Forschung

Abteilung Lehren und Lernen mit intelligenten Systemen (LLiS)

Unsere Forschung beschäftigt sich mit Themen rund um die Modellierung menschlicher Kognition und darauf basierende Gestaltung verantwortungsvoller Mensch-Technik-Interaktion.

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Forschungsschwerpunkte

Unsere Forschung widmet sich in unterschiedlichen Facetten der verantwortungsvollen, menschzentrierten Gestaltung intelligenter technischer Systeme sowie potenziellen Chancen, Risiken und Veränderungen, die aus der Nutzung entstehen. Dabei stehen unter anderem die folgenden Fragen im Fokus:

  • Wie lässt sich intelligente Technik an die kognitiven, affektiven und motivationalen Zustände der Nutzenden anpassen?
  • Wie können intelligente technische Systeme kognitive Unterschiede der Nutzenden berücksichtigen?
  • Auf welche Weise kann intelligentes Feedback selbstreguliertes Lernen und Arbeiten fördern?
  • Wie verändert die Nutzung intelligenter technischer Systeme uns als Menschen, unsere Gesellschaft und die Arbeitswelt?
  • Wann vertrauen Menschen in intelligente technische Systeme?
  • Wie lassen sich unterschiedliche Zielgruppen für potenzielle Risiken intelligenter technischer Systeme sensibilisieren?

Laufende Promotionsvorhaben

Highly gifted individuals often experience inaccurate and negatively connoted assumptions about their personality, achievement, and behavior, particularly in highly competitive domain contexts such as music. Especially teachers' implicit theories such as their stereotypical beliefs about musically highly gifted students may have significant effects within educational contexts due to their influence on teaching quality, teachers' and students' motivation, and students'socio-emotional as well as achievement development. Therefore, this dissertation examines (1) teachers' beliefs about musically highly gifted students and (2) their implications on promoting musical abilities with the aim to contribute to music teacher professionalization by raising awareness for related (potentially negative) dynamics.

This dissertation is conducted at the Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nuremberg (Prof. Dr. phil. Johannes Hasselhorn, Chair of Music Education and Didactics) in cooperation with the University of Stuttgart (Jun.-Prof. Dr. rer. nat. Maria Wirzberger, Department of Teaching and Learning with Intelligent Systems).

Consumer behavior is crucial for a change to a more sustainable world. To develop interventions that promote pro-environmental behavior, we need to shed light on cognitive mechanisms underneath sustainable thoughts and how they stimulate actions. Individual differences in the factors and cognitive mechanisms of sustainable behavior are under-explored. Therefore, this dissertation examines cognitive factors that influence sustainability using a mixture of psychological and computational methods. Hence, special attention will be paid to these individual factors through clustering and elaboration of personas. Since the practical implementation of measures that promote sustainable behavior is also to be improved, the possible application of the research results is also considered.

This dissertation is conducted within the GS SimTech in collaboration with the Robert Bosch GmbH.

Gamification is widely used in digital learning environments (DLE) to enhance learner motivation and engagement. This dissertation explores the effects of gamification in DLE, focusing on several key aspects.
We examined whether growth mindset feedback can positively influence a learner’s growth mindset, self-efficacy, performance, and motivation. Additionally, we investigate the role of gender and cultural stereotypes in shaping learning experiences.
Furthermore, this research systematically analyzes the impact of different gamified elements on motivation, performance, anxiety, and emotional engagement. We also explore how these effects vary across different genders and cultures, providing valuable insights into the design of inclusive and effective gamified learning environments.
By understanding these dynamics, we aim to inform the development of more effective gamification strategies that foster meaningful learning experiences for all learners.

This dissertation is conducted within the Artificial Intelligence Software Academy (AISA) in co-supervision with Prof. Dr. Steffen Becker.

Artificial Intelligence (AI) is a rapidly developing field. Intelligent systems such as AI-powered chatbots, autonomous vehicles, and virtual assistants for example, are becoming increasingly prevalent and indispensable in our daily lives. Despite the many benefits of AI, that make our lives easier, more productive and convenient, there are also concerns about its impact on society. Some people over-rely on AI in their daily tasks and others do not trust these new technologies at all. However, as we rely more and more on these systems, it is essential to understand the cognitive mechanisms underlying human trust in them. Trust is a complex phenomenon, shaped by various factors, i.e., transparency, risk and loss, emotions, biases, cognitive dissonance, expectations and many more. In order to create a cognitive model to predict trust in AI, as part of this project, these factors influencing trust need to be explored and analyzed further. Through experimental studies, this research aims to explore the cognitive mechanisms of trust in intelligent systems as well as the effect of manipulating these variables.

This dissertation is conducted within the GS SimTech and the Interchange Forum for Reflecting on Intelligent Systems (IRIS).

Abgeschlossene Promotionsvorhaben

Affect-adaptive systems detect a user's emotional state and respond appropriately by adapting the interaction. Emotional states such as anger or anxiety can impact performance in human-machine systems, potentially leading to fatal consequences in safety-critical environments. This project aimed to formally describe the relationship between emotional state and user performance while accounting for individual differences. Based on this framework, adaptive mechanisms can be implemented to provide optimal user support.

This dissertation was conducted within the GS SimTech in collaboration with the Fraunhofer FKIE.

This thesis investigates how readers recover from interruptions during narrative reading and how individual cognitive differences and text characteristics influence this process. Using eye tracking experiments and resumption lag as a behavioral measure, it explores three key contributions. First, it examines the role of visuo-spatial working memory capacity (vsWMC) and prior knowledge in predicting resumption lags, finding that their interaction significantly shortens resumption time. Second, it analyzes how text-specific features impact resumption by comparing enactive and descriptive fictional texts, revealing that enactive texts unexpectedly lead to shorter fixation durations after interruptions. Third, it addresses data scarcity in interrupted reading research by introducing InteRead, the first open-source eye-tracking dataset focused on interrupted reading. InteRead includes gaze features, linguistic features, demographic data, and resumption lags annotations from 50 participants reading a long narrative text with interruptions. The findings emphasize the need for personalized adaptive reading technologies that account for both learner cognitive profiles and text characteristics, supporting resilience to interruptions in educational settings.

This dissertation was conducted within the IMPRS-IS in co-supervision with Prof. Dr. Andreas Bulling.

Aktuelle Projekte

Projektfokus

Das interdisziplinäre Postdoc-Kolleg TEIFUN erforscht den Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) und Extended Reality (XR) in schulischen Lehr- und Lernprozessen. Ziel ist die Entwicklung evidenzbasierter Konzepte zur nachhaltigen Verbesserung der Unterrichtsqualität. TEIFUN wird von der Professional School of Education Stuttgart-Ludwigsburg (PSE) und der Tübingen School of Education (TüSE) getragen.

Das Kolleg verbindet interdisziplinäre Grundlagenforschung mit fachdidaktischer Praxisorientierung, um die bislang vorherrschende Labororientierung in der Bildungsforschung zu überwinden. Es schafft eine Schnittstelle zwischen Bildungswissenschaften, Fachdidaktiken und Computerwissenschaften und fördert die systematische Integration innovativer Technologien in schulische Unterrichtssettings.

Ein besonderes Merkmal von TEIFUN ist die standortübergreifende Zusammenarbeit zwischen den beiden Schools of Education sowie die Anbindung an Cyber Valley, Europas größtes KI-Forschungscluster. Dadurch profitieren sowohl die Postdoktorand:innen als auch die Lehrkräftebildung insgesamt von exzellenter Spitzenforschung im Bereich Maschinelles Lernen, Künstliche Intelligenz und Virtual/Augmented Reality. Über die Forschung hinaus inspiriert das Kolleg auch die Lehre und Studiengänge der beteiligten Hochschulen.

Laufzeit

2024 - 2029

Kooperation (Teilprojekt „Informatikdidaktik, Software Engineering, Mensch-Computer-Interaktion, Kognitionswissenschaften“)

  • Steffen Becker (Software Qualität und Architektur, Universität Stuttgart)
  • Heiko Holz (Informatik und Informatikdidaktik mit Schwerpunkt Digitalisierung im Bildungsbereich, Pädagogische Hochschule Ludwigsburg)
Förderung

Das Projekt wird durch das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst finanziert.

Projektfokus

Der SRF IRIS möchte eine Plattform schaffen, um die kritische Reflexion über intelligente Systeme und ihre Auswirkungen auf die Gesellschaft anzuregen, zu entwickeln und zu bewirken. Das Ziel besteht darin, in Forschung, Lehre und dem Dialog mit der Gesellschaft den Austausch zu sensiblen Themen wie verantwortungsvolle Mensch-Computer Interaktion, ethische und gesellschaftliche Herausforderungen sowie Risiken und Nutzen automatisierter Entscheidungsfindung in unterschiedlichen Anwendungsfeldern aufzugreifen und in die universitäre Forschungslandschaft zu integrieren.

Laufzeit

11/2020 - 12/2025

Kooperation

(Direktorium des SRF IRIS; alle Universität Stuttgart)

Förderung

Das Projekt wird gefördert durch die Exzellenzpauschale der Deutschen Forschungsgemeinschaft und den Forschungsrat der Universität Stuttgart.

Projektfokus

Die Universität Stuttgart strebt im Projekt digit@L an, mit digital angereicherten Lehr-Lern-Formaten und adaptiven Systemen Studierende angesichts heterogener Voraussetzungen in ihrem individuellen Lernprozess zu unterstützen. Im Fokus stehen einerseits Studierende im wichtigen ersten Studienjahr und die zielgruppenspezifische Ausdifferenzierung von Grundlagenveranstaltungen in digitalen Settings. Andererseits erweitert die Universität Stuttgart gezielt das Kompetenzprofil von Studierenden und Lehrenden. Um diese Ziele zu erreichen, verzahnt sie didaktische und (medien-)technische Infrastruktur für Studierende und Lehrende enger miteinander.  Zusammengenommen trägt dies zu einer digitalen Innovationskultur bei.

Laufzeit

08/2021 - 07/2025

Kooperation (Teilprojekt SKILLS - M2.1, M2.4)
Förderung

Das Projekt wird durch die Stiftung Innovation in der Hochschullehre gefördert.

 

Meldung: 7. Juni 2021, Nr. 44 Universität Stuttgart im neuen Bund-Länder-Förderprogramm für digitale Lehre erfolgreich

Projektfokus

Das Ziel des Projekts AISA liegt darin, Studierenden der Universität Stuttgart aller Fachrichtungen Kompetenzen in AI-Methoden und Software Engineering fundiert und zielgruppenorientiert zu vermitteln. Neben der reinen Wissensvermittlung existiert im Dreieck von AI, Software Engineering und Ingenieuranwendungen erheblicher Forschungsbedarf, u.a. zur zielgruppengerechten Gestaltung didaktischer Angebote im Bereich des AI Software Engineering. Dieser Fragestellung widmen wir uns im Teilprojekt "Perspektiven zur didaktischen Vermittlung domänenspezifischer AI-Kompetenzen im Kontext des Software Engineering".

Laufzeit

08/2021 - 12/2025

Kooperation

(Direktorium; alle Universität Stuttgart)

Förderung

Das Projekt wird vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg gefördert.

Projektfokus

Künstliche Intelligenz (KI) beeinflusst als Schlüsseltechnologie alle Bereiche unseres Lebens. Wie sie unsere Gesellschaft bereichern kann, wird in drei Themengebieten erforscht, die durch KI intensiv geprägt, wenn nicht sogar revolutioniert werden: Diversität, Demografie und Demokratie. Im Rahmen des Projekts werden neben drei Nachwuchsforschungsgruppen eine Reihe von Anschubforschungsprojekten gefördert.

Laufzeit

04/2022 - 12/2026

Kooperation

Prof. Dr. Steffen Staab (Universität Stuttgart, Institut für Parallele und Verteilte Systeme)

Förderung

Das Projekt wird vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg gefördert.

Abgeschlossene Projekte

Projektfokus

Aus der Kommission „Platform of Reflection“ des EXC 2075 heraus zielte das Projekt darauf ab, ein tieferes Verständnis der systemischen Strukturen zu entwickeln, welche die Dynamik der Akzeptanz KI-gestützter Systeme in der Gesellschaft und in Organisationen bestimmen. Basierend darauf wurden potenzielle Risiken und Chancen erkannt und handlungsfähige Strategien abgeleitet, die zur Verbesserung unserer sozioökonomischen Systeme beitragen. Im Projekt wurde das Thema durch konzeptionelle Analysen, systemdynamische Modellierung und Computersimulation sowie Laborexperimente untersucht.

Laufzeit

02/2023 - 01/2025

Kooperation

(Platform of Reflection; alle Universität Stuttgart)

Förderung

Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters "Data-Integrated Simulation Science" (EXC 2075) gefördert.

Das Projekt BeeCreative verband im Feld naturbezogener Nachhaltigkeitsbildung reale Naturerfahrungen mit technologiegestützten Kreativprozessen, um auf diese Weise eine intensivere Bindung zum sensiblen Thema der Biodiversität aufzubauen. Für einen zielgruppengerechten Zugang verbanden sich reale Umweltorte in Form urban eingebundener Informationstafeln mit einem interaktiv angebundenen KI-gestützen Skizzenbuch zu einer innovativen Lernerfahrung für eine breite Öffentlichkeit.

Laufzeit

01/2023 - 12/2024

Förderung

Das Projekt wurde von der Baden-Württemberg Stiftung in Kooperation mit der Heidehof Stiftung in der Förderlinie "Nachhaltigkeit lernen – Kinder gestalten Zukunft" gefördert.

Projektfokus

Im Projekt IKILeUS wurde die vorhandene KI-Expertise vieler zusammenarbeitender Fachbereiche gebündelt, um KI in einem interdisziplinären Hinblick sowohl an die Breite der Studierendenschaft zu vermitteln als auch KI-basierte Technologien in der Lehre zur Entlastung der Lehrenden und zur Verbesserung der Lehre einzusetzen. Die Bearbeitung der Themen erfolgte mit Fokus auf konkrete Lehrveranstaltungen und Software-Lösungen, mit gleichzeitigem Blick auf weiteres Potenzial anderer Anwender*innengruppen und -bereiche.

Laufzeit

12/2021 - 11/2024

Kooperation
Förderung

Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Förderschwerpunkts "KI in der Hochschulbildung" gefördert.

Das Ziel des Projekts UFO bestand darin, berufliche Teilhabe bei sozio-emotionalen Unterstützungsbedarfen zu sichern und dazu gezielt Kompetenzen in der Wahrnehmung und Interpretation emotionaler Befindlichkeiten aufzubauen. Im Konsortium wurde ein neuartiges Trainingssystem entwickelt, das Hirnsignale erfasst und abgeleitete emotionale Zustände in spürbare Sinneswahrnehmungen umwandelt. Diese wurden durch eine taktile Ausgabe „erfühlbar“ gemacht und ermöglichten es, Befindlichkeiten des Gegenübers zu verstehen. Eine virtuelle Umgebung bot einen sicheren Trainingsraum, der die Bedürfnisse der Zielgruppe passgenau unterstützen kann. Der Ansatz trug zur gesellschaftlichen Sensibilisierung bei und förderte Empathie und gegenseitiges Verständnis.

Laufzeit (Projektbeteiligung)

09/2021 - 08/2024

Kooperation

Förderung

Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Förderschwerpunkts "Interaktive Systeme in virtuellen und realen Räumen - Innovative Technologien für die digitale Gesellschaft" gefördert.

Projektfokus

Im Projekt "BeeLife" entwickelten wir eine intelligente App mit begleitenden Projektwerkstätten für den Schulkontext, um Kindern und Jugendlichen die große Bedeutung von Wildbienen für unser Ökosystem vor Augen zu führen.

Laufzeit

12/2020 - 05/2023

Kooperation

Prof. Dr. Günter Daniel Rey (Technische Universität Chemnitz)

Förderung

Das Projekt wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördert.

Projektfokus

Das Projekt MIkado lieferte einen systematischen Einblick in kognitive und affektive Facetten individueller Lernprozesse. Das zentrale Ziel bestand in der systematischen Analyse der Wechselwirkungen zwischen kognitiven und affektiven Prozessen in Abhängigkeit der gewählten Indikatorisierung. In Abgrenzung und Erweiterung zur bislang vorherrschenden Dominanz artifizieller Laborkontexte bildete die Erforschung kognitiv-affektiver Zusammenhänge mit anwendungsorientierten Aufgabensettings den Fokus der Betrachtung.

Laufzeit

10/2020 - 09/2022

Kooperation
Förderung

Das Projekt wurde vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg und dem Forschungsrat der Universität Stuttgart gefördert.

Projektfokus

Der Fokus des Projekts lag auf der Konzeption, Durchführung und Auswertung der Jugendstudie Baden-Württemberg 2022 in Zusammenarbeit mit dem Landesschülerbeirat.


Laufzeit

08/2021 - 07/2022


Kooperation

    •    Prof. Dr. André Bächtiger
    •    Prof. Dr. Christine Sälzer
    •    Prof. Dr. Susanne Vogl

(alle Universität Stuttgart)


Förderung

Das Projekt wurde vom Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg gefördert.

Projektfokus

Das Ziel des Internationalen Graduiertenkollegs 2198 "Soft Tissue Robotics" bestand darin, Simulationstechniken und Sensoren weiterzuentwickeln, um eine zielgerichtete Entwicklung neuer Regelungs- und Steuerungstechniken von Robotern, die mit weichen Materialien interagieren, zu ermöglichen.

Laufzeit (Einbindung als beteiligte Wissenschaftlerin)

09/2020 - 08/2021

Kooperation
Förderung

Das Internationale Graduiertenkolleg 2198 "Soft Tissue Robotics" wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert.

Projektfokus

Das Ziel des Projekts ACTrain bestand in der Entwicklung und Evaluation eines Prototypen für eine KI-gestützte Trainingssoftware zur Stärkung der Aufmerksamkeitskontrolle auf Basis metakognitiven Feedbacks.

Laufzeit

07/2019 - 03/2021

Kooperation

Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Tübingen

Förderung

Das Projekt wurde durch den Cyber Valley Research Fund gefördert.

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