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The computational analysis and the optimization of transport and mixing processes in fluid flows are of ongoing scientific interest. Transfer operator methods are powerful tools for the study of these processes in dynamical systems. The focus in this context has been mostly on closed dynamical systems and the main applications have been geophysical flows. In this thesis, the authors consider transport and mixing in closed flow systems and in open flow systems that mimic technical mixing devices. Via transfer operator methods, They study the coherent behavior in closed example systems including a turbulent Rayleigh-Bénard convection flow and consider the finite-time mixing of two fluids. They extend the transfer operator framework to specific open flows. In particular, they study time-periodic open flow systems with constant inflow and outflow of fluid particles and consider several example systems. In this case, the transfer operator is represented by a transition matrix of a time-homogeneous absorbing Markov chain restricted to finite transient states. The chaotic saddle and its stable and unstable manifolds organize the transport processes in open systems. The authors extract these structures directly from leading eigenvectors of the transition matrix. For a constant source of two fluids in different colors, the mass distribution in the mixer and its outlet region converges to an invariant mixing pattern. In parameter studies, they quantify the degree of mixing of the resulting patterns by several mixing measures. More recently, network-based methods that construct graphs on trajectories of fluid particles have been developed to study coherent behavior in fluid flow. They use a method based on diffusion maps to extract organizing structures in open example systems directly from trajectories of fluid particles and extend this method to describe the mixing of two types of fluids.
Das Promotionsprojekt, das in das Forschungsprojekt Nawi-In (Naturwissenschaftlichen Unterricht inklusiv gestalten – Kompetenzentwicklung von Lehramtsstudierenden für und mit der Praxis) eingebettet ist, fokussiert die Entwicklung von Analysekompetenzen Masterstudierender der Sekundarstufe I mit naturwissenschaftlichem Fach, inklusiven naturwissenschaftlichen Unterricht zu identifizieren und zu analysieren. Hierfür analysierten die Masterstudierenden (N=5) sowohl eigenen videografierten als auch fremden inklusiven naturwissenschaftlichen Unterricht im Rahmen eines dreisemestrigen Projektseminars. Die Begleitforschung, die im ersten und zweiten Semester des Projektseminars stattfand, untersuchte die Entwicklung der Merkmalsausprägungen der Selbstwirksamkeit, Einstellungen und des selbsteingeschätzten fachdidaktischen Wissens (PCK) in Bezug zu inklusivem naturwissenschaftlichen Unterricht. Der Kern der Forschung ist die Entwicklung eines Modells, um die video-stimulierten Reflexionen zum eigenen (pre und post) und fremden inklusiven naturwissenschaftlichen Unterricht (pre, re und post), die audiografiert und transkribiert wurden, auszuwerten und so eine Entwicklung der Analysekompetenzen über die verschiedenen Erhebungszeitpunkte hinweg feststellen und abbilden zu können. Das Analytical Competency Model (ACM) ist ein Kategoriensystem, das aus verschiedenen Forschungen zu Professionalisierung, Expertiseforschung über Lehrpersonen und professioneller Unterrichtswahrnehmung besteht. Validiert wurde das ACM durch das Erstellen eines Expertenratings. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Entwicklung der Analysekompetenzen in der Studierendenstichprobe. Es wurden über den Erhebungszeitraum hinweg mehr Momente als inklusiver naturwissenschaftlicher Unterricht identifiziert und die identifizierten Momente in übergeordnete Konzepte zu inklusivem naturwissenschaftlichen Unterricht eingeordnet.
Angststörungen gehören im Kindes- und Jugendalter zu den häufigsten psychischen Störungen. Sie führen zu mittel- und langfristigen psychosozialen individuellen und gesellschaftlichen Beeinträchtigungen und Belastungen, sind entwicklungspsychopathologisch verbunden mit Defiziten in der Emotionsregulation, zeigen eine hohe Komorbidität mit anderen psychischen Störungen wie insbesondere mit depressiven Störungen und weisen zudem eine hohe Rezidiv- und Persistenzneigung sowie eine niedrige Remissionswahrscheinlichkeit auf. Auf dieser Grundlage kommt der Prävention von Angststörungen bei Kindern und Jugendlichen eine besondere Bedeutung zu. Aufgrund eines konstatierten Forschungsdefizits im Zusammenhang mit universeller Angstprävention im Kindes- und Jugendalter ist im Kontext dieser Dissertation das Trainingsprogramm "Super Skills for Life" von Essau & Ollendick evaluiert worden. Dabei ging es insbesondere um die Überprüfung eines Treatment-Effektes. Das "Super Skills for Life"-Programm ist ein CBT-geführtes Modell, das neben Exposition auch Methoden der Entspannungstherapie und des sozialen Kompetenztrainings impliziert. Als Resilienzaufbauprogramm zeichnet es sich besonders durch die Anwendung der Videofeedbackmethode aus. Im Kontext der schulbasierten Evaluation wurde eine zweifaktorielle Varianzanalyse mit Messwiederholung (Follow-Up-Messung nach sechs Monaten) unter Einbezug von Kovariaten (Bildung, Klassenstufe und Familienstand) und zusätzlich unter Berücksichtigung von Post hoc-Tests (Geschlecht) durchgeführt. Innerhalb der Stichprobe von Grundschulkindern nahmen an der Interventionsgruppe n=77 und an der Kontrollgruppe n=87 Probanden teil. Im Ergebnis konnten in der Zusammenfassung im Wesentlichen keine ausreichenden signifikanten Effekte des Programms hervorgebracht werden. Somit konnte kein Treatment-Effekt belegt werden. Abschließend für diese Dissertation wurden Limitationen dieser empirischen Untersuchung wie bspw. die fehlende Randomisierung, der geringe Stichprobenumfang und der einschränkende Regionalitätsbezug diskutiert.
In seinem ersten Kinofilm "Abschied von gestern" erzählt Alexander Kluge 1966 den Fall "Anita G.". Ausgehend von diesem Film stellt sich die Frage nach den Rechtsverhältnissen in Kluges Geschichten: vom Sachverhalt zum Fall, vom Gesetz zur Erzählung, von der Ermittlung, die dem Urteil schließlich widersteht. Interessant ist in diesem Zusammenhang auch die universitäre "Vorgeschichte" des Autors und Filmemachers. Mit dem Jura-Studium in Marburg und Frankfurt schreibt sich Kluge 1950 in die universitären Abläufe ein, denen er als Referendar institutionell folgt: im Amtsgericht Wiesbaden und im Oberlandesgericht Frankfurt, in der Jugendstrafanstalt, im Landgericht und der Kammer für Handelssachen. An diesen Stationen begegnet er Vorfällen und Prozessen, die seinen filmischen und literarischen Arbeiten voran gehen. Denn Kluges Figuren stehen vor dem Gesetz und folgen eher einer Poetik des Falls als seiner Auflösung.
This thesis aims to contribute to a better understanding of the actual implementation of transdisciplinary research in sustainability science. Following three aims, this work likes to (1) contribute to the measurability of transdisciplinary research processes as well as their societal and academic outputs and impacts, to (2) demarcate transdisciplinary research from other modes of research in sustainability science and to (3) identify and examine the determinants that shape the contribution of transdisciplinary research to societal action for sustainable development and to scientific knowledge production. To serve these aims a mixed methods approach is applied that combines strong quantitative elements with in-depth qualitative analyses that integrate the perspectives of practitioners. This thesis provides a broad set of indicators to describe and assess transdisciplinary research that translate theoretical concepts form transdisciplinarity theory into observable variables. The indicators offer a holistic perspective on transdisciplinary research by representing research mode characteristics, societal as well as scientific outcomes of research projects and their specific context. To theoretically demarcate transdisciplinary research from other forms of research, a narrative literature review first elaborates the differences between "normal science", political use of scientific knowledge and transdisciplinarity in their underlying logics of problem definition, knowledge production and research utilization. Subsequently, these concepts were compared with perspectives and expectations of practitioners in the forest sector on integrative research settings. Moreover, a cluster analysis of data from 59 research projects identified five research modes that empirically demarcate ideal-typical transdisciplinary research from other research modes within sustainability science: (1) purely academic research, (2) practice consultation, (3) selective practitioner involvement, (4) ideal-typical transdisciplinary research and (5) practice-oriented research. Based on this finding, transdisciplinary research can be characterized as an intensive, but balanced involvement of practitioners. It incorporates not only the needs and goals of the practitioners but also their norms and values. Ideal-typical transdisciplinary research goes beyond mere consultatory research approaches and must be distinguished from what is conceptualized as applied research. Regression analysis of 81 research projects and statistical group comparisons of the five research mode clusters show that societal and academic outputs and impacts vary with specific project characteristics and combinations of project characteristics defined as research modes. The findings indicate that more interactive research modes reach more societal impacts. In particular, the involvement of practitioners in early project phases and the targeted dissemination of the research results positively affect societal impacts. This finding also aligns with practitioner expectations on integrative research and research utilization, provided by qualitative analysis. Moreover, the quantitative results show that scientific outputs and impacts decrease with the intensity of interactions, indicating a trade-off between societal and scientific outcomes and impacts. Overall, the empirical results of this thesis support the claimed effectiveness of transdisciplinary research in providing societally relevant, applicable knowledge and encourage further funding of transdisciplinary research by funding agencies.
Mathematisches Problemlösen ist eine in den Bildungsstandards verankerte Kompetenz, die es bei Schülern explizit zu fördern gilt. Für eine erfolgreiche Bearbeitung von Problemlöseaufgaben ist laut Begriffsverständnis der Bildungsstandards des Faches Mathematik die Auswahl und zielführende Anwendung von Heurismen erforderlich, was für Schüler durchaus herausfordernd sein kann. Bereits seit Jahrzehnten beschäftigt sich daher die Forschung der deutschsprachigen Mathematikdidaktik mit der Schaffung geeigneter Lernmaterialien zur Förderung von Problemlösekompetenz und dennoch sind bislang nicht alle Unklarheiten ausreichend beantwortet. So ist beispielsweise nach wie vor weitestgehend unklar, wie eine Förderung der Kompetenz etwa durch geeignete Lernmaterialien unterstützt werden kann. Daraus ergibt sich nicht zuletzt der unmittelbare Forschungsansatz, wie geeignete Lernmaterialien geschaffen bzw. ausgestaltet sein sollten, um die Entwicklung von Problemlösekompetenz von Schülern zu fördern. Im Fokus stand dabei die Beantwortung folgender übergeordneter Forschungsfrage, welche sich in der Dissertationsschrift in weitere Teilfragen untergliedert: "Welche Veränderung des Bearbeitungserfolgs bei Problemlöseaufgaben zur Flächeninhaltsberechnung zeigen Schüler – hinsichtlich der Auswahl und Anwendung von Heurismen – durch die Bearbeitung eines papier- bzw. eines videobasierten Lösungsbeispiels?" Die Beantwortung der Forschungsfrage fand im Rahmen einer durchgeführten Studie in Form einer quasiexperimentellen Laborstudie mit insgesamt 38 Schülern statt. Untersucht wurde dabei, inwiefern medial unterschiedlich aufbereitete Lösungsbeispiele eine geeignete Lernunterstützung zur Entwicklung von Problemlösekompetenz darstellen. Dafür wurde in einer Treatmentgruppe eine Problemlöseaufgabe zur Flächeninhaltsberechnung mit Hilfe eines papierbasierten Lösungsbeispiels bearbeitet, während in einer zweiten Treatmentgruppe ein inhaltlich identisches Lösungsbeispiel videobasiert in Form eines Erklärvideos zur Verfügung stand.
Der hohe Verbrauch von Antibiotika führt zu stetig steigenden Konzentrationen der Wirkstoffe und ihrer Transformationsprodukte in der Umwelt. Antibiotika in der Umwelt haben das Potential Funktionen von Ökosystemen zu stören und tragen zur Entwicklung und Selektion von resistenten Bakterien bei. Um diese negativen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt zu reduzieren, sind vielseitige Lösungen notwendig. Benign by Design (BbD) ist ein wichtiger Baustein dafür. Daher ist es wichtig zu verstehen, inwiefern das BbD Prinzip auf verschiedene Substanzgruppen anwendbar ist und welche Limitierungen zu berücksichtigen sind. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag zur Entwicklung von in der Umwelt mineralisierbaren Antibiotika entsprechend des Benign by Design Konzeptes geliefert werden. Dies wurde am Beispiel der Fluorchinolonantibiotika durchgeführt, da diese sehr wichtige, aber auch sehr persistente Wirkstoffe sind. Ziel war es, zu verstehen, welche Veränderungen an der Grundstruktur vorgenommen werden können, um Derivate zu erzeugen, die während der Wirkdauer und Lagerung ausreichend stabil bleiben, aber anschließend in der Umwelt möglichst schnell und vollständig mineralisiert werden können. Im ersten Teil der Arbeit wurden die BbD Ansätze des targeted und non-targeted Re-Designs und de novo Designs, sowie die Verwendung von in silico Tools zu deren Umsetzung, untersucht. Basierend darauf wurde ein Workflow entwickelt, der eine mögliche Verwendung von computergestützten Methoden innerhalb des BbD Frameworks aufzeigt. Der Ansatz des non-targeted Re-Designs wurde für neun verschiedene Substanzen aus der Klasse der Fluorchinolone angewandt. Dafür wurden Transformationsprodukte der Muttersubstanzen mittels Photolyse und Photokatalyse erzeugt. Das resultierende Substanzgemisch wurde hinsichtlich der biologischen Abbaubarkeit und Toxizität untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Bestrahlung mit UV-Licht eine Vielzahl an neuen Strukturen entstehen und das Gemisch oft eine gesteigerte biologische Abbaubarkeit im Vergleich zur Muttersubstanz aufweist. Das targeted Re-Design wurde am Beispiel von Fluorchinolon-Glucosamin-Derivaten untersucht. Dabei galt es zu verstehen, inwiefern Glucosamin-Substituenten die biologische Abbaubarkeit beeinflusst. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Verwendung von acetylierten Glucosamin-Substituenten ein partieller Abbau stattfindet. Diese Erkenntnisse können zukünftig in das gezielte, fragment-basierte Design von grüneren Strukturen einfließen. Im letzten Teil der Arbeit wurden die Struktur-Bioabbau-Beziehungen von N-hetero-zyklischen Verbindungen, welche auch die Basis des Fluorchinolon-Grundgerüstes sind, untersucht und leicht biologisch abbaubare Leitstrukturen identifiziert. Dafür wurden 84 verschiedene N-Heterozyklen nach OECD 301 Richtlinien getestet. Basierend darauf wurde zum einen ein lokales 3D-QSAR Modell, insbesondere zur Visualisierung der Effekte der Substituenten im dreidimensionalen Raum, erstellt, als auch Regeln für das Design von umweltfreundlicheren Chinolonen und verwandten Strukturen abgeleitet. Weiterhin wurden abbaubare Strukturen aus der Gruppe der Chinazoline identifiziert, welche vielversprechende Leitstrukturen für das Design von Topoisomerase-Inhibitoren oder anderer Chemikalien darstellen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Umsetzung von BbD im Wirkstoffdesign möglich ist und wie potentielle Vorgehensweisen aussehen können. Dabei konnte gezeigt werden, dass selbst die als besonders persistent geltenden Fluorchinolonantibiotika das Potential bieten, zu besser abbaubaren Derivaten re-designt zu werden. Es wurde jedoch auch deutlich, dass es keine allgemeingültige Herangehensweise gibt und Methoden den entsprechenden Substanzklassen und Anforderungen angepasst werden müssen.
Tropical ecosystems are critical for biodiversity conservation and local people’s livelihood sustenance. However, these ecosystems are under high pressure from land-use and land cover (LULC) change, which is further projected to intensify and increase rapidly, thereby affecting biodiversity and the provisioning of vital ecosystem services (ES). It is thus important to understand how LULC might change in the future and how such changes could affect biodiversity and ES provisioning in a given landscape of tropical ecosystems. Scenario planning has become an increasingly popular tool and technique to produce narrative scenarios of the future landscape change. Thus, quantifying changes under different land-use scenarios could be a means to elucidate the synergies and trade-offs within the scenarios. In this dissertation, the author examines the future of biodiversity and ES provisioning for different plausible land-use scenarios in southwestern Ethiopia. First, he translates four future plausible narrative social-ecological land-use scenarios ("Gain over grain", "Coffee and conservation", "Mining green gold" and "Food first") developed for southwestern Ethiopia by participatory scenario planning into spatially explicit LULC scenario maps. Results showed distinct LULC changes under each scenario. Second, the author investigates the impact of these land-use scenarios on biodiversity by specifically modelling woody plant species richness in farmland and forest. Both indicators of human disturbance and environmental conditions were used. Third, he also investigates the effect of these land-use scenarios on woody plant-based ES provisioning by combining woody plant species with household surveys on how woody plants were used by the local community. He models and predicts the current and future availability of woody plant-based ES under the four scenarios of landscape change. Overall, the findings of this dissertation show the importance of integrating future land-use mapping with participatory, narrative-based scenarios to assess the social-ecological outcomes of alternative futures. The spatially explicit maps of LULC change, biodiversity and ES (at different scales) could be used as a valuable input to support stakeholders and decision-makers to weigh the advantages and disadvantages of different development trajectories on ecosystems and human well-being and to avoid or minimize future undesirable consequences. To this end, apart from the benefits of coffee production under "Mining green gold" and crop production under "Food first" scenarios, the findings under these scenarios of large-scale agricultural intensification point to a potentially high loss of biodiversity and ES. These two scenarios could have a negative long-term impact on ecosystems and human well-being. Finally, the "Coffee and conservation" scenario, which involves the creation of a new biosphere reserve, appears to be the most sustainable scenario. This scenario could result in a sustainably managed, diversified landscape which could make major contributions to biodiversity conservation and human well-being in the region and beyond.
Protected areas are an essential tool for conserving biodiversity. However, their ecological effectiveness is contested and their capacity to resist human pressures differ. This dissertation aimed to assess the ecological effectiveness of different protection levels (from strict to less strictly protected: national park, game reserve, forest reserve, game-controlled area, and unprotected areas) in biodiversity (both mega diverse butterflies and mammals), maintaining habitat connectivity, and reducing anthropogenic threats at the wider landscape in the Katavi-Rukwa Ecosystem of southwestern Tanzania. To achieve this overarching goal, the researcher employed an interdisciplinary approach. First, he analyzed butterfly diversity and community composition patterns across protection levels in the Katavi-Rukwa Ecosystem. He found that species richness and abundance were highest in the game reserves and game-controlled areas, intermediate in the forest reserves, national park and unprotected areas. Species composition differed significantly among protection levels. Landscape heterogeneity, forest cover, and primary productivity influenced species composition. Land-use, burned areas, forest cover, and primary productivity explained the richness of species and functional traits. Game reserves hosted most indicator species. Second, the author modelled the spatial distribution of six large mammal target species (buffalo Syncerus caffer, elephant Loxodonta africana, giraffe Giraffa camelopardalis, hartebeest Alcelaphus buselaphus, topi Damaliscus korrigum, and zebra Equus burchellii) across environmental and protection gradients in the Katavi-Rukwa Ecosystem. Based on species-specific density surface models, he found relatively consistent effects of protection level and land-use variables on the spatial distribution of the target mammal species: relative densities were highest in the national park and game reserves, intermediate in forest reserves and game-controlled areas and lowest in un-protected areas. Beyond species-specific environmental predictors for relative densities, the results highlight consistent negative associations between relative densities of the target species and distance to cropland and avoidance of areas in proximity to houses. Third, the author examined temporal changes in land-use, population densities and distribution of six large mammal target species across protection levels between 1991 and 2018. During the surveyed period, cropland increased. Wildlife densities of most, but not all target species declined across the entire landscape. Based on logistic regression models, target species preferred the national park over less strictly protection levels and areas distant to cropland. Fourth, he quantified land-use changes, modelled habitat suitability and connectivity of elephant over time across a large protected area network in southwestern Tanzania. Based on analyses of remotely-sensed data, cropland increased from 7% in 2000 to 13% in 2019. Based on ensemble models, distance from cropland influenced survey-specific habitat suitability for elephant the most. Despite cropland expansion, the locations of the modelled elephant corridors (n=10) remained similar throughout the survey period. Based on circuit theory, the author prioritizes three corridors for protected area connectivity. Key indicators of corridor quality varied over time, whereas elephant movement through some corridors appears to have increased over time. Overall, this dissertation underpins differences in ecological effectiveness of protected areas within one ecosystem. It highlights the need to utilize a landscape conservation approach to guide effective conservation across the entire protection gradient. It also suggests the need to enforcing land use plans and having alternative and sustainable forms for generating income from the land without impairing wildlife habitat.
Companies are invited to contribute to the United Nations' 17 Sustainable Development Goals (SDGs) and sustainability management accounting (SMA) has an important role to play in achieving them. However, if companies are to address the SDGs and linkages beyond organizational boundaries, SMA needs a broader scope than is conventionally assumed. Therefore, the author advances a multi-level framework that addresses context, action-formation, and transformative contributions (CAT) in the following directions: first, an innovative systematic method that allows screening company-related SDGs and assessing corporate contributions to selected SDGs is introduced; second, management control systems are integrated to support managers in guiding employee behavior to make contributions to the SDGs; and, third, self-reinforcing mechanisms of the path-dependence theory are incorporated to serve as a guide to identifying barriers to individuals and groups becoming involved in SMA. This advanced CAT framework contributes to corporate practice and research by providing a multilevel framework that offers concrete management guidance for SMA to address the SDGs. It also facilitates analysis of both enabling and inhibiting factors at the organizational level. The advanced CAT framework has several implications for SMA: it promotes backcasting from the SDGs for benchmarking purposes, integrates different social, environmental, and economic issues, facilitates future-oriented action and transformation planning, addresses different layers such as the company as well as individuals and groups within it and enables to identify barriers hindering individuals and groups from becoming involved in SMA.