Post on 26-Jul-2020
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?
3 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
TEIL I
4 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Quelle: fdpbt.de/digitalisierungsmonitor
5 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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.
Quelle: fdpbt.de/digitalisierungsmonitor
6 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Digitalisierungsmonitor 2018
Lehrerinnen und Lehrer sind nicht genügend auf digitale Lehr- und Lernmethoden vorbereitet
Quelle: fdpbt.de/digitalisierungsmonitor
7 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Digitalisierungsmonitor 2018
Lehrerinnen und Lehrer sind nicht genügend auf digitale Lehr- und Lernmethoden vorbereitet
Quelle: fdpbt.de/digitalisierungsmonitor
8 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
„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
9 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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)
10 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Gegenüber der Effektivität neuer digitaler Lehr- und Lernmethoden gehen die Meinungen auseinander
Digitalisierungsmonitor 2018
Quelle: fdpbt.de/digitalisierungsmonitor
11 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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
12 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Digitale Medien in der Schule
Digitale Medien können die Belastung beim Erlernen von Inhalten in einzelnen Sinneskanälen reduzieren. Ein Beispiel: Augmented reality Brille
©Microsoft
13 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Digitale Medien in der Schule
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.
14 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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)
15 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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
16 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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
17 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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
18 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Quelle: fdpbt.de/digitalisierungsmonitor
19 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
„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)
Fazit
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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
21 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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
22 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Gelungene Praxisbeispiele
Dynamische Geometriesoftware GeoGebra
Ergänzung zu traditionellem Unterricht, Exploration Niedrigeschwellig Einfacher Einstieg zur eigenen Materialentwicklung
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Gelungene Praxisbeispiele
Physikunterricht mit mobiler Messwerterfassung (Smartphones)
2
2
2 1
42
m10,25 0,52
s²
l lT g
g t t
n
g
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Gelungene Praxisbeispiele
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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
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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
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Lehrkraftkompetenzen
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Tablets in der Schule
Wichtige Schritte
Konzept:
Warum wollen Sie Tablets einsetzen und welche Ziele wollen Sie erreichen?
Technische Voraussetzungen:
WLAN
Finanzierung?
Schülereltern, durch Schule / Förderverein, BYOD, Pilotprojekten
Entscheidung für Betriebssystem und Gerät
Fortbildung für Lehrkräfte
Aufbewahrung
Einführung mit Schülerinnen und Schülern
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30 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
TEIL II
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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
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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
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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
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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
35 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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)
Künstliche Intelligenz
36 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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 (AlphaGo, AlphaGo Zero, AlphaZero)
Künstliche Intelligenz
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)
37 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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)
... verstehen sprachliche Inhalte (ob gesprochen oder geschrieben), können Sprache übersetzen und Dialoge führen. Beispiel: Google Duplex
Künstliche Intelligenz
38 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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)
... 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
Künstliche Intelligenz
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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
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iQL
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
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iQL
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iQL
E4 Wristband
Infrarot-Kamera
Drucksensor
Surface Studio Webcam (integriert)
freiwilliger Teilnehmer
Eyetracker
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Schlüsseltechnologie Eye Tracking
Große Datenmengen über die Aufmerksamkeit von Nutzern, Kunden, Lernenden.
44 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Schlüsseltechnologie Eye Tracking
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
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Schlüsseltechnologie Eye Tracking
46 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Blickdaten auf dem Dokument
Fixationspunkte und Sakkaden
Blickdaten Heatmap Blickdaten der Szenenkamera
Eingabe Ausgabe
Schlüsseltechnologie Eye Tracking
47 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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
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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
49 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Prädiktion von Sicherheit
Messbare Indikatoren der Blickbewegung stehen in Zusammenhang mit
der Antwortsicherheit des Testteilnehmers
Richtige / Falsche Antwort bei hoher / niedriger Sicherheit ?
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HyperMind
Das antizipierende Schulbuch
Sensoren analysieren den kognitiven Zustand des Schülers und der Computer blendet individuelle Lernhilfen ein
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HyperMind
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HyperMind
53 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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
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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
55 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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
56 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Wirksamkeit von Unterrichtsmaterial
Definition
Strategie Diagramm
Definition
Strategie Diagramm
Mit Hilfen Ohne Hilfen
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Einsicht in kognitive Strategien
𝜑
𝜑
Häufigkeitsverteilung der Sakkadenrichtungen
(Fläche unter Kurve im Polardiagramm = 1)
58 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Interaktives Whiteboard
59 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Weitere Sensoren
Erfassung der kognitiven Belastung: Infrarotkamera
Shoya Ishimaru et al.
60 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Weitere Sensoren
Erfassung der kognitiven Belastung: Aktivitätsarmband und Drucksensor
- Herzfrequenz
- Hauttemperatur
- Hautwiderstand
- Druckverteilung beim Sitzen
©Empatica
61 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Das zukünftige iQL
62 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
KI in der Schule
Viele Möglichkeiten, doch wie viel verträgt die Schule?
Werden Lehrerinnen und Lehrer irgendwann von Maschinen ersetzt?
Wird Handschrift irgendwann abgeschafft?
63 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
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.
64 Schulleitertagung Berlin, 25. September 2018
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!
Jun.-Prof. Dr. Pascal Klein
pklein@physik.uni-kl.de Pascal.klein@dfki.de