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5.5: Level 3: Berücksichtigung evolutionärer Besonderheiten - Biologie

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Bei der Gegenüberstellung von Mustern der Artenvielfalt und der Unterscheidbarkeit von Gemeinschaften behandeln wir normalerweise jede Art als gleich wichtig, aber sind sie das? Was ist, wenn sich ein artenarmes Gebiet evolutionär durchaus von anderen unterscheidet? Was ist, wenn Ihr artenreichster Standort aus einem Schwarm von Arten besteht, die sich erst vor kurzem voneinander getrennt haben und den an einem anderen Standort vorhandenen Arten ziemlich ähnlich sind? Diese Fragen beziehen sich auf Fragen der biologischen Vielfalt auf höheren taxonomischen Ebenen. Nur durch einen Blick auf die zugrunde liegenden evolutionären Beziehungen zwischen den Arten können wir diese zusätzliche Perspektive gewinnen. Wir haben in bereitgestellt Abbildung (PageIndex{1}) eine Phylogenie der Spinnenfamilien, die in Ihren Sammlungen vorkommen (eine echte Phylogenie für diese Familien basiert größtenteils auf Coddington und Levi 1991). Kurz gesagt, die näher verwandten Familien (und Arten darin) befinden sich auf den proximaleren Zweigen innerhalb der Phylogenie. Werden Sie auf der Grundlage der evolutionären Beziehungen zwischen diesen Familien eine der Schlussfolgerungen ändern, die Sie zur Priorisierung von Waldgebieten zum Schutz allein aufgrund der Muster der Artenvielfalt gezogen haben? Wenn ja warum?

Abbildung (PageIndex{1})


Menschliche männliche sexuelle Reaktion auf olfaktorische Reize

Die Volksweisheit besagt, dass verschiedene Aromen sexuell verlockend sind, aber es gibt keine Daten, die die tatsächlichen Auswirkungen bestimmter Gerüche auf die Erregung belegen. Die
Die vorliegende Studie berichtet über die Auswirkungen von 30 verschiedenen Düften auf die sexuelle Erregung (Human Male Sexual Response) von 31 männlichen Freiwilligen, indem sie ihre Penisdurchblutung, gemessenen b-brachialen Penis-Index, beim Tragen von duftenden Masken und beim Tragen nicht geruchsfreier, leerer Masken vergleicht. Für diese Studie wurden Gerüche ausgewählt, die in früheren Umfragen allgemein als angenehm empfunden wurden. Beide führten zu einer gewissen Zunahme der Durchblutung des Penis, der kombinierte Geruch von Lavendel und Kürbiskuchen erzeugte die größte Zunahme (40%). Eine Vielzahl von Mechanismen kann diese Effekte vermitteln. Eine mögliche Anwendung von Geruchsstoffen zur Erhöhung der Penisdurchblutung bei Patienten mit vaskulogener Impotenz verdient eine Studie. Gerüche, die die Durchblutung des Penis verringern können, müssen noch für eine mögliche Verwendung bei der Behandlung von sexuellen Devianten gefunden werden.

Schlüsselwörter: Gerüche, sexuelle Reaktion

Einführung

Historisch gesehen wurden bestimmte Gerüche als Aphrodisiaka angesehen, ein Gegenstand vieler Folklore und Pseudowissenschaften. In den vulkanischen Überresten von Pompeji wurden Parfümkrüge in den für sexuelle Beziehungen bestimmten Kammern aufbewahrt. Alte Ägypter badeten mit ätherischen Ölen in Vorbereitung auf Aufträge Sumarier verführten ihre Frauen mit Parfums. Eine Beziehung zwischen Geruch und sexueller Anziehung wird in traditionellen chinesischen Ritualen betont, und praktisch alle Kulturen haben Parfüm in ihren Hochzeitsriten verwendet. In der Mythologie symbolisierten Rosenblätter Düfte, und die Arbeit “deflowering” beschreibt den ersten Akt des Geschlechtsverkehrs. Farcistische Aktienfiguren in der beliebten italienischen Commedia dell’Arte der Renaissance trugen Langnasenmasken, um ihre phallische Begabung zu symbolisieren, eine Tradition, die in der Figur des Punch fortbesteht. Die dramatische Literatur ist reich an schlauen Hinweisen auf die nasale Größe als Symbol der phallischen Größe, wie in dem berühmten Theaterstück Cyrano De Bergerac.

Die Psychoanalyse hat viel aus diesen Assoziationen gemacht. Fliess beschrieb in seinem Konzept der phallischen Nase formal eine zugrunde liegende Verbindung zwischen der Nase und dem Phallus. (1) Die Jungsche Psychologie verbindet auch Gerüche und Sex.

In der modernen Welt hat die allgegenwärtige Förderung und Verwendung von Parfums, Eau de Cologne und Aftershaves als romantische Verlockungen ein milliardenschweres Geschäft hervorgebracht.(2) Und auch die populären Künste haben das Thema der Verbindung von Geruch und Sex aufgegriffen. Der Film Scent of a Woman zeigt die Bedeutung von Geruch und sexueller Anziehung in unserer Gesellschaft, ebenso wie der jüngste Roman Parfümerie.

Der prominente Zusammenhang zwischen Gerüchen und Geschlecht in verschiedenen historischen Epochen und Kulturen impliziert eine hohe evolutionäre Bedeutung. Freud (3) schlug vor, dass Gerüche so starke Auslöser sexueller Gefühle sind, dass die Unterdrückung von Geruchsempfindungen für die Zivilisation notwendig ist.

Die Anatomie belegt den Zusammenhang zwischen Gerüchen und Sex: Der Bereich des Gehirns, durch den wir Gerüche wahrnehmen, der Riechlappen, ist Teil des limbischen Systems, des emotionalen Gehirns (4), dem Bereich, durch den sexuelle Gedanken und Wünsche abgeleitet werden. (5) Brill (6) schlägt vor, dass Menschen sich küssen, um ihre Nasen zusammenzuhalten, damit sie sich riechen können (der Eskimokuss). Oder vielleicht küssen sie sich, um ihre Münder zusammenzubekommen, damit sie sich gegenseitig schmecken können, da das meiste, was wir Geschmack nennen, vom Geruchssinn abhängt.(7)

Wenn wir über Gerüche und Geschlecht sprechen, müssen wir mit den Vögeln und den Bienen beginnen. Klassisch ist bekannt, dass Bienen, Motten und andere Insekten Pheromone freisetzen, aerosolisierte Geruchsstoffe, die das andere Geschlecht anziehen.(8) Eine weibliche Motte kann ein Pheromon in die Luft freisetzen, das ein Männchen bis zu einer Entfernung von einer Meile anzieht und ihre Veränderungen verstärkt der Fortpflanzung. In ähnlicher Weise existieren Pheromone im gesamten Tierreich in Insekten, untermenschlichen Primaten und Primatengattungen (9) zum evolutionären Nutzen der Art. Ob menschliche Pheromone existieren, ist unklar, aber theoretische Gründe sprechen für ihre Anwesenheit, da Strukturen, die im gesamten Tierreich vorkommen, wahrscheinlich auch beim Menschen vorhanden zu sein scheinen. Im Inneren des menschlichen Gehirns, nahe der Nasenspitze, befindet sich ein anatomisches Merkmal, das uns Grund zu der Annahme gibt, dass menschliche Pheromone existieren: das vomeronasale Organ. (10) Seine Funktion ist unbekannt, aber bei subhumanen Primaten ist dies der Bereich, in dem Pheromone wirken, um die Fortpflanzungschancen zu erhöhen. Hier binden menschliche Vomeropherine. (11) (12)

Wenn wir Sport treiben, schwitzen wir durch endokrine Drüsen. (13) Aber wenn wir verlegen oder sexuell erregt sind, schwitzen wir durch apokrine Drüsen, die hochdichte Steroide (14) unter den Armen und um die Genitalien freisetzen, ihre Rolle ist unbekannt. Bei subhumanen Primaten setzen dieselben apokrinen Drüsen Pheromone frei. (14) Wenn diese Drüsen beim Menschen ähnlich funktionieren, könnte dies erklären, warum, wenn eine Frau ihre Arme zum Kopf hebt und ihre Achselhöhlen freilegt, ihre Geste als sexuell provokativ angesehen wird “diese charmante Grotte steckt voller faszinierender Überraschungen” (13 .) )

Der physiologische Beweis für die Bedeutung von Gerüchen bei der sexuellen Erregung ist zweifach: Erstens induziert die Anschwellung der Nase während der sexuellen Erregung die Entwicklung von Wirbelströmen (wie kleine Tornados). Da dann weniger Luft direkt in die Lunge gelangt (15), können mehr Pheromone oder Sexuallockstoffe das Riechepithel (16) erreichen und der Geruch wird intensiver. Das Atmen aus dem Mund während der sexuellen Erregung ist ein Beweis für eine Nasenverstopfung und maximiert den Kontakt mit Stimulanzien und Pheromonen. Zweitens ist die olfaktorische Fähigkeit von Frauen, die im Allgemeinen besser ist als die von Männern (16-19), während des Eisprungs am Höhepunkt, möglicherweise um vorhandene Pheromone zu erkennen. Erhöhte olfaktorische Fähigkeiten zu diesem Zeitpunkt können erklären, warum periovulatorische Frauen dazu neigen, mehr sexuelle Erfahrungen zu machen. Möglicherweise führt eine erhöhte olfaktorische Stimulation zu einer Zunahme der sexuellen Aktivität. (20)

Klinische Beobachtungen unterstützen die Existenz von Pheromonen beim Menschen, was sich durch den College-Mitbewohner-Effekt manifestiert (21-22). Frauen, die in reine Frauenschlafsäle einziehen, haben bis zur Halbzeit ihre Eisprungzyklen mit den anderen Frauen in der Halle synchronisiert. Dies deutet darauf hin, dass ein von einer Frau freigesetztes Pheromon die anderen in ein Dominanzmuster mitreißen kann. Das gleiche Phänomen gibt es in kleinen Büros, in denen Frauen zusammenarbeiten.

Als weiteren Beweis für die Existenz von Pheromonen wurden männliche College-Studenten gebeten, Bilder von Frauen zu bewerten, die entweder geruchlose Masken oder ein postuliertes weibliches Pheromon (Andosteron) trugen. Die Männer mit postuliertem weiblichem Pheromon in ihren Masken beschrieben die Frauen als freundlicher und hübscher als diejenigen, die geruchsneutrale Masken trugen (23).

Während einer Studie in England wurde ein mögliches männliches Pheromon unter bestimmten Tischen in einem Klassenzimmer platziert, dann wurden ständig Bilder aufgenommen, um zu überwachen, wo die Schüler saßen. Studentinnen saßen eher in der Nähe der Schreibtische, an denen das postulierte männliche Pheromon platziert wurde (24). Auf die Frage, warum sie dort saßen, sagten die Mädchen “es schien einfach der richtige Ort zum Sitzen zu sein.”

Pheromone können nicht nur Sexuallockstoffe, sondern auch territoriale Marker sein, z. B. etabliert ein Hund eine Dominanz in seinem Garten, indem er dort uriniert (25). In einer Studie in einem Studentenwohnheim für Männer wurde ein postuliertes männliches Pheromon unter bestimmten Toilettenkabinen platziert, die dann überwacht wurden (24). Männer neigten dazu, die Stände zu vermeiden, in denen das postulierte männliche Pheromon platziert wurde, was darauf hindeutet, dass der Duft die Wirkung eines territorialen Markers hatte.

Diese Experimente beweisen natürlich nicht, dass menschliche Pheromone existieren. Dennoch vermarkten Parfümhersteller ihre Interpretationen von Pheromonen, die oft Moschus enthalten, ein Pheromon des männlichen Moschushirsches. Marilyn Miglan nannte ein Parfüm “Pheromone,”, sein Duft ist jedoch eine blumige Mischung (26).

Verschiedene Kulturen begünstigen verschiedene Gerüche. In den USA schneiden sich Frauen ihre Achselhaare, weil dieser Körpergeruch als unrein gilt. Aber in Osteuropa gilt der Geruch als sexuell provokativ und die Achselfollikel sind jungfräulich geblieben. Alex Comfort nennt es den Strauß der Frau (27).

Medizinische Beweise verbinden Geruch und sexuelle Reaktion. In einer Studie hatten über 17 Prozent der Patienten mit Geruchsdefiziten eine sexuelle Dysfunktion entwickelt (28).

Es besteht zweifellos eine Beziehung zwischen den olfaktorischen und sexuellen Funktionen, deren Mechanismus jedoch noch zu entdecken ist. Im vorliegenden Experiment untersuchen wir den Einfluss von olfaktorischen Umgebungsreizen auf die sexuelle Reaktion beim männlichen Menschen.

Methode

Teilnehmer

Englischsprachige Probanden wurden durch Werbung in klassischen Rockradiosendungen rekrutiert. Einunddreißig Männer im Alter von 18 bis 6 Jahren meldeten sich freiwillig.

Mittel

Alle Probanden wurden einem Geruchstest mit dem University of Pennsylvania Smell Identification Test (UPSIT) unterzogen, einem 40-Item-Forced-Choice-, Scratch- und Sniff-Geruchserkennungstest (29) und dem Chicago Smell Test, einem Drei-Geruchs-Erkennungs- und -Identifizierungstest (30-32 .). ). Sie wurden zu sexuellen Vorlieben, sexuellen Praktiken und Geruchshedonik befragt.

Während des Experiments wurde die sexuelle Erregung der Probanden unter Verwendung des brachialen Penisindex (33) mit dem Floscope Ultra Pneumoplethymosgraph nach dem Protokoll des Herstellers (34) bestimmt. Mit diesem Instrument wurden sowohl der Penis- als auch der Oberarmblutdruck gemessen und ihr Verhältnis berechnet, wodurch systemische Wirkungen kontrolliert wurden. Dies ermöglichte eine spezifische nichtinvasive Beurteilung des Penisblutflusses.

Verfahren

Für diese Studie wurden 24 verschiedene Duftstoffe aufgrund ihrer allgemein positiven Hedonik in früheren Umfragen ausgewählt. Darüber hinaus wurden 6 Kombinationen von 2 der beliebtesten davon ausgewählt. Die Auswirkungen der 30 Gerüche auf die Durchblutung des Penis wurden bewertet, indem der brachiale Penisindex einer Person beim Tragen einer odorierten Maske mit seinem durchschnittlichen Index beim Tragen einer nicht odorierten leeren Maske verglichen wurde. Dies wurde für jedes Subjekt für jeden Geruch durchgeführt.

Die Testpersonen wurden wie folgt bewertet: Nachdem sie an dem Plethysmographen befestigt worden waren, wurden drei Minuten zur Akklimatisierung zugelassen, dann wurde eine leere Kontrollmaske für eine Minute angelegt und der Brachial-Penil-Index wurde aufgezeichnet. Die Blindmaske wurde dann entfernt und eine odorierte Maske aufgetragen. Somit wurden 30 odorierte Masken zufällig doppelblind angelegt, mit einer dreiminütigen Pause zwischen den Masken, um eine Gewöhnung an die Gerüche zu verhindern. Jede Maske wurde eine Minute lang getragen und der brachiale Penisindex aufgezeichnet. Schließlich wurde eine zusätzliche leere Maske für eine Minute angelegt und der brachiale Penisindex erneut aufgezeichnet.

Statistische Analyse

Die statistische Signifikanz wird durch einen p-Wert <=0,05 definiert. Die Datenanalyse umfasst diese nichtparametrischen Tests: Vorzeichen-Rang-Test, Wilcoxan-Rang-Summen-Test und Spearman-Rang-Korrelationskoeffizient (35-36).

Ergebnisse

Ergebnisse

Alle Probanden lebten in Chicago oder Vororten. Die meisten (77 %) waren ledig und ihr Durchschnittsalter betrug 30 Jahre, der Median 29 Jahre mit einer Spanne von 18 bis 64 Jahren. Die meisten (87%) waren heterosexuell, hatten einen regelmäßigen Sexualpartner (74%), hatten in den 30 Tagen unmittelbar vor dem Experiment viermal Geschlechtsverkehr und betrachteten ihr Sexualleben als ziemlich zufriedenstellend (Tabelle 1).

Um ihre physiologische erektile Funktion zu beurteilen, wurden die Probanden gebeten, die Häufigkeit ihrer morgendlichen Erektionen auf einer Skala von 1 (abwesend) bis 5 (jeden Morgen) zu bewerten. Ihre mediane Reaktion war 3 (Tabelle 1). Die meisten (84%) gaben an, noch nie eine geruchsinduzierte Erektion erlebt zu haben (Tabelle 1).

Die olfaktorischen Eigenschaften der Probanden sind in Tabelle II aufgeführt. Die UPSIT-Scores wurden basierend auf veröffentlichten Normen für Alter und Geschlecht bewertet. Angesichts dieser Werte waren 52 % der Testpersonen normal und 48 % mikrosmisch, d. h. hyposmisch (mangelnde Geruchsempfindlichkeit) oder anosmisch (ohne Geruchssinn). Mehr als die Hälfte der Probanden (55 %) hatte geruchserzeugte Erinnerungen erlebt, ein Phänomen, bei dem ein Aroma Erinnerungen und damit verbundene Gefühle auslöst (37). Mehr als die Hälfte (61 %) waren Nichtraucher. Die meisten (71%) verwendeten Kölnisch Wasser und von denen, die einen regelmäßigen Sexpartner hatten, benutzten 83% der Partner Duftstoffe.

Auswirkungen von Gerüchen auf die Durchblutung des Penis

Jeder der 30 Gerüche führte zu einer Erhöhung des Penisblutflusses (Tabelle III). Der kombinierte Geruch von Lavendel und Kürbiskuchen hatte die größte Wirkung und erhöhte den medianen Penisblutfluss um 40%. An zweiter Stelle in der Wirksamkeit stand die Kombination aus schwarzem Süßholz und Donut, die den medianen Penis-Blutfluss um 31,5% erhöhte. Die kombinierten Gerüche von Kürbiskuchen und Donut waren an dritter Stelle, mit einer Zunahme von 20 %. Am wenigsten stimulierend war Cranberry, das die Durchblutung des Penis um 2% erhöhte. Keiner der Gerüche reduzierte den Blutfluss des Penis.

Männer mit einem unterdurchschnittlichen Geruchssinn unterschieden sich nicht signifikant von denen mit einem normalen Geruchssinn, noch unterschieden sich Raucher signifikant von Nichtrauchern. Bei Probanden mit normaler Riechfähigkeit sind jedoch mehrere Korrelationen signifikant: höhere brachiale Penisindizes korrelieren mit höherem Alter und mit stärkeren Reaktionen auf den Vanillegeruch (p=0,05) selbsteingeschätztes Niveau der sexuellen Befriedigung korreliert mit stärkeren Reaktionen auf den Geruch von Erdbeeren (p=0,05) und Häufigkeit des Geschlechtsverkehrs korreliert mit einer stärkeren Reaktion auf die Gerüche von Lavendel (p=0,03), orientalischem Gewürz (p=0,02) und Cola (p=0,03).

Diskussion

Wir stellten die Hypothese auf, dass hedonisch positive Gerüche, da sie andere Auswirkungen auf das Verhalten haben (38-40), die Durchblutung des Penis erhöhen würden. Unsere Daten unterstützen diese Hypothese.

Es gibt eine Vielzahl von Mechanismen, durch die dies geschehen kann. Die Gerüche könnten eine konditionierte Pawlowsche Reaktion auslösen, die die Probanden an ihre Sexualpartner oder ihr Lieblingsessen erinnert (41). Bei Personen, die in den Vereinigten Staaten aufgewachsen sind, können Gerüche von Backwaren am ehesten einen Zustand hervorrufen, der als olfaktorisch evozierter Rückruf bezeichnet wird (37). Möglicherweise riefen Gerüche in der aktuellen Studie eine nostalgische Erinnerung mit einem damit verbundenen positiven Stimmungszustand hervor, der die Durchblutung des Penis beeinflusste (38-40). Oder die Gerüche können einfach entspannend sein. In anderen Studien war Lavendel, der die Alpha-Wellen nach hinten erhöhte, ein Effekt, der mit einem entspannten Zustand verbunden ist (42-43). In einem Zustand reduzierter Angst können Hemmungen abgebaut und somit die Durchblutung des Penis erhöht werden.

Es hat sich gezeigt, dass der Geruch von Jasmin Betawellen frontal verstärkt, was mit Wachsamkeit einhergeht (42). Möglicherweise können Gerüche das retikuläre Aktivierungssystem erwecken, was die Probanden auf sexuelle Signale aufmerksam macht und so die Durchblutung des Penis erhöht.

Eine andere Möglichkeit, Gerüche können neurophysiologisch wirken. MacLean (5) zeigte, dass die Stimulation des Septumkerns beim Totenkopfäffchen eine Erektion induziert. Ein direkter Weg verbindet den Bulbus olfactorius mit dem Septumkern (44), daher scheint es anatomisch korrekt zu sein, dass Geruch auf den Septumkern einwirken könnte, um eine Erektion mit erhöhtem Penisblutfluss zu induzieren. Dies scheint in unserer Studie eine starke Möglichkeit zu sein, da die eine Person, die während des gesamten Experiments geschlafen hat, als Reaktion auf die kombinierten Gerüche von Lavendel und Kürbiskuchen den größten Anstieg des Penis-Blutflusses zeigte.

Wir vermuten einen direkten physiologischen Mechanismus, können jedoch einen möglichen Einfluss von Gerüchen auf die Träume der Versuchsperson, die das Experiment verschlafen hat, nicht ausschließen, vielleicht mit ihrem Trauminhalt, der die Durchblutung des Penis beeinflusst.

Möglicherweise können Gerüche durch Stimulation des Septumkerns die Aggression verstärken. Erhöhter Penisblutfluss kann eher ein Maß für einen „Nachbarschaftseffekt“ einer induzierten Aggression als für eine direkte sexuelle Erregung sein (45).

Auch ein generalisierter parasympathischer Effekt, der eher die Durchblutung des Penis erhöht als eine spezifische sexuelle Erregung, kann nicht ausgeschlossen werden (46). Wir haben dies so gut wie möglich kontrolliert, indem wir den brachialen Blutdruck zusammen mit dem Penisblutfluss gemessen haben.

Die spezifischen Gerüche, die in unserem Experiment die Durchblutung des Penis beeinflussten, waren hauptsächlich Lebensmittelgerüche. Direkter wurde Rediwhip (c) perigenital verwendet, was wiederum auf eine starke Beziehung zwischen Geschlecht, Nahrung und Geruch hindeutet. Unterstützt dies das Axiom, dass der Weg zum Herzen (und zur sexuellen Zuneigung) eines Mannes durch den Magen geht? Eine evolutionäre Hypothese erklärt, warum dies so sein könnte. Nach einer erfolgreichen Jagd versammelten sich Menschen in primitiven Stämmen um das Essen (47). Dort hatten sie vielleicht die meisten Möglichkeiten, sich fortzupflanzen. Eine Erhöhung des Penis-Blutflusses als Reaktion auf Nahrungsmittelgerüche wäre dann von Vorteil. Ein kürzlicher Befund über die Bonobos – dass sie, wenn sie eine reichliche Nahrungsquelle fanden, vor dem Essen aufhörten, Sex zu haben, vielleicht um Streit um Nahrung zu reduzieren – liefert eine weitere Erklärung für den Zusammenhang zwischen Nahrung und Sex (48).

Menschen können ungefähr 10.000 Gerüche wahrnehmen (8). Studien zeigen, dass viele von ihnen das Verhalten beeinflussen, d. h. bestimmte Blumengerüche können das Lern- (49) und das Kaufverhalten (50) verbessern. Der Geruch von grünem Apfel kann klaustrophobische Gefühle lindern (51), Grillrauch kann eine Fluchtreaktion auslösen (51) und das Einatmen bestimmter Lebensmittelgerüche können zur Gewichtsabnahme beitragen (52). Andere Gerüche als die in dieser Studie untersuchten könnten möglicherweise einen größeren Einfluss auf die Durchblutung des Penis haben.

Die Geruchsempfindung kann wie erwähnt den sexuellen Reflexbogen beeinflussen, menschliche Pheromone, die über direkte olfaktorisch-limbische Verbindungen sexuelle Reaktionen auslösen, sind spekulativ (53-55). Peniserektion, das Maß der männlichen sexuellen Erregung (56) ist eine Manifestation des Abflusses aus den Septumkernen innerhalb des limbischen Systems und Endorgan für die Riechfasern (57). Als Funktion des autonomen Nervensystems (58) wird die Penisschwellung durch den arteriellen Fluss durch die Pudendusarterie und die kleineren Arterien zum Penis kontrolliert. Das erste körperliche Anzeichen einer sexuellen Erregung ist eine Veränderung des Penisblutflusses.Der Blutfluss zum Penis nimmt bei sexueller Erregung zu und bei sexueller Hemmung ab (59).

Wir können die Gerüche in unserem Experiment sicherlich nicht als menschliche Pheromone betrachten, daher glauben wir, dass sie auf anderen Wegen wirkten als Pheromone, von denen angenommen wird, dass sie eine endokrinologische Wirkung auf das Gehirn haben. Ein postuliertes Pheromon, Androstenol, ein hochdichtes Steroid, soll sehr langsam auf das endokrine System wirken (60). Gerüche, die den Blutfluss des Penis beeinflussen, wirken im Gegensatz zu den postulierten Pheromonen sofort auf das Gehirn oder haben eine sofortige psychologische Wirkung.

Diese vorläufigen Daten deuten auf mögliche Verwendungen von Gerüchen als Behandlungsmodalität hin. Impotenz ist in 10-15% der Fälle organischer Natur, wobei die häufigste Ursache vakulogen ist, normalerweise aufgrund von Diabetes (57-61). Aktuelle Untersuchungen sollten klären, ob eine nichtinvasive Behandlung mit Gerüchen die Durchblutung des Penis bei Diabetes verbessern kann.

Obwohl wir keinen Geruch fanden, der die Durchblutung des Penis reduziert, stellten wir die Hypothese auf, dass ein solcher Geruch gefunden werden könnte, möglicherweise ein Trigeminus-Stimulans mit einem sehr negativ hedonischen Geruch. Ein solcher Geruch könnte verwendet werden, um die Durchblutung des Penis bei Sexualstraftätern, wie Pädophilen, als Teil ihres Dekonditionierungs- oder Abneigungstrainings zu verringern.

Während wir nur männliche Probanden untersuchten, könnten zweifellos analoge Gerüche bei Frauen auftreten. Parallel dazu werden Studien zum vaginalen Blutfluss durchgeführt.


Systeme zur staatlichen Wissenschaftsbewertung (2006)

ichIn diesem Bericht hat der Ausschuss betont, wie wichtig es ist, das Bewertungssystem als Ganzes zu betrachten. Wie in Kapitel 2 erörtert wurde, hängt der Erfolg eines Systems jedoch stark von der Art und Qualität der Elemente ab, aus denen es besteht, in diesem Fall der Elemente, Strategien, Aufgaben, Situationen oder Beobachtungen, die verwendet werden, um Beweise für das Lernen der Schüler und die Methoden, die verwendet werden, um die Bedeutung der Leistung der Schüler in Bezug auf diese Maße zu interpretieren.

In Übereinstimmung mit der Schlussfolgerung des Ausschusses, dass der naturwissenschaftliche Unterricht und die Bewertung auf der Grundlage der Entwicklung des naturwissenschaftlichen Verständnisses von Schülern im Laufe der Zeit mit kompetentem Unterricht basieren sollten, haben wir einen entwicklungsorientierten Ansatz für die naturwissenschaftliche Bewertung gewählt. Dieser Ansatz geht davon aus, dass das naturwissenschaftliche Lernen nicht einfach ein Prozess des Erwerbs von mehr Wissen und Fähigkeiten ist, sondern eher ein Prozess des Fortschritts zu höheren Kompetenzniveaus, wenn neues Wissen mit vorhandenem Wissen verknüpft wird und neue Verständnisse auf früheren, naiven Vorstellungen aufbauen und diese ersetzen .

Dieses Kapitel beginnt mit einem kurzen Überblick über die wichtigsten Einflüsse auf das Denken des Ausschusses über die Bewertung. Es schließt mit einer Zusammenfassung der Arbeit von zwei Designteams, die die in diesem Bericht beschriebenen Strategien und Werkzeuge verwendet haben, um Bewertungsrahmen für zwei wissenschaftliche Ideen zu entwickeln: die Atom-Molekular-Theorie und die Konzepte, die der Evolutionsbiologie und der natürlichen Selektion zugrunde liegen.

Das Kapitel bietet weder eine umfassende Untersuchung des Testdesigns noch eine Anleitung zum Erstellen eines Tests. Eine Reihe hervorragender Bücher bietet diese Art von Informationen (siehe beispielsweise Downing und Haladyna, in press Irvine and Kyllonen, 2002) . Der Zweck dieses Kapitels besteht vielmehr darin, denjenigen zu helfen, die sich mit der Gestaltung wissenschaftlicher Bewertungen befassen, den Prozess so zu konzeptualisieren, dass

kann sich etwas von ihrem derzeitigen Denken unterscheiden. Der Ausschuss betont, dass Staaten bei der Neugestaltung ihrer Ansätze zur Bewertung des Entwurfs jederzeit an den Standards für pädagogische und psychologische Tests (American Educational Research Association, American Psychological Association und National Council on Measurement in Education, 1999).

ENTWICKLUNGSANSATZ ZUR BEWERTUNG

Ein entwicklungsorientierter Ansatz für die Bewertung ist der Prozess der Überwachung des Fortschritts der Schüler in einem Lernbereich im Laufe der Zeit, damit Entscheidungen über die besten Möglichkeiten getroffen werden können, ihr weiteres Lernen zu erleichtern. Es geht darum zu wissen, was die Schüler jetzt wissen und was sie wissen müssen, um Fortschritte zu machen. Dieser Bewertungsansatz verwendet einen Lernfortschritt (siehe Kapitel 3) oder ein anderes Kontinuum, um einen Referenzrahmen für die Überwachung des Fortschritts der Schüler im Zeitverlauf bereitzustellen. 1 Kasten 5-1 ist ein Beispiel für eine Science Progress Map, ein Kontinuum, das in groben Zügen einen möglichen Weg für die Entwicklung des naturwissenschaftlichen Verständnisses im Verlauf von 13 Jahren Ausbildung beschreibt. Es kann auch verwendet werden, um die Fortschritte der Schüler auf ähnliche Weise zu verfolgen und zu melden wie Ärzte oder Eltern, um Veränderungen in Größe und Gewicht im Laufe der Zeit zu verfolgen (siehe Kasten 5-2).

Kasten 5-3 veranschaulicht ein weiteres Konzept einer Fortschrittskarte für das naturwissenschaftliche Lernen. Das beiliegende Diagramm beschreibt die Erwartungen an die Leistungen der Schüler auf jeder Stufe entlang des Kontinuums in vier Bereichen wissenschaftlicher Themen: Erde und Jenseits (EB) Energie und Wandel (EC) Leben und Leben (LL) und Natürliche und verarbeitete Materialien (NPM) . Die Schöpfer dieses Lernfortschritts (und das Komitee) betonen, dass jede Konzeption eines Lernkontinuums immer hypothetisch ist und durch empirische Forschung und die Erfahrungen von Meisterlehrern, die den Fortschritt der tatsächlichen Schüler beobachten, kontinuierlich überprüft und verfeinert werden sollte.

Ein entwicklungspolitischer Ansatz impliziert die Nutzung mehrerer Informationsquellen, die in einer Vielzahl von Kontexten gesammelt wurden und dazu beitragen können, den Fortschritt der Schüler im Laufe der Zeit zu beleuchten. Diese Ansätze können eine Vielzahl von Formen annehmen, von groß angelegten extern entwickelten und durchgeführten Tests bis hin zu informellen Beobachtungen und Gesprächen im Klassenzimmer oder einer der vielen Strategien, die in diesem Bericht beschrieben werden. Einige der Maßnahmen könnten standardisiert sein und somit vergleichbare Informationen über die Leistungen der Schüler liefern, die für Rechenschaftszwecke verwendet werden könnten, andere könnten nur für einen Schüler und seinen Klassenlehrer nützlich sein. Ein Entwicklungsansatz bietet einen Rahmen, um darüber nachzudenken, was zu bewerten ist und wann bestimmte Konstrukte bewertet werden könnten und wie

Diese können auch als Fortschrittsvariablen, Fortschrittskarten, Entwicklungsfortschrittskarten oder Stränge bezeichnet werden.

KASTEN 5-1
Wissenschafts-Fortschrittskarte

Interpretiert experimentelle Daten mit mehreren Variablen. Verbindet Informationen, die in Text, Grafiken, Abbildungen und Diagrammen dargestellt werden. Macht Vorhersagen basierend auf Daten und Beobachtungen. Demonstriert ein wachsendes Verständnis fortgeschrittener wissenschaftlicher Erkenntnisse und Konzepte (z. B. kalorienchemischer Wandel).

Demonstriert ein Verständnis wissenschaftlicher Zwischenfakten und -prinzipien und wendet dies bei der Gestaltung von Experimenten und der Interpretation von Daten an. Interpretiert Zahlen und Diagramme, die verwendet werden, um wissenschaftliche Informationen zu vermitteln. Leitet Zusammenhänge ab und zieht Schlussfolgerungen durch die Anwendung von Fakten und Prinzipien, insbesondere aus den physikalischen Wissenschaften.

Hat ein Verständnis für experimentelle Verfahren, die in der Wissenschaft verwendet werden, wie z. B. das Entwerfen von Experimenten, das Steuern von Variablen und die Verwendung von Geräten. Identifiziert die besten Schlussfolgerungen aus Daten in einem Diagramm und die beste Erklärung für beobachtete Phänomene. Versteht einige Konzepte in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Inhaltsbereichen, einschließlich der Lebens-, Physik-, Erd- und Weltraumwissenschaften.

Zeigt ein wachsendes Wissen in den Biowissenschaften, insbesondere menschlichen biologischen Systemen, und wendet einige grundlegende Prinzipien aus den physikalischen Wissenschaften an, einschließlich der Kraft. Zeigt auch ein beginnendes Verständnis einiger der grundlegenden Methoden der wissenschaftlichen Argumentation an, einschließlich der Klassifizierung und Interpretation von Aussagen.

Kennt einige allgemeine wissenschaftliche Fakten, die aus alltäglichen Erfahrungen gelernt werden können. Zeigt zum Beispiel rudimentäre Kenntnisse über Umwelt und Tiere.

QUELLE: LaPointe, Mead und Phillips (1989). Nachdruck mit Genehmigung des Educational Testing Service.

Das Verständnis würde sich unterscheiden, da die Schüler mehr inhaltliches Wissen, höherwertige und komplexere Denkfähigkeiten sowie ein tieferes Verständnis der Konzepte und ihrer Anwendung in einer Vielzahl von Kontexten erwerben.

Zum Beispiel ist die kinetische Molekulartheorie eine große Idee, die normalerweise erst in der High School in staatlichen Standards oder Bewertungen auftaucht. Wichtige Konzepte, die für das Verständnis dieser Theorie unerlässlich sind, sollten jedoch früher entwickelt werden. Champagne et al. (National Assessment Governing Board, 2004) 2 liefern die

KASTEN 5-2
Details für eine Fortschrittskarte

Interpretiert experimentelle Daten mit mehreren Variablen. Verbindet Informationen, die in Text, Grafiken, Abbildungen und Diagrammen dargestellt werden. Macht Vorhersagen basierend auf Daten und Beobachtungen. Demonstriert ein wachsendes Verständnis fortgeschrittener wissenschaftlicher Erkenntnisse und Konzepte (z. B. kalorienchemischer Wandel).

Demonstriert ein Verständnis für wissenschaftliche Zwischenfakten und -prinzipien und wendet dies bei der Gestaltung von Experimenten und der Interpretation von Daten an. Interpretiert Zahlen und Diagramme, die verwendet werden, um wissenschaftliche Informationen zu vermitteln. Leitet Zusammenhänge ab und zieht Schlussfolgerungen durch die Anwendung von Fakten und Prinzipien, insbesondere aus den physikalischen Wissenschaften.

Hat ein Verständnis für experimentelle Verfahren, die in der Wissenschaft verwendet werden, wie z. B. das Entwerfen von Experimenten, das Steuern von Variablen und die Verwendung von Geräten. Identifiziert die besten Schlussfolgerungen aus Daten in einem Diagramm und die beste Erklärung für beobachtete Phänomene. Versteht einige Konzepte in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Inhaltsbereichen, einschließlich der Lebens-, Physik-, Erd- und Weltraumwissenschaften.

Zeigt ein wachsendes Wissen in den Biowissenschaften, insbesondere menschlichen biologischen Systemen, und wendet einige grundlegende Prinzipien aus den physikalischen Wissenschaften an, einschließlich der Kraft. Zeigt auch ein beginnendes Verständnis einiger der grundlegenden Methoden der wissenschaftlichen Argumentation an, einschließlich der Klassifizierung und Interpretation von Aussagen.

Kennt einige allgemeine wissenschaftliche Fakten, die aus alltäglichen Erfahrungen gelernt werden können. Zeigt zum Beispiel rudimentäre Kenntnisse über Umwelt und Tiere.

HINWEIS: Dies stellt einen Lernfortschritt für die naturwissenschaftliche Kompetenz über 13 Jahre Unterricht dar. Der Pfeil links zeigt zunehmende Expertise an. Das Zentrum der Progression bietet eine allgemeine Beschreibung der Arten von Verständnissen und Praktiken, die die Schüler auf jeder Stufe demonstrieren würden. Um für die Bewertungsentwicklung von Nutzen zu sein, müssen diese Beschreibungen genauer aufgeschlüsselt werden.

QUELLE: LaPointe et al. (1989). Nachdruck mit Genehmigung des Educational Testing Service.

folgende Veranschaulichung, wie frühes Verständnis anspruchsvollere Methoden zum Verständnis großer Ideen untermauert.

Kinder beobachten, wie Wasser aus einer Pfanne, die auf dem Herd erhitzt wird, "verschwindet" und Wassertropfen auf der Außenseite von Gläsern mit Eiswasser "verschwinden". Sie bemerken die Beziehungen zwischen warm und kalt und das Verhalten von Wasser. Sie entwickeln Modelle von Wasser, Wärme und Kälte, mit denen sie ihren Beobachtungen einen Sinn geben. Sie argumentieren, dass das Wasser auf der Außenseite des Glases aus dem Inneren des Glases kam. Ihre Argumentation wird jedoch durch die Beobachtung in Frage gestellt, dass sich Tröpfchen auf einem Glas Wasser mit Raumtemperatur bilden. Verschwindet das Wasser wirklich? Wenn ja, woher kommen die Wassertropfen, wenn ein Deckel auf den Topf gelegt wird, und warum verschwindet das Wasser weiterhin, wenn der Deckel aufgesetzt ist?

Diese Beobachtungen, Modelle von Materie, Wärme und Kälte, sind die Grundlage des ausgeklügelten Verständnisses der kinetisch-molekularen Theorie. Wasser besteht aus Molekülen, sie sind in Bewegung und einige haben genügend Energie, um von der Wasseroberfläche zu entweichen. Mit diesem Materiemodell lässt sich die Beobachtung erklären, dass Wasser aus offenen Behältern verdunstet. Das Verständnis der Temperatur als Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle bietet ein Modell zur Erklärung, warum die Geschwindigkeit, mit der Wasser verdampft, temperaturabhängig ist. Je höher die Temperatur des Wassers ist, desto höher ist die Verdunstungsrate.

Diese einfache Beschreibung veranschaulicht, dass an verschiedenen Punkten des Lernkontinuums die Verständnisse und Fähigkeiten, die durch Unterricht vermittelt und bewertet werden müssen, grundlegend unterschiedlich sind.

EINFLÜSSE AUF DAS DENKEN DES AUSSCHUSSES

Der Ausschuss stützte sich bei seinen Überlegungen zum Design entwicklungswissenschaftlicher Assessments auf eine Vielzahl von Quellen, darunter die Arbeit der in Kapitel 2 beschriebenen Designteams und der nachfolgend beschriebenen. Wir überprüften auch die Arbeit einer Vielzahl anderer, die an dieser Art von Bewertung interessiert waren (Wiggins und McTighe, 1998 CASEL, 2005 Wilson 2005 Wilson und Sloane 2000 Wilson und Draney 2004), die Arbeit des Australian Council for Educational Research (Masters und Forster , 1996) und die Arbeit, die die Erstellung der Strandkarten leitete, die in der Atlas der Wissenschaftskompetenz (AAAS, 2001). 3

Das Bewertungsdreieck

Messspezialisten beschreiben die Bewertung als einen Prozess der Argumentation aus Beweisen&mdashof unter Verwendung einer repräsentativen Leistung, um auf ein breiteres Spektrum von Fähigkeiten zu schließen oder

KASTEN 5-3
Ausgearbeitete Fortschrittskarte für Energie und Wandel

Fortschrittskarte für das naturwissenschaftliche Lernen

Ausgearbeiteter Rahmen

Wissenschaft > Erde und darüber hinaus, Energie und Wandel, Leben und Leben, natürliche und verarbeitete Materialien

Erde und darüber hinaus

Die Schüler verstehen, wie sich die physische Umgebung auf der Erde und ihre Position im Universum auf unsere Lebensweise auswirken.

Der Student: Berücksichtigt und reagiert auf lokale Umweltmerkmale.

Der Student: Versteht, dass leicht beobachtbare Umweltmerkmale, einschließlich Sonne und Mond, das Leben beeinflussen können.

Der Student: Versteht, wie einige Veränderungen in der beobachtbaren Umgebung, einschließlich des Himmels, das Leben beeinflussen.

Der Student: Versteht Veränderungen und Muster in verschiedenen Umgebungen und Räumen und setzt sie in Beziehung zur Ressourcennutzung.

Energie und Veränderung

Die Studierenden verstehen das wissenschaftliche Konzept der Energie und erklären, dass Energie für unsere Existenz und unsere Lebensqualität von entscheidender Bedeutung ist.

Der Student: Zeigt ein Bewusstsein dafür, dass Energie im täglichen Leben vorhanden ist.

Der Student: Versteht, dass Energie für verschiedene Zwecke im Leben benötigt wird.

Der Student: Versteht, wie Energie übertragen wird und dass Menschen verschiedene Arten von Energie für verschiedene Zwecke verwenden.

Der Student: Versteht Muster des Energieverbrauchs und einige Arten von Energie für z.

Leben und Leben

Die Studierenden verstehen ihre eigene Biologie und die anderer Lebewesen und erkennen die gegenseitige Abhängigkeit des Lebens.

Der Student: Erkennt ihre persönlichen Eigenschaften und teilt Grundbedürfnisse mit.

Der Student: Versteht, dass Menschen Lebewesen sind, Eigenschaften und Funktionen im Laufe der Zeit haben.

Der Student: Versteht, dass Bedürfnisse, Merkmale und Veränderungen von Lebewesen zusammenhängen und sich im Laufe der Zeit ändern.

Der Student: Versteht, dass Lebewesen Eigenschaften haben, die Systeme bilden, die ihre Interaktion mit der Umwelt bestimmen.

Natürliche und verarbeitete Materialien

Die Studierenden verstehen, dass die Struktur von Materialien ihre Eigenschaften bestimmt und dass durch die Verarbeitung von Rohstoffen neue Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften und Verwendungszwecken entstehen.

Der Student: Erforscht und reagiert auf Materialien und deren Eigenschaften.

Der Student: Versteht, dass im Leben verschiedene Materialien verwendet werden und dass sich Materialien ändern können.

Der Student: Versteht, dass Materialien unterschiedliche Verwendungszwecke und unterschiedliche Eigenschaften haben und unterschiedlichen Veränderungen unterliegen.

Der Student: Versteht, dass Eigenschaften, Änderungen und Verwendungen von Materialien zusammenhängen.

Der Student: Versteht Prozesse, die helfen können, Interaktionen und Veränderungen in physischen Systemen und Umgebungen zu erklären und vorherzusagen.

Der Student: Versteht Modelle und Konzepte, die Erd- und Weltraumsysteme erklären und dass die Ressourcennutzung mit der geologischen und Umweltgeschichte der Erde und des Universums zusammenhängt.

Der Student: Versteht, wie Konzepte und Prinzipien verwendet werden, um geologische und umweltbedingte Veränderungen auf der Erde und großräumigen Systemen im Universum zu erklären.

Der Student: Verwendet Konzepte und Theorien, um molekulare und mikroskopische Prozesse und Strukturen mit makroskopischen Effekten innerhalb und zwischen Erde- und Weltraumsystemen in Beziehung zu setzen und versteht, dass diese Systeme dynamisch sind.

Der Student: Verwendet Konzepte, Modelle und Theorien, um ganzheitliche Effekte und Auswirkungen zu verstehen, die Zyklen der Veränderung oder des Gleichgewichts innerhalb von Erd- und Weltraumsystemen beinhalten.

Der Student: Versteht, dass Energie mit verschiedenen Stoffen unterschiedlich interagiert und dass dies die

Der Student: Versteht Modelle und Konzepte, die verwendet werden, um den Transfer und die Transformation zu erklären

Der Student: Versteht die Prinzipien und Konzepte, die verwendet werden, um den Transfer und die Transformation zu erklären.

Der Student: Versteht die Zusammenhänge zwischen Komponenten einer Energieübertragung und

Der Student: Wendet konzeptionelle und theoretische Rahmenbedingungen an, um Beziehungen zwischen Komponenten von

Nutzung und Übertragung von Energie.

Energieeinwirkung in einer Energiewechselwirkung.

Energie, die in Energiesystemen auftritt.

Transformationssystem und prognostiziert die Auswirkungen von Veränderungen.

ein Energiesystem und auf Systeme als Ganzes.

Der Student: Versteht, dass Systeme interagieren können und dass solche Interaktionen zu Veränderungen führen können.

Der Student: Versteht die Modelle und Konzepte, die verwendet werden, um die Prozesse zu erklären, die Systeme verbinden und zu Veränderungen führen.

Der Student: Versteht die Konzepte und Prinzipien, die verwendet werden, um die Auswirkungen von Veränderungen auf Systeme von Lebewesen zu erklären.

Der Student: Verwendet Konzepte und Ideen und versteht Theorien in Bezug auf Strukturen und Lebensfunktionen mit dem Überleben innerhalb und zwischen Systemen.

Der Student: Wendet ihr Verständnis von Konzepten, Modellen und Theorien an, um ganzheitliche Systeme und die Prozesse zu interpretieren, die am Gleichgewicht und Überleben dieser Systeme beteiligt sind.

Der Student: Versteht, dass Eigenschaften, Veränderungen und Verwendungen von Materialien mit ihrer Partikelstruktur zusammenhängen.

Der Student: Versteht die Modelle und Konzepte, die verwendet werden, um Eigenschaften aus ihrer mikroskopischen Struktur zu erklären.

Der Student: Versteht die Konzepte und Prinzipien, die verwendet werden, um physikalische und chemische Veränderungen in Systemen und Familien chemischer Reaktionen zu erklären.

Der Student: Verwendet zusammenhängende Konzepte, um chemische Prozesse und Beziehungen zwischen Materialien und Materialfamilien zu erklären und vorherzusagen. Sie verwenden atomare und symbolische Konzepte in ihren Erklärungen makroskopischer Beweise.

Der Student: Wählt geeignete theoretische Konzepte und Prinzipien aus und verwendet sie, um einen Rahmen oder ein ganzheitliches Verständnis zu konzeptualisieren, um Eigenschaften, Beziehungen und Veränderungen von Materialien zu erklären.

QUELLE: Western Australia Curriculum Council. Nachdruck mit Genehmigung.

Wissen. Der Prozess des Sammelns von Beweisen, um Rückschlüsse auf das Wissen der Schüler zu stützen, ist für alle Bewertungen von grundlegender Bedeutung, von Klassenzimmerquiz, standardisierten Leistungstests oder computergestützten Nachhilfeprogrammen bis hin zu Gesprächen, die Schüler mit ihren Lehrern führen, während sie ein Experiment durcharbeiten (Mislevy, 1996).Das NRC&rsquos Committee on the Cognitive Foundations of Assessment hat diesen Prozess der Beweisführung in Form des sogenannten Bewertungsdreiecks dargestellt (NRC 2001b, S. 44&ndash51) (siehe Abbildung 5-1).

Das Dreieck beruht auf Kognition, einer &ldquot;Theorie oder einer Reihe von Überzeugungen darüber, wie Schüler Wissen repräsentieren und Kompetenzen in einem Fachgebiet entwickeln&rdquo (NRC, 2001b, S. 44). Mit anderen Worten, die Gestaltung der Bewertung beginnt mit einem spezifischen Verständnis nicht nur dafür, welche Kenntnisse und Fähigkeiten bewertet werden sollen, sondern auch, wie sich das Verständnis in dem interessierenden Bereich entwickelt. Dieses Element des Dreiecks verbindet die Bewertung mit den in Kapitel 2 diskutierten Erkenntnissen zum Lernen. In der Terminologie der Messung werden die Aspekte der Kognition und des Lernens, die die Ziele der Bewertung sind, als Konstrukt bezeichnet.

Eine zweite Ecke des Dreiecks ist die Beobachtung, die Art von Aufgaben, die von den Schülern verlangt werden und die Beweise dafür liefern könnten, was sie wissen und können. Die Gestaltung und Auswahl der Aufgaben muss eng mit den spezifischen Schlussfolgerungen über das Lernen der Schüler verknüpft sein, die die Bewertung unterstützen soll. Es ist hier wichtig zu beachten, dass, obwohl es eine Vielzahl von Fragen gibt, die einige Arten von Assessments beantworten könnten, eine explizite Definition der Fragen, zu denen Informationen benötigt werden, eine Rolle bei der Gestaltung der Aufgaben spielen muss.

Die dritte Ecke des Dreiecks ist die Interpretation, die Methoden und Werkzeuge, die verwendet werden, um aus den gesammelten Beobachtungen Schlüsse zu ziehen. Die für einen groß angelegten standardisierten Test verwendete Methode kann ein statistisches Modell sein, während für ein Klassenzimmer

ABBILDUNG 5-1 Das Bewertungsdreieck.

Es könnte eine weniger formale, praktischere Methode sein, um auf der Grundlage der Erfahrungen des Lehrers Schlussfolgerungen über das Verständnis der Schüler zu ziehen. Dieser Eckpunkt des Dreiecks kann auch als Messmodell bezeichnet werden.

Der Zweck der Darstellung dieser drei Elemente in Form eines Dreiecks besteht darin, zu betonen, dass sie miteinander verbunden sind. Im Rahmen einer Bewertung muss jede im Hinblick auf die anderen beiden sinnvoll sein, damit die Bewertung solide und aussagekräftige Ergebnisse liefert. Zum Beispiel sollten die Fragen, die die Art der Aufgaben bestimmen, die den Schülern gestellt werden, logisch aus einem Verständnis der Art und Weise entstehen, wie sich Lernen und Verstehen in dem zu bewertenden Bereich entwickeln. Die Interpretation der vorgelegten Beweise sollte wiederum Einblicke in die Fortschritte der Schüler liefern, die mit diesen Erkenntnissen übereinstimmen. Daher ist der Prozess der Gestaltung einer Bewertung ein Prozess, bei dem spezifische Entscheidungen im Lichte jedes dieser drei Elemente berücksichtigt werden sollten.

Vom Konzept bis zur Umsetzung

Das Bewertungsdreieck ist ein Konzept, das die Art der Bewertung beschreibt, aber es muss ausgearbeitet werden, um für die Konstruktion von Maßnahmen nützlich zu sein. Auf der Grundlage des Dreiecks haben verschiedene Forscher Prozesse zur Bewertungsentwicklung entwickelt, die die dem Bewertungsdreieck zugrunde liegende Logik berücksichtigen. Diese Ansätze können verwendet werden, um jede Art von Bewertung zu erstellen, von einer Klassenzimmerbewertung bis hin zu einem groß angelegten staatlichen Testprogramm. Sie werden hier aufgenommen, um zu veranschaulichen, wie wichtig es ist, einen systematischen Ansatz für das Assessment-Design zu verwenden, bei dem von Anfang an berücksichtigt wird, was gemessen werden soll, was ein Nachweis der Schülerkompetenzen wäre und wie die Ergebnisse zu interpretieren sind. Ein systematischer Prozess steht im Gegensatz zu dem, was das Gremium als typische Strategie für das Assessment-Design feststellte. Diese gängigeren Ansätze konzentrieren sich in der Regel auf die Schaffung von &ldquoguten Gegenständen&rdquo isoliert von allen anderen wichtigen Aspekten des Designs.

Evidenzzentriertes Assessment-Design

Mislevy und Kollegen (siehe z. B. Almond, Steinberg und Mislevy, 2002 Mislevy, Steinberg und Almond, 2002 und Steinberg et al., 2003) haben einen Ansatz entwickelt und verwendet einen Ansatz&mdashevidence-centered-assessment-design (ECD)&mdash für die Konstruktion von Bildungsangeboten Einschätzung, die auf Beweisargumenten beruht. Die allgemeine Form des Arguments, das der ECD (und dem oben diskutierten Bewertungsdreieck sowie dem unten diskutierten Wilson-Konstrukt-Mapping-Prozess) zugrunde liegt, wurde von Messick (1994, S. 17) skizziert:

Ein konstruktzentrierter Ansatz würde mit der Frage beginnen, welcher Komplex von Wissen, Fähigkeiten oder anderen Eigenschaften bewertet werden sollte, vermutlich weil sie an explizite oder implizite Unterrichtsziele gebunden sind oder anderweitig von . bewertet werden

die Gesellschaft. Welche Verhaltensweisen oder Leistungen sollten als nächstes diese Konstrukte aufdecken und welche Aufgaben oder Situationen sollten diese Verhaltensweisen hervorrufen? Die Art des Konstrukts leitet somit die Auswahl und Konstruktion relevanter Aufgaben sowie die rationale Entwicklung von konstruktbasierten Bewertungskriterien und -rubriken.

ECD beruht auf dem Verständnis, dass der Kontext und der Zweck einer Bildungsbewertung die zu messenden Kenntnisse und Fähigkeiten, die Bedingungen, unter denen Beobachtungen gemacht werden, und die Art der Beweise, die gesammelt werden, um die beabsichtigte Schlussfolgerung zu unterstützen, beeinflusst. Daher ist anerkannt, dass gute Bewertungsaufgaben nicht isoliert entwickelt werden können, sondern dass die Bewertung von Anfang an um die beabsichtigten Schlussfolgerungen, die Beobachtungen und Leistungen, die zur Unterstützung dieser Schlussfolgerungen erforderlich sind, die Situationen, die diese Leistungen hervorrufen, und . konzipiert werden muss und eine Argumentationskette, die sie verbindet.

ECD verwendet einen konzeptionellen Bewertungsrahmen (CAF), der in mehrere Teile (Modelle) unterteilt ist, und eine Vier-Prozess-Architektur für Bewertungssysteme (siehe Kasten 5-4). Das CAF dient als Blaupause für das Bewertungsdesign, das die zu messenden Kenntnisse und Fähigkeiten, die Bedingungen, unter denen Beobachtungen gemacht werden, und die Art der Beweise, die gesammelt werden, um die beabsichtigten Schlussfolgerungen zu unterstützen, festlegt. Mislevy und Kollegen argumentieren, dass durch das Zerlegen der Spezifikationen in kleinere Teile sie in unterschiedlichen Teilen wieder zusammengebaut werden können.

KASTEN 5-4
Die Hauptkomponenten des evidenzzentrierten Assessment Design Conceptual Assessment Framework und der Vier-Prozess-Architektur

QUELLE: Almond, Steinberg und Mislevy (2002) Mislevy, Steinberg und Almond (2002).

ent-Konfigurationen für verschiedene Zwecke. Zum Beispiel würde eine Bewertung, die diagnostische Informationen über einzelne Schüler liefern soll, ein feinkörnigeres Schülermodell erfordern als eine Bewertung, die Informationen darüber liefern soll, wie gut Gruppen von Schülern bei der Erfüllung staatlicher Standards vorankommen. ECD-Prinzipien erlauben die Verwendung derselben Aufgaben für diese unterschiedlichen Zwecke (wenn das Aufgabenmodell allgemein genug formuliert ist), erfordern jedoch, dass das Evidenzmodell unterschiedlich ist, um den Detaillierungsgrad bereitzustellen, der mit dem Zweck der Bewertung vereinbar ist.

Wie in diesem Bericht erörtert, werden Assessments auf unterschiedliche Weise durchgeführt und ECD bietet einen generischen Rahmen für die Testdurchführung, der es den Assessoren ermöglicht, verschiedene Arten der Durchführung eines Assessments zu planen. Die Vier-Prozess-Architektur für die Durchführung von Assessments skizziert die Prozesse, die der Betrieb eines Assessment-Systems in irgendeiner Form beinhalten muss (siehe Kasten 5-4). Diese Prozesse sind die Auswahl der Aufgaben, Items oder Aktivitäten, aus denen die Bewertung besteht (der Aktivitätsauswahlprozess), die Auswahl eines Mittels zum Präsentieren der Aufgaben für die Testteilnehmer und das Sammeln ihrer Antworten (der Präsentationsprozess) das Bewerten der Antworten auf einzelne Items oder Aufgaben (Antwort) Verarbeitung) Sammeln von Nachweisen der Schülerleistung über mehrere Elemente und Aufgaben hinweg, um Ergebnisse auf Prüfungs- (oder Abschnitts-)Niveau zu erstellen (zusammenfassender Bewertungsprozess). ECD stützt sich auf spezifische Messmodelle, die mit jeder Aufgabe verbunden sind, um den zusammenfassenden Bewertungsprozess durchzuführen.

Ein Beispiel dafür, wie das ECD-Framework verwendet wurde, um einen Prototyp einer auf Standards basierenden Bewertung zu erstellen, finden Sie unter Eine Einführung in das Biomasse-Projekt (Steinberg et al., 2003). Der in diesem Beitrag beschriebene Ansatz zur standardbasierten Bewertung geht von Aussagen zu Standards in einem Inhaltsbereich über Aussagen zu den Aussagen über die Fähigkeiten der Schüler, die die Standards implizieren, zu den Arten von Beweisen, die man zur Begründung dieser Ansprüche benötigt, und schließlich zur Entwicklung von Bewertungsaktivitäten, die solche Nachweise erbringen (S. 9).

Mislevy hat auch darüber geschrieben, wie der ECD-Ansatz in einem Programmbewertungskontext verwendet werden kann (Mislevy, Wilson, Ercikan und Chudowsky, 2003). In jüngerer Zeit arbeiteten er und eine Gruppe von Kollegen an einem computergestützten Testspezifikations- und Entwicklungssystem, das auf diesem Ansatz basiert, genannt PADI (Principled Assessment Design for Inquiry) (Mislevy und Haertel, 2005).

Konstruktmodellierungsansatz

Wilson (2005) erweitert das Bewertungsdreieck auch, indem er einen anderen Konzeptualisierungsansatz&mdasha Konstruktmodellierungsansatz&mdash vorschlägt, der vier Bausteine ​​verwendet, um verschiedene Bewertungen zu erstellen, die auf allen Ebenen eines Bildungssystems verwendet werden könnten (siehe Abbildung 5-2). Wilson betrachtet die Bausteine ​​als Leitfaden für den Bewertungsentwurfsprozess und nicht als einen schrittweisen Ansatz. Ihm ist klar, dass jeder der Schritte in der Entwicklung möglicherweise mehrmals wiederholt werden muss.

ABBILDUNG 5-2 Bewertungsbausteine.

um sie aufgrund von Feedback zu verfeinern und zu überarbeiten. Wir verwenden diese Bausteine ​​als Rahmen zur Veranschaulichung des Assessment-Design-Prozesses. Die Bausteine ​​sind:

Spezifikation des Konstrukts/der Konstrukte&ndashdie Arbeitsdefinitionen dessen, was gemessen werden soll. 4

Artikeldesign&mdasha Beschreibung aller möglichen Formen von Gegenständen und Aufgaben, die verwendet werden können, um Beweise für das Wissen und das Verständnis der Schüler zu gewinnen, das in den Konstrukten enthalten ist.

Der Ergebnisraum&mdasha Beschreibung der qualitativ unterschiedlichen Antworten auf Items und Aufgaben (normalerweise in Form von Punktzahlen), die mit unterschiedlichen Leistungsniveaus verbunden sind (unterschiedliche Leistungsniveaus werden oft mit Beispielen von Schülerarbeiten illustriert).

Das Messmodell&ndashdie Grundlage, auf der Assessoren und Benutzer die für Items und Aufgaben erzielten Punktzahlen mit bestimmten Leistungsniveaus verknüpfen &ndash das Messmodell muss die bewerteten Antworten mit dem Konstrukt in Beziehung setzen.

Wilson nennt diesen Block &ldquoconstruct maps.&rdquo

ANWENDUNG DER BAUSTEINE

Der Ausschuss stellte fest, dass bei der Gestaltung einer Bewertung die verschiedenen Aufgaben, die von den Bausteinen beschrieben werden, je nach Zweck der Bewertung und wer für die Gestaltung verantwortlich ist, unterschiedlich erfüllt werden. Zum Beispiel wären die Lehrkräfte bei der Gestaltung der Bewertung im Klassenzimmer höchstwahrscheinlich für alle Aspekte der Bewertungsgestaltung verantwortlich – von der Identifizierung des Konstrukts bis zur Interpretation der Ergebnisse. Wenn jedoch ein groß angelegter Test entwickelt wird, identifiziert das Staatspersonal normalerweise die zu messenden Konstrukte 5 und professionelle Testauftragnehmer könnten die Hauptverantwortung für die Artikelentwicklung, die Bewertung und die Anwendung eines Messmodells übernehmen – manchmal in Zusammenarbeit mit dem Staat. (Patz, Reckase und Martineau, 2005, diskutieren die Arbeitsteilung ausführlicher.)

Konstrukt angeben

Entscheidend für die Entwicklung eines jeden Assessments, sei es ein in den Unterricht eingebettetes Präsenz-Assessment oder ein groß angelegter staatlicher Test, der extern durchgeführt wird, ist eine klare Spezifikation des zu messenden Konstrukts. Das Konstrukt kann breitgefächert oder spezifisch sein, zum Beispiel ist Wissenschaftskompetenz ein Konstrukt, ebenso wie Wissen über die zweistellige Multiplikation. Kapitel 3 erörterte im Zusammenhang mit der Bewertung von Untersuchungen die Schwierigkeit, eine Bewertung zu entwickeln, wenn Konstrukte nicht klar spezifiziert und ihre Bedeutungen nicht klar verstanden wurden.

Jede auf Standards basierende Bewertung sollte mit den staatlichen Inhaltsstandards beginnen. Die meisten Normendokumente spezifizieren jedoch Konstrukte mit Begriffen wie &ldquorwissen&rdquo oder &ldquoverstehen&rdquo kennt dass sich Wärme in einem vorhersehbaren Fluss von wärmeren Objekten zu kühleren Objekten bewegt, bis alle Objekte die gleiche Temperatur haben, oder dass die Schüler dies tun verstehen Interaktionen zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt. Wie jedoch in Kapitel 4 erörtert wurde, bieten die meisten staatlichen Standards keine operationellen Definitionen dieser Begriffe. Daher ist ein Standard, der von den Schülern verlangt, „Verstehen” offen für eine weite Auslegung, sowohl in Bezug auf das, was gelehrt werden sollte, als auch darüber, was als Beweis dafür akzeptiert wird, dass die Schüler das Ziel erreicht haben. Das Komitee fordert die Staaten dringend auf, den Vorschlägen in Kapitel 4 zum Schreiben von Standards zu folgen, damit sie mehr als abstrakte Konstrukte vermitteln.

Der Ausschuss stellte fest, dass Lernleistungen, ein Begriff, der von einer Reihe von Forschern übernommen wurde&mdashReiser (2002) und Perkins (1998) u. a.&mdash bieten eine Möglichkeit zu verdeutlichen, was unter einem Standard zu verstehen ist, indem er Verbindungen zwischen dem konzeptionellen Wissen in den Standards und den damit verbundenen Fähigkeiten und Verständnissen vorschlägt, die beobachtet und bewertet werden können . Lernleistungen sind eine Möglichkeit,

In einem groß angelegten Testprogramm würden die Konstrukte in Form eines Testrahmens spezifiziert.

KASTEN 5-5
Wissenschaftliche Praktiken, die als Grundlage für Lernleistungen dienen

Einige der wichtigsten Praktiken, die durch wissenschaftliche Erkenntnisse ermöglicht werden, umfassen die folgenden:

Definieren und beschreiben. Definieren und Beschreiben beinhaltet das Abrufen einer Definition eines Konzepts oder Prinzips aus dem Gedächtnis oder das Beschreiben, wie ein Konzept zu anderen Ideen in Beziehung steht. Ein Schüler könnte zum Beispiel den Energiefluss in einem Ökosystem beschreiben. Oder ein Student könnte beschreiben, wie man eine Lichtsonde verwendet, indem er einem Kommilitonen sagt, wie man damit das Licht misst, das eine Pflanze erreicht.

Daten darstellen und Darstellungen interpretieren. Die Darstellung von Daten beinhaltet die Verwendung von Tabellen und Grafiken, um Informationen sowohl qualitativ als auch quantitativ zu organisieren und anzuzeigen. Repräsentationen zu interpretieren bedeutet, Legenden und andere Informationen verwenden zu können, um abzuleiten, wofür etwas steht oder was ein bestimmtes Muster bedeutet. Ein Schüler könnte beispielsweise eine Tabelle erstellen, um die Eigenschaften verschiedener Materialien anzuzeigen, oder ein Diagramm erstellen, das Änderungen des Objektvolumens mit dem Objektgewicht in Beziehung setzt. Umgekehrt könnte ein Schüler einen Graphen interpretieren, um abzuleiten, welche Objektgröße das schwerste oder eine gerade Linie mit positiver Steigung war, um zu bedeuten, dass zwischen den Variablen Proportionalität besteht.

Identifizieren und klassifizieren. Sowohl das Identifizieren als auch das Klassifizieren beinhaltet die Anwendung von Kategorienwissen auf bestimmte Exemplare. Beim Identifizieren können die Schüler nur ein Exemplar in Betracht ziehen (Ist dieses spezielle Objekt aus Wachs?), während die Schüler beim Klassifizieren Exemplare organisieren. Zum Beispiel könnten sie Gegenstände danach sortieren, ob sie Materie sind oder nicht, ob sie fest, flüssig oder gasförmig sind oder nach Stoffart.

Messung. Das Messen ist eine einfache Form der mathematischen Modellierung: Vergleichen eines Elements mit einer Standardeinheit und Analysieren einer Dimension als iterative Summe von Einheiten, die den Messraum abdecken.

Bestellen/Vergleichen entlang einer Dimension. Ordnung bedeutet, über eine einfache Kategorisierung (z. B. schwer vs. leicht) hinauszugehen und eine kontinuierliche Dimension zu konzipieren. Die Schüler könnten beispielsweise Proben nach Gewicht, Volumen, Temperatur, Härte oder Dichte sortieren.

Quantifizierung. Beim Quantifizieren kann man wichtige physikalische Größen wie Volumen, Gewicht, Dichte und Temperatur mit Standard- oder Nicht-Standard-Einheiten messen (quantifizieren).

Bewertung von Inhaltsstandards, indem festgelegt wird, was Schüler tun können sollen, wenn sie einen Standard erreichen. Beispielsweise können Lernleistungen darauf hinweisen, dass Schüler in der Lage sein sollten, Phänomene zu beschreiben, Modelle zu verwenden, um Muster in Daten zu erklären, wissenschaftliche Erklärungen zu konstruieren oder Hypothesen zu testen. Smith, Wiser, Anderson, Krajcik und Coppola (2004) skizzierten eine Vielzahl spezifischer Fähigkeiten6, die

Smithet al. (2004) nennen diese &ldquo-Praktiken.&rdquo

Vorhersagen/Ableiten. Vorhersagen/Ableiten beinhaltet die Verwendung von Wissen über ein Prinzip oder eine Beziehung, um eine Schlussfolgerung über etwas zu ziehen, das nicht direkt beobachtet wurde. Die Schüler können zum Beispiel das Prinzip der Massenerhaltung verwenden, um vorherzusagen, wie groß die Masse von etwas nach der Verdampfung sein sollte, oder sie können das Gewicht eines Objekts aus der Kenntnis seines Volumens und der Dichte eines Materials, aus dem es besteht, berechnen.

Fragen stellen. Die Studierenden identifizieren und stellen Fragen zu Phänomenen, die durch wissenschaftliche Untersuchungen beantwortet werden können. Junge Lernende werden oft mehr beschreibende Fragen stellen, aber wenn die Lernenden Erfahrungen sammeln und ihr Verständnis gewinnen, sollten sie mehr relationale und Ursachen-Wirkungs-Fragen stellen.

Planung und Durchführung von Untersuchungen. Das Entwerfen einer Untersuchung umfasst das Identifizieren und Festlegen, welche Variablen manipuliert, gemessen und kontrolliert werden müssen. Hypothesen erstellen, die die Beziehung zwischen Variablen spezifizieren Beobachtungen gemacht werden. Die Durchführung einer Untersuchung umfasst eine Reihe von Aktivitäten: das Zusammenstellen der Ausrüstung, den Zusammenbau des Geräts, das Erstellen von Diagrammen und Tabellen, das Befolgen von Verfahren und das Vornehmen qualitativer oder quantitativer Beobachtungen.

Konstruktion evidenzbasierter Erklärungen. Erklärungen zu konstruieren beinhaltet die Verwendung wissenschaftlicher Theorien, Modelle und Prinzipien zusammen mit Beweisen, um Erklärungen von Phänomenen zu erstellen, und beinhaltet auch das Ausschließen alternativer Hypothesen.

Daten analysieren und interpretieren. Beim Analysieren und Interpretieren von Daten geben die Schüler den Daten einen Sinn, indem sie die folgenden Fragen beantworten: &ldquoWas bedeuten die von uns gesammelten Daten?&ldquo &ldquo &ldquoWie helfen mir diese Daten bei der Beantwortung meiner Frage?&rdquo Das Interpretieren und Analysieren kann die Transformation der Daten anhand einer Datentabelle umfassen in ein Diagramm umwandeln oder einen anderen Faktor berechnen und Muster in den Daten finden.

Bewerten/reflektieren/ argumentieren. Daten auswerten: Unterstützen diese Daten diese Behauptung? Sind diese Daten zuverlässig? Messung auswerten: Ist das Folgende ein Beispiel für eine gute oder schlechte Messung? Bewerten Sie ein Modell: Könnte dieses Modell eine Flüssigkeit darstellen? Überarbeiten eines Modells: Wie würde man ein Modell für Gas so modifizieren, dass es einen Festkörper darstellt? Modelle vergleichen und bewerten: Wie gut berücksichtigt ein gegebenes Modell ein Phänomen? Ist dieses Modell “befolgt&rdquo die &ldquoAxiome&rdquo der Theorie?

unter bestimmten Bedingungen Verständnisnachweise erbringen und Beispiele dafür liefern könnten, wie ein Verständnisnachweis aussehen könnte (siehe Kasten 5-5).

Das folgende Beispiel veranschaulicht, wie man einen Standard ausarbeiten könnte, um Lernleistungen zu erzielen und Ziele für die Bewertung zu identifizieren. Betrachten Sie den folgenden Standard, der von Benchmarks für Wissenschaftskompetenz (AAAS, 1993, S. 124) über das differenzielle Überleben: [Der Schüler wird das verstehen] Einzelne Organismen mit bestimmten Merkmalen überleben eher als andere und haben Nachkommen. Der Benchmark verweist eindeutig auf einen der zentralen Mechanismen der Evolution.

Das Konzept wird oft als "Survival of the Fittest" bezeichnet. Der Standard gibt jedoch nicht an, welche Fähigkeiten und Kenntnisse erforderlich sind, um dieses Ziel zu erreichen. Im Gegensatz dazu verstärken Reiser, Krajcik, Moje und Marx (2003) diesen einen Standard als drei zusammenhängende Lernleistungen:

Studenten mathematisch identifizieren und darstellen die Variation eines Merkmals in einer Population.

Studenten vermuten die Funktion, die ein Merkmal erfüllen kann und erklären wie einige Variationen des Merkmals in der Umwelt vorteilhaft sind.

Studenten vorhersagen, unter Verwendung von Beweisen, wie sich die Variation des Merkmals auf die Wahrscheinlichkeit auswirkt, dass Individuen in der Population einen Umweltstress überleben.

Reiser und seine Kollegen argumentieren, dass diese Ausarbeitung des Standards die Fähigkeiten und das Wissen, die Studierende benötigen, um den Standard zu erreichen, klarer spezifiziert und daher das zu bewertende Konstrukt besser definiert. Durch den Hinweis, dass von den Schülern beispielsweise erwartet wird, Variationen mathematisch darzustellen, weist die Ausarbeitung auf die Bedeutung bestimmter mathematischer Konzepte wie der Verteilung hin. Ohne die Ausarbeitung kann die Notwendigkeit dieses wichtigen Aspekts von einem Bewertungsentwickler abgeleitet worden sein oder nicht.

Auswahl der Aufgaben

Entscheidungen über die zu verwendende spezielle Bewertungsstrategie sollten nicht von dem Wunsch diktiert werden, den einen oder anderen bestimmten Gegenstandstyp zu verwenden, oder von ungeprüften Annahmen über die Nützlichkeit bestimmter Gegenstandstypen zum Erschließen bestimmter kognitiver Fähigkeiten. Vielmehr sollten solche Entscheidungen auf der Nützlichkeit des Items oder der Aufgabe basieren, um Beweise für das Verständnis der Schüler für das interessierende Konstrukt zu erhalten und um Licht auf den Fortschritt der Schüler entlang eines Kontinuums zu werfen, das darstellt, wie sich das Lernen in Bezug auf das Konstrukt vernünftigerweise entwickeln könnte.

Leistungsbewertung ist ein Ansatz, der ein großes Potenzial zur Beurteilung komplexer Denk- und Denkfähigkeiten bietet, aber auch Multiple-Choice-Aufgaben haben ihre Stärken. Obwohl viele Menschen erkennen, dass Multiple-Choice-Aufgaben ein effizientes und effektives Mittel sind, um zu bestimmen, wie gut Schüler grundlegendes inhaltliches Wissen erworben haben, erkennen viele nicht, dass sie auch zur Messung komplexer kognitiver Prozesse verwendet werden können. Beispielsweise ist das Force Concept Inventory (Hestenes, Wells und Swackhamer, 1992) ein Assessment, das Multiple-Choice-Items verwendet, aber kognitive Prozesse auf höherer Ebene erschließt. Umgekehrt greifen viele konstruierte Antwortitems, die in groß angelegten Zustandsbewertungen verwendet werden, nur auf niedrige Fähigkeiten zurück, indem sie beispielsweise die Schüler auffordern, deklaratives Wissen und sich an Fakten zu erinnern oder Ein-Wort-Antworten zu geben. Beispiele für dieses Phänomen liefert Metzenberg (2004) aus aktuellen wissenschaftlichen Untersuchungen.

Ein Item oder eine Aufgabe ist nützlich, wenn sie wichtige Hinweise auf das zu messende Konstrukt liefert. Gruppen von Gegenständen oder Aufgabenreihen sollten im Hinblick auf ihre kollektive Fähigkeit zusammengestellt werden, die gesamte Bandbreite der Wissenschaft zu beleuchten

Inhaltliche Kenntnisse, Verständnisse und Fähigkeiten, die in das Konstrukt einfließen, wie durch die entsprechenden Lernleistungen erarbeitet.

Artikel erstellen 7 von Lernleistungen

Wenn sie in einem Prozess des Rückwärtsdesigns verwendet werden, können Lernleistungen die Entwicklung von Bewertungsstrategien leiten. Rückwärtsdesign beginnt mit einem klaren Verständnis des Konstrukts. Es konzentriert sich dann darauf, was überzeugende Beweise oder Demonstrationen für das Lernen wären (das Komitee nennt diese Lernleistungen) und die Erwägung, wie der Nachweis des Verständnisses aussehen könnte.

Kasten 5-6 veranschaulicht den Prozess des Rückwärtsdesigns, indem ein Standard auf Lernleistungen ausgedehnt und die Lernleistungen verwendet werden, um Bewertungsaufgaben zu entwickeln, die auf den Standard zurückgeführt werden. Für jede Lernleistung werden mehrere Bewertungsaufgaben bereitgestellt, um zu veranschaulichen, wie mehrere Messungen desselben Konstrukts eine umfassendere und validere Einschätzung des Erreichens des Standards durch einen Schüler liefern können. Es ist vorstellbar, dass einige dieser Aufgaben bei der Bewertung im Klassenzimmer verwendet werden könnten, während andere, die auf denselben Standard abzielen, in die landesweite groß angelegte Bewertung einbezogen werden könnten. Smithet al. (2004) haben diesen Prozess in ihrer Arbeit ausführlicher dargestellt, indem sie Lernleistungen für eine Reihe von K&ndash8-Standards zur Atom-Molekular-Theorie skizziert haben. Ihre Aufgabenstellungen umfassen Multiple-Choice- und Leistungs-Items, die für eine Vielzahl von Bewertungszwecken geeignet sind, von großen jährlichen Tests bis hin zu Bewertungen, die in den Unterricht eingebettet werden können.

Für jede in Kasten 5-6 enthaltene Bewertungsaufgabe werden auch Ablenker (falsche Antworten) angezeigt, die Aufschluss über die Missverständnisse der Schüler geben können, da Ablenker Informationen darüber liefern können, was für den Lernfortschritt der Schüler erforderlich ist. Eine von Briggs, Alonzo, Schwab und Wilson (2004) entwickelte Item-Design-Strategie, die sie Ordered Multiple Choice (OMC) nennen, baut auf diesem Prinzip auf.

Ein einzigartiges Merkmal von OMC-Items besteht darin, dass sie so konzipiert sind, dass jede der möglichen Antwortmöglichkeiten mit dem Entwicklungsstand des Schülerverständnisses verknüpft ist, was die diagnostische Interpretation der Schülerantworten erleichtert. OMC-Items liefern Informationen über das Entwicklungsverständnis von Schülern, die bei herkömmlichen Multiple-Choice-Items möglicherweise nicht verfügbar sind. Darüber hinaus sind sie effizient zu verwalten und zu bewerten und liefern so Informationen, die Schulen, Lehrern und Schülern schnell und zuverlässig zur Verfügung gestellt werden können. Briggset al. (2004) sehen Potenzial für diesen Ansatz in der Schaffung verbesserter groß angelegter Bewertungen, weisen jedoch darauf hin, dass noch erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf besteht.

Item wird hier verwendet, um sich auf jede Aufgabe, Bedingung oder Situation zu beziehen, die Informationen über das Verständnis oder die Leistung des Schülers liefert.

KASTEN 5-6
Ein Prozess des Rückwärtsdesigns: Ausarbeitung von Standards durch Lernleistungen und Entwicklung zugehöriger Bewertungsaufgaben

Als Ergebnis der Aktivitäten in den Klassen 5 und 8 sollten alle Schüler das Verständnis dafür entwickeln, dass Substanzen chemisch auf charakteristische Weise mit anderen Substanzen reagieren, um neue Substanzen mit unterschiedlichen charakteristischen Eigenschaften zu bilden (National Research Council, 1996, Content Standard B5-8:1B). 1

Weitere Klarstellung des Standards:

Stoffe haben unterschiedliche Eigenschaften und bestehen durchgängig aus einem Material. Eine chemische Reaktion ist ein Prozess, bei dem aus alten Stoffen neue Stoffe entstehen. Eine Art chemischer Reaktion ist, wenn zwei Stoffe miteinander vermischt werden und sie interagieren, um neue Stoffe zu bilden. Die Eigenschaften des neuen Stoffes/der neuen Stoffe unterscheiden sich von den alten Stoffen. Wenn Wissenschaftler von „alten&rdquo-Substanzen sprechen, die bei der chemischen Reaktion interagieren, nennen sie sie Reaktanten. Wenn Wissenschaftler von neuen Stoffen sprechen, die durch die chemische Reaktion entstehen, nennen sie sie Produkte. Die Studierenden unterscheiden chemische Veränderungen von anderen Veränderungen, wie Phasenänderung, morphologische Veränderung usw.

Vorkenntnisse, die Studierende benötigen:

Es ist wichtig, dass die Studierenden die Bedeutung von Eigenschaften verstehen und dass Stoffe überall die gleichen Eigenschaften haben, unabhängig davon, wo die Probe des Stoffes entnommen wird.

Schüler müssen den Begriff verstehen Substanz.

Die Schüler müssen wissen, dass viele verschiedene Materialien aus den gleichen Grundmaterialien hergestellt werden können (dies ist ein Standard der Klasse 3 und 5).

Mögliches Missverständnis, das die Schüler haben könnten:

Ein &ldquoneuer&rdquo Stoff erscheint, weil er von einem anderen Ort bewegt wurde (z. B. Rauch von Holz).

Materie verschwindet (z. B. Brennen, Auflösen).

Chemische Reaktionen treten immer dann auf, wenn sich etwas ändert.

Phasenänderungen sind chemische Reaktionen.

Mischungen sind chemische Reaktionen.

Eine Substanz kann zu jeder anderen Substanz verarbeitet werden (z. B. kann Stroh zu Gold verarbeitet werden).

Mögliche Lernleistungen und damit verbundene Prüfungsaufgaben:

Die nächste Lernleistung nutzt die Fähigkeit des Identifizierens. Identifizieren

Um diesen Standard zu verstehen, müssen die Schüler einen früheren Standard verstehen: Als Ergebnis der Aktivitäten in den Klassen 5 und 8 sollten alle Schüler das Verständnis dafür entwickeln, dass ein Stoff charakteristische Eigenschaften wie Dichte, Siedepunkt und Löslichkeit hat, die alle unabhängig von der Menge der Probe. (Nationaler Forschungsrat, 1996, Inhaltsstandard B 5-8:1A). Dies veranschaulicht, wie neues Lernen auf vorherigem Lernen aufbaut.

beinhaltet die Anwendung von Kategorienwissen auf bestimmte Exemplare. Bei der Identifizierung können die Schüler nur ein Exemplar in Betracht ziehen (Ist dieses spezielle Objekt aus Wachs?). Das Identifizieren umfasst auch den unteren Bereich der kognitiven Leistungen, die wir von den Schülern erreichen wollen.

Lernleistung 1:

Die Schüler identifizieren chemische Reaktionen.

Zugehörige Bewertungsaufgabe Nr. 1:

Welche der folgenden Reaktionen ist ein Beispiel für eine chemische Reaktion?

eine Dose Limonade im Kühlschrank abkühlen

einen Marshmallow über einem Feuer verbrennen

Zugehörige Bewertungsaufgabe #2:

Eine Klasse führte ein Experiment durch, bei dem die Schüler zwei farblose Flüssigkeiten vermischten. Nach dem Mischen der Flüssigkeiten bemerkten die Schüler Blasen und einen grauen Feststoff, der sich am Boden des Behälters gebildet hatte.

Welche Art von Prozess ist aufgetreten?

Legen Sie Beweise vor, die belegen, wie Sie wissen, dass dies passiert ist.

Hinweis Teil B geht über die Lernleistung hinaus und enthält eine Begründung für eine Antwort.

Die nächste Lernleistung nutzt die Praxis der Konstruktion evidenzbasierter Erklärungen. Das Konstruieren von Erklärungen beinhaltet die Verwendung wissenschaftlicher Theorien, Modelle und Prinzipien zusammen mit Beweisen, um Erklärungen von Phänomenen zu erstellen. Dies kann auch das Ausschließen alternativer Hypothesen beinhalten. Die Entwicklung einer evidenzbasierten Erklärung ist eine kognitive Aufgabe höherer Ordnung.

Lernleistung 2:

Die Studierenden konstruieren eine wissenschaftliche Erklärung, die eine Behauptung enthält, ob ein Prozess eine chemische Reaktion ist, Beweise in Form von Eigenschaften der Stoffe und/oder Anzeichen einer Reaktion und die Begründung, dass eine chemische Reaktion ein Prozess ist, bei dem Stoffe miteinander interagieren, um sich zu bilden neue Stoffe, so dass es vor und nach der Reaktion verschiedene Stoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften gibt.

Zugehörige Bewertungsaufgabe Nr. 1:

Carlos nimmt einige Messungen von zwei Flüssigkeiten vor – Butansäure und Butanol. Dann rührt er die beiden Flüssigkeiten zusammen und erhitzt sie. Nach dem Rühren und Erhitzen der Flüssigkeiten bilden sie zwei separate Schichten - Schicht A und Schicht B. Carlos verwendet eine Pipette, um eine Probe aus jeder Schicht zu entnehmen und nimmt einige Messungen von jeder Probe vor. Hier seine Ergebnisse:

Schreib ein wissenschaftliche Erklärung das gibt an, ob eine chemische Reaktion stattgefunden hat, als Carlos Butansäure und Butanol gerührt und erhitzt hat.

Kasten 5-7 von Briggs et al. (2004) enthält einen Lernverlauf, der häufige Fehler identifiziert. Elemente, die verwendet werden können, um Verständnis und Missverständnisse der Schüler zu erschließen, sind enthalten. Die Erläuterungen zu den Antwortmöglichkeiten veranschaulichen, wie Prüfungsaufgaben aussagekräftiger werden können, wenn Ablenker die Unterrichtsstrategien beleuchten, die erforderlich sind, um falsche Vorstellungen von Schülern zu rekonstruieren.

Beschreibung des Ergebnisraums

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der Beurteilung um einen Prozess, bei dem Rückschlüsse auf das Wissen der Schüler aufgrund von Beobachtungen gezogen werden, wie sie in bestimmten Situationen reagieren. Um die Antworten der Schüler zu interpretieren, um diese Schlussfolgerungen zu untermauern, sind zwei Dinge erforderlich: eine bewertete Antwort und eine Möglichkeit, die Bewertung zu interpretieren. Die Bewertung von Multiple-Choice-Items erfordert den Vergleich der ausgewählten Antwort mit dem Bewertungsschlüssel, um festzustellen, ob die Antwort richtig ist oder nicht. Die Bewertung von Leistungsaufgaben 8 ist jedoch

Der Ausschuss verwendet diesen Begriff, um jede Bewertung einzuschließen, bei der die Schüler eine Antwort erstellen und nicht auswählen müssen.

erfordert sowohl ein Urteilsvermögen als auch definierte Kriterien, auf denen das Urteil beruhen soll. Wir bezeichnen diese Kriterien als Rubrik. Eine Rubrik enthält eine Beschreibung der Dimensionen zur Beurteilung der Schülerleistung und eine Werteskala zur Bewertung dieser Dimensionen. Rubriken werden oft durch Beispiele von Schülerarbeiten zu jedem Skalenwert ergänzt, um die Beurteilung weiter zu erleichtern. Die Leistungsbeschreibungen, die Teil der Leistungsstandards der Bundesstaaten sind, können mit den Rubriken verknüpft werden, die für einzelne Tests oder Aufgaben entwickelt wurden. Eine Diskussion der Leistungsstandards ist in Kapitel 4 enthalten.

Kasten 5-8 ist ein Fortschrittsleitfaden oder eine Rubrik, die verwendet wird, um die Leistung der Schüler bei einer Bewertung des Konzepts des Auftriebs zu bewerten. Der Leitfaden könnte für Lehrer und Schüler nützlich sein, da er sowohl Informationen über die aktuelle Leistung als auch über die für den Fortschritt der Schüler erforderlichen Informationen enthält.

Delaware hat ein System entwickelt, um unterrichtsrelevante Informationen aus Antworten auf Multiple-Choice-Aufgaben zu sammeln. Der Staat verwendet eine zweistellige Bewertungsrubrik, die der Bewertungsrubrik nachempfunden ist, die in den Leistungsaufgaben der Third International Mathematics and Science Study (TIMSS) verwendet wird. Die erste Ziffer der Punktzahl gibt an, ob die Antwort richtig, falsch oder teilweise richtig ist. Die zweite Ziffer einer falschen oder teilweise richtigen Antwortpunktzahl zeigt die Art des Missverständnisses an, das zur falschen Antwort geführt hat. Pädagogen analysieren diese Missverständnisse, um zu verstehen, was den Schülern an Verständnis fehlt, und um Aspekte des Lehrplans zu beleuchten, die nicht wie gewünscht funktionieren (Kasten 5-9).

Bestimmung des Messmodells

Formale Messmodelle sind statistische und psychometrische Werkzeuge, die es Interpreten von Bewertungsergebnissen ermöglichen, aus großen Datensätzen über Schülerleistungen eine Bedeutung zu ziehen und den Grad der Unsicherheit auszudrücken, der die Schlussfolgerungen umgibt. Messmodelle sind eine besondere Form der Beweisführung, die formale Regeln für die Integration einer Vielzahl von Daten enthält, die für eine bestimmte Schlussfolgerung relevant sein können. Es gibt eine Vielzahl von Bewertungsmodellen und jedes Modell enthält sowohl Annahmen als auch Schlussfolgerungen, die gezogen werden können, wenn die Annahmen erfüllt sind.

Während des größten Teils des letzten Jahrhunderts wurde die Interpretation von Testergebnissen im Sinne einer Annahme gedacht, dass die beobachtete Punktzahl (O) einer Person bei einem Test aus zwei Komponenten besteht, der wahren Punktzahl (T) und dem Fehler (E), dh O = T + E. Aus dieser Formulierung wurden Verfahren abgeleitet, um zu bestimmen, wie viel Fehler vorhanden war, und um rückwärts zu arbeiten, wie viel Vertrauen man in die beobachtete Punktzahl haben könnte. Die Zuverlässigkeit ist ein Maß für den Anteil der Varianz des beobachteten Scores, der eher dem wahren Score als dem Fehler zuzuordnen ist. Auf dieser Grundlage bauen die Hauptteile der traditionellen Psychometrie der Testinterpretation, Testkonstruktion usw. auf.

Eine weitere häufig verwendete Art von Messmodell ist die Item-Response-Theorie (IRT), die, wie ursprünglich konzipiert, für Situationen geeignet ist, in denen die

KASTEN 5-7
Bestellte Multiple-Choice-Elemente in Bezug auf die Fortschrittsvariable für das Verständnis der Schüler über die Erde im Sonnensystem

Der Schüler ist in der Lage, die Bewegungen der Erde und des Mondes in eine vollständige Bewegungsbeschreibung im Sonnensystem einzufügen, die Folgendes erklärt:

die Mondphasen (einschließlich der Beleuchtung des Mondes durch die Sonne)

Der Schüler ist in der Lage, scheinbare und tatsächliche Bewegungen von Objekten am Himmel zu koordinieren. Schüler weiß das:

die Erde umkreist die Sonne und dreht sich gleichzeitig um ihre Achse

die Erde umkreist die Sonne einmal im Jahr

die Erde dreht sich einmal am Tag um ihre Achse, was den Tag-Nacht-Zyklus verursacht und den Anschein erweckt, als würde sich die Sonne über den Himmel bewegen

der Mond umkreist die Erde einmal alle 28 Tage und erzeugt die Mondphasen

HÄUFIGER FEHLER: Jahreszeiten werden durch den sich ändernden Abstand zwischen Erde und Sonne verursacht.

HÄUFIGER FEHLER: Die Mondphasen werden durch einen Schatten der Planeten, der Sonne oder der Erde verursacht, der auf den Mond fällt.

der Mond umkreist die Erde

die Erde dreht sich um ihre Achse

Der Schüler hat dieses Wissen jedoch nicht mit dem Verständnis der scheinbaren Bewegung kombiniert, um Erklärungen zu bilden, und er erkennt möglicherweise nicht, dass sich die Erde gleichzeitig dreht und umkreist.

HÄUFIGER FEHLER: Nachts wird es dunkel, weil die Erde einmal am Tag die Sonne umkreist.

die Sonne scheint sich jeden Tag über den Himmel zu bewegen

die beobachtbare Form des Mondes ändert sich alle 28 Tage

Der Schüler mag glauben, dass sich die Sonne um die Erde bewegt.

HÄUFIGER FEHLER: Alle Bewegungen am Himmel sind darauf zurückzuführen, dass sich die Erde um ihre Achse dreht.

HÄUFIGER FEHLER: Die Sonne reist um die Erde.

HÄUFIGER FEHLER: Nachts wird es dunkel, weil die Sonne einmal am Tag um die Erde geht.

HÄUFIGER FEHLER: Die Erde ist das Zentrum des Universums.

Der Schüler erkennt nicht die systematische Natur des Erscheinens von Objekten am Himmel. Die Schüler erkennen möglicherweise nicht, dass die Erde kugelförmig ist.

HÄUFIGER FEHLER: Nachts wird es dunkel, weil etwas (z. B. Wolken, Atmosphäre, „Dunkelheit&rdquo) die Sonne bedeckt.

HÄUFIGER FEHLER: Die Mondphasen werden durch Wolken verursacht, die den Mond bedecken.

HÄUFIGER FEHLER: Die Sonne geht nachts unter die Erde.

Beispiel für bestellte Multiple-Choice-Artikel (OMC) basierend auf der Erde in der Sonnensystem-Fortschrittsvariablen

Artikel für Fünftklässler geeignet:

Nachts ist es höchstwahrscheinlich kälter, weil

die Erde befindet sich auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne am weitesten entfernt.

die Sonne ist auf die andere Seite der Erde gereist.

die Sonne steht unter der Erde und der Mond strahlt nicht so viel Wärme ab wie die Sonne.

der Ort, an dem auf der Erde Nacht ist, ist von der Sonne weggedreht.

Artikel passend für Achtklässler:

Was ist die beste Erklärung dafür, warum wir auf der Erde verschiedene Jahreszeiten (Winter, Sommer usw.) erleben?

Die Erdumlaufbahn um die Sonne bringt uns im Sommer näher an die Sonne und im Winter weiter weg.

Die Umlaufbahn der Erde um die Sonne führt dazu, dass wir im Sommer der Sonne zugewandt und im Winter von der Sonne entfernt sind.

Die Neigung der Erde bewirkt, dass die Sonne im Sommer direkter scheint als im Winter.

Die Neigung der Erde bringt uns im Sommer näher an die Sonne als im Winter.

Ein einzigartiges Merkmal von OMC-Items besteht darin, dass jede der möglichen Antwortmöglichkeiten in einem OMC-Item mit dem Entwicklungsstand des Schülerverständnisses verknüpft ist, was die diagnostische Interpretation der Antworten der Schüleritems erleichtert. OMC-Items versuchen, die Validitätsvorteile von offenen Items mit den Effizienzvorteilen von Multiple-Choice-Items zu kombinieren. Einerseits liefern OMC-Items Informationen über das Entwicklungsverständnis von Schülerinnen und Schülern, die mit herkömmlichen Multiple-Choice-Items nicht verfügbar sind, andererseits können diese Informationen im Gegensatz zu traditionellen Open-Choice-Items schnell und zuverlässig an Schulen, Lehrkräfte und Schüler weitergegeben werden. beendete Testobjekte.

QUELLE: Briggs, Alonzo, Schwab und Wilson (2004). Entwickelt von WestEd in Zusammenarbeit mit dem BEAR Center der University of California, Berkeley, mit NSF-Unterstützung (REC-0087848). Nachdruck mit Genehmigung.

KASTEN 5-8
Fortschrittsleitfaden zum Auftrieb

Auftrieb: WTSF

Fortschrittsleitfaden

Was der Schüler bereits weiß

Was der Schüler lernen muss

Relative Dichte

Der Schüler weiß, dass das Schweben davon abhängt, eine geringere Dichte als das Medium zu haben, oder zumindest, dass das Schweben in irgendeiner Weise von der relativen Dichte abhängt. Erwähnt die Dichten des Objekts und des Mediums.

Der Schüler weiß, dass das Schweben von einer geringeren Dichte abhängt, oder zumindest, dass das Schweben in irgendeiner Weise mit der Dichte zusammenhängt.

Um zur nächsten Stufe zu gelangen, muss der Schüler erkennen, dass das Medium eine ebenso wichtige Rolle bei der Bestimmung spielt, ob ein Objekt sinkt oder schwimmt.

Masse und Volumen

Der Schüler weiß, dass das Schwimmen davon abhängt, weniger Masse und mehr Volumen zu haben, oder weiß zumindest, dass Masse und Volumen zusammenwirken, um das Schwimmen und Sinken zu beeinflussen.

Um zur nächsten Stufe zu gelangen, muss der Schüler das Konzept der Dichte als eine Möglichkeit verstehen, Masse und Volumen in einer einzigen Eigenschaft zu kombinieren.

Konstrukt ist eindimensional (d. h. ein einzelnes zugrunde liegendes Merkmal, wie das Verständnis der Biologie, erklärt die Leistung bei einem Testobjekt). IRT-Modelle machen eine weitere Annahme, das heißt, die Wahrscheinlichkeit der beobachteten Antworten wird durch zwei Arten von nicht beobachtbaren Faktoren bestimmt, die Fähigkeit des Prüflings und Parameter, die die Items charakterisieren. Zur Schätzung dieser Parameter werden verschiedene mathematische Modelle verwendet. Wenn die Annahme der Undimensionalität nicht erfüllt ist, ist eine komplexere Version des Item-Response-Theorie-Modells und der multidimensionalen Item-Response-Theorie besser geeignet. Dieses Modell ermöglicht die Verwendung von Elementen, die mehr als ein Merkmal messen, wie z. B. sowohl das Verständnis der Biologie als auch das Verständnis der Chemie.

Der Schüler weiß, dass das Schwimmen davon abhängt, weniger Masse zu haben.

Der Schüler weiß, dass das Schweben davon abhängt, mehr Volumen zu haben.

Um zum nächsten Level zu gelangen, muss der Schüler erkennen, dass sich ENTWEDER Masse ODER Volumen darauf auswirken, ob ein Objekt sinkt oder schwimmt.

Unkonventionelle Funktion

Der Schüler denkt, dass das Schweben von einem unkonventionellen Merkmal abhängt, wie z. B. Form, Oberfläche oder Hohlheit.

Um zum nächsten Level zu gelangen, muss der Schüler seine Ideen in Bezug auf Masse und/oder Volumen überdenken. Hohlkörper haben beispielsweise viel Volumen, aber nicht viel Masse.

Der Schüler kümmert sich nicht um Eigenschaften oder Merkmale, um das Schweben zu erklären.

Um zum nächsten Level zu gelangen, muss sich der Schüler auf eine Eigenschaft oder ein Merkmal des Objekts konzentrieren, um zu erklären, warum es sinkt oder schwimmt.

Keine Antwort

Der Student versuchte nicht zu antworten.

Um zum nächsten Level zu gelangen, muss der Schüler die Frage beantworten.

Der Student gab eine Antwort, die jedoch nicht für die Bewertung interpretiert werden kann.

QUELLE: http://www.caesl.org/conference/Progress_Guides.pdf. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung des Zentrums für Bewertung und Evaluation des Lernens von Studierenden.

In groß angelegten Bewertungsprogrammen ist es typisch, dass das Staatspersonal in Absprache mit dem Auftragnehmer für die Testentwicklung über das verwendete Messmodell entscheidet. Meistens wird es entweder die klassische Testtheorie oder eines der IRT-Modelle sein. Andere Modelle sind verfügbar (siehe zum Beispiel Kapitel 4 von NRC [2001b] für eine aktuelle Übersicht), obwohl diese hauptsächlich auf Forschungsstudien und nicht auf groß angelegte Anwendungen beschränkt waren. Die Entscheidung, welches Messmodell zu verwenden ist, basiert im Allgemeinen auf Informationen des Staates über die Schlussfolgerungen, die er mit Testergebnissen unterstützen möchte, und auf dem Modell, das der Auftragnehmer typischerweise verwendet, um ähnliche Ziele zu erreichen.

KASTEN 5-9
Bewertungsrubrik für chemische Tests in Delaware

Frage I: Ihre Mischung besteht aus drei Chemikalien, mit denen Sie in dieser Einheit gearbeitet haben. Sie haben möglicherweise nicht die gleiche Mischung wie Ihr Nachbar. Beobachten Sie Ihre unbekannte Mischung mit zwei oder mehr Sinnen. Nennen Sie mindestens drei physikalische Eigenschaften, die Sie beobachtet haben. Die Mischung nicht schmecken.

Diese Frage misst die Fähigkeit der Schüler, die physikalischen Eigenschaften einer Mischung zu beobachten und aufzuzeichnen.

Kriterium für eine vollständige Antwort:

Identifiziert und zeichnet drei verschiedene physikalische Eigenschaften mit zwei oder mehr Sinnen auf, z. B. fühlt sich weich an, wie ein Puder, holprig, weiß, hat Kristalle usw.

Vollständige Antwort

Antwort erfüllt das obige Kriterium.

Listet drei Eigenschaften auf und enthält eine bestimmte Substanz, z. B. Zucker.

Teilweise richtige Antwort

Zeichnet zwei verschiedene physikalische Eigenschaften mit einem oder mehreren Sinnen auf.

Zeichnet zwei verschiedene physikalische Eigenschaften mit einem oder mehreren Sinnen auf und fügt den Namen einer Chemikalie (Substanz) hinzu.

Falsche Antwort

Zeichnet eine physikalische Eigenschaft auf.

Identifiziert eher eine Substanz (Zucker) als irgendwelche Eigenschaften.

Jede andere falsche Antwort.

Keine Antwort

Durchgestrichen, gelöscht, unleserlich, unvollständig oder unmöglich zu interpretieren.

BEWERTUNG DER KOGNITIVEN GÜLTIGKEIT DER BEWERTUNG

Pädagogen, politische Entscheidungsträger, Studenten und die Öffentlichkeit wollen wissen, dass die Schlussfolgerungen, die aus den Ergebnissen naturwissenschaftlicher Tests gezogen werden, gerechtfertigt sind. Um die kognitive Validität von naturwissenschaftlichen Leistungstests zu untersuchen, haben Shavelson und Kollegen (Ayala, Yin, Shavelson und Vanides 2002, Ruiz-Primo, Shavelson, Li und Schultz 2001) eine Strategie zur Analyse naturwissenschaftlicher Tests entwickelt, um festzustellen, was sie messen. Der gleiche Prozess kann verwendet werden, um staatliche Standards zu analysieren und zu vergleichen, was eine Bewertung mit den Lernzielen eines Staates für das Lernen der Schüler misst.

Im Zentrum des Prozesses steht ein heuristischer Rahmen zur Konzeptualisierung der

Konstrukt der wissenschaftlichen Leistung, das aus vier verschiedenen, sich jedoch überschneidenden Arten von Wissen besteht. Die Wissenstypen sind:

Deklaratives Wissen ist Wissen was–zum Beispiel Kenntnis von Fakten, Definitionen oder Regeln.

Verfahrenstechnisches Wissen ist zu wissen, wie man eine Gleichung löst, einen Test zur Identifizierung einer Säure oder Base durchführt, eine Studie entwirft, die Schritte identifiziert, die bei anderen Aufgaben erforderlich sind.

Schaltplankenntnisse ist zu wissen, warum&mdash zum Beispiel warum Objekte sinken oder schwimmen oder warum sich die Jahreszeiten ändern&mdashand enthält Prinzipien oder andere mentale Modelle, die verwendet werden können, um eine Reihe von Ergebnissen zu analysieren oder zu erklären.

Strategisches Wissen ist zu wissen, wie und wann man sein Wissen in einer neuen Situation oder beim Aufnehmen neuer Informationen anwenden kann&mdash zum Beispiel, Problemlösungsstrategien zu entwickeln, Ziele zu setzen und das eigene Denken bei der Herangehensweise an eine neue Aufgabe oder Situation zu überwachen.

Unter Verwendung einer Interaktionsperspektive von Prüfling und Test, um zu erklären, wie Schüler ihr Wissen einbringen und anwenden, um Prüfungsfragen zu beantworten, entwickelten die Forscher eine Methode, um Prüfungsaufgaben logisch zu analysieren und sie mit dem Leistungsrahmen von Wissenstypen zu verknüpfen (Li, 2001). Jedes Item in einem Test durchläuft eine Reihe von Analysen, die darauf abzielen, festzustellen, ob das Item Antworten hervorruft, die mit dem, was die Bewertung messen soll, übereinstimmen, und ob die Antworten, die sie hervorrufen, interpretiert werden können, um beabsichtigte Schlussfolgerungen zu stützen, dass die Gutachter hofft, aus den Ergebnissen schöpfen zu können.

Li, Shavelson und Kollegen (Li, 2001 Shavelson und Li, 2001 Shavelson et al., 2004) wendeten diesen Rahmen bei der Analyse der naturwissenschaftlichen Teile der Third International Mathematics and Science Study&mdashRepeat (TIMMS-R) (Population 2) und der Delaware . an Testprogramm für Studenten. Sie fanden heraus, dass beide Tests stark auf deklarativem Wissen gewichtet waren, und das fast 60 Prozent. Die restlichen Items wurden in prozedurales und schematisches Wissen aufgeteilt. Die Forscher analysierten auch die wissenschaftlichen Inhaltsstandards von Delaware anhand des Leistungsrahmens und stellten fest, dass die staatlichen Standards stärker auf schematisches Wissen gewichtet waren als die Bewertung und dass die Bewertung die in den staatlichen Standards enthaltenen kognitiven Prioritäten nicht angemessen repräsentierte. Diese Ergebnisse führten zu Änderungen im staatlichen Testprogramm und zur Entwicklung eines starken lehrplanbezogenen Bewertungssystems zur Verbesserung des Lernens der Schüler, das den staatlichen Test ergänzt und zusätzliche Informationen über die naturwissenschaftlichen Leistungen der Schüler liefert (persönliche Mitteilung, Rachel Wood).

ENTWICKLUNGSBEWERTUNG UM DAS LERNEN AUFBAUEN

Das Komitee beauftragte zwei Designteams mit Wissenschaftlern, Naturwissenschaftlern und Experten mit Kenntnissen darüber, wie Kinder Naturwissenschaften lernen, um

schlagen Wege vor, wie die Forschung über das Lernen von Kindern genutzt werden kann, um groß angelegte Bewertungen auf nationaler und bundesstaatlicher Ebene zu entwickeln, und Klassenzimmerbewertungen, die damit kohärent sind. Die Teams wurden gebeten, zu prüfen, wie Werkzeuge und Strategien aus der Forschung zum kindlichen Lernen genutzt werden könnten, um neue Ansätze zur Ausarbeitung von Standards und zur Gestaltung und Interpretation von Assessments zu entwickeln.

Jedes Team wurde gebeten, einen Lernfortschritt für eine wichtige Theorie oder große Idee in den Naturwissenschaften zu entwerfen. Der Lernfortschritt sollte auf experimentellen Studien, kognitiver Theorie und logischer Analyse der Konzepte, Prinzipien und Theorie basieren. Die Teams wurden gebeten, Wege zu prüfen, wie der Lernfortschritt genutzt werden könnte, um Strategien zu entwickeln, um das Verständnis der SchülerInnen für die Grundlagen der Theorie sowie ihr Verständnis der Theorie selbst zu beurteilen. Die Bewertungsstrategien (sofern sie sie entwickelt haben) sollten entwicklungsorientiert sein, d. h. das zunehmend komplexere Verständnis der Schüler der verschiedenen Schichten der Theoriegrundlage in einer Reihenfolge testen, in der die Kognitionswissenschaft nahelegt, dass eine Entwicklung vernünftigerweise erwartet werden kann. Die Arbeit dieser beiden Gruppen ist im Folgenden zusammengefasst. Kopien ihrer Papiere sind unter http://www7.nationalacademies.org/bota/Test_Design_K-12_Science.html erhältlich.

Implikationen der Forschung zum Lernen von Kindern für die Bewertung: Materie und Atom-Molekular-Theorie 9

Dieses Team nutzte Forschungen zu Kindern, die über die Natur von Materie und Materialien, wie sich Materie und Materialien verändern, und die atomare Struktur von Materie 10 lernten, um einen Prozess zur Entwicklung von Bewertungen zu veranschaulichen, die die Forschung darüber widerspiegeln, wie Schüler diese wissenschaftlichen Konzepte lernen und ihr Verständnis für diese wissenschaftlichen Konzepte entwickeln.

Ihr erster Schritt bestand darin, die Schlüsselkonzepte der atomaren Molekültheorie um sechs große Ideen herum zu organisieren, die zwei große Cluster bilden: Die ersten beiden bilden a makroskopische Ebene Cluster und die letzten vier bilden an atommolekularer Ebene Cluster (Kasten 5-10 enthält weitere Einzelheiten zu diesen Konzepten). Die Atom-Molekül-Theorie führt die zuvor untersuchten makroskopischen großen Ideen aus und liefert tiefere Erklärungen zu makroskopischen Eigenschaften und Phänomenen.

Anhand von Forschungen zum Lernen von Kindern identifizierte das Team Wege&mdashLernfortschritteDies würde den Weg nachzeichnen, dem Kinder möglicherweise folgen könnten, da Anweisungen ihnen helfen, von naiven Ideen zu einem ausgefeilteren Verständnis der atomaren Molekültheorie zu gelangen. Die Gruppe stellte fest, dass die Forschung auf die Herausforderungen hinweist

Für das Komitee erstelltes Papier von Carol Smith, Marianne Wiser, Andy Anderson, Joe Krajcik und Brian Coppola (2004).

Diese Ideen sind in beiden Benchmarks für Wissenschaftskompetenz (AAAS, 1993) und Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht (NRZ, 1996).

KASTEN 5-10
Atommolekulare Theorie

Die Fähigkeit von Kindern, die Macht der Atomtheorie zu schätzen, erfordert eine Reihe von verwandten Verständnissen über die Natur von Materie und Materialarten, wie sich Materie und Materialien verändern und die atomare Struktur der Materie. Diese Verständnisse sind in den Standarddokumenten detailliert beschrieben. Smithet al. (2004) organisieren sie um sechs große Ideen herum, die zwei große Cluster bilden: die ersten beiden bilden a makroskopische Ebene Cluster und die letzten vier bilden an atommolekularer Ebene Cluster. Der erste Cluster wird in den ersten Jahrgangsstufen eingeführt und während der gesamten Schulzeit ausgearbeitet. Die zweite wird in der Mittelschule eingeführt und in der Mittelschule und in der Oberstufe ausgearbeitet. Die Atom-Molekül-Theorie führt die zuvor untersuchten makroskopischen großen Ideen aus und liefert tiefere Erklärungen zu makroskopischen Eigenschaften und Phänomenen.

Sechs große Ideen der atomaren Molekültheorie, die zwei große Cluster bilden

Makroskopische Eigenschaften: Wir können die Objekte und Materialien, aus denen die Welt besteht, durch Messung, Klassifizierung und Beschreibung nach ihren Eigenschaften lernen.

Makroskopische Konservierung: Materie kann durch physikalische und chemische Prozesse umgewandelt, aber nicht erzeugt oder zerstört werden.

Atommolekulare Theorie: Alle Materie, die uns auf der Erde begegnet, besteht aus weniger als 100 Arten von Atomen, die gewöhnlich in Molekülen und Netzwerken miteinander verbunden sind.

Atommolekulare Erklärung von Materialien: Die Eigenschaften von Materialien werden durch die Natur, Anordnung und Bewegung der Atome und Moleküle bestimmt, aus denen sie bestehen.

Atommolekulare Erklärung von Transformationen: Veränderungen in der Materie beinhalten sowohl Veränderungen als auch zugrundeliegende Kontinuitäten in Atomen und Molekülen.

Unterscheidung von Daten von atomar-molekularen Erklärungen: Die Eigenschaften und Veränderungen von Atomen und Molekülen müssen von den makroskopischen Eigenschaften und Phänomenen unterschieden werden, für die sie verantwortlich sind.

der Bewegung durch die Progressionen inhärent, da sie makroskopisches Verständnis von Materialien und Substanzen sowie nanoskopisches Verständnis von Atomen und Molekülen beinhalten. Box 5-11 enthält diese Weiterentwicklungen, wie sie von diesem Designteam konzipiert wurden. Das Team bietet die folgenden Vorbehalte zu diesem Fortschritt. Erstens sind Lernfortschritte nicht unvermeidlich und es gibt keine richtige Reihenfolge&mdass Kinder lernen, viele Veränderungen finden gleichzeitig auf vielfache, miteinander verbundene Weise statt, nicht unbedingt in der eingeschränkten und geordneten Form

KASTEN 5-11
Die Konzepte und Grundideen der atomar-molekularen Theorie veranschaulichen einen möglichen Lernfortschritt

Erfahrungen mit einem breiteren Spektrum von Materialien und Phänomenen. Kinder erweitern ihre Erfahrungen mit Materialien, Materialeigenschaften und Materialveränderungen. Neue Erfahrungen helfen ihnen oft, die Grenzen ihrer früheren Ideen zu erkennen und neue Ideen zu akzeptieren, die für ein breiteres Spektrum von Phänomenen verantwortlich sind.

Zunehmende Raffinesse beim Beschreiben, Messen und Klassifizieren von Materialien. Kinder lernen die Grenzen ihrer Sinneseindrücke kennen und beherrschen den Umgang mit einem breiteren Instrumentarium zur Messung und Klassifizierung von Materialeigenschaften und Materialveränderungen. Sie werden sich der Eigenschaften von Materialien bewusst, die sich durch zufällige Beobachtung nicht ergeben, und lernen, diese zu messen. Sie werden sich auch der Zusammensetzung vieler Materialien bewusst und verstehen, dass selbst homogene Materialien Stoffgemische sind, einschließlich verschiedener Elemente und Verbindungen.

Entwicklung von Kausalrechnungen mit Fokus auf Materie und Masse. Kinder bewegen sich von Erklärungen von Veränderungen als Ereignisse, die durch Bedingungen oder Umstände verursacht werden, zu Erklärungen, die sich auf Mechanismen der Veränderung und auf das Aufspüren von Stoffen durch Veränderungen konzentrieren. Sie erkennen, dass die Masse ein grundlegendes Maß für die Menge von Materie ist, so dass Massenänderungen in Bezug auf den Eintritt oder Austritt von Materie in ein System berücksichtigt werden müssen. Sie lernen, dass Gase Materieformen wie Festkörper und Flüssigkeiten sind, daher haben Gase eine Masse und können verwendet werden, um ansonsten unerklärliche Massenänderungen zu erklären.

wie es in einem Lernfortschritt erscheint. Zweitens ist jeder Lernfortschritt schlussfolgernd oder hypothetisch, da es keine Langzeitstudien über tatsächliche Kinder gibt, die ein bestimmtes Konzept lernen, und es schwierig ist, die Argumentation der Schüler zu beschreiben, da unterschiedliche Forscher unterschiedliche Methoden und konzeptionelle Rahmen verwendet haben.

Um Assessments zu entwerfen, um den Fortschritt der Schüler während dieses Lernfortschritts zu erfassen, schlug das Team einen dreistufigen Prozess vor:

Kodifizieren Sie die großen Ideen in Lernleistungen: Arten von Aufgaben oder Aktivitäten, die für den Unterricht geeignet sind, durch die Schüler ihr Verständnis für große Ideen und wissenschaftliche Praktiken demonstrieren können.

Verwenden Sie die Lernleistungen, um Cluster von Bewertungsaufgaben oder -elementen zu entwickeln, einschließlich traditioneller und nicht traditioneller Elemente, die (a) mit Prinzipien in den Standards verbunden und (b) mit psychometrischen Instrumenten analysierbar sind.

Verwenden Sie Forschung zum Lernen von Kindern als Grundlage für die Interpretation von Schülern

Zunehmende theoretische Tiefe. Kinder entwickeln Berichte über Eigenschaften von Materie und Veränderungen in der Materie, die verstärkt von versteckten Mechanismen und der Atom-Molekül-Theorie Gebrauch machen. Sie sind zunehmend in der Lage, alle sechs großen Ideen (oben aufgelistet) zu nutzen und Konten zu entwickeln, die vier verschiedene Beschreibungsebenen koordinieren:

Eindrücke oder Wahrnehmungserscheinungen&mdashwas wir sehen und fühlen&mdashare im Zusammenhang mit

Messbare Eigenschaften oder Variablen&mdashMasse, Volumen, Dichte, Temperatur, Druck usw.&mdashdie sich auf beziehen

Bestandteile und chemischen Substanzen und schließlich zu

Die Atome und Moleküle aus denen diese Stoffe bestehen.

Während der gesamten Grundschulzeit arbeiten die Schüler daran, die ersten beiden Stufen zu koordinieren, während sie auf der Grundlage sorgfältiger Messungen ein solides makroskopisches Verständnis von Materie und Materialien entwickeln. Von der Mittelschule an koordinieren sie alle vier Ebenen, während sie ein Verständnis der Atom-Molekül-Theorie und ihrer breiten Erklärungskraft entwickeln.

Verstehen der Natur und Verwendung wissenschaftlicher Beweise und Theorien. Kinder lernen, zwischen Daten und Modellen oder Theorien zu unterscheiden, mit denen viele verschiedene Beobachtungen und Erfahrungen erklärt werden können. Sie werden zunehmend in der Lage, Argumente zu entwickeln und zu kritisieren, die eine koordinierte Verwendung von Daten und Theorien beinhalten. Sie werden auch in ihrem Verständnis von Unsicherheitsquellen und in ihrer Fähigkeit, bedingte und hypothetische Argumentation zu verwenden, immer ausgefeilter.

Antworten und erklärt, wie die Antworten das Denken der Schüler in Bezug auf große Ideen und Lernfortschritte offenbaren.

Bei der Erstellung von Beispielen zur Veranschaulichung ihres Prozesses legte das Team bei jedem Schritt des Entwicklungsprozesses seine Argumente dar&mdash von nationalen Standards über ausgearbeitete Standards bis hin zu Lernleistungen zu Bewertungselementen und Interpretationen&mdass zu den Beiträgen, die die Forschung zum Lernen von Kindern in jedem Schritt leisten kann. Dabei verdeutlichen sie, warum sie glauben, dass mit diesen Methoden entwickelte Klassenzimmer- und groß angelegte Assessments drei wichtige Eigenschaften aufweisen, die in den meisten aktuellen Assessments fehlen:

Klare Grundsätze für die Inhaltsabdeckung. Da die Bewertungen um große Ideen herum organisiert sind, die in wissenschaftlichen Schlüsselpraktiken und -inhalten enthalten sind, sind ihre Organisation und ihr Bezug zu den Themen des Lehrplans klar. Statt stichprobenartig oder willkürlich aus einer Vielzahl von Einzelstandards zu ziehen, bewerten Sie

Die mit diesen Methoden entwickelten Methoden können vorhersehbar Elemente enthalten, die das Verständnis der Schüler für die großen Ideen und wissenschaftlichen Praktiken bewerten.

Klare Beziehungen zwischen Standards und Bewertungselementen. Da die Argumentation und die Methoden, die in jeder Phase des Entwicklungsprozesses verwendet werden, eindeutig sind, sind die Interpretation von Standards und die Beziehungen zwischen Standards und Bewertungspunkten klar. Der Zusammenhang zwischen Standards und Bewertungspunkten wird explizit gemacht und ist somit leicht überprüfbar.

Einblicke in die Denkweise der Schüler geben. Die Bewertungen und ihre Ergebnisse helfen den Lehrern, das Denken ihrer Schüler zu verstehen und darauf zu reagieren. Zu diesem Zweck ist die Interpretation der Schülerantworten von entscheidender Bedeutung, und zuverlässige Interpretationen erfordern eine Forschungsgrundlage. Daher ist die Entwicklung von Gegenständen, die das Denken von Schülern offenbaren, für die Materie und die atomare Molekültheorie viel einfacher als für andere Themen mit weniger umfangreichen Forschungsgrundlagen.

Diese Gruppe zeigt zwar die Schlüsselrolle, die die Lernforschung bei der Gestaltung hochwertiger naturwissenschaftlicher Assessments spielen kann, weisen jedoch darauf hin, dass für Assessoren, deren Hauptanliegen Evaluierung und Rechenschaftspflicht sind, diese Eigenschaften möglicherweise nicht so wichtig erscheinen wie einige andere Eigenschaften, wie z Effizienz und Zuverlässigkeit. Sie kommen jedoch zu dem Schluss, dass Assessments mit diesen Qualitäten für die langfristige Verbesserung des naturwissenschaftlichen Assessments unerlässlich sind.

Evolutionsbiologie 11

Während die Bedeutung der Einbeziehung von Forschungsergebnissen über das Lernen von Schülern in die Bewertungsentwicklung allgemein anerkannt ist, ist die Forschung in vielen Bereichen des naturwissenschaftlichen Lernens unvollständig. Das Designteam, das sich mit der Evolutionsbiologie befasste, argumentierte jedoch, dass es ungerechtfertigt wäre, darauf zu warten, dass die Forschung alle Lücken schließt. Um zu veranschaulichen, warum Warten möglicherweise nicht erforderlich ist, entwickelte das Team einen Ansatz für die Erstellung von Schlussfolgerungen über das Lernen von Schülern, der eine zeitgemäße Sicht der Bewertung anwendet und die Lerntheorie nutzt. Ihr Ansatz besteht darin, mithilfe der Lerntheorie klarer zu identifizieren, was bewertet werden sollte und welche Aufgaben oder Bedingungen Hinweise auf das Verständnis der Schüler geben könnten, damit Rückschlüsse auf das Wissen der Schüler gut begründet sind. Der Ansatz hat drei Komponenten.

Erstens verlassen sich Assessment-Entwickler in einem auf Standards basierenden Bildungssystem auf Standards, um zu definieren, was die Schüler wissen sollten (die Konstrukte), aber Standards verschleiern oft die wichtigen disziplinären Konzepte und Praktiken, die ihnen innewohnen. Um dies zu beheben, schlägt das Team vor, eine zentrale konzeptionelle Struktur um die großen Ideen der Standards herum zu entwickeln, um zu klären, was zu bewerten ist. Viele einzelne Standards können sich auf dasselbe beziehen

Für das Komitee erstelltes Papier von Kefyn Catley, Brian Reiser und Rich Lehrer (2005).

große Idee, so dass die Fokussierung auf sie ein Mittel ist, Standards zu verdichten. Idealerweise wird eine große Idee während der gesamten Schulzeit wiederholt, so dass das Wissen des Schülers nach und nach verfeinert und ausgearbeitet wird. Diese Praxis vereinfacht möglicherweise die Abstimmung zwischen Lehrplan und Bewertung, da beide an die gleichen Konstrukte gebunden sind.

Das Team setzt sich auch dafür ein, dass große Ideen mit festem Blick auf zukünftige Entwicklungspfade ausgewählt werden. Sie stellen fest, dass diese manchmal aus der Lernforschung verfügbar sind, aber in der Regel auch auf die Meinungen von Meisterlehrern sowie auf inspirierte Vermutungen zurückgreifen, um Lücken in der Forschungsbasis zu schließen.

Zweitens sind Standards ausgerichtet mit den großen Ideen, damit sie im Kontext zentralerer Ideen betrachtet werden können. Diese Praxis ist ein weiteres Mittel, um Standards zu beschneiden, und es ist ein Weg, Kohärenz zwischen einzelnen Standards zu entwickeln.

Drittens werden Standards ausgearbeitet als Lernleistungen. Wie bereits beschrieben, beschreiben Lernleistungen spezifische kognitive Prozesse und damit verbundene Praktiken, die mit dem Erreichen bestimmter Standards verbunden sind, und helfen so, die Auswahl von Situationen für die Erfassung von Verständnisnachweisen sowie Hinweise auf die Bedeutung der Nachweise zu lenken.

Das Team illustriert seinen Ansatz, indem es eine Kartographie großer Ideen und damit verbundener Lernleistungen für die Evolutionsbiologie für die ersten acht Schuljahre entwickelt. Die Kartografie zeichnet die Entwicklung von sechs verwandten großen Ideen nach, die das Verständnis der Evolution von Schülern unterstützen. Die erste und wichtigste ist die Vielfalt: Warum ist das Leben so vielfältig? Die anderen Kernkonzepte spielen eine unterstützende Rolle: (a) Ökologie, (b) Struktur-Funktion, (c) Variation, (d) Wandel und (e) geologische Prozesse. Zusätzlich zu diesen disziplinären Konstrukten sind zwei wesentliche Denkgewohnheiten enthalten: mathematische Werkzeuge, die das Denken über diese großen Ideen unterstützen, und Formen des Denkens, die häufig in Evolutionsstudien verwendet werden, insbesondere modellbasiertes Denken und vergleichende Analyse. In jedem der drei Klassenstufen (K&ndash2 3&ndash5, 6&ndash8) werden vom National Research Council (1996) und der American Association for the Advancement of Science (1993) entwickelte Standards erarbeitet, um Lernleistungen zu umfassen. Mit fortschreitender Schulbildung spiegeln diese Lernleistungen eine zunehmende Koordination und Konnektivität zwischen den großen Ideen wider. Beispielsweise wird Diversität zunächst einfach als eine vorhandene Qualität der Lebenswelt behandelt, aber im Laufe der Schulzeit durch den Rückgriff auf Konzepte erklärt, die sich aus dem Lernen der Schüler über Struktur-Funktion, Variation, Wandel, Ökologie und Geologie entwickeln.

Das Team wählte dieses Thema wegen seiner entscheidenden und verbindenden Rolle in den biologischen Wissenschaften und weil das Erlernen der Evolution eine Synthese und Koordination zwischen einem Netzwerk verwandter Konzepte und Praktiken erfordert, die von Genetik und Ökologie bis hin zu Geologie reichen, damit wahrscheinlich ein Verständnis der Evolution entsteht über die Schuljahre hinweg. Daher wird das Erlernen der Evolution progressiv sein und die Koordination zwischen ansonsten getrennten Disziplinen beinhalten (im Gegensatz dazu könnte man über Ökologie oder Geologie lernen, ohne ihre Rolle in der Evolution zu berücksichtigen). Im Gegensatz zu anderen Bereichen des naturwissenschaftlichen Unterrichts war die Evolution nicht

grob recherchiert. Der Bereich stellt diejenigen vor erhebliche Herausforderungen, die die Wege beschreiben möchten, über die sich das Lernen in diesem Bereich entwickeln könnte, die die Bewertung leiten könnten. Somit diente die Evolution als Testumgebung für den Ansatz.

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Die Gestaltung hochwertiger naturwissenschaftlicher Bewertungen ist ein wichtiges, aber schwer zu erreichendes Ziel. Wie in Kapitel 3 erörtert, müssen wissenschaftliche Bewertungen auf das Wissen, die Fähigkeiten und die Denkgewohnheiten abzielen, die für die wissenschaftliche Bildung notwendig sind, und müssen aktuelle wissenschaftliche Kenntnisse und Erkenntnisse in einer Weise widerspiegeln, die genau und in Übereinstimmung mit der Art und Weise ist, wie Wissenschaftler die Welt verstehen . Es muss das Verständnis der Schüler von Naturwissenschaften als Inhaltsbereich und ihr Verständnis von Naturwissenschaften als Ansatz bewerten. Es muss auch nachweisen, dass die Studierenden ihr Wissen angemessen anwenden können und dass sie auf ihren vorhandenen Kenntnissen und Fähigkeiten so aufbauen, dass sie zu einem umfassenderen Verständnis der wichtigsten Prinzipien und großen Ideen der Wissenschaft führen. Hinzu kommt die Herausforderung, dass die wissenschaftliche Kompetenz vielschichtig ist und keinem einzigen Weg folgt. Wissenschaftliche Kompetenz entwickelt sich eher wie eine ökologische Sukzession, bei der Veränderungen auf vielfache Weise gleichzeitig stattfinden. Die wissenschaftliche Bewertung muss diese Komplexitäten berücksichtigen und gleichzeitig professionelle technische Standards für Zuverlässigkeit, Validität und Fairness für die Zwecke erfüllen, für die die Ergebnisse verwendet werden.

Der Ausschuss kommt daher zu dem Schluss, dass das Ziel der Entwicklung hochwertiger naturwissenschaftlicher Assessments nur durch die gemeinsamen Bemühungen von Wissenschaftlern, Naturwissenschaftspädagogen, Entwicklungs- und Kognitionspsychologen, Lernexperten und Bildungsmessspezialisten erreicht werden kann, die nicht getrennt voneinander zusammenarbeiten. Die Erfahrungen der in diesem Kapitel beschriebenen Designteams und zahlreiche Erkenntnisse anderer NRC-Komitees (NRC, 1996, 2001b, 2002) unterstützen diese Schlussfolgerung. Kommerzielle Testunternehmen haben im Allgemeinen nicht den Vorteil dieser unterschiedlichen Perspektiven, da sie Bewertungsinstrumente für Staaten erstellen. Aus diesem Grund schlagen wir im nächsten Kapitel vor, dass die Länder eigene inhaltsspezifische Beiräte bilden, um die mit der Arbeit mit den Auftragnehmern beauftragten staatlichen Mitarbeiter zu unterstützen. Diese Gremien können Staaten hinsichtlich der Angemessenheit von Bewertungsstrategien und der Qualität und Genauigkeit der Elemente und Aufgaben beraten, die in extern entwickelten Tests enthalten sind.

FRAGEN FÜR STAATEN

In diesem Kapitel wurden Denkweisen über das Design von naturwissenschaftlichen Bewertungen beschrieben, die auf Bewertungen auf allen Ebenen des Systems angewendet werden können. Wir bieten die folgenden Fragen an, um Staaten bei der Bewertung ihrer Ansätze zur Entwicklung von Wissenschaftsbewertungen zu unterstützen:


Ergebnisse

Modellentwicklung und Datenanpassung

Die maximalen Log-Likelihood-Werte für jedes Modell und jede Maus sind in Tabelle C1 angegeben. Unter Verwendung des Likelihood-Ratio-Tests wurde Modell 7 als das beste Modell für 10 der 13 Mäuse ausgewählt. Die drei, für die Modell 7 nicht die beste Anpassung war, hatten jeweils Modell 8 als beste Anpassung, wiesen jedoch Schätzungen der maximalen Wahrscheinlichkeit der Gametozytenkonversionsraten auf, die nicht leicht mit den veröffentlichten Werten in Einklang gebracht werden können (AS 10 5 Maus 1, $g=0,3$ AS 10 5 Maus 3, $g=0,19$ AS 10 6 Maus 2, $g=0,197$ ). Empirische Schätzungen der Gametozytenkonversionsraten sind schwer zu erhalten, da nur das Endprodukt dieses Prozesses gezählt werden kann und das Immunsystem reifende Gametozyten schnell entsorgen kann (Taylor und Read 1997). Stattdessen haben einige Studien den täglichen Anteil der gesamten Parasiten (Gametozyten und Merozoiten), die Gametozyten sind, gemessen (Buckling et al. 1999 Shutler et al. 2005). Dies ist ein vernünftiger Proxy für die Konversionsrate, wenn keine Hinweise auf eine starke, gametozytenspezifische Immunantwort vorliegen, wenn man die relativ lange Lebensdauer von Gametozyten im Blutkreislauf im Vergleich zu Merozoiten bedenkt (die Halbwertszeit der Gametozyten wird auf 8 h für geschätzt). Männer und 16 Stunden für Frauen Reece et al. 2003). Bei experimentellen Infektionen mit dem Plasmodium chabaud Klon DK machen Gametozyten unter normalen Bedingungen etwa 1 – 2 % aller zirkulierenden Parasiten aus und machen selbst bei maximaler Dichte nicht mehr als 10 % aus (Shutler et al. 2005). Bei maximaler Stimulation ist es möglich, dass Konversionsraten Werte über 0,1 erreichen, aber es gibt keine empirischen Beweise dafür, dass diese hohen Raten während der Dauer der akuten Infektionsphase aufrechterhalten werden, daher schließen wir Modell 8 für diese Mäuse aus. Das nächstbeste Modell für jede dieser drei Mäuse war Modell 7, daher haben wir dieses Modell für den Rest der Analysen als das am besten geeignete Modell für diese Mäuse genommen. Keine unserer Schlussfolgerungen über Inokulumgröße oder Kloneffekte ändert sich qualitativ, wenn wir stattdessen Modell 8 wählen.

Die Best‐Fit‐Kurven für alle Mäuse stimmen qualitativ gut mit den gemessenen Erythrozytendichten überein (siehe Abb. 2). Aus dem Best‐Fit‐Modell und den Parameterschätzungen generierten wir Vorhersagen für die Parasitendynamik, die zusammen mit experimentellen Daten in Abbildung 3 gezeigt sind. Da wir diese Daten nicht für die Anpassung verwendet haben, liefert das Modell eine gute qualitative Erklärung die Parasitendynamik, mit wenigen bemerkenswerten Ausnahmen. Für Maus 4 aus dem AS 10 5 -Experiment sagt das Modell unangemessen hohe Parasitendichten für den zweiten Peak voraus. Es gibt einen potentiellen Ausreißer bei den RBC-Messungen für diese Maus, der am Tag 10 nach der Inokulation auftritt. Wir haben diesen Datenpunkt weggelassen, das Modell neu angepasst und viel vernünftigere Vorhersagen für die Parasitendynamik gefunden (wie durch die blaue Linie in Abb. 2, 3 dargestellt). Wir bezeichnen diesen modifizierten Datensatz mit weggelassenem Ausreißer als Maus 4′. Auch für Maus 2 aus dem AS 10 6 -Experiment kann das Modell das Timing der Parasitenpeaks nicht erfassen. In diesem Datensatz gab es keine offensichtlichen Ausreißer bei den RBC-Messungen, aber die RBC-Dynamik sieht ganz anders aus als bei den anderen Mäusen in diesem Experiment. Insbesondere sinkt die Erythrozytendichte ungefähr 2 Tage später als bei den anderen Mäusen, trotz eines ähnlichen Timings bei den Parasitenpeaks, und die Erythrozytendichte zeigt nach dem zweiten Parasitenpeak keinen wirklichen Anstieg. Diese Maus wurde von der weiteren statistischen Analyse ausgeschlossen. Figur 2:

Experimentelle Daten und Best‐Fit‐Kurven für die Dynamik der roten Blutkörperchen. Kreise, beobachtete Werte durchgehende Linien, passt am besten. Infektionen sind entweder mit 10 5 AS-, 10 6 AS- oder 10 6 DK-Parasiten. Blaue Linie, Best‐Fit‐Kurve für Maus 4 im 10 5 AS‐Experiment mit einem Ausreißer (Tag 10) entfernt (bezeichnet als Maus 4′). Die Passform des Modells ist für alle Mäuse sehr gut. Anpassungsgütewerte für die AS 10 5 Impfung: Maus 1 = 388, Maus 3 = 134, Maus 4 = 739, Maus 5 = 134 für die AS 10 6 Impfung: Maus 1 = 824, Maus 3 = 581, Maus 4′ = 590, Maus 5 = 642 für die DK 10 6-Inokulation: Maus 1 = 610, Maus 2 = 866, Maus 3 = 727, Maus 4 = 368. Werte über 50 repräsentieren gute Anpassungen.

Experimentelle Daten und Simulationen der Parasitendynamik. Kreise, beobachtete Werte durchgehende Linien, Modellvorhersagen (nur unter Verwendung von Parametern, die an Daten der roten Blutkörperchen angepasst sind). Infektionen sind entweder mit 10 5 AS-, 10 6 AS- oder 10 6 DK-Parasiten. Blaue Linie, Modellvorhersagen für Maus 4 im 10 5 AS-Experiment, nachdem ein Ausreißer (Tag 10) entfernt wurde.

Statistische Analyse

Die Anpassungsgütewerte von Modell 7 für alle Mäuse sind in der Legende von Abbildung 2 angegeben und in Abbildung C1 grafisch dargestellt. Die Anpassungen waren für alle Mäuse sehr gut und alle Parameter waren für jede Maus signifikant. Die am besten passenden Parameter für Modell 7 sind für einzelne Mäuse in Tabelle C2 gezeigt, und Boxplots der geschätzten Parameterverteilungen sind in den Abbildungen C2 –C4 gezeigt.

Beim Vergleich der geschätzten Werte bestimmter Parameter innerhalb von Individuen sind einige Trends zu erkennen. Insbesondere werden Erythrozytendefizite unter anämischen Bedingungen tendenziell schneller ausgeglichen als bei normalen Erythrozytendichten (d. h. $ heta_<0>< heta_$ siehe Abb. C4). Darüber hinaus zeigt sich in diesen Verteilungen ein Aspekt der Bedeutung der Erythrozyten-Altersstruktur: Bei jedem Individuum ist die Invasionsrate voll ausgereifter Erythrozyten höher als bei Retikulozyten (d. h. $eta_< eta_$ siehe Abb. C2), oft um eine Größenordnung. Diese Invasionsraten kontrollieren Unterschiede in der Verfügbarkeit, so dass sie wirklich eine Präferenz für reife Erythrozyten darstellen. Trotz dieser Präferenz ist die Burst-Größe bei den meisten Individuen in Retikulozyten höher als in Normozyten (d. h. $omega _> omega_$ siehe Abb. C3).

Wirkung von Parasiten-Klon.

Durch die Zusammenführung der Daten von Einzelpersonen können wir die Verteilungen der Parameterschätzungen vergleichen, um zu sehen, welche Auswirkungen der Parasitenklon auf die Infektionsdynamik hat, und insbesondere zu versuchen, die Grundlage für die Virulenzunterschiede zwischen den DK (weniger virulent ) und AS (virulentere) Klone. Wir haben nur die Daten von Impfungen mit 10 6 Parasiten verglichen, um mögliche Auswirkungen auf die Impfgröße zu kontrollieren. Boxplots der gepoolten Verteilungen sind in Abbildung C5 dargestellt, und Medianwerte sind in Tabelle C3 aufgeführt. Tabelle 2 enthält geschätzte DK-Parameterwerte relativ zu den AS-Werten, und wir nehmen etwas willkürlich an, dass Unterschiede von mehr als 10 % des AS-Werts ein Hinweis auf einen Kloneffekt sind. Die mediane Invasionsrate von Retikulozyten ist für beide Klone ungefähr gleich, aber der AS-Klon hat eine höhere Invasionsrate von Normozyten als der DK-Klon. Auch die Medianwerte für die Burst-Size sind bei den AS-Parasiten höher als bei den DK-Parasiten, und dieser Unterschied ist bei Retikulozyten noch ausgeprägter als bei Normozyten. Die Mäuse in der mit AS infizierten Gruppe weisen eine langsamere Erythrozytenproduktion auf, sowohl bei normaler Erythrozytendichte als auch bei Anämie.

Mediane der gepoolten geschätzten Parameterverteilungen relativ zu AS 10

Hinweis: Wir gehen davon aus, dass eine Differenz von 10 % oder mehr ein Hinweis auf einen Effekt ist, wie durch X angezeigt.

Wirkung der Inokulumgröße.

Wir haben auch die Verteilungen der Parameterschätzungen verglichen, um zu sehen, welchen Einfluss die Inokulumgröße auf die Infektionsdynamik hat. Wir verglichen nur die Daten von Impfungen mit AS-Parasiten, um mögliche Kloneffekte zu kontrollieren. Boxplots der gepoolten Verteilungen sind in Abbildung C6 dargestellt, und Medianwerte sind in Tabelle C3 aufgeführt. Geschätzte Parameterwerte für das 105-Experiment relativ zu denen für das 106-Experiment sind in Tabelle 2 angegeben. Die Medianwerte der RBC-Invasionsrate und der Normozyten-Burst-Größe sind ungefähr gleich. Es gibt jedoch einen deutlichen Unterschied in den mittleren Retikulozyten-Burst-Größen, wobei die niedrige Inokulum-Größe fast doppelt so viele Merozite pro infiziertem Retikulozyt liefert wie die hohe Inokulum-Größe. Schätzungen der Erythrozyten-Produktionsraten sind bei der 10 6 Inokulumgröße höher als bei der 10 5 Inokulumgröße, sowohl bei normalen Erythrozytendichten als auch während Anämie.

Koinfektionsexperimente

Modellvorhersagen und experimentelle Daten aus Koinfektionsexperimenten sind in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt. Obwohl keine individuellen Variationen außer der anfänglichen Erythrozyten- und Parasitendichte zugelassen sind, bieten die Modellvorhersagen eine vernünftige qualitative Anpassung an die Daten, insbesondere für die frühe Phase des Parasiten Dynamik. Die vorhergesagten Spitzen und Täler in den RBC-Dichten haben eine ähnliche Amplitude wie die Daten, aber das Timing ist etwas anders. Dies ist besonders deutlich bei Mäusen 1 und 2, bei denen vorhergesagt wird, dass sich die Erythrozytendichten schneller erholen, als sie es tatsächlich tun. Dies deutet darauf hin, dass die Erythrozytenproduktion bei Mäusen mit Mischinfektionen langsamer ist als bei Mäusen mit Einzelklon-Infektion, da wir die Einzelklonparameterschätzungen verwendet haben, um diese Vorhersagen zu treffen. Trotz dieser Unterschiede sind die Vorhersagen der Parasitendichte sehr gut, da sie sowohl das richtige Timing von Peaks als auch die Größe der ersten Parasitenwelle vorhersagen. Modellvorhersagen und Daten beginnen nach dem ersten Peak zu divergieren, wobei das Modell den Grad des kompetitiven Ausschlusses des weniger virulenten DK-Klons durch den relativ virulenteren AS-Klon überschätzt. Figur 4:

Experimentelle Daten und Modellvorhersagen für die Dynamik der roten Blutkörperchen (RBC) in Konkurrenzexperimenten. Kreise, beobachtete Werte durchgehende Linien, Modellvorhersagen. Infektionen sind mit 10 6 AS- und 10 6 DK-Parasiten βR, βn,R, undn klonspezifisch sind und für die 10 6 Einzelklonexperimente auf die in Tabelle C2 aufgeführten Werte eingestellt sind, und θ0 und θEIN werden auf den Mittelwert der aus diesen Experimenten erhaltenen Werte gesetzt und wird auf 2 gesetzt, wie aus den AS 10 6 -Daten erhalten.

Experimentelle Daten und Modellvorhersagen zur Parasitendynamik in Konkurrenzexperimenten. rot, AS-Parasiten Blau, DK-Parasiten Kreise, beobachtete Werte durchgehende Linien, Modellvorhersagen. Die Parameter sind die gleichen wie in Abbildung 4.


2. Hintergrund

In diesem Abschnitt stellen wir zunächst Konzepte aus der biologischen Entwicklung vor, die als Inspiration für unseren Ansatz zur Inszenierung des Selbstorganisationsprozesses dienen. Als nächstes skizzieren wir ein abstraktes Modell für die Selbstorganisation und ihre stufenweise Erweiterung, das verwendet wird, um die algorithmische Natur des Selbstorganisationsprozesses zu untersuchen.Schließlich geben wir Beispiele für physische, inszenierte Systeme, um unseren Inszenierungsansatz gegenüberzustellen.

2.1 Biologische Entwicklung

Die biologische Entwicklung nutzt explizite Stufen, um eine Lösung für die Konstruktion vielzelliger Organismen bereitzustellen [36]. Die expliziten Stufen der biologischen Entwicklung, wie Einstülpung, Gastrulation und die Bildung eines Körperplans, sind oft irreversibel und können in späteren Stadien nicht wiederholt werden. Die stufenweise Entwicklung in der Natur ermöglicht die Bildung komplexerer Phänotypen, die sonst nicht möglich wären [36].

Von den Prozessen der biologischen Entwicklung konzentrieren wir uns auf Musterbildung und Morphogenese im Rahmen der hier vorgestellten Forschung. Musterbildung ist der Prozess, durch den ein räumliches und zeitliches Muster (Form oder Funktion) von Zellaktivitäten organisiert wird. Zum Beispiel ist die Musterbildung an der anfänglichen Körperplanung bei Embryonen beteiligt, was zur Schaffung eines koordinierten Systems auf der Grundlage von drei Achsen (anterior-posterior, dorsal-ventral und links-rechts in Bezug auf einen Körper) führt. Ein Mechanismus dafür, wie Zellen Positionsidentität und -wert (in Bezug auf eine Achse und Begrenzungsbeschränkungen) erlangen, ist die Verwendung eines diffundierenden Morphogen Gradient. Morphogenese ist ein Prozess, der zur 3D-Form eines Organismus führt (z Zellmigration in der Embryonalentwicklung).

In der biologischen Entwicklung resultiert das Staging aus Umweltfaktoren von Zellen, die die Aktivierung und Suppression verschiedener Genregulationsnetzwerke innerhalb von Zellen zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten auslösen. Es wurden Computermodelle für die evolutionäre Entwicklungsbiologie entwickelt [20], bei denen künstliche Evolution verwendet wird, um eine Lösung zu entwerfen und Entwicklung verwendet wird, um die Lösung zu konstruieren. Beispielsweise wurden in Software Strukturen entwickelt, die die Entwicklung und zelluläre Differenzierung modellieren, die sich bei Beschädigung selbst reparieren konnten [21].

2.2 Algorithmische Selbstorganisation

Eine Herausforderung bei der Schaffung selbstorganisierender Systeme ist die Verwendung fester Komponenten im Gegensatz zu Komponenten, die differenzieren und kommunizieren können (z. B. Zellen in biologischen Organismen). DNA-Nanotechnologie und DNA-Computing sind zwei Anwendungen mit festen Komponenten. Auf der Nanoskala gilt DNA aufgrund ihrer inhärenten Selbstorganisationseigenschaften als eines der vielversprechendsten Materialien für die Entwicklung der Nanotechnologie [30, 31]. Die DNA-Nanotechnologie wurde von Nadrian Seeman [25] erfunden, der erkannte, dass 3D-Gitter verwendet werden können, um Moleküle zu lenken, was ihre kristallographische Untersuchung vereinfacht. Eine Klasse von nanoskaligen Komponenten, DNA-Kacheln, wurden entwickelt, um Gitterstrukturen zu erzeugen [35]. DNA-Kacheln verwenden verwobene doppelsträngige DNA, um den quadratischen Körper einer Kachel zu erzeugen, und einzelne DNA-Stränge erstrecken sich von den Kanten des Körpers einer Kachel [35]. Beim DNA-Computing wird DNA manipuliert, um Formen (z. B. DNA-Kacheln) zu bilden, die interagieren und sich selbst zusammensetzen können, um physikalisch Funktionen zu berechnen [24]. Die Entwicklung von Mechanismen, die es dem Selbstmontageprozess ermöglichen, Zielstrukturen zu schaffen, sind erforderlich, um diese beiden Felder voranzubringen. Solche Mechanismen umfassen das Design von Komponenten (z. B. Form- und Bindungsdomänen), das Design von Umgebungen (z. B. stabile versus variable Bedingungen) und das Design von Wechselwirkungen (z. B. Verwendung von Beschränkungen, um Wechselwirkungen zwischen Komponenten zu diktieren). Die folgenden Selbstmontagemodelle werden bereitgestellt, um die theoretischen Fortschritte im Stufenbau zu überprüfen.

Erik Winfree hat die . erstellt abstraktes Kachelmontagemodell (aTAM), um den Prozess der Selbstorganisation zu untersuchen [34]. Das Ziel des aTAM war es, die Berechnung mit der Selbstorganisation durch Modellierung des pseudokristallinen Wachstums zu verknüpfen. Das aTAM bietet einen theoretischen Rahmen, um den schrittweisen Prozess der Selbstorganisation von 2D-DNA-Kacheln in einer quadratischen Gitterumgebung zu untersuchen, um eine Zielstruktur zu erzeugen. algorithmische Selbstorganisation [34]. Das aTAM wurde verwendet, um die algorithmische Konstruktion von Strukturen zu untersuchen, wie z n × n Quadrat (). Die Konstruktion eines Quadrats ist problematisch, da die Montage von Fliesen koordiniert werden muss, um das Auftreten von Löchern zu vermeiden.

Im aTAM wird ein Kacheltyp durch die Bindungsdomänen an den Nord-, West-, Süd- und Ostkanten einer Kachel definiert. Mindestens eine Saatkachel muss angegeben werden, um den Selbstmontageprozess zu starten. Kacheln können nicht gedreht oder gespiegelt werden. An einem Montageplatz in der wachsenden Struktur kann nicht mehr als ein Fliesentyp verwendet werden. Kacheltypen sind im Modell in unendlicher Menge in gleicher Konzentration vorhanden. Alle Kacheln werden derselben Umgebung hinzugefügt (Eintopf-Mischung). Eine Saatkachel wird zuerst in der quadratischen Gitterumgebung platziert, und zusätzliche Kacheln werden nacheinander hinzugefügt, wenn die Bindungsbeschränkungen erfüllt sind.

Im theoretischen Kontext des aTAM ist die Temperatur des Systems bestimmt, welche Fliesen sich selbst zusammenbauen können. Fliesen können sich nur selbst zusammenfügen, wenn die Bindungsdomänen den Temperaturparameter erfüllen oder überschreiten, . Im aTAM ist jede Bindungsdomäne a Stärke Wert . Bei Φ1 (Temperatur 1), jede Klebekraft von 1 oder höher reicht allein aus, um zwei Fliesen zusammenzubauen. Bei Φ2 (Temperatur 2) eine einfache Verklebung mit 1 Stärke reicht nicht aus, um zwei Fliesen miteinander zu verbinden. Daher sind mindestens zwei Bindungen der Stärke 2 erforderlich, um eine Fliese an die wachsende Struktur zu montieren. Als Ergebnis diktiert die Temperatur kooperative Bindung.

Die physikalische Realisierung von Φ2 fliesenbasierte Systeme haben sich als schwierig erwiesen (z. B. treten partielle Befestigungen zwischen Komponenten auf) und fortgesetzte Untersuchungen zu den Eigenschaften der Selbstmontage bei Φ1 erforderlich sind [23]. Zwei Erweiterungen des aTAM bei Φ1 umfassen die gestuftes Kachelmontagemodell (sTAM) und die eingeschränktes Modell für die Montage von Leimfliesen (rgTAM).

Der sTAM adressiert die Herausforderung, einen Satz fester Komponenten mit begrenzten Bindungsmechanismen (d. h. DNA-Kacheln) zu verwenden, indem er den Selbstorganisationsprozess in Zeitintervalle unterteilt, die auf den zeitlichen Aspekten der Durchführung von Laborexperimenten basieren [12]. Kacheln können zu einer Reihe von Umgebungen im sTAM hinzugefügt oder daraus entfernt werden. Diese abstrakten Vorgänge des Hinzufügens und Entfernens von Kacheln im sTAM basieren auf den Laborvorgängen des Hinzufügens und Filterns von DNA-basierten Komponenten zu und aus zusammenmischbaren Lösungen. Wie beim aTAM wurde der sTAM verwendet, um den algorithmischen Aufbau von vollständig verbundenen n × n Quadrate. Der sTAM hat eine algorithmische Effizienz mit minimalen Kachelsätzen und Bindungsmechanismen gezeigt (keine kooperative Bindung erforderlich, d. h. Φ1) beim Bau von vollständig verbundenen Quadraten. Diese Effizienz ist auf das Staging zurückzuführen und ist ein Vorteil gegenüber dem aTAM selbst, das auf kooperativen Bindungen bei Φ . beruht2 [29] oder andere Erweiterungen des aTAM durch Variation der Temperatur [18] oder durch Variation der Kachelkonzentration [1, 13].

Im Gegensatz zum sTAM, das auf Staging angewiesen ist, um den Selbstorganisationsprozess bei Φ . zu ermöglichen1, beruht die rgTAM auf eingeschränkten Leimstärken (d. h. Klebkräften) [23]. Das rgTAM ist auf Klebstoffstärken von −1, 0 und 1 beschränkt (d. h. abstoßend, neutral und anziehend – neutral bedeutet, dass keine Montage stattfinden kann). Widersprüchliche Leimtypen können nicht miteinander interagieren (d. h. die Leim-Interaktionsmatrix ist diagonal). Der Begriff „eingeschränkt“ im Namen „rgTAM“ wird verwendet, um ihn von anderen Erweiterungen des aTAM zu unterscheiden, die negative Leimtypen und nichtdiagonale Leimwechselwirkungsmatrizen verwenden. Die physikalische Erzeugung von DNA-Kacheln mit abstoßenden Wechselwirkungen (negativen Klebstoffen) kann durch das Anbringen magnetischer Partikel an DNA erreicht werden [19, 27]. Durch die Verwendung von abstoßenden, neutralen und attraktiven Klebstoffstärken kann der rgTAM das Konzept der a Zick-Zack-Fliesen-Montagesystem [10]. Zick-Zack-Systeme sind solche, die horizontal eine Reihe nach der anderen wachsen, indem sie abwechselnd von links nach rechts und von rechts nach links in nur einer Richtung wachsen (z. B. Norden und nicht Süden). Die Kombination von abstoßenden, neutralen und attraktiven Klebstoffstärken wird verwendet, um die Selbstorganisationssequenz einer Zielstruktur zu ermöglichen, z. B. einer vollständig verbundenen n × n quadratisch, indem die Struktur zeitlich und räumlich eine Reihe nach der anderen wächst. Im Gegensatz dazu ein n × n Quadrat kann mit dem aTAM erreicht werden, indem (1) eine Saatkachel als eine der Ecken des Quadrats verwendet wird, (2) durch Bindungen der Stärke 2, die sich von der Saatkachel aus erstrecken, die Länge und Breite des Quadrats definiert wird, und (3) Verwendung von Genossenschaftsanleihen bei Φ2 um das Innere des Platzes zu vervollständigen.

Das aTAM wurde auch mit würfelbasierten Kacheln auf 3D erweitert [39]. Der Vorteil von 3D-DNA-Kacheln wurde bei der Berechnung bestimmter Arten von Funktionen durch Selbstorganisation gezeigt [26]. Die physische Erstellung von 3D-DNA-Kacheln scheint jedoch bisher nicht gelungen zu sein.

2.3 Physikalisch inszenierte selbstorganisierende Systeme

Standortentwicklung ist eine weitere Methode zur Untersuchung der gestuften Konstruktion, bei der künstliche Evolution verwendet wurde, um den Montageplan einer Struktur zu entwickeln [28]. Basierend auf dem 3D-Druck wurden Montagepläne entwickelt mit dauerhaft und vorübergehend Komponenten, die in eine Umgebung „fallen“ gelassen wurden. Temporäre Komponenten dienen als Gerüst und können entfernt werden (was darstellt, wie Trägermaterial im 3D-Druck entfernt werden kann).

Im Gegensatz zu [12, 23, 28] sind zwei Beispiele für die physikalisch gestufte Selbstorganisation die Verwendung von Umgebungstemplates [38] und Komponentenkonzentrationen [15], die beide die Selbstorganisation in einem zweistufigen Prozess ermöglichen. Schablonen wurden verwendet, um kugelförmige Perlen zu Unterstrukturen mit spezifischen Mustern (z. B. lineare, dreieckige und sechseckige Formen) selbst zusammenzubauen, wonach die Unterstrukturen in einer neuen Umgebung platziert wurden, um verschiedene Gitterstrukturen zu bilden. Dreipunkt-Stern-Motivkomponenten wurden verwendet, um Tetraeder, Dodekaeder und Buckyballs durch Kontrolle der Motivlänge und Konzentration der Komponenten selbst zu organisieren. Trotz dieser Arbeit gibt es wenig (wenn überhaupt) Literatur, die die Verwendung morphologischer Informationen beschreibt, um den Selbstorganisationsprozess zu inszenieren.


3. Humane Coronaviren (HCoVs)

3.1. Geschichte

Das humane Coronavirus (HCoV) wurde erstmals in den 1960er Jahren charakterisiert [ 35 ]. Tyrell und Bynoe von der Common Cold Unit, England, untersuchten Proben von Erkältungspatienten und isolierten in den 1960er Jahren ein neuartiges grippeähnliches Virus. Diese Viren wurden als B814 markiert und als etherempfindlich beschrieben. Anfänglich waren sie nicht in der Lage, B814 unter Verwendung der verfügbaren Standardkulturtechniken zu kultivieren. 1965 gelang es ihnen jedoch, B814 in Organkulturen zu züchten [35] [36] [37] [38]. 1966 isolierten Hamre und Procknow von der University of Chicago ein neuartiges RNA-Virus, das mit Atemwegserkrankungen in Verbindung gebracht wird, und berichteten davon. Dieses Virus wurde als 229E bezeichnet und zeigte wie das B814-Virus eine Ethersensitivität [39].

Die Viren B814 und 229E wurden unter Verwendung von Elektronenmikroskopie von Almeida und Tyrell charakterisiert. Diese ethersensitiven Viren waren Berichten zufolge nicht voneinander zu unterscheiden, ebenso wie das Virus der aviären infektiösen Bronchitis (IBV) [ 40 ].

Diese neuen Viren wurden zusammen mit anderen morphologisch identischen Tierviren wie IBV im Jahr 1968 in eine neue Gattung mit dem Namen 𠇌oronavirus” (lateinisches Wort 𠇌orona” für 𠇌rown”) zusammengefasst. Sie wurden nach dem charakteristischen Rand benannt oder kronenartige abgerundete Vorsprünge auf ihrer Oberfläche (ähnlich der Sonnenkorona), wie unter einem Elektronenmikroskop beobachtet [ 41 ]. 1975 wurden die Coronaviren unter einer neuartigen Virusfamilie namens 𠇌oronaviridae” [ 42 ] zusammengefasst.

Abgesehen von den oben genannten HCoVs wurden mehrere andere HCoV-Stämme identifiziert, darunter HCoV-OC43 (1967), SARS-CoV (2002�), HCoV-NL63 (2004), HCoV-HKU1 (2005), Middle East Respiratory Syndrome (MERS)-CoV (2012) und SARS-CoV-2 (2019) [ [43] [44] [45] ].

Die HCoVs wie 229E, OC43, NL63 und HKU1 werden als endemische CoVs bezeichnet. Sie werden häufig in der menschlichen Bevölkerung gefunden und sind dafür bekannt, leichte Atemwegsinfektionen zu verursachen [ 46 ]. HCOVs wie SARS-CoV, MERS-CoV und SARS-CoV-2 sind jedoch die tödlicheren Viren, die den globalen Ausbruch verursacht und Tausende von Menschen weltweit infiziert haben [ 44 ].

Gegen Ende 2002 wurde aus der chinesischen Provinz Guangdong das Auftreten eines infektiösen Virus gemeldet. Es wurde berichtet, dass dieses Virus von Mensch zu Mensch übertragen wird und wurde später als SARS-CoV im Jahr 2002� identifiziert. Die Infizierten präsentierten sich meist mit Symptomen wie Fieber, Husten, Muskelschmerzen, usw. Andere Symptome waren Kopfschmerzen, Dyspnoe, Kopfschmerzen, Hypoxämie, Erbrechen, usw. [ [45] , [46] , [47] , [48] , [49] ]. Teilweise wurde auch über das Auftreten von Lungenentzündung und ARDS berichtet [ 48 ].

Im Jahr 2012 wurde über das Auftreten eines weiteren neuartigen infektiösen HCoV, das später als MERS-CoV bezeichnet wurde, berichtet. Der erste Fall wurde aus Saudi-Arabien gemeldet, breitete sich jedoch bald über die arabische Halbinsel aus [50, 51]. Mehrere Fälle wurden auch in Asien, Europa und Afrika gemeldet [ 52 ]. Die Übertragung von MERS-CoV findet angeblich statt über Mensch-zu-Mensch sowie Dromedar-Kamel-zu-Mensch. Allerdings sind die Fälle von Kamel-zu-Mensch-Infektionen vergleichsweise seltener [ 53 ]. Infizierte zeigen zunächst Symptome wie Fieber, Kopfschmerzen, Husten, Muskelschmerzen, usw. In schweren Fällen kann die Krankheit jedoch fortschreiten und Lungenentzündung, ARDS, septischen Schock sowie Multiorganversagen verursachen, das tödlich sein kann. Daneben wurden auch Fälle einer asymptomatischen MERS-CoV-Infektion berichtet [ 44 ].

Das kürzlich identifizierte neuartige Coronavirus SARS-CoV-2 gehört zu den Gattungen β-Coronavirus der Coronaviridae-Familie [ 54 ]. Es teilt Berichten zufolge 96 % bzw. 79,6 % der Sequenzidentität mit der Fledermaus CoVRaTG13 bzw. SARS-CoV [8].

3.2. Herkunft und Strukturmerkmale

Die Coronaviren (CoVs) sind einzelne Positivstrang-RNA-Viren. Ihr Genom ist ungefähr 26� kb lang [44]. Sie gehören zur Familie der Coronaviridae der Ordnung nidovirales und werden in die Gattungen – Alpha (α), Beta (β), Gamma (γ) und Delta (δ) Coronavirus kategorisiert [ 54 ]. Die α- und β-CoVs umfassen sowohl menschliche als auch tierische CoVs. Die HCoVs wie 229E, NL63 gehören zu α-CoV, während OC43, HKU1, SARS-CoV, MERS-CoV und SARS-CoV-2 zu den β-CoVs gehören. Die γ- und δ-CoVs bestehen hauptsächlich aus Vogel-Coronaviren.45.

Das virale Genom von CoV kodiert für vier wichtige Strukturproteine. Sie sind - die Hülle (E), Spike (S), Membran (M) und Nukleokapsid (N) Proteine ​​[ 54 ]. Die Proteine ​​E, S und M sind in der Lipiddoppelschicht der Virushülle verankert [ 55 ] Das Protein M ist ungefähr 25� kDa und gibt dem Virus seine Form. Das E-Protein ist ungefähr 8� kDa und fördert die Virusfreisetzung. Zusammen sind die M- und E-Proteine ​​mit dem viralen Zusammenbau assoziiert. Darüber hinaus erleichtern sie auch die Reifung von Virushüllen [ 56 ]. Das N-Protein ist an der Bildung des Nukleokapsids beteiligt. Es bindet an das virale Genom und spielt eine wesentliche Rolle bei der viralen Verpackung [ 55 ]. Das S-Protein (Klasse-I-Fusionsprotein) ist ungefähr 150 kDa. Es ist für die charakteristischen stachelartigen Vorsprünge des Virus verantwortlich. Es umfasst S1- und S2-Untereinheiten und wird im Wirt durch Furin-ähnliche Protease gespalten. Die S1-Untereinheit enthält eine Rezeptorbindungsdomäne (RBD). Es bindet an das Wirtsrezeptor-Angiotensin-Converting-Enzym 2 (ACE2). Die S2-Untereinheit des viralen S-Proteins fusioniert dann mit der Zellmembran des Wirts. Dies erleichtert den Viruseintritt in die Wirtszellen [ [56] , [57] , [58] .

3.3. Mechanismus des SARS-CoV-2-Eintrags in Zellen

Bis jetzt ist der Mechanismus der SARS-COV-2-Infektion nicht vollständig aufgeklärt. Weltweit werden mehrere Studien zu SARS-COV-2 durchgeführt, um den Infektionsmechanismus und die Pathogenese des neuartigen Coronavirus aufzuklären. Die β-CoVs – SARS-CoV und SARS-CoV-2 sind im Wesentlichen identisch und gelten als ähnlich infizierend für den Menschen. Das S-Protein trägt wesentlich zur Anheftung und Fusion des Virus mit der Wirtszelle bei. Die RBD der S1-Untereinheit des viralen S-Proteins bindet an den Wirtszellrezeptor, der die virale Infektion initiiert.

Studien haben berichtet, dass SARS-CoV und SARS-CoV-2 denselben menschlichen ACE2-Rezeptor (hACE2) verwenden, um sich an die Wirtszellen zu binden [8]. Der ACE2-Rezeptor wird in den Typ-II-Alveolen-, Mundschleimhaut- und Nasenepithelzellen signifikant exprimiert [[59] [60] [61]]. Atemwege, Hornhaut, Herz, Nieren, usw., auch den ACE2-Rezeptor exprimieren [59]. Diese Organe sind sehr anfällig und bei COVID-19 am stärksten betroffen [ 62 ].

Eine aktuelle Studie berichtete, dass SARS-CoV-2 eine größere Affinität zum hACE2-Rezeptor hat als SARS-CoV. Sie gaben weiter an, dass strukturelle Veränderungen in der ACE2-Bindungsleiste von SARS-CoV-2 RBD für die hohe Affinität zum hACE2-Rezeptor verantwortlich sind [ 63 ]. Das Enzym Furin spaltet das SARS-CoV-2 S-Protein an der S1/S2-Stelle und legt die S2-Untereinheit frei, die die Fusion von Virus- und Wirtsmembranen vermittelt [58, 64]. Diese Spaltung ist für die Präaktivierung des S-Proteins verantwortlich, das den nachfolgenden Typ-II-Transmembran-Serinprotease (TMPRSS2)-abhängigen viralen Eintritt in die Wirtszellen fördert [ 64 ]. Das TMPRSS2 gilt als signifikant für den Eintrag von SARS-CoV in die Wirtszelle. Eine breitere Expression von TMPRSS2 wird in der Nasenhöhle, Lunge, Dickdarm, Gallenblase, Niere, Prostata, Bauchspeicheldrüse, Herz, usw. Darüber hinaus sind die Nasenepithelzellen mit TMPRSS2 sowie dem ACE2-Rezeptor angereichert [ 59 ]. Das TMPRSS2 aktiviert das ACE2-Rezeptor-gebundene virale S-Protein, was zu einer Konformationsänderung führt [64, 65]. Diese Konformationsänderung aktiviert das S-Protein und erleichtert den viralen Eintritt in die Wirtszellen. Darüber hinaus klärt es auch den ACE2-Rezeptor [ 58 ].

Eine Studie berichtete, dass TMPRSS2 spezifisch in ACE2+-Zelltypen exprimiert wird. Außerdem gaben sie an, dass die Expression von Proteasen wie Cathepsin B (Cat B) in 㹰�% der ACE2+-Zellen beobachtet wurde. Insgesamt deuteten ihre Ergebnisse darauf hin, dass SARS-CoV-2 auch alternative Eintrittswege nutzen könnte [ 59 ]. Ähnliche Ergebnisse wurden auch in einem anderen berichtet in vitro Studie, die zeigte, dass SARS-CoV-2 sowohl von Cathepsin B/L (CatB/L) als auch von TMPRSS2 für das Priming und den Eintritt in die Wirtszelle abhängig ist. Ihre Studie zeigte, dass die Hemmung einer dieser Proteasen zu einer teilweisen Hemmung des Viruseintritts führt. Dies deutete darauf hin, dass das Virus in Abwesenheit von TMPRSS2 CatB/L für seinen Eintritt nutzen könnte und und umgekehrt [ 66 ].

Nach dem Eintrag setzt SARS-CoV-2 sein genomisches Material (mRNA) im Zytoplasma frei. Es übernimmt die Proteinsynthesemaschinerie im Wirt und übersetzt die mRNA im Zellkern.Außerdem nutzt es die Maschinerie zur Synthese viraler Proteine ​​und initiiert anschließend die virale Replikation [ 58 ] ( Abb. 2 ).

Mechanismus des Eintritts von SARS-CoV-2 in Zellen. A. Bindung von SARS-CoV-2-Spike an den ACE2-Rezeptor des Wirts. B. Spaltung von SARS-CoV-2-Spitze durch TMPRSS2, Membranfusion, Infektion und virale RNA-Freisetzung in die Wirtszelle.

Abkürzungen: ACE2: Angiotensin Converting Enzyme-2, NTD: N-terminale Domäne, RBD: Rezeptorbindungsdomäne, S-Protein: Spike-Protein, SARS-CoV-2: Severe Acute Respiratory Coronavirus-2.


Die herkömmlichen Verfahren sind aufgrund der zeitaufwendigen und teuren Rechenkosten für die Bild-Mehrpegel-Schwellenwertbildung nicht effektiv und effizient. Das mehrstufige Schwellenwertproblem kann als ein Optimierungsproblem gestellt werden, das einige Schwellenwertkriterien optimiert. In diesem Artikel wird Membran-Computing vorgestellt, um ein effizientes und robustes Multi-Level-Thresholding-Verfahren vorzuschlagen, bei dem ein zellähnliches P-System mit der verschachtelten Struktur aus drei Schichten als Rechengerüst entworfen wird. Darüber hinaus wird ein verbessertes Geschwindigkeits-Positions-Modell entwickelt, um die Objekte in Membranen basierend auf der speziellen Membranstruktur und dem Kommunikationsmechanismus von Objekten zu entwickeln. Unter der Kontrolle des Evolutions-Kommunikationsmechanismus von Objekten kann das zellenartige P-System die besten mehrstufigen Schwellenwerte für ein Bild effizient ausnutzen. Simulationsexperimente an neun Standardbildern vergleichen das vorgeschlagene mehrstufige Schwellenwertverfahren mit mehreren modernen mehrstufigen Schwellenwertverfahren und demonstrieren seine Überlegenheit.

Hong Peng erhielt den B.Sc. und den M.E.-Abschluss in Mathematik von der Sichuan Normal University, Chengdu, China in den Jahren 1987 und 1990, und den Ph.D. Abschluss in Signal- und Informationsverarbeitung von der University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, China im Jahr 2010.

Er war Dozent am Sichuan College of Science and Technology, China (1990–1999) und außerordentlicher Professor an der Xihua University, China (2000–2004). Er war Gastwissenschaftler in der Research Group of Natural Computing, Universität Sevilla, Spanien (2011.09.–2012.08.). Derzeit ist er seit 2005 Professor am Center for Radio Administration and Technology Development, Xihua University, China. Seine Forschungsinteressen umfassen Membran-Computing, Bildverarbeitung, Signalverarbeitung und Kernel-Methoden.

Jun Wang erhielt den B.Sc. und den M.E.-Abschluss in Industrieautomatisierung von der Chongqing University, China in den Jahren 1988 und 1991, bzw. den Ph.D. Studium der Elektrotechnik an der Southwest Jiaotong University, China im Jahr 2006.

Sie war Dozentin am Sichuan College of Science and Technology, China (1991–2003) und außerordentliche Professorin an der Xihua University, China (1998–2003). Derzeit ist sie seit 2004 Professorin an der School of Electrical and Information Engineering der Xihua University, China. Ihre Forschungsinteressen umfassen elektrische Automatisierung, intelligente Steuerung und Membran-Computing.

Mario J. Pérez-Jiménez erhielt B.Sc. Abschluss in Mathematik an der Universität Barcelona, ​​Spanien im Jahr 1971 und Ph.D. Studium der Mathematik an der Universität Sevilla, Spanien im Jahr 1992.

Er war Assistenzprofessor an der Universität Barcelona (1971–1983) und Gastprofessor an der Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China (ab 2005). Derzeit ist er Mitglied der Academia Europaea (The Academy of Europe) und ordentlicher Professor am Department of Computer Science and Artificial Intelligence der Universität Sevilla, Spanien, wo er die Research Group on Natural Computing leitet. Seine Forschungsinteressen umfassen Computertheorie, Computational Complexity Theory, Natural Computing (DNA-Computing und Membran-Computing), Bioinformatik und Computational Modeling für die Systembiologie und Populationsbiologie. Er hat zwölf Bücher in Informatik und Mathematik sowie über 250 wissenschaftliche Artikel in internationalen Zeitschriften veröffentlicht (in Zusammenarbeit mit vielen Forschern weltweit).


Schlüsselwörter

M. Mahdi Tavalaei ist Dozent (Assistenzprofessor) an der Surrey Business School und Mitglied des Center of Digital Economy (CoDE) an der University of Surrey in Großbritannien. Seine Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf Wettbewerbsstrategien, insbesondere in multilateralen Märkten und Plattform-Ökosystemen.

Carmelo Cennamo ist Professor für Strategie und Unternehmertum an der Copenhagen Business School, Dänemark, Mitglied des wissenschaftlichen Ausschusses von AgendaDigitale (Danke für die Förderung der italienischen Digitalen Agenda) und Fellow des Digital Enterprise Value and Organization (DEVO Lab) an der SDA Bocconi, School of Geschäftsführung, Italien. Seine Forschungsschwerpunkte sind der Wettbewerb in Plattformmärkten, das Management von Plattform-Ökosystemen und die digitale Transformation.


Entwicklung kombinatorischer Schaltkreise durch Kodierung auf Basis der Entwicklungsbiologie

Die vorliegende Arbeit visualisiert die Evolution primitiver digitaler Schaltungen als Entwicklungsproblem. Die Entwicklung des digitalen Schaltkreises erfolgt ähnlich wie die Entwicklung eines menschlichen Embryos von einer einzelnen Zelle zum kompletten Organismus. Die Bestandteile, die eine primitive digitale Schaltung bilden, werden in binäre Strings codiert. Jede binäre Kette wird als eine Zelle betrachtet, und mehrere solcher Zellen können anhaften und sich vermehren, bevor sie zu einem entwickelten Organismus kulminieren. Die binäre Zeichenkette der Zelle wird ferner auf ein bestimmtes Attribut abgebildet, das den Bestandteil der implementierten vollständigen digitalen Schaltung definiert. Die vorliegende Arbeit veranschaulicht die Entwicklung einer kombinatorischen Digitalschaltung mit 4 Eingängen. Die Entwicklung der Mehrheitsfunktion mit 2 Eingängen wird veranschaulicht, und die Ergebnisse werden für das Ex-ODER-Gatter mit 2 Eingängen, die Mehrheitsfunktion mit 2 Eingängen mit 4 Eingangsvariablen und eine 2-zu-1-Multiplexerschaltung gezeigt. Die Entwicklung des digitalen Schaltkreises ähnelt der Entwicklung eines Embryos in einem lebenden Organismus.

1. Einleitung

Die biologische Welt hat bewiesen, dass der fitteste Organismus im Laufe der Zeit überlebt. Eine Veränderung des Genoms des Organismus führt zu ersten Veränderungen des Phänotyps. Diese Veränderungen manifestieren sich im Laufe der Zeit bei den Nachkommen. Wir bezeichnen diesen Prozess als Evolution. Die Veränderung des Genotyps des Organismus ist entweder zufällig oder wird durch die Umwelt erzwungen. Das Verstehen und Nachahmen der Natur hat zu einem ganz neuen Feld evolutionärer Algorithmen geführt, deren Hauptziele die Suche und Optimierung von multivariablen Problemen sind. Genetischer Algorithmus (GA), evolutionäre Strategien (ES) und evolutionäre Programmierung (EP) sind alternative Strategien, die von verschiedenen Forschergruppen verfolgt werden, die an einer Reihe unterschiedlicher Probleme arbeiten.

Die vorliegende Arbeit basiert auf der Prämisse, dass Entwicklung der Schlüssel zur Evolution ist. Die Anpassungsfähigkeit eines jeden Organismus beruht auf der Flexibilität des Organismus an die Veränderungen innerhalb und außerhalb von ihm. Die Flexibilität und eventuelle Anpassungsfähigkeit wäre nur dann sinnvoll, wenn der organisatorische Rahmen des Organismus intakt ist. Somit wird die Entwicklung als Schlüssel für die Evolution einer Art angesehen. Die vorgeschlagene Arbeit ist ein Versuch, die Anpassungsfähigkeit des biologischen Organismus an digitale Hardware zu emulieren.

Biologische Arten durchlaufen einen stark deterministischen Entwicklungszyklus. Die embryonale Entwicklung jeder Art beginnt mit einem einzelnen Zellorganismus. Die einzelne Zelle durchläuft einen Prozess, der aus mehr als einem Entwicklungsstadium besteht und auf natürliche Weise hergestellt wird, um ein mehrzelliger Organismus zu werden. Die vorgeschlagene Arbeit zielt darauf ab, einen Entwicklungszyklus für das Design digitaler Hardware zu schaffen. Digitale Hardware wird durch einen booleschen Ausdruck dargestellt. Ein boolescher Ausdruck, der aus wenigen Gattern besteht, kann entweder als Sum of Product- oder als Product of Sum-Ausdruck dargestellt werden. Die vorgeschlagene Arbeit versuchte herauszufinden, ob der Boolesche Ausdruck unter Verwendung von Primitiven entwickelt werden kann, die den Entwicklungszyklus eines biologischen Organismus nachahmen.

Die vorliegende Arbeit wird auch durch Versuche motiviert, die Mandelbrot-Mengen einschließen, in denen Mandelbrot mithilfe einer einfachen Gleichung Muster entwickelt. Lindenmayer-Systeme, allgemein als L-Systeme bezeichnet, beruhten auf schrittweisen Verfahren, um komplexe und symmetrische Muster aus einzelnen Primitiven zu entwickeln.

Die vorliegende Arbeit schlägt einen Entwicklungsalgorithmus, ähnlich der embryonalen Entwicklung einer biologischen Spezies, für den elektronischen Schaltkreis vor. Dabei wird eine eindeutige Codierung jeder Komponente einer Schaltung durch eine binäre Zeichenkette durchgeführt. Es wird eine Codierung jeder der Komponenten und ihre Assoziation mit anderen Komponenten des Kreislaufs durchgeführt, die der DNA-Codierung der biologischen Spezies ähnelten. Die binäre Darstellung ebnete auch die notwendige Kante, um Mutationen durch das Flippen von Bits einzuschließen. Das Genom eines Schaltkreises gilt als spezifisch für die Funktionalität des Schaltkreises.

Die vorgeschlagene Arbeit zielt auf die Entwicklung des elektronischen Schaltkreises ab, während sich ein Embryo in einer biologischen Welt entwickelt. Dies erfolgt durch binäres Codieren jeder der Komponenten und anschließendes Entwerfen eines Algorithmus für die Entwicklung der Schaltung. Die vorgeschlagene Arbeit wäre eine ideale Plattform für den Entwurf fehlertoleranter Systeme und selbstheilender Schaltkreise.

2. Literaturübersicht

Es wurden Versuche unternommen, die Anpassungsfähigkeit verschiedener evolutionärer Methoden bei der Optimierung verschiedener Probleme zu bestimmen [1]. Unter den für das praktische Hardwaredesign erfolgreich übernommenen Engineering-Problemen sind die wichtigsten das Design einer Antenne [2], Tabelle [3], Rotorblattdesign [4] und physikalische Eigenschaften des Siliziumsubstrats [5]. Am Rande sei erwähnt, dass auch das Sozialverhalten von Vögeln [6], Löwen [7–9] und Menschen [10] als Optimierungsproblem formuliert wurde.

Die Entwicklung einer digitalen Schaltung mit Fundamental-Gattern beginnt mit einer Wahrheitstabelle der Schaltung. Zum n Variablen, es erfordert 2n Kombinationen, die zur Bestimmung eines booleschen Ausdrucks überprüft werden sollen. Dieses Problem wird als Erfüllbarkeitsproblem (SAT) bezeichnet. Die Zeit, die für ein Boolesches SAT-Problem benötigt wird, steigt exponentiell mit zunehmender Anzahl von Variablen. Perdryczet al. bewältigte die Herausforderungen bei der Anwendung von Evolutionary Computing (EC) für ein Boolesches SAT-Problem, indem das Boolesche Problem in eine kontinuierliche Domäne umgewandelt wurde [11]. De Jong und Spears handhabten dasselbe, indem sie Boolesche Variablen in Gleitkommazahlen umwandelten [12]. Slowik und Bialko präsentierten in [13] einen umfassenden Überblick über die Anwendung von EAs im digitalen Schaltungsdesign.

Die Idee, durch Codierung der Komponenten und der Verbindungen zwischen ihnen optimierte Schaltungen zu entwickeln, wurde in [14] demonstriert. Ein Versuch, genetische Programmierung anzuwenden, um ein geeignetes Computerprogramm zu entwickeln, wird von Koza in [15] vorgestellt. Coello [16] verwendete den genetischen Algorithmus, um Addierer und Multiplikatoren zu entwerfen. In [17] haben Miller et al. schlug ein auf einem FPGA basierendes kombinatorisches Schaltungsdesign auf Basis eines genetischen Algorithmus vor. Diese Bemühungen führten zum Entwurf und zur Entwicklung digitaler Schaltungen, die auf einer Anordnung von Gattern aufgebaut sind, die durch vorbestimmte Kriterien gesteuert werden [18, 19]. Ein modifiziertes Modell, das als Entwicklungsmodell mit zwei Schichten, einer Proteinschicht und einer Architekturschicht, bezeichnet wird, wurde von Gordon und Bentley in [20] vorgeschlagen. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, eine digitale Schaltung ohne vordefiniertes Array zu entwickeln. In den späteren Abschnitten wird dasselbe im Detail behandelt. Abschnitt 2 befasst sich mit dem Systemdesign mit künstlichen Zellen. Der vorgeschlagene Algorithmus wird in Abschnitt 3 gegeben. Ein kombinatorisches Schaltungsbeispiel wird in Abschnitt 4 diskutiert. Abschnitt 5 diskutiert die Ergebnisse des Algorithmus.

3. Systemdesign mit künstlichen Zellen

3.1. Entwicklung von Kombinationsschaltungen

Dieses Papier schlägt ein Modell für die Entwicklung einer digitalen Schaltung vor. Verschiedene Komponenten des Kreislaufs werden als biologische Zelle visualisiert, die ein Organ bildet. Jede Komponente mit ihrem zugehörigen Eingabemuster wird mit einer eindeutigen Binärzeichenfolge codiert. Für eine 7-stufige digitale Schaltung wird die Länge der codierten Binärzeichenfolge für eine einzelne Zelle durch eine empirische Beziehung definiert, die in der folgenden Gleichung angegeben ist:


Schau das Video: Was ist Systematik?! - Die raffinierte Einteilung der Lebewesen (Juni 2022).


Bemerkungen:

  1. Cody

    Ich entschuldige mich, aber nicht genug. Vielleicht gibt es Optionen?

  2. Sneferu

    Diese sind für!

  3. Enno

    Bravo, ausgezeichnetes Denken

  4. Callough

    Sicherlich. Ich stimme allem oben Gesagten zu.



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