Institut für Informatik und Computational Science
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Institute
- Institut für Informatik und Computational Science (1111) (remove)
Mobile Endgeräte und Applikationen (Apps) sind dank vielfältiger Kommunikations-, Informations- und Assistenzfunktionen zu einem unverzichtbaren Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden. Inzwischen hat sich insbesondere im Hochschulumfeld eine bunte Vielfalt an mobilen Unterstützungsangeboten etabliert, beginnend bei zentral angebotenen Uni-Apps bis hin zu unterschiedlichen Apps zur Ausgestaltung einzelner Lehrveranstaltungen oder individueller Lehr- und Lernszenarien. Angesichts der großen Aufwände zur Entwicklung, Distribution und Pflege mobiler Anwendungen ist ein Einsatz für eine möglichst große Zielgruppe wünschenswert. Dies kann jedoch mit dem Charakter mobiler Endgeräte als persönliche, individualisierte Assistenten kollidieren.
In diesem Beitrag werden entlang dieses Spektrums zwischen (fach-)spezifischen Einzellösungen und breiten Allroundern verschiedene mobile Unterstützungsangebote aus dem Hochschulbereich vorgestellt, hinsichtlich ihres Einsatzes kontextuell eingeordnet und systematisiert. Dies umfasst mobile Anwendungen, die allgemeine organisatorische Aspekte des Studiums, bestimmte Felder wie die Studieneingangsphase oder die konkrete Begleitung hybrider Lernszenarien fokussieren. Es schließt sich eine App-Auswahl an, die fachspezifischen Aspekten Rechnung trägt und in denen Inhalte in Form von Serious Games, Simulationen und Inhaltsmodulen aufbereitet sind. Neben Lehre und Studium wird auch die Forschung in den Fokus gerückt, wo Apps gleichermaßen als Forschungsgegenstand und Datenerhebungsinstrument wirken. Aus der Fülle dieser Entwicklungen resultiert eine App-Vielfalt, die verschiedene Herausforderungen aufwirft. Der Beitrag stellt die spezifischen Herausforderungen zusammen und spricht Empfehlungen aus. Dabei werden sowohl organisatorische, inhaltliche und technische Fragestellungen thematisiert als auch rechtliche Gesichtspunkte bezüglich Datenschutz und Copyright tangiert.
In this paper, we consider the computational power of a new variant of networks of splicing processors in which each processor as well as the data navigating throughout the network are now considered to be polarized. While the polarization of every processor is predefined (negative, neutral, positive), the polarization of data is dynamically computed by means of a valuation mapping. Consequently, the protocol of communication is naturally defined by means of this polarization. We show that networks of polarized splicing processors (NPSP) of size 2 are computationally complete, which immediately settles the question of designing computationally complete NPSPs of minimal size. With two more nodes we can simulate every nondeterministic Turing machine without increasing the time complexity. Particularly, we prove that NPSP of size 4 can accept all languages in NP in polynomial time. Furthermore, another computational model that is universal, namely the 2-tag system, can be simulated by NPSP of size 3 preserving the time complexity. All these results can be obtained with NPSPs with valuations in the set as well. We finally show that Turing machines can simulate a variant of NPSPs and discuss the time complexity of this simulation.
Answer Set Programming (ASP) is a declarative problem solving approach, combining a rich yet simple modeling language with high-performance solving capabilities. Although this has already resulted in various applications, certain aspects of such applications are more naturally modeled using variables over finite domains, for accounting for resources, fine timings, coordinates, or functions. Our goal is thus to extend ASP with constraints over integers while preserving its declarative nature. This allows for fast prototyping and elaboration tolerant problem descriptions of resource related applications. The resulting paradigm is called Constraint Answer Set Programming (CASP).
We present three different approaches for solving CASP problems. The first one, a lazy, modular approach combines an ASP solver with an external system for handling constraints. This approach has the advantage that two state of the art technologies work hand in hand to solve the problem, each concentrating on its part of the problem. The drawback is that inter-constraint dependencies cannot be communicated back to the ASP solver, impeding its learning algorithm. The second approach translates all constraints to ASP. Using the appropriate encoding techniques, this results in a very fast, monolithic system. Unfortunately, due to the large, explicit representation of constraints and variables, translation techniques are restricted to small and mid-sized domains. The third approach merges the lazy and the translational approach, combining the strength of both while removing their weaknesses. To this end, we enhance the dedicated learning techniques of an ASP solver with the inferences of the translating approach in a lazy way. That is, the important knowledge is only made explicit when needed.
By using state of the art techniques from neighboring fields, we provide ways to tackle real world, industrial size problems. By extending CASP to reactive solving, we open up new application areas such as online planning with continuous domains and durations.
Digitale Medien enthalten bislang vor allem Inhalte in verschiedenen Darstellungsformen. Dies allein erzeugt jedoch nur einen geringen Mehrwert zu klassischen Lernressourcen, da die Kriterien der Interaktivität und Adaptivität nicht mit einbezogen werden. Dies scheitert jedoch oft an dem damit verbundenen Erstellungsaufwand. Der folgende Beitrag zeigt, wie durch die automatische Erzeugung von Aufgaben ein hochwertiger Wissenserwerb mit digitalen Medien ermöglicht wird. Ferner werden Vor- und Nachteile der automatischen Erstellung von Aufgaben erörtert.
Die Veröffentlichung eines global frei verfügbaren Onlinekurses abseits der großen MOOC Plattformen bringt spezielle Herausforderungen mit sich. Neben technischen Herausforderungen sind eine effiziente Wissensvermittlung und die Erhaltung der Lernmotivation zentral. Der folgende Beitrag stellt Techniken zur Steigerung der Lerneffizienz und -motivation anhand des ARCS Modells vor. Er zeigt auf, wie die verschiedenen Techniken in der Entwicklung des Onlinekurses „Designing Sustainable Food Systems“ umgesetzt wurden und inwieweit sie erfolgreich waren.
Das Training sozioemotionaler Kompetenzen ist gerade für Menschen mit Autismus nützlich. Ein solches Training kann mithilfe einer spielbasierten Anwendung effektiv gestaltet werden. Zwei Minispiele, Mimikry und Emo-Mahjong, wurden realisiert und hinsichtlich User Experience evaluiert. Die jeweiligen Konzepte und die Evaluationsergebnisse sollen hier vorgestellt werden.
Einsatz einer mobilen Lern-App - Ein Werkzeug zur Verbesserung von klinisch-praktischem Unterricht
(2018)
Der Unterricht am Krankenbett ist im Medizinstudium eine wertvolle Möglichkeit klinisch-praktische Fertigkeiten zu erlernen. Eine optimale Vorbereitung der Studierenden ist dabei Voraussetzung. Eine mobile Lern-App wurde entwickelt, die den Studierenden, neben Lernzielen, Kursinhalte und Anleitungen zu Untersuchungstechniken bietet, um die Vorbereitung auf einen klinisch-praktischen Kurs zu fördern und Kurzinformationen auch während des Kurses zur Verfügung zu stellen. 175 Studierende hatten die Möglichkeit die App parallel zu einem klinischen Untersuchungs-Kurs im Semester zu nutzen. Im Anschluss beantworteten die Studierenden einen Fragebogen zur Nützlichkeit und Vielseitigkeit der App und zur Zufriedenheit mit der App unter Verwendung eine 5-Punkt-Likert-Skala und zwei offenen Fragen. In diesem Beitrag wird das Kurskonzept zusammen mit der Lern-App, die Ergebnisse aus dem Fragebogen und unsere Schlussfolgerungen daraus vorgestellt. Studierende bewerteten die App grundsätzlich als hilfreich. Sie sollte dabei gründlich eingeführt werden. Patienten sollten über die Nutzung von Smartphones im Studentenunterricht zu Lernzwecken informiert werden.
Der vorliegende Beitrag berichtet auf der Grundlage von Erfahrungen mit dem Audience Response System (ARS) „Auditorium Mobile Classroom Service“ von Erfolgsfaktoren für den Einsatz in der universitären Lehre. Dabei werden sowohl die technischen Rahmenbedingungen und Herausforderungen der Anwendungen berücksichtigt, als auch die unterschiedlichen didaktischen Konzepte und Ziele der beteiligten Akteure (Studierende, Lehrende und Institution). Ziel ist es, Einflussfaktoren für den erfolgreichen Einsatz sowohl für die Praxis als auch die wissenschaftliche Untersuchung und Weiterentwicklung der Systeme zu benennen und ein heuristisches Framework für Chancen und Herausforderungen beim Einsatz von ARS anzubieten.
Der Beitrag skizziert ein Modell, das die Entwicklung digitaler Kompetenzen im Lehramtsstudium fördern soll. Zwar wird das Kompetenzmodell aus der Deutschdidaktik heraus entwickelt, nimmt aber auch fachübergreifende Anforderungen in den Bereichen Informationskompetenz, medientechnischer Kompetenzen, Fähigkeiten der Medienanalyse und -reflexion sowie Sprachhandlungskompetenz in den Blick. Damit wird das Ziel verfolgt, die besonderen Anforderungen angehender Lehrkräfte als Mediator*innen digitaler Kompetenzen darzustellen. Das beschriebene Modell dieser Vermittlungskompetenz dient der Verankerung digitaler Lehr-Lernkonzepte als wesentlicher Bestandteil der modernen Lehrer*innenbildung.
Physical computing covers the design and realization of interactive objects and installations and allows learners to develop concrete, tangible products of the real world, which arise from their imagination. This can be used in computer science education to provide learners with interesting and motivating access to the different topic areas of the subject in constructionist and creative learning environments. However, if at all, physical computing has so far mostly been taught in afternoon clubs or other extracurricular settings. Thus, for the majority of students so far there are no opportunities to design and create their own interactive objects in regular school lessons.
Despite its increasing popularity also for schools, the topic has not yet been clearly and sufficiently characterized in the context of computer science education. The aim of this doctoral thesis therefore is to clarify physical computing from the perspective of computer science education and to adequately prepare the topic both content-wise and methodologically for secondary school teaching. For this purpose, teaching examples, activities, materials and guidelines for classroom use are developed, implemented and evaluated in schools.
In the theoretical part of the thesis, first the topic is examined from a technical point of view. A structured literature analysis shows that basic concepts used in physical computing can be derived from embedded systems, which are the core of a large field of different application areas and disciplines. Typical methods of physical computing in professional settings are analyzed and, from an educational perspective, elements suitable for computer science teaching in secondary schools are extracted, e. g. tinkering and prototyping. The investigation and classification of suitable tools for school teaching show that microcontrollers and mini computers, often with extensions that greatly facilitate the handling of additional components, are particularly attractive tools for secondary education. Considering the perspectives of science, teachers, students and society, in addition to general design principles, exemplary teaching approaches for school education and suitable learning materials are developed and the design, production and evaluation of a physical computing construction kit suitable for teaching is described.
In the practical part of this thesis, with “My Interactive Garden”, an exemplary approach to integrate physical computing in computer science teaching is tested and evaluated in different courses and refined based on the findings in a design-based research approach. In a series of workshops on physical computing, which is based on a concept for constructionist professional development that is developed specifically for this purpose, teachers are empowered and encouraged to develop and conduct physical computing lessons suitable for their particular classroom settings. Based on their in-class experiences, a process model of physical computing teaching is derived. Interviews with those teachers illustrate that benefits of physical computing, including the tangibility of crafted objects and creativity in the classroom, outweigh possible drawbacks like longer preparation times, technical difficulties or difficult assessment. Hurdles in the classroom are identified and possible solutions discussed.
Empirical investigations in the different settings reveal that “My Interactive Garden” and physical computing in general have a positive impact, among others, on learner motivation, fun and interest in class and perceived competencies.
Finally, the results from all evaluations are combined to evaluate the design principles for physical computing teaching and to provide a perspective on the development of decision-making aids for physical computing activities in school education.
Ob Online-Kurse, videobasierte Lehrangebote, mobile Applikationen, eigenentwickelte oder kommerzielle Web 2.0-Anwendungen, die Fülle digitaler Unterstützungsangebote ist kaum zu überblicken. Dabei bieten mobile Endgeräte, Web-Anwendungen und Apps Chancen Lehre, Studium und Forschung maßgeblich neu zu gestalten. Im Beitrag wird ein Beschreibungsrahmen für die mediendidaktische Ausgestaltung von Lehr-, Lern- und Forschungsarrangements vorgestellt, der die technischen Gesichtspunkte hervorhebt. Anschließend werden unterschiedliche Nutzungsszenarien unter Einbeziehung digitaler Medien skizziert. Diese werden als Ausgangspunkt genommen um das Konzept einer Systemarchitektur vorzustellen, die es zum einen ermöglicht beliebige Applikationen automatisiert bereit zu stellen und zum anderen die anfallenden Nutzendendaten plattformübergreifend zu aggregieren und für eine Ausgestaltung virtueller Lehr- und Lernräumen zu nutzen.
Scenograph
(2018)
When developing a real-walking virtual reality experience, designers generally create virtual locations to fit a specific tracking volume. Unfortunately, this prevents the resulting experience from running on a smaller or differently shaped tracking volume. To address this, we present a software system called Scenograph. The core of Scenograph is a tracking volume-independent representation of real-walking experiences. Scenograph instantiates the experience to a tracking volume of given size and shape by splitting the locations into smaller ones while maintaining narrative structure. In our user study, participants' ratings of realism decreased significantly when existing techniques were used to map a 25m2 experience to 9m2 and an L-shaped 8m2 tracking volume. In contrast, ratings did not differ when Scenograph was used to instantiate the experience.
Beware of SMOMBIES
(2018)
Several research evaluated the user's style of walking for the verification of a claimed identity and showed high authentication accuracies in many settings. In this paper we present a system that successfully verifies a user's identity based on many real world smartphone placements and yet not regarded interactions while walking. Our contribution is the distinction of all considered activities into three distinct subsets and a specific one-class Support Vector Machine per subset. Using sensor data of 30 participants collected in a semi-supervised study approach, we prove that unsupervised verification is possible with very low false-acceptance and false-rejection rates. We furthermore show that these subsets can be distinguished with a high accuracy and demonstrate that this system can be deployed on off-the-shelf smartphones.
Berufsbegleitende Studiengänge stehen vor besonderen Schwierigkeiten, für die der Einsatz von Blended Learning-Szenarien sinnvoll sein kann. Welche speziellen Herausforderungen sich dabei ergeben und welche Lösungsansätze dagegen steuern, betrachtet der folgende Artikel anhand eines Praxisberichts aus dem Studiengang M. P. A. Wissenschaftsmanagement an der Universität Speyer.
E-Learning Symposium 2018
(2018)
In den vergangenen Jahren sind viele E-Learning-Innovationen entstanden. Einige davon wurden auf den vergangenen E-Learning Symposien der Universität Potsdam präsentiert: Das erste E-Learning Symposium im Jahr 2012 konzentrierte sich auf unterschiedliche Möglichkeiten der Studierendenaktivierung und Lehrgestaltung. Das Symposium 2014 rückte vor allem die Studierenden ins Zentrum der Aufmerksamkeit. Im Jahr 2016 kam es durch das Zusammengehen des Symposiums mit der DeLFI-Tagung zu einer Fokussierung auf technische Innovationen. Doch was ist aus den Leuchttürmen von gestern geworden, und brauchen wir überhaupt noch neue Leuchttürme? Das Symposium setzt sich in diesem Jahr unter dem Motto „Innovation und Nachhaltigkeit – (k)ein Gegensatz?“ mit mediengestützten Lehr- und Lernprozessen im universitären Kontext auseinander und reflektiert aktuelle technische sowie didaktische Entwicklungen mit Blick auf deren mittel- bis langfristigen Einsatz in der Praxis.
Dieser Tagungsband zum E-Learning Symposium 2018 an der Universität Potsdam beinhaltet eine Mischung von Forschungs- und Praxisbeiträgen aus verschiedenen Fachdisziplinen und eröffnet vielschichtige Perspektiven auf das Thema E-Learning. Dabei werden die Vielfalt der didaktischen Einsatzszenarien als auch die Potentiale von Werk-zeugen und Methoden der Informatik in ihrem Zusammenspiel beleuchtet.
In seiner Keynote widmet sich Reinhard Keil dem Motto des Symposiums und geht der Nachhaltigkeit bei E-Learning-Projekten auf den Grund. Dabei analysiert und beleuchtet er anhand seiner über 15-jährigen Forschungspraxis die wichtigsten Wirkfaktoren und formuliert Empfehlungen zur Konzeption von E-Learning-Projekten. Im Gegensatz zu rein auf Kostenersparnis ausgerichteten (hochschul-)politischen Forderungen proklamiert er den Ansatz der hypothesengeleiteten Technikgestaltung, in der Nachhaltigkeit als Leitfrage oder Forschungsstrategie verstanden werden kann. In eine ähnliche Richtung geht der Beitrag von Iris Braun et al., die über Erfolgsfaktoren beim Einsatz von Audience Response Systemen in der universitären Lehre berichten.
Ein weiteres aktuelles Thema, sowohl für die Bildungstechnologie als auch in den Bildungswissenschaften allgemein, ist die Kompetenzorientierung und –modellierung. Hier geht es darum (Problemlöse-)Fähigkeiten gezielt zu beschreiben und in den Mittelpunkt der Lehre zu stellen. Johannes Konert stellt in einem eingeladenen Vortrag zwei Projekte vor, die den Prozess beginnend bei der Definition von Kompetenzen, deren Modellierung in einem semantischen maschinenlesbaren Format bis hin zur Erarbeitung von Methoden zur Kompetenzmessung und der elektronischen Zertifizierung aufzeigen. Dabei geht er auf technische Möglichkeiten, aber auch Grenzen ein. Auf einer spezifischeren Ebene beschäftigt sich Sarah Stumpf mit digitalen bzw. mediendidaktischen Kompetenzen im Lehramtsstudium und stellt ein Framework für die Förderung ebensolcher Kompetenzen bei angehenden Lehrkräften vor.
Der Einsatz von E-Learning birgt noch einige Herausforderungen. Dabei geht es oft um die Verbindung von Didaktik und Technik, den Erhalt von Aufmerksamkeit oder den Aufwand für das Erstellen von interaktiven Lehr- und Lerninhalten. Drei Beiträge in diesem Tagungsband beschäftigen sich mit dieser Thematik in unterschiedlichen Kontexten und zeigen Best-Practices und Lösungsansätze auf: Der Beitrag von Martina Wahl und Michael Hölscher behandelt den besonderen Kontext von Blended Learning-Szenarien in berufsbegleitenden Studiengängen. Um die Veröffentlichung eines global frei verfügbaren Onlinekurses abseits der großen MOOC Plattformen und den didaktischen Herausforderungen auch hinsichtlich der Motivation geht es im Beitrag von Ennio Marani und Isabel Jaisli. Schließlich schlagen Gregor Damnik et al. die automatische Erzeugung von Aufgaben zur Erhöhung von Interaktivität und Adaptivität in digitalen Lernressourcen vor, um den teilweise erheblichen Erstellungsaufwand zu reduzieren.
Zum Thema E-Learning zählen auch immer mobile Apps bzw. Spiele. Gleich zwei Beiträge beschäftigen sich mit dem Einsatz von E-Learning-Tools im Gesundheitskontext: Anna Tscherejkina und Anna Morgiel stellen in ihrem Beitrag Minispiele zum Training von sozio-emotionalen Kompetenzen für Menschen mit Autismus vor, und Stephanie Herbstreit et al. berichten vom Einsatz einer mobilen Lern-App zur Verbesserung von klinisch-praktischem Unterricht.
Die 8. Fachtagung für Hochschuldidaktik der Informatik (HDI) fand im September 2018 zusammen mit der Deutschen E-Learning Fachtagung Informatik (DeLFI) unter dem gemeinsamen Motto „Digitalisierungswahnsinn? - Wege der Bildungstransformationen“ in Frankfurt statt.
Dabei widmet sich die HDI allen Fragen der informatischen Bildung im Hochschulbereich. Schwerpunkte bildeten in diesem Jahr u. a.:
- Analyse der Inhalte und anzustrebenden Kompetenzen in Informatikveranstaltungen
- Programmieren lernen & Einstieg in Softwareentwicklung
- Spezialthemen: Data Science, Theoretische Informatik und Wissenschaftliches Arbeiten
Die Fachtagung widmet sich ausgewählten Fragestellungen dieser Themenkomplexe, die durch Vorträge ausgewiesener Experten und durch eingereichte Beiträge intensiv behandelt werden.
The soft error rate (SER) due to heavy-ion irradiation of a clock tree is investigated in this paper. A method for clock tree SER prediction is developed, which employs a dedicated soft error analysis tool to characterize the single-event transient (SET) sensitivities of clock inverters and other commercial tools to calculate the SER through fault-injection simulations. A test circuit including a flip-flop chain and clock tree in a 65 nm CMOS technology is developed through the automatic ASIC design flow. This circuit is analyzed with the developed method to calculate its clock tree SER. In addition, this circuit is implemented in a 65 nm test chip and irradiated by heavy ions to measure its SER resulting from the SETs in the clock tree. The experimental and calculation results of this case study present good correlation, which verifies the effectiveness of the developed method.
This paper proposes an education approach for master and bachelor students to enhance their skills in the area of reliability, safety and security of the electronic components in automated driving. The approach is based on the active synergetic work of research institutes, academia and industry in the frame of joint lab. As an example, the jointly organized summer school with the respective focus is organized and elaborated.
We propose a new temporal extension of the logic of Here-and-There (HT) and its equilibria obtained by combining it with dynamic logic over (linear) traces. Unlike previous temporal extensions of HT based on linear temporal logic, the dynamic logic features allow us to reason about the composition of actions. For instance, this can be used to exercise fine grained control when planning in robotics, as exemplified by GOLOG. In this paper, we lay the foundations of our approach, and refer to it as Linear Dynamic Equilibrium Logic, or simply DEL. We start by developing the formal framework of DEL and provide relevant characteristic results. Among them, we elaborate upon the relationships to traditional linear dynamic logic and previous temporal extensions of HT.
Recent philosophical analyses of the epistemic dimension of images in the sciences show a certain trend in acknowledging potential roles of these images beyond their merely decorative or pedagogical functions. We argue, however, that this new debate has yet paid little attention to a special type of pictures, we call ‘visual metaphor’, and its versatile heuristic potential in organizing data, supporting communication, and guiding research, modeling, and theory formation. Based on a case study of Conrad Hal Waddington’s epigenetic landscape images in biology, we develop a descriptive framework applicable to heuristic roles of various visual metaphors in the sciences.
In this extended abstract, we will analyze the current challenges for the envisioned Self-Adaptive CPS. In addition, we will outline our results to approach these challenges with SMARTSOS [10] a generic approach based on extensions of graph transformation systems employing open and adaptive collaborations and models at runtime for trustworthy self-adaptation, self-organization, and evolution of the individual systems and the system-of-systems level taking the independent development, operation, management, and evolution of these systems into account.
The Internet can be considered as the most important infrastructure for modern society and businesses. A loss of Internet connectivity has strong negative financial impacts for businesses and economies. Therefore, assessing Internet connectivity, in particular beyond their own premises and area of direct control, is of growing importance in the face of potential failures, accidents, and malicious attacks. This paper presents CORIA, a software framework for an easy analysis of connectivity risks based on large network graphs. It provides researchers, risk analysts, network managers and security consultants with a tool to assess an organization's connectivity and paths options through the Internet backbone, including a user-friendly and insightful visual representation of results. CORIA is flexibly extensible in terms of novel data sets, graph metrics, and risk scores that enable further use cases. The performance of CORIA is evaluated by several experiments on the Internet graph and further randomly generated networks.
This paper describes architectural extensions for a dynamically scheduled processor, so that it can be used in three different operation modes, ranging from high-performance, to high-reliability. With minor hardware-extensions of the control path, the resources of the superscalar data-path can be used either for high-performance execution, fail-safe-operation, or fault-tolerant-operation. This makes the processor-architecture a very good candidate for applications with dynamically changing reliability requirements, e.g. for automotive applications. The paper reports the hardware-overhead for the extensions, and investigates the performance penalties introduced by the fail-safe and fault-tolerant mode. Furthermore, a comprehensive fault simulation was carried out in order to investigate the fault-coverage of the proposed approach.
Handling manufacturing and aging faults with software-based techniques in tiny embedded systems
(2017)
Non-volatile memory area occupies a large portion of the area of a chip in an embedded system. Such memories are prone to manufacturing faults, retention faults, and aging faults. The paper presents a single software based technique that allows for handling all of these fault types in tiny embedded systems without the need for hardware support. This is beneficial for low-cost embedded systems with simple memory architectures. A software infrastructure and a flow are presented that demonstrate how the presented technique is used in general for fault handling right after manufacturing and in-the-field. Moreover, a full implementation is presented for a MSP430 microcontroller, along with a discussion of the performance, overhead, and reliability impacts.
The ongoing digitalization leads to a need of continuous change of ICT (Information and Communi-cation Technology) in all university domains and therefore affects all stakeholders in this arena. More and more ICT components, systems and tools occur and have to be integrated into the existing processes and infrastructure of the institutions. These tasks include the transfer of resources and information across multiple ICT systems. By using so-called virtual environments for domains of re-search, education, learning and work, the performance of daily tasks can be aided. Based on a user requirement analysis different short- and long-term objectives were identified and are tackled now in the context of a federal research project. In order to be prepared for the ongoing digitalization, new systems have to be provided. Both, a service-oriented infrastructure and a related web-based virtual learning environment constitute the platform Campus.UP and creates the necessary basis to be ready for future challenges. The current focus lies on e-portfolio work, hence we will present a related focus group evaluation. The results indicate a tremendous need to extend the possibilities of sharing resources across system boundaries, in order to enable a comfortable participation of exter-nal cooperating parties and to clarify the focus of each connected system. The introduction of such an infrastructure implies far-reaching changes for traditional data centers. Therefore, the challenges and risks of faculty conducting innovation projects for the ICT organization are taken as a starting point to stimulate a discussion, how data centers can utilize projects to be ready for the future needs. We are confident that Campus.UP will provide the basis for ensuring the persistent transfer of innovation to the ICT organization and thus will contribute to tackle the future challenges of digitalization.
Answer Set Programming (ASP) is a well-known paradigm of declarative programming with roots in logic programming and non-monotonic reasoning. Similar to other closely related problemsolving technologies, such as SAT/SMT, QBF, Planning and Scheduling, advancements in ASP solving are assessed in competition events. In this paper, we report about the design and results of the Sixth ASP Competition, which was jointly organized by the University of Calabria (Italy), Aalto University (Finland), and the University of Genoa (Italy), in affiliation with the 13th International Conference on Logic Programming and Non-Monotonic Reasoning. This edition maintained some of the design decisions introduced in 2014, e.g., the conception of sub-tracks, the scoring scheme,and the adherence to a fixed modeling language in order to push the adoption of the ASP-Core-2 standard. On the other hand, it featured also some novelties, like a benchmark selection stage classifying instances according to their empirical hardness, and a “Marathon” track where the topperforming systems are given more time for solving hard benchmarks.
Since 2004, increases in computational power described by Moore's law have substantially been realized in the form of additional cores rather than through faster clock speeds. To make effective use of modern hardware when solving hard computational problems, it is therefore necessary to employ parallel solution strategies. In this work, we demonstrate how effective parallel solvers for propositional satisfiability (SAT), one of the most widely studied NP-complete problems, can be produced automatically from any existing sequential, highly parametric SAT solver. Our Automatic Construction of Parallel Portfolios (ACPP) approach uses an automatic algorithm configuration procedure to identify a set of configurations that perform well when executed in parallel. Applied to two prominent SAT solvers, Lingeling and clasp, our ACPP procedure identified 8-core solvers that significantly outperformed their sequential counterparts on a diverse set of instances from the application and hard combinatorial category of the 2012 SAT Challenge. We further extended our ACPP approach to produce parallel portfolio solvers consisting of several different solvers by combining their configuration spaces. Applied to the component solvers of the 2012 SAT Challenge gold medal winning SAT Solver pfolioUZK, our ACPP procedures produced a significantly better-performing parallel SAT solver.
Contemporary multi-core processors are parallel systems that also provide shared memory for programs running on them. Both the increasing number of cores in so-called many-core systems and the still growing computational power of the cores demand for memory systems that are able to deliver high bandwidths. Caches are essential components to satisfy this requirement. Nevertheless, hardware-based cache coherence in many-core chips faces practical limits to provide both coherence and high memory bandwidths. In addition, a shift away from global coherence can be observed. As a result, alternative architectures and suitable programming models need to be investigated.
This thesis focuses on fast communication for non-cache-coherent many-core architectures. Experiments are conducted on the Single-Chip Cloud Computer (SCC), a non-cache-coherent many-core processor with 48 mesh-connected cores. Although originally designed for message passing, the results of this thesis show that shared memory can be efficiently used for one-sided communication on this kind of architecture. One-sided communication enables data exchanges between processes where the receiver is not required to know the details of the performed communication. In the notion of the Message Passing Interface (MPI) standard, this type of communication allows to access memory of remote processes. In order to support this communication scheme on non-cache-coherent architectures, both an efficient process synchronization and a communication scheme with software-managed cache coherence are designed and investigated.
The process synchronization realizes the concept of the general active target synchronization scheme from the MPI standard. An existing classification of implementation approaches is extended and used to identify an appropriate class for the non-cache-coherent shared memory platform. Based on this classification, existing implementations are surveyed in order to find beneficial concepts, which are then used to design a lightweight synchronization protocol for the SCC that uses shared memory and uncached memory accesses. The proposed scheme is not prone to process skew and also enables direct communication as soon as both communication partners are ready. Experimental results show very good scaling properties and up to five times lower synchronization latency compared to a tuned message-based MPI implementation for the SCC.
For the communication, SCOSCo, a shared memory approach with software-managed cache coherence, is presented. According requirements for the coherence that fulfill MPI's separate memory model are formulated, and a lightweight implementation exploiting SCC hard- and software features is developed. Despite a discovered malfunction in the SCC's memory subsystem, the experimental evaluation of the design reveals up to five times better bandwidths and nearly four times lower latencies in micro-benchmarks compared to the SCC-tuned but message-based MPI library. For application benchmarks, like a parallel 3D fast Fourier transform, the runtime share of communication can be reduced by a factor of up to five. In addition, this thesis postulates beneficial hardware concepts that would support software-managed coherence for one-sided communication on future non-cache-coherent architectures where coherence might be only available in local subdomains but not on a global processor level.
Simulationskonzept zur Nutzenvalidierung cyber-physischer Systeme in komplexen Fabrikumgebungen
(2017)
Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die semantische Suche im Kontext heutiger Informationsmanagementsysteme. Zu diesen Systemen zählen Intranets, Web 3.0-Anwendungen sowie viele Webportale, die Informationen in heterogenen Formaten und Strukturen beinhalten. Auf diesen befinden sich einerseits Daten in strukturierter Form und andererseits Dokumente, die inhaltlich mit diesen Daten in Beziehung stehen. Diese Dokumente sind jedoch in der Regel nur teilweise strukturiert oder vollständig unstrukturiert. So beschreiben beispielsweise Reiseportale durch strukturierte Daten den Zeitraum, das Reiseziel, den Preis einer Reise und geben in unstrukturierter Form weitere Informationen, wie Beschreibungen zum Hotel, Zielort, Ausflugsziele an.
Der Fokus heutiger semantischer Suchmaschinen liegt auf dem Finden von Wissen entweder in strukturierter Form, auch Faktensuche genannt, oder in semi- bzw. unstrukturierter Form, was üblicherweise als semantische Dokumentensuche bezeichnet wird. Einige wenige Suchmaschinen versuchen die Lücke zwischen diesen beiden Ansätzen zu schließen. Diese durchsuchen zwar gleichzeitig strukturierte sowie unstrukturierte Daten, werten diese jedoch entweder weitgehend voneinander unabhängig aus oder schränken die Suchmöglichkeiten stark ein, indem sie beispielsweise nur bestimmte Fragemuster unterstützen. Hierdurch werden die im System verfügbaren Informationen nicht ausgeschöpft und gleichzeitig unterbunden, dass Zusammenhänge zwischen einzelnen Inhalten der jeweiligen Informationssysteme und sich ergänzende Informationen den Benutzer erreichen.
Um diese Lücke zu schließen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein neuer hybrider semantischer Suchansatz entwickelt und untersucht, der strukturierte und semi- bzw. unstrukturierte Inhalte während des gesamten Suchprozesses kombiniert. Durch diesen Ansatz werden nicht nur sowohl Fakten als auch Dokumente gefunden, es werden auch Zusammenhänge, die zwischen den unterschiedlich strukturierten Daten bestehen, in jeder Phase der Suche genutzt und fließen in die Suchergebnisse mit ein. Liegt die Antwort zu einer Suchanfrage nicht vollständig strukturiert, in Form von Fakten, oder unstrukturiert, in Form von Dokumenten vor, so liefert dieser Ansatz eine Kombination der beiden. Die Berücksichtigung von unterschiedlich Inhalten während des gesamten Suchprozesses stellt jedoch besondere Herausforderungen an die Suchmaschine. Diese muss in der Lage sein, Fakten und Dokumente in Abhängigkeit voneinander zu durchsuchen, sie zu kombinieren sowie die unterschiedlich strukturierten Ergebnisse in eine geeignete Rangordnung zu bringen. Weiterhin darf die Komplexität der Daten nicht an die Endnutzer weitergereicht werden. Die Darstellung der Inhalte muss vielmehr sowohl bei der Anfragestellung als auch bei der Darbietung der Ergebnisse verständlich und leicht interpretierbar sein.
Die zentrale Fragestellung der Arbeit ist, ob ein hybrider Ansatz auf einer vorgegebenen Datenbasis die Suchanfragen besser beantworten kann als die semantische Dokumentensuche und die Faktensuche für sich genommen, bzw. als eine Suche die diese Ansätze im Rahmen des Suchprozesses nicht kombiniert. Die durchgeführten Evaluierungen aus System- und aus Benutzersicht zeigen, dass die im Rahmen der Arbeit entwickelte hybride semantische Suchlösung durch die Kombination von strukturierten und unstrukturierten Inhalten im Suchprozess bessere Antworten liefert als die oben genannten Verfahren und somit Vorteile gegenüber bisherigen Ansätzen bietet. Eine Befragung von Benutzern macht deutlich, dass die hybride semantische Suche als verständlich empfunden und für heterogen strukturierte Datenmengen bevorzugt wird.
Die zunehmende Digitalisierung des Lebens hält in vielen Bereichen Einzug. Im Sinne der Forderung nach lebenslangem Lernen und mit dem Ziel den vielfältigen sich ändernden Anforderungen des täglichen Lebens erfolgreich zu begegnen, bedarf es der Schaffung einer individuellen und persönlichen Lernumgebung jedes Einzelnen. Dieser Beitrag setzt sich zunächst kritisch mit dem Begriff der persönlichen Lernumgebung auseinander. Darauf aufbauend wird der Betrachtungsrahmen auf die Verwendung innerhalb der Institution Hochschule eingeengt. Hieraus erwachsen sowohl Herausforderungen als auch Divergenzen im Spannungsfeld zwischen institutioneller und persönlicher Lernumgebung, die innerhalb eines offenen Gestaltungsprozesses zu lösen sind, sodass sich allgemeingültige Designprinzipien institutioneller persönlicher Lernumgebungen ableiten lassen.
THIS INSTALLMENT OF Research for Practice provides curated reading guides to technology for underserved communities and to new developments in personal fabrication. First, Tawanna Dillahunt describes design considerations and technology for underserved and impoverished communities. Designing for the more than 1.6 billion impoverished individuals worldwide requires special consideration of community needs, constraints, and context. Her selections span protocols for poor-quality communication networks, community-driven content generation, and resource and public service discovery. Second, Stefanie Mueller and Patrick Baudisch provide an overview of recent advances in personal fabrication (for example, 3D printers).
Although it has become common practice to build applications based on the reuse of existing components or services, technical complexity and semantic challenges constitute barriers to ensuring a successful and wide reuse of components and services. In the geospatial application domain, the barriers are self-evident due to heterogeneous geographic data, a lack of interoperability and complex analysis processes.
Constructing workflows manually and discovering proper services and data that match user intents and preferences is difficult and time-consuming especially for users who are not trained in software development. Furthermore, considering the multi-objective nature of environmental modeling for the assessment of climate change impacts and the various types of geospatial data (e.g., formats, scales, and georeferencing systems) increases the complexity challenges.
Automatic service composition approaches that provide semantics-based assistance in the process of workflow design have proven to be a solution to overcome these challenges and have become a frequent demand especially by end users who are not IT experts. In this light, the major contributions of this thesis are:
(i) Simplification of service reuse and workflow design of applications for climate impact analysis by following the eXtreme Model-Driven Development (XMDD) paradigm.
(ii) Design of a semantic domain model for climate impact analysis applications that comprises specifically designed services, ontologies that provide domain-specific vocabulary for referring to types and services, and the input/output annotation of the services using the terms defined in the ontologies.
(iii) Application of a constraint-driven method for the automatic composition of workflows for analyzing the impacts of sea-level rise. The application scenario demonstrates the impact of domain modeling decisions on the results and the performance of the synthesis algorithm.
Während Qualifikationen und Kompetenzen, die auf informellem Wege erworben werden, immer mehr Beachtung finden, stellt sowohl deren Darstellung als auch die Anerkennung ein meist unüberwindbares Hindernis für Ausstellende und Erwerbende dar. Vermehrt wird unterdessen von klassisch papiergebundenen auf digitale Teilnahmezertifikate umgestellt, um den Nachweis von Kompetenz- und Qualifikationserwerb zu vereinfachen. In diesem Zusammenhang kann die Verbindung von digitalen Teilnahmezertifikaten und Open Badges einen Mehrwert für die öffentliche Darstellung und Verifikation bieten.
Mobile Applikationen eignen sich als strukturelle Unterstützungsangebote für Studierende während des Studieneinstiegs. Durch die App Reflect.UP werden Studienorganisation, Studieninhalte und -ziele von Studierenden reflektiert. Der bewusste Umgang mit dem studentischen Kompetenzerwerb als wissenschaftliche eflexionskompetenz ist immanenter Bestandteil der akademischen Professionalisierung und steht in diesem Beitrag im Vordergrund. Gezeigt wird, wie aus Studienordnungen und Modulbeschreibungen systematisch Fragen zur studentischen Reflexion herausgearbeitet werden und dadurch ein Kompetenzraster entsteht. Die durch den praktischen Einsatz von Reflect.UP gewonnenen Daten werden ausgewertet und dahingehend diskutiert, welche Rückschlüsse sich hieraus auf die Problemlagen und Lernprozesse der Studierenden sowie für die Studiengangsorganisation(en) ziehen lassen. Darüber hinaus werden die Stärken und Schwächen einer mobilen Applikation als sozial- und informationswissenschaftliches Amalgam zur strukturellen Unterstützung der Studieneingangsphase reflektiert.
E-Learning-Anwendungen bieten Chancen für die gesetzlich vorgeschriebene Inklusion von Lernenden mit Beeinträchtigungen. Die gleichberechtigte Teilhabe von blinden Lernenden an Veranstaltungen in virtuellen Klassenzimmern ist jedoch durch den synchronen, multimedialen Charakter und den hohen Informationsumfang dieser Lösungen kaum möglich.
Die vorliegende Arbeit untersucht die Zugänglichkeit virtueller Klassenzimmer für blinde Nutzende, um eine möglichst gleichberechtigte Teilhabe an synchronen, kollaborativen Lernszenarien zu ermöglichen. Im Rahmen einer Produktanalyse werden dazu virtuelle Klassenzimmer auf ihre Zugänglichkeit und bestehende Barrieren untersucht und Richtlinien für die zugängliche Gestaltung von virtuellen Klassenzimmern definiert. Anschließend wird ein alternatives Benutzungskonzept zur Darstellung und Bedienung virtueller Klassenzimmer auf einem zweidimensionalen taktilen Braille-Display entwickelt, um eine möglichst gleichberechtigte Teilhabe blinder Lernender an synchronen Lehrveranstaltungen zu ermöglichen. Nach einer ersten Evaluation mit blinden Probanden erfolgt die prototypische Umsetzung des Benutzungskonzepts für ein Open-Source-Klassenzimmer. Die abschließende Evaluation der prototypischen Umsetzung zeigt die Verbesserung der Zugänglichkeit von virtuellen Klassenzimmern für blinde Lernende unter Verwendung eines taktilen Flächendisplays und bestätigt die Wirksamkeit der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Konzepte.
Dieser Beitrag diskutiert die Konzeption eines Software-Projektpraktikums im Bereich E-Learning, welches Lehramts- und Fachstudierenden der Informatik ermöglicht, voneinander zu profitieren und praxisrelevante Ergebnisse generiert. Vorbereitungen, Organisation und Durchführung werden vorgestellt und diskutiert. Den Abschluss bildet ein Ausblick auf die Fortführung des Konzepts und den Ausbau des Forschungsgebietes.
Das „Startprojekt“
(2016)
Absolventinnen und Absolventen unserer Informatik-Bachelorstudiengänge benötigen für kompetentes berufliches Handeln sowohl fachliche als auch überfachliche Kompetenzen. Vielfach verlangen wir von Erstsemestern in Grundlagen-Lehrveranstaltungen fast ausschließlich den Aufbau von Fachkompetenz und vernachlässigen dabei häufig Selbstkompetenz, Methodenkompetenz und Sozialkompetenz. Gerade die drei letztgenannten sind für ein erfolgreiches Studium unabdingbar und sollten von Anfang an entwickelt werden. Wir stellen unser „Startprojekt“ als einen Beitrag vor, im ersten Semester die eigenverantwortliche, überfachliche Kompetenzentwicklung in einem fachlichen Kontext zu fördern.
Aus einer Vergleichsstudie mit starken und schwachen Problemlösern konnten Erkenntnisse über die effizienten Herangehensweisen von Hochleistern an Informatikprobleme gewonnen werden. Diese Erkenntnisse wurden in einem Lehrvideo zum informatischen Problemlösen didaktisch aufgearbeitet, sodass Lernenden der Einsatz von Baumstrukturen und Rekursion im konkreten Kontext gezeigt werden kann. Nun wurde die tatsächliche Lernwirksamkeit des Videos sowie die Definition der Zielgruppe in einer Vergleichsstudie mit 66 Studienanfängern überprüft.
Der Unterricht großer Studierendengruppen im wissenschaftlichen Schreiben birgt vielfältige organisatorische Herausforderungen und eine zeitintensive Betreuung durch die Dozenten. Diese Arbeit stellt ein Lehrkonzept mit Peer-Reviews vor, in dem das Feedback der Peers durch eine automatisierte Analyse ergänzt wird. Die Software Confopy liefert metrik- und strukturbasierte Hinweise für die Verbesserung des wissenschaftlichen Schreibstils. Der Nutzen von Confopy wird an 47 studentischen Arbeiten in Draft- und Final-Version illustriert.
Informatik-Studierende haben in der Mehrzahl Schwierigkeiten, einen Einstieg in die Theoretische
Informatik zu finden und die Leistungsanforderungen in den
Endklausuren der zugehörigen Lehrveranstaltungen zu erfüllen. Wir argumentieren, dass dieser Symptomatik mangelnde Kompetenzen im Umgang mit abstrakten und stark formalisierten Themeninhalten zugrunde liegen und schlagen vor, einen Beweisassistenten als interaktives Lernwerkzeug in der Eingangslehre der Theoretischen Informatik zu nutzen, um entsprechende Kompetenzen zu stärken.
Dieser Beitrag diskutiert den Einsatz von interaktiven und automatischen Theorembeweisern in der universitären Lehre. Moderne Theorembeweiser scheinen geeignet zur Implementierung des dialogischen Lernens und als E-Assessment-Werkzeug in der Logikausbilding. Exemplarisch skizzieren wir ein innovaties Lehrprojekt zum Thema „Komputationale Metaphysik“, in dem die zuvor genannten Werkzeuge eingesetzt werden.
Die Unterrichtsmethode Stationsarbeit kann verwendet werden, um Individualisierung und Differenzierung im Lernprozess zu ermöglichen. Dieser Beitrag schlägt Aufgabenformate vor, die in einer Stationsarbeit über das Klassendiagramm aus der Unified Modeling Language verwendet werden können. Die Aufgabenformate wurden bereits mit Studierenden erprobt.
The introduction of columnar in-memory databases, along with hardware evolution, has made the execution of transactional and analytical enterprise application workloads on a single system both feasible and viable. Yet, we argue that executing analytical aggregate queries directly on the transactional data can decrease the overall system performance. Despite the aggregation capabilities of columnar in-memory databases, the direct access to records of a materialized aggregate is always more efficient than aggregating on the fly. The traditional approach to materialized aggregates, however, introduces significant overhead in terms of materialized view selection, maintenance, and exploitation. When this overhead is handled by the application, it increases the application complexity, and can slow down the transactional throughput of inserts, updates, and deletes.
In this thesis, we motivate, propose, and evaluate the aggregate cache, a materialized aggregate engine in the main-delta architecture of a columnar in-memory database that provides efficient means to handle costly aggregate queries of enterprise applications. For our design, we leverage the specifics of the main-delta architecture that separates a table into a main and delta partition. The central concept is to only cache the partial aggregate query result as defined on the main partition of a table, because the main partition is relatively stable as records are only inserted into the delta partition. We contribute by proposing incremental aggregate maintenance and query compensation techniques for mixed workloads of enterprise applications. In addition, we introduce aggregate profit metrics that increase the likelihood of persisting the most profitable aggregates in the aggregate cache.
Query compensation and maintenance of materialized aggregates based on joins of multiple tables is expensive due to the partitioned tables in the main-delta architecture. Our analysis of enterprise applications has revealed several data schema and workload patterns. This includes the observation that transactional data is persisted in header and item tables, whereas in many cases, the insertion of related header and item records is executed in a single database transaction. We contribute by proposing an approach to transport these application object semantics to the database system and optimize the query processing using the aggregate cache by applying partition pruning and predicate pushdown techniques.
For the experimental evaluation, we propose the FICO benchmark that is based on data from a productive ERP system with extracted mixed workloads. Our evaluation reveals that the aggregate cache can accelerate the execution of aggregate queries up to a factor of 60 whereas the speedup highly depends on the number of aggregated records in the main and delta partitions. In mixed workloads, the proposed aggregate maintenance and query compensation techniques perform up to an order of magnitude better than traditional materialized aggregate maintenance approaches. The introduced aggregate profit metrics outperform existing costbased metrics by up to 20%. Lastly, the join pruning and predicate pushdown techniques can accelerate query execution in the aggregate cache in the presence of multiple partitioned tables by up to an order of magnitude.
Geospatial data has become a natural part of a growing number of information systems and services in the economy, society, and people's personal lives. In particular, virtual 3D city and landscape models constitute valuable information sources within a wide variety of applications such as urban planning, navigation, tourist information, and disaster management. Today, these models are often visualized in detail to provide realistic imagery. However, a photorealistic rendering does not automatically lead to high image quality, with respect to an effective information transfer, which requires important or prioritized information to be interactively highlighted in a context-dependent manner.
Approaches in non-photorealistic renderings particularly consider a user's task and camera perspective when attempting optimal expression, recognition, and communication of important or prioritized information. However, the design and implementation of non-photorealistic rendering techniques for 3D geospatial data pose a number of challenges, especially when inherently complex geometry, appearance, and thematic data must be processed interactively. Hence, a promising technical foundation is established by the programmable and parallel computing architecture of graphics processing units.
This thesis proposes non-photorealistic rendering techniques that enable both the computation and selection of the abstraction level of 3D geospatial model contents according to user interaction and dynamically changing thematic information. To achieve this goal, the techniques integrate with hardware-accelerated rendering pipelines using shader technologies of graphics processing units for real-time image synthesis. The techniques employ principles of artistic rendering, cartographic generalization, and 3D semiotics—unlike photorealistic rendering—to synthesize illustrative renditions of geospatial feature type entities such as water surfaces, buildings, and infrastructure networks. In addition, this thesis contributes a generic system that enables to integrate different graphic styles—photorealistic and non-photorealistic—and provide their seamless transition according to user tasks, camera view, and image resolution.
Evaluations of the proposed techniques have demonstrated their significance to the field of geospatial information visualization including topics such as spatial perception, cognition, and mapping. In addition, the applications in illustrative and focus+context visualization have reflected their potential impact on optimizing the information transfer regarding factors such as cognitive load, integration of non-realistic information, visualization of uncertainty, and visualization on small displays.
The term Personal Learning Environment (PLE) is associated with the desire to put the learner in control of his own learning process, so that he is able to set and accomplish the desired learning goals at the right time with the learning environment chosen by him. Gradually, such a learning environment includes several digital content, services and tools. It is thus summarized as the Virtual Learning Environment (VLE). Even though the construction of an individual PLE is a complex task, several approaches to support this process already exist. They mostly occur under the umbrella term PLE or with little accentuations like iPLE, which especially live within the context of institutions. This paper sums up the variety of attempts and technical approaches to establish a PLE and suggests a categorization for them.
In universities, diverse tools and software systems exist that each facilitates a different teaching and learning scenario. A deviating approach is taken by Personal Learning Environments (PLE) that aim to provide a common platform. Considering e-portfolios as an integral part of PLEs, especially portfolio-based learning and assessment have to be supported. Therefore, the concept of a PLE is developed further by enabling the products of different software systems to be integrated in portfolio pages and finally submitted for feedback and assessment. It is further elaborated how the PLE approach is used to support the continuous formative assessment within portfolio-based learning scenarios.
Nach wie vor stellen Klausuren mit hunderten Studierenden, sogenannte Massenklausuren, insbesondere Lehrende vor organisatorische Herausforderungen, die es jedes Semester aufs Neue zu bewältigen gilt. Dieser Beitrag zeigt technische Möglichkeiten zur Unterstützung und Durchführung von Massenklausuren auf. Hierzu werden zunächst verschiedene Verfahren der Klausurvorbereitung und -organisation aus unterschiedlichen Fachdisziplinen erfasst und analysiert.
Im Anschluss wird ein verallgemeinerbarer Prozess konzipiert, der sämtliche Schritte von der Planung, Erstellung, Durchführung, Kontrolle bis hin zur Archivierung berücksichtigt. Zur Unterstützung der einzelnen Prozessschritte werden technische Systeme vorgestellt, die mit den Bedürfnissen der Prüfungsverantwortlichen abgestimmt sind. Die entstandenen Systeme werden vorgestellt und die durchgeführten Zielgruppentests reflektiert.
Die Projektierung und Abwicklung sowie die statische und dynamische Analyse von Geschäftsprozessen im Bereich des Verwaltens und Regierens auf kommunaler, Länder- wie auch Bundesebene mit Hilfe von Informations- und Kommunikationstechniken beschäftigen Politiker und Strategen für Informationstechnologie ebenso wie die Öffentlichkeit seit Langem.
Der hieraus entstandene Begriff E-Government wurde in der Folge aus den unterschiedlichsten technischen, politischen und semantischen Blickrichtungen beleuchtet.
Die vorliegende Arbeit konzentriert sich dabei auf zwei Schwerpunktthemen:
• Das erste Schwerpunktthema behandelt den Entwurf eines hierarchischen Architekturmodells, für welches sieben hierarchische Schichten identifiziert werden können. Diese erscheinen notwendig, aber auch hinreichend, um den allgemeinen Fall zu beschreiben.
Den Hintergrund hierfür liefert die langjährige Prozess- und Verwaltungserfahrung als Leiter der EDV-Abteilung der Stadtverwaltung Landshut, eine kreisfreie Stadt mit rund 69.000 Einwohnern im Nordosten von München. Sie steht als Repräsentant für viele Verwaltungsvorgänge in der Bundesrepublik Deutschland und ist dennoch als Analyseobjekt in der Gesamtkomplexität und Prozessquantität überschaubar.
Somit können aus der Analyse sämtlicher Kernabläufe statische und dynamische Strukturen extrahiert und abstrakt modelliert werden.
Die Schwerpunkte liegen in der Darstellung der vorhandenen Bedienabläufe in einer Kommune. Die Transformation der Bedienanforderung in einem hierarchischen System, die Darstellung der Kontroll- und der Operationszustände in allen Schichten wie auch die Strategie der Fehlererkennung und Fehlerbehebung schaffen eine transparente Basis für umfassende Restrukturierungen und Optimierungen.
Für die Modellierung wurde FMC-eCS eingesetzt, eine am Hasso-Plattner-Institut für Softwaresystemtechnik GmbH (HPI) im Fachgebiet Kommunikationssysteme entwickelte Methodik zur Modellierung zustandsdiskreter Systeme unter Berücksichtigung möglicher Inkonsistenzen (Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Werner Zorn [ZW07a, ZW07b]).
• Das zweite Schwerpunktthema widmet sich der quantitativen Modellierung und Optimierung von E-Government-Bediensystemen, welche am Beispiel des Bürgerbüros der Stadt Landshut im Zeitraum 2008 bis 2015 durchgeführt wurden. Dies erfolgt auf Basis einer kontinuierlichen Betriebsdatenerfassung mit aufwendiger Vorverarbeitung zur Extrahierung mathematisch beschreibbarer Wahrscheinlichkeitsverteilungen.
Der hieraus entwickelte Dienstplan wurde hinsichtlich der erzielbaren Optimierungen im dauerhaften Echteinsatz verifiziert.
[ZW07a] Zorn, Werner: «FMC-QE A New Approach in Quantitative Modeling», Vortrag anlässlich: MSV'07- The 2007 International Conference on Modeling, Simulation and Visualization Methods WorldComp2007, Las Vegas, 28.6.2007.
[ZW07b] Zorn, Werner: «FMC-QE, A New Approach in Quantitative Modeling», Veröffentlichung, Hasso-Plattner-Institut für Softwaresystemtechnik an der Universität Potsdam, 28.6.2007.
Die Projektierung und Abwicklung sowie die statische und dynamische Analyse von Geschäftsprozessen im Bereich des Verwaltens und Regierens auf kommunaler, Länder- wie auch Bundesebene mit Hilfe von Informations- und Kommunikationstechniken beschäftigen Politiker und Strategen für Informationstechnologie ebenso wie die Öffentlichkeit seit Langem. Der hieraus entstandene Begriff E-Government wurde in der Folge aus den unterschiedlichsten technischen, politischen und semantischen Blickrichtungen beleuchtet.
Die vorliegende Arbeit konzentriert sich dabei auf zwei Schwerpunktthemen:
> Das erste Schwerpunktthema behandelt den Entwurf eines hierarchischen Architekturmodells, für welches sieben hierarchische Schichten identifiziert werden können. Diese erscheinen notwendig, aber auch hinreichend, um den allgemeinen Fall zu beschreiben. Den Hintergrund hierfür liefert die langjährige Prozess- und Verwaltungserfahrung als Leiter der EDV-Abteilung der Stadtverwaltung Landshut, eine kreisfreie Stadt mit rund 69.000 Einwohnern im Nordosten von München. Sie steht als Repräsentant für viele Verwaltungsvorgänge in der Bundesrepublik Deutschland und ist dennoch als Analyseobjekt in der Gesamtkomplexität und Prozessquantität überschaubar. Somit können aus der Analyse sämtlicher Kernabläufe statische und dynamische Strukturen extrahiert und abstrakt modelliert werden. Die Schwerpunkte liegen in der Darstellung der vorhandenen Bedienabläufe in einer Kommune. Die Transformation der Bedienanforderung in einem hierarchischen System, die Darstellung der Kontroll- und der Operationszustände in allen Schichten wie auch die Strategie der Fehlererkennung und Fehlerbehebung schaffen eine transparente Basis für umfassende Restrukturierungen und Optimierungen. Für die Modellierung wurde FMC-eCS eingesetzt, eine am Hasso-Plattner-Institut für Softwaresystemtechnik GmbH (HPI) im Fachgebiet Kommunikationssysteme entwickelte Methodik zur Modellierung zustandsdiskreter Systeme unter Berücksichtigung möglicher Inkonsistenzen
>Das zweite Schwerpunktthema widmet sich der quantitativen Modellierung und Optimierung von E-Government-Bediensystemen, welche am Beispiel des Bürgerbüros der Stadt Landshut im Zeitraum 2008 bis 2015 durchgeführt wurden. Dies erfolgt auf Basis einer kontinuierlichen Betriebsdatenerfassung mit aufwendiger Vorverarbeitung zur Extrahierung mathematisch beschreibbarer Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Der hieraus entwickelte Dienstplan wurde hinsichtlich der erzielbaren Optimierungen im dauerhaften Echteinsatz verifiziert.
Solving problems combining task and motion planning requires searching across a symbolic search space and a geometric search space. Because of the semantic gap between symbolic and geometric representations, symbolic sequences of actions are not guaranteed to be geometrically feasible. This compels us to search in the combined search space, in which frequent backtracks between symbolic and geometric levels make the search inefficient.We address this problem by guiding symbolic search with rich information extracted from the geometric level through culprit detection mechanisms.
Personal fabrication tools, such as 3D printers, are on the way of enabling a future in which non-technical users will be able to create custom objects. However, while the hardware is there, the current interaction model behind existing design tools is not suitable for non-technical users. Today, 3D printers are operated by fabricating the object in one go, which tends to take overnight due to the slow 3D printing technology. Consequently, the current interaction model requires users to think carefully before printing as every mistake may imply another overnight print. Planning every step ahead, however, is not feasible for non-technical users as they lack the experience to reason about the consequences of their design decisions.
In this dissertation, we propose changing the interaction model around personal fabrication tools to better serve this user group. We draw inspiration from personal computing and argue that the evolution of personal fabrication may resemble the evolution of personal computing: Computing started with machines that executed a program in one go before returning the result to the user. By decreasing the interaction unit to single requests, turn-taking systems such as the command line evolved, which provided users with feedback after every input. Finally, with the introduction of direct-manipulation interfaces, users continuously interacted with a program receiving feedback about every action in real-time. In this dissertation, we explore whether these interaction concepts can be applied to personal fabrication as well.
We start with fabricating an object in one go and investigate how to tighten the feedback-cycle on an object-level: We contribute a method called low-fidelity fabrication, which saves up to 90% fabrication time by creating objects as fast low-fidelity previews, which are sufficient to evaluate key design aspects. Depending on what is currently being tested, we propose different conversions that enable users to focus on different parts: faBrickator allows for a modular design in the early stages of prototyping; when users move on WirePrint allows quickly testing an object's shape, while Platener allows testing an object's technical function. We present an interactive editor for each technique and explain the underlying conversion algorithms.
By interacting on smaller units, such as a single element of an object, we explore what it means to transition from systems that fabricate objects in one go to turn-taking systems. We start with a 2D system called constructable: Users draw with a laser pointer onto the workpiece inside a laser cutter. The drawing is captured with an overhead camera. As soon as the the user finishes drawing an element, such as a line, the constructable system beautifies the path and cuts it--resulting in physical output after every editing step. We extend constructable towards 3D editing by developing a novel laser-cutting technique for 3D objects called LaserOrigami that works by heating up the workpiece with the defocused laser until the material becomes compliant and bends down under gravity. While constructable and LaserOrigami allow for fast physical feedback, the interaction is still best described as turn-taking since it consists of two discrete steps: users first create an input and afterwards the system provides physical output.
By decreasing the interaction unit even further to a single feature, we can achieve real-time physical feedback: Input by the user and output by the fabrication device are so tightly coupled that no visible lag exists. This allows us to explore what it means to transition from turn-taking interfaces, which only allow exploring one option at a time, to direct manipulation interfaces with real-time physical feedback, which allow users to explore the entire space of options continuously with a single interaction. We present a system called FormFab, which allows for such direct control. FormFab is based on the same principle as LaserOrigami: It uses a workpiece that when warmed up becomes compliant and can be reshaped. However, FormFab achieves the reshaping not based on gravity, but through a pneumatic system that users can control interactively. As users interact, they see the shape change in real-time.
We conclude this dissertation by extrapolating the current evolution into a future in which large numbers of people use the new technology to create objects. We see two additional challenges on the horizon: sustainability and intellectual property. We investigate sustainability by demonstrating how to print less and instead patch physical objects. We explore questions around intellectual property with a system called Scotty that transfers objects without creating duplicates, thereby preserving the designer's copyright.
Die 7. Fachtagung für Hochschuldidaktik, die 2016 erneut mit der DeLFI E-Learning Fachtagung Informatik stattfand, setzte das erfolgreiche Modell einer Tagung fort, die sich mit hochschuldidaktischen Fragen und der Gestaltung von Studiengängen der Informatik beschäftigt.
Thema der Tagung waren alle Fragen, die sich der Vermittlung von Informatikgegenständen im Hochschulbereich widmen. Dazu gehörten u.a.:
• fachdidaktische Konzepte der Vermittlung einzelner Informatikgegenstände
• methodische Lösungen, wie spezielle Lehr- und Lernformen, Durchführungskonzepte
• empirische Ergebnisse und Vergleichsstudien
• E-Learning-Ansätze, wenn sie ein erkennbares didaktisches Konzept verfolgen
• Studienkonzepte und Curricula, organisatorische Fragen, wie Gewinnung von Studierenden, Studieneingangsphase, Abbrecher.
Die Fachtagung widmete sich ausgewählten Fragestellungen dieses Themenkomplexes, die durch Vorträge ausgewiesener Experten, durch eingereichte Beiträge und durch Präsentationen und Poster intensiv behandelt wurden.
Unser besonderer Dank gilt dem Programmkomitee und den hier nicht genannten Helfern für ihren Einsatz bei der Vorbereitung und Durchführung der Tagung.
Software-as-a-Service (SaaS) offers several advantages to both service providers and users. Service providers can benefit from the reduction of Total Cost of Ownership (TCO), better scalability, and better resource utilization. On the other hand, users can use the service anywhere and anytime, and minimize upfront investment by following the pay-as-you-go model. Despite the benefits of SaaS, users still have concerns about the security and privacy of their data. Due to the nature of SaaS and the Cloud in general, the data and the computation are beyond the users' control, and hence data security becomes a vital factor in this new paradigm. Furthermore, in multi-tenant SaaS applications, the tenants become more concerned about the confidentiality of their data since several tenants are co-located onto a shared infrastructure.
To address those concerns, we start protecting the data from the provisioning process by controlling how tenants are being placed in the infrastructure. We present a resource allocation algorithm designed to minimize the risk of co-resident tenants called SecPlace. It enables the SaaS provider to control the resource (i.e., database instance) allocation process while taking into account the security of tenants as a requirement.
Due to the design principles of the multi-tenancy model, tenants follow some degree of sharing on both application and infrastructure levels. Thus, strong security-isolation should be present. Therefore, we develop SignedQuery, a technique that prevents one tenant from accessing others' data. We use the Signing Concept to create a signature that is used to sign the tenant's request, then the server can verifies the signature and recognizes the requesting tenant, and hence ensures that the data to be accessed is belonging to the legitimate tenant.
Finally, Data confidentiality remains a critical concern due to the fact that data in the Cloud is out of users' premises, and hence beyond their control. Cryptography is increasingly proposed as a potential approach to address such a challenge. Therefore, we present SecureDB, a system designed to run SQL-based applications over an encrypted database. SecureDB captures the schema design and analyzes it to understand the internal structure of the data (i.e., relationships between the tables and their attributes). Moreover, we determine the appropriate partialhomomorphic encryption scheme for each attribute where computation is possible even when the data is encrypted.
To evaluate our work, we conduct extensive experiments with di↵erent settings. The main use case in our work is a popular open source HRM application, called OrangeHRM. The results show that our multi-layered approach is practical, provides enhanced security and isolation among tenants, and have a moderate complexity in terms of processing encrypted data.
Die Vermittlung von Modellierungsfähigkeiten in der Softwaretechnik-Ausbildung konzentriert sich meist auf Modellierungskonzepte, Notationen und Entwicklungswerkzeuge. Die Betrachtung der Modellierungsaktivitäten, etwa die Entwicklung und Gegenüberstellung alternativer Modellvorschläge, steht weniger im Vordergrund. Die vorliegende Studie untersucht zwei Formen des kollaborativen Modellierens am Tabletop in Bezug auf ihren Einfluss auf die Modellierungsaktivitäten in kleinen Gruppen. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl selbstorganisierte als auch moderierte Modellierungssitzungen das Entwickeln eines gemeinsamen Modellverständnisses fördern. In moderierten Sitzungen wurden zudem mehr alternative Lösungsideen entwickelt und in stärkerem Maße diskutiert.
The main objective of this dissertation is to analyse prerequisites, expectations, apprehensions, and attitudes of students studying computer science, who are willing to gain a bachelor degree. The research will also investigate in the students’ learning style according to the Felder-Silverman model. These investigations fall in the attempt to make an impact on reducing the “dropout”/shrinkage rate among students, and to suggest a better learning environment.
The first investigation starts with a survey that has been made at the computer science department at the University of Baghdad to investigate the attitudes of computer science students in an environment dominated by women, showing the differences in attitudes between male and female students in different study years. Students are accepted to university studies via a centrally controlled admission procedure depending mainly on their final score at school. This leads to a high percentage of students studying subjects they do not want. Our analysis shows that 75% of the female students do not regret studying computer science although it was not their first choice. And according to statistics over previous years, women manage to succeed in their study and often graduate on top of their class. We finish with a comparison of attitudes between the freshman students of two different cultures and two different university enrolment procedures (University of Baghdad, in Iraq, and the University of Potsdam, in Germany) both with opposite gender majority.
The second step of investigation took place at the department of computer science at the University of Potsdam in Germany and analyzes the learning styles of students studying the three major fields of study offered by the department (computer science, business informatics, and computer science teaching). Investigating the differences in learning styles between the students of those study fields who usually take some joint courses is important to be aware of which changes are necessary to be adopted in the teaching methods to address those different students. It was a two stage study using two questionnaires; the main one is based on the Index of Learning Styles Questionnaire of B. A. Solomon and R. M. Felder, and the second questionnaire was an investigation on the students’ attitudes towards the findings of their personal first questionnaire. Our analysis shows differences in the preferences of learning style between male and female students of the different study fields, as well as differences between students with the different specialties (computer science, business informatics, and computer science teaching).
The third investigation looks closely into the difficulties, issues, apprehensions and expectations of freshman students studying computer science. The study took place at the computer science department at the University of Potsdam with a volunteer sample of students. The goal is to determine and discuss the difficulties and issues that they are facing in their study that may lead them to think in dropping-out, changing the study field, or changing the university. The research continued with the same sample of students (with business informatics students being the majority) through more than three semesters. Difficulties and issues during the study were documented, as well as students’ attitudes, apprehensions, and expectations. Some of the professors and lecturers opinions and solutions to some students’ problems were also documented. Many participants had apprehensions and difficulties, especially towards informatics subjects. Some business informatics participants began to think of changing the university, in particular when they reached their third semester, others thought about changing their field of study. Till the end of this research, most of the participants continued in their studies (the study they have started with or the new study they have changed to) without leaving the higher education system.
Computer Security deals with the detection and mitigation of threats to computer networks, data, and computing hardware. This
thesis addresses the following two computer security problems: email spam campaign and malware detection.
Email spam campaigns can easily be generated using popular dissemination tools by specifying simple grammars that serve as message templates. A grammar is disseminated to nodes of a bot net, the nodes create messages by instantiating the grammar at random. Email spam campaigns can encompass huge data volumes and therefore pose a threat to the stability of the infrastructure of email service providers that have to store them. Malware -software that serves a malicious purpose- is affecting web servers, client computers via active content, and client computers through executable files. Without the help of malware detection systems it would be easy for malware creators to collect sensitive information or to infiltrate computers.
The detection of threats -such as email-spam messages, phishing messages, or malware- is an adversarial and therefore intrinsically
difficult problem. Threats vary greatly and evolve over time. The detection of threats based on manually-designed rules is therefore
difficult and requires a constant engineering effort. Machine-learning is a research area that revolves around the analysis of data and the discovery of patterns that describe aspects of the data. Discriminative learning methods extract prediction models from data that are optimized to predict a target attribute as accurately as possible. Machine-learning methods hold the promise of automatically identifying patterns that robustly and accurately detect threats. This thesis focuses on the design and analysis of discriminative learning methods for the two computer-security problems under investigation: email-campaign and malware detection.
The first part of this thesis addresses email-campaign detection. We focus on regular expressions as a syntactic framework, because regular expressions are intuitively comprehensible by security engineers and administrators, and they can be applied as a detection mechanism in an extremely efficient manner. In this setting, a prediction model is provided with exemplary messages from an email-spam campaign. The prediction model has to generate a regular expression that reveals the syntactic pattern that underlies the entire campaign, and that a security engineers finds comprehensible and feels confident enough to use the expression to blacklist further messages at the email server. We model this problem as two-stage learning problem with structured input and output spaces which can be solved using standard cutting plane methods. Therefore we develop an appropriate loss function, and derive a decoder for the resulting optimization problem.
The second part of this thesis deals with the problem of predicting whether a given JavaScript or PHP file is malicious or benign. Recent malware analysis techniques use static or dynamic features, or both. In fully dynamic analysis, the software or script is executed and observed for malicious behavior in a sandbox environment. By contrast, static analysis is based on features that can be extracted directly from the program file. In order to bypass static detection mechanisms, code obfuscation techniques are used to spread a malicious program file in many different syntactic variants. Deobfuscating the code before applying a static classifier can be subjected to mostly static code analysis and can overcome the problem of obfuscated malicious code, but on the other hand increases the computational costs of malware detection by an order of magnitude. In this thesis we present a cascaded architecture in which a classifier first performs a static analysis of the original code and -based on the outcome of this first classification step- the code may be deobfuscated and classified again. We explore several types of features including token $n$-grams, orthogonal sparse bigrams, subroutine-hashings, and syntax-tree features and study the robustness of detection methods and feature types against the evolution of malware over time. The developed tool scans very large file collections quickly and accurately.
Each model is evaluated on real-world data and compared to reference methods. Our approach of inferring regular expressions to filter emails belonging to an email spam campaigns leads to models with a high true-positive rate at a very low false-positive rate that is an order of magnitude lower than that of a commercial content-based filter. Our presented system -REx-SVMshort- is being used by a commercial email service provider and complements content-based and IP-address based filtering.
Our cascaded malware detection system is evaluated on a high-quality data set of almost 400,000 conspicuous PHP files and a collection of more than 1,00,000 JavaScript files. From our case study we can conclude that our system can quickly and accurately process large data collections at a low false-positive rate.
Services that operate over the Internet are under constant threat of being exposed to fraudulent use. Maintaining good user experience for legitimate users often requires the classification of entities as malicious or legitimate in order to initiate countermeasures. As an example, inbound email spam filters decide for spam or non-spam. They can base their decision on both the content of each email as well as on features that summarize prior emails received from the sending server. In general, discriminative classification methods learn to distinguish positive from negative entities. Each decision for a label may be based on features of the entity and related entities. When labels of related entities have strong interdependencies---as can be assumed e.g. for emails being delivered by the same user---classification decisions should not be made independently and dependencies should be modeled in the decision function. This thesis addresses the formulation of discriminative classification problems that are tailored for the specific demands of the following three Internet security applications. Theoretical and algorithmic solutions are devised to protect an email service against flooding of user inboxes, to mitigate abusive usage of outbound email servers, and to protect web servers against distributed denial of service attacks.
In the application of filtering an inbound email stream for unsolicited emails, utilizing features that go beyond each individual email's content can be valuable. Information about each sending mail server can be aggregated over time and may help in identifying unwanted emails. However, while this information will be available to the deployed email filter, some parts of the training data that are compiled by third party providers may not contain this information. The missing features have to be estimated at training time in order to learn a classification model. In this thesis an algorithm is derived that learns a decision function that integrates over a distribution of values for each missing entry. The distribution of missing values is a free parameter that is optimized to learn an optimal decision function.
The outbound stream of emails of an email service provider can be separated by the customer IDs that ask for delivery. All emails that are sent by the same ID in the same period of time are related, both in content and in label. Hijacked customer accounts may send batches of unsolicited emails to other email providers, which in turn might blacklist the sender's email servers after detection of incoming spam emails. The risk of being blocked from further delivery depends on the rate of outgoing unwanted emails and the duration of high spam sending rates. An optimization problem is developed that minimizes the expected cost for the email provider by learning a decision function that assigns a limit on the sending rate to customers based on the each customer's email stream.
Identifying attacking IPs during HTTP-level DDoS attacks allows to block those IPs from further accessing the web servers. DDoS attacks are usually carried out by infected clients that are members of the same botnet and show similar traffic patterns. HTTP-level attacks aim at exhausting one or more resources of the web server infrastructure, such as CPU time. If the joint set of attackers cannot increase resource usage close to the maximum capacity, no effect will be experienced by legitimate users of hosted web sites. However, if the additional load raises the computational burden towards the critical range, user experience will degrade until service may be unavailable altogether. As the loss of missing one attacker depends on block decisions for other attackers---if most other attackers are detected, not blocking one client will likely not be harmful---a structured output model has to be learned. In this thesis an algorithm is developed that learns a structured prediction decoder that searches the space of label assignments, guided by a policy.
Each model is evaluated on real-world data and is compared to reference methods. The results show that modeling each classification problem according to the specific demands of the task improves performance over solutions that do not consider the constraints inherent to an application.
KEYCIT 2014
(2015)
In our rapidly changing world it is increasingly important not only to be an expert in a chosen field of study but also to be able to respond to developments, master new approaches to solving problems, and fulfil changing requirements in the modern world and in the job market. In response to these needs key competencies in understanding, developing and using new digital technologies are being brought into focus in school and university programmes. The IFIP TC3 conference "KEYCIT – Key Competences in Informatics and ICT (KEYCIT 2014)" was held at the University of Potsdam in Germany from July 1st to 4th, 2014 and addressed the combination of key competencies, Informatics and ICT in detail. The conference was organized into strands focusing on secondary education, university education and teacher education (organized by IFIP WGs 3.1 and 3.3) and provided a forum to present and to discuss research, case studies, positions, and national perspectives in this field.
Die Studieneingangsphase stellt für Studierende eine Schlüsselphase des tertiären Ausbildungsabschnitts dar. Fachwissenschaftliches Wissen wird praxisfern vermittelt und die Studierenden können die Zusammenhänge zwischen den Themenfeldern der verschiedenen Vorlesungen nicht erkennen. Zur Verbesserung der Situation wurde ein Workshop entwickelt, der die Verbindung der Programmierung und der Datenstrukturen vertieft. Dabei wird das Spiel Go-Moku1 als Android-App von den Studierenden selbständig entwickelt. Die Kombination aus Software (Java, Android-SDK) und Hardware (Tablet-Computer) für ein kleines realistisches Softwareprojekt stellt für die Studierenden eine neue Erfahrung dar.
Erstsemester-Studierende sind mit den Anforderungen des Lehr-/ Lernprozess einer Universität oder Fachhochschule noch nicht vertraut. Ihre Erwartungen orientieren sich vielmehr an ihrer bisherigen Lerngeschichte (Abitur, Fachabitur, o. ä.). Neben den fachlichen Anforderungen des ersten Semesters müssen die Studierenden also auch Veränderungen im Lehr-/Lernprozess erkennen und bewältigen. Es wird anhand einer Output-orientierten
informatischen Lehrveranstaltung aufgezeigt, dass sich aus deren strengen Anforderungen der Messbarkeit klare Kompetenzbeschreibungen ergeben, die besonders dem Orientierungsbedürfnis Erstsemester-Studierender entgegenkommen.
Scheduling performance in computational grid can potentially benefit a lot from accurate execution time estimation for parallel jobs. Most existing approaches for the parallel job execution time estimation, however, require ample past job traces and the explicit correlations between the job execution time and the outer layout parameters such as the consumed processor numbers, the user-estimated execution time and the job ID, which are hard to obtain or reveal. This paper presents and evaluates a novel execution time estimation approach for parallel jobs, the user-behavior clustering for execution time estimation, which can give more accurate execution time estimation for parallel jobs through exploring the job similarity and revealing the user submission patterns. Experiment results show that compared to the state-of-art algorithms, our approach can improve the accuracy of the job execution time estimation up to 5.6 %, meanwhile the time that our approach spends on calculation can be reduced up to 3.8 %.
The Domain Name System belongs to the core services of the Internet infrastructure. Hence, DNS availability and performance is essential for the operation of the Internet and replication as well as load balancing are used for the root and top level name servers.
This paper proposes an architecture for credit based server load balancing (SLB) for DNS. Compared to traditional load balancing algorithms like round robin or least connection, the benefit of credit based SLB is that the load balancer can adapt more easily to heterogeneous load requests and back end server capacities. The challenge of this approach is the definition of a suited credit metric. While this was done before for TCP based services like HTTP, the problem was not solved for UDP based services like DNS.
In the following an approach is presented to define credits also for UDP based services. This UDP/DNS approach is implemented within the credit based SLB implementation salbnet. The presented measurements confirm the benefit of the self-adapting credit based SLB approach. In our experiments, the mean (first) response time dropped significantly compared to weighted round robin (WRR) (from over 4 ms to about 0.6 ms for dynamic pressure relieve (DPR)).
A multiple interpretation scheme is an ordered sequence of morphisms. The ordered multiple interpretation of a word is obtained by concatenating the images of that word in the given order of morphisms. The arbitrary multiple interpretation of a word is the semigroup generated by the images of that word. These interpretations are naturally extended to languages. Four types of ambiguity of multiple interpretation schemata on a language are defined: o-ambiguity, internal ambiguity, weakly external ambiguity and strongly external ambiguity. We investigate the problem of deciding whether a multiple interpretation scheme is ambiguous on regular languages.
Refined elasticity sampling for Monte Carlo-based identification of stabilizing network patterns
(2015)
Motivation: Structural kinetic modelling (SKM) is a framework to analyse whether a metabolic steady state remains stable under perturbation, without requiring detailed knowledge about individual rate equations. It provides a representation of the system's Jacobian matrix that depends solely on the network structure, steady state measurements, and the elasticities at the steady state. For a measured steady state, stability criteria can be derived by generating a large number of SKMs with randomly sampled elasticities and evaluating the resulting Jacobian matrices. The elasticity space can be analysed statistically in order to detect network positions that contribute significantly to the perturbation response. Here, we extend this approach by examining the kinetic feasibility of the elasticity combinations created during Monte Carlo sampling.
Results: Using a set of small example systems, we show that the majority of sampled SKMs would yield negative kinetic parameters if they were translated back into kinetic models. To overcome this problem, a simple criterion is formulated that mitigates such infeasible models. After evaluating the small example pathways, the methodology was used to study two steady states of the neuronal TCA cycle and the intrinsic mechanisms responsible for their stability or instability. The findings of the statistical elasticity analysis confirm that several elasticities are jointly coordinated to control stability and that the main source for potential instabilities are mutations in the enzyme alpha-ketoglutarate dehydrogenase.
Pervasive educational games have the potential to transfer learning content to real-life experiences beyond lecture rooms, through realizing field trips in an augmented or virtual manner. This article introduces the pervasive educational game "RouteMe" that brings the rather abstract topic of routing in ad hoc networks to real-world environments. The game is designed for university-level courses and supports these courses in a motivating manner to deepen the learning experience. Students slip into the role of either routing nodes or applications with routing demands. On three consecutive levels of difficulty, they get introduced with the game concept, learn the basic routing mechanisms and become aware of the general limitations and functionality of routing nodes. This paper presents the pedagogical and technical game concept as well as findings from an evaluation in a university setting.
Boolean networks provide a simple yet powerful qualitative modeling approach in systems biology. However, manual identification of logic rules underlying the system being studied is in most cases out of reach. Therefore, automated inference of Boolean logical networks from experimental data is a fundamental question in this field. This paper addresses the problem consisting of learning from a prior knowledge network describing causal interactions and phosphorylation activities at a pseudo-steady state, Boolean logic models of immediate-early response in signaling transduction networks. The underlying optimization problem has been so far addressed through mathematical programming approaches and the use of dedicated genetic algorithms. In a recent work we have shown severe limitations of stochastic approaches in this domain and proposed to use Answer Set Programming (ASP), considering a simpler problem setting. Herein, we extend our previous work in order to consider more realistic biological conditions including numerical datasets, the presence of feedback-loops in the prior knowledge network and the necessity of multi-objective optimization. In order to cope with such extensions, we propose several discretization schemes and elaborate upon our previous ASP encoding. Towards real-world biological data, we evaluate the performance of our approach over in silico numerical datasets based on a real and large-scale prior knowledge network. The correctness of our encoding and discretization schemes are dealt with in Appendices A-B. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.
Auf der Grundlage der Planung, Durchführung, Evaluation und Revision eines gemeinsamen Seminars von Medienpädagogik und Didaktik der Informatik stellen wir in diesem Aufsatz dar, wo die Defizite klassischer Medienbildung in Bezug auf digitale bzw. interaktive Medien liegen und welche Inhalte der Informatik für Studierende aller Lehrämter – im allgemeinbildenden Sinne – aus dieser Perspektive relevant erscheinen.
Die Tagung HDI 2014 in Freiburg zur Hochschuldidaktik der Informatik HDI wurde erneut vom Fachbereich Informatik und Ausbildung / Didaktik der Informatik (IAD) in der Gesellschaft für Informatik e. V. (GI) organisiert. Sie dient den Lehrenden der Informatik in Studiengängen an Hochschulen als Forum der Information und des Austauschs über neue didaktische Ansätze und bildungspolitische Themen im Bereich der Hochschulausbildung aus der fachlichen Perspektive der Informatik.
Die HDI 2014 ist nun bereits die sechste Ausgabe der HDI. Für sie wurde das spezielle Motto „Gestalten und Meistern von Übergängen“ gewählt. Damit soll ein besonderes Augenmerk auf die Übergänge von Schule zum Studium, vom Bachelor zum Master, vom Studium zur Promotion oder vom Studium zur Arbeitswelt gelegt werden.
The in-memory revolution
(2015)
This book describes the next generation of business applications enabled by SAP's in-memory database, SAP HANA. In particular, the authors show the substantial changes introduced in S4/HANA by switching to SAP HANA. Using numerous examples and use cases from the authors' wealth of real-world experience, it illustrates the quantum leap in performance made possible by the new technology. The book is written by two of the most prominent actors in the area of business application systems: Hasso Plattner, co-founder of SAP and inaugurator of the Hasso Plattner Institute at the University of Potsdam, and Bernd Leukert, member of the Executive Board and the Global Managing Board of SAP. This clearly structured, highly illustrated book takes an exciting new technology and presents the practicality and success of first mover applications.
Die regelmäßige Navigation durch den Raum gehört für Studenten der Universität Potsdam zum Alltag. Man möchte, unabhängig vom Fortbewegungsmittel, schnell und sicher von zu Hause zum Hörsaal oder Seminargebäude. Eine umfassende Navigationshilfe, die alle Transportmodi verbindet, wird dafür verlangt.
Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, ein Konzept für einen multimodalen Routenplaner zu entwickeln, der es Studenten und Gästen der Universität Potsdam ermöglicht, sich zwischen den dezentral gelegenen Campusstandorten zu bewegen – egal ob mit Bus und Bahn, dem Auto, Fahrrad oder zu Fuß. Die Implementierung erfolgt ausschließlich auf Grundlage freier Daten und freier, quelloffener Software (FOSS), die für diesen Zweck aufbereitet werden. Ergebnis ist eine webbasierte Applikation, die über eine Entwicklerschnittstelle (API) in andere Projekte eingebunden werden kann.
Der folgende Artikel beschreibt die Evaluation eines Lehrvideos zum informatischen Problemlösen, welches auf der Grundlage einer Vergleichsstudie mit starken und schwachen Problemlösern entwickelt wurde. Beispielhaft wird in dem Film ein Färbeproblem durch einen fiktiven Hochleister unter lautem Denken gelöst, die einzelnen Arbeitsschritte werden abschnittsweise kommentiert und erklärt. Ob dieses Lernkonzept von Studenten akzeptiert wird und sich durch Anschauen des Videos tatsächlich ein Lerneffekt einstellt, wurde durch eine Befragung und eine erste Vergleichsstudie untersucht.
In der Lehre zur MCI (Mensch-Computer-Interaktion) stellt sich immer wieder die Herausforderung, praktische Übungen mit spannenden Ergebnissen durchzuführen, die sich dennoch nicht in technischen Details verlieren sondern MCI-fokussiert bleiben. Im Lehrmodul „Interaktionsdesign“ an der Universität Hamburg werden von Studierenden innerhalb von drei Wochen prototypische Interaktionskonzepte für das Spiel Neverball entworfen und praktisch umgesetzt. Anders als in den meisten Grundlagenkursen zur MCI werden hier nicht Mock-Ups, sondern lauffähige Software entwickelt. Um dies innerhalb der Projektzeit zu ermöglichen, wurde Neverball um eine TCP-basierte Schnittstelle erweitert. So entfällt die aufwändige Einarbeitung in den Quellcode des Spiels und die Studierenden können sich auf ihre Interaktionsprototypen konzentrieren. Wir beschreiben die Erfahrungen aus der
mehrmaligen Durchführung des Projektes und erläutern unser Vorgehen bei der Umsetzung. Die Ergebnisse sollen Lehrende im Bereich MCI unterstützen, ähnliche praxisorientierte Übungen mit Ergebnissen „zum Anfassen“ zu gestalten.
Es wird ein Informatik-Wettbewerb für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe II beschrieben, der über mehrere Wochen möglichst realitätsnah die Arbeitswelt eines Informatikers vorstellt. Im Wettbewerb erarbeiten die Schülerteams eine Android-App und organisieren ihre Entwicklung durch Projektmanagementmethoden, die sich an professionellen, agilen Prozessen orientieren. Im Beitrag werden der theoretische Hintergrund zu Wettbewerben, die organisatorischen und didaktischen Entscheidung, eine erste Evaluation sowie Reflexion und Ausblick dargestellt.
The growing impact of globalisation and the development of
a ‘knowledge society’ have led many to argue that 21st century skills are
essential for life in twenty-first century society and that ICT is central
to their development. This paper describes how 21st century skills, in
particular digital literacy, critical thinking, creativity, communication
and collaboration skills, have been conceptualised and embedded in the
resources developed for teachers in iTEC, a four-year, European project.
The effectiveness of this approach is considered in light of the data
collected through the evaluation of the pilots, which considers both the
potential benefits of using technology to support the development of
21st century skills, but also the challenges of doing so. Finally, the paper
discusses the learning support systems required in order to transform
pedagogies and embed 21st century skills. It is argued that support is
required in standards and assessment; curriculum and instruction; professional
development; and learning environments.
In the project MoKoM, which is funded by the German
Research Foundation (DFG) from 2008 to 2012, a test instrument
measuring students’ competences in computer science was developed.
This paper presents the results of an expert rating of the levels of
students’ competences done for the items of the instrument.
At first we will describe the difficulty-relevant features that were
used for the evaluation. These were deduced from computer science,
psychological and didactical findings and resources. Potentials and
desiderata of this research method are discussed further on. Finally
we will present our conclusions on the results and give an outlook on
further steps.
BugHunt
(2015)
Competencies related to operating systems and computer
security are usually taught systematically. In this paper we present
a different approach, in which students have to remove virus-like
behaviour on their respective computers, which has been induced by
software developed for this purpose. They have to develop appropriate
problem-solving strategies and thereby explore essential elements of
the operating system. The approach was implemented exemplarily in
two computer science courses at a regional general upper secondary
school and showed great motivation and interest in the participating
students.
The objectives of this study were to examine (a) the effect
of dynamic assessment (DA) in a 3D Immersive Virtual Reality
(IVR) environment as compared with computerized 2D and noncomputerized
(NC) situations on cognitive modifiability, and (b) the
transfer effects of these conditions on more difficult problem solving
administered two weeks later in a non-computerized environment. A
sample of 117 children aged 6:6-9:0 years were randomly assigned
into three experimental groups of DA conditions: 3D, 2D, and NC, and
one control group (C). All groups received the pre- and post-teaching
Analogies subtest of the Cognitive Modifiability Battery (CMB-AN).
The experimental groups received a teaching phase in conditions similar
to the pre-and post-teaching phases. The findings showed that cognitive
modifiability, in a 3D IVR, was distinctively higher than in the two
other experimental groups (2D computer group and NC group). It was
also found that the 3D group showed significantly higher performance
in transfer problems than the 2D and NC groups.
This article shows a discussion about the key competencies
in informatics and ICT viewed from a philosophical foundation presented
by Martha Nussbaum, which is known as ‘ten central capabilities’.
Firstly, the outline of ‘The Capability Approach’, which has been presented
by Amartya Sen and Nussbaum as a theoretical framework of
assessing the state of social welfare, will be explained. Secondly, the
body of Nussbaum’s ten central capabilities and the reason for being
applied as the basis of discussion will be shown. Thirdly, the relationship
between the concept of ‘capability’ and ‘competency’ is to be
discussed. After that, the author’s assumption of the key competencies
in informatics and ICT led from the examination of Nussbaum’s ten
capabilities will be presented.
This paper originated from discussions about the need for
important changes in the curriculum for Computing including two focus
group meetings at IFIP conferences over the last two years. The
paper examines how recent developments in curriculum, together with
insights from curriculum thinking in other subject areas, especially mathematics
and science, can inform curriculum design for Computing.
The analysis presented in the paper provides insights into the complexity
of curriculum design as well as identifying important constraints and
considerations for the ongoing development of a vision and framework
for a Computing curriculum.
IT EnGAGES!
(2015)
Durch den Einsatz von Spielen und Spielelementen in Lernkontexten wird versucht, Lernende zur Beschäftigung mit den Lerninhalten zu motivieren. Spielerische Elemente haben allerdings nicht nur positive motivationale Effekte: Sie können sich beispielsweise negativ auf die intrinsische Motivation auswirken, und auch nicht jeder Lernende spielt gerne. Um negativen Einflüssen von Gamification entgegenzuwirken, wurde ein Toolkit für adaptierbare Lernumgebungen entwickelt. Damit erzeugte Lernumgebungen erlauben es Studierenden, den Grad der Gamification selbst zu bestimmen, indem Spielelemente an- und abgeschaltet werden. Im Rahmen einer Anfängerprogrammiervorlesung wurden Lernspielaufgaben aus den existierenden, optionalen interaktiven eTests entwickelt und Studierenden als zusätzliche Lerngelegenheit angeboten. Eine erste explorative Studie bestätigt die Vermutung, dass die Akzeptanz des adaptierbaren Lernspiels sehr hoch ist, es aber dennoch Studierende gibt, welche die Lernumgebung ohne Spielelemente durcharbeiten. Somit bietet adaptierbare Gamification verschiedenen Studierenden die Möglichkeit, sich zusätzliche motivationale Anreize durch Zuschalten von Spielelementen zu verschaffen, ohne dabei zum Spielen „genötigt“ zu werden.
Peer Assessment ist eine Methode, bei der die Teilnehmer eine gestellte Aufgabe nicht nur bearbeiten und einreichen, sondern – in einer zweiten Phase – diese auch gegenseitig überprüfen, kommentieren und bewerten. Durch diese Methode wird, auch in sehr großen Veranstaltungen, das Üben mit individuellen Bewertungen und individuellem Feedback möglich.
Im Wintersemester 2013/14 wurde dieser Ansatz in der Erstsemesterveranstaltung Programmieren an der Technischen Hochschule Nürnberg mit 340 Studierenden als semesterbegleitendes Online-Pflichtpraktikum erprobt. Bei gleichen Leistungsanforderungen wurde bei Studierenden, die erfolgreich am Praktikum teilnahmen, eine Reduzierung der Durchfallquote um durchschnittlich 60 % und eine Verbesserung der Durchschnittsnote um 0,6 – 0,9 Notenstufen erzielt. Zudem lernten die teilnehmenden Studierenden kontinuierlicher, bereiteten Lerninhalte besser nach und gelangten zu einer überwiegend positiven Einschätzung des Praktikums und der Methode. Im E-Learning System Moodle kann Peer Assessment, mit moderatem Umsetzungs- und Betreuungsaufwand, mit der Workshop-Aktivität realisiert werden. Im Beitrag wird auf die Schlüsselelemente des erfolgreichen Einsatzes von Peer Assessment eingegangen.
Es wird ein umfassendes Mentoring Konzept im Studiengang Informatik an der RWTH Aachen vorgestellt, das den Übergang von der Schule zur Universität unterstützt und gleichzeitig beim Auftreten von Schwierigkeiten im Verlauf des Studiums effiziente und kompetente Beratung bietet. Das Programm erreicht durchgängig hohe Akzeptanzwerte bei den Studierenden trotz verpflichtender Teilnahme im ersten Semester. Die Wirksamkeit des Programms ist durch die zahlreichen einflussgebenden Variablen zwar rein quantitativ kaum messbar, die Möglichkeit auf organisatorische und fachliche Probleme eines Jahrgangs reagieren zu können sowie einen Einblick auf die Gründe für einen Studienabbruch zu bekommen, bestätigt aber die Notwendigkeit der Maßnahme.
Der Beitrag stellt das Konzept des Semantischen Positionierens als eine Möglichkeit vor, Grundformen des wissenschaftlichen Arbeitens und elementare Formen der diskursiven Auseinandersetzung zu vermitteln, ohne dass die Studierenden sich inhaltlich an der aktuellen Forschung beteiligen müssten. Die Umsetzung dieses Konzepts im Bachelorstudium der Informatik verdeutlicht, dass mit diesem Ansatz sowohl die Kompetenzen für den Übergang in den mehr forschungsgetriebenen Masterstudiengang als auch für die berufliche Wissensarbeit erworben werden können.