Station 2: Wie lernt eine Maschine?

Autorin: Lina-Sophie Hornung, Studierende der Europa-Universität Flensburg

Thema

Das Thema der Station lautet: „Wie lernt eine Maschine?“. Kinder der heutigen Zeit haben ständigen Kontakt zu sogenannten Maschinen, in Form von Computern und Handys usw. und wissen meist gar nicht, was das genau ist und wie diese funktionieren bzw. wie diese Maschinen lernen (vgl. Hasebrink/Lampert 2011; Livingstone 2009, S. 3).

Ein grundlegendes Verständnis von künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen ist entscheidend, da diese Technologien zunehmend in alle Lebensbereiche integriert werden. Kinder müssen somit wissen, wie Maschinen Informationen verarbeiten, Entscheidungen treffen und Aufgaben ausführen, um in einer digital geprägten Welt kompetent und kritisch agieren zu können. Dies ermöglicht den Kindern nicht nur einen bewussten Umgang mit Technologien, sondern fördert auch ihre Medienkompetenz und ihr Verständnis für die Funktionsweise digitaler Systeme.

Das Ziel dieser Station ist es daher, den Kindern auf anschauliche und altersgerechte Weise zu vermitteln, was eine Maschine ist, wie sie lernt und welche Rolle KI in ihrem Alltag spielt. Durch dieses Wissen können sie die Chancen und Herausforderungen der Digitalisierung besser einschätzen und aktiv an der Gestaltung einer technologischen Zukunft teilnehmen.

Lernen über KI

Ziele der Station

Förderung des Verständnisses für maschinelles Lernen:

Ziel der Station ist es, den Schüler:innen durch das Memory-Spiel die grundlegenden Prinzipien des maschinellen Lernen näher zu bringen. Dabei wird ein intuitives Verständnis dafür vermittelt, wie Maschinen „lernen“, indem sie Zusammenhänge erkennen, Trainingsprozesse durchlaufen und Fehlermuster analysieren. Dies soll das Wissen über die Funktionsweise von KI und deren Anwendungsmöglichkeiten vertiefen.

Erklärung des Lernprozesses einer Maschine:

Das Memory-Spiel ermöglicht es den Schüler:innen, den „Lernprozess“ einer Maschine durch Wiederholung und Assoziation direkt nachzuvollziehen. Dies erklärt, wie KI-Systeme durch Mustererkennung arbeiten und abstrakte Konzepte der Künstlichen Intelligenz erfahrbar machen (Botsch, 2023,S.1)

Digital Gap:

Die Station ist unter anderem darauf basiert, den sogenannten Digital Gap zu verringern. Dieser Begriff beschreibt die ungleichen Zugänge zu digitalen Technologien die häufig durch sozioökonomische oder kulturelle Unterschiede bedingt sind. (vgl. Kutscher, 2019, S. 381) Insbesondere in Familien mit eingeschränktem Zugang zu digitalen Ressourcen zeigen sich bereits im Grundschulalter deutliche Unterschiede in der Mediennutzung und im technischen Wissen (vgl. Breiter/Aufenanger/Averbeck/Welling/Wedjelek 2013, S. 22)

Durch eine inklusive Gestaltung der Station, wodurch keine technischen Vorkenntnisse nötig sind, wird es allen Schüler:innen ermöglicht, sich mit den Grundlagen der KI vertraut zu machen. Dies schafft Chancengleichheit und fördert die Integration aller in die digitale Gesellschaft (vgl. Europäische Kommission, 2022, S. 18)

Inklusive Bildung für alle:

KI-Bildung wird als wesentlich für die gesellschaftliche Teilhabe betrachtet. Besonders Schüler:innen aus weniger digital geprägten Umfeldern profitieren von einem niedrigschwelligem Zugang zu diesem Thema, um gleiche Chancen zu erhalten. So wird gewährleistet, dass alle Schüler:innen, unabhängig von sozialen oder kulturellen Hintergründen, von einer geförderten KI-Bildung profitieren können. (vgl. Breiter/Aufenanger/Averbeck/Welling/Wedjelek, 2013, S. V)

Ein gleichberechtigter Zugang zur Bildung über KI ist wesentlich, um Ungleichheiten im digitalen Bereich zu reduzieren. KI nimmt auch schon in der Lebenswelt der Kinder eine entscheidende Rolle ein. (vgl. Breiter/Aufenanger/Averbeck/Welling/Wedjelek, 2013, S. V) Das Verständnis der Funktionsweise solcher Technologien ist daher entscheidend, um eine aktive und selbstbestimmte Teilnahme an der Gesellschaft zu ermöglichen. (vgl. Europäische Kommission, 2022, S. 18)

Diklusion

Definition von Diklusion:

Diklusion bezeichnet die systematische Verbindung der beiden zentralen Herausforderungen der Schulentwicklung. Digitalisierung (Digitale Medien) und Inklusion, zu einem integrativen Ansatz (vgl. Schulz, 2021, S.31). Dabei geht es nicht um eine additive Verknüpfung, sondern um die Schaffung von Synnergieeffekten, die das Potenzial beider Ansätze miteinander vereinen (vgl. ebd., S. 31).

Der Begriff verfolgt das Ziel, Chancengleichheit und Teilhabe aller Schüler:innen in einer digitalen und diversen Gesellschaft zu fördern (vgl. ebd., S. 31).

Diklusion versteht Vielfalt als Ressource und strebt an, allen Schüler:innen unabhängig von ihre individuellen Voraussetzungen oder weiteren Heterogenitätsdimensionen eine hochwertige, inklusive Bildung zu ermöglichen. (vgl. ebd., S. 31)

Vorteile digitaler Medien:

Digitale Medien unterstützen das Lernen, indem sie mehrere Sinne gleichzeitig ansprechen und Inhalte in verschiedenen Formaten wie Text, Videos oder Animationen darstellen. Lernende können Inhalte selbst auswählen, Aufgaben individuell anpassen und erhalten sofort Rückmeldungen, die das selbstständige Lernen fördern. Außerdem passen sich digitale Medien den individuellen Bedürfnissen und Fortschritten der Lernenden an, beispielsweise durch barrierefreie Einstellungen oder automatische Anpassungen des Schwierigkeitsgrads. So ermöglichen sie personalisiertes Lernen und einen besseren Zugang zu Bildung. Ihr Einsatz muss jedoch gut durchdacht sein, da digitale Medien allein keine besseren Ergebnisse garantieren (vgl. Schulz, 2021, S. 54-55).

Diklusiver Zugang an dieser Station:

Das Buch beinhaltet visuelle und auditive Unterstützung, was eine individuelle Anpassung an unterschiedliche Lernbedürfnisse ermöglicht und den Schüler:innen das selbstständige Arbeiten ermöglicht (Bratan, 2022, S. 128).

Differenzierung und Chancengleichheit:

Das Memoryspiel setzte die theoretischen Inhalte des Buches praktisch um und erlaubte den Kindern, das Gelernte anzuwenden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es sich immer um eine heterogene Lerngruppe handelt, wodurch es Schüler:innen gibt, die die theoretischen Inhalte in der Praxis direkt anwenden können und es auf metaebene anwenden können. Auf der anderen Seite gibt es Schüler:innen, denen das schwer fällt und die Unterstützung benötigen, welche auf der vorletzten Seite in Form eines Erklärungsvideos zu finden ist, wodurch eine Chancengleichheit erreicht wird.

Zudem wurde bei der Strukturierung des Buches darauf geachtet, dass es beispielsweise Schüler:innen mit Konzentrationsproblemen berücksichtigt, denn durch am Anfang festgelegte Regeln, die das gemeinsame Lesen und die Bestätigung des Verständnisses beinhalten, wodurch die Schüler:innen beim Thema blieben.

Ablauf der Station

Die Station ist so aufgebaut, dass die Schüler:innen selbstständig und spielerisch die Grundlagen maschinellen Lernens entdecken können. In zwei klar strukturierten Schritten mithilfe eines interaktiven Buches und eines Memorys Spiels lernen die Schüler:innen die Prinzipien hinter dem maschinellen Lernen kennen.

1. Einführung mithilfe eines interaktiven Buches „Bookcreator“ (10-15 Minuten)
2. Memory-Spiel: Lernen durch Spielen (10-15 Minuten) – Im Buch wird erklärt, dass das wiederholte zeigen der Eltern, wo die Spielzeuge im eigenen Zimmer hingehören, dazu führt, dass durch ständige Wiederholung es irgendwann selbstverständlich ist, wo welche Spielzeuge hingehören. Denn umso öfter etwas wiederholt wird, wird es sich gemerkt. Genauso ist es beim Memory-Spiel. Denn umso öfter bekannte Karten umgedreht werden, desto einfacher ist es sich zu merken, an welcher Stelle die Karten liegen. Demensprechend muss dort der Transfer hergestellt werden, dass Maschinen genauso lernen. (s. Video)
3. Unterstützung durch ein Erklärvideo (optional) (2 Minuten) Hinweis s. unten
4. Reflexion (2-3 Minuten)

Falls Fragen auftauchen bzw.  der Bezug nicht hergestellt werden kann, ist auf den letzten Seiten des Buches ein Video eingebettet, das erklärt, wie das Memory-Spiel die Prozesse des maschinellen Lernens widerspiegelt.

Erstellen einer diklusiven Lernumgebung

Mithilfe des BookCreators ist es möglich den Schüler:innen ein selbstständiges Arbeiten zu ermöglichen. Bei der Gestaltung wurde auf eine visuelle und auditive Gestaltung der verschiedenen Seiten geachtet, um auf die verschiedenen Bedürfnisse einer heterogenen Gruppe von Schüler:innen Rücksicht zu nehmen. Außerdem wurden die Schüler:innen zu Beginn darauf hingewiesen, bestimmte Regeln bei der Bearbeitung der Station zu beachten. Dazu gehört das abwechselnde Vorlesen sowie eine Abstimmung am Ende jeder Seite, ob jeder die Inhalte verstanden hat, um die Sicherung der Inhalte zu verstärken. Bei Schwierigkeiten sind ebenfalls Hilfestellungen gegeben, die ohne Probleme im Buch zu finden sind

Material:

• iPad & Bookcreator
• iPad & Timer
• Memory-Spiel

Durchführung

1. Einführung mithilfe eines interaktiven Buches

Auf einem iPad befindet sich ein interaktives Buch, dass mit der App Bookcreator gestaltet wurde. Das Buch begleitet die heterogene Gruppe von Schüler:innen Schritt für Schritt durch die Station.

Das Buch beinhaltet Antworten auf verschiedenste Fragen. Es erklärt im ersten Schritt, was überhaupt eine Maschine ist und mithilfe eines ausführlichen Beispiels erklärt es, wie eine Maschine lernt. Dabei sollen die Schüler:innen verstehen, dass eine Maschine durch Wiederholung lernt.

2. Memory-Spiel: Lernen durch Spielen

Die Kinder sollen mithilfe eines Memorys eine Verbindung zu den im Buch vermittelten Inhalten und dem Memory-Spiel herstellen. Die Schüler:innen sollen somit eine Verbindung zwischen dem Lernen durch Wiederholung und dem Memory-Spiel herstellen. Im Buch wird erklärt, dass das wiederholte zeigen der Eltern, wo die Spielzeuge im eigenen Zimmer hingehören, dazu führt, dass durch ständige Wiederholung es irgendwann selbstverständlich ist, wo welche Spielzeuge hingehören. Denn umso öfter etwas wiederholt wird, wird es sich gemerkt. Genauso ist es beim Memory-Spiel. Denn umso öfter bekannte Karten umgedreht werden, desto einfacher ist es sich zu merken, an welcher Stelle die Karten liegen. Demensprechend muss dort der Transfer hergestellt werden, dass Maschinen genauso lernen. (s. Video)

3. Unterstützung durch ein Erklärvideo (optional)

Falls Fragen auftauchen bzw.  der Bezug nicht hergestellt werden kann, ist auf den letzten Seiten des Buches ein Video eingebettet, das erklärt, wie das Memory-Spiel die Prozesse des maschinellen Lernens widerspiegelt.

4. Reflexion

Am Ende des Buches befindet sich eine Seite, auf der die Schüler:innen ihr erlerntes Wissen reflektieren sollen, das geschieht mithilfe von zwei Fragen, dessen Antworten in Form einer Audio-Datei festgehalten werden sollen. 

Erklärung des Tools

Für die Durchführung der Station wurde das Tool „Bookcreator“ verwendet. Mithilfe des Bookcreators wurde es ermöglicht, dass die Schüler:innen die Station eigenständig zu erarbeiten. Denn durch die vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten der Seiten, wozu unter anderem auch die auditive Gestaltung gehört, ist es möglich ein digitales Buch für eine heterogene Gruppe von Schüler:innen zu gestalten, welches sie eigenständig abarbeiten können.

Erfahrungen aus der Durchführung/Reflexion

Bei der Durchführung ist zu berücksichtigen, dass es sich bei jeder Lerngruppe um eine heterogene Lerngruppe handelt und sich dadurch unterschiedliche Voraussetzungen der Schüler: innen ergeben, worauf in der Praxis Rücksicht genommen werden muss.

Eine besondere Rolle spielt unterschiedliche Konzentrationsfähigkeit der Schüler: innen, wodurch es Schüler:innen schwer fallen kann, beim Thema zu bleiben. Um die Konzentration der Lernenden zu fördern, ist es hilfreich, klare Regeln für die Leseaktivität aufzustellen. Dazu gehört beispielsweise abwechselndes Vorlesen und eine regelmäßige Abstimmung am Ende jeder Seite, um sicherzustellen, dass alle Inhalte verstanden wurden. Wenn Lernende Schwierigkeiten haben, sich zu konzentrieren oder beim Thema zu bleiben, sollte diese gezielte Unterstützung angeboten werden. Eine zusätzliche Erinnerung an die Regeln kann oft helfen.

Der Einsatz von digitalen Tools wie dem Bookcreator erweist sich als sehr nützlich, da die Kombination aus Text, Bild und Audio eine wertvolle Unterstützung für heterogene Gruppen darstellt und das Lernen fördert. Durch diese Kombination können sich Schüler: innen mit Schwierigkeiten beim Lesen die Inhalte vorlesen lassen.

Außerdem ist für den Einsatz der Station ein gutes Zeitmanagement nötig, daher ist es sinnvoll, den Schüler:innen visuelle und akustische Hinweise zur verbleibenden Zeit zu geben (z.B. iPad mit geöffneten Timer)

Die Herausforderung in der Bearbeitung der Station besteht darin, dass die Schüler:innen die im Bookcreator vermittelten Inhalte auf das Memory-Spiel übertragen. Auch hier fiel auf, dass es sich um eine heterogene Gruppe handelt und das es Schüler:innen gab, den dieser Übertrag gelungen ist und anderen Schüler:innen nicht. Dafür erwies sich das Video, welches sich am Ende der Inhalte befindet und diesen Übertrag erklärt, als sehr hilfreich. Durch den Einsatz des Videos wird somit allen Schüler:innen ermöglicht diesen Lernprozess zu durchlaufen.

Insgesamt zeigt sich, dass diese Station in der Primarstufe, mit etwas Unterstützung, gut funktioniert, da auf die Heterogenität einer Klasse Rücksicht genommen wird.

Material zum Download

Literatur

Botsch, Benny (2023). Maschinelles Lernen – Grundlagen und Anwendungen: Mit Beispielen in Python. Springer Spektrum.

Europäische Kommission, Generaldirektion Bildung, Jugend, Sport und Kultur (2022). Ethische Leitlinien für Lehrkräfte über die Nutzung von KI und Daten für Lehr- und Lernzwecke. Amt für Veröffentlichungen der Europäischen Union.

Bratan, Tanja/Nierling, Linda & Maia, Maria (2022). Technische und menschliche Unterstützung von Menschen mit Behinderung. Anforderungen an eine gelingende Inklusion. In Luthe, Ernst-Wilhelm; Müller, Sandra Verena & Schiering, Ina (Hrsg.), Assistive Technologien im Sozial- und Gesundheitssektor (S. 669-686). SpringerVS

Hasebrink, Uwe/Lampert, Claudia (2011): Kinder und Jugendliche im Web 2.0. In: Aus Politik und Zeitgeschichte, Heft 3. (S. 3-9)

Breiter, Andreas/Aufenanger, Stefan/Averbeck, Ines/Welling, Stefan & Wedjelek, Marc (2013). Medienintegration in Grundschulen: Untersuchung zur Förderung von Medienkompetenz und der unterrichtlichen Mediennutzung in Grundschulen sowie ihrer Rahmenbedingungen in Nordrhein-Westfalen. Landesanstalt für Medien Nordrhein-Westfalen (LfM).

Breiter, Andreas/Aufenanger, Stefan/Averbeck, Ines/Welling, Stefan & Wedjelek, Marc (2013). Vorwort in:  Medienintegration in Grundschulen: Untersuchung zur Förderung von Medienkompetenz und der unterrichtlichen Mediennutzung in Grundschulen sowie ihrer Rahmenbedingungen in Nordrhein-Westfalen. Landesanstalt für Medien Nordrhein-Westfalen (LfM).

Kutscher, N (2019): Digitale Ungleichheit als Herausforderung für Medienbildung – In: Die Deutsche Schule 4, S. 379-390

Schulz, L./Krstoski, I. (2022). Diklusion. In: L. Schulz, I. Krstoski, M. Lüneberger & D. Wichmann (Hrsg.), Diklusive Lernwelten: Zeitgemäßes Lernen für alle Schüler:innen (S. 31-32). Dornstadt: Visual Ink Publishing UG.

Redaktionelle Überarbeitung: Dr. Lea Schulz