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Bildung + Innovation Das Online-Magazin zum Thema Innovation und Qualitätsentwicklung im Bildungswesen

Erschienen am 18.07.2019:

Künstliche Intelligenz im Klassenzimmer

Das intelligente Physikschulbuch erkennt Lerndefizite

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Bildrechte: HyperMind

Das intelligente Physikschulbuch, das im Projekt „HyperMind“ entwickelt wird, ist ein dynamisch-adaptives und persönliches Schulbuch, das Wissensbedarf erkennt und so individualisiertes Lernen ermöglicht.


Wie kann künstliche Intelligenz das Lernen im Schulunterricht unterstützen? Dieser Frage gehen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität (TU) Kaiserslautern und des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) im Immersive Quantified Learning Lab (iQL) nach. In dieser Anfang 2018 gemeinsam gegründeten Ideen- und Prototypen-Werkstatt für das Lernen wird daran gearbeitet, neueste Techniken für Ausbildung, Studium und Weiterbildung, aber auch für den schulischen Unterricht nutzbar zu machen. Es werden verschiedene Technologien, wie beispielsweise Eye-Tracking, Sprach- und Gestenerkennung oder Augmented Reality eingesetzt und untersucht, wie diese in Lern- und Arbeitsszenarien sinnvoll angewendet werden können. Die Analysedaten dienen dann zur Diagnose von Lernzuständen und Lernfortschritten.

Im Rahmen des Projekts „HyperMind“ entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein dynamisch-adaptives Schulbuch für Tablets und Desktop-Rechner, das individuelles Lernen ermöglicht, indem es den Lernstand und das Lernverständnis der Schülerinnen und Schüler konstant misst, dadurch ihre Stärken und Schwächen identifiziert und die Inhalte und Aufgaben individuell anpasst. „HyperMind“ ist Teilprojekt des Vorhabens „U.EDU: Unified Education – Medienbildung entlang der Lehrerbildungskette“, das im Rahmen der gemeinsamen „Qualitätsoffensive Lehrerbildung“ von Bund und Ländern aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird. An der TU Kaiserslautern liegt die Gesamtprojektleitung bei Professor Dr.-Ing. Norbert Wehn, Vizepräsident für Studium und Lehre.

Aktivitätserkennung analysiert Blickrichtung und liefert Erklärungen
Ausgangslage für die Entwicklung eines persönlichen Schulbuchs war die Überlegung, dass traditionelle Schulbücher zwar im Mittelpunkt des Unterrichtsgeschehens stehen, aber den individuellen Lernmöglichkeiten, Kompetenzen und Bedürfnissen der Lernenden nicht gerecht werden.

Im Projekt „HyperMind“ wird ein klassisches Physikschulbuch mit typischen Textbestandteilen, Fachbegriffen, Formeln, Diagrammen und Bildern als Grundlage genommen: Die statische Struktur wird aber aufgelöst, und die Buchinhalte werden portioniert und mit multimedialen Lerninhalten (Geräuschen, eingeblendeten Bildern oder Filmsequenzen) verlinkt. Mit Hilfe einer Sensortechnik, die Blickrichtungen der Leser/innen erkennt und analysiert, „weiß“ das Buch, ob der Schüler/die Schülerin während des Lesens Verständnisprobleme hat. Dazu werden die Inhalte des Buches auf Tablets oder Bildschirmen angezeigt und unter dem Display ein Eye-Tracker für die Aktivitätserkennung zur Erfassung der Blickposition und der Blickpfade angebracht. „Dieses System kann die Blickbewegungen der Leser erfassen“, erklärt Projektleiter Prof. Dr. Prof. h.c. Andreas Dengel, der den Lehrstuhl für Wissensbasierte Systeme an der TU Kaiserslautern innehat und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) am Standort Kaiserslautern leitet. „Es sieht auf diese Weise, an welcher Stelle er beispielsweise länger verweilt oder was er wiederholt liest.“ Auf Basis der Daten, die durch die Blickrichtung erfasst werden, können die Algorithmen der künstlichen Intelligenz Rückschlüsse auf Verständnisschwierigkeiten, auf das Lernverhalten und den Lernfortschritt ziehen. Das Buch „begreift“, ob die Schüler/innen Lerninhalte verstehen, und kann bei Schwierigkeiten individuelle Lernhilfen oder weiterführende Informationen in Form von multimedialen Erklärungen, Graphiken und Bildern bereitstellen und damit auf individuelle Kompetenzen und Bedürfnisse der Lernenden eingehen. „Die Technik kann künftig helfen, frühzeitig zu erkennen, ob jemand bei einem Thema zum Beispiel Unterstützung braucht, weil er es noch nicht richtig verstanden hat“, erklärt Dengel.

Stärken und Schwächen frühzeitig erkennen
Die Algorithmen der künstlichen Intelligenz erkennen aber auch besonderes Interesse des Lernenden. „Blickt er zum Beispiel öfter in der Folge auf ein bestimmtes Wort, könnte das System ihm weitere Informationen dazu liefern, etwa über den Internetbrowser“, erklärt Professor Dr. Jochen Kuhn, Leiter der Arbeitsgruppe Didaktik der Physik an der Technischen Universität Kaiserslautern. „Es gibt auf dem Markt bereits Lerntechniken, die den Wissensstand von Schülern abfragen“, ergänzt er. Aber hier gehe es nur um den Lernerfolg, es könne nicht getestet werden, ob jemand zum Beispiel länger als der Durchschnitt brauche, um eine Rechenaufgabe zu lösen. „Das Besondere ist, dass das Buch die Stärken und Schwächen der Schüler mithilfe integrierter Sensoren frühzeitig erkennt", so Kuhn. Neben den Eye-Track-Sensoren lassen sich mit Hilfe einer Smart Watch weitere biometrische Daten erheben, etwa der Puls des Lernenden. Dieser kann beispielsweise zur Messung der jeweiligen Belastung herangezogen werden, so dass Inhalte und Tempo noch individueller angepasst werden können.

Das antizipierende Schulbuch aus dem Projekt „HyperMind“ bereichert das Schulbuchangebot und trägt als dynamisch-adaptives, persönliches Lehrbuch dazu bei, individuelles Lernen zu ermöglichen. Aus den Daten lassen sich aber schließlich auch wertvolle Handlungsempfehlungen für Lehrende ableiten, die ihre Schülerinnen und Schüler mit dem neuen Wissen gezielter fördern können.

 

 

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Autor(in): Petra Schraml
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Datum: 18.07.2019
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