modeling decisions have on the suitability of the model for verification purposes. We show how the interactive features of KeYmaera can help users understand their system designs better and prove complex properties for which the automatic prover of KeYmaera still takes an impractical amount of time. We hope this paper is a helpful resource for designers of embedded and cyber-physical systems and that it illustrates how to master common practical challenges in hybrid systems verification.

Towards learning and verifying invariants of cyber-physical systems by code mutation

Cyber-physical systems (CPS), which integrate algorithmic control with physical processes, often consist of physically distributed components communicating over a network. A malfunctioning or compromised component in such a CPS can lead to costly consequences, especially in the context of public infrastructure. In this short paper, we argue for the importance of constructing invariants (or models) of the physical behaviour exhibited by CPS, motivated by their applications to the control, monitoring, and attestation of components. To achieve this despite the inherent complexity of CPS, we propose a new technique for learning invariants that combines machine learning with ideas from mutation testing. We present a preliminary study on a water treatment system that suggests the efficacy of this approach, propose strategies for establishing confidence in the correctness of invariants, then summarise some research questions and the steps we are taking to investigate them.Comment: Short paper accepted by the 21st International Symposium on Formal Methods (FM 2016

Constructive Hybrid Games

Hybrid games are models which combine discrete, continuous, and adversarial dynamics. Game logic enables proving (classical) existence of winning strategies. We introduce constructive differential game logic (CdGL) for hybrid games, where proofs that a player can win the game correspond to computable winning strategies. This is the logical foundation for synthesis of correct control and monitoring code for safety-critical cyber-physical systems. Our contributions include novel static and dynamic semantics as well as soundness and consistency.Comment: 60 pages, preprint, under revie

Spatio-Temporal Model-Checking of Cyber-Physical Systems Using Graph Queries

We explore the application of graph database technology to spatio-temporal model checking of cooperating cyber-physical systems-of-systems such as vehicle platoons. We present a translation of spatio-temporal automata (STA) and the spatio-temporal logic STAL to semantically equivalent property graphs and graph queries respectively. We prove a sound reduction of the spatio-temporal verification problem to graph database query solving. The practicability and efficiency of this approach is evaluated by introducing NeoMC, a prototype implementation of our explicit model checking approach based on Neo4j. To evaluate NeoMC we consider case studies of verifying vehicle platooning models. Our evaluation demonstrates the effectiveness of our approach in terms of execution time and counterexample detection

The "Grammar of Schooling" as a populist resource. A case study on two failing school reforms in Germany and Switzerland

Gegenstand dieses Artikels ist eine vergleichende Fallstudie zu zwei bildungspolitischen Reformprojekten in Deutschland und in der Schweiz, die sich jeweils auf eine breite parlamentarische Mehrheit stützen konnten, aber durch Mechanismen der direkten Demokratie zu Fall gebracht wurden. Die beiden Reformprogramme stimmen in dem Ziel überein, die Chancen von Kindern aus benachteiligten Milieus zu verbessern, ohne dabei das Leistungsprinzip aufzugeben. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Neugestaltung der Primarschule. Der Autor vertritt die These, dass die Pläne der Neugestaltung in beiden Fällen mit stereotypen Auffassungen kollidiert sind, wie eine „normale Schule“ auszusehen hat. Im Rückgriff auf das Konzept der Grammar of Schooling wird das Argument entwickelt, dass sich diese Auffassungen im Rahmen einer direktdemokratischen Mobilisierung als populistische Ressource ausbeuten lassen. (DIPF/Orig.)This contribution presents a comparative study of two school reform projects in Germany and Switzerland, both supported by a strong parliamentarian majority, yet rejected by direct democracy mechanisms. Both reform policies aimed at improving disadvantaged children’s educational opportunities without sacrificing the achievement principle. Primary school reorganization played a key role in both projects. The author argues that this reorganization plan has been confronted, in both countries, with stereotyped conceptions of what a «normal school» should be. Using the concept of Grammar of Schooling, the author shows how such conceptions are exploited as populist resource within direct democratic mobilization. (DIPF/Orig.

Project method and higher education entrance qualification. Swiss matura assignments in the light of the students’ self-reflections on their learning biographies, assessment by the school, and ratings by expert

Der Beitrag untersucht am Beispiel der Schweizer Maturaarbeit, wie sich die Selbsteinschätzung von Lernfortschritten zur Unterstützung und zur Benotung durch die Lehrpersonen verhält. Darüber hinaus wird ein Bezug zu den Resultaten eines Expertenratings zur inhaltlichen, sprachlichen und formalen Qualität der Maturaarbeiten der befragten Schülerinnen und Schüler hergestellt. Die Daten zur retrospektiven Selbsteinschätzung der Lernenden, zur Wahrnehmung der pädagogischen Unterstützung und der Benotung sowie zum Expertenrating sind im Rahmen der nationalen Studie "Evaluation der Maturitätsreform von 1995, Phase II" (EVAMAR II) gewonnen worden. Es zeigt sich, dass die im Expertenrating diagnostizierte Qualität der Arbeiten ein schwacher Prädiktor für die Note und die Selbsteinschätzung zum eigenen Lernfortschritt ist, aber keinen Einfluss auf die retrospektive Einschätzung der pädagogischen Unterstützung hat. Die Note hat einen signifikanten direkten Einfluss auf die Selbstwahrnehmung und wirkt zudem über die retrospektive Einschätzung zur pädagogischen Unterstützung als partieller Mediator. Die Selbsteinschätzung hat ihrerseits einen signifikanten Einfluss darauf, wie der Nutzen der Maturaarbeit für die eigene persönliche Entwicklung und ein mögliches Studium bewertet wird. (DIPF/Orig.)Taking the Swiss Matura assignment as an example, the authors examine the relation between self-assessments of learning progress and support as well as grading by the teaching staff. Furthermore, a connection is drawn to the results of a rating by experts regarding the content-related, the linguistic and the formal quality of the Matura papers delivered by the students interviewed. The data on the retrospective self-assessment of the learners, on the perception of the pedagogical support and on the grading as well as on the rating by the experts was collected within the framework of the national study "Evaluation of the Matura reform of 1995, Phase II" (EVAMAR II). It can be shown that the quality of the Matura papers as diagnosed by the experts in their ratings is a weak predictor for the actual grade and for the self-assessment of the personal learning progress, but does not have any impact on the retrospective assessment of the pedagogical support. The grade does have a significant direct impact on the self-perception and also acts as a partial mediator through the retrospective assessment of the pedagogical support. The self-assessment, in turn, has a significant effect on how the value of the Matura assignment is estimated with regard to the personal development and to a potential course of studies. (DIPF/Orig.

Impact des différences sociales sur les climats relationnel, éducatif et organisationnel dans l’école obligatoire en Suisse

Im Rahmen einer schweizerischen Fallstudie wird anhand von Querschnittsdaten der externen Schulevaluation und der Gemeindestatistik des Kantons Aargau überprüft, ob sich die sozialen Rahmenbedingungen signifikant unterschiedlich auf das Schul-, Unterrichts- und Arbeitsklima obligatorischer Schulen auswirken. Zunächst werden die Beziehungen der Konstrukte im Rahmen einer Korrelationsstudie erfasst, hernach wird eine Mehrebenenanalyse durchgeführt, bei der das Unterrichtsklima als abhängige Variable auf der Individualebene fungiert und auf der Aggregationsebene ein Pfadmodell berechnet wird, das sich auf den sozialen Belastungsindex, das Schulklima und das Arbeitsklima erstreckt. Es zeigt sich, dass sich die sozialen Belastungen deutlich auf das Schul- und Arbeitsklima auswirken. Hingegen lässt sich beim Unterrichtsklima keine starke Beeinflussung durch die sozialen Belastungen feststellen. Diese differentielle Wirkung wird darauf zurückgeführt, dass die Lehrpersonen im Unterrichtszimmer eine stärkere pädagogische Wirksamkeit entfalten können als auf der Schulebene. (DIPF/Orig.)Utilisant les données de l’inspection scolaire et de l’Office de la statistique du canton Argovie, la présente étude transversale vise à démontrer l’impact des différences sociales sur les perceptions des élèves à propos du climat relationnel et du climat éducatif ainsi que sur les perceptions des enseignants concernant le climat organisationnel. Suite à une analyse exploratoire factorielle, une analyse multiniveaux a permis d’expliquer la variance en deux niveaux hiérarchiques, soit le niveau individuel du climat éducatif et le niveau collectif de l’établissement scolaire. Les résultats de l’analyse permettent de constater d’une part, que l’inégalité sociale influence significativement le climat relationnel et organisationnel et d’autre part, qu’il est possible pour les enseignants de “faire une difference” dans la classe pour améliorer le climat éducatif. (DIPF/Orig.