Modul Wahlpflichtfächer 2, Informatik (Bachelor) (SPO 8)

Das Modul "Augmented & Virtual Reality" behandelt verschiedene Aspekte dieser aufstrebenden Technologien. Der theoretische Teil der Vorlesungen vermittelt ein grundlegendes Verständnis des Mediums, einschließlich Dimensionen der Realität, menschlicher Aspekte, Tracking, Interaktion & Interface, Bewegung, Stereoskopie und Content Creation.

Das Modul kombiniert theoretische Vorlesungen mit praktischen Übungen, um den Studierenden ein umfassendes Verständnis und praktische Fähigkeiten im Umgang mit Augmented & Virtual Reality zu vermitteln. Es werden Lehrmethoden wie Vorlesungen, Diskussionen, praktische Übungen, Projektarbeit und Kooperationen mit externen Institutionen verwendet. Zur Umsetzung der praktischen Übungen kommen verschiedene Technologien und Tools wie 360° Film-Erstellung, 3D-Modellierung, Licht & Texturierung, Unity-Entwicklungsumgebung, VR-Umsetzung mit HTC Vive oder Meta Quest und AR-Umsetzung mit Smartphones, jeweils mit Unity, zum Einsatz.

Das Modul zielt darauf ab, den Studierenden ein fundiertes Verständnis von Augmented & Virtual Reality zu vermitteln und sie mit praktischen Fähigkeiten auszustatten, um eigene Inhalte in diesen Technologien zu erstellen. Durch die theoretischen Kenntnisse und praktischen Erfahrungen sollen die Studierenden in die Lage versetzt werden, innovative und immersive AR- und VR-Anwendungen zu konzipieren, zu entwickeln und zu evaluieren. Am Ende des Moduls sollen die Studierenden in der Lage sein, eigenständig komplexe AR- und VR-Inhalte zu erstellen und zu präsentieren, um die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologien in verschiedenen Bereichen zu demonstrieren.

• Matthias Wölfel, Immersive Virtuelle Realität: Grundlagen, Technologien, Anwendungen, Springer Vieweg Berlin, Heidelberg, Link: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-662-66908-2
• Folien zur Vorlesung
• Jason Jerald, The VR Book: Human-Centered Design for Virtual Reality, Morgan & Claypool Publishers-ACM, 2015
• Joseph LaViola,‎ Doug Bowman,‎ Ernst Kruijff,‎ Ivan Poupyrev & Ryan P. McMahan, 3D User Interfaces: Theory and Practice, Pearson Education, 2017
• Holger Tauer, Stereo-3D, Schiele & Schoen, 2010

Die Vorlesung findet teilweise in immersiver virtueller Realität statt. Es werden dafür VR-Brillen an die Studierenden ausgeteilt.

Die Studierenden lernen

• die Geschichte der Spionage und Cyberspionage kennen.
• was man unter hybrider Kriegsführung versteht und welche
• Techniken u. a. von Geheimdiensten angewendet werden.
• wie die Sicherheitsarchitektur Deutschlands aufgebaut ist.
• rechtliche Aspekte in Zusammenhang mit Cyberspionage kennen.
• Spionagetechniken von Nachrichten- und Geheimdiensten kennen.
• wie Cyberangriffe bestimmten Akteuren und Spionagegruppierungen (APTs) zugeordnet werden.
• welche Arten von Malware im Bereich der Cyberspionage eingesetzt werden.
• wie man Bedrohungen im Kontext der Cyberspionage technisch erfassen und anhand verschiedener Frameworks kategorisieren/analysieren kann.
• bekannte Cyberspionagefälle aus der Vergangenheit kennen.
• technische Möglichkeiten zur verdeckten Kommunikation kennen.

Inhalte:

• Geschichte der Spionage und Geheimdienste
• Sicherheitsarchitektur in Deutschland (BND, MAD, BfV, LfV, …)
• Rechtliche Aspekte der Cyberspionage (Artikel 10-Gesetz, BNDG, BVerfSchG, § 99 StGB, …)
• Geheimdienstliche Spionagetechniken
• Operative Sicherheit
• Attributionsverfahren
• Kritische Infrastrukturen
• Advanced Persistent Threats
• Hybride Kriegsführung
• Malware-Taxonomie
• Social-Engineering
• Stuxnet, SolarWinds, Pegasus, WannaCry, Krypto AG etc.
• Threat Intelligence
• Verdeckte Kommunikation
• Bedrohungen durch Künstliche Intelligenz

Grundkenntnisse im Bereich „Ethical Hacking“ sind vorteilhaft.

• Huber, E. (2019). Cybercrime: Eine Einführung. Springer VS.
• Oelmaier, F., Knebelsberger, U., & Naefe, A. (2023). Krisenfall Ransomware: Strategien für Wiederaufbau, Forensik und Kommunikation. Springer Fachmedien Wiesbaden.

Es werden die wichtigsten Frameworks für die "klassische" Anwendungsentwicklung an jeweils einem durchgängigen Beispiel vorgestellt:

• Flask: Ein populäres Micro-Framework mit 62.000 Stars bei GitHub, um REST- und GraphQL-Schnittstellen zu entwickeln.
• FastAPI: Ein modernes Micro-Framework mit 54.000 Stars bei GitHub, um REST- und GraphQL-Schnittstellen zu entwickeln.
• Django: Ein mächtiges, sehr weit verbreitetes Web-Framework. Für eine REST- oder GraphQL-Schnittstelle bräuchte man django-rest-framework, das "nur" 25.000 Stars bei GitHub hat.

In einem fließenden Übergang zwischen Vorlesungen und Übungen wird für jedes Framework ein durchgängiges Beispiel bereitgestellt, und zwar von der Schnittstelle (REST, GraphQL) bis zur Datenbank (PostgreSQL, MySQL, SQLite). Das objektrelationale Mapping wird durch SQLAlchemy umgesetzt. Weiterhin wird jedes Beispielprojekt als Docker-Image gebaut und mit Docker Compose als Container zum Laufen gebracht. Die Beispiele werden gemeinsam auf den studentischen Notebooks mit VS Code installiert und erläutert.

Bei diesen angeleiteten Übungen mit fertigen und lauffähigen Anwendungen werden die Studierenden auch mit der notwendigen Infrastruktur für Python vertraut gemacht. Dazu gehört z.B.

• eine virtuelle Umgebung mit venv
• ein Package Manager durch pip zzgl. pyproject.toml
• ASGI (Asynchronous Server Gateway Interface) durch wahlweise uvicorn, hypercorn und daphne
• Asynchrone Integrationstests mit pytest und httpx für HTTP/2
• Codeanalyse durch mypy, pyright, pylint, flake8, ruff und SonarQube sowie refurb
• Security-Analyse durch bandit und safety
• Codeformatierung durch black
• Generierung der API-Dokumentation mit mkdocs mit Material Design zzgl. PlantUML für UML- und ER-Diagramme
• Lasttests mit locust

• Flask https://flask.palletsprojects.com
• FastAPI https://fastapi.tiangolo.com
• SQLAlchemy https://www.sqlalchemy.org
• Strawberry https://strawberry.rocks
• Marshmallow https://marshmallow.readthedocs.io
• Pydantic https://github.com/pydantic/pydantic

Das Wahlpflichtfach findet 14-tägig freitags im 3. und 4. Block statt; Beginn ist in der 2. Vorlesungswoche. Es wird vorerst nur im Sommersemester angeboten.

Im Rahmen der Vorlesung werden zunächst die Begrifflichkeiten des Geschäftsprozessmanagements geklärt, bevor dann unterschiedliche Konzepte zur Geschäftsprozessaufnahme und -modellierung dargestellt und untersucht werden. Hierbei wird auch auf die Unterstützung durch geeignete Vorgehensmodelle und Software-Tools eingegangen. Auch neuere Konzepte, wie etwa das Process Mining, werden hier behandelt. Mithilfe entsprechender Tools werden Geschäftsprozesse aufgenommen und anschließend im Rahmen einer Fallstudie simuliert. Abschließend werden Aspekte der Qualitätssicherung von Prozessen, der Bewertung der Leistungsfähigkeit von Prozessen sowie der Prozesskostenrechnung behandelt. Die Studiernden sollen dabei in die Lage versetzt werden, eigenständig die Prozesse im Unternehmensumfeld bearbeiten zu können (Erfassung, Modellierung, Analyse).

Im Überblick:

• Der Prozessbegriff und Prozessarten
• Vorgehensmodelle im Prozessmanagement
• Prozessanalyse (Aufnahme von Prozessen)
• Prozessmodellierung (Veränderung von Prozessen)
• Werkzeuge der Prozessmodellierung
• Prozesssimulation
• Process Mining
• Kennzahlen zur Bewertung von Geschäftsprozessen

• Skript
• Übungsaufgaben
• Fallstudien (im ILIAS-System der Hochschule Karlsruhe)
• Zugang zu verschiedenen Werkzeugen

Seminaristischer Unterricht: Vorlesung, Fallstudien, Übungen

HsKAmpus soll umfassende Funktionen für Studierende aller Fakultäten der HsKA bereitstellen:

• https://www.h-ka.de/hskampus/
• https://www.youtube.com/watch?v=OcyRZrwXzVM

Hierzu gehören vorrangig Funktionen aus den sogen. Online-Services auf Basis des LSF-Servers (Veranstaltungen/Stundenplan, Einrichtungen, Personen, Studentisches Leben), des QIS-Servers (Notenansicht) und anderer Server (Mensa, KIT, KVV, …). Weitere Formate und Funktionen sind möglich:

• Erstellung bzw. Weiterentwicklung für Android, iOS, Windows, Web und unseren Broker/Server sowie die neue Ersti-Hilfe
• Bereitstellung in Google Play, Apple App Store, Microsoft Windows Store und als Web-App
• Marketing auf verschiedenen Kanälen (WebSite, FaceBook, Instagram, HsKA Site, Werbemittel, …)
• Benutzersupport
• Kommunikation an der Hochschule (Campustag).

http://www.hskampus.de

https://www.facebook.com/hskampus

https://www.instagram.com/hskampus/

Start-up Veranstaltung, Bildung von Gruppen, Projektplan, Projektmeetings, Entwicklung, Begleitung in allen Projektphasen

Zunächst erhalten die Studierenden einen Überblick über den internationalen Consultingmarkt und lernen die methodische Grundlagen dieser Branche sowie die Arbeitsschwerpunkte des IT-Consultings kennen. Es wird auf verschiedene Ansätze der Strategieberatung, Prozessberatung und IT-Systemberatung mit den jeweiligen Beratungswerkzeugen und -methoden eingegangen. 

• Vorlesungsmaterial vollständig in Powerpoint-Folien
• Tafelaufschrieb bei interaktiver Erarbeitung von Kernproblemstellungen
• Vorgaben zu Case Study Material

Teilnahme Vorlesung, Bearbeiten von Case Studie in der Gruppe zur Anwendung und Vertiefung verschiedener Beratungsansätze

Technische und topologische Mechanismen zur Netzwerksicherung, Angriffsmuster und Abwehrstrategien, Grundlagen, Ausprägungen und Abwehr von malicious Software, Analyse und Beurteilung von Sicherheit und sicherheitstechnischen Vorgängen. Am Ende der Vorlesungsveranstaltung werden praktische Fallbeispiele geübt, die einen Eindruck von der Anwendung der Vorlesungsinhalte bieten.

• Powerpoint-Folien

Vorlesung mit gewünschten Zwischenfragen; praktische Übungen im Netzwerklabor unter Anleitung der Dozenten

Die Studierenden verfügen über umfassende theoretische und praktische Kenntnisse in der Konzeption, Gestaltung und Präsentation von interaktiven Projekten. Sie simulieren anhand von Webseitenprojekten oder Applikationen für mobile Endgeräte den Arbeitsalltag der Kreativabteilungen von Multimedia-Agenturen.

Sie lernen an Beispielen, wie Gestaltungsaufträge in der Praxis umgesetzt werden. Dazu gehören Arbeitsschritte wie Kundenbriefing, Brainstorming, Designkonzept, Moodboard, Entwurfsgestaltung, Prototypenbau und Präsentation der Projekte.

• Vorlesungsunterlagen
• Fallbeispiele aus der Praxis

Seminaristische Vorlesung mit Übungsaufgaben.

Die Studierenden erlernen auf praktische Art und Weise das Architekturprinzip der Microservices, die sich neben herkömmlichen, schwerfälligen Applikationsservern etabliert haben (WAS).

Anhand eines durchgängigen Beispiels werden Microservices mit folgender Plattform entwickelt (WOMIT):

• Kubernetes (einschl. Helm) und Docker-Images für Virtualisierung, Orchestrierung, Service-Registry, usw. Dazu werden die Produkte Docker Desktop Community und Lens als Administrationswerkzeug verwendet.
• Spring Boot als Framework, um Microservices mit REST und auch GraphQL als Schnittstelle zu implementieren.
• Spring Data JPA, um mit Hibernate und dem Standard Jakarta Persistence auf relationale Datenbanksysteme zuzugreifen.
• PostgreSQL, MySQL und Oracle 23c Free werden als relationale Datenbanksysteme mit den Administrationswerkzeugen pgadmin, phpMyAdmin und SQL Developer verwendet und allesamt in Kubernetes installiert und betrieben.
• IntelliJ IDEA Ultimate wird als IDE eingesetzt. Für IntelliJ IDEA Ultimate - und sonstige Produkte von JetBrains - können Studierende der HKA auf Initiative des Dozenten seit 2014 eine kostenlose Lizenz erhalten, die für 1 Jahr gültig ist.
• Gradle mit Cloud Native Buildpacks wird als Buildsystem benutzt.

Dadurch erwerben die Studierenden die Kompetenz, um die Vor- und Nachteile von Microservices gegenüber monolithischen Architekturen abzuwägen (WOZU).

• "Spring Framework Documentation", https://docs.spring.io/spring/docs/current/spring-framework-reference
• "Spring Boot Reference Guide", https://docs.spring.io/spring-boot/docs/current/reference/htmlsingle
• "Spring GraphQL Reference", https://docs.spring.io/spring-graphql/docs/1.0.0-M2/reference/html
• "Spring Data JPA", https://docs.spring.io/spring-data/jpa/docs/current/reference
• Docker, https://www.docker.com/why-docker
• Kubernetes, https://kubernetes.io/docs

This course covers the following areas.

1. Embedded software engineering

2. Programming language design and analysis.

 We will use the Go programming language to cover various aspects of programming language design and analysis.

• Introduction to Go, a C style language with garbage collection.
• Type inference
• Method overloading
• Go interfaces
• Connection to other overloading approaches
• Syntax analysis
• Program analysis
• Concurrency
• Multi-threading
• Message-passing
• Shared memory and data races

• lectures notes and slides
• exercies
• online references

Prerequisistes:

    Softwareprojekt + Autonome Systeme

Lernergebnisse / Kompetenzen:

Die Studierenden kennen aktuelle Herausforderungen für die Planetare Gesundheit (gesundheitlich, sozial, ökologisch und ökonomisch). Sie können Maßnahmen identifizieren und umsetzen, um selbst Einfluss zu nehmen. Damit kommen sie vom Wissen ins Handeln.

Inhalt:

In Kleingruppen erarbeiten sich die Studierenden Themen der planetaren Gesunheit. Sie identifizieren Maßnahmen zur Problemlösung und erklären ihre Wirksamkeit. In der darauffolgenden Woche führen alle Kursteilnehmenden die (eine) Maßnahme im Selbstversuch aus. Im nächsten Termin wird dann gemeinsam über Erfahrungen, Erfolge und Herausforderungen reflektiert. Danach stellt die nächste Gruppe ihre Maßnahme vor. So erfahren alle Beteiligten unterschiedliche Möglichkeiten ins Handeln zu kommen und selbstwirksam zu sein.

Lehr- und Medienform:

Eine Einführungsveranstaltung im Blockformat, in der Grundlagen zu Planetary Health vermittelt sowie erste Ideen vorgestellt werden. Anschließend bearbeiten die Studierenden in Gruppen über das Semester ausgewählte Themen. Zusätzlich gibt es wöchentliche Challenges, die von den Teilnehmenden durchgeführt werden. In wöchentlichen Treffen wird über eine ausgeführte Challenge reflektiert und die kommende Challenge eingeführt.

Ablauf:

• Informationsveranstaltung für weitere Infos und zur Klärung von Details: 1.10.2024, 13-14 Uhr
• Eine Blockveranstaltung – Einführung in Planetary Health, Auswahl der ersten Challenge: 12.10.24
• Wöchentliche Treffen – Termin wird noch bekannt gegeben

Studienleistungen:

Vorbereitung einer Challenge, Teilnahme und Mitarbeit in den Veranstaltungen, Reflektion über eigene Erfahrungen

Prüfungsleistung(en):

• Präsentation eines Themas zu Planetary Health inkl. Definition einer Challenge,
• Bewertung und Dokumentation der Erfahrungen der Gruppe.

Einsatzbereiche von Industrie- und Servicerobotern, Kinematiktypen, Koordinatentransformationen, kinematische Modellierung von Manipulatoren, Bahnplanung, Sensorik, Steuerungsarchitektur (Hardware und Software), Programmiermethoden, Programmiersprachen

• Skript

Seminaristischer Unterricht

Die Definition von Serious Games, ihre Ursprünge, geschichtliche Entwicklung und ihre inhaltliche und technische Evolution seit den 1970er Jahren wird beleuchtet. Die vielfältigen Einsatzgebiete von Serious Games in den Bereichen Lernen, Kommunikation, Engineering und Partizipation werden anhand zahlreicher veröffentlichter Produktionen der Serious-Game-Firma von Herrn Schwarz detailliert aufgezeigt und besprochen.

Die Vorlesung gibt einen Überblick über die Forschung an und Entwicklung von Serious Games. Lerntheoretische Grundlagen über Wirkung von und Wissensvermittlung mit Serious Games sowie Erkenntnisse aus der Forschung über digital game-based learning werden in der Vorlesung anschaulich vorgestellt und mit anderen digitalen Lehr- und Lernformaten wie e-learning, wissenschaftlichen Simulationen, aber auch Lernerfahrungen aus Entertainment Games verglichen. Es werden Konzeption, Design, Produktionsprozesse und Wirkungsweisen von Serious Games anhand veröffentlichter Serious Games-Produktionen der Serious-Games-Firma von Herrn Schwarz in ihren verschiedenen Einsatzgebieten detailliert präsentiert.

Nach dieser grundlegenden Wissensvermittlung über Serious Games erarbeiten die Studierenden dann ein Konzept für das „ultimative Serious Game“: Die echte Welt retten. Dazu wird ihnen eine Learning Game Design Methodologie theoretisch und in praktischer Anwendung schrittweise von der Themen-Findung für das Serious Game bis hin zur Erstellung eines Game-Konzept-Dokuments vermittelt.

• Salen, Katie, Zimmerman Eric, Rules of Play – Game Design Fundamentals, The MIT Press 2003
• Salen, Katie, Zimmermann Eric, The Game Design Reader – A Rules of Play Anthology, The MIT Press 2006
• Schell, Jesse, The Art of Game Design – A book of lenses, second edition, CRC Press, Tayler & Francis Group 2015
• Adams, Earnest, Dormans, Joris, Game mechanics: Advanced Game Design,
• McGonigal, Jane, Besser als die Wirklichkeit!: Warum wir von Computerspielen profitieren und wie sie die Welt verändern, Heyne Verlag 2011
• Hagner, Kerner, Thomä, Theorien des Computerspiels - zur Einführung, Junius Verlag GmbH, 2012
• Troy Dunniway, Jeannie Novak, Game Development Essentials: Gameplay Mechanics, Delmar Cengage Learning, 2008

Die Prüfungsleistung ist die Erstellung eines eigenen und vollständigen Spielkonzepts unter Anwendung der in der Vorlesung vermittelten Game Design-Methodologie.

Der Leistungsnachweis dieser Vorlesung wird die Abgabe eines Spielkonzepts für das "ultimative Serious Game" sein, das - in Einzel- oder Gruppenarbeit - mit der vermittelten Learning Game Design - Methodologie von den Studierenden erstellt wurde. Das Spielübersichts-Diagramm dieses Spielkonzepts wird als dynamisches System-Design mit einer visuellen Programmiersprache umgesetzt.

Die Vorlesung führt in verschiedene Konzepte und Bereiche des Sounddesign ein. Neben technischen Grundlagen zu:

• Raumklang und Wellen
• Aufnahmetechnik, Speicherung und Verarbeitung
• Klangsynthese

werden auch kreative Einsatzgebiete von Sounddesign wie:

• Audiobearbeitung
• Musik- und Audioproduktion
• Musiktheorie
• Einsatz und Wirkung von Sound in Anwendungen oder Filmen

angeschnitten. Es wird gezeigt, wie professionelle Klanglandschaften und Stimmungen gestaltet werden können, um gewünschte Wirkungen zu erzielen.

Die Vorlesung wird von Übungsaufgaben begleitet, in denen das Wissen praktisch angewandt wird. Die Inhalte der Aufgaben reichen von der Bearbeitung von Audiospuren, über Klangsynthese und Vertonung von Film-Szenen bis hin zur Entwicklung von Sound-Brands.

• Vorlesungsskript
• Fallbeispiele aus der Praxis

Seminaristische Vorlesung mit Übungsaufgaben