TY - JOUR A1 - Prasse, Paul A1 - Iversen, Pascal A1 - Lienhard, Matthias A1 - Thedinga, Kristina A1 - Bauer, Christopher A1 - Herwig, Ralf A1 - Scheffer, Tobias T1 - Matching anticancer compounds and tumor cell lines by neural networks with ranking loss JF - NAR: genomics and bioinformatics N2 - Computational drug sensitivity models have the potential to improve therapeutic outcomes by identifying targeted drug components that are likely to achieve the highest efficacy for a cancer cell line at hand at a therapeutic dose. State of the art drug sensitivity models use regression techniques to predict the inhibitory concentration of a drug for a tumor cell line. This regression objective is not directly aligned with either of these principal goals of drug sensitivity models: We argue that drug sensitivity modeling should be seen as a ranking problem with an optimization criterion that quantifies a drug's inhibitory capacity for the cancer cell line at hand relative to its toxicity for healthy cells. We derive an extension to the well-established drug sensitivity regression model PaccMann that employs a ranking loss and focuses on the ratio of inhibitory concentration and therapeutic dosage range. We find that the ranking extension significantly enhances the model's capability to identify the most effective anticancer drugs for unseen tumor cell profiles based in on in-vitro data. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1093/nargab/lqab128 SN - 2631-9268 VL - 4 IS - 1 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Steinert, Fritjof A1 - Stabernack, Benno T1 - Architecture of a low latency H.264/AVC video codec for robust ML based image classification how region of interests can minimize the impact of coding artifacts JF - Journal of Signal Processing Systems for Signal, Image, and Video Technology N2 - The use of neural networks is considered as the state of the art in the field of image classification. A large number of different networks are available for this purpose, which, appropriately trained, permit a high level of classification accuracy. Typically, these networks are applied to uncompressed image data, since a corresponding training was also carried out using image data of similar high quality. However, if image data contains image errors, the classification accuracy deteriorates drastically. This applies in particular to coding artifacts which occur due to image and video compression. Typical application scenarios for video compression are narrowband transmission channels for which video coding is required but a subsequent classification is to be carried out on the receiver side. In this paper we present a special H.264/Advanced Video Codec (AVC) based video codec that allows certain regions of a picture to be coded with near constant picture quality in order to allow a reliable classification using neural networks, whereas the remaining image will be coded using constant bit rate. We have combined this feature with the ability to run with lowest latency properties, which is usually also required in remote control applications scenarios. The codec has been implemented as a fully hardwired High Definition video capable hardware architecture which is suitable for Field Programmable Gate Arrays. KW - H.264 KW - Advanced Video Codec (AVC) KW - Low Latency KW - Region of Interest KW - Machine Learning KW - Inference KW - FPGA KW - Hardware accelerator Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1007/s11265-021-01727-2 SN - 1939-8018 SN - 1939-8115 VL - 94 IS - 7 SP - 693 EP - 708 PB - Springer CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Marco Figuera, Ramiro A1 - Riedel, Christian A1 - Rossi, Angelo Pio A1 - Unnithan, Vikram T1 - Depth to diameter analysis on small simple craters at the lunar south pole - possible implications for ice harboring JF - Remote sensing N2 - In this paper, we present a study comparing the depth to diameter (d/D) ratio of small simple craters (200-1000 m) of an area between -88.5 degrees to -90 degrees latitude at the lunar south pole containing Permanent Shadowed Regions (PSRs) versus craters without PSRs. As PSRs can reach temperatures of 110 K and are capable of harboring volatiles, especially water ice, we analyzed the relationship of depth versus diameter ratios and its possible implications for harboring water ice. Variations in the d/D ratios can also be caused by other processes such as degradation, isostatic adjustment, or differences in surface properties. The conducted d/D ratio analysis suggests that a differentiation between craters containing PSRs versus craters without PSRs occurs. Thus, a possible direct relation between d/D ratio, PSRs, and water ice harboring might exist. Our results suggest that differences in the target's surface properties may explain the obtained results. The resulting d/D ratios of craters with PSRs can help to select target areas for future In-Situ Resource Utilization (ISRU) missions. KW - craters KW - lunar exploration KW - ice harboring Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/rs14030450 SN - 2072-4292 VL - 14 IS - 3 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Abdelwahab, Ahmed A1 - Landwehr, Niels T1 - Deep Distributional Sequence Embeddings Based on a Wasserstein Loss JF - Neural processing letters N2 - Deep metric learning employs deep neural networks to embed instances into a metric space such that distances between instances of the same class are small and distances between instances from different classes are large. In most existing deep metric learning techniques, the embedding of an instance is given by a feature vector produced by a deep neural network and Euclidean distance or cosine similarity defines distances between these vectors. This paper studies deep distributional embeddings of sequences, where the embedding of a sequence is given by the distribution of learned deep features across the sequence. The motivation for this is to better capture statistical information about the distribution of patterns within the sequence in the embedding. When embeddings are distributions rather than vectors, measuring distances between embeddings involves comparing their respective distributions. The paper therefore proposes a distance metric based on Wasserstein distances between the distributions and a corresponding loss function for metric learning, which leads to a novel end-to-end trainable embedding model. We empirically observe that distributional embeddings outperform standard vector embeddings and that training with the proposed Wasserstein metric outperforms training with other distance functions. KW - Metric learning KW - Sequence embeddings KW - Deep learning Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1007/s11063-022-10784-y SN - 1370-4621 SN - 1573-773X PB - Springer CY - Dordrecht ER - TY - JOUR A1 - Tran, Son Cao A1 - Pontelli, Enrico A1 - Balduccini, Marcello A1 - Schaub, Torsten T1 - Answer set planning BT - a survey JF - Theory and practice of logic programming N2 - Answer Set Planning refers to the use of Answer Set Programming (ASP) to compute plans, that is, solutions to planning problems, that transform a given state of the world to another state. The development of efficient and scalable answer set solvers has provided a significant boost to the development of ASP-based planning systems. This paper surveys the progress made during the last two and a half decades in the area of answer set planning, from its foundations to its use in challenging planning domains. The survey explores the advantages and disadvantages of answer set planning. It also discusses typical applications of answer set planning and presents a set of challenges for future research. KW - planning KW - knowledge representation and reasoning KW - logic programming Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1017/S1471068422000072 SN - 1471-0684 SN - 1475-3081 PB - Cambridge University Press CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Michallek, Florian A1 - Genske, Ulrich A1 - Niehues, Stefan Markus A1 - Hamm, Bernd A1 - Jahnke, Paul T1 - Deep learning reconstruction improves radiomics feature stability and discriminative power in abdominal CT imaging BT - a phantom study JF - European Radiology N2 - Objectives To compare image quality of deep learning reconstruction (AiCE) for radiomics feature extraction with filtered back projection (FBP), hybrid iterative reconstruction (AIDR 3D), and model-based iterative reconstruction (FIRST). Methods Effects of image reconstruction on radiomics features were investigated using a phantom that realistically mimicked a 65-year-old patient's abdomen with hepatic metastases. The phantom was scanned at 18 doses from 0.2 to 4 mGy, with 20 repeated scans per dose. Images were reconstructed with FBP, AIDR 3D, FIRST, and AiCE. Ninety-three radiomics features were extracted from 24 regions of interest, which were evenly distributed across three tissue classes: normal liver, metastatic core, and metastatic rim. Features were analyzed in terms of their consistent characterization of tissues within the same image (intraclass correlation coefficient >= 0.75), discriminative power (Kruskal-Wallis test p value < 0.05), and repeatability (overall concordance correlation coefficient >= 0.75). Results The median fraction of consistent features across all doses was 6%, 8%, 6%, and 22% with FBP, AIDR 3D, FIRST, and AiCE, respectively. Adequate discriminative power was achieved by 48%, 82%, 84%, and 92% of features, and 52%, 20%, 17%, and 39% of features were repeatable, respectively. Only 5% of features combined consistency, discriminative power, and repeatability with FBP, AIDR 3D, and FIRST versus 13% with AiCE at doses above 1 mGy and 17% at doses >= 3 mGy. AiCE was the only reconstruction technique that enabled extraction of higher-order features. Conclusions AiCE more than doubled the yield of radiomics features at doses typically used clinically. Inconsistent tissue characterization within CT images contributes significantly to the poor stability of radiomics features. KW - Tomography KW - X-ray computed KW - Phantoms KW - imaging KW - Liver neoplasms KW - Algorithms KW - Reproducibility of results Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1007/s00330-022-08592-y SN - 1432-1084 VL - 32 IS - 7 SP - 4587 EP - 4595 PB - Springer CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Bandyopadhyay, Soumyadip A1 - Sarkar, Dipankar A1 - Mandal, Chittaranjan A1 - Giese, Holger T1 - Translation validation of coloured Petri net models of programs on integers JF - Acta informatica N2 - Programs are often subjected to significant optimizing and parallelizing transformations based on extensive dependence analysis. Formal validation of such transformations needs modelling paradigms which can capture both control and data dependences in the program vividly. Being value-based with an inherent scope of capturing parallelism, the untimed coloured Petri net (CPN) models, reported in the literature, fit the bill well; accordingly, they are likely to be more convenient as the intermediate representations (IRs) of both the source and the transformed codes for translation validation than strictly sequential variable-based IRs like sequential control flow graphs (CFGs). In this work, an efficient path-based equivalence checking method for CPN models of programs on integers is presented. Extensive experimentation has been carried out on several sequential and parallel examples. Complexity and correctness issues have been treated rigorously for the method. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1007/s00236-022-00419-z SN - 0001-5903 SN - 1432-0525 VL - 59 IS - 6 SP - 725 EP - 759 PB - Springer CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Chen, Junchao A1 - Lange, Thomas A1 - Andjelkovic, Marko A1 - Simevski, Aleksandar A1 - Lu, Li A1 - Krstić, Miloš T1 - Solar particle event and single event upset prediction from SRAM-based monitor and supervised machine learning JF - IEEE transactions on emerging topics in computing / IEEE Computer Society, Institute of Electrical and Electronics Engineers N2 - The intensity of cosmic radiation may differ over five orders of magnitude within a few hours or days during the Solar Particle Events (SPEs), thus increasing for several orders of magnitude the probability of Single Event Upsets (SEUs) in space-borne electronic systems. Therefore, it is vital to enable the early detection of the SEU rate changes in order to ensure timely activation of dynamic radiation hardening measures. In this paper, an embedded approach for the prediction of SPEs and SRAM SEU rate is presented. The proposed solution combines the real-time SRAM-based SEU monitor, the offline-trained machine learning model and online learning algorithm for the prediction. With respect to the state-of-the-art, our solution brings the following benefits: (1) Use of existing on-chip data storage SRAM as a particle detector, thus minimizing the hardware and power overhead, (2) Prediction of SRAM SEU rate one hour in advance, with the fine-grained hourly tracking of SEU variations during SPEs as well as under normal conditions, (3) Online optimization of the prediction model for enhancing the prediction accuracy during run-time, (4) Negligible cost of hardware accelerator design for the implementation of selected machine learning model and online learning algorithm. The proposed design is intended for a highly dependable and self-adaptive multiprocessing system employed in space applications, allowing to trigger the radiation mitigation mechanisms before the onset of high radiation levels. KW - Machine learning KW - Single event upsets KW - Random access memory KW - monitoring KW - machine learning algorithms KW - predictive models KW - space missions KW - solar particle event KW - single event upset KW - machine learning KW - online learning KW - hardware accelerator KW - reliability KW - self-adaptive multiprocessing system Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1109/TETC.2022.3147376 SN - 2168-6750 VL - 10 IS - 2 SP - 564 EP - 580 PB - Institute of Electrical and Electronics Engineers CY - [New York, NY] ER - TY - JOUR A1 - Breitenreiter, Anselm A1 - Andjelković, Marko A1 - Schrape, Oliver A1 - Krstić, Miloš T1 - Fast error propagation probability estimates by answer set programming and approximate model counting JF - IEEE Access N2 - We present a method employing Answer Set Programming in combination with Approximate Model Counting for fast and accurate calculation of error propagation probabilities in digital circuits. By an efficient problem encoding, we achieve an input data format similar to a Verilog netlist so that extensive preprocessing is avoided. By a tight interconnection of our application with the underlying solver, we avoid iterating over fault sites and reduce calls to the solver. Several circuits were analyzed with varying numbers of considered cycles and different degrees of approximation. Our experiments show, that the runtime can be reduced by approximation by a factor of 91, whereas the error compared to the exact result is below 1%. KW - Circuit faults KW - Integrated circuit modeling KW - Programming KW - Analytical models KW - Search problems KW - Flip-flops KW - Encoding KW - Answer set programming KW - approximate model counting KW - error propagation KW - radhard design KW - reliability analysis KW - selective fault tolerance KW - single event upsets Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3174564 SN - 2169-3536 VL - 10 SP - 51814 EP - 51825 PB - Inst. of Electr. and Electronics Engineers CY - Piscataway ER - TY - JOUR A1 - Andjelkovic, Marko A1 - Simevski, Aleksandar A1 - Chen, Junchao A1 - Schrape, Oliver A1 - Stamenkovic, Zoran A1 - Krstić, Miloš A1 - Ilic, Stefan A1 - Ristic, Goran A1 - Jaksic, Aleksandar A1 - Vasovic, Nikola A1 - Duane, Russell A1 - Palma, Alberto J. A1 - Lallena, Antonio M. A1 - Carvajal, Miguel A. T1 - A design concept for radiation hardened RADFET readout system for space applications JF - Microprocessors and microsystems N2 - Instruments for measuring the absorbed dose and dose rate under radiation exposure, known as radiation dosimeters, are indispensable in space missions. They are composed of radiation sensors that generate current or voltage response when exposed to ionizing radiation, and processing electronics for computing the absorbed dose and dose rate. Among a wide range of existing radiation sensors, the Radiation Sensitive Field Effect Transistors (RADFETs) have unique advantages for absorbed dose measurement, and a proven record of successful exploitation in space missions. It has been shown that the RADFETs may be also used for the dose rate monitoring. In that regard, we propose a unique design concept that supports the simultaneous operation of a single RADFET as absorbed dose and dose rate monitor. This enables to reduce the cost of implementation, since the need for other types of radiation sensors can be minimized or eliminated. For processing the RADFET's response we propose a readout system composed of analog signal conditioner (ASC) and a self-adaptive multiprocessing system-on-chip (MPSoC). The soft error rate of MPSoC is monitored in real time with embedded sensors, allowing the autonomous switching between three operating modes (high-performance, de-stress and fault-tolerant), according to the application requirements and radiation conditions. KW - RADFET KW - Radiation hardness KW - Absorbed dose KW - Dose rate KW - Self-adaptive MPSoC Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1016/j.micpro.2022.104486 SN - 0141-9331 SN - 1872-9436 VL - 90 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Ristic, Goran S. A1 - Ilic, Stefan D. A1 - Andjelkovic, Marko S. A1 - Duane, Russell A1 - Palma, Alberto J. A1 - Lalena, Antonio M. A1 - Krstić, Miloš A1 - Jaksic, Aleksandar B. T1 - Sensitivity and fading of irradiated RADFETs with different gate voltages JF - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A N2 - The radiation-sensitive field-effect transistors (RADFETs) with an oxide thickness of 400 nm are irradiated with gate voltages of 2, 4 and 6 V, and without gate voltage. A detailed analysis of the mechanisms responsible for the creation of traps during irradiation is performed. The creation of the traps in the oxide, near and at the silicon/silicon-dioxide (Si/SiO2) interface during irradiation is modelled very well. This modelling can also be used for other MOS transistors containing SiO2. The behaviour of radiation traps during postirradiation annealing is analysed, and the corresponding functions for their modelling are obtained. The switching traps (STs) do not have significant influence on threshold voltage shift, and two radiation-induced trap types fit the fixed traps (FTs) very well. The fading does not depend on the positive gate voltage applied during irradiation, but it is twice lower in case there is no gate voltage. A new dosimetric parameter, called the Golden Ratio (GR), is proposed, which represents the ratio between the threshold voltage shift after irradiation and fading after spontaneous annealing. This parameter can be useful for comparing MOS dosimeters. KW - pMOS radiation dosimeter KW - RADFETs KW - irradiation KW - sensitivity KW - annealing KW - fading Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1016/j.nima.2022.166473 SN - 0168-9002 SN - 1872-9576 VL - 1029 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - THES A1 - Klockmann, Alexander T1 - Modifizierte Unidirektionale Codes für Speicherfehler N2 - Das Promotionsvorhaben verfolgt das Ziel, die Zuverlässigkeit der Datenspeicherung und die Speicherdichte von neu entwickelten Speichern (Emerging Memories) mit Multi-Level-Speicherzellen zu verbessern bzw. zu erhöhen. Hierfür werden Codes zur Erkennung von unidirektionalen Fehlern analysiert, modifiziert und neu entwickelt, um sie innerhalb der neuen Speicher anwenden zu können. Der Fokus liegt dabei auf sog. Berger-Codes und m-aus-n-Codes. Da Multi-Level-Speicherzellen nicht mehr binär, sondern mit mehreren Leveln arbeiten, können bisher verwendete Codes nicht mehr verwendet werden, bzw. müssen entsprechend angepasst werden. Auf Basis der Berger-Codes und m-aus-n-Codes werden in dieser Arbeit neue Codes abgeleitet, welche in der Lage sind, Daten auch in mehrwertigen Systemen zu schützen. KW - Fehlererkennung KW - Codierungstheorie KW - Speicher KW - unidirektionale Fehler Y1 - 2022 ER - TY - CHAP A1 - Hafer, Jörg A1 - Kostädt, Peter A1 - Lucke, Ulrike T1 - Das Corona-Virus als Treiber der Digitalisierung BT - eine kritische Analyse am Beispiel der Universität Potsdam T2 - Das Corona-Virus als Treiber der Digitalisierung N2 - Mit der Covid-19-Pandemie hat die Digitalisierung an Hochschulen weitere Bedeutung erlangt. Insbesondere dem Einsatz digitaler Medien in Lehre und Studium galt großes Augenmerk. Das legt die Hoffnung nahe, dass die Digitalisierung durch das Virus einen Schub erfahren und die Hochschulen dauerhaft verändert hat. Der Beitrag geht am Beispiel der Universität Potsdam der Frage nach, welcher Natur diese Veränderungen waren – ausgehend sowohl von den unternommenen Maßnahmen als auch von den erzielten Resultaten – und inwiefern sie von Dauer sind. Dabei werden förderliche und hemmende Faktoren identifiziert, die in Empfehlungen für weitere Digitalisierungsvorhaben übersetzt werden. Y1 - 2021 SN - 978-3-658-32608-1 SN - 978-3-658-32609-8 U6 - https://doi.org/10.1007/978-3-658-32609-8_15 SP - 219 EP - 242 PB - Springer CY - Wiesbaden ER - TY - THES A1 - Hecher, Markus T1 - Advanced tools and methods for treewidth-based problem solving N2 - In the last decades, there was a notable progress in solving the well-known Boolean satisfiability (Sat) problem, which can be witnessed by powerful Sat solvers. One of the reasons why these solvers are so fast are structural properties of instances that are utilized by the solver’s interna. This thesis deals with the well-studied structural property treewidth, which measures the closeness of an instance to being a tree. In fact, there are many problems parameterized by treewidth that are solvable in polynomial time in the instance size when parameterized by treewidth. In this work, we study advanced treewidth-based methods and tools for problems in knowledge representation and reasoning (KR). Thereby, we provide means to establish precise runtime results (upper bounds) for canonical problems relevant to KR. Then, we present a new type of problem reduction, which we call decomposition-guided (DG) that allows us to precisely monitor the treewidth when reducing from one problem to another problem. This new reduction type will be the basis for a long-open lower bound result for quantified Boolean formulas and allows us to design a new methodology for establishing runtime lower bounds for problems parameterized by treewidth. Finally, despite these lower bounds, we provide an efficient implementation of algorithms that adhere to treewidth. Our approach finds suitable abstractions of instances, which are subsequently refined in a recursive fashion, and it uses Sat solvers for solving subproblems. It turns out that our resulting solver is quite competitive for two canonical counting problems related to Sat. N2 - In den letzten Jahrzehnten konnte ein beachtlicher Fortschritt im Bereich der Aussagenlogik verzeichnet werden. Dieser äußerte sich dadurch, dass für das wichtigste Problem in diesem Bereich, genannt „Sat“, welches sich mit der Fragestellung befasst, ob eine gegebene aussagenlogische Formel erfüllbar ist oder nicht, überwältigend schnelle Computerprogramme („Solver“) entwickelt werden konnten. Interessanterweise liefern diese Solver eine beeindruckende Leistung, weil sie oft selbst Probleminstanzen mit mehreren Millionen von Variablen spielend leicht lösen können. Auf der anderen Seite jedoch glaubt man in der Wissenschaft weitgehend an die Exponentialzeithypothese (ETH), welche besagt, dass man im schlimmsten Fall für das Lösen einer Instanz in diesem Bereich exponentielle Laufzeit in der Anzahl der Variablen benötigt. Dieser vermeintliche Widerspruch ist noch immer nicht vollständig geklärt, denn wahrscheinlich gibt es viele ineinandergreifende Gründe für die Schnelligkeit aktueller Sat Solver. Einer dieser Gründe befasst sich weitgehend mit strukturellen Eigenschaften von Probleminstanzen, die wohl indirekt und intern von diesen Solvern ausgenützt werden. Diese Dissertation beschäftigt sich mit solchen strukturellen Eigenschaften, nämlich mit der sogenannten Baumweite. Die Baumweite ist sehr gut erforscht und versucht zu messen, wie groß der Abstand von Probleminstanzen zu Bäumen ist (Baumnähe). Allerdings ist dieser Parameter sehr generisch und bei Weitem nicht auf Problemstellungen der Aussagenlogik beschränkt. Tatsächlich gibt es viele weitere Probleme, die parametrisiert mit Baumweite in polynomieller Zeit gelöst werden können. Interessanterweise gibt es auch viele Probleme in der Wissensrepräsentation (KR), von denen man davon ausgeht, dass sie härter sind als das Problem Sat, die bei beschränkter Baumweite in polynomieller Zeit gelöst werden können. Ein prominentes Beispiel solcher Probleme ist das Problem QSat, welches sich für die Gültigkeit einer gegebenen quantifizierten, aussagenlogischen Formel (QBF), das sind aussagenlogische Formeln, wo gewisse Variablen existenziell bzw. universell quantifiziert werden können, befasst. Bemerkenswerterweise wird allerdings auch im Zusammenhang mit Baumweite, ähnlich zu Methoden der klassischen Komplexitätstheorie, die tatsächliche Komplexität (Härte) solcher Problemen quantifiziert, wo man die exakte Laufzeitabhängigkeit beim Problemlösen in der Baumweite (Stufe der Exponentialität) beschreibt. Diese Arbeit befasst sich mit fortgeschrittenen, Baumweite-basierenden Methoden und Werkzeugen für Probleme der Wissensrepräsentation und künstlichen Intelligenz (AI). Dabei präsentieren wir Methoden, um präzise Laufzeitresultate (obere Schranken) für prominente Fragmente der Antwortmengenprogrammierung (ASP), welche ein kanonisches Paradigma zum Lösen von Problemen der Wissensrepräsentation darstellt, zu erhalten. Unsere Resultate basieren auf dem Konzept der dynamischen Programmierung, die angeleitet durch eine sogenannte Baumzerlegung und ähnlich dem Prinzip „Teile-und-herrsche“ funktioniert. Solch eine Baumzerlegung ist eine konkrete, strukturelle Zerlegung einer Probleminstanz, die sich stark an der Baumweite orientiert. Des Weiteren präsentieren wir einen neuen Typ von Problemreduktion, den wir als „decomposition-guided (DG)“, also „zerlegungsangeleitet“, bezeichnen. Dieser Reduktionstyp erlaubt es, Baumweiteerhöhungen und -verringerungen während einer Problemreduktion von einem bestimmten Problem zu einem anderen Problem präzise zu untersuchen und zu kontrollieren. Zusätzlich ist dieser neue Reduktionstyp die Basis, um ein lange offen gebliebenes Resultat betreffend quantifizierter, aussagenlogischer Formeln zu zeigen. Tatsächlich sind wir damit in der Lage, präzise untere Schranken, unter der Annahme der Exponentialzeithypothese, für das Problem QSat bei beschränkter Baumweite zu zeigen. Genauer gesagt können wir mit diesem Konzept der DG Reduktionen zeigen, dass das Problem QSat, beschränkt auf Quantifizierungsrang ` und parametrisiert mit Baumweite k, im Allgemeinen nicht besser als in einer Laufzeit, die `-fach exponentiell in der Baumweite und polynomiell in der Instanzgröße ist1, lösen. Dieses Resultat hebt auf nicht-inkrementelle Weise ein bekanntes Ergebnis für Quantifizierungsrang 2 auf beliebige Quantifizierungsränge, allerdings impliziert es auch sehr viele weitere Konsequenzen. Das Resultat über die untere Schranke des Problems QSat erlaubt es, eine neue Methodologie zum Zeigen unterer Schranken einer Vielzahl von Problemen der Wissensrepräsentation und künstlichen Intelligenz, zu etablieren. In weiterer Konsequenz können wir damit auch zeigen, dass die oberen Schranken sowie die DG Reduktionen dieser Arbeit unter der Hypothese ETH „eng“ sind, d.h., sie können wahrscheinlich nicht mehr signifikant verbessert werden. Die Ergebnisse betreffend der unteren Schranken für QSat und die dazugehörige Methodologie konstituieren in gewisser Weise eine Hierarchie von über Baumweite parametrisierte Laufzeitklassen. Diese Laufzeitklassen können verwendet werden, um die Härte von Problemen für das Ausnützen von Baumweite zu quantifizieren und diese entsprechend ihrer Laufzeitabhängigkeit bezüglich Baumweite zu kategorisieren. Schlussendlich und trotz der genannten Resultate betreffend unterer Schranken sind wir im Stande, eine effiziente Implementierung von Algorithmen basierend auf dynamischer Programmierung, die entlang einer Baumzerlegung angeleitet wird, zur Verfügung zu stellen. Dabei funktioniert unser Ansatz dahingehend, indem er probiert, passende Abstraktionen von Instanzen zu finden, die dann im Endeffekt sukzessive und auf rekursive Art und Weise verfeinert und verbessert werden. Inspiriert durch die enorme Effizienz und Effektivität der Sat Solver, ist unsere Implementierung ein hybrider Ansatz, weil sie den starken Gebrauch von Sat Solvern zum Lösen diverser Subprobleme, die während der dynamischen Programmierung auftreten, pflegt. Dabei stellt sich heraus, dass der resultierende Solver unserer Implementierung im Bezug auf Effizienz beim Lösen von zwei kanonischen, Sat-verwandten Zählproblemen mit bestehenden Solvern locker mithalten kann. Tatsächlich sind wir im Stande, Instanzen, wo die oberen Schranken von Baumweite 260 übersteigen, zu lösen. Diese überraschende Beobachtung zeigt daher, dass Baumweite ein wichtiger Parameter sein könnte, der wohl in modernen Designs von Solvern berücksichtigt werden sollte. KW - Treewidth KW - Dynamic Programming KW - Knowledge Representation and Reasoning KW - Artificial Intelligence KW - Computational Complexity KW - Parameterized Complexity KW - Answer Set Programming KW - Exponential Time Hypothesis KW - Lower Bounds KW - Algorithms KW - Algorithmen KW - Antwortmengenprogrammierung KW - Künstliche Intelligenz KW - Komplexitätstheorie KW - Dynamische Programmierung KW - Exponentialzeit Hypothese KW - Wissensrepräsentation und Schlussfolgerung KW - Untere Schranken KW - Parametrisierte Komplexität KW - Baumweite Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512519 ER - TY - THES A1 - Moebert, Tobias T1 - Zum Einfluss von Adaptivität auf die Wahrnehmung von Komplexität in der Mensch-Technik-Interaktion T1 - On the Influence of Adaptivity upon the Perception of Complexity in Human-Technology Interaction BT - dargestellt am Beispiel Bildungstechnologie N2 - Wir leben in einer Gesellschaft, die von einem stetigen Wunsch nach Innovation und Fortschritt geprägt ist. Folgen dieses Wunsches sind die immer weiter fortschreitende Digitalisierung und informatische Vernetzung aller Lebensbereiche, die so zu immer komplexeren sozio-technischen Systemen führen. Ziele dieser Systeme sind u. a. die Unterstützung von Menschen, die Verbesserung ihrer Lebenssituation oder Lebensqualität oder die Erweiterung menschlicher Möglichkeiten. Doch haben neue komplexe technische Systeme nicht nur positive soziale und gesellschaftliche Effekte. Oft gibt es unerwünschte Nebeneffekte, die erst im Gebrauch sichtbar werden, und sowohl Konstrukteur*innen als auch Nutzer*innen komplexer vernetzter Technologien fühlen sich oft orientierungslos. Die Folgen können von sinkender Akzeptanz bis hin zum kompletten Verlust des Vertrauens in vernetze Softwaresysteme reichen. Da komplexe Anwendungen, und damit auch immer komplexere Mensch-Technik-Interaktionen, immer mehr an Relevanz gewinnen, ist es umso wichtiger, wieder Orientierung zu finden. Dazu müssen wir zuerst diejenigen Elemente identifizieren, die in der Interaktion mit vernetzten sozio-technischen Systemen zu Komplexität beitragen und somit Orientierungsbedarf hervorrufen. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag geleistet werden, um ein strukturiertes Reflektieren über die Komplexität vernetzter sozio-technischer Systeme im gesamten Konstruktionsprozess zu ermöglichen. Dazu wird zuerst eine Definition von Komplexität und komplexen Systemen erarbeitet, die über das informatische Verständnis von Komplexität (also der Kompliziertheit von Problemen, Algorithmen oder Daten) hinausgeht. Im Vordergrund soll vielmehr die sozio-technische Interaktion mit und in komplexen vernetzten Systemen stehen. Basierend auf dieser Definition wird dann ein Analysewerkzeug entwickelt, welches es ermöglicht, die Komplexität in der Interaktion mit sozio-technischen Systemen sichtbar und beschreibbar zu machen. Ein Bereich, in dem vernetzte sozio-technische Systeme zunehmenden Einzug finden, ist jener digitaler Bildungstechnologien. Besonders adaptiven Bildungstechnologien wurde in den letzten Jahrzehnten ein großes Potential zugeschrieben. Zwei adaptive Lehr- bzw. Trainingssysteme sollen deshalb exemplarisch mit dem in dieser Arbeit entwickelten Analysewerkzeug untersucht werden. Hierbei wird ein besonderes Augenmerkt auf den Einfluss von Adaptivität auf die Komplexität von Mensch-Technik-Interaktionssituationen gelegt. In empirischen Untersuchungen werden die Erfahrungen von Konstrukteur*innen und Nutzer*innen jener adaptiver Systeme untersucht, um so die entscheidenden Kriterien für Komplexität ermitteln zu können. Auf diese Weise können zum einen wiederkehrende Orientierungsfragen bei der Entwicklung adaptiver Bildungstechnologien aufgedeckt werden. Zum anderen werden als komplex wahrgenommene Interaktionssituationen identifiziert. An diesen Situationen kann gezeigt werden, wo aufgrund der Komplexität des Systems die etablierten Alltagsroutinen von Nutzenden nicht mehr ausreichen, um die Folgen der Interaktion mit dem System vollständig erfassen zu können. Dieses Wissen kann sowohl Konstrukteur*innen als auch Nutzer*innen helfen, in Zukunft besser mit der inhärenten Komplexität moderner Bildungstechnologien umzugehen. N2 - We live in a society that is characterized by a constant desire for innovation and progress. The consequences of this desire are the ever-increasing digitalization and networking of all areas of life, which thus lead to ever more complex socio-technical systems. The goals of these systems include supporting people, improving their living situation or quality of life, or expanding human possibilities. But new complex technical systems do not only have positive social and societal effects. Often there are undesirable side effects that only become apparent during use, and both designers and users of complex networked technologies often feel disoriented. The consequences can range from decreasing acceptance to a complete loss of trust in networked software systems. As complex applications, and thus increasingly complex human-technology interactions, become more and more relevant, it is all the more important to find orientation again. For this purpose, we first have to identify those elements that contribute to complexity in the interaction with networked socio-technical systems and thus create a need for orientation. This work is intended to contribute to a structured reflection on the complexity of networked socio-technical systems throughout the entire construction process. For this purpose, a definition of complexity and complex system is first developed, which goes beyond the informatics understanding of complexity (i.e. the complexity of problems, algorithms, or data). The focus will rather be on the socio-technical interaction with and within complex networked systems. Based on this definition, an analysis tool will be developed, which allows us to make the complexity in the interaction with socio-technical systems visible and describable. One area in which networked socio-technical systems are becoming increasingly important is that of digital educational technologies. Adaptive educational technologies in particular have been attributed a great potential in the last decades. Therefore, two adaptive teaching and training systems will be examined with the analysis tool developed in this thesis. Special attention will be paid to the influence of adaptivity on the complexity of human-technology interaction situations. In empirical studies, the experiences of users and constructors of those adaptive systems will be examined to determine the decisive criteria for complexity. In this way, recurring questions of orientation in the development of adaptive educational technologies can be uncovered. Furthermore, interaction situations perceived as complex are identified. These situations can be used to show where, due to the complexity of the system, the established everyday routines of users are no longer sufficient to fully grasp the consequences of interaction with the system. This knowledge can help both designers and users to better deal with the inherent complexity of modern educational technologies in the future. KW - Bildungstechnologien KW - Mensch-Technik-Interaktion KW - Komplexität KW - Adaptivität KW - Methodik KW - Adaptivity KW - Educational Technologies KW - Complexity KW - Human-Technology Interaction KW - Methodology Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-499926 ER - TY - THES A1 - Dehne, Julian T1 - Möglichkeiten und Limitationen der medialen Unterstützung forschenden Lernens N2 - Forschendes Lernen und die digitale Transformation sind zwei der wichtigsten Einflüsse auf die Entwicklung der Hochschuldidaktik im deutschprachigen Raum. Während das forschende Lernen als normative Theorie das sollen beschreibt, geben die digitalen Werkzeuge, alte wie neue, das können in vielen Bereichen vor. In der vorliegenden Arbeit wird ein Prozessmodell aufgestellt, was den Versuch unternimmt, das forschende Lernen hinsichtlich interaktiver, gruppenbasierter Prozesse zu systematisieren. Basierend auf dem entwickelten Modell wurde ein Softwareprototyp implementiert, der den gesamten Forschungsprozess begleiten kann. Dabei werden Gruppenformation, Feedback- und Reflexionsprozesse und das Peer Assessment mit Bildungstechnologien unterstützt. Die Entwicklungen wurden in einem qualitativen Experiment eingesetzt, um Systemwissen über die Möglichkeiten und Grenzen der digitalen Unterstützung von forschendem Lernen zu gewinnen. N2 - Research-based learning and digital transformation are two of the most important influences on the development of pedagogies of universities in German-speaking countries. While research-based learning as a normative theory explains the should, the digital tools, both old and new, provide the can in many areas. In the present work, a process model was developed, which captures research-based learning with regard to interactive, group-based processes. Based on this model a software prototype was implemented that can accompany the entire research process. Thereby group formation, feedback and reflection processes and peer assessment are supported with educational technology. The developed software was used in a qualitative experiment to gain knowledge about the possibilities and limits of digital support for research-based learning. T2 - Limits and chances of supporting inquiry-based learning with digital media KW - Forschendes Lernen KW - Digitale Medien KW - Modellierung KW - Bildungstechnologien KW - Educational Technologies KW - Digital Media KW - Inquiry-based learning KW - Modelling Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-497894 ER - TY - JOUR A1 - Bordihn, Henning A1 - Vaszil, György T1 - Reversible parallel communicating finite automata systems JF - Acta informatica N2 - We study the concept of reversibility in connection with parallel communicating systems of finite automata (PCFA in short). We define the notion of reversibility in the case of PCFA (also covering the non-deterministic case) and discuss the relationship of the reversibility of the systems and the reversibility of its components. We show that a system can be reversible with non-reversible components, and the other way around, the reversibility of the components does not necessarily imply the reversibility of the system as a whole. We also investigate the computational power of deterministic centralized reversible PCFA. We show that these very simple types of PCFA (returning or non-returning) can recognize regular languages which cannot be accepted by reversible (deterministic) finite automata, and that they can even accept languages that are not context-free. We also separate the deterministic and non-deterministic variants in the case of systems with non-returning communication. We show that there are languages accepted by non-deterministic centralized PCFA, which cannot be recognized by any deterministic variant of the same type. KW - Finite automata KW - Reversibility KW - Systems of parallel communicating KW - automata Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1007/s00236-021-00396-9 SN - 0001-5903 SN - 1432-0525 VL - 58 IS - 4 SP - 263 EP - 279 PB - Springer CY - Berlin ; Heidelberg ; New York, NY ER - TY - THES A1 - Hitz, Michael T1 - Modellierung und Generierung kombinierbarer Benutzungsschnittstellenvarianten und deren gemeinschaftliche Nutzung in Dienst-Ökosystemen T1 - Modeling and generation of composable user interface variants and their shared use in digital service ecosystems N2 - Digitalisierung ermöglicht es uns, mit Partnern (z.B. Unternehmen, Institutionen) in einer IT-unterstützten Umgebung zu interagieren und Tätigkeiten auszuführen, die vormals manuell erledigt wurden. Ein Ziel der Digitalisierung ist dabei, Dienstleistungen unterschiedlicher fachlicher Domänen zu Prozessen zu kombinieren und vielen Nutzergruppen bedarfsgerecht zugänglich zu machen. Hierzu stellen Anbieter technische Dienste bereit, die in unterschiedliche Anwendungen integriert werden können. Die Digitalisierung stellt die Anwendungsentwicklung vor neue Herausforderungen. Ein Aspekt ist die bedarfsgerechte Anbindung von Nutzern an Dienste. Zur Interaktion menschlicher Nutzer mit den Diensten werden Benutzungsschnittstellen benötigt, die auf deren Bedürfnisse zugeschnitten sind. Hierzu werden Varianten für spezifische Nutzergruppen (fachliche Varianten) und variierende Umgebungen (technische Varianten) benötigt. Zunehmend müssen diese mit Diensten anderer Anbieter kombiniert werden können, um domänenübergreifend Prozesse zu Anwendungen mit einem erhöhten Mehrwert für den Endnutzer zu verknüpfen (z.B. eine Flugbuchung mit einer optionalen Reiseversicherung). Die Vielfältigkeit der Varianten lässt die Erstellung von Benutzungsschnittstellen komplex und die Ergebnisse sehr individuell erscheinen. Daher werden die Varianten in der Praxis vorwiegend manuell erstellt. Dies führt zur parallelen Entwicklung einer Vielzahl sehr ähnlicher Anwendungen, die nur geringes Potential zur Wiederverwendung besitzen. Die Folge sind hohe Aufwände bei Erstellung und Wartung. Dadurch wird häufig auf die Unterstützung kleiner Nutzerkreise mit speziellen Anforderungen verzichtet (z.B. Menschen mit physischen Einschränkungen), sodass diese weiterhin von der Digitalisierung ausgeschlossen bleiben. Die Arbeit stellt eine konsistente Lösung für diese neuen Herausforderungen mit den Mitteln der modellgetriebenen Entwicklung vor. Sie präsentiert einen Ansatz zur Modellierung von Benutzungsschnittstellen, Varianten und Kompositionen und deren automatischer Generierung für digitale Dienste in einem verteilten Umfeld. Die Arbeit schafft eine Lösung zur Wiederverwendung und gemeinschaftlichen Nutzung von Benutzungsschnittstellen über Anbietergrenzen hinweg. Sie führt zu einer Infrastruktur, in der eine Vielzahl von Anbietern ihre Expertise in gemeinschaftliche Anwendungen einbringen können. Die Beiträge bestehen im Einzelnen in Konzepten und Metamodellen zur Modellierung von Benutzungsschnittstellen, Varianten und Kompositionen sowie einem Verfahren zu deren vollständig automatisierten Transformation in funktionale Benutzungsschnittstellen. Zur Umsetzung der gemeinschaftlichen Nutzbarkeit werden diese ergänzt um eine universelle Repräsentation der Modelle, einer Methodik zur Anbindung unterschiedlicher Dienst-Anbieter sowie einer Architektur zur verteilten Nutzung der Artefakte und Verfahren in einer dienstorientierten Umgebung. Der Ansatz bietet die Chance, unterschiedlichste Menschen bedarfsgerecht an der Digitalisierung teilhaben zu lassen. Damit setzt die Arbeit Impulse für zukünftige Methoden zur Anwendungserstellung in einem zunehmend vielfältigen Umfeld. N2 - Digitalization enables us to interact with partners (e.g., companies, institutions) and perform operations in an IT-supported, digital environment. A major objective of the digitalization efforts is to combine and integrate services of different business domains in order to make them accessible to a wide variety of users. To achieve that objective, service suppliers provide technical services that can be integrated into applications. This brings new challenges for the development of applications. An important aspect is the needs-oriented accessibility of services for users. To interact with technical services, human users need user interfaces (UIs) tailored to suit their needs. This requires a variety of UI variants focusing on the different requirements of special user groups (user specific variants) and tailored for multiple technical environments (technical variants). In addition, user interfaces increasingly need to combine services from different suppliers and business domains to build applications with added value for the customer (e.g., a flight booking in combination with a travel insurance product). The diversity of the variants lets the development of user interfaces seems to be a complex and very individual task. Therefore, in daily practice variants are mostly built manually. This leads to concurrent developments of very similar, yet hardly reusable applications. This results in increasing expenses for application building and maintenance. One consequence is that service providers shy away from the effort to build variants for small user groups with special needs (e.g., visually impaired persons), excluding them from digital offerings and leaving them behind. This thesis offers a consistent solution for these new challenges by applying model driven development techniques to the problem. It presents an approach for modeling dialog-based user interfaces, variants and compositions including their completely automatic generation as UIs for digital services in a distributed environment. The thesis provides a solution for reuse and sharing of user interfaces across different domains and suppliers. It leads to an infrastructure where a variety of suppliers can share their expertise to build applications. The contributions of this work are concepts and metamodels for modeling user interfaces, variants and compositions along with a process for a completely automated transformation into fully functional UIs. To achieve reusability and shareability the solutions are complemented by a universal representation of the models, a method to reuse them with different service suppliers and a distributed architecture for sharing the artifacts and functional components of the approach in a service oriented environment. The approach offers the opportunity to a variety of people to participate in digitalization. It provides impetus for future application development methods within an increasingly diverse environment. KW - Digitalisierung KW - Dienst-Ökosysteme KW - Dialogbasierte Benutzerschnittstellen KW - Multimodale Benutzerschnittstellen KW - Modellgetriebene UI Entwicklung KW - UI-Komponenten KW - Digitalisation KW - Service Ecosystems KW - Tailored UI Variants KW - User Interfaces KW - Dialog-based User Interfaces KW - Multimodal User Interfaces KW - Model Driven UI Development KW - Automatic UI Generation KW - Reuseable UIs KW - UI Components KW - Composed UIs KW - UI Metamodels KW - Softwareentwicklung KW - Domänenspezifische Sprachen KW - Generative Programmierung KW - Modellgetriebene Softwareentwicklung KW - Serviceorientierte Architektur KW - Benutzungsschnittstellen Ontologien KW - Linked Data Anwendungen KW - Applications and Software Development KW - Model-Driven Software Development KW - Service Oriented Architectures KW - Software Engineering KW - User Interface Ontologies KW - Linked Data Application Modelling KW - Application Aggregation KW - Generative Programming KW - Domain-Specific Languages Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-500224 ER - TY - JOUR A1 - Bordihn, Henning A1 - Holzer, Markus T1 - On the number of active states in finite automata JF - Acta informatica N2 - We introduce a new measure of descriptional complexity on finite automata, called the number of active states. Roughly speaking, the number of active states of an automaton A on input w counts the number of different states visited during the most economic computation of the automaton A for the word w. This concept generalizes to finite automata and regular languages in a straightforward way. We show that the number of active states of both finite automata and regular languages is computable, even with respect to nondeterministic finite automata. We further compare the number of active states to related measures for regular languages. In particular, we show incomparability to the radius of regular languages and that the difference between the number of active states and the total number of states needed in finite automata for a regular language can be of exponential order. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1007/s00236-021-00397-8 SN - 0001-5903 SN - 1432-0525 VL - 58 IS - 4 SP - 301 EP - 318 PB - Springer CY - Berlin ; Heidelberg [u.a.] ER - TY - THES A1 - Reuß, Florian T1 - Entwicklung eines Prototyps einer Lernumgebung für interaktive Funktionsanalyse-Übungen nach einem Gamification- Ansatz T1 - On the development of a prototypical learning environment for music theory exercises following a gamification approach N2 - In vielen Studiengängen kommt es durch die oft heterogenen Vorkenntnisse in der Studieneingangsphase zu mangelnder Motivation durch Über- oder Unterforderung. Dieses Problem tritt auch in der musiktheoretischen Grundausbildung an Hochschulen auf. Durch Einsatz von Elementen, die aus dem Unterhaltungskontext geläufig sind, kann eine Steigerung der Motivation erreicht werden. Die Nutzung solcher Elemente wird als Gamification bezeichnet. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, am Fallbeispiel der musiktheoretischen Grundausbildung zu analysieren, ob Lerngelegenheiten durch einen gamifizierten interaktiven Prototyp einer Lernumgebung unterstützt werden können. Dazu wird die folgende Forschungsfrage gestellt: Inwieweit wirkt Gamification auf die Motivation bei den Lernenden zur Beschäftigung mit dem Thema (musikalische) Funktionsanalyse? Um die Forschungsfragen zu beantworten, wurde zunächst ein systematisches, theoriegeleitetes Vorgehensmodell zur Gamification von Lernumgebungen entwickelt und angewandt. Der so entstandene Prototyp wurde anschließend um alle Game-Design-Elemente reduziert und im Rahmen einer experimentellen Studie mit zwei unabhängigen Versuchsgruppen mit der gamifizierten Variante verglichen. Die Untersuchung zeigte, dass die Gamification einer Lernanwendung nach dem entwickelten Vorgehensmodell grundsätzlich das Potenzial besitzt, manche Aspekte des Nutzungserlebnisses (UX) positiv zu beeinflussen. Insbesondere hatte die Gamification positive Effekte auf die Joy of Use und die Immersivität. Allerdings blieb das Ausmaß der beobachteten Effekte deutlich hinter den Erwartungen zurück, die auf Basis verschiedener Motivationstheorien getroffen wurden. Daher erscheint Gamification besonders in außeruniversitären Kontexten vielversprechend, in denen der Fokus auf einer Erhöhung der Joy of Use oder einer Steigerung der Immersivität liegt. Allerdings lassen sich durch die Untersuchung neue Erkenntnisse zur emotionalen Wirkung von Gamification und zu einem systematischen Vorgehen bei der Gamification von Lernanwendungen herausstellen. Weiterführende Forschung könnte an diese Erkenntnisse anknüpfen, indem sie die emotionale Wirkung von Gamification und deren Einfluss auf die Motivation näher untersucht. Darüber hinaus sollte sie Gamification auch aus einer entscheidungstheoretischen Perspektive betrachten und Analysemethoden entwickeln, mit denen entschieden werden kann, ob der Einsatz von Gamification zur Motivationssteigerung in einem spezifischen Anwendungsfall zielführend ist. Unter Verwendung des entwickelten Vorgehensmodells kann es sinnvoll sein, näher zu untersuchen, welche Faktoren insgesamt für das Gelingen einer Gamification-Maßnahme in Bildungskontexten entscheidend sind. Die Erkenntnisse einer solchen Untersuchung könnten entscheidend zur Verbesserung und Validierung des Vorgehensmodells beitragen.  N2 - In many academic courses, the often heterogeneous previous knowledge in the introductory phase leads to a lack of motivation in students due to over- or under-challenging. This problem also occurs in basic music theory training at universities. By using elements that are familiar from entertainment contexts, an increase in motivation can be achieved. The use of such elements is called gamification. The aim of this paper is to analyse whether learning opportunities can be supported by a gamified interactive prototype of a learning environment, using music theory as a case study. For this purpose, the following research question is posed: To what extent does gamification affect motivation in learners to engage with the topic of (musical) functional analysis? In order to answer the research questions, a systematic, theory-based procedure model for the gamification of learning environments was first developed and applied. The resulting prototype was then reduced by all game design elements and compared with the gamified version in an experimental study with two independent experimental groups. The study showed that the gamification of a learning application according to the developed procedure model has the potential to positively influence some aspects of the user experience (UX). In particular, gamification had positive effects on the joy of use and immersivity. However, the extent of the observed effects remained significantly below the expectations made on the basis of various motivation theories. Therefore, gamification seems to be particularly promising in non-university contexts where the focus is on increasing the joy of use or immersivity. However, new insights into the emotional impact of gamification and a systematic approach to gamification of learning applications can be highlighted. Further research could carry on these investigations by regarding on the emotional impact of gamification and its influence on motivation in detail. Furthermore, gamification should be analysed from a decision-theoretical perspective: it is important to develop methods of analysis that can be used to decide whether the use of gamification is profitable in a specific use case. Using the process model developed, it may be useful to investigate more closely which factors are decisive for the overall success of a gamification measure in educational contexts. The findings of such an investigation could contribute to the improvement and validation of the process model developed. KW - Gamification KW - Gamification KW - Nutzungserlebnis KW - User Experience KW - Gebrauchstauglichkeit KW - Usability KW - Lernumgebung KW - Learning environment KW - Prototyping KW - Prototyping KW - Motivation KW - Motivation KW - Game-Design-Elemente KW - game design elements Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519041 ER -