KI-Unterrichtsmaterial um neue Lerneinheit erweitert

Angesichts der rasanten Entwicklung der KI-Technologien gewinnt das Feld des maschinellen Lernens zunehmend an Bedeutung und hält Einzug in die Informatik-Lehrpläne. Lernende wie Lehrende stehen vor der Herausforderung, sich ein hoch komplexes Thema zu erschließen, um die Funktionsweisen und Potenziale des Machine Learning zu verstehen.

Ein wichtiger Teilbereich des maschinellen Lernens ist neben dem überwachten und unüberwachten Lernen das so genannte Reinforcement Learning, das "bestärkende Lernen". Hierzu ist aus dem Unterricht von Daniel Janssen, Autor des bei Science on Stage veröffentlichten Unterrichtsmaterials Machine Learning in der Schule, ein ganz besonderes Projekt entstanden, das nun unser Materialpaket "KI im MINT-Unterricht" um eine neue interaktive Lerneinheit ergänzt. Samuel Richter, inzwischen Informatikstudent, hat es im Rahmen seines Abiturs am Gymnasium Dionysianum in Rheine (NRW) als besondere Lernleistung entwickelt und Science on Stage zur Veröffentlichung zur Verfügung gestellt. 

Am Beispiel einer Goldsuche in einer zweidimensionalen Gitterwelt bietet die Einheit "Bestärkendes Lernen" eine problematisierende Einführung in das Thema, einige vorbereitende Aufgaben sowie eine interaktive Simulation, mit der das Prinzip des bestärkenden Lernens erkundet und nachvollzogen werden kann. Die Unterrichtssequenz ist für Schüler*innen ab 14 Jahren geeignet und lässt sich kompakt in 1 bis 2 Doppelstunden einsetzen. 

Wir haben Samuel Richter zu den Hintergründen des Projekts befragt.

Wie ist die Idee zu dieser Lerneinheit entstanden?

Schon länger faszinierte mich die künstliche Intelligenz, die nicht nur Daten auswertet, sondern mittels bestärkenden Lernens eigenständig durch Ausprobieren und Erfahrungen dazulernt – ganz ähnlich wie wir Menschen. Gerade weil dieses Thema schnell sehr abstrakt und unzugänglich wird, wollte ich einen geführten und leicht verständlichen Einstieg schaffen. So entstand die Idee, eine Web-Applikation zu entwickeln, die direkt im Browser läuft und so jeder Schülerin und jedem Schüler einen einfachen und direkten Zugang zu der Lernsoftware ermöglicht.

Was war dir an dem Projekt besonders wichtig?

Das Wichtigste für mich war, einen tieferen Einblick in die Algorithmen und Prozesse des bestärkenden Lernens zu schaffen. Es sollte eine übersichtliche und intuitive grafische Oberfläche entwickelt werden. Diese sollte so gestaltet sein, dass es auf den ersten Blick möglich ist nachzuvollziehen, wie die Algorithmen ablaufen und wie sich verschiedene Aspekte während des Lernprozesses verändern und verhalten. So ist zum Beispiel jeder Schritt einzeln ausführbar, sodass die Schülerin oder der Schüler genug Zeit hat, die Vorgänge nachzuvollziehen.

Welche Herausforderungen sind dir dabei begegnet?

Eine der schwersten Aufgaben war es, eine passende Simulationsumgebung und Aufgabe für die künstliche Intelligenz zu wählen. Diese durften einerseits nicht zu komplex sein, sodass sich die möglichen Aktionen und Werte nicht mehr übersichtlich darstellen lassen, und mussten andererseits trotzdem noch genügend Freiraum für echte Lernfortschritte bieten.
Außerdem war die Optimierung der Lernalgorithmen eine große Herausforderung. Der Lernprozess mittels neuronalen Netzes im Kontext des bestärkenden Lernens ist ein eher instabiles Verfahren, weshalb dieser mithilfe verschiedener Algorithmen stabilisiert werden musste, um ein zuverlässiges Lernergebnis zu erhalten.
Zusätzlich sollte die Lerneinheit möglichst schnell und effizient ausführbar sein, sodass jede Schülerin und jeder Schüler in der Lage ist die Software nutzen zu können, ohne ein leistungsstarkes Endgerät zu benötigen.

Was hast du selbst daraus für deinen schulischen und außerschulischen Lernweg mitgenommen?

Das Projekt hat mir einen tiefen Einblick in die inneren Prozesse der künstlichen Intelligenz, neuronaler Netze sowie einzelner Algorithmen des bestärkenden Lernens gegeben. Diese werden mir auch in Zukunft helfen, die Fähigkeiten und besonders auch die Grenzen von künstlicher Intelligenz besser einschätzen zu können.
Da das Projekt innerhalb einer besonderen Lernleistung parallel zum Abitur entwickelt wurde, lernte ich, wie wichtig ein gutes Zeitmanagement sowie eine klare Priorisierung der Aufgaben ist. Mein Durchhaltevermögen wurde hierdurch trainiert und bestärkt. Die erfolgreiche Umsetzung des Projekts (und das überaus positive Feedback) motivieren mich, in Zukunft weitere noch größere Projekte anzugehen und umzusetzen.

Wir danken Samuel Richter sehr herzlich für die Bereitstellung und wünschen ihm für seinen weiteren Weg alles Gute!