Künstliche Intelligenz: Wie funktioniert Maschinelles Lernen?

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Künstliche Intelligenz (KI) spielen die Schülerinnen und Schüler das Simulationsspiel "MENSCH, Maschine!" und erfahren so selbst, wie Maschinen lernen und was KI in heutigen Systemen bedeutet.

Informatik / Wirtschaftsinformatik / Computer, Internet & Co. / Informationstechnik / Technik / Sache & Technik
Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
2 Unterrichtsstunden
Lernspiel, Ablaufplan, Arbeitsblatt

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Ob beim Entsperren unseres Smartphones per Gesichtserkennung, beim Sprechen mit Chatbots oder beim Navigieren im Straßenverkehr: Künstliche Intelligenz (KI) ist schon heute vielfach Bestandteil unseres Lebens. Aber wie funktionieren KI und Maschinelles Lernen überhaupt? Um dies verständlich zu machen, wurde im Kontext des Wissenschaftsjahres 2019 das analoge Simulationsspiel "MENSCH, Maschine!" entwickelt, das es Jugendlichen ermöglicht, spielerisch nachzuvollziehen, wie die Maschine lernt – und damit die Grundprinzipien von Maschinellem Lernen (ML) zu verstehen.

Angelehnt an das Spiel "Bauernschach" tritt bei "MENSCH, Maschine!" ein menschlicher Spieler gegen eine Maschine an, die durch mehrere Mitspielerinnen und -spieler simuliert wird. Während des Spieles erleben die Spielerinnen und Spieler, dass Maschinelles Lernen ein algorithmischer und regelgeleiteter Prozess ist und wie die Maschine im Laufe der Spielrunden dazulernt. Im Anschluss an das Spielen findet eine Reflexion der Spielerfahrungen sowie ein Austausch darüber statt.

Unterrichtsablauf

Inhalt

Sozial- / Aktionsform

Einführung

Die Lehrkraft erläutert den Jugendlichen die Spielregeln des Lernspiels "MENSCH, Maschine!" und verteilt die Rollen auf die Schülerinnen und Schüler. Es empfiehlt sich, vor Unterrichtsbeginn die Spiele an entsprechenden Gruppentischen aufzubauen – nach Möglichkeit sollten jeweils fünf Jugendliche ein Spiel zur Verfügung haben. Das Spiel kann jedoch auch von jeweils drei bis sechs Personen gespielt werden.

Hinweise, wie das Spiel mit verschiedenen Personenzahlen optimal gespielt werden kann, und weitere Möglichkeiten, das Spiel zu variieren, finden Lehrkräfte im Begleitheft zum Spiel. Um den Kindern und Jugendlichen das Spiel zu erklären, steht außerdem eine Präsentation zur Verfügung.

Lehrervortrag
Erarbeitung: Spielen des Spiels "MENSCH, Maschine!"

Die erste Spielrunde erfolgt schrittweise unter Verwendung des gedruckten Spielablaufs. Anschließend spielen die Jugendlichen mindestens zehn weitere Runden des Spiels "MENSCH, Maschine!", um den Lernprozess der Maschine zu verinnerlichen.

Gruppenarbeit
Reflexion 1

Die Jugendlichen beginnen bereits gegen Ende des Spielens, das Arbeitsblatt 1 selbstständig auszufüllen. Anschließend werden die Erkenntnisse im Plenum diskutiert. Im Unterrichtsgespräch wird so schrittweise gemeinsam das Lernverfahren von Maschinen erarbeitet.

Einzelarbeit, Plenum
Reflexion 2

Mithilfe von Arbeitsblatt 2 erkennen die Schülerinnen und Schüler in Gruppenarbeit, dass die Rollen der Maschine nicht intelligent sind – und auch die Maschine selbst nicht intelligent ist.

Dieses Arbeitsblatt kann als Gruppenpuzzle durchgeführt werden, bei dem die Spielerinnen und Spieler der einzelnen Rollen die Expertengruppen bilden. Zur Sicherung der Ergebnisse sind eine Diskussion in den Gruppen, eine Auswertung im Plenum oder die Erstellung gemeinsamer Plakate denkbar.

Gruppenarbeit, Plenum

Didaktisch-methodischer Kommentar

Wie spielt man "MENSCH, Maschine!" im Unterricht?

Gespielt wird das simple Spiel Bauernschach in mehreren Runden. Immer wenn die Maschine verliert, wird der letzte Zug der Maschine aus dem Spiel gestrichen. Je besser der menschliche Spieler gegen die Maschine spielt, desto schneller lernt die Maschine und verbessert ihre Gewinnchancen. Es sollte also darauf geachtet werden, dass der menschliche Spieler immer versucht, das Spiel zu gewinnen, da nur so eine Verbesserung des Modells möglich wird. Der Einfluss der Spielstärke des menschlichen Spielers kann auch gut im Rahmen der anschließenden Reflexion des Spieles diskutiert werden.

Hinweise zur Reflexionsphase

Die Lernenden beschäftigen sich im Anschluss an das Spielen zunächst mit der Frage, ob die Maschine im Laufe der Spiele besser spielt. In der Regel wird diese Frage, abhängig vom Spielverlauf der jeweiligen Gruppen, unterschiedlich beantwortet und begründet. In den ersten zehn Runden gewinnen Mensch und Maschine häufig ähnlich oft – aus statistischer Perspektive ist damit tatsächlich noch keine Änderung im Gewinnverhalten zu erkennen. Hier kann man in den Gruppen, in denen mit "Nein" geantwortet wurde, nachfragen, ob es denn für den menschlichen Spieler im Laufe des Spieles schwieriger wurde, gegen die Maschine zu gewinnen.

Auch von den Gruppen, die angeben, dass ihre Maschine im Laufe der Spiele besser spielt, wird häufig als Begründung genannt, dass die Maschine ja besser werden müsse, da die schlechten Züge eliminiert seien. Diese Erkenntnis der Schülerinnen und Schüler kann gut dazu genutzt werden, um im Anschluss gemeinsam das Lernverfahren der Maschine (Arbeitsblatt 1) sowie die Frage, inwiefern Maschinen "intelligent" agieren (Arbeitsblatt 2) zu erarbeiten.

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Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

beschäftigen sich spielerisch mit dem Lernverfahren von Maschinen (in der Fachsprache "bestärkendes Lernen").
erfahren, was künstliche Intelligenz in heutigen Systemen bedeutet – nämlich den Einsatz Maschineller Lerner, die für genau eine Aufgabe trainiert wurden.
erkennen, dass nicht das Handeln der Maschine beziehungsweise der einzelnen Rollen intelligent ist, sondern dass alle Handlungen auf Algorithmen, also Regeln, basieren und diese nur für den Betrachter intelligent wirken können.

Sozialkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

lernen durch Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten im Team.
reflektieren im Plenum gemeinsam die Erfahrungen aus der Spielphase und lernen so, die Erkenntnisse aller Mitspielenden konstruktiv zu vergleichen und zu bewerten.

Künstliche Intelligenz: Wie funktioniert Maschinelles Lernen?

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Unterrichtsablauf

Einführung

Erarbeitung: Spielen des Spiels "MENSCH, Maschine!"

Reflexion 1

Reflexion 2

Didaktisch-methodischer Kommentar

Wie spielt man "MENSCH, Maschine!" im Unterricht?

Hinweise zur Reflexionsphase

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Fachkompetenz

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