Das Material bietet eine Experimentier-Grundlage zum Thema maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz (KI), die browserbasiert arbeitet. Sie kann ergänzt werden durch Lehrmaterial eines offenen Online-Kurses (MOOC). Das "KI-Labor" bietet Möglichkeiten, mit dem eigenen digitalen Endgerät maschinelles Lernen erfahrbar zu machen. Es bietet aktuell die folgenden Lernräume: Handschrifterkennung durch ein neuronales Netz: Es ist sowohl ein vortrainiertes wie auch selbst-trainiertes Modell möglich. Dabei wird ein bekannter, frei verfügbarer Datensatz der Forschung (NIST) verwendet. Objekterkennung mit der Webcam: Auch hier wird ein vortrainiertes Modell mit einem frei verfügbaren Datensatz verwendet. Generierung von künstlichen Bildern als Beispiel für die GAN-Technik bei neuronalen Netzen Tic-Tac-Toe: Einfaches Verstärkungslernen sichtbar machen. Es muss eine KI durch mehrere Spiele selbst trainiert werden, die anschließend perfekt spielt. Somit sind verschiedene Themenbereiche des überwachten Lernens und Verstärkungslernens abgedeckt. Es kann selbstständig mit den Möglichkeiten und Grenzen der jeweiligen Technologien experimentiert werden. Das KI-Labor kann entweder für sich alleine beziehungsweise in Kombination mit einer Unterrichtseinheit verwendet werden oder mit Hilfe der Lehrtexte des kostenlosen MOOCS "Elements of AI" zu einer vollwertigen Selbstlernumgebung ergänzt werden. Zur Ausführung wird lediglich ein moderner Webbrowser benötigt, je nach Hardware-Ausstattung können einige der Beispiele gegebenenfalls etwas länger dauern. Für die Objekterkennung wird darüber hinaus eine Webcam benötigt, auf die die Webseite zugreifen darf. Das KI-Labor eignet sich im Fach Informatik als Einführung in eine Unterrichtseinheit zu maschinellem Lernen (speziell zu neuronalen Netzen), als Ergänzungsangebot für interessierte Schülerinnen und Schüler oder auch als fachlicher Anknüpfungspunkt für eine Einheit in einem anderen Fach, wenn es beispielsweise um ethische oder wirtschaftliche Fragen der KI geht. Das Thema "Künstliche Intelligenz" im Unterricht Künstliche Intelligenz ist an vielen Stellen völlig alltäglich geworden. Meistens sind diese Systeme aber nur Black-Boxen in unserem Alltag und es fällt schwer, mehr über die Funktionsweise herauszufinden. Gleichzeitig sind die Themen, wenn man sie unterrichtlich behandeln möchte, mathematisch zu anspruchsvoll für den Schulunterricht, so dass nur ein oberflächlicher Zugang zur eigentlichen Funktionsweise möglich ist. Genauso ist das Umsetzen von existierender Software in eigenen Programmen zwar im Unterricht möglich, aber nur für leistungsstarke Lerngruppen. Durch das KI-Labor wird eine Möglichkeit geschaffen, mit dieser Software zu interagieren, ohne sie selbst entwickeln zu müssen. Man kann mit Systemen experimentieren und so einen Zugang zu deren Funktionsweisen erhalten, ohne die Funktion im Detail verstehen zu müssen. Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler Schülerinnen und Schüler benötigen kein spezielles Vorwissen, sie können dieses aber – wenn sie es mitbringen – nutzen, um mit einem anderen Blick auf die Beispiele zu schauen. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen Abgesehen von der fachlichen und fachdidaktischen Expertise über die informatischen Aspekte des maschinellen Lernens ist nur die Bedienung eines Browsers notwendig. Didaktisch-methodische Analyse Das KI-Labor ist entweder als selbstständige Lernumgebung oder als Ergänzung zu einer Unterrichtseinheit gedacht. Als Einstieg lässt sich mit dem vortrainierten Modell zunächst erleben, dass die Erkennung gut funktioniert, gleichzeitig aber in ihrer Anwendung stark fokussiert ist. Die Spezialisierung ist ein typisches Merkmal moderner KI. Gleichzeitig kann man die statistischen Ausgaben, die typisch für neuronale Netze sind, sehen und so etwas über die Funktionsweise erfahren. Ist bereits Vorwissen vorhanden, beziehungsweise wird das Training von neuronalen Netzen unterrichtlich thematisiert, so können durch das selbst trainierbare Modell verschiedene Parameter untersucht und exploriert werden, beziehungsweise Themen des Unterrichts ganz konkret auf einem realen Datensatz erprobt werden. Ist keine Unterrichtseinheit geplant, so kann durch die entsprechenden Kapitel des MOOCS "Elements of AI" der Hintergrund für interessierte Schülerinnen und Schüler dennoch zugänglich gemacht werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler analysieren Verfahren des maschinellen Lernens. bewerten, wie und unter welchen Umständen ein Verfahren des maschinellen Lernens zu einer Entscheidung kommt. erklären, wie ein Verstärkungsalgorithmus für die KI eines einfachen Brettspiels funktioniert. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen und verstehen Funktionsweisen und grundlegende Prinzipien der digitalen Welt. erkennen und formulieren algorithmische Strukturen in genutzten digitalen Tools. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kommunizieren über informatische Themen. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler üben sich in kritischem Denken.

"Nicht nur die Schwerkraft verbindet uns mit dem Boden unter unseren Füßen, vielmehr ist ohne Boden eine Realisation des Phänomens Leben in seinen vielfältigen Formen nicht möglich. Fruchtbarer Boden, auf dem Pflanzenwachstum und Nahrungsmittelproduktion möglich sind, ist die Grundlage menschlicher Existenz." Bildungspolitische Forderungen nach naturwissenschaftlicher Grundbildung sind - nicht erst seit PISA - laut geworden. Die Institute für Didaktik in Münster und Dortmund haben in Kooperation mit dem Studienseminar für die Primarstufe in Münster eine hypermediale Lern- und Arbeitsumgebung zum Themenfeld "Boden im Sachunterricht" ins Netz gestellt. Die Lern- und Arbeitsumgebung HYPERSOIL bietet Lehrerinnen und Lehrern der Grundschule und Sekundarstufe I ein breitgefächertes Angebot an Unterrichtseinheiten, gespickt mit wichtigen Sachinformationen und weiterführenden Medientipps. Gleichzeitig kann sie auch von den Schülerinnen und Schülern im Unterricht genutzt werden. Fachleute aus den Bereichen, Biologie, Sachunterricht, Geologie und Wirtschaftsinformatik haben dazu vier Themenkomplexe als Bausteine miteinander vernetzt. Bodeninformationen Im Bereich Bodeninformationen sind Basisinformationen zu den Bereichen "Bodeneigenschaften", "Bodentiere", "Bodenflora" oder "Bodenentwicklung" gesammelt, die wichtig für die Unterrichtsvorbereitung sein können. Zu Beginn gibt es dort eine Erklärung beziehungsweise Definition des Begriffs "Boden". Welche Bedeutung hat der Boden und welche Bodenkörper gibt es? Klar, dass dieser wissenschaftliche und anspruchsvolle Teil ausschließlich für Lehrkräfte und nicht für die Schüler und Schülerinnen gedacht ist. Bodenwerkstatt Zum direkten Einsatz im Unterricht werden fertige "Werkstätten" zum Ausdrucken angeboten. Interessiert man sich beispielsweise für den Regenwurm, erfährt man unter dem Punkt "Bodentiere", dass es "den" Regenwurm gar nicht gibt, sondern dass viele Arten von Würmern in den jeweiligen Bodenschichten vorhanden sind. Ein Überblick über die Bodenfauna erklärt, welche Tiere in welcher Bodenschicht leben. Klickt man weiter, findet man auch die notwendigen Sachinformationen über den "Regenwurm". Eine Regenwurmwerkstatt, befindet sich zurzeit noch im Aufbau. Unter den "weiterführenden Informationen" gelangt man zu "Versuchen", einer "Bodentierkartei", und bekommt "Geschichten und mehr" angeboten. Fertig sind die "Assel-Werkstatt" und die Werkstatt "Boden erleben und begreifen". Boden im Unterricht Klar, dass bei einer Unterrichtseinheit zum Thema "Boden" didaktisches Hintergrundinformationen nicht fehlen dürfen. Welche Relevanz hat das Thema? Wo findet man die Legitimation in den Lehrplänen und Richtlinien? Dies erfährt man in diesem Bereich, der allerdings ebenfalls zum Teil noch unfertig ist. Medien & Materialien Das Angebot in dieser Rubrik reicht von Fachliteratur zur Unterrichtsvorbereitung über Materialien für den Einsatz im Unterricht, Printmedien für Kinder, audiovisuelle Medien und Downloads bis zu externen Links anderer Anbieter. Die Medien sind genau strukturiert und sortiert nach Typen. Praktisch, dass die Filme direkt mit den FWU-Nummern ausgezeichnet sind. So ist ein schneller Zugriff bei der Ausleihe in den Medienzentren möglich. Die Website ist eine Bereicherung für die Unterrichtsvorbereitung in der Grundschule und der Sekundarstufe I. Die Seite ist übersichtlich und die Vernetzung der Bereiche ermöglicht einen schnellen Zugriff. Verzichtet wird glücklicherweise auf überflüssigen "Schnick-Schnack". Die zur Verfügung gestellten Informationen erscheinen durchweg wissenschaftlich fundiert. Was ich vermisst habe, sind Seiten für die "Kinderhand", wie sie in der Projektbeschreibung angekündigt werden. Die Texte sind für Kinder zu anspruchsvoll und zu lang. Die Site selbst ist nicht hypermedial. Sie gibt lediglich Tipps zur Verwendung unterschiedlicher Medien, durch deren Zusammenwirken im Rahmen einer Unterrichtseinheit eine hypermediale Lernumgebung geschaffen werden kann. Dr. Gesine Hellberg-Rode vom Institut für Didaktik der Biologie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster ist die Projektleiterin von Hypersoil. Für Lehrer-Online hat sie einige Fragen zum Projekt beantwortet: Lehrer-Online: Das Projekt "Hypersoil" wurde vor drei Jahren im Rahmen einer Ausschreibung begonnen. Aus welchem Anlass und aus welchem Grund haben Sie beschlossen daran teilzunehmen? Hellberg-Rode: Das Projekt wurde im Ausschreibungsschwerpunkt "Hochschulen in multimedialen Netzwerken - Neue Medien in Schulen und Hochschulen" vom Kompetenznetzwerk Universitätsverbund MultiMedia (UVM) NRW vom 1. Mai 2001 bis Ende 2002 gefördert. Ein wesentlicher Grund für unsere Beteiligung war der Wunsch, eine internetbasierte Hypermedia-Arbeitsumgebung zu entwickeln, die fachliche Grundlagen, fachdidaktische Anforderungen und lerntheoretische Erkenntnisse inhalts- und prozessbezogen so integriert, dass sie von Studierenden, Lehrenden und Lernenden gleichermaßen für interaktive Prozesse solider Wissenskonstruktion genutzt werden kann. Lehrer-Online: Das Projekt findet fachbereichsübergreifend statt. Welche Vorteile ergeben sich dadurch? Hellberg-Rode: Durch intensive Kooperation zwischen Wissenschaftlern und Praktikern aus unterschiedlichen Bereichen ist es möglich, das Themenfeld der Hypermedia-Arbeitsumgebung aus unterschiedlichen Perspektiven zu erschließen und verschiedenen lebensweltlich bedeutsamen Aspekten Rechnung zu tragen. Lehrer-Online: Sind Lehrkräfte alleine mit den Inhalten der Seiten beschäftigt oder lernen sie auch den Umgang mit den neuen Medien, zum Beispiel die Erstellung und Gestaltung von HTML-Seiten? Hellberg-Rode: Durch Nutzung der Hypermedia-Arbeitsumgebung können sich die Anwender ein umfassendes Themengebiet auf individuell unterschiedlichen Pfaden - orientiert an ihren Bedürfnissen und Voraussetzungen - erschließen. Dabei können ganz unterschiedliche Ziele und Kooperationsstrukturen verfolgt werden. Natürlich lernen die Anwender dabei auch den Umgang mit neuen Medien, aber nicht die Gestaltung entsprechender HTML-Seiten. Das war nicht unser Ziel. Lehrer-Online: Wie läuft die Zusammenarbeit der Studenten und Studentinnen sowie anderen Fachkräfte ab? Gibt es verschiedene Arbeitsgruppen? Hellberg-Rode: Wir setzen die Arbeitsumgebung in der universitären Lehrerbildung - speziell für die Fächer Sachunterricht, Biologie und Geographie - zur Vorbereitung entsprechender Unterrichtsprojekte und in der Lehrerfortbildung ein. Lehrer-Online: Zum Inhalt: Warum haben Sie gerade das Thema "Boden" gewählt? Hellberg-Rode: Für die Konzentration auf das Themenfeld "Boden" haben unter anderem folgende Gründe eine Rolle gespielt: Boden stellt eine wesentliche Lebensgrundlage für die Menschen dar und ist zugleich ein wichtiger Lebensraum für eine Vielzahl von Lebewesen. Boden ist ein lebensweltlich wie ökologisch hoch interessantes Phänomen, das zahlreiche Ansätze für eine disziplinübergreifende, problem- und handlungsorientierte Bearbeitung in der Schule offeriert. Boden spielt eine zentrale Rolle in der Umweltdiskussion, speziell im Kontext nachhaltiger Entwicklung (Agenda 21). Wurden die Unterrichtseinheiten in der Schule erprobt? Ja, natürlich. Die Werkstattmaterialien, Arbeitsblätter und Versuche werden fortlaufend überarbeitet und ergänzt. Welche hypermedialen Bestandteile bietet die Homepage? Textdokumente (Sachinformationen, Arbeitsblätter, Versuchsanleitungen) Grafiken, Bilder, Filmsequenzen und Links. Welche Zielgruppe bedient die Homepage? Können hier auch Schülerinnen und Schüler, besonders Grundschüler, nach Informationen suchen? Unsere primären Zielgruppen sind Studierende und Lehrerkräfte. Weite Teile sind aber so konstruiert, dass sie auch von den Lernenden genutzt werden können beziehungsweise sogar sollen, und zwar schon in der Primarstufe. Wie wird das Projekt weiter fortgesetzt? Welche konkreten Pläne gibt es? Die Projektförderung ist Ende 2002 ausgelaufen. Je nach verfügbaren Ressourcen versuchen wir die Arbeitsumgebung durch Beteiligung von Studierenden und Lehrerkräften weiterzuentwickeln. Ich will aber nicht verschweigen, dass diese Entwicklung ziemlich arbeitsintensiv ist. Frau Hellberg-Rode, vielen Dank für diese Informationen!