Knochen und Muskel sind die wichtigsten Gewebe im muskuloskelettalen System welche dem Körper die Bewegungen möglich machen. Beide Gewebetypen sind hochgradig strukturierter Extrazellulärmatrix zugrundegelegt, welche die mechanischen und biologischen Funktionen bestimmen. In dieser Studie wurden die räumliche Verteilung der anisotropen elastischen Eigenschaften und der Gewebemineralisation im humanen kortikalen Femur untersucht mit akustischer Mikroskopie und Synchrotron-µCT. Die homogenisierten elastischen Eigenschaften wurden aus einer Kombination der Porosität und der Gewebeelastizitätsmatrix mit Hilfe eines asymptotischen Homogenisierungsmodells ermittelt. Der Einfluss der Gewebemineralisierung und der Strukturparameter auf die mikroskopischen und mesoskopischen elastischen Koeffizienten wurde unter Berücksichtigung der anatomischen Position des Femurschaftes untersucht. Es wurde ein Modell entwickelt, mit welchem der intramuskuläre Fettgehalt des porcinen musculus longissimus nichtinvasiv mittels quantitativem Ultraschall und dessen spektraler Analyze des Echosignals bestimmt werden kann. Muskelspezifische Parameter wie Dämpfung, spectral slope, midband fit, apparent integrated backscatter und cepstrale Paramter wurden aus den RF-Signalen extrahiert. Die Einflüsse der Muskelkomposition und Strukturparameter auf die spektralen Ultraschallparameter wurden untersucht. Die akustischer Parameter werden durch die Muskelfaserorientierung beeinflusst und weisen höhere Werte parallel zur Faserlängsrichtung als senkrecht zur Faserorientierung auf. Die in dieser Studie gewonnenen detaillierten und lokal bestimmten Knochendaten können möglicherweise als Eingabeparameter für numerische 3D FE-Simulationen. Darüber hinaus kann die Untersuchung von Veränderungen der lokalen Gewebeanisotropie neue Einsichten in Studien über Knochenumbildung geben. Diese auf Gewebeebene bestimmten Daten von Muskelgewebe können in numerischen Simulationen von akustischer Rückstreuung genutzt werden um diagnostische Methoden und Geräte zu verbessern. / Bone and muscle are the most important tissues in the musculoskeletal system that gives the ability to move the body. Both tissues have the highly oriented underlying extracellular matrix structure for performing mechanical and biological functions. In this study, the spatial distribution of anisotropic elastic properties and tissue mineralization within a human femoral cortical bone shaft were investigated using scanning acoustic microscopy and synchrotron radiation µCT. The homogenized meoscopic elastic properties were determined by a combination of porosity and tissue elastic matrix using a asymptotic homogenization model. The impact on tissue mineralization and structural parameters of the microscopic and mesocopic elastic coefficients was analyzed with respect to the anatomical location of the femoral shaft. A model was developed to estimate intramuscular fat of porcine musculus longissimus non-invasively using a quantitative ultrasonic device by spectral analysis of ultrasonic echo signals. Muscle specific acoustic parameters, i.e. attenuation, spectral slope, midband fit, apparent integrated backscatter, and cepstral parameters were extracted from the measured RF echoes. The impact of muscle composition and structural properties on ultrasonic spectral parameters was analyzed. The ultrasound propagating parameters were affected by the muscle fiber orientation. The most dominant direction dependency was found for the attenuation. The detailed locally assessed bone data in this study may serve as a real-life input for numerical 3D FE simulation models. Moreover, the assessment of changes of local tissue anisotropy may provide new insights into the bone remodelling studies. The data provided at tissue level and investigated ultrasound backscattering from muscle tissue, can be used in numerical simulation FE models for acoustical backscattering from muscle for the further improvement of diagnostic methods and equipment.

Ein nichtparametrisches Schätzverfahren für die quadratische Kovariation von hochfrequent nicht-synchron beobachteter Itô-Prozessen mit einem additiven Rauschen wird entwickelt. Für eine artverwandte Folge von statistischen Experimenten wird die lokal asymptotische Normalität (LAN) im Sinne von Le Cam bewiesen. Mit dieser lassen sich optimale Konvergenzraten und Effizienzschranken für asymptotische Varianzen ableiten. Der vorgestellte Schätzer wird auf Grundlage von zwei modernen Verfahren, für die Anwendung bei nicht-synchronen Beobachtungen zum einen, und einem additiven Rauschen zum anderen, entwickelt. Der Hayashi-Yoshida Schätzer wird in einer neuen Darstellung eingeführt, welche einen Synchronisierungsalgorithmus mit einschließt, der für die kombinierte Methode ausgelegt werden kann. Es wird eine stabiles zentrales Grenzwerttheorem bewiesen, wobei spezieller Wert auf die Analyse des Einflusses der Nicht-Synchronität auf die asymptotische Varianz gelegt wird. Nach diesen Vorbereitungen wird das kombinierte Schätzverfahren für den allgemeinsten Fall nicht-synchroner verrauschter Beobachtungen vorgestellt. Dieses beruht auf Subsampling- und Multiskalenmethoden, die auf Mykland, Zhang und Aït-Sahalia zurück gehen. Es vereint positive Eigenschaften der beiden Ursprünge. Das zentrale Resultat dieser Arbeit ist der Beweis, dass der Schätzfehler stabil in Verteilung gegen eine gemischte Normalverteilung konvergiert. Für die asymptotische Varianz wird ein konsistenter Schätzer angegeben. In einer Anwendungsstudie wird eine praktische Implementierung des Schätzverfahrens, die die Wahl von abhängigen Parametern beinhaltet, getestet und auf ihre Eigenschaften im Falle endlicher Stichprobenumfänge untersucht. Neuen fortgeschrittenen Entwicklungen auf dem Forschungsfeld von Seite anderer Autoren wird Rechnung getragen durch Vergleiche und diesbezügliche Kommentare. / A nonparametric estimation approach for the quadratic covariation of Itô processes from high-frequency observations with an additive noise is developed. It is proved that a closely related sequence of statistical experiments is locally asymptotically normal (LAN) in the Le Cam sense. By virtue of this property optimal convergence rates and efficiency bounds for asymptotic variances of estimators can be concluded. The proposed nonparametric estimator is founded on a combination of two modern estimation methods devoted to an additive observation noise on the one hand and asynchronous observation schemes on the other hand. We reinvent this Hayashi-Yoshida estimator in a new illustration that can serve as a synchronization method which is possible to adapt for the combined approach. A stable central limit theorem is proved focusing especially on the impact of non-synchronicity on the asymptotic variance. With this preparations on hand, the generalized multiscale estimator for the noisy and asynchronous setting arises. This convenient method for the general model is based on subsampling and multiscale estimation techniques that have been established by Mykland, Zhang and Aït-Sahalia. It preserves valuable features of the synchronization methodology and the estimators to cope with noise perturbation. The central result of the thesis is that the estimation error of the generalized multiscale estimator converges with optimal rate stably in law to a centred mixed normal limiting distribution on fairly general regularity assumptions. For the asymptotic variance a consistent estimator based on time transformed histograms is given making the central limit theorem feasible. In an application study a practicable estimation algorithm including a choice of tuning parameters is tested for its features and finite sample size behaviour. We take account of recent advances on the research field by other authors in comparisons and notes.

Auf die Entwicklung der Hochdurchsatz-Sequenzierung (HTS) folgte eine Reihe von speziellen Erweiterungen, die erlauben verschiedene zellbiologischer Aspekte wie Genexpression, DNA-Methylierung, etc. zu messen. Die Analyse dieser Daten erfordert die Entwicklung von Algorithmen, die einzelne Experimenteberücksichtigen oder mehrere Datenquellen gleichzeitig in betracht nehmen. Der letztere Ansatz bietet besondere Vorteile bei Analyse von einzelligen RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) Experimenten welche von besonders hohem technischen Rauschen, etwa durch den Verlust an Molekülen durch die Behandlung geringer Ausgangsmengen, gekennzeichnet sind. Um diese experimentellen Defizite auszugleichen, habe ich eine Methode namens netSmooth entwickelt, welche die scRNA-seq-Daten entrascht und fehlende Werte mittels Netzwerkdiffusion über ein Gennetzwerk imputiert. Das Gennetzwerk reflektiert dabei erwartete Koexpressionsmuster von Genen. Unter Verwendung eines Gennetzwerks, das aus Protein-Protein-Interaktionen aufgebaut ist, zeige ich, dass netSmooth anderen hochmodernen scRNA-Seq-Imputationsmethoden bei der Identifizierung von Blutzelltypen in der Hämatopoese, zur Aufklärung von Zeitreihendaten unter Verwendung eines embryonalen Entwicklungsdatensatzes und für die Identifizierung von Tumoren der Herkunft für scRNA-Seq von Glioblastomen überlegen ist. netSmooth hat einen freien Parameter, die Diffusionsdistanz, welche durch datengesteuerte Metriken optimiert werden kann. So kann netSmooth auch dann eingesetzt werden, wenn der optimale Diffusionsabstand nicht explizit mit Hilfe von externen Referenzdaten optimiert werden kann. Eine integrierte Analyse ist auch relevant wenn multi-omics Daten von mehrerer Omics-Protokolle auf den gleichen biologischen Proben erhoben wurden. Hierbei erklärt jeder einzelne dieser Datensätze nur einen Teil des zellulären Systems, während die gemeinsame Analyse ein vollständigeres Bild ergibt. Ich entwickelte eine Methode namens maui, um eine latente Faktordarstellungen von multiomics Daten zu finden. / The development of high throughput sequencing (HTS) was followed by a swarm of protocols utilizing HTS to measure different molecular aspects such as gene expression (transcriptome), DNA methylation (methylome) and more. This opened opportunities for developments of data analysis algorithms and procedures that consider data produced by different experiments. Considering data from seemingly unrelated experiments is particularly beneficial for Single cell RNA sequencing (scRNA-seq). scRNA-seq produces particularly noisy data, due to loss of nucleic acids when handling the small amounts in single cells, and various technical biases. To address these challenges, I developed a method called netSmooth, which de-noises and imputes scRNA-seq data by applying network diffusion over a gene network which encodes expectations of co-expression patterns. The gene network is constructed from other experimental data. Using a gene network constructed from protein-protein interactions, I show that netSmooth outperforms other state-of-the-art scRNA-seq imputation methods at the identification of blood cell types in hematopoiesis, as well as elucidation of time series data in an embryonic development dataset, and identification of tumor of origin for scRNA-seq of glioblastomas. netSmooth has a free parameter, the diffusion distance, which I show can be selected using data-driven metrics. Thus, netSmooth may be used even in cases when the diffusion distance cannot be optimized explicitly using ground-truth labels. Another task which requires in-tandem analysis of data from different experiments arises when different omics protocols are applied to the same biological samples. Analyzing such multiomics data in an integrated fashion, rather than each data type (RNA-seq, DNA-seq, etc.) on its own, is benefitial, as each omics experiment only elucidates part of an integrated cellular system. The simultaneous analysis may reveal a comprehensive view.

Anomale Diffusion ist ein weitverbreiteter Transportmechanismus, welcher für gewöhnlich mit ensemble-basierten Methoden experimentell untersucht wird. Motiviert durch den Fortschritt in der Einzelteilchenverfolgung, wo typischerweise Zeitmittelwerte bestimmt werden, entsteht die Frage nach der Ergodizität. Stimmen ensemble-gemittelte Größen und zeitgemittelte Größen überein, und wenn nicht, wie unterscheiden sie sich? In dieser Arbeit studieren wir verschiedene stochastische Modelle für anomale Diffusion bezüglich ihres ergodischen oder nicht-ergodischen Verhaltens hinsichtlich der mittleren quadratischen Verschiebung. Wir beginnen unsere Untersuchung mit integrierter Brownscher Bewegung, welche von großer Bedeutung für alle Systeme mit Impulsdiffusion ist. Für diesen Prozess stellen wir die ensemble-gemittelte quadratische Verschiebung und die zeitgemittelte quadratische Verschiebung gegenüber und charakterisieren insbesondere die Zufälligkeit letzterer. Im zweiten Teil bilden wir integrierte Brownsche Bewegung auf andere Modelle ab, um einen tieferen Einblick in den Ursprung des nicht-ergodischen Verhaltens zu bekommen. Dabei werden wir auf einen verallgemeinerten Lévy-Lauf geführt. Dieser offenbart interessante Phänomene, welche in der Literatur noch nicht beobachtet worden sind. Schließlich führen wir eine neue Größe für die Analyse anomaler Diffusionsprozesse ein, die Verteilung der verallgemeinerten Diffusivitäten, welche über die mittlere quadratische Verschiebung hinausgeht, und analysieren mit dieser ein oft verwendetes Modell der anomalen Diffusion, den subdiffusiven zeitkontinuierlichen Zufallslauf. / Anomalous diffusion is a widespread transport mechanism, which is usually experimentally investigated by ensemble-based methods. Motivated by the progress in single-particle tracking, where time averages are typically determined, the question of ergodicity arises. Do ensemble-averaged quantities and time-averaged quantities coincide, and if not, in what way do they differ? In this thesis, we study different stochastic models for anomalous diffusion with respect to their ergodic or nonergodic behavior concerning the mean-squared displacement. We start our study with integrated Brownian motion, which is of high importance for all systems showing momentum diffusion. For this process, we contrast the ensemble-averaged squared displacement with the time-averaged squared displacement and, in particular, characterize the randomness of the latter. In the second part, we map integrated Brownian motion to other models in order to get a deeper insight into the origin of the nonergodic behavior. In doing so, we are led to a generalized Lévy walk. The latter reveals interesting phenomena, which have never been observed in the literature before. Finally, we introduce a new tool for analyzing anomalous diffusion processes, the distribution of generalized diffusivities, which goes beyond the mean-squared displacement, and we analyze with this tool an often used model of anomalous diffusion, the subdiffusive continuous time random walk.

This thesis describes the conception and implementation of the hydrological model ArcEGMO-URBAN and its application to the basin of the Havel river in north-eastern Germany. The model has been developed in order to make up the balance of nitrogen and phosphorus inputs from point sources in urban areas on the scale of river basins. The nutrient input can be calculated with a high spatial resolution and according to its seasonal variation. At the same time, the impact of the rainfall on the nutrient input is being focused on in this project. ArcEGMO-URBAN models rainfall-runoff processes and pollution-transport processes in urban areas taking natural, technological and social parameters into consideration. Input data are meteorological and terrestrial data with a high spatiotemporal resolution as well as statistic data on the scale of municipalities. The digitally available spatial data are being analysed with GIS functions before the actual modelling and later merged to areas with similar attributes. Technological and social parameters are assigned to these areas which were derived from statistic data. The diversity of the input data and their high spatial resolution allow for the description of relevant processes differentiated on the scale of urban patches. The model considers different urban water technologies and their determined matter fluxes as well as different sewer systems. With regard to rainfall-runoff processes the following sub-processes are considered for this model: the runoff-generation and runoff-concentration on sealed surfaces, the runoff-transformation and combination with the dry weather flow in the sewer system, and the split-up of the runoff in retention tanks and waste water treatment plants. Referring to pollution-transport processes the following sub-processes are taken into account: the atmospheric pollution and surface pollution dependent on the type of land use, and the matter transport in the sewer system. The sub-processes of matter accumulation and matter erosion on the land surface can be calculated by using mean values of pollution or, more detailed, by using special functions for processes of accumulation as well as erosion. In order to guarantee an easy application, the model's conception allows the use of input data and parameters of varying accuracy. Both, either measurements or statistical data can be used for the calculation dependent on the available data. The model is programmed in "C" and, therefore, usable on every established computer system. The model's validation succeeds for several sub-processes as well as sub catchments. Results of the model's application in the basin of the Havel river illustrate that the model calculates similar annual matter loads when compared to established other models. Furthermore, the results show the potential of the model to calculate the seasonal variation of matter loads and to calculate scenarios by using GIS based parameters. ArcEGMO-URBAN therefore is a capable tool for the identification of nutrient input from point sources on the scale of river catchments. / Diese Arbeit beschreibt die Konzeption und Realisierung des Modells ArcEGMO-URBAN sowie die Modellanwendung im Flussgebiet der Havel. ArcEGMO-URBAN wurde entwickelt um die punktuell in Gewässer eingetragenen Frachten von Gesamtstickstoff und Gesamtphosphor aus urbanen Räumen auf der Ebene von Flussgebieten zu bilanzieren. Die Nährstoffeinträge werden mit einer hohen räumlichen Auflösung und in ihrer innerjährlichen Dynamik berechnet, wobei der Einfluss des Niederschlagsgeschehens auf die Stoffeinträge besonders thematisiert wird. ArcEGMO-URBAN modelliert die Niederschlags-Abfluss- und die Schmutz-Transport-Prozesse in urbanen Räumen unter Berücksichtigung von naturräumlichen, technologischen und sozialen Parametern. Eingangsgrößen sind meteorologische und terrestrische Daten mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung sowie statistische Angaben auf Gemeindeebene. Die digital vorliegenden Flächendaten werden vor der Modellierung mittels GIS-Funktionen ausgewertet und zu Flächen mit gleichen Eigenschaften zusammengefasst. Diesen Flächen werden technologische und soziale Parameter zugeordnet, welche aus den statistischen Angaben abgeleitet wurden. Durch die hohe inhaltliche und räumliche Auflösung der Eingangsdaten können relevante Prozesse teilflächendifferenziert beschrieben werden. Es können sowohl unterschiedliche Wasserver- und -entsorgungstechnologien und die durch sie induzierten Stoffströme als auch unterschiedliche Kanalisationsverfahren berücksichtigt werden. Bezogen auf den Niederschlags-Abfluss-Prozess werden die Abflussbildung und Abflusskonzentration auf befestigten Flächen, die Abflusstransformation und Überlagerung mit dem Trockenwetterabfluss im Kanalnetz und die Abflussaufteilung an Sonderbauwerken bzw. Kläranlagen berechnet. Für die Berücksichtigung der Stoff-Transport-Prozesse werden die durch die Atmosphäre und spezifische Nutzungen bedingten Stoffeinträge sowie der durch die Kanalisation bestimmte Stofftransport berechnet. Die auf der Oberfläche stattfindenden Teilprozesse von Stoffakkumulation und -abtrag können über mittlere Verschmutzungswerte oder detailliert über Akkumulations- und Abtragsfunktionen berechnet werden. Um ein weites Anwendungsspektrum zu gewährleisten, ist das Modell so konzipiert, dass eine Parametrisierung mit Eingangsdaten unterschiedlicher Qualität möglich ist. Abhängig von der verfügbaren Datenbasis werden entweder konkrete Messwerte oder statistische Größen verwendet. Das Programm ist in "C" programmiert und damit auf jeder Rechnerarchitektur lauffähig. Die Validierung des Modells gelingt für einzelne Teilprozesse aber auch für Teilgebiete gut. Die Ergebnisse im Flussgebiet der Havel belegen, dass das Modell ähnliche jährliche Nährstofffrachten wie bereits eingeführte Modelle berechnet. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse das Potenzial des Modells, die innerjährliche Dynamik punktueller Stoffeinträge abzubilden und durch die GIS-gestützte Parametrisierung aufwandsarm Szenarien zu berechnen. Damit ist ArcEGMO-URBAN ein geeignetes Modell zur Bestimmung von Nährstoffeinträgen aus punktuellen Quellen auf der Ebene von Flussgebieten.

Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, Cu(Ag)-Dünnschichten als potentiellen Werkstoff für Leiterbahnen in der Mikroelektronik zu untersuchen. Für die Beurteilung dieses Materialsystems wurden vier Schwerpunkte bezüglich der Schichtcharakterisierung definiert: Herstellung, Gefüge, thermomechanische Eigenschaften, Elektromigrationsresistenz. Grundlage sämtlicher Untersuchungen ist eine geeignete Probenpräparation. In Anlehnung an Technologien, die zur Zeit bei der Herstellung von reinen Cu-Leiterbahnen Anwendung finden, erfolgte die Beschichtung der Cu(Ag)-Schichten (Dicke bis 1 µm) galvanisch aus einem schwefelsauren Elektrolyten unter Additiveinsatz auf thermisch oxidierten Siliziumwafern. Hierbei war nicht nur die Abscheidung von ganzflächigen Dünnschichten, sondern auch die Beschichtung auf strukturierte Substrate von Interesse. Die erzeugten Schichtproben werden in ihren Gefügeeigenschaften, vergleichend zu reinen Kupferschichten, charakterisiert. Hierzu zählen Korngrößen und -orientierungen, thermisches Gefügeverhalten, Einbau, Verteilung und Segregation von Silber und Fremdstoffen sowie die elektrischen Eigenschaften. Von grundsätzlicher Bedeutung für das Elektromigrationsverhalten und damit für die Zuverlässigkeit und das Leistungsvermögen sind die thermomechanischen Eigenschaften. Diese werden an ausgedehnten Schichten mit der Substratkrümmungsmessung bis zu Temperaturen von 500°C beschrieben. Die Diskussion des mechanischen Schichtverhaltens umfasst sowohl thermische als auch temporale Charakteristika. Die Untersuchungen geben einen Einblick in die wirkenden Mechanismen des Stofftransports und des Spannungsabbaus. Den Abschluss der Arbeit stellen erste Experimente zum Elektromigrationsverhalten der Cu(Ag)-Dünnschichten dar. Den Kern dieser Analysen bilden Messungen an sog. Blech-Strukturen (Materialdriftexperimente). Hierbei werden geeignete Technologien für die mikrotechnologische Herstellung von derartigen Cu(Ag)-Strukturen vorgestellt. Anhand erster Messungen wird das Elektromigrationsverhalten von Cu(Ag)-Metallisierungen in seinen Grundcharakteristika beschrieben.

Die Gestaltung berufsorientierender Lehr- und Lernprozesse für Naturwissenschaft und Technik besitzt insbesondere vor dem immer wieder diskutierten Fachkräftemangel in diesem Bereich eine zentrale Bedeutung. In diesem Sinne soll Berufsorientierung für Naturwissenschaft und Technik dazu beitragen, dass Lernende naturwissenschaftsbezogene Berufe als Option für die Gestaltung der eigenen Ausbildungs- und Berufsbiographie wahrnehmen. Um diese Funktion zu realisieren, sind Maßnahmen notwendig, die auf eine Veränderung der für die Berufswahl relevanten Schüler-merkmale fokussieren. Im ersten Teil der Arbeit wurde daher zunächst der Stand der Forschung zu Modellen der Berufswahl sowie empirischen Studien hinsichtlich der für die Berufsentscheidung bedeutsamen Schülermerkmale analysiert. Als Handlungskonsequenzen für die Gestaltung schulischer Berufsorientierungsprozesse hat sich ergeben, dass zum einen Interesse und Fähigkeitsselbstkonzept gefördert werden müssen, um die Entscheidung für ein naturwissenschaftlich-technisches Studium zu begünstigen. Über die Förderung von Interesse und Fähigkeitsselbstkonzept hinaus bedarf es zum anderen im Sinne einer nachhaltigen Berufsorientierung der Ausbildung naturwissenschaftlich-technischer Kompetenzen hinreichender Qualität sowie wahrscheinlich der Entwicklung eines realistischen Berufskonzepts. Die ebenfalls im theoretischen Teil der Arbeit vorgenommene Analyse von best-practice-Beispielen an explizit berufsorientierenden Maßnahmen hat gezeigt, dass insbesondere eine in den Fachunterricht integrierte Berufsorientierung besonders wirksam ist. Jedoch gibt es hierfür bisher keine tragfähigen Ansätze, die alle genannten Aspekte miteinander verknüpfen. Es bedarf somit einer konkreten konzeptionellen Grundlage. Da im Rahmen einer in den Fachunterricht integrierten Berufsorientierung die Arbeit von Natur- und Ingenieurwissenschaftlern neben den natur- und ingenieurwissenschaftlichen Fachinhalten zu einem expliziten Aneignungsgegenstand wird, ist eine valide Beschreibung dieser notwendige Voraussetzung für die konzeptionelle Umsetzung. Diese stellt jedoch ebenso wie der Gestaltungsansatz eine Lücke der Forschung und Entwicklung im Bereich der Berufsorientierung bzw. Naturwissenschaftsdidaktik dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher zunächst die Arbeit von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren beschrieben und strukturiert. Um dann auf dieser Basis ein Ansatz zur Gestaltung integrierter Berufsorientierung zu entwickeln. Darüber hinaus wurden im Sinne einer passfähigen Berufsorientierung die Kenntnisse von Lernenden über die Arbeit von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren und der Zusammenhang zwischen einem realistischen Berufskonzept und der Ausbildung natur- und ingenieurwissenschaftlicher Berufserwartungen untersucht. Denn obwohl stets die Bedeutung von Berufskenntnissen betont wird, kann diese nur normativ begründet werden, da belastbare Forschungsergebnisse fehlen. In den Teilen II bis IV der Arbeit wurden somit folgende Problemfelder nacheinander bearbeitet: - die Beschreibung und Strukturierung der Arbeit von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren (= Teil II); - die Ermittlung der Kenntnisse von Lernenden über die Arbeit von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren sowie deren Einfluss auf die Ausbildung naturwissenschaftlicher bzw. technischer Berufserwartungen (= Teil III); - die Entwicklung eines Ansatzes für die Gestaltung berufsorientierender Konzepte im Rahmen des Naturwissenschaftsunterrichts (= Teil IV). Für die Charakterisierung der Arbeit von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren konnte nicht auf bestehende Erkenntnisse zurückgegriffen werden. Denn in anderen Forschungsgebieten wie z. B. der Arbeits- und Organisationspsychologie oder der berufswissenschaftlichen Forschung, werden lediglich Ausschnitte natur- und ingenieurwissenschaftliche Arbeit unter jeweils wissen-schaftsspezifischen Fragestellungen analysiert. Eine systematische für berufsorientierende Lehr- und Lernprozesse geeignete Aufarbeitung fehlt bisher. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher in der ersten empirischen Studie auf Basis berufswissenschaftlicher Arbeitsanalysen in Unternehmen sowie Forschungseinrichtungen zentrale Initiierungskontexte und Arbeitsaufträge naturwissenschaftlicher bzw. ingenieurwissenschaftlicher Arbeit bestimmt. Die Arbeitsanalyse stellt eine Kombination verschiedener qualitativer Befragungs- und Beobachtungsmethoden zur Erfassung der Arbeitswelt dar. Die ermittelten Daten wurden mittels eines in Anlehnung an die strukturierende Inhaltsanalyse von Mayring entwickelten Auswertungssystems analysiert. Hierdurch konnte ein Überblick zu den typischen Initiierungskontexten und Arbeitsaufträgen sowie den jeweils zugehörigen Arbeitsaufgaben natur- und ingenieurwissenschaftlicher Arbeit ermittelt werden. Für die berufsspezifische Beschreibung wurde ein Perspektivwechsel von einer auftragsbezogenen zu einer berufsbezogenen Betrachtung vorgenommen. Dies bedeutet, dass die innerhalb eines Arbeitsauftrags anfallenden Arbeitsaufgaben bzw. Arbeitsaufgabenkomplexe dem Beruf des Naturwissenschaftlers oder Ingenieurs zugeordnet und kategorisiert worden sind. Ergebnis dieses Prozesses war, dass die von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren übernommene Arbeit mittels berufsspezifischen Kernarbeitsaufträge und -aufgaben sowie berufsübergreifenden Managementaufgaben und Transferaufgaben beschrieben werden können. Diese Kategorisierung natur- bzw. ingenieurwissenschaftlicher Arbeit war Grundlage für die Erfassung der Berufskenntnisse. Ziel der zweiten Studie war, das bei den Lernenden bestehende Konzept über die Arbeit von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren zu charakterisieren sowie dessen Bedeutsamkeit für die Ausbildung natur- bzw. ingenieurwissenschaftlicher Berufserwartungen zu bestimmen. Hierfür wurden Gymnasiasten der 10. und 11. Klasse (N = 450) ein Testinstrument zur Erhebung der Berufskenntnisse sowie ein Fragebogen zur Erfassung der Berufswünsche und weiterer berufswahlrelevanter Merkmale vorgelegt. Für die Auswertung der erhobenen Daten wurden zur Beschreibung des Berufskonzepts deskriptive Methoden eingesetzt und für die Bestimmung der Bedeutsamkeit von Berufskenntnissen logistische Regressionsmodelle spezifiziert sowie Mediationseffekte mittels Bootstrapping geprüft. Hinsichtlich der Kenntnis natur- und ingenieurwissenschaftlicher Arbeit wurde deutlich, dass Lernende bereits einen guten Überblick über die zentralen Arbeitsaufträge von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren besitzen, jedoch die bei der Bearbeitung auftretenden Arbeitsaufgaben kaum kennen sowie natur- und ingenieurwissenschaftlicher Arbeit nur un-genügend zu entsprechender Facharbeit abgrenzen können. Bezogen auf die Bedeutsamkeit von Berufskenntnissen konnte gezeigt werden, dass lediglich ausgewählte Aspekte in einem Zusammenhang mit natur- bzw. ingenieurwissenschaftlichen Berufserwartungen stehen. Für die Ausbildung von naturwissenschaftlichen Berufswünschen sind dies die Kenntnis der Transferaufgaben sowie die Abgrenzung von natur- zu ingenieurwissenschaftlicher Arbeit. Für die Ausbildung von ingenieurwissenschaftlichen Berufswünschen sind dies hingegen die Kenntnis der Kernarbeitsaufträge sowie die Abgrenzung von ingenieurwissenschaftlicher zu betriebswirtschaftlicher Arbeit. Die Ergebnisse verweisen darauf, dass berufsorientierende Lehr- und Lernprozesse neben naturwissenschaftlich-technischen Interessen und Fähigkeiten auch die Ausbildung eines realistischen Berufskonzeptes fördern müssen. In Bezug zu den Ergebnissen beider empirischer Studien wurden abschließend Kriterien und Ziele berufsorientierender Lehr- und Lernprozesse differenziert sowie ein konkreter Gestaltungsansatz entwickelt und hinsichtlich einer projektorientierten Umsetzung untersetzt Im Rahmen der Arbeit wurde weiterhin ein Ansatz zur Gestaltung von in den naturwissenschaftlichen Fachunterricht inte-grierten Berufsorientierungsprojekten unter Rückgriff auf kontextorientierte bzw. berufsbildende Ansätze entworfen. Grundlegendes Prinzip des Konzepts ist die Konfrontation der Lernenden mit didaktisch-aufbereiteten beruflichen Arbeitsaufträgen des Naturwissenschaftlers bzw. Ingenieurs. Zur Bearbeitung des Auftrags sind die damit verbundenen Arbeitsaufgaben auszuführen. Hierbei wird von den Lernenden das erforderliche naturwissenschaftliche Know-how angewendet bzw. angeeignet. Weiterhin erschließen sich die Lernenden die Arbeitswelt von Ingenieuren bzw. Naturwissenschaftlern aktiv. Perspektivisch ist dieser Ansatz weiterzuentwickeln und hinsichtlich seiner Wirksamkeit zu evaluieren. Hierbei eröffnen sich Potentiale an die Evaluation berufsorientierender Konzepte weiterführende Forschungsfragen hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen von Berufskenntnissen und Berufserwartungen zu koppeln.

We present a new course titled “Introduction to the Mathematical Sciences.” The course content is 1/3 algebra, 1/3 statistics, and 1/3 computer science and is taught in a laboratory environment on computers. The course pedagogy departs radically from traditional mathematics courses taught in the U.S. and makes extensive use of spreadsheet software to teach algebraic and statistical concepts. The course is currently offered in area high schools and two-year postsecondary institutions with financial support from a Blandin Foundation grant (referenced under BFG). We will present empirical evidence that indicates students in this course learn more algebra than students in a traditional semester-long algebra course. Additionally, we present empirical evidence that students learn statistical and computer science topics in addition to algebra. We will also present the model of developing this course which depended on increasing future student success in a variety of disciplines at the post-secondary level of study.

Es besteht weitgehender Konsens darüber, dass Designer mit anderen Beteiligten gemeinsam bereits in frühe Phasen von Innovations- und Entwicklungsprozessen eingebunden werden müssen. Unterschiedliche Ausbildungsformen, Begriffe, Methoden und Fachkulturen von Designern und den traditionell in Technologieentwicklung involvierten Ingenieuren und Naturwissenschaftlern erschweren oder verhindern in der Praxis oftmals eine effektive Zusammenarbeit. Dieses Buch widmet sich in diesem Kontext dem bislang nur unzureichend gelösten Problem der Akquise des für den Designentwurf relevanten Wissens aus dem individuell verfügbaren Repertoire: Während diese bei Experten weitgehend intuitiv abläuft ist, stellt sie insbesondere für ingenieurwissenschaftlich vorgebildete Designnovizen ohne spezifische methodische Unterstützung ein Problem dar. Um geeignete Methoden auswählen und entwickeln zu können, wird in einem umfangreichen theoretischen Teil untersucht, wie dieses individuelle Designwissen charakterisiert ist. Auf Grundlage einer umfassenden Definition von Designwissen werden potenziell geeignete Methoden zur Unterstützung dessen Akquise dargestellt und bewertet. Reflexive Methoden auf der Basis generischer Fragelisten sowie narrative Methoden auf Basis von Nutzer-Archetypen (Personas) und normativen Szenarien bilden dabei den Schwerpunkt. Der empirische Teil umfasst vier Untersuchungen. Der tatsächliche Effekt von spezifischen reflexiven und narrativen Methoden bei der individuellen Wissensakquise wird in drei Studien mit experimentellem Charakter nachgewiesen und diskutiert. Eine vergleichende explorative Feldstudie zum Einsatz von Methoden in der beruflichen Praxis von Designern und Konstrukteuren ergänzt die Erkenntnisse und hilft, diese in einen breiteren Kontext einzuordnen.

Background: Modern health systems are increasingly faced with the challenge to provide effective, affordable and accessible health care for people with chronic conditions. As evidence on the specific unmet needs and their impact on health outcomes is limited, practical research is needed to tailor chronic care to individual needs of patients with diabetes. Qualitative approaches to describe professional and informal caregiving will support understanding the complexity of chronic care. Results are intended to provide practical recommendations to be used for systematic implementation of sustainable chronic care models. Method: A mixed method study was conducted. A standardised survey (n = 92) of experts in chronic care using mail responses to open-ended questions was conducted to analyse existing chronic care programs focusing on effective, problematic and missing components. An expert workshop (n = 22) of professionals and scientists of a European funded research project MANAGE CARE was used to define a limited number of unmet needs and priorities of elderly patients with type 2 diabetes mellitus and comorbidities. This list was validated and ranked using a multilingual online survey (n = 650). Participants of the online survey included patients, health care professionals and other stakeholders from 56 countries. Results: The survey indicated that current care models need to be improved in terms of financial support, case management and the consideration of social care. The expert workshop identified 150 patient needs which were summarised in 13 needs dimensions. The online survey of these pre-defined dimensions revealed that financial issues, education of both patients and professionals, availability of services as well as health promotion are the most important unmet needs for both patients and professionals. Conclusion: The study uncovered competing demands which are not limited to medical conditions. The findings emphasise that future care models need to focus stronger on individual patient needs and promote their active involvement in co-design and implementation. Future research is needed to develop new chronic care models providing evidence-based and practical implications for the regional care setting.