Didaktischer Kommentar

Bereits im Alltag der jüngsten Lernenden findet sich Künstliche Intelligenz (KI), ohne dass sie es überhaupt merken. Sprachassistenten hören zu und beantworten Fragen, im Internet finden sich Empfehlungen auf Grundlage von Interessen, Wohnort oder Klickverhalten in Spielen und Lernapps, mit Gesichtserkennung erwacht das Tablet zum Leben. Mit Materialien dieses Ideensets können bereits Kinder ab dem Zyklus 1 in die Welt des maschinellen Lernens eintauchen und technologische Konzepte und gesellschaftliche Auswirkungen spielerisch kennenlernen und reflektieren. Wie funktioniert so ein Roboter eigentlich? Was kann er gut und bei was braucht er die Hilfe des Menschen? Wie sieht die Zukunft der KI aus? Wahrscheinlich werden die Kinder noch vielmehr Fragen aufwerfen, die wir Erwachsenen nicht beantworten können. Begegnen wir der Entwicklung also mit Phantasie und Zuversicht. Oder wie die Buchautorin Linda Liukas schreibt: «Alles, was ihr benötigt, ist eine neugierige, praktische und furchtlose Einstellung.»  

Relevanz und Übersicht

Gerade die jüngeren Lernenden haben wenig Berührungsängste mit neuen Technologien. Sie nutzen diese, weil sie zu ihrer Welt gehören. KI findet sich schon heute in Spielsachen, Rasenmähern oder Überwachungskameras. Aber was ist eigentlich KI und wie unterscheidet sie sich vom normalen Computerprogramm? Wie können Computer lernen? Wie muss ich mir ein neuronales Netz vorstellen?  

Ruby, die Protagonistin der «Hello Ruby»-Kinderbücher von Linda Liukas, nimmt Clever, ihren maschinell trainierten Roboter mit in die Schule und erkundet, welche Probleme Clever gut lösen kann und bei welchen Herausforderungen sie und ihre Freundin Julia gefragt sind. Verpackt in spannende Abenteuer werden die verschiedenen Konzepte des Maschinen Lernens (überwachtes Lernen, unüberwachtes Lernen und bestärkendes Lernen) thematisiert.  

Dieses Ideenset hilft Ihnen als Lehrperson, den Transfer zwischen der Handlung im Kinderbuch und der realen Informatik zu illustrieren und Unterrichtsszenarien entsprechend didaktisch aufzubereiten. Dazu dienen Ihnen das Bilderbuchkino, ein Video-Tutorial zum Nachspielen des Maschinellen Lernens und Dossiers mit Übungen.   

Vorstellungen und Vorkenntnisse

Sehr spannend ist es zu sehen, wie sich Kinder die Komplexität der Informatik vorstellen. Man könnte mit ihnen gemeinsam im Kreis überlegen, wie Roboter funktionieren oder welche Tätigkeiten im Alltag von Robotern übernommen werden könnten. Was müssten Roboter für diese Tätigkeiten können?  

Anhand kleiner Gedankenexperimente oder Zeichnungen können die Vorkenntnisse erhoben und aufgegriffen werden. Das Anknüpfen an diese Vorstellungen ist zentral für das Verständnis und für einen nachhaltigen Lerneffekt (vgl. conceptual change / conceptual growth und didaktische Rekonstruktion).

Allgemein ist festzuhalten, dass das Thema Künstliche Intelligenz bzw. Maschinelles Lernen aus der Perspektive der gesellschaftlich-kulturellen Perspektive einen hohen Lebensweltbezug hat. Maschinen nehmen dem Menschen immer mehr Routinetätigkeiten ab. Die Kinder wachsen mit diesen Maschinen auf. Bevor wir über ethische Aspekte diskutieren, wollen wir die Funktionsweise der Technologie hinterfragen und den Kindern die Möglichkeit geben, spielerisch ein abstraktes Bild von maschinellem Lernen zu konstruieren.  

 

Lerngegenstand und thematische Schwerpunkte

Thematischer Schwerpunkt Kurzbeschrieb
Roboter & Maschinen im Alltag

Die Lernenden beschreiben ihren Wunschroboter und überlegen, was der alles können muss, um ihre Wünsche zu erfüllen.

Mit dem Bilderbuchkino lernen sie, was Roboter grundsätzlich können und was nicht
Sensoren und Fühlen Die Lernenden vergleichen der menschlichen Sinne mit den Sensoren des Computers. Sie überlegen, wie Mensch und Maschine Informationen verarbeiten, um zu lernen.
Training/ Maschinelles Lernen Mit Hilfe des Tutorials lernen die Lernenden, dass der Roboter durch viele Beispiele lernen kann.
Neuronale Netze und Wahrscheinlichkeiten Mithilfe von Beispielen lernen die Lernenden, dass der Roboter in seinem Neuronalen Netz immer nur Entscheidungen auf Basis von Wahrscheinlichkeiten treffen kann. Stimmen viele seiner gespeicherten Merkmale überein, gibt er die Antwort, die am wahrscheinlichsten ist.

Verlauf und Lehrplanbezug

Organisation

Zyklus 1
Für jüngere Kinder würde man ohne Dossier arbeiten und sich mehr auf die Versprachlichung der komplexen Konzepte konzentrieren. Dazu können das Bilderbuchkino und das Tutorial genutzt werden. Das Spiel mit den Bildkarten kann in Kleingruppen in vereinfachter Version gespielt werden. Auf das Ausfüllen des Dossiers wird verzichtet. Das Lernen der KI kann analog zum Tutorial mit dem Roboter Kostüm als Rollenspiel inszeniert werden.

Zyklus 2
Für Kinder ab Klasse 3 wird das Dossier genutzt und ggf. in gekürzter Variante eingesetzt. Zusätzlich dient die Website als Selbstlernmaterial für die Kinder. Im Dossier wird jeweils auf Bilderbuchkino, Tutorial und Bildkarten verwiesen.

Verlauf

Der folgende Verlauf ist ein Vorschlag für den Zyklus 2. Wie oben beschrieben, wird empfohlen im Zyklus 1 jeweils das Verschriftlichen wegzulassen und die Reflexion der Geschichte und des Tutorials in den Vordergrund zu rücken.

Didaktische Phase * Aufgaben
Explorieren
erkunden, begegnen, Vorwissen und Erfahrungen aktivieren, Konzepte prüfen und hinterfragen, aktiventdeckend

Präkonzept als Gedankenexperiment (Stelle dir vor, du hättest einen Roboter?)

Material: Keines
Erarbeiten des Gesamtbildes von KI neue Konzepte und Handlungsweisen kennenlernen, ordnen

Geschichte/ Bilderbuchkino rezipieren und reflektieren

Material:
Erarbeiten des Konzepts "Sensor"

Sensoren / Sinne: Unterschiede zwischen Mensch und Maschine diskutieren und Transfer zur Verarbeitung von Informationen und Lernen schaffen.

Material:
Erarbeiten des Konzepts "Training"

Maschinelles Lernen erfahren: Rezeption des Tutorials und Nachspielen des Lernprozesses (ggf. mit Rollenspiel unter Nutzung des Roboterkostüms)

Material:
Üben und Vertiefen
trainieren, erweitern, für sich verfügbar machen

(Rollen)spiel: Training einer KI: Ein Lernende legt dem "Roboter" Bildkarten vor und erklärt, was das ist. Der Roboter "lernt" das Bild kennen, in dem er sich Merkmale merkt/ notiert. Anschliessend werden andere Bilder vorgelegt und der Roboter soll nun ausschliesslich anhand seines "Wissens" erraten, was jeweils abgebildet ist.

Material:
Anwenden
in bekannten Situationen
Übertragen
in unbekannten Situationen
Vertiefen und Erweitern des Konzeptes und Übertragen in unbekannten Situationen

Merkmale zählen: Anhand eines einfachen Netzes zählen die Lernenden die Merkmale von Panda, Wolf und Fussball und erschliessen sich damit, für welches Bild der Roboter die meisten Informationen hat und damit die verlässlichsten Aussagen treffen kann.

Material:

Reflexion

Rechteck 1, Textfeld

Zusammenfassen der Konzepte Sensor und Training: Was könntest du nun deinem Wunschroboter beibringen und welche Sensoren und welches Wissen bräuchte er dafür?

Material:

* Die didaktischen Phasen basieren auf dem Modell kompetenzfördernder Aufgabensets nach Kalcsics & Wilhelm, 2017.

Reflexion

Die Lernspuren werden von den Lernenden laufend dokumentiert. Die Lernenden berichten einander in regelmässigen Abständen, was sie bereits herausgefunden haben und welche Schlüsse sie daraus ziehen. Für Kinder des Zyklus 2 ist eine regelmässige Verschriftlichung der Lernspuren vorgesehen. So erhält die Lehrperson Gelegenheit, den individuellen Lernprozess einzuschätzen und zu unterstützen (formative Beurteilung).

Lehrplanbezug

Medien
MI1.1 Leben in der Mediengesellschaft
MI1.2 Medien und Medienbeiträge verstehen
MI1.3  Medien und Medienbeiträge produzieren
MI1.4 Mit Medien kommunizieren und kooperieren

Informatik
MI2.1 Datenstrukturen
MI2.2 Algorithmen
MI2.3 Informatiksysteme

Im Lehrplan21 ist das Thema "Künstliche Intelligenz" nicht verankert. Erst mit der Einführung von ChatGPT im November 2022 haben Werkzeuge mit integrierter KI die Lebenswelt der Lernenden erreicht und sind damit relevanter Teil der Mediengesellschaft. Somit werden die Kompetenzstufen MI2.1a-c immer vor dem Hintergrund von KI-basierten Systemen entwickelt werden müssen.
Auch das Verfälschen von Bildern mittels KI-Systemen ist ein wichtiges Konzept, um die Kompetenzstufen MI1.2a-c zu erarbeiten. Für die Kompetenzstufen des Informatik-Lehrplans sind die Konzepte des Maschinellen Lernens zentral wichtig, werden aber nicht explizit erwähnt:

  • Datenstrukturen: Lernen mit einer grossen Menge verschiedenen Daten.
  • Algorithmen: Automatisierte Weiterentwicklung von Menschgeschriebenen Algorithmen durch Daten
  • Informatiksysteme: Sensoren zur Akkumulation von daten

Die Unterrichtseinheit hat das Ziel, dass die Kinder spielerisch ein Verständnis von Maschinellen Lernen entwickeln. Alles basiert auf Daten und Wahrscheinlichkeiten, nicht auf Menschlichkeit. Dieses Grundverständnis der digitalen Welt ist nicht im Lehrplan operationalisiert, bildet aber die Grundlage für ein tieferes Verständnis und damit für die Erarbeitung der im Lehrplan vorgesehenen Kompetenzen. Auch wird den Kindern so der Zusammenhang zwischen Datenstrukturen, Algorithmen und Informatiksystemen klar und sie können es in höheren Stufen besser ganzheitlich erfassen.

Weitere Hinweise

Die zur Verfügung gestellten Materialien stehen alle unter einer CC-BY-Lizenz und können unter Angabe des Namens der Urheberinnen uneingeschränkt verwendet werden.  

Die Originalbücher der Helly Ruby Reihe können im Buchhandel erworben werden. Das Nutzungsrecht liegt beim Verlag Bananenblau.  

Übersicht IdeenSet Hello Ruby - Wenn Roboter zur Schule gehen (KI)
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