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25.04.2017 | Informationssysteme | Im Fokus | Onlineartikel

Künstliche Intelligenz hilft beim Lernen

Autor:
Andreas Burkert

Das Schulbuch der Zukunft antizipiert und stellt sich auf die Intelligenz der Schüler ein. Eye-Tracking und Methoden der Künstlichen Intelligenz sollen das Lernen erleichtern. Es erkennt dabei auch die Unlust beim Lernen und reagiert darauf mit Filmsequenzen.

Nicht der Lehrer, sondern das Schulbuch selbst erkennt demnächst die Schwächen der Schüler. Das zumindest erhoffen sich Wissenschaftler vom Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) und der Technischen Universität (TU) Kaiserslautern. Im Rahmen des Projekts "Hypermind" entwickeln sie ein intelligentes Schulbuch für Tablets und Desktop-Rechner. Zum Einsatz kommt dabei eine Technik, die Blickrichtungen der Leser erkennt und analysieren soll. So wird etwa schnell klar, ob die Schüler Lerninhalte verstanden haben. Die Technik hilft dabei, sie individuell zu fördern.

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Damit kommen die Forscher dem Wunsch von Bundesbildungsministerin Johanna Wanka nach, die deutsche Schulen fit für die Digitalisierung machen möchte. Im Rahmen der Bildungsoffensive für die digitale Wissensgesellschaft geht es um neue Ideen und Konzepte, die den Schulunterricht von morgen smarter machen, beispielsweise digitale Tafeln oder Datenbrillen, die Lernstoff spielerisch vermitteln sollen. Aus diesem Grund arbeiten Forscher um Informatik-Professor Andreas Dengel und Physik-Professor Jochen Kuhn an dem intelligenten Schulbuch.

Das intelligente Schulbuch erkennt Lerndefizite

"Das Besondere ist, dass das Buch die Stärken und Schwächen der Schüler mithilfe integrierter Sensoren frühzeitig erkennt", erklärt Kuhn, der daran forscht, moderne Medien wie Tablets und Datenbrillen im Physikunterricht zu nutzen. "Es gibt auf dem Markt bereits Lerntechniken, die den Wissensstand von Schülern abfragen", weiß Kuhn. Aber hier spiele nur der Lernerfolg eine Rolle, es könne nicht getestet werden, ob jemand zum Beispiel länger als der Durchschnitt brauche, um eine Rechenaufgabe zu lösen, weil er Probleme mit mathematischen Formeln habe.

Smart Education bedeutet, dass Schüler auf motivierende Weise zu mündigen und kreativen Bürgern ihrer digitalen, vernetzten städtischen Welt ausgebildet werden. Um dies leisten zu können muss Smart Education der informatischen Bildung, das heißt der Vermittlung von grundlegenden Konzepten der Informatik, eine zentrale Rolle in der Schulbildung einräumen." Springer-Autor Alexander Repenning in seinem Kapitel zu Smart Education durch Computational Thinking im Buch Smart City (2016). 

Die Technik, die hinter dem intelligenten Schulbuch steckt, ist relativ einfach und daher auch zum Lernen im Unterricht oder zu Hause geeignet: Auf Tablets oder Bildschirmen wird der Inhalt des Buchs angezeigt. Unter dem Display ist ein Eye-Tracker angebracht. "Dieses System kann die Blickbewegungen der Leser erfassen“, erklärt Hypermind-Projektleiter Dengel, der den Lehrstuhl für Wissensbasierte Systeme an der TU 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."

Datenanalyse des antizipierenden Schulbuchs

In einem nächsten Schritt möchten die Forscher diese Daten genauer analysieren, um daraus beispielsweise Rückschlüsse auf das Lernverhalten und den Lernfortschritt zu ziehen. Dabei kommen Algorithmen der Künstlichen Intelligenz zum Einsatz. "Die Technik kann künftig helfen, frühzeitig zu erkennen, ob ein Schüler bei einem Thema zum Beispiel Unterstützung braucht, weil er es noch nicht richtig verstanden hat“, erklärt Dengel weiter. Auf der anderen Seite ermöglicht die Technik, zu sehen, wo bei einem Schüler besondere Interessen liegen. "Blickt er zum Beispiel öfter in der Folge auf ein bestimmtes Wort, könnte das System ihm weitere Informationen dazu liefern, etwa über den Internetbrowser", ergänzt Kuhn.

Das antizipierende Physikschulbuch soll also zu einem dynamisch-adaptiven persönlichen Schulbuch werden und individuelles Lernen ermöglichen. Hypermind setzt an der Mikroebene des Physikschulbuchs an, die die einzelnen Darstellungsformen, sog. Repräsentationen, eines Schulbuches – wie den Schulbuchtext mit einem gewissen Anteil an Fachbegriffen, Formeln, Diagrammen oder Bildern – enthält. Die statische Struktur des klassischen Buches wird aufgelöst. Stattdessen werden der Buchinhalte portioniert und die resultierenden Wissensbausteine assoziativ verlinkt. Zusätzlich werden die Bausteine mit multimedialen Lerninhalten ergänzt, die auf Basis von Aufmerksamkeits(blick-)daten abrufbar sind.

Geräusche, Filmsequenzen und Stresserkennung

Sowohl statische als auch dynamische, multimediale Repräsentationen – wie Geräusche, eingeblendete Bilder oder Filmsequenzen – sollen das individuelle Bearbeiten des Schulbuchinhaltes bereichern und gleichzeitig eine neue Angebot individuellen, adaptiven Lernens mit den vereinten Vorzügen verschiedener Medien bereitstellen. Die Kombination eines digitalen Schulbuchs mit Aktivitätserkennung etwa auch durch eine Smartwatch, die den Puls misst, (Erkennung von Arbeitsbelastung, Verständnisproblemen und Interesse der Schüler) bietet die Möglichkeit, dynamisch generierte Inhalte individuell für jeden Schüler und Kontext optimiert zur Verfügung zu stellen sowie Wirkungsgrad von und Nachfrage nach bestimmten Inhalten verifizieren. Zentraler Sensor für die Aktivitätserkennung ist ein Eye-Tracker zur Erfassung der Blickposition und sakkadischen Blickpfaden der Lernenden.

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