Digitalisierung und Künstliche Intelligenz in...

Digitalisierung und Künstliche Intelligenz in Bildungsprozessen von heute und morgen

Wie viel verträgt die Schule?

JProf. Dr. Pascal Klein

Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz, Kaiserslautern (Prof. Dr. Andreas Dengel)

Didaktik der Physik, TU Kaiserslautern (Prof. Dr. Jochen Kuhn)

Mail: pklein@physik.uni-kl.de oder pascal.klein@dfki.de

2 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018

Agenda

Teil 1

Digitalisierung first – Bedenken second? So sieht Deutschland der Digitalisierung entgegen

Chancen der Digitalisierung in Bildungsprozessen Gelungene Beispiele aus dem Fachunterricht Veränderung von Schule und Lehrerkompetenzen

Teil 2

Künstliche Intelligenz – ein Buzzword des 21. Jahrhunderts?

Quantified Learning: Das Labor Das Klassenzimmer der Zukunft?

TEIL I

Quelle: fdpbt.de/digitalisierungsmonitor

Digitalisierungsmonitor 2018

Die Menschen sehen die Digitalisierung überwiegend positiv: 45% sehen ausschließlich Vorteile, ebenso viele Vor- und Nachteile, nur 8% überwiegend Nachteile

Die größten Chancen sehen die Menschen bei Bildung und Wissen, bei Wissenschaft und Innovation sowie in der Arbeitswelt

Sorgenkind ist die digitale Bildung: Zwei Drittel sind der Ansicht, dass sich

die politischen Verantwortlichen nicht ausreichend engagieren.

Lehrerinnen und Lehrer sind nicht genügend auf digitale Lehr- und Lernmethoden vorbereitet

„Kompetenzen, die für eine aktive, selbstbestimmte Teilhabe in einer digitalen Welt

erforderlich sind, werden integrativer Teil der Fachcurricula aller Fächer”

„Bei der Gestaltung von Lehr- und Lernprozessen werden digitale

Lernumgebungen ... systematisch eingesetzt”

(Strategie der Kultusministerkonferenz 2016)1

Forderung

1https://www.kmk.org/fileadmin/Dateien/pdf/PresseUndAktuelles/2016/Bildung_digitale_Welt_Webversion.pdf

Wer ist in der Pflicht?

“Entscheidend für ein erfolgreiches Lernen in der digitalen Welt ist,

dass die Lehrenden über entsprechende eigene Kompetenzen sowie

didaktische Konzepte verfügen. Daher muss die Lehreraus-, -fort- und

-weiterbildung in den kommenden Jahren einen entsprechenden

Schwerpunkt setzen.“

(KMK 2016, Bildung in der digitalen Welt)

Gegenüber der Effektivität neuer digitaler Lehr- und Lernmethoden gehen die Meinungen auseinander

Digitale Medien in der Schule

Haben digitale Medien überhaupt einen Nutzen und welchen Mehrwert bringen sie für das Lehren und Lernen? Erkenntnisse zur Informationsverarbeitung des Menschen: Cognitive Load Theory nach Sweller

Theorie des multimedialen Lernens

(Mayer)

Text und Bildverständnis nach Schnotz und Bannert: Repräsentationen mit und ohne struktureller Ähnlichkeit zum Lerninhalt

Quelle: https://www.waxmann.com/?eID=texte&pdf=3766Volltext.pdf&typ=zusatzte

Digitale Medien können die Belastung beim Erlernen von Inhalten in einzelnen Sinneskanälen reduzieren. Ein Beispiel: Augmented reality Brille

©Microsoft

Digitale Medien können die Belastung beim Erlernen von Inhalten in einzelnen Sinneskanälen reduzieren. Ein Beispiel: Augmented reality Brille

Digitale Medien sollten nicht zum Selbstzweck, sondern aufgrund eines Mehrwerts eingesetzt werden.

Wirksamkeit der Medien?

„Für viele Maßnahmen im Bereich der digitalen Bildung gibt

es bisher keine Blaupausen - und der Erkenntnisbedarf ist in

vielen Bereichen noch erheblich. […] Umso wichtiger ist es,

dass die Maßnahmen des digital gestützten Lernens bezüglich

ihrer Wirksamkeit und Potenziale evaluiert werden”

(BMBF 2017, Bildungsoffensive für die digitale Wissensgesellschaft)

Was sagt die Forschung dazu?

Meta-Studie zur Wirkung digitaler Medien in der Schule2

Hillmayr et al. (2017), TUM

80 Primärstudien

Veröffentlichungszeitraum: 2000-2016

Biologie, Chemie, Physik und Mathematik

Mittlerer Effekt (g = 0.62) bezüglich der Lernperformanz

(über den gesamten Sekundarbereich hinweg)

Kleiner Effekt bzgl. der Einstellung zum Fach

2https://www.waxmann.com/?eID=texte&pdf=3766Volltext.pdf&typ=zusatzte, Wissenschaftliche Publikation in Vorbereitung

Was bedeutet Effektstärke?

𝑑 =𝑦 IG − 𝑦 KG

𝑆𝐷KG

𝑦 IG 𝑦 KG

𝑆𝐷KG

Typische Einflussfaktoren auf Lernleistung; Effektstärken (Hattie 2009): Schulwechsel -0.34 Fernsehen -0.18 Internatsunterbringung 0.05 Team-Teaching 0.19 Schulleitung 0.36 Lernen in Kleingruppen 0.49 Feedback 0.73 Klarheit der Lehrperson 0.75

Hattie 2009, Visible Learning

Was sagt die Forschung dazu?

Einflussfaktoren

Signifikant bessere Lernperformanz, wenn ...

die Lernenden in Paaren statt einzeln das digitale Medium nutzen

digitale Medien ergänzend zu traditionellen (analogen) Methoden

eingesetzt werden

die Lehrkraft beim Lernen mit digitalen Medien unterstützt

die Lehrkraft professionell geschult wurde

„Die Digitalisierung verändert alles. Sie hat riesige Chancen, beispielsweise für

selbstbestimmteres Arbeiten…. Die Menschen freuen sich auf die Chancen der

Digitalisierung. Sie finden überwiegend positive Aspekte. Und das, was sie am

meisten nervt ist eigentlich, dass die Politik noch zu wenig tut, um die Potentiale zu

heben… beispielsweise bei individuellerer Bildung durch Lernsoftware…

Bei der Digitalisierung sind die Menschen in Deutschland weiter als viele 'Experten'

glauben. Die Politik muss dieses positive Umfeld nutzen, damit die Hoffnungen und

Chancen der neuen Technologie auch Realität werden. Wenn Deutschland auch im

digitalen Zeitalter an der Spitze stehen soll, haben wir keine Zeit mehr zu verlieren.“

(Dr. Marco Buschmann,

Erster Parlamentarischer Geschäftsführer

der FDP-Bundestagsfraktion)

Gelungene Praxisbeispiele

Differenzierung durch digitale Medien:

Leistungsschwache Schülerinnen und Schüler können

das Angebot individueller Hilfestellungen nutzen1

Digitale Lerntagebücher: Überblick über

Lernfortschritte einzelner Schüler und Schülerinnen

(z.B. Moodle)

Zusammenarbeit fördern, Lernort und –Zeit flexibel

gestalten (flipped classroom)

BYOD Ansätze: Lernende greifen auf eine ihnen

vertraute Technik zurück 1Beal, Arroyo, Cohen & Wolf (2010), Journal of Interactive Online Learning, 9(1), 64 –77.

Quelle: Mathematik differenziert Digitale Medien – Neue Zugänge für den Unterricht , Heft 1 / 2017

Citizen Science

Partizipative Datenerhebung für Wissenschaftsprojekte

https://www.buergerschaffenwissen.de/sites/default/files/assets/projekte/user-331/pdf/bund_neophyten_broschuere_2015_vers_2.pdf

Dynamische Geometriesoftware GeoGebra

Ergänzung zu traditionellem Unterricht, Exploration Niedrigeschwellig Einfacher Einstieg zur eigenen Materialentwicklung

Physikunterricht mit mobiler Messwerterfassung (Smartphones)

m10,25 0,52

l lT g

Umsetzung in der Schule

Mobiles Lernen I: Notebook/Tablet-Wagen

Gezielter Einsatz, kooperatives Arbeiten möglich

Probleme: geringe Anzahl von Koffern, Absprache, Buchung, Transport

Mobiles Lernen II: Notebook/Tablet-Klassen

Handlungspraxen können sich grundlegend ändern

Digitale Medien können konsequent in individualisierte Lernprozesse eingebunden

werden

Mobiles Lernen III: BYOD

Heterogene Lerninfrastruktur

Lerner verantwortlich für Funktionsfähigkeit, üben Administration

https://www.bertelsmann-stiftung.de/fileadmin/files/BSt/Publikationen/GrauePublikationen/Studie_IB_iFoerderung_digitale_Medien_2015.pdf

Stufenweise Veränderung von Unterricht

SAMR Modell nach Puentedura

https://www.bertelsmann-stiftung.de/fileadmin/files/BSt/Publikationen/GrauePublikationen/Studie_IB_iFoerderung_digitale_Medien_2015.pdf

Text auf Bildschirm

Zusatzinfos, Mehr Kanäle

Weniger Betreuung Lernsoftware

Reflexion, Dokumentation

Lehrkraftkompetenzen

Tablets in der Schule

Wichtige Schritte

Konzept:

Warum wollen Sie Tablets einsetzen und welche Ziele wollen Sie erreichen?

Technische Voraussetzungen:

Finanzierung?

Schülereltern, durch Schule / Förderverein, BYOD, Pilotprojekten

Entscheidung für Betriebssystem und Gerät

Fortbildung für Lehrkräfte

Aufbewahrung

Einführung mit Schülerinnen und Schülern

TEIL II

Künstliche Intelligenz

Was ist künstliche Intelligenz? Intelligenz ist das, was man einsetzt, wenn man nicht weiß, was man tun soll. (Jean Piaget) Ein System ist intelligent genau dann, wenn es sich in subjektiv neuen Situationen angemessen, also problemlösend, verhält.4

Kann es künstliche Intelligenz überhaupt geben?4

4Vollmer, G. (2013), Schriftenreihe der Giordano Bruno Stiftung

Unser Verstand kombiniert zahlreiche rationale und emotionale Dimensionen um “auf dem Laufenden zu bleiben”

Rational Aspekte des

Verstandes

Emotionale Aspekte des

Verstandes

Bewusstsein, Wahrnehmung, Beurteilung,

Denken

Gewichtung Ablehnung

Auswahl

Lieben Fürchten

Freuen Hassen

Lernen Verstehen Erinnern

Schlussfolgern …

Intelligenzbegriff

Ist der Mensch dem Computer (allgemeiner jeder Maschine) überlegen?

Kurt Gödel (1906-1978): Der Mensch kann zu jeder Maschine einen Satz

konstruieren, den er als wahr erkennen kann, die Maschine aber nicht.

Dies gilt aber auch umgekehrt, wenn das Gehirn algorithmisch arbeitet!

Wichtiger Unterschied zwischen Menschen und Maschinen

(Metamathematik):

Entwicklung wirkungsvoller Konzepte in langen

geistesgeschichtlichen Prozessen (z.B. Analysis, Kontinuumsbegriff)

Beurteilung von Relevanz

Rationale Aspekte der Künstlichen Intelligenz (KI) lassen sich bereits heute mit großem Erfolg auf einem Computer simulieren

Neue Möglichkeiten basieren auf:

Verfügbarkeit großer Datenmengen

Massive parallele Hardware

Maschinelles (tiefes) Lernen

Seoul, März 2016

Künstliche Intelligenz gilt als Wachstumsmotor der Wirtschaft mit vielen Potenzialen und Herausforderungen Das revolutionäre Stadium der KI ist einem evolutionären gewichen (betrifft vor allem Technologien, die selbstständig lernen)

... Lernen komplexe Spiele ohne Zutun des Menschen und werden quasi unschlagbar (Alpha Go)

... Lernen komplexe Spiele ohne Zutun des Menschen und werden quasi unschlagbar (AlphaGo, AlphaGo Zero, AlphaZero)

AlphaZero wird nur trainiert durch das Einprogrammieren der Spielregeln. Daraufhin trainiert AlphaZero gegen sich selbst einige Stunden. Menschliche Spielstrategien werden der KI nicht gezeigt. Die KI entwickelt alle Spielstrategien eigenständig. „Die Fähigkeit einer Maschine menschliches Wissen aus Jahrhunderten in einem

komplexen, geschlossenen System zu kopieren und zu überflügeln, ist ein Werkzeug, das die Welt verändern wird.“ (Garri Kasparow)

... verstehen sprachliche Inhalte (ob gesprochen oder geschrieben), können Sprache übersetzen und Dialoge führen. Beispiel: Google Duplex

... können umfangreiche (räumlich-zeitliche) Daten analysieren, beurteilen und Zusammenhänge oder Anomalien aufdecken

... können soziale Medien durchforsten und verstehen, was die Welt bewegt und was

die Menschen dabei empfinden, Trends erkennen und vorhersagen ... können Objekte, Personen und Handlungen in Bildern und Videos erkennen,

Stimmungen erkennen und Verhalten deuten … kennen unsere Profile und können herausfinden nach was wir suchen und bieten

uns interessante Bezugsinformation an

Quantified learning

Wenn Lernen und Lernprozesse quantifizierbar wären, dann kann KI uns helfen, die Wirkmechanismen des Lernens besser zu verstehen individuelle Defizite zu erkennen individuelles Feedback zu geben Gruppendynamiken nachzuvollziehen Lernerfolg zu beurteilen

„Das größte Potenzial von Künstlicher Intelligenz liegt nicht in der Entwicklung menschenähnlicher Maschinen, sondern

in der Fähigkeit als intellektueller Leistungsverstärker im Sinne eines digitalen Partners zu agieren!“

„KI für den Menschen!“

Prof. Andreas Dengel

Verfolgte Ziele:

Lernprozesse quantifizierbar machen Big Data

Möglichkeiten digitaler Medien für Fachunterricht ausreizen und

Lernwirksamkeit erforschen

Mensch-Maschine-Interaktion: Zusammenwirken von digitalen Medien und KI

E4 Wristband

Infrarot-Kamera

Drucksensor

Surface Studio Webcam (integriert)

freiwilliger Teilnehmer

Eyetracker

Schlüsseltechnologie Eye Tracking

Große Datenmengen über die Aufmerksamkeit von Nutzern, Kunden, Lernenden.

Erfassung und Rekonstruktion des Blickverhaltens beim Lesen oder Betrachten von visuellen Stimuli

Die Blickbewegung des Auges wechselt zwischen Fixationen (Augenanhaltepunkte) und Sakkaden (Bewegung zwischen zwei Fixationen) Während einer Fixation findet Informationsaufnahme statt

Blickdaten auf dem Dokument

Fixationspunkte und Sakkaden

Blickdaten Heatmap Blickdaten der Szenenkamera

Eingabe Ausgabe

Visuelle Aufmerksamkeit

Heatmaps veranschaulichen die Verteilung der visuellen Aufmerksamkeit mehrerer Lernenden

Hier dargestellt: 2 Schülergruppen (richtige vs. falsche Antworten) mit insgesamt 23 Schüler/innen

Post-hoc Unterscheidung zwischen Experten und Novizen möglich

Identifikation von Lernschwierigkeiten

Nicht auf den naturwissenschaftlichen Unterricht beschränkt

Prädiktion von Fehlern

Es genügen wenige Sekunden der Blickbewegungen, um eine gute

Prognose (80%) über Erfolg und Misserfolg zu berechnen, obwohl der

Lernende die Antwort noch nicht gegeben hat.

Rebello et al. 2018, MACHINE LEARNING USES EYE MOVEMENTS TO PREDICT CORRECTNESS ON CONCEPTUAL TASKS, PERC Poster Washington, DC

Prädiktion von Sicherheit

Messbare Indikatoren der Blickbewegung stehen in Zusammenhang mit

der Antwortsicherheit des Testteilnehmers

Richtige / Falsche Antwort bei hoher / niedriger Sicherheit ?

HyperMind

Das antizipierende Schulbuch

Sensoren analysieren den kognitiven Zustand des Schülers und der Computer blendet individuelle Lernhilfen ein

HyperMind

HyperMind analysiert kognitive Zustände und transformiert ein Buch in eine lebendige interaktive multimediale Lernwelt

Übungen,

die individuellen

Wissenstand

berücksichtigen

Bild -> Video

Dynamische Veränderung von Layout und Inhalt

Anzeige von ergänzenden Diagrammen

Eyetracking Brille mit Kamera

Blickpfade

Temperatur- veränderung

HyperMind

Antizipierende Bücher

Wenn der Text weiß, dass er gelesen wird, lassen sich Mehrwerte generieren, die die Welt hinter dem Text zugänglich macht

*https://www.youtube.com/watch?v=8QocWsWd7fc

Die Messergebnisse in unseren Experimenten geben Einblicke in individuelle Relevanz und Wirkung von Inhalten

Sakkaden Temperatur Fixationen

Welches Interesse besteht an den Inhalten?

Welche Teile werden verstanden/nicht verstanden?

Wo ist die kognitive Belastung besonders hoch?

HyperMind

Wirksamkeit von Unterrichtsmaterial

Definition

Strategie Diagramm

Definition

Strategie Diagramm

Mit Hilfen Ohne Hilfen

Einsicht in kognitive Strategien

Häufigkeitsverteilung der Sakkadenrichtungen

(Fläche unter Kurve im Polardiagramm = 1)

Interaktives Whiteboard

Weitere Sensoren

Erfassung der kognitiven Belastung: Infrarotkamera

Shoya Ishimaru et al.

Weitere Sensoren

Erfassung der kognitiven Belastung: Aktivitätsarmband und Drucksensor

- Herzfrequenz

- Hauttemperatur

- Hautwiderstand

- Druckverteilung beim Sitzen

©Empatica

Das zukünftige iQL

KI in der Schule

Viele Möglichkeiten, doch wie viel verträgt die Schule?

Werden Lehrerinnen und Lehrer irgendwann von Maschinen ersetzt?

Wird Handschrift irgendwann abgeschafft?

Zusammenfassung

Verschiedenste Sensoren erfassen den kognitiven

Zustand von SuS.

Potential riesig, aber empirische Forschung dazu steckt

noch in den Kinderschuhen.

Basierend auf Sensordaten können individuelle

Lernhilfen gegeben werden.

Technik ersetzt keine Didaktik / Pädagogik

Konzept first, Technik second.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!

Jun.-Prof. Dr. Pascal Klein

pklein@physik.uni-kl.de Pascal.klein@dfki.de

Digitalisierung und Künstliche Intelligenz in...

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