V5 Künstliche Intelligenz (KI/AI)

„Können Maschinen denken?“, „Sind Menschen Maschinen?“, „Ist künstliches Leben möglich?“ sind grundlegende Fragen, die Menschen schon immer interessiert haben. In diesem Vertiefungsgebiet können solche Fragen auf dem Hintergrund der Ergebnisse der Forschung zur künstlichen Intelligenz (KI) und zum künstlichen Leben (KL) reflektiert werden. KI/KL ist ein wichtiges Teilgebiet der Informatik, deren Vertreter in den letzten Jahrzehnten häufig durch übertriebene Ankündigungen und Fehlschläge in der praktischen Umsetzung auf sich aufmerksam gemacht haben. Trotzdem finden sich Forschungsergebnisse aus KI/KL schon heute in vielen Systemen wieder: sprachverarbeitende Computer („Chatbots“), Expertensysteme z. B. in der Medizin, fußballspielende Roboter, neuronale Netze zur Mustererkennung usw.

Weitere interessante Themen im Bereich KI/KL sind möglich und sinnvoll, z. B.

Viren, Würmer und andere „Lebewesen“ in Computern und Netzen
Evolution und Selbstreproduktion im Computer
Künstliches Leben und Robotik
Computer und Gehirn: Von-Neumann-Rechner vs. Neuronales Netz

Themen aus dem Gebiet KI/KL haben zahlreiche Verbindungen zum Unterricht anderer Fächer (Biologie, insbes. Hirnforschung und Bioinformatik, Religion und Ethik, Literatur und Sprachwissenschaft) und bieten sich daher in besonderer Weise für fächerübergreifenden und fächerverbindenden Unterricht, z.B. in einem Seminarkurs, an.

Künstliche Intelligenz | Chatbots (Quelle: mebis)
Eine umfassende Darstellung der Entwicklung der Chatbots von Eliza über Alice bis hin zu ChatGPT
Online-Angebote des KI-Campus - Auswahl (Quelle: Ki-Campus)
- Einführung in die KI
  Unkomplizierter Einstieg in das Thema Künstliche Intelligenz für Einsteiger (Online-Kurs). Start: jederzeit; Umfang: 40 Stunden; Lizenz: CC-BY-SA 4.0
- Schule macht KI
  Zielgruppe des Kurses sind Lehramtsstudierende und Lehrkräfte. Der Kurs ist so aufgebaut, dass nach dem Kurs das Thema KI in der Sekundarstufe I und II unterrichtet werden kann.
  Start: jederzeit; Umfang: 4 Module à 60 Minuten; Lizenz: CC-BY-SA 4.0
- Schule macht Daten
  Das Vorhaben “Schule macht Daten” richtet sich an Lehramtsstudierende und Lehrende der Sekundarstufe I & II und ist fächerübergreifend angelegt, wobei der Fokus insbesondere auf meinungsbildenden und gesellschaftswissenschaftlichen Fächern liegt. Dabei ist ein naturwissenschaftliches-informatisches Grundlagenverständnis notwendig. Dieses Grundlagenwissen wird im ersten Modul des Online-Kurses aufgebaut. Darüber hinaus eignet sich der Online-Kurs im Sinne eines lebenslangen Lernens auch für Personen, die sich bereits in der Lehre befinden sowie für allgemein Interessierte an der Thematik KI und Daten.
  Start: jederzeit; Umfang: 4 Module à 60-80 Minuten; Lizenz: CC-BY-SA 4.0
- KI und Ziele für Nachhaltige Entwicklung
  Der Kurs richtet sich an Lehramtsstudierende und Lehrkräfte. Nach Abschluss des Kurses kann das Thema KI und Nachhaltigkeit in der Sek I und II unterrichtet werden.
  Start: jederzeit; Umfang: 4 Module à 60 Minuten; Lizenz: CC-BY-NC-SA 4.0
Programmieren mit KI im Informatikunterricht(WorkShop von Alexander Dietz und Alexander Schindler)
In diesem Workshop werden die theoretischen Grundlagen von künstlichen neuronalen Netzen erläutert. Dabei werden vorgefertigte Anwendungen (z. B. Google Teachable Machine) genutzt, mit vorhandenen Plattformen (z. B. Cognimates) programmiert und eigene kleine neuronale Netze entwickelt (z. B. mit TensorFlow). Anhand praktischer Beispiele wird das Thema KI für Schüler/-innen zugänglich machen und es ihnen so ermöglichen, KI selbst einzusetzen und auch Nutzen und Risiken dieser Technik abzuschätzen. Als Programmiersprache wird Python verwendet. Vorkenntnisse sind hilfreich, aber nicht notwendig.
Künstliche Intelligenz- Eine Einführung für den Schulunterricht mit Programmbeispielen. (Link zur Seite von Walter Stein)
Walter Stein hat dieses Buch unter Mitwirkung von Lena Maxine Lenkeit verfasst und stellt es unter der Lizenz (Creative Commons Namensnennung – Nicht-kommerziell – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 Deutschland Lizenz) zum freien Download als PDF zur Verfügung. 45 Seiten mit zahlreichen Links. Als Lehrer oder Schüler können Sie dieses Buch privat und für den Unterricht kostenlos nutzen.
Machine Learning in der Schule - Unterrichtsmaterial
Eine praxisorientierte Einführung in künstliche neuronale Netze, Gesichtserkennung und Co.
In „Machine Learning in der Schule“ lernen Jugendliche einfache Modelle künstlicher neuronaler Netze kennen und mit dem Modellierungswerkzeug MemBrain zu konstruieren. Anschließend entwerfen sie ein Gesichtsmodell, das sie per Lernalgorithmus darauf trainieren, Gesichter wiederzuerkennen.
Die Unterrichtseinheit aus der science-on-stage-Reihe ist für den Informatikunterricht der Mittel- und Oberstufe geeignet.
Die Broschüre kann kostenlos als PDF heruntergeladen werden.
„Machine Learning in der Schule“ ist in Kooperation mit der Vector Stiftung entstanden.
Mit der verwendeten Software MemBrain lassen sich künstliche neuronale Netze am Bildschirm nachbauen und simulieren. Für nicht-kommerzielle Zwecke ist die Software kostenlos. Sie lässt sich allerdings nur auf einem Windows-Betriebssystem installieren.
Plattform Lernende Systeme (Link zur Webseite)
Die Plattform Lernende Systeme ist ein vom BMBF initiiertes und bei acatech (Deutsche Akademie der Technikwissenschaften) angesiedeltes bundesweites ExpertInnen-Netzwerk zum Thema KI mit knapp 200 hochrangigen und ehrenamtlich tätigen Mitgliedern aus Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft. Ziel der Plattform ist es, den interdisziplinären Austausch sowie den gesellschaftlichen Dialog zu Entwicklung und Einsatz von KI-Systemen zu fördern. Dies erfolgt über die Erstellung von Publikationen zu Chancen und Herausforderungen von KI (Zielgruppe: Fachöffentlichkeit) sowie anschaulichen Formaten, die das komplexe Thema KI für eine breite Öffentlichkeit verständlich machen wollen.
Aktuelle Materialien sind u.a.:
- Video-Tutorials zu den Grundlagen des maschinellen Lernens: „So lernen Maschinen“
  Acht Clips à ca. fünf Minuten, Inhalte anschaulich erklärt von Studierenden (supervidiert von ihrem Informatik-Professor)
- Erklärfilm „Eine kurze Geschichte der Künstlichen Intelligenz“ (Link zum youtube-Kanal)
  Scribblefilm zur Entwicklung der KI von ihren Anfängen bis heute (Dauer: ca. 6 Minuten)
- Die von ExpertInnen der Plattform Lernende Systeme entwickelten interaktiven KI-Anwendungsszenarien. Sie zeigen auf, was in den kommenden Jahren technisch möglich ist und welche Herausforderungen für die Realisierung ganzheitlicher Lösungen zu bewältigen sind. Veröffentlicht wurden bislang u.a. folgende Anwendungsszenarien:
Künstliche Intelligenz mit scratch (Link zum scratch-Wiki)
Künstliche Intelligenz (kurz KI, oder auf englisch AI für Artificial Intelligence) beschreibt ein Programm in einem Projekt, das dynamisch und eigenständig auf Probleme reagieren kann.
Quiz: Künstliche Intelligenz - Was kann KI? (Quelle: Süddeutsche Zeitung)
Was wissen Sie zum Thema "künstliche Intelligenz"? Zusammen mit der Plattform Lernende Systeme können Sie jetzt Ihr Wissen testen.
Weitere Informationen zur KI im Material von Jürgen Frank (ehemals WvS)

Literaturempfehlung

Künstliche Intelligenz in der Schule (Link zur PDF-Datei), Vorlesung an der Technischen Universität Chemnitz, Wintersemester 2004/2005, Prof. Dr. Werner Dilger
Maren Franziska Kuschay: „Können Computer denken?“ Ein handlungsorientiertes InfoSphereModul zum Thema künstliche Intelligenz. Staatsexamensarbeit. 2013. (Link zur PDF-Datei)
Chatbots. Teil 1: Einführung in eine Unterrichtsreihe zu ,,Informatik im Kontext“ (IniK) von Helmut Witten und Malte Hornung. (Link zur PDF-Datei)

Möglicher Unterrichtsverlauf

Im Folgenden wird exemplarisch ein Unterrichtsgang beschrieben, der sich auf ein Problem der „klassischen“ KI konzentriert: die „Unterhaltung“ mit einem Computer. Diese Idee ist Grundlage des Turing-Tests zur Definition von Maschinen-Intelligenz. Da heutzutage die meisten Anrufe bei Firmen durch „Chatbots“ beantwortet werden ist dieses Thema aber nicht nur von philosophischem sondern auch von praktischem Interesse.

Künstliche Intelligenz (KI)
Vorschläge für Schwerpunktvorhaben: Was sind und wie arbeiten Chatbots? Möglichkeiten und Grenzen maschineller Sprachverarbeitung Der Turing-Test
Fachinhalte	Kompetenzen	Vernetzungen
ELIZA von J. Weizenbaum
Analyse des Programms ELIZA als sprachverarbeitendes System. (ELIZA online in einer Python-Implementierung vom Heise-Verlag) oder bei med-ai ebenfalls online in deutsch	Pattern-Matching als grundlegendes Prinzip von ELIZA erkennen Syntax und Semantik unterscheiden Wirkungsgeschichte des Eliza-Programms kennen Einfache eigene Skripte erstellen	Beschreibung der „Wissensbasis“ (Skript) von ELIZA durch formale Sprache Probleme bei der Generierung grammatikalisch korrekter Antworten (Deutsch)
Der Turing-Test
Der Turing-Test als Möglichkeit zur Definition von künstlicher Intelligenz	Die Definition des Turing-Tests kennen und beurteilen Grundlegende Kritik an der Intelligenz-Definition von Turing durchdenken (z. B. das „chinesische Zimmer“) Aufklärung über praktische Probleme bei der automatischen Sprachverarbeitung verschaffen (z. B. „allgemeines Hintergrundwissen“)	Leib-Seele-Problem (Philosophie)
Maschinelle Sprachverarbeitung
Künstliche Intelligenz im Informatikunterricht -Unterrichtseinheit Chatbots- Klassenstufe 9/10 von Helmut Witten & Malte Hornung (PDF-Datei)	Experimente mit aktuellen Chatbots durchführen Die Wissensbasis der Chatbots einschätzen und ggf. erweitern	Loebner-Preis für Programme, die den Turing-Test möglichst gut erfüllen (Link zur PDF-Datei auf dem BSCW Untersuchungen z. B. zu ALICE (mehrfache Gewinnerin des Loebner-Preises) und der dabei verwendeten Sprache AIML

Linkliste:

Die Materialien aus Fortbildungen von H. Witten befanden bis zu dessen Auflösung auf dem auf dem BSCW-Server (Link der Vollständigkeit halber - evtl Suche über Internet-Archiv).
unterrichtsbegleitendes Material 2008/2009 (in Ausarbeitung)