[Schule NRW 03-25]

Künstliche Neuronale Netze (KNN) sind längst Teil unseres Alltags geworden. Sie werden z.B. in der Gesichtserkennung, zum Entsperren des Smartphones, in der Sprachverarbeitung (Steuerung von Geräten via Sprachein- und -ausgabe), in der Übersetzung von Texten, in Empfehlungssystemen z.B. für Filme, Musik, Einkauf eingesetzt – also schon lange bevor ChatGPT den Begriff Künstliche Intelligenz (KI) einer breiten Öffentlichkeit bekannt gemacht hat.

©Fraunhofer IAIS

Lehrkräfte und Lernende sollen KI nicht nur anwenden, sondern die Grundprinzipien von Künstlicher Intelligenz, insbesondere von künstlichen neuronalen Netzen, auch verstehen. KI wird oft als komplexe Technologie wahrgenommen, die nur von Fachleuten verstanden und gestaltet werden kann. Dabei können Grundlagen in diesem Teilgebiet der Informatik schon in der Schule altersangemessen vermittelt werden. 

KNN werden oft als "Black Box" bezeichnet, da insbesondere bei neuronalen Netzen mit vielen Schichten die Entscheidungsfindung der Netze durch die große Anzahl der Parameter und die komplexen Zusammenhänge nicht nachvollzogen werden kann. 

Hierdurch wird suggeriert, dass man die Grundprinzipien eben nicht oder nur sehr schwer lernen kann und der Fokus darauf liegt, sich auf der Anwendungsebene auszukennen (Stichwort Prompts & Co.). Grundsätzlich ist ein KNN aber keine Black Box. Im Gegenteil: Die zugrundeliegenden Prinzipien, z.B. eines Netzes, das von links nach rechts durchlaufen wird (sogenanntes Feedforward-Netz), basieren auf den einfachen Rechenoperationen Addition, Subtraktion, Multiplikation. Dabei sind die Neuronen in verschiedenen Schichten angeordnet. Die Neuronen der ersten Schicht reagieren auf die Eingaben in das künstliche neuronale Netz. Die Ergebnisse der Rechenoperationen werden an die Neuronen der weiteren Schichten weitergeleitet. 

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Vor diesem Hintergrund hat das Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme (Fraunhofer IAIS) in dem vom Ministerium für Schule und Bildung des Landes Nordrhein-Westfalen geförderten Projekt „KI im Informatikunterricht“ eine Möglichkeit für Lehrkräfte geschaffen, die grundlegenden Elemente der KNN zu erklären, nachzuvollziehen und selbst anzuwenden. Die Integration von KNN in den Unterricht wurde mit Unterstützung von Lehrkräften des Immanuel-Kant-Gymnasiums in Heiligenhaus im Informatikunterricht erprobt und diese Erfahrungen sind in die Weiterentwicklung von Open Roberta eingeflossen.

Open Roberta xNN

Das Open Roberta Lab ist eine ideale Plattform für Lehrkräfte, um diese Grundlagen und Bausteine von KNN zu vermitteln. Durch die Integration von Künstlichen Neuronalen Netzen, wir nennen sie Open Roberta xNN – xNN steht hier für explainable Neuronal Networks – können Lehrkräfte auf einfache und vor allem interaktive Weise zeigen, wie Daten in das KNN eingegeben, verarbeitet und interpretiert werden. Diese Prinzipien können sowohl auf einer abstrakten Ebene mit reinen Zahlenwerten als auch anhand von konkreten Beispielen mit Robotern veranschaulicht werden. Für die Nutzung des Open Roberta Lab sind keine Vorkenntnisse zu Künstlicher Intelligenz oder Neuronalen Netzen erforderlich. Damit bietet sich bereits im Rahmen des verpflichtenden Informatikunterrichts in der Stufe 5/6 der Einsatz von Open Roberta xNN an. 

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Trainieren eines KNN mit Open Roberta xNN

Seit 2024 ist die KNN-Integration so erweitert worden, dass auch im Wahlpflichtunterricht Informatik der Sekundarstufe I ein vertiefender Kompetenzerwerb gemäß der neuen Kernlehrpläne für das Wahlpflichtfach Informatik mit Open Roberta Lab möglich ist. 

Denn diese Erweiterungen erlauben es Schülerinnen und Schüler nun sehr anschaulich, selbst ein KNN zu erstellen, Daten einzugeben und zu sehen, wie diese von links nach rechts durch das Netz „fließen“. Die Berechnungen können dabei direkt verfolgt werden. 

Dadurch können die Schülerinnen und Schüler selbst nachvollziehen, welche Werte bzw. Daten benötigt werden, um das Neuronale Netz so zu trainieren, dass das gewünschte Ergebnis erzielt wird, z.B. dass der Roboter lernt, einen Mindestabstand zu Objekten einzuhalten oder einer schwarzen Linie zu folgen. 

Open Roberta Lab bietet somit verschiedene Möglichkeiten, um den Einsatz von KNN eindrucksvoll zu nutzen und zu zeigen, wie ein neuronales Netz in „herkömmliche“ Programme eingebettet werden kann. 

Autor: Thorsten Leimbach, Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS

Das Ministerium für Schule und Bildung fördert die Entwicklung von KI-Lerninhalten und Materialien im Rahmen des Projekts „KI-Algorithmen im Informatikunterricht“ in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS und dem Immanuel-Kant-Gymnasium in Heiligenhaus. Der Autor Thorsten Leimbach ist Leiter der Roberta-Initiative und des Geschäftsfelds Smart Coding and Learning am Fraunhofer IAIS.

Einführende Beschreibungen zu diesen und weiteren Beispielen finden Sie auf der Webseite: www.open-roberta.org/xnn

Am 31. März 2025 findet unter der Schirmherrschaft von Ministerin Dorothee Feller an der RWTH Aachen der Informatiktag NRW statt. Der Informatiktag NRW wird durch die Fachgruppe »Informatische Bildung in NRW« der Gesellschaft für Informatik e. V. veranstaltet und bietet Informatiklehrkräften in zahlreichen Workshops zu unterrichtspraktisch relevanten Themen ein vielfältiges Programm. 

Auch die praxiserprobten Unterrichtsmaterialien des beschriebenen Projekts werden von den beteiligten Lehrkräften in einem Workshop "Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen" im Differenzierungsunterricht der Sekundarstufe I (Wahlpflichtfach Informatik) vorgestellt.

Die Unterrichtsmaterialien sind auf der Webseite der QUA-LiS NRW hinterlegt unter: https://www.schulentwicklung.nrw.de/materialdatenbank/material/view/6138 

Weitere Informationen zum Informatiktag NRW: https://indico.uni-wuppertal.de/event/364/