OpenSource4School/Lernumgebungen zur Informatischen Bildung im Mathematikunterricht der Primarstufe/4-KI-Algorithmische Verzerrung

Formale Aspekte

Namen der Verfasser der Lernumgebungsdokumentation

Julia Schüly und Jasmin Rimpel

E-Mail-Adressen und Datum

4.9.2024

PowerPoint_Künstliche-Intelligenz

Karten_Robby

Inhaltsaspekte

Name der Lernumgebung

Künstliche Intelligenz (KI) und algorithmische Verzerrung am Beispiel der Klassifizierung geometrischer Figuren

Kurzbeschreibung der Lernumgebung

1. Digitale Medien und KI beeinflussen und verändern unsere Gesellschaft erheblich (KMK, 2021, S. 3). Schon im Grundschulalter begegnen Kinder KI in ihrem Alltag. Viele spielen beispielsweise gerne Computerspiele, haben schon Erfahrungen mit „Siri“ oder „Alexa“ gemacht, besitzen eventuell Spielzeugroboter mit KI oder haben schon mal eine Suchmaschine verwendet. Die vorliegende Lernumgebung knüpft an die Vorerfahrungen der Kinder an und thematisiert sowohl Chancen der Nutzung von KI als auch Herausfor- derungen bzw. Gefahren von KI wie der Aspekt „algorithmische Verzerrung“ zeigt. 2. Mit der Lernumgebung wird daher das Ziel verfolgt, dass die SuS die Begriffe „Künstliche Intelligenz“ und „Algorithmische Ver- zerrung“ kennen lernen und mit KI entsprechend reflektiert und bewusst umgehen lernen: „Für Kinder und Jugendliche ist es unab- dingbar frühzeitig zu lernen, adäquat und reflektiert mit digitalen Medien umzugehen“ (KMK, 2021, S. 7). Mathematisch gesehen behandelt die Lernumgebung das Thema „geometrische Figuren“. Konkret geht es um die Klassifizierung von Dreiecken und Vier- ecken. Die SuS sollten mit dem Klassifizieren und diesbezüglichen Kriterien vertraut sein, damit letztlich auch das Training der KI und damit zusammenhängende algorithmische Verzerrungen reflektiert und korrigiert werden können. 3. Strukturell ist die Lernumgebung so angelegt, dass die SuS zunächst an das Thema KI herangeführt werden, indem ihr Vorwissen dazu aktiviert wird. Weiter werden die drei grundlegenden Elemente (Datensatz/ Algorithmus/ Vorhersage) einer KI herausgestellt. Als Grundlage für das Trainieren einer KI über „Machine Learning for Kids“, die Dreiecke und Vierecke klassifizieren soll, werden mit den SuS Arten von Dreiecken und Vierecken gesammelt, dann gezeichnet und schließlich in das Programm eingespeist. Beim ersten „Füttern“ der KI mit Daten zu den geometrischen Figuren provoziert die LP eine algorithmische Verzerrung der Ergebnisse, indem sie dem Trainingsdatensatz nur Figuren hinzufügt, deren Grundseite parallel zur Papierseite bzw. zur Unterseite des Tablets verläuft. Wenn den SuS die Problematik der algorithmischen Verzerrung offenbar wird und gemeinsam die Ursachen am konkreten Beispiel der geometrischen Figuren „Dreieck“ und „Viereck“ reflektiert sind, ergänzen die SuS den Datensatz mit einer Vielfalt an Dreicks- und Vierecksarten: gleichschenklige, gleichseitige, rechtwinklige, spitzwinklige, stumpfwinklige Dreiecke sowie Quadrate, Rechtecke, Parallelogramme, Trapeze, allgemeine Vierecke. Weiter werden die geometrischen Figuren dem Datensatz auch in unter- schiedlichen Lagen hinzugefügt, so dass die Grundseiten der Figuren nicht nur parallel zur Papierseite verlaufen.Schließlich erfolgt auch ein Transfer zur Lebenswelt der SuS, um hervorzuheben, wie weitreichend die Problematik der algorithmi- schen Verzerrung sein kann. 4. Als Arbeitsmittel werden von den SuS Papier, Bleistifte, Lineal oder Geodreieck benötigt. Die Lehrperson hält ein Tablet bereit sowie Karten/ Post-it-Zettel, auf die von den SuS die geometrischen Formen gezeichnet werden. Außerdem ist eine stabile Internetver- bindung wichtig, damit das Programm „Machine Learning for Kids“ genutzt werden kann. Die LP benötigt weiter ein Smartboard, um die Powerpoint-Präsentation zu verwenden und um die Trainingsdaten und Lernergebnisse der KI über das Tool “Machine Learning for Kids” für alle SuS gut sichtbar zu machen.

Ungefährer Zeitbedarf zur Durchführung

Die Durchführung der Lernumgebung ist in ca. 45 Minuten durchführbar. Je nach Vorerfahrungen der SuS mit KI bietet es sich an, dass die Frage „Was ist und was kann KI?“ in einer extra Unterrichtsstunde ausführlich thematisiert wird.

Adressaten der Lernumgebung

Die vorliegende Lernumgebung kann ab der dritten Klassenstufe eingesetzt werden. Die mathematische Thematik der geometrischen Figuren ist in den Bildungsstandards (KMK, 2022) der Leitidee „Raum und Form“ (S. 17) zuzuordnen. Hier geht es darum, dass „die SuS [...] ebene Figuren nach Eigenschaften [klassifizieren], Fachbegriffe [zuordnen]“ und Zeichnungen geometrischer Figuren mit und ohne Hilfsmittel [...], auch unter Nutzung digitaler Werkzeuge, [anfertigen]“ (KMK, 2022, S. 17). All das ist von den SuS innerhalb der Lernumgebung gefordert, wenn sie verschiedene Arten von Drei- und Vierecken nennen und zeichnen sollen. Nach dem „Kern- lehrplan Mathematik Grundschule“ (2009) soll die Kompetenz des Zeichnens von Dreiecken und Vierecken zwar schon in Klassenstu- fe 1 und 2 erworben werden (S. 10). Da die Beschreibungen der Eigenschaften dieser Figuren aber in Klassenstufe 3 und 4 deutlich differenzierter ausfallen und Klassifizierungen (z.B. spitzwinklig; rechtwinklig) anhand mathematischer Fachbegriffe erfolgen können (S. 18, 25), ist zu erwarten, dass die Erkenntnisse, auf die die Lernumgebung abzielt, dann deutlich tiefgreifender sein werden. Außerdem ist die Thematik aus informatischer Perspektive sehr abstrakt. Die Fähigkeit der Perspektivenübernahme - im Falle der Lernumgebung das Hineinversetzen in ein KI-System - nimmt mit zunehmender kognitiver Entwicklung im Laufe der Grundschulzeit zu (Paulus, 2019, S. 259). Die Lernumgebung berücksichtigt unterschiedliche mathematische Fähigkeiten und Lernvoraussetzungen der SuS und fordert auf unterschiedlichen Niveaus heraus. Die Aufgabenstellungen ermöglichen eine natürliche Differenzierung (s. „Gute Aufgaben und Differenzierung“). Daher eignet sie sich auch für eine heterogene Schüler*innenschaft innerhalb einer Klasse/ Lerngruppe.

Zentrale Aufgabenstellungen und Arbeitsaufträge in der Lernumgebung

Da bei den SuS nicht vorausgesetzt werden kann, dass sie über tiefergehendes Wissen zum Thema KI und deren Funktionsweise ver-fügen, bedarf es der Klärung wichtiger Begrifflichkeiten und Inhalte. Es ist aber anzunehmen, dass die SuS durch eigene Smartphone- nutzung oder durch die Wahrnehmung ihrer Mitmenschen im Umgang mit digitalen Medien Sprachassistenten wie „Siri“ kennen. Daher wird diese im Einstieg zu der geometrischen Figur des Dreiecks befragt. Auf diese Weise kann ein niedrigschwelliger erster Zugang zum Thema „Künstliche Intelligenz“ und auch zur Klassifizierung geometrischer Figuren erfolgen. Der Einstieg ist im genau- en Wortlaut unter „Explizite Formulierung der Aufgabenstellungen und Arbeitsaufträge“ aufgeführt und mündet in folgende Zielangabe, mit der die SuS auch in die erlebnisthematische Rahmenhandlung eingeführt werden: „Das hier ist Roboter Robby“ (die Lehrperson zeigt ein Bild des Roboters am Smartboard). Robby wurde von sehr bedeutenden Forschern entwickelt. Er ist eine besondere Art künstlicher Intelligenz und kann schon ganz viel. Du bist nun von den Wissenschaftlern eingeladen, Robby noch mehr beizubringen. Robby soll mit deiner Hilfe lernen, Drei- und Vierecke zu erkennen und zu unterscheiden.“

Der Einstieg: Die LP zückt ihr Smartphone und sagt: „Hey, Siri, was ist ein Dreieck?“ Sie wartet Siris Antwort ab und ermöglicht dann den SuS, sich spontan zu diesem Impuls zu äußern. Im Gespräch mit den SuS gibt die LP weitere Impulse: „Welche KI-Arten kennst du noch?“, „Was ist KI?“, „Was kann KI?“ Impuls: “Jetzt wissen wir schon gut, wie Robby funktioniert: dass er einen Datensatz braucht, dass er einen Lernalgorithmus entwickelt und uns dadurch etwas vorhersagen kann. Ihr bringt ihm jetzt bei, was Drei- und Vierecke sind.” Die SuS erhalten durch den Einstiegsimpuls erste Hinweise dazu, worum es in der Unterrichtsstunde gehen wird. Sie werden gleichzeitig mit einer mathematischen Frage und einer Form von KI konfrontiert. In der Folge können sie von ihren Vorerfahrungen und ihrem Vorwissen berichten. Die LP erfährt so, auf wel- chem Wissensstand die SuS vor allem bezüglich „Künstliche Intelligenz“ sind. Während des Gesprächs mit den SuS werden auch die drei Komponenten eines Systems der künstlichen Intelligenz herausgestellt: „Der Datensatz“, „der Lernalgorithmus“ und „die Vorhersage“.

Erarbeitung des ersten Datensatzes für die KI: Die LP zeigt eine Abbildung eines Dreiecks und eine Abbildung eines Vier- ecks. Impulse der LP: „Benenne die Formen.“ „Nenne Merkmale von Dreiecken. Dann kann Robby genauer verstehen, was Dreiecke sind.“ „Nenne Merkmale von Vierecken. Dann kann Robby genauer verstehen, was Vierecke sind.“ „Nenne verschiedene Arten von Dreiecken und Vierecken.“ Schließlich zeichnet jede*r jeweils ein Dreieck und ein Viereck auf. Welcher Art diese sind, bleibt den SuS überlassen. Für die Zeichnungen teilt die LP Blankokarten oder „Post-it“-Zettel aus. In der Erarbeitung werden Dreiecke und Vierecke von den SuS näher beschrieben und wichtige, kennzeichnende Merkmale gesammelt (z.B. Ein Dreieck hat drei Seiten, drei Ecken und die Summe der Innenwinkel ergibt 180 Grad; ein Viereck hat vier Seiten und vier Ecken und die Summe der Innenwinkel ergibt 360 Grad). Weiter werden von den SuS Dreiecks- und Vierecksarten von den SuS genannt, damit sich die SuS deren Vielfalt bewusst werden. Die Zeichnungen der SuS dienen als „Datensatz“, mit dem die KI im weiteren Stundenverlauf „gefüttert wird“ und somit lernen kann, Dreiecke und Vierecke zu erkennen und zu klassifizieren.

Robbys Training: Impuls der LP: „Robby ist schon sehr neugierig auf die Drei- und Vierecke, die du gezeichnet hast. Wir müssen diese nun in sein System einspeisen. So kann er lernen Drei- und Vierecke zu unterscheiden.“ Die LP zeigt den SuS „Robbys System“ und damit das Tool „Machine Learning for Kids“ am Smartboard. Fünf Kinder, die möchten, kommen nun nacheinander mit ihrer gezeichneten geometrischen Figur nach vorne. Die LP speist diese über die Webcam-Funktion des Programms in „Robbys System“ ein. Sie fotografiert die geometrischen Figuren so ab, dass deren Grundseite parallel zur Grundseite des Fotoausschnitts verläuft. Die LP hat im Vorfeld das Projekt „Geometrische Figuren“ auf der Website von „Machine Learning Kids“ angelegt und die Kategorien „Dreiecke“ und „Vierecke“ erstellt. Durch das Einspeisen verschiedener Drei- und Vierecke kann die KI lernen, diese geometrischen Figuren zu erkennen, und dahingehend trainiert werden. Dass die Grundseite der Drei- und Vierecke parallel zur Grundsei- te des Fotoausschnitts verläuft, ist an dieser Stelle sehr wichtig. So ist die Lage der geometrischen Figuren ein entscheidender Faktor dafür, wie es in Robbys System“ zu einer Art algorithmischer Verzerrung kommen kann. Im Sinne der Herausstellung von Faktoren, die zu algorithmischer Verzerrung führen, ist es außerdem wichtig, dass in dieser Phase des KI-Trainings das KI-System nicht mehr als jeweils fünf Beispiele von Dreiecken und Vierecken kennenlernt. Auch die geringe Vielfalt der geometrischen Figuren führt schließlich zu einer algorithmischen Verzerrung. Durch die gezielte Auswahl der geometrischen Figuren anhand derer „Robbys KI“ getestet wird, kann für die SuS besonders deutlich werden, wie unzuverlässig die KI durch den allerersten Datensatz Drei- und Vierecke unterscheidet.

Im nächsten Schritt lernt Robby und wird darauf hin getestet, wie zuverlässig er nun Drei- und Vierecke als solche erkennt. Dafür wählt die LP weitere gezeichnete Drei- und Vierecke der SuS gezielt aus: Sie fotografiert diesmal die geometrischen Formen der SuS so ab, dass die Grundseiten nicht parallel zur Grundseite des Fotoausschnitts verlaufen. Weiter entscheidet sie sich für Drei- und Vierecke, deren Klasse Robby durch den Testdatensatz noch nicht bekannt beziehungsweise dort nur gering repräsentiert ist (z.B. spitzwinkliges Dreieck; Parallelogramm). Die jeweiligen getesteten geometrischen Figuren werden nachei- nander an die Tafel gehängt, und zwar in der Lage, in der sie fotografiert und der KI präsentiert wurden. Die Prozentzahl, zu der Robby die Figur als Drei- oder Viereck erkennt, wird von der LP neben der Zeichnung an der Tafel notiert. Die Übersicht der getesteten geometrischen Figuren mit der An- gabe der prozentualen Sicherheit, mit der sie von der KI klassifiziert wurden, macht den SuS deutlich, in welch hohem Maße die Ergebnisse algorithmisch verzerrt sein können.

Reflexion 1: Die SuS beschreiben, erklären und begründen die Ergebnisse der Testphase der KI - zunächst in Kleingruppen, dann im Plenum. Mögliche Impulse: „Robby sollte erkennen, ob deine Zeichnung ein Drei- oder Vier- eck ist. Schaue dir seine Ergebnisse an. Was fällt dir auf? Be- schreibe und finde eine Erklärung für seine Ergebnisse.“ Lehrperson: “Dir ist aufgefallen, dass wir Robby nur sehr wenige verschiedene Dreiecke und Vierecke gezeigt haben. Wenn er von uns nur gleichseitige Dreiecke kennt, dann kann er beispielsweise nicht wissen, dass es andere Dreiecke gibt, bei denen die Seiten nicht alle gleich lang sind. Seine Ergebnisse sind dann “algorithmisch verzerrt”.

In der Reflexionsphase machen sich die SuS die Folgen algorithmischer Verzerrung am Beispiel von Robbys Ergebnissen bei der Klassifizierung von Drei- und Vierecken bewusst. Außerdem nennen und erklären sie verschiedene Faktoren, die algorithmische Verzerrung in diesem mathematischen Zusammenhang bedingen wie „die Lage der geometrischen Figuren“ und die mangelhafte Repräsentation der Klassenvielfalt. Die Bedeutung des Begriffs “algorithmische Verzerrung” wird in diesem Zuge besprochen.

Optimierung von Robbys Klassifizierungsfähigkeiten: Ge- meinsam wird die Auswahl an eingespeisten Drei- und Vierecken in den entsprechenden Kategorien des Tools „Machine Learning for Kids“ ergänzt, um Robbys Klassifizierungsfähigkeiten zu optimieren. Impuls: „Welche Drei- und Vierecke können wir Robby noch als Datensatz mitgeben, damit er die Figuren besser erkennt?“ Die SuS wählen aus ihren Zeichnungen dafür Drei- und Vierecke aus, die Robby als Klasse oder auch in ihrem konkreten Erscheinungsbild und hinsichtlich der Lage noch nicht kennt. Dann wird Robby noch einmal trainiert. Die Auswahl an eingespeisten Drei- und Vierecken wird so ergänzt, dass sie schließlich der Klassenvielfalt von Drei- und Vier- ecken gerecht wird und verschiedenste Lagen repräsentiert. Der Datensatz wird somit quantitativ und qualitativ deutlich vergrößert. Die Lehrperson gibt hierbei einzelnen SuS die Möglichkeit, auch einmal selbst einen Post-it-Zettel mit Drei- oder Viereck mit dem zur Verfügung stehenden Tablet abzufotografieren. Dabei können sie ganz bewusst auf die Lage der geometrischen Figur im Verhältnis zur Unterkante des Tablets achten und noch einmal darüber reflektieren, dass diese durchaus eine wichtige Rolle spielt.

Reflexion 2: Die SuS beschreiben und erklären die neuen Ergebnisse.

Vertiefung: Warum sind algorithmische Verzerrungen in unserem Leben und Alltag problematisch? Stell dir vor, Robby soll von uns lernen, was Schönheit ist. Was passiert, wenn seine Ergebnisse dann auch algorithmisch verzerrt sind? Welche Folgen hat das - für ein Mädchen? - für einen Jungen? - für dicke Menschen? - für dünne Menschen? - für Menschen mit anderer Hautfarbe?

Die Erfahrungen mit dem Erstellen eines Datensatzes für eine KI und der algorithmischen Verzerrung wird auf den Lebensalltag der SuS transferiert. In der Diskussion – zunächst mit Partner*in – dann im Plenum – wird herausgestellt, welche negativen Folgen ein einseitiges Bild von Schönheit für jede*n Einzelne*n und auch für die ganze Gesellschaft haben kann.

Sicherung: Die LP hängt Karten mit verschiedenen Aussagen an die Tafel/ das Smartboard. Manche sind richtig bezogen auf das Thema „Künstliche Intelligenz“, manche sind falsch. Einzelne SuS suchen sich jeweils eine Aussage aus und begründen, warum diese zu „KI“ passt oder warum nicht. Wenn die Aussage stimmt, wird sie zu dem Bild von Robby gehängt. Andernfalls weit ent- fernt an den Rand der Tafel. In der Sicherung werden die SuS dazu herausgefordert zu zeigen, welche Stundeninhalte sie wie tiefgreifend verstanden haben. Die Aussagen auf den Karten müssen nicht nur richtig zugeordnet oder aussortiert werden. Vielmehr geht es auch darum, dass die SuS Aspekte von „KI“ erklären, wodurch das Verstehen oder Nichtverstehen der Thematik deutlich wird.

Technische Voraussetzungen

Benötigt werden ein Tablet, ein Smartboard und eine stabile Internetverbindung. Außerdem müssen es die individuell und schulisch bedingten Voreinstellungen des Tablets ermöglichen, das Tool “Machine Learning for Kids” zu nutzen. Zur Bewältigung der mathe- matischen Herausforderungen werden Post-it-Zettel in ausreichender Anzahl benötigt sowie Bleistifte und Lineale bzw. Geodreiecke.

Fachlicher Gehalt der Lernumgebung

Mathematische und informatische Analyse

Die Unterrichtsstunde basiert auf dem mathematischen Konzept des "Hauses der Vierecke", welches eine zentrale Strukturierung in der Geometrie darstellt. Das Konzept ist von großer Bedeutung, da es den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit bietet, verschiedene Vierecke systematisch nach ihren Eigenschaften zu klassifizieren und die hierarchischen Beziehungen zwischen diesen geometrischen Figuren zu verstehen. Die Schülerinnen und Schüler lernen durch das "Haus der Vierecke", dass Vierecke wie Quadrate, Rechtecke, Parallelogramme, Trapeze und allgemeine Vierecke spezifische Merkmale besitzen, die sie voneinander unterscheiden. Die Merkmale umfassen beispielsweise die Anzahl der gleich langen Seiten, die Winkel zwischen den Seiten oder die Parallelität zwischen den Seiten. Sie erkennen, dass es einige Unterkategorien gibt, wie zum Beispiel, dass jedes Quadrat ein Rechteck und ein Parallelogramm ist, aber nicht jedes Rechteck ein Quadrat. In der Stunde wird diese mathematische Grundlage genutzt, um die Kinder schrittweise an das Klassifizieren von geometrischen Figuren heranzuführen, wobei auch Dreiecke berücksichtigt werden. Die SuS lernen, diese Figuren nicht nur zu zeichnen, sondern auch anhand von Kriterien wie Seitenlängen und Winkeln zu unterscheiden und zu kategorisieren. Diese mathematische Tätigkeit ist essenziell, da sie als Basis für das Verständnis der informatischen Aspekte dient. Beim informatischen Fachgehalt der Stunde wird das Thema "Maschinelles Lernen" eingeführt, wobei der Fokus auf der Klassifikati- on von Datenpunkten liegt. Die Schülerinnen und Schüler erfahren, wie eine Künstliche Intelligenz (KI) durch das Training mit spezifischen Datensätzen - in diesem Fall den von ihnen erstellten geometrischen Figuren - neue Datenpunkte zu klassifizieren lernt. Die KI lernt durch die Analyse von Beispielen, Muster und Regeln zu erkennen, die es ihr ermöglichen, neue Figuren korrekt einzuordnen (vgl. Müller, 2022). Ein zentraler Punkt dieser Unterrichtseinheit ist die Problematik der „algorithmischen Verzerrung“. Die Kinder entdecken, dass eine KI nur so gut ist wie die Daten, mit denen sie trainiert wird. Wenn der Trainingsdatensatz unvollständig, einseitig oder verzerrt ist, kann dies dazu führen, dass die KI falsche oder unzuverlässige Klassifikationen vornimmt. Beispielsweise kann die KI Schwierigkeiten haben, bestimmte Vierecke korrekt zu identifizieren, wenn diese in den Trainingsdaten nicht ausreichend repräsen- tiert sind oder wenn alle Figuren in einer bestimmten Ausrichtung dargestellt wurden. Die Schülerinnen und Schüler lernen somit, dass die Qualität und Vielfalt der Trainingsdaten entscheidend für die Genauigkeit und Verlässlichkeit der KI sind. Sie erfahren, dass ein ausgewogener und repräsentativer Datensatz notwendig ist, um eine KI zu trainieren, die in der Lage ist, präzise und verlässliche Klassifikationen vorzunehmen.

Fachdidaktischer Gehalt der Lernumgebung

Didaktische Analyse

Digitalität ist heutzutage im Leben der SuS alltäglich mit ihren Möglichkeiten und Gefahren präsent. Folglich ist es für die SuS auch bedeutsam zu lernen, „reflektiert mit digitalen Medien umzugehen“ (KMK, 2021, S. 7). Da Digitalität nicht nur einzelne Lebensbereiche betrifft, ist es wichtig, dass die SuS die Möglichkeit erhalten, die Fähigkeiten dieses reflektierten Umgangs nicht nur in einzelnen, sondern in allen Unterrichtsfächern zu erwerben (KMK, 2017, S. 7). Im Mathematikunterricht bedeutet das, den SuS den fachspezifischen „Zugang zu Informationen und Handlungsmöglichkeiten“ (KMK, 2017, S. 7) die Digitalität betreffend zu ermöglichen. Da Klassifizierungsfähigkeiten elementarer Bestandteil der Mathematik sind (KMK, 2022, S. 17) und auch eine zentrale Rolle beim Trainieren eines maschinellen Lernsystems spielen, lassen sich in der vorliegenden Lernumgebung mathematische und informatische Inhalte sinnvoll miteinander verbinden. Dabei muss beachtet werden, dass Lehrpersonen SuS den kompetenten Umgang mit Digitalität nur ermöglichen können, wenn sie diesbezüglich selbst über grundlegende Kompetenzen verfügen (KMK, 2017, S. 49). Mathematisch und informatisch fordert die Lernumgebung die SuS zu Reflexions- und Abstraktionsleistungen heraus. Mathematisch geht es auch um „das Operieren mit Bildern im Kopf“ (Franke, 2007, S. 28). Wenn die SuS beispielsweise den ersten Trainingsdatensatz kritisch prüfen, müssen sie sich vorstellen, welche Klassen von Dreiecken oder Vierecken noch nicht vertreten sind. Es wird also das räumliche Vorstellungsvermögen angesprochen als „die Fähigkeit, räumliche Objekte verinnerlicht zu sehen, verinnerlicht bewegen, [...] und verinnerlicht ausdehnen und komprimieren zu können“ (Wollring 2011, S. 11). Die erlebnisthematische Einbettung und aktives Handeln - beim Zeichnen der geometrischen Figuren, beim Fotografieren derselben, im Umgang mit dem Tool „Machine Learning for Kids“ – können die abstrakten Inhalte und Prinzipien für die SuS greifbarer werden lassen. Auf dieser Grundlage kann auch der Umgang mit mathematischen und informatischen Begrifflichkeiten sowie deren Verständnis gefördert werden, denn „Begriffe werden [...] über aktive Auseinandersetzung auf sprachlicher und handelnder Ebene gewonnen (Franke, 2007, S. 111). Mathematisch gesehen ist es für die Entwicklung geometrisch-abstrahierenden Denkens, wie es der Niveaustufe 2 des van-Hiele- Modells entspricht (Franke & Reinhold, 2016, S. 138), innerhalb der Lernumgebung zentral, dass die SuS bereits seit der ersten Klas- senstufe regelmäßig (kopf-)geometrische Impulse erhielten und diesbezüglich bereits vielfältige Erfahrungen sammeln konnten. In der Unterrichtspraxis lässt sich laut Krauthausen (2018) jedoch feststellen, dass eine Auseinandersetzung mit geometrischen Inhalten nur gelegentlich und oft nur zur „Auflockerung nach anstrengender Rechenarbeit“ (S. 99) stattfindet sowie insgesamt im Vergleich zu arithmetischen Inhalten deutlich zu kurz kommt (S. 99). Einer der Gründe hierfür liegt in der „Vernachlässigung der Geometrie in der Lehrerausbildung“ (Krauthausen, 2018, S. 98). Folglich kann sich die Verbindung geometrischer und informatischer Inhalte wie sie die Lernumgebung impliziert, in der unterrichtlichen Umsetzung als große Herausforderung und auch als Hindernis für Lehrpersonen erweisen. Weiter ist zu bedenken, dass der Einsatz vielfältiger Materialien und Medien (Smartboard, Tablet, Zeichenutensilien und mathemati- sche Werkzeuge) aufwendig ist und eine gewisse „Lebendigkeit“ (Krauthausen, 2018, S. 99) des Unterrichtsgeschehens mit sich bringt. Dabei ist davon auszugehen, dass diese von den Lehrpersonen nicht im Sinne einer produktiven Auseinandersetzung mit dem Lerngegenstand, sondern vielmehr als nicht zu akzeptierende Störung wahrgenommen wird (Krauthausen, 2018, S. 99).

„Gute“ Aufgaben & Differenzierung

Gemessen an den Kriterien „guter“ Aufgaben wie sie Maier (2011) formuliert (S. 78-86), vermag die vorliegende Lernumgebung die Rahmenbedingungen für den Erwerb folgender Kompetenzen zu schaffen:

Mathematische Ergiebigkeit: Die Vorgaben der Bildungsstandards (2022) beinhalten innerhalb der Leitidee „Raum und Form“ das Erkennen, Benennen und Darstellen geometrischer Figuren (S. 17). Innerhalb der Lernumgebung zeichnen die SuS entsprechend verschiedene Drei- und Vierecke und müssen diese unterscheiden, also klassifizieren. In Folge des Ergebnisses der algorithmischen Verzerrung werden sie weiter dazu angeregt, die Ursachen für diese zu finden und zu reflektieren. Dies fordert die SuS dazu heraus, nicht nur Drei- und Vierecke zu unterscheiden, sondern innerhalb der beiden Klassen geometrischer Figuren jeweils weiter zu differenzieren und zu klassifizieren in beispielsweise „rechtwinklige“, „stumpfwinklige“ und „spitzwinklige“ Dreiecke sowie „Quadrate“, „Recht- ecke“ und „Trapeze“. Erst durch das Bewusstmachen der Vielfalt an Klassen und Lagemöglichkeiten der geometrischen Figuren kann folglich die KI gezielt optimiert und die algorithmische Verzerrung minimiert werden. Vermutlich verfügen einige SuS über die Routine, bestimmte Dreiecke und Vierecke zu zeichnen, zu erkennen und zu benennen. In- nerhalb der Lernumgebung werden von den SuS aber komplexere Gedankengänge gefordert. Eine Vielzahl an Klassen geometrischer Figuren und die Lage der einzelnen Figuren müssen gleichzeitig vor Augen geführt, überblickt und in Beziehung gesetzt werden, um das Problem der algorithmischen Verzerrung verstehen und schließlich lösen zu können. Die SuS können also keinesfalls routinemäßig Wissen und Können abrufen, um dieses Problem zu lösen. Vielmehr müssen sie die Lösung des Problems entwickeln (KMK, 2022, S. 11) und die ursprüngliche Vorgehensweise (der LP) beim Trainieren der KI überdenken (KMK, 2022, S. 11). Wenn es darum geht, das Ergebnis der algorithmischen Verzerrung zu deuten und zu erklären, müssen die SuS „Mathematisch kom- munizieren“ (KMK, 2022, S. 10), um zu beschreiben, welche geometrischen Figuren in das KI-System eingespeist wurden und auch nachvollziehbar argumentieren (KMK, 2022, S. 10), wenn es um die Erklärung möglicher Ursachen für die algorithmische Verzerrung geht. Mit dem „Probleme mathematisch lösen“, „Mathematisch argumentieren“, Mathematisch kommunizieren“ und indem die SuS „mit mathematischen Objekten und Werkzeugen arbeiten“ (hier mit Lineal/ Geodreieck beim Zeichnen der geometrischen Figuren) fördert die Lernumgebung wichtige prozessbezogene Kompetenzen bei den SuS (KMK, 2022, S. 9). Die Ausführungen zeigen, dass die Lernumgebung insgesamt mathematisch vielfältig ergiebig ist. Die Förderung mathematischer und die Förderung informatischer Kompetenzen lassen sich hier nicht strikt voneinander trennen, sondern greifen ineinander.

Informatische Ergiebigkeit: Im Zusammenhang mit der Lernumgebung – konkret beim Verstehen, Trainieren und Bewerten einer KI – geht es um den handelnden und reflexiven Umgang mit einem Informatiksystem. Diesen sieht die Gesellschaft für Informatik (GI, 2019) im Sinne einer informatischen Bildung bereits in der Primarstufe vor (S. 15). Die Lernumgebung zielt entsprechend darauf ab, dass die SuS die Bestandteile einer KI (Datensatz, Lernalgorithmus und Vorhersage) fachsprachlich benennen und erklären können sowie die Funktion und Arbeits- weise von „Robbys“ KI-System, das hinsichtlich der Klassifizierung von Drei- und Vierecken trainiert und eingesetzt wird, kennen und verstehen (GI, 2019, S. 15). Die SuS erstellen den Pool an geometrischen Figuren und damit den Datensatz für das Training der KI und analysieren, welche Daten die LP für das Training des KI-Systems einspeist und weshalb dieses System zunächst Drei- und Vier- ecke nur in geringerem Maße korrekt als solche identifiziert. Die SuS können also innerhalb der Lernumgebung folgende Kompetenzerweiterung erfahren: „Durch Ausprobieren und Beobachten wie ein gegebenes Informatiksystem auf unterschiedliche Aktionen und Eingaben reagiert, können Muster erkannt und [...] erste Modelle über deren innere Struktur aufgebaut werden. Die Kinder werden in moderierten Lernprozessen – über das reine Ausprobieren hinaus – zum systematischen Beobachten des Systemverhaltens und zu Schussfolgerungen und Abstraktionen angeregt“ (GI, 2019, S. 8). Mit der Vertiefung stellen die SuS allgemein die Bedeutung des bewussten und verantwortungsvollen Umgangs mit Datensätzen und dem Trainingsvorgang einer KI heraus. Dadurch soll für die SuS der Bezug zur eigenen Lebenswelt und die Bedeutung der informatischen Thematik für die Menschen innerhalb einer Gesellschaft deutlich werden (GI, 2019, S. 16). Die SuS „nehmen [...] [also] in Ansätzen wahr, dass [die] Nutzung [von Informatiksystemen] positive und negative Folgen hat, z.B. in Bezug auf [...] das tägliche Miteinander“ (GI, 2019, S. 11).

Offenheit und optimale Passung: Mit der vorliegenden Lernumgebung sind einige mathematische und informatische Aspekte und Komponenten festgelegt. So bestimmt die LP für die Erstellung des ersten Datensatzes die Auswahl an Drei- und Vierecken sowie deren Lage beim Einspeisen in das Tool „Machine Learning for Kids“. Die Auswahl führt unweigerlich zu einer algorithmisch verzerrten „Vorhersage“ durch die KI. Auch die Phase der Optimierung impliziert zwangsläufig, dass die SuS den ursprünglichen Datensatz um Drei- und Vierecke in unterschiedlichen Lagen und unterschiedlicher Klassen erweitern. Die Ausführungen zeigen, dass die Lernumgebung hinsichtlich der genannten Punkte als geschlossen angesehen werden muss. Trotzdem werden den SuS auch Freiheiten eingeräumt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die SuS für die Erarbeitung des ersten Datensatzes ein Drei- und ein Viereck ihrer Wahl zeichnen sollen. Außerdem werden die SuS während der Reflexionsphasen nicht konkret auf ein Ergebnis hingelenkt. Vielmehr sollen die Trainingsergebnisse der KI in Kleingruppen und anschließend im Plenum offen diskutiert werden. Folglich werden manche SuS zu der Erkenntnis gelangen, dass der Datensatz für die KI einer Vielfalt an Drei- und Vierecken bedarf, um diese bezogen auf ihr korrektes Urteilsvermögen zu optimieren. Einige werden eine gewisse Vielfalt erken- nen und zeichnerisch darstellen können, aber möglicherweise die Klassenzugehörigkeiten und die Bedeutung der Lage nicht reflektieren können. Andere hingegen werden womöglich differenziert erklären können, welche Klassen an Drei- und Vierecken es abzudecken gilt und auch die Vielfalt der Lagen der geometrischen Figuren als bedeutsam erkennen. Der Prozess, der zu den Erkenntnissen bezüg- lich des Trainings der KI führt, verläuft daher offen. In Bezug auf die optimale Passung ist beim Einsatz der Lernumgebung darauf zu achten, dass die SuS in gewissem Maße vertraut sind mit dem Erkennen, Zeichnen und Klassifizieren verschiedener Drei- und Vierecke. Je nach Leistungsniveau der Schüler*innen kann das Training der KI zur Erkennung und Unterscheidung geometrischer Figuren auch anspruchsvoller und komplexer gestaltet werden, indem andere geometrische Figuren als Drei- und Vierecke thematisiert werden oder jene um weitere Kategorien geometrischer Figuren ergänzt werden. Genauso gut lässt sich die Lernumgebung aber auch beispielsweise mit geometrischen Körpern umsetzen. In Bezug auf die informatischen Voraussetzungen sollte es den SuS ihrem kognitiven Entwicklungsstand nach möglich sein, sich in die Funktionsweise eines KI-Systems hineinzuversetzen sowie die Folgen einer algorithmischen Verzerrung abschätzen und die damit einhergehende Problematik verstehen zu können (vgl. „Adressaten der Lernumgebung“). Bei optimaler Passung der Lernumgebung in Bezug auf die Voraussetzungen und Leistungsmöglichkeiten der SuS können diese die Herausforderungen, die mit den Aufgabenstellungen einhergehen, als interessant und bewältigbar erleben (Maier, 2019, S. 81) sowie die von Wygotsky als „Zone der nächsten Entwicklung“ bezeichnete Entwicklungsstufe erreichen (Maier, 2019, S. 82).

Authentizität, Aktivierung und Motivation: Die Lernumgebung fokussiert mathematisch betrachtet die Fähigkeit des Klassifizierens geometrischer Figuren (KMK, 2022, S. 17). Das Klassifizieren ist grundlegender mathematischer Inhalt, spielt aber auch im Leben der SuS eine alltägliche Rolle: so ordnen diese beispielsweise Gegenstände aufgrund bestimmter Merkmale in dieselbe Kiste ein, wenn sie ihr Zimmer aufräumen. Ebenso fordern viele Gesellschaftsspiele Klassifizierungsfähigkeiten heraus (Werner, o.D., S. 2, 5). „Künstliche Intelligenz“ ist zentraler Inhalt der Informatik und kann ebenfalls als fester Bestandteil im Leben der SuS gelten, auch wenn ihnen das in vielen Fällen vermutlich nicht bewusst ist. Ob die SuS selbst bereits beispielsweise ein Smartphone oder eine Smartwatch besitzen oder in ihrer Freizeit Computerspiele spielen – KI durchzieht den Alltag, selbst wenn die SuS vielleicht auch nur andere im Umgang mit digitalen Geräten beobachten und erleben (vgl. „Kurzbeschreibung der Lernumgebung“). Der Einstieg der Lernumgebung greift daher die Alltagserfahrungen der SuS direkt auf, indem die KI „Siri“ durch die LP in einer alltäglichen, beispielhaften Handlung genutzt wird (vgl. „Explizite Formulierung der Aufgabenstellungen und Arbeitsaufträge“). Auf diese Weise wird von dem motivierenden Potenzial des informatischen Inhalts Gebrauch gemacht. Die Rahmenhandlung der Lernumgebung lässt die SuS schließlich in die Rollen von Wissenschaftlern schlüpfen, die mit ihrem Wissen und Können einen Roboter trainieren und zu künstlicher Intelligenz verhelfen. Durch die Rollenzuweisung bekommen die SuS Verantwortung übertragen und Vertrauen in ihre Fähigkeiten vermittelt. Während sie dem Roboter Neues beibringen, können sie sich selbst als kompetent und selbstwirksam erfahren. So kann in der Auseinandersetzung mit den mathematischen und informatischen Herausforderungen die intrinsische Motivation erwachsen diese zu bewältigen (Maier, 2019, S. 81; Grassinger et al., S. 217). Die Ausführungen machen die Relevanz deutlich, welche die mathematischen und informatischen Inhalte für die SuS gegenwärtig haben und zukünftig haben werden. Daraus lässt sich die Authentizität der Lernumgebung ableiten (Maier, 2019, S. 80). Die Aufgabenstellungen und Sozialformen der Lernumgebung sind so gewählt, dass alle SuS aktiviert werden und einen Beitrag zum Thema leisten. So ist zunächst der Impuls im Einstieg niedrigschwellig, da die SuS neben tieferem Wissen zum Thema „Künstliche Intelligenz“ und „geometrische Formen“ auch einfach von ihren Berührungspunkten mit KI und ihren Erfahrungen mit KI oder Geometrie im Alltag berichten können. Beim Zeichnen der Drei- und Vierecke ist jede*r Einzelne gefragt. Auch wenn zunächst nicht alle Zeichnungen „Robby“ zum Lernen vorgelegt werden, sind sie doch alle wichtig, um in der Phase der Optimierung der KI zu reflektieren, welche Zeichnungen die Vielfalt der geometrischen Figuren ergänzen und erweitern können. In den Reflexionsphasen und der Vertiefung werden ebenfalls alle SuS aktiviert, wenn zunächst mit Partner*in oder in der Kleingruppe diskutiert wird, bevor dann ein Austausch im Plenum erfolgt. Die Lernumgebung geht also auch mit einem hohen Aktivierungsgrad einher (Maier, 2019, S. 81).

Verständlichkeit: In Bezug auf den Aspekt der Verständlichkeit wurde innerhalb der Lernumgebung darauf geachtet, dass die Satzstruktur einfach gehalten ist und die Formulierungen semantisch gesehen für die SuS möglichst einfach nachvollziehbar sind. Trotz der einfach gehaltenen sprachlichen Syntax und Semantik ist es in mathematischem wie in informatischem Sinne wichtig, die SuS auch mit Fachvokabular zu konfrontieren. So werden beispielsweise beim Nennen der Merkmale von Drei- und Vierecken mathematische Begriffe wie „Ecken“, „Seiten“, „Winkel“, „gleichseitig“ und „gleichschenklig“ sowie die informatischen Begrifflichkeiten „Daten- satz“, „Lernalgorithmus“ und „Vorhersage“ genannt und erklärt. Hierzu ist allerdings anzumerken, dass sich ein Begriffsverständnis im Laufe der Grundschulzeit immer weiterentwickelt, wenn die SuS dahingehend gefördert werden. Diese Entwicklung ist aber keinesfalls mit Ende der Grundschulzeit abgeschlossen (vgl. Didaktische Analyse). Daher werden auch eigen formulierte Begrifflichkeiten und Beschreibungen der SuS von Inhalten und Aspekten akzeptiert und gewürdigt, wenn sie den fachlichen Kern treffen und für alle SuS verständlich sind (Franke & Reinhold 2016, S. 144).

Artikulation, Kommunikation, Soziale Organisation

Die Lernumgebung nutzt die Artikulationsoptionen das Sprechen intensiv und das Handeln in einem engeren Sinne. Durch die mündlichen Fragen wie „Was ist KI?“, „Was kann KI?“ oder auch die Aufforderung der Lehrperson die Eigenschaften von Dreiecken und Vierecken zu beschreiben, findet eine sprachliche Auseinandersetzung statt. Das Handeln macht sich besonders durch die Aufgabenstellung deutlich in der die SuS selbstständig jeweils ein Dreieck und ein Viereck zeichnen sollen und diese anschließend zur Tafel bringen sollen. Es finden allgemein sehr viele Interaktionen mit den Kindern statt. Das Schreiben jedoch findet in dieser Lernumgebung keine Beachtung, da viel mündlich kommuniziert wird. Die Ergebnisse in Prozent werden sowohl mündlich als auch zentral an der Tafel und in Form einer Tabelle dokumentiert und dienen als sogenannter Raum zum Behalten, der alle Arten von Dokumenten als Fundus für weiteres Arbeiten umfasst (Wollring, 2008). Auch in der Sicherung wird Raum zum Behalten gelassen, indem die SuS die richtigen Aussagen bezüglich des Stundenthemas sortieren müssen und die wichtigsten Elemente der Unterrichtsstunde wiederholen. Raum zum Gestalten wird bei dem individuellen Zeichnen der Dreiecke und Vierecke gelassen. Die Sozialform findet überwiegend im Plenum statt und wechselt nur zur Arbeitsphase, dem zeichnen der Dreiecke und Vierecke in Einzelarbeit. Die Schlusssequenz findet in Form einer gemeinsamen Aufgabe statt. Die Kinder sollen im Plenum herausfinden, welche Aussagen bezüglich KI stimmen und welche falsch sind, somit wird auch gemeinsam reflektiert.

Potenzial des Einsatzes (digitaler) Medien

1. In der Lernumgebung wird eine Reihe von investiven Materialien benötigt, um den Unterricht effektiv und interaktiv zu gestalten. Das wichtigste Element ist ein Smartboard oder interaktives Whiteboard, welches zur Präsentation der PowerPoint-Folien, der Darstellung der KI-Ergebnisse und zur Interaktion mit den Schülerinnen und Schülern genutzt wird. Zudem werden digitale Geräte wie ein Tablet oder Laptop benötigt, um die gezeichneten Figuren zu digitalisieren und in das Programm „Machine Learning for Kids“ einzuspeisen. Für die gemeinsame Betrachtung und Analyse der KI-Ergebnisse dient ein Smartboard, und eine Internetverbindung ist erforderlich, um das KI-Programm nutzen zu können. 2. In dieser Lernumgebung lernen die Kinder den Umgang mit verschiedenen Arbeitsmitteln und deren Potenzialen auf unterschiedliche Weise. Zu Beginn wird das Vorwissen der Kinder aktiviert, indem sie ihre bisherigen Erfahrungen mit Künstlicher Intelligenz (KI)und geometrischen Figuren reflektieren und mitteilen. Anschließend erfolgt die Einführung in die Thematik der KI, wobei die grundlegenden Elemente wie Datensatz, Algorithmus und Vorhersage verständlich gemacht werden. Die Kinder erstellen eigenständig Zeichnungen von Dreiecken und Vierecken, die als Datensatz dienen, um die KI zu trainieren. Dabei werden sie aktiv in das Training der KI eingebunden, indem sie ihre Zeichnungen einscannen und in das Programm integrieren. Nach der ersten Trainingsphase folgt eine Reflexion über algorithmische Verzerrungen, die durch einen eingeschränkten Datensatz entstehen können. Auf dieser Grundlage erweitern die Kinder den Datensatz mit weiteren geometrischen Figuren, um die KI zu verbessern und Verzerrungen zu minimieren. 3. Für die Umsetzung dieser Lernumgebung wird konsumtives Material benötigt. Dies umfasst Papier für die Zeichnungen der geometrischen Figuren, Bleistifte zum Zeichnen, ein Geodreieck für präzises Zeichnen und Messen, sowie Karten oder Post-it-Zettel, auf denen die Schüler und Schülerinnen die Formen zeichnen. 4. Die Organisation des Materials erfolgt in mehreren Schritten. Zunächst sorgt die Lehrperson für die Bereitstellung von Papier, Blei- stiften, Geodreieck und Karten oder Post-it-Zetteln. Diese Materialien werden in der Klasse griffbereit aufgestellt, damit die Schüler einfach darauf zugreifen können. Das Tablet oder der Laptop sowie das Smartboard werden von der Lehrperson vorbereitet und einge- richtet, während die Internetverbindung im Vorfeld geprüft und sichergestellt wird. Im Verlauf der Stunde werden die Zeichnungen der Schüler nacheinander über das Tablet oder Laptop eingespeist und über das Smartboard visualisiert. Die Ergebnisse der KI- Klassifizierung werden an der Tafel festgehalten, um eine Übersicht zu schaffen. 5. Diese Organisation des Materials bietet verschiedene Vor- und Nachteile. Zu den Vorteilen zählen die Zugänglichkeit des Materials für alle Kinder, was die Teilnahme und das Engagement fördert, und die Übersichtlichkeit durch die Visualisierung der Ergebnisse am Smartboard und das Aufhängen der Zeichnungen an der Tafel. Dies macht den Lernprozess transparent. Zudem ermöglicht die flexible Organisation schnelle Anpassungen bei Veränderungen oder Fehlern im Lernprozess. Nachteile sind der Zeitaufwand für die Vorbereitung und Organisation des Materials, insbesondere das Einspeisen der Daten und die Einrichtung der digitalen Geräte. Die Funktionali- tät der Lernumgebung hängt stark von der Technik ab, was Probleme mit der Internetverbindung oder den technischen Geräten als potenzielle Störfaktoren hervorbringt. 6. In dieser Lernumgebung erfüllen die Arbeitsmittel und digitalen Medien mehrere zentrale Funktionen. Sie dienen zunächst als Mit- tel zum Veranschaulichen, indem die SuS geometrische Figuren mit Papier, Bleistift und Geodreieck zeichnen. Diese Zeichnungen werden anschließend digitalisiert und über das Smartboard für alle sichtbar gemacht, was abstrakte geometrische Konzepte anschaulich und greifbar macht. Zweitens werden die Arbeitsmittel als Mittel zum Ausführen von Operationen genutzt. Die SuS verwenden Tablets oder Laptops, um ihre Zeichnungen in das Programm „Machine Learning for Kids“ einzuspeisen. Dies ermöglicht es ihnen, den Pro- zess des KI-Trainings praktisch zu erleben und das Zusammenspiel von Datensatz und Algorithmus zu verstehen. Schließlich dienen die Arbeitsmittel als Mittel zum Argumentieren und Beweisen. Nachdem die KI die Figuren klassifiziert hat, diskutieren die SuS die Ergebnisse am Smartboard. Sie argumentieren und beweisen anhand der visualisierten Daten, warum bestimmte Klassifizierungen korrekt oder fehlerhaft sind, und stützen ihre Argumente auf die geometrischen Eigenschaften und den Trainingsdatensatz. So fördern die Arbeitsmittel das kritische Denken und die Fähigkeit zur Beweisführung 7. Mit Bezugnahme auf die drei Zentralen Funktionen von Arbeitsmitteln nach Krauthausen (2018, S. 327), nutzt die Lernumgebung Arbeitsmittel und digitalen Medien, um mehrere fachdidaktische Potenziale zu realisieren. Die SuS konstruieren aktiv ihr Wissen, indem sie geometrische Figuren zeichnen und die KI trainieren, wodurch die Medienkompetenz gefördert wird. Durch den Umgang mit digitalen Medien wie Tablet, Laptop und Smartboard erwerben die Kinder wichtige Fähigkeiten im Umgang mit moderner Technologie und erlernen dem Umgang mit einem „Mittel zum Rechnen“. Die Reflexion über algorithmische Verzerrungen bietet die Möglichkeit, die Herausforderungen und Gefahren von KI kritisch zu beleuchten und dient als Argumentations und Beweismittel. Zudem fördert die Kombination aus Mathematik und Informatik ein interdisziplinäres Lernen, das verschiedene Fachbereiche verbindet. 8. Das Preis-Leistungs-Verhältnis der Lernumgebung scheint ausgeglichen zu sein. Die Materialkosten sind gering, da die benötigten Materialien wie Papier, Stifte und Geodreieck kostengünstig und meist schon in den Klassen vorhanden sind. Der effektive Zeiteinsatz erlaubt es, die Lernumgebung in einer Unterrichtsstunde von 45 Minuten durchzuführen, wobei je nach Vorerfahrungen der Schüler eine zusätzliche Stunde für die Einführung in das Thema „Was ist und was kann KI?“ eingeplant werden kann. 9. Die notwendige Zuwendung der Lehrperson variiert je nach Phase der Lernumgebung. In der Anfangsphase, die das Aktivieren des Vorwissens, die Einführung in die Thematik und die Erstellung des Datensatzes umfasst, ist eine intensivere Betreuung und Anleitung durch die Lehrperson erforderlich. Während des Trainings der KI und der Reflexionsphasen bleibt die Anwesenheit und Anleitung der Lehrperson wichtig. Gleichzeitig fördert die Lernumgebung die Kooperation der Schüler, indem sie gemeinsam an der Erstellung und Verbesserung des Datensatzes arbeiten. In Kleingruppen und im Plenum tauschen sie sich aus, reflektieren die Ergebnisse und entwickeln gemeinsam Lösungen. Eine sachbezogene und erfolgreiche Kooperation der Schüler kann die Zuwendung der Lehrperson teilweise ausgleichen, insbesondere in den Reflexionsphasen und bei der Optimierung der KI-Klassifizierungsfähigkeiten. Dennoch bleibt die Lehrperson eine wichtige Ansprechperson und Koordinatorin des Lernprozesses.

Evaluation

Die Lernumgebung ermöglicht zwar nicht das Erzeugen von Strategiedokumenten, dennoch können neben den Ergebnissen der SuS auch deren Aktivitäten auf verschiedene Art und Weise und in verschiedenen Phasen evaluiert werden. Wichtig ist, dass es dabei nicht nur um einen “traditionellen ergebnisorientierten Leistungsbefund bei den einzelnen Schülerinnen und Schülern” geht (Wollring, 2008, S. 11). Beim Zeichnen der geometrischen Formen, wird zwar am Ergebnis deutlich, auf welche Arten geometrischer Figuren die SuS jeweils gekommen sind, wie sorgfältig gezeichnet wurde und ob die Ergebnisse eine gewisse Vielfalt zeigen. Für die Lehrperson ist es aber im Sinne einer vielfältigen Evaluation ebenso von Bedeutung, die SuS auch im Prozess des Zeichnens zu beobachten. Dadurch kann offenbar werden, wie routiniert die SuS im Zeichnen der ebenen Figuren sind, ob sie mathematisch möglichst genau zeichnen, ob sie tatsächlich (wie gefordert) auch die mathematischen Werkzeuge (z.B. hier das Lineal) verwenden und wie lange sie für das Zeichnen brauchen. So erhält die Lehrperson Aufschluss darüber, wie die SuS damit umgehen, wenn sie geometrische Eigenschaften der ebenen Figuren abbilden sollen (Franke & Reinhold, 2016, S. 326 ff.). Denn „Zeichnen zu lernen heißt, nicht nur visuelle Informationen der zu zeichnenden Figur aufzunehmen und eine klare Vorstellung davon zu haben, sondern auch zu wissen und zu verinnerlichen, wie etwas dargestellt werden kann“ (Sitter, 2014, S. 28). Auch in den Reflexionsphasen ist nicht nur entscheidend zu welchen Ergebnissen die SuS kommen, sondern wie sich die Gespräche der SuS konkret gestalten. Die Lehrperson kann währenddessen die Gedankengänge, und damit Denkfehler, Schwierigkeiten und Erkenntniswege einzelner SuS wahrnehmen und nachvollziehen. Entsprechend weiß sie, was die SuS bereits verstanden haben oder wo gegebenenfalls weitere (Hilfs-)Impulse gesetzt werden müssen. Auch wenn von den SuS eigene Formulierungen zur Beschreibung von Dreiecks- und Vierecksarten verwendet werden, geben diese Aufschluss darüber, was verstanden wurde, welche Aspekte fokussiert wurden oder welche Denkfehler bestehen. Daher sind diese kreativen Eigenschöpfungen unbedingt auch genau wahrzunehmen und zu würdigen (Wollring, 2008, S. 11; vgl. “Gute Aufgaben und Differenzierung - Verständlichkeit”). Dadurch können die SuS auch in der Entwicklung eines positiven Selbstkonzepts unterstützt werden (Wollring, 2008, S. 11). Nicht zuletzt ist die gesamte Struktur der Lernumgebung mit ihren regelmäßigen Reflexionsphasen, mit den unterschiedlichen Sozial- formen der Einzel-, Partner- und Gruppenarbeit sowie dem Austausch und der Diskussion im Plenum so angelegt, dass sie auch der “Qualitätssicherung des Unterrichts” (Wollring, 2008, S. 11) dient. Die unterschiedlichen Sozialformen regen die SuS einerseits dazu an, sich gegenseitig Dinge zu erklären und einander zu helfen. Andererseits profitieren die SuS von den Ideen und von den Erkenntniswegen anderer, die vielleicht von den eigenen abweichen. Auch in dieser Hinsicht ist von der Lehrperson zu evaluieren, welchen Beitrag die unterschiedlichen Phasen und Sozialformen innerhalb der Lernumgebung zum sozialen Lernen leistet (Wollring, 2008, S. 12). Im Zuge der gesamten Evaluation der Lernumgebung wird es schließlich für die Lehrperson möglich, dieselbe für die künftige Durchführung mit SuS zu optimieren (Wollring, 2008, S. 12).

Vernetzung mit anderen Lernumgebungen

1. Die Lernumgebung „Geometrische Figuren klassifizieren und algorithmische Verzerrung“ bietet vielfältige Beziehungen zu anderen Strategien im selben mathematischen Problemfeld. Die Schülerinnen lernen, Dreiecke und Vierecke zu klassifizieren und ihre Merk- male zu erkennen, was als Basis für das Verständnis komplexerer geometrischer und algorithmischer Konzepte dient. Hierbei wird durch die Einbettung in eine KI-Thematik das Verständnis für algorithmische Verzerrungen und deren Auswirkungen geschaffen. Spezielle Lehr- und Lernaktivitäten vor und nach der Lernumgebung können sinnvoll sein, um das Wissen der Schüler*innen zu ver- tiefen und anzuwenden. Vor der Durchführung der Lernumgebung ist es sinnvoll, grundlegende Kenntnisse über geometrische Formen und deren Eigenschaften zu vermitteln, damit die Schüler*innen darauf aufbauend mit den spezifischen Aufgaben arbeiten können. Nach der Lernumgebung könnten die Schüler*innen weiterführende Aufgabenstellungen bearbeiten, wie z.B. das Erstellen eigenerDatensätze für andere KI-Anwendungen oder das Untersuchen weiterer algorithmischer Verzerrungen in unterschiedlichen Kontexten. 2. Es gibt auch Beziehungen zu anderen Bereichen im Mathematikunterricht. Insbesondere das Verständnis für geometrische Formen und deren Eigenschaften ist in vielen Teilen des Mathematikcurriculums relevant, einschließlich der Themenbereiche Symmetrie, Flächenberechnung und räumliches Denken. Die Lernumgebung fördert das Verständnis von Formen und Mustern, was wiederum die Grundlage für das Verständnis von Algebra und anderen mathematischen Disziplinen bildet. 3. Darüber hinaus gibt es Beziehungen zu anderen Fächern, insbesondere zur Informatik und zu den Naturwissenschaften. Die Schüler*innen lernen, wie Algorithmen und künstliche Intelligenz funktionieren und welche Rolle Daten und Datensätze bei der Entscheidungsfindung spielen. Dies ist nicht nur für die Informatik von Bedeutung, sondern auch für Fächer wie Physik und Biologie, wo Datenanalyse und -interpretation wichtige Kompetenzen sind. 4. Die Lernumgebung stellt auch Verbindungen zur außerschulischen Lebenswelt der Schülerinnen her. Die Schülerinnen lernen, wie künstliche Intelligenz in verschiedenen Bereichen des täglichen Lebens eingesetzt wird, z.B. in Suchmaschinen, Sprachassistenten und Spielzeugen. Dies fördert ein kritisches Verständnis und einen reflektierten Umgang mit Technologien, die immer mehr Teil des All- tags werden. Darüber hinaus wird das Bewusstsein für die Auswirkungen von algorithmischen Verzerrungen in sozialen und ethischen Kontexten geschärft, was für das Verständnis von Medien, Politik und Gesellschaft relevant ist.

Reflexion der Lernumgebung

1. In dieser Lernumgebung können verschiedene Aspekte der Durchführung problematisch werden, wobei einige Stolpersteine direkt behoben werden können. Ein häufiges Problem sind technische Schwierigkeiten mit Geräten wie Tablets, Laptops, dem Smartboard oder der Internetverbindung. Diese Schwierigkeiten lassen sich oft durch einfache Maßnahmen wie einen Neustart der Geräte, das Überprüfen der Verbindungen oder das Hinzuziehen eines Technikers beheben. Um Verzögerungen im Unterricht zu vermeiden, sollten alle technischen Geräte und Verbindungen vor Beginn der Stunde auf ihre Funktionstüchtigkeit geprüft werden. Ein Missverständnis, das häufig auftreten kann, ist die Unklarheit darüber, wie KI funktioniert und was sie leisten kann. In solchen Fällen sollte die Lehrperson diese Missverständnisse aufgreifen und erklären, indem sie Beispiele aus dem Alltag nennt und die Funktionsweise von KI-Algorithmen anschaulich darstellt. Dies fördert ein besseres Verständnis und vermindert falsche Vorstellungen. Die Kooperation unter den Schüler*innen ist ein weiterer wichtiger Punkt, der problematisch werden kann. Sollte die Zusammenarbeit in den Gruppen nicht reibungslos funktionieren, kann die Lehrperson moderierend eingreifen, indem sie die Gruppen neu zusammenstellt oder die Arbeitsaufgaben klarer verteilt. So wird sichergestellt, dass alle SuS aktiv und erfolgreich am Lernprozess teilnehmen können. Schließlich kann es vorkommen, dass einige Schülerinnen und Schüler durch die Aufgaben überfordert sind, weil sie zu komplex oder die Anforderungen zu hoch sind. In solchen Fällen sollte die Lehrperson die Aufgaben vereinfachen oder in kleinere, machbare Schritte unterteilen. 2. Es gibt auch bestimmte Situationen, in denen die Lernumgebung nicht angewendet werden sollte. Wenn die Schule nicht über die notwendigen technischen Geräte wie Tablets, Laptops oder ein Smartboard verfügt oder die Internetverbindung unzuverlässig ist, sollte die Lernumgebung nicht durchgeführt werden, da sie stark auf diese Mittel angewiesen ist. Des Weiteren ist es wichtig, dass die Schülerinnen und Schüler über die erforderlichen Vorkenntnisse in Geometrie oder im Umgang mit digitalen Medien verfügen. Sollten diese Vorkenntnisse fehlen und es keine Zeit oder Ressourcen geben, um diese Grundlagen zu vermitteln, ist es besser, die Lernumge- bung zu einem späteren Zeitpunkt durchzuführen, wenn die Schülerinnen besser vorbereitet sind. Ein weiterer Faktor ist der Zeitdruck. Wenn im Lehrplan oder in der Unterrichtsplanung nicht ausreichend Zeit für die Durchführung der Lernumgebung vorgesehen ist, kann dies zu Stress und Überforderung bei den Schüler*innen führen. In solchen Fällen sollte die Lernumgebung verschoben oder angepasst werden, um ein angemessenes Lerntempo zu gewährleisten. Die Unterstützung durch die Lehrperson spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. Die Lernumgebung erfordert eine aktive und unterstützende Rolle der Lehrperson. Wenn die Lehrperson auf- grund von Krankheit, anderen Verpflichtungen oder mangelnder Vorbereitung nicht in der Lage ist, diese Unterstützung zu leisten, sollte die Lernumgebung nicht angewendet werden.

Literatur

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