KI-Algorithmen im Informatik-Unterricht

Ulrich Trottenberg und Bernhard Thomas

Das Schulministerium NRW fördert seit dem 01.07.2021 das Projekt

KI-Algorithmen im Informatik-Unterricht – mit praktischem Einsatz auf der Open Roberta Plattform und in der Robotik.

Projektparter sind:

- die Universität zu Köln, mit dem Institut für Mathematikdidaktik und dem Department Mathematik/Informatik,

- das Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS sowie

- die InterScience-Akademie für Algorithmik GmbH.

Ein übergeordnetes Ziel des Projekts ist die Schaffung grundlegenden Verständnisses für algorithmische Prinzipien im Rahmen der Digitalen Bildung in NRW. Die Schülerinnen und Schüler sollen die fundamentale Bedeutung der Algorithmik für alle digitalen Prozesse erkennen: Algorithmen liegen allen Computerprogrammen zugrunde, steuern Netze und die beteiligten Agenten und sie verarbeiten und analysieren Daten aus den unterschiedlichsten Quellen.

Das Projekt geht auf die von Ulrich Trottenberg initiierte Aktion „Algorithmen im Schulunterricht“ der InterScience-Akademie für Algorithmik GmbH (bis 2019 InterScience GmbH) und das gleichnamige Seminar für Lehramtsstudierende zurück. Dieses Seminar, das seit mehr als 10 Jahren an der Universität zu Köln stattfindet, wird auch im Projekt eine wesentliche Rolle spielen.

Das Projekt entwickelt die Grundlagen für eine didaktisch aufbereitete Vermittlung von Fähigkeiten zur aktiven Gestaltung und Anwendung moderner Algorithmen für das aktuelle Schwerpunktthemas der Künstlichen Intelligenz. Es umfasst die dazu erforderlichen Informatik-Konzepte, Verfahrens- und Anwendungskenntnisse und, soweit möglich, einfache Plug&Play Programmiererfahrung. Dabei beschränkt sich der Unterricht nicht auf diese technisch-inhaltlichen KI-Aspekte - ein essentielles Unterrichtsziel ist immer auch der Erwerb von Bewertungskompetenz für die einschlägigen Algorithmen und deren Anwendungen, d.h. der Fähigkeit zu einer adäquaten Einschätzung ihrer Chancen und Risiken, sowie für die ethischen Aspekte KI-algorithmischer Entwicklungen.

Ausgangspunkt der Projektentwicklung sind die informatischen Lehrinhalte für die Schülerinnen und Schüler der Klassen 5 und 6 im Rahmen des mit Schuljahr 2021/22 in NRW eingeführten Pflichtfachs Informatik. Die hierbei vorgesehenen, elementaren KI-Methoden werden so ausgewählt und spezifiziert, dass sie im Schuleinsatz dem (mathematischen und informatischen) Wissensstand der Schülerinnen und Schüler nach Jahrgangsstufe und Schulform entsprechen.

Eine Besonderheit der Projekt-Zielsetzung ist der altersgemäße, spielerische Einstieg in die KI-algorithmische Praxis durch die intuitive Umsetzung von einfachen Methoden des Maschinellen Lernens. Die grafische „Plug&Play“ Programmier-Plattform Open Roberta Lab ermöglicht idealerweise die Gestaltung und Veränderungen von Künstlichen Neuronalen Netzen (KNN) zur Steuerung von einfachen Fahrzeugen und damit die „Hands-on“-Erfahrung mit KI-eingebundenen (realen und virtuellen) Robotern und Mikrocontrollern (Embedded Devices).

Die Zielsetzung der Landesregierung, das Pflichtfach Informatik in allen Schulformen der Klassen 5 und 6 einzuführen, wird im Projekt durch die Beteiligung des Instituts für Mathematikdidaktik (IMD) sichergestellt. Das Institut widmet sich mit seinem mathematisch-informatischen Schwerpunkt insbesondere den nicht-gymnasialen Lehrämtern und erarbeitet Materialien zur Erschließung von KI-algorithmischen Inhalten, insbesondere auch für Schülerinnen und Schülern mit besonderen Lernbedarfen.

 

Zu den formalen Aspekten der Projektbewilligung:

Der bereits in 2020 dem Ministerium vorgelegte Projektantrag wurde in der (endgültigen) Fassung schließlich im Juli 2021 mit einer Laufzeit vom 01.7.2021 bis 31.12.2022 bewilligt.

Relativ zu den weitgehenden, höchst innovativen Zielen des Projekts hält sich der finanzielle Rahmen der Förderung mit ca. 300T€/Jahr sehr in Grenzen.

Dass der Projektstart erst zum 01.07.2021 erfolgt ist, hängt mit unklaren, rein ministerial-bürokratischen Prozeduren zusammen. Obwohl die Projektinitiative und die Ausarbeitung Projektantrags durch eine persönliche Anfrage des zuständigen Staatssekretärs bei der InterScience-Akademie für Algorithmik GmbH bereits Ende 2019 angeregt worden war, stellte sich erst in der Schlussphase der Diskussionen mit den zuständigen Referaten heraus, dass das Schulministerium aus haftungs- und vergaberechlichen Gründen endgültig keine Möglichkeit sieht, die – vom Ministerium ausdrücklich erwünschten - Arbeiten der InterScience-Akademie für Algorithmik GmbH (ISAfA) finanziell zu unterstützen. Dabei hatte die ISAfA GmbH von Beginn der Diskussionen an verbindlich erklärt, im Rahmen des Projekts vollständig gemeinnützig zu agieren und mit dem Projekt keinerlei Gewinnerzielungsabsicht zu verbinden. Erst nachdem die Initiatoren des Projekts, die Geschäftsführer der ISAfA, erklärt hatten, für ihre Beiträge zum Projekt Arbeiten auf eine finanzielle Förderung vollständig zu verzichten, konnte das Projekt kurzfristig bewilligt werden.

Aus Sicht der Initiatoren des Projekts liegt hier ein struktureller ministerial-bürokratischer Mangel vor, der kurzfristig ausgeräumt werden muss, um in der Digitalen Bildung nicht noch weiter zurückzufallen.