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Blogbeitrag Spielerische Wissensvermittlung: KI-Explorables für die Schule

Spielerische Wissensvermittlung: KI-Explorables für die Schule

By Bianca Violet and others
06/13/2022

KI-Anwendungen begleiten uns in unserem Alltag. Schüler:innen sollten deshalb frühzeitig einen reflektierten Umgang mit Künstlicher Intelligenz erlernen. In diesem Beitrag stellen Bianca Violet und Andreas Matt von IMAGINARY interaktive "KI-Explorables" für den Unterricht vor, die das Thema KI spielerisch vermitteln.

Das Interesse an Künstlicher Intelligenz (KI) ist aktuell enorm hoch: Medien und Politik behandeln das Thema sehr breit, die Forschung blüht und neue Anwendungen entstehen in fast allen Bereichen. Sie reichen von automatisierten Übersetzungen, Sprachverarbeitung und Bilderkennung bis hin zur Steuerung von autonomen Fahrzeugen oder dem Versuch, KI bei der Verbrechensbekämpfung einzusetzen. Ein Grundverständnis von KI ist fundamental wichtig. Wir wollen deshalb besonders die Generation der heutigen Schüler:innen für diese neue Technologie fit machen, sie involvieren und als Akteur:innen für die Zukunft vorbereiten. Um diesem Ziel näherzukommen, richtet sich unser Online-Kurs “KI-Explorables für die Schule” in erster Linie an Lehrkräfte der Informatik und Mathematik. 

Unsere Explorables – das sind kleine, interaktive Online-Spiele, die direkt im Browser laufen – bieten ein intuitives Verständnis einiger Kernthemen des Maschinellen Lernens. Sie eignen sich besonders für das spielerische, non-formale Lernen. Im Kurs beschäftigen wir uns insbesondere mit künstlichen neuronalen Netzen – das sind vernetzte, künstliche Neuronen, vergleichbar mit dem Nervensystem eines Lebewesens. Sie können, ähnlich wie das menschliche Gehirn, auf spezielle Aufgaben trainiert werden, z. B. das Erkennen von Mustern, mit erstaunlich guten Ergebnissen. Für das Training eines neuronalen Netzes wird unter anderem das sogenannte Gradientenverfahren verwendet. Im Kurs kannst du das Prinzip hinter diesem Verfahren mit diesem Explorable intuitiv entdecken. Versuche, den Schatz an der tiefsten Stelle des Ozeans zu finden. Was ist deine Strategie?

 

Neben den neuronalen Netzen ist Reinforcement Learning (dt. bestärkendes Lernen) eine der wichtigsten Technologien beim Maschinellen Lernen und auch Thema in unserem Online-Kurs. Wir veranschaulichen die dazugehörigen Methoden mit einem kleinen Roboter, der lernen soll, möglichst schnell den Ausgang eines Labyrinths zu finden. Das Lernen ist dabei nicht von außen überwacht (z. B. durch Trainingsdaten), sondern passiert über Belohnungen oder auch Bestrafungen. Du kannst den Roboter beim Lernen beobachten, aber auch das ganze Labyrinth neu bauen und selbst Belohnungen oder Gefahren platzieren.

 

Screenshot eines der Explorables zum Thema Reinforcement Learning

Abbildung 1: Screenshot eines der Explorables zum Thema Reinforcement Learning

 

In jedem Kursmodul gibt es wiederkehrende Rubriken. So startet jedes Modul mit einem kleinen, interaktiven Experiment – dem Intro-Experiment. Es wird erst einmal ausprobiert, um den Einstieg besonders intuitiv und motivierend zu gestalten. Außerdem gibt es in jedem Modul die Rubrik “Mathe❤️”, in der wir die mathematischen Zusammenhänge erläutern. Es werden Formeln und Grafiken gezeigt, die ein tieferes Verständnis fördern. Dafür ist kein Vorwissen erforderlich, alles wird Schritt für Schritt erklärt. In der Rubrik “In der Klasse” gehen wir speziell auf didaktische Szenarien ein und geben dir detaillierte Beschreibungen sowie zusätzliche Materialien, um die Inhalte im Unterricht zu verwenden. Die beiden letzten Rubriken sind optional und können übersprungen werden. Alle folgenden Module bauen nicht darauf auf.

Übrigens: Der Online-Kurs ist auch für alle geeignet, die die interaktiven Inhalte in anderen Kontexten nutzen wollen, zum Beispiel für Workshops, Arbeitsgemeinschaften oder Projekttage. Alle Explorables des Online-Kurses stehen unter offener Lizenz. Es werden Links zur Verfügung gestellt, um sie auch außerhalb des KI-Campus, zum Beispiel im Schulunterricht, zu verwenden.
 

Neues Angebot des KI-Campus: Begleitworkshops zum Online-Kurs

Das Besondere ist: Begleitend zum Online-Kurs bieten der KI-Campus und IMAGINARY Workshops zur Vertiefung der explorativen Inhalte an. Wie sieht das aus?

Wir unterstützen dich 90 Minuten direkt und live bei der Vorbereitung deiner Unterrichtseinheit, so dass deine Klasse das notwendige Hintergrundwissen spielerisch aufnehmen und die Zusammenhänge intuitiv erfassen kann. Unsere Materialien sind differenziert und können einfach auf verschiedene Zielgruppen zugeschnitten werden, so dass du deine Unterrichtseinheit genau auf das Vorwissen, die gewünschte Detailtiefe und auch die verfügbare Unterrichtszeit anpassen kannst. 

Dieses erweiterte Angebot wird als “Flipped Workshop” durchgeführt. Das heißt, du schaust dir vorab bereits einige Kursinhalte an und im Workshop tauchen wir dann gemeinsam noch tiefer in die Materie ein.

Im Workshop setzen wir uns intensiv mit dem ersten Modul des Kurses auseinander. Es heißt “Neuronale Zahlen” und das einfachste Explorable dazu sieht so aus:

 

 

Am Beispiel der Handschriftenerkennung der Ziffern 0 bis 9 gehen wir folgenden Fragen auf den Grund: Was ist ein neuronales Netz? Wie ist es aufgebaut? Und wie wird es trainiert? Dabei kannst du ausprobieren, wie gut verschiedene Netze deine Handschrift erkennen und was passiert, wenn du fehlerhafte Eingaben machst. Anschließend überlegen wir gemeinsam, wie sich das Explorable am besten im Unterricht einsetzen lässt. Wir freuen uns auf dich!

Hier kannst du dich zu einem der Workshops anmelden!

Bianca Violet
Bianca Violet
IMAGINARY gGmbH

Bianca Violet ist Mathematikerin mit über zwölf Jahren Erfahrung in Mathematik-Kommunikation und Vermittlung aktueller mathematischer Forschung. Sie leitet das KI-Workshop-Projekt von IMAGINARY und bildet die Schnittstelle zu zehn Freelancer:innen und Workshopleiter:innen. Im Projekt arbeitet sie an den Inhalten des KI-Curriculums, konzipiert die Lehrkräftefortbildungen und ist in engem Austausch mit Lehrkräften und Organisationen, die die IMAGINARY-KI-Inhalte selbst verwenden.

Dr. Andreas Matt
Andreas Matt
IMAGINARY gGmbH

Andreas Daniel Matt ist Direktor von IMAGINARY, einer gemeinnützigen Organisation zur Kommunikation moderner Mathematik. Er promovierte in Maschinellem Lernen (Reinforcement Learning) an der Universidad de Buenos Aires und der Universität Innsbruck und hat 18 Jahre Erfahrung im Bereich der interaktiven und partizipativen Wissensvermittlung. Er arbeitete von 2007 bis 2016 am Mathematischen Forschungsinstitut Oberwolfach und gründete IMAGINARY mit.