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Die internationale Schifffahrt erhofft sich mit der Entwicklung unbemannter Schiffe, die nur noch von Kontrollzentren an Land durch Personal überwacht werden und sonst durch Elektromotoren und Solarenergie betrieben und mit selbstlernenden Navigationsprogrammen ausgestattet weitgehend autark agieren, eine Einsparung von Transportkosten von über 20 %. Diese voranschreitende technische Entwicklung wird insbesondere das internationale Seerecht in Zukunft vor Herausforderungen stellen. Das Werk untersucht vor diesem Hintergrund primär die Kompatibilität dieser Schiffe mit dem Seerechtsübereinkommen. Zunächst wird eine Schiffsdefinition für den Vertrag entwickelt und eine Anwendung des Regelwerks auf autonome Schiffe überprüft. Dann wird auf Problemfelder wie die Einhaltung von Pflichten durch die Schiffe, die Notwendigkeit besonderer Schutzrechte vor allem in Bezug auf Zwangsmaßnahmen durch die Küstenstaaten an Bord und die Anwendbarkeit der bestehenden Piraterievorschriften auf diese Schiffe eingegangen. Weiter wirft die Arbeit die Frage auf, ob die Staatengemeinschaft, besonders mit Hinblick auf den maritimen Umweltschutz, nach dem Seerechtsübereinkommen eine Pflicht zur Förderung unbemannter Schiffe hat. Abschließend wird auf erforderliche Cyber Security Maßnahmen für diesen besonderen Schiffstyp eingegangen. Insgesamt zeigt sich nach dieser Analyse, dass das Seerechtsübereinkommen, mit überschaubaren Anpassungen, gut Anwendung auf autonome Schiffe finden kann.
Selbstwirksamkeitserwartungen von Lehramtsstudierenden im Kontext von schulpraktischen Erfahrungen
(2022)
Selbstwirksamkeitserwartungen spielen eine wichtige Rolle für das professionelle Verhalten von Lehrkräften im Unterricht (Tschannen-Moran et al., 1998) sowie für die Leistungen und das Verhalten der Schülerinnen und Schüler (Mojavezi & Tamiz, 2012). Selbstwirksamkeitserwartungen von Lehrkräften sind definiert als die Überzeugung von Lehrkräften, dass sie in der Lage sind, bestimmte Ziele in einer spezifischen Situation zu erreichen (Dellinger et al., 2008; Tschannen-Moran & Hoy, 2001). Aufgrund der bedeutenden Rolle der Lehrkräfte im Bildungssystem und in der Gesellschaft ist es wichtig, das Wohlbefinden, die Produktivität und die Wirksamkeit von Lehrkräften zu fördern (Kasalak & Dagyar, 2020). Empirische Befunde unterstreichen die positiven Effekte von Selbstwirksamkeitserwartungen bei Lehrkräften auf ihr Wohlbefinden (Perera & John, 2020) und auf das Lernen sowie die Leistungen der Schülerinnen und Schüler (Zee & Koomen, 2016). Dabei mangelt es jedoch an empirischer Forschung, die die Bedeutung von Selbstwirksamkeitserwartungen bei Lehramtsstudierende in der Lehrkräftebildung untersucht (Yurekli et al., 2020), insbesondere während schulpraktischen Ausbildungsphasen. Ausgehend von der Bedeutung eigener Unterrichtserfahrungen, die als mastery experience, d.h. als stärkste Quelle von Selbstwirksamkeit für Lehramtsstudierende, beschrieben wurden (Pfitzner-Eden, 2016b), werden in dieser Dissertation Praxiserfahrungen als Quelle von Selbstwirksamkeit von Lehramtsstudierenden und die Veränderung der Selbstwirksamkeit von Lehramtsstudierenden während der Lehrkräfteausbildung untersucht. Studie 1 konzentriert sich daher auf die Veränderung der Selbstwirksamkeit von Lehramtsstudierenden während kurzer praktischer Unterrichtserfahrungen im Vergleich zur Online-Lehre ohne Unterrichtserfahrung. Aufgrund inkonsistenter Befunde zu den wechselseitigen Beziehungen zwischen den Selbstwirksamkeitserwartungen von Lehrkräften und ihrem Unterrichtsverhalten (Holzberger et al., 2013; Lazarides et al., 2022) wurde in Studie 2 der Zusammenhang zwischen der Selbstwirksamkeit von Lehramtsstudierenden und ihrem Unterrichtsverhalten während des Lehramtsstudiums untersucht. Da Feedback als verbale Überzeugung (verbal persuasion) dienen kann und somit eine wichtige Quelle für Selbstwirksamkeitserwartungen ist, die das Gefühl der Kompetenz stärkt (Pfitzner-Eden, 2016b), fokussiert Studie 2 den Zusammenhang zwischen der Veränderung der Selbstwirksamkeit von Lehramtsstudierenden und der wahrgenommenen Qualität des Peer-Feedbacks im Kontext kurzer schulpraktischer Erfahrungen während des Lehramtsstudiums. Darüber hinaus ist es für die Untersuchung der Veränderung von Selbstwirksamkeit bei Lehramtsstudierenden wichtig, individuelle Persönlichkeitsaspekte und spezifische Bedingungen der Lernumgebung in der Lehrkräftebildung zu untersuchen (Bach, 2022). Ausgehend von der Annahme, dass die Unterstützung von Reflexionsprozessen in der Lehrkräftebildung (Menon & Azam, 2021) und der Einsatz innovativer Lernsettings wie VR-Videos (Nissim & Weissblueth, 2017) die Entwicklung von Selbstwirksamkeitserwartungen von Lehramtsstudierenden fördern, werden in Studie 3 und Studie 4 Reflexionsprozesse bei Lehramtsstudierenden in Bezug auf ihre eigenen Unterrichtserfahrungen bzw. stellvertretenden Unterrichtserfahrungen anderer untersucht. Vor dem Hintergrund inkonsistenter Befunde und fehlender empirischer Forschung zu den Zusammenhängen zwischen Selbstwirksamkeit von Lehramtsstudierenden und verschiedenen Faktoren, die das Lernumfeld oder persönliche Merkmale betreffen, sind weitere empirische Studien erforderlich, die verschiedene Quellen und Zusammenhänge der Selbstwirksamkeitserwartungen von Lehramtsstudierenden während des Lehramtsstudiums untersuchen. In diesem Zusammenhang wird in der vorliegenden Dissertation der Frage nachgegangen, welche individuellen Merkmale und Lernumgebungen die Selbstwirksamkeit von Lehramtsstudierenden – insbesondere während kurzer schulpraktischer Phasen im Lehramtsstudium fördern können. Darüber hinaus schließt die Dissertation mit der Diskussion der Ergebnisse aus den vier Teilstudien ab, indem Stärken und Schwächen jeder Studie gesamtheitlich in den Blick genommen werden. Abschließend werden Limitationen und Implikationen für die weitere Forschung und die Praxis diskutiert.
The generation of monoclonal antibodies using an in vitro immunization approach is a promising alternative to conventional hybridoma technology. As recently published, the in vitro approach enables an antigen-specific activation of B lymphocytes within 10-12 d followed by immortalization and subsequent selection of hybridomas. This in vitro process can be further improved by using a three-dimensional surrounding to stabilize the complex microenvironment required for a successful immune reaction. In this study, the suitability of Geltrex as a material for the generation of monoclonal antigen-specific antibodies by in vitro immunization was analyzed. We could show that dendritic cells, B cells, and T cells were able to travel through and interact inside of the matrix, leading to the antigen-specific activation of T and B cells. For cell recovery and subsequent hybridoma technique the suitability of dispase and Corning cell recovery solution (CRS) was compared. In our experiments, the use of dispase resulted in a severe alteration of cell surface receptor expression patterns and significantly higher cell death, while we could not detect an adverse effect of Corning CRS. Finally, an easy approach for high-density cell culture was established by printing an alginate ring inside a cell culture vessel. The ring was filled with Geltrex, cells, and medium to ensure a sufficient supply during cultivation. Using this approach, we were able to generate monoclonal hybridomas that produce antigen-specific antibodies against ovalbumin and the SARS-CoV-2 nucleocapsid protein.
SensorHub
(2022)
Observational studies are an important tool for determining whether the findings from controlled experiments can be transferred into scenarios that are closer to subjects' real-life circumstances. A rigorous approach to observational studies involves collecting data from different sensors to comprehensively capture the situation of the subject. However, this leads to technical difficulties especially if the sensors are from different manufacturers, as multiple data collection tools have to run simultaneously. We present SensorHub, a system that can collect data from various wearable devices from different manufacturers, such as inertial measurement units, portable electrocardiographs, portable electroencephalographs, portable photoplethysmographs, and sensors for electrodermal activity. Additionally, our tool offers the possibility to include ecological momentary assessments (EMAs) in studies. Hence, SensorHub enables multimodal sensor data collection under real-world conditions and allows direct user feedback to be collected through questionnaires, enabling studies at home. In a first study with 11 participants, we successfully used SensorHub to record multiple signals with different devices and collected additional information with the help of EMAs. In addition, we evaluated SensorHub's technical capabilities in several trials with up to 21 participants recording simultaneously using multiple sensors with sampling frequencies as high as 1000 Hz. We could show that although there is a theoretical limitation to the transmissible data rate, in practice this limitation is not an issue and data loss is rare. We conclude that with modern communication protocols and with the increasingly powerful smartphones and wearables, a system like our SensorHub establishes an interoperability framework to adequately combine consumer-grade sensing hardware which enables observational studies in real life.
A comprehensive workflow to analyze ensembles of globally inverted 2D electrical resistivity models
(2022)
Electrical resistivity tomography (ERT) aims at imaging the subsurface resistivity distribution and provides valuable information for different geological, engineering, and hydrological applications. To obtain a subsurface resistivity model from measured apparent resistivities, stochastic or deterministic inversion procedures may be employed. Typically, the inversion of ERT data results in non-unique solutions; i.e., an ensemble of different models explains the measured data equally well. In this study, we perform inference analysis of model ensembles generated using a well-established global inversion approach to assess uncertainties related to the nonuniqueness of the inverse problem. Our interpretation strategy starts by establishing model selection criteria based on different statistical descriptors calculated from the data residuals. Then, we perform cluster analysis considering the inverted resistivity models and the corresponding data residuals. Finally, we evaluate model uncertainties and residual distributions for each cluster. To illustrate the potential of our approach, we use a particle swarm optimization (PSO) algorithm to obtain an ensemble of 2D layer-based resistivity models from a synthetic data example and a field data set collected in Loon-Plage, France. Our strategy performs well for both synthetic and field data and allows us to extract different plausible model scenarios with their associated uncertainties and data residual distributions. Although we demonstrate our workflow using 2D ERT data and a PSObased inversion approach, the proposed strategy is general and can be adapted to analyze model ensembles generated from other kinds of geophysical data and using different global inversion approaches.
According to Radzikowski’s celebrated results, bisolutions of a wave operator on a globally hyperbolic spacetime are of the Hadamard form iff they are given by a linear combination of distinguished parametrices i2(G˜aF−G˜F+G˜A−G˜R) in the sense of Duistermaat and Hörmander [Acta Math. 128, 183–269 (1972)] and Radzikowski [Commun. Math. Phys. 179, 529 (1996)]. Inspired by the construction of the corresponding advanced and retarded Green operator GA, GR as done by Bär, Ginoux, and Pfäffle {Wave Equations on Lorentzian Manifolds and Quantization [European Mathematical Society (EMS), Zürich, 2007]}, we construct the remaining two Green operators GF, GaF locally in terms of Hadamard series. Afterward, we provide the global construction of i2(G˜aF−G˜F), which relies on new techniques such as a well-posed Cauchy problem for bisolutions and a patching argument using Čech cohomology. This leads to global bisolutions of the Hadamard form, each of which can be chosen to be a Hadamard two-point-function, i.e., the smooth part can be adapted such that, additionally, the symmetry and the positivity condition are exactly satisfied.
This mixed-method study addresses the need for a clear conceptualization of the professional reflection element of Lesson Study (LS), a popular collaborative approach to the professional development of teachers. Grounding and re-framing LS's post-lesson discussion in a theoretical framework of critical and collaborative reflection, we analyze the transcripts of four LS groups at German primary schools, focusing on depth of reflection and teachers' trajectories through their reflective practice. The findings show that LS groups differed significantly in the depth and the trajectories of their reflection processes. We consider implications for post-lesson discussions and critical reflection as a LS core skill.
Die aktuelle COVID-19-Pandemie zeigt deutlich, wie sich Infektionskrankheiten weltweit verbreiten können. Neben Viruserkrankungen breiten sich auch multiresistente bakterielle Erreger weltweit aus. Dementsprechend besteht ein hoher Bedarf, durch frühzeitige Erkennung Erkrankte zu finden und Infektionswege zu unterbrechen.
Herkömmliche kulturelle Verfahren benötigen minimalinvasive bzw. invasive Proben und dauern für Screeningmaßnahmen zu lange. Deshalb werden schnelle, nichtinvasive Verfahren benötigt.
Im klassischen Griechenland verließen sich die Ärzte unter anderem auf ihren Geruchssinn, um Infektionen und andere Krankheiten zu differenzieren. Diese charakteristischen Gerüche sind flüchtige organische Substanzen (VOC), die im Rahmen des Metabolismus eines Organismus entstehen. Tiere, die einen besseren Geruchssinn haben, werden trainiert, bestimmte Krankheitserreger am Geruch zu unterscheiden. Allerdings ist der Einsatz von Tieren im klinischen Alltag nicht praktikabel. Es bietet sich an, auf technischem Weg diese VOCs zu analysieren.
Ein technisches Verfahren, diese VOCs zu unterscheiden, ist die Ionenmobilitätsspektrometrie gekoppelt mit einer multikapillaren Gaschromatographiesäule (MCC-IMS). Hier zeigte sich, dass es sich bei dem Verfahren um eine schnelle, sensitive und verlässliche Methode handelt.
Es ist bekannt, dass verschiedene Bakterien aufgrund des Metabolismus unterschiedliche VOCs und damit eigene spezifische Gerüche produzieren. Im ersten Schritt dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die verschiedenen Bakterien in-vitro nach einer kurzen Inkubationszeitzeit von 90 Minuten anhand der VOCs differenziert werden können. Hier konnte analog zur Diagnose in biochemischen Testreihen eine hierarchische Klassifikation der Bakterien erfolgen.
Im Gegensatz zu Bakterien haben Viren keinen eigenen Stoffwechsel. Ob virusinfizierte Zellen andere VOCs als nicht-infizierte Zellen freisetzen, wurde an Zellkulturen überprüft. Hier konnte gezeigt werden, dass sich die Fingerprints der VOCs in Zellkulturen infizierter Zellen mit Respiratorischen Synzytial-Viren (RSV) von nicht-infizierten Zellen unterscheiden.
Virusinfektionen im intakten Organismus unterscheiden sich von den Zellkulturen dadurch, dass hier neben Veränderungen im Zellstoffwechsel auch durch Abwehrmechanismen VOCs freigesetzt werden können.
Zur Überprüfung, inwiefern sich Infektionen im intakten Organismus ebenfalls anhand VOCs unterscheiden lassen, wurde bei Patienten mit und ohne Nachweis einer Influenza A Infektion als auch bei Patienten mit Verdacht auf SARS-CoV-2 (Schweres-akutes-Atemwegssyndrom-Coronavirus Typ 2) Infektion die Atemluft untersucht. Sowohl Influenza-infizierte als auch SARS-CoV-2 infizierte Patienten konnten untereinander und von nicht-infizierten Patienten mittels MCC-IMS Analyse der Atemluft unterschieden werden.
Zusammenfassend erbringt die MCC-IMS ermutigende Resultate in der schnellen nichtinvasiven Erkennung von Infektionen sowohl in vitro als auch in vivo.
Macrophages play an integral role for the innate immune system. It is critically important for basic research and therapeutic applications to find approaches to potentially modulate their function as the first line of defense. Transient genetic engineering via delivery of synthetic mRNA can serve for such purposes as a robust, reliable and safe technology to modulate macrophage functions. However, a major drawback particularly in the transfection of sensitive immune cells such as macrophages is the immunogenicity of exogenous IVT-mRNAs. Consequently, the direct modulation of human macrophage activity by mRNA-mediated genetic engineering was the aim of this work. The synthetic mRNA can instruct macrophages to synthesize specific target proteins, which can steer macrophage activity in a tailored fashion. Thus, the focus of this dissertation was to identify parameters triggering unwanted immune activation of macrophages, and to find approaches to minimize such effects. When comparing different carrier types as well as mRNA chemistries, the latter had unequivocally a more pronounced impact on activation of human macrophages and monocytes. Exploratory investigations revealed that the choice of nucleoside chemistry, particularly of modified uridine, plays a crucial role for IVT-mRNA-induced immune activation, in a dose-dependent fashion. Additionally, the contribution of the various 5’ cap structures tested was only minor. Moreover, to address the technical aspects of the delivery of multiple genes as often mandatory for advanced gene delivery studies, two different strategies of payload design were investigated, namely “bicistronic” delivery and “monocistronic” co-delivery. The side-by-side comparison of mRNA co-delivery via a bicistronic design (two genes, one mRNA) with a monocistronic design (two gene, two mRNAs) unexpectedly revealed that, despite the intrinsic equimolar nature of the bicistronic approach, it was outperformed by the monocistronic approach in terms of reliable co-expression when quantified on the single cell level. Overall, the incorporation of chemical modifications into IVT-mRNA by using respective building blocks, primarily with the aim to minimize immune activation as exemplified in this thesis, has the potential to facilitate the selection of the proper mRNA chemistry to address specific biological and clinical challenges. The technological aspects of gene delivery evaluated and validated by the quantitative methods allowed us to shed light on crucial process parameters and mRNA design criteria, required for reliable co-expression schemes of IVT-mRNA delivery.