Künstliche Intelligenz im MINT-Unterricht: Chancen und Herausforderungen

Erinnerst Du Dich noch an deine erste Unterrichtsstunde mit ChatGPT? 

Patrick Bronner: Aber sicher! Es war Anfang Dezember 2022 – voller Begeisterung habe ich meinen Schüler*innen im Physikunterricht die Möglichkeiten mit dem Chat Bot über mein Lehrer-Tablet vorgeführt: Nach ersten spielerischen Annäherungen haben wir uns passend zum Unterrichtsthema die drei Newtonschen Axiome per ChatGPT erklären lassen: Zuerst auf Grundschulniveau, dann auf Mittelstufenniveau und schließlich quantitativ mit Formeln. Die Qualität der Antworten hat uns alle überrascht. 

Unzufrieden war ich allerdings mit dem lehrerzentrierten Einsatz des KI-Tools im Unterricht: Mein Ziel war es, dass die Schüler*innen sich das Wissen z.B. zu den Newtonschen Axiomen selbstständig auf ihrem eignen Schüler-Tablet erarbeiten und dazu das differenzierte Erklärungspotenzial des Chatbots personalisiert nutzen.

Warum hast Du Deine Schüler*innen nicht gleich mit ChatGPT arbeiten lassen?

Patrick Bronner: Aufgrund des Datenschutzes darf ich die Schüler*innen nicht verpflichten, ihren oft bereits vorhandenen privaten ChatGPT-Account im Unterricht einzusetzen. Seit März 2023 gibt es über Softwareanbieter wie z.B. fobizz oder GPTschule die Möglichkeit, amerikanische KI-Tools über eine API-Schnittstelle datenschutzkonform im Unterricht einzusetzen. Als Lehrkraft logge ich mich in das jeweilige Webportal ein und eröffne einen virtuellen Klassenraum mit temporären Schüleraccounts. Die Lernenden scannen mit ihrem schulischen Endgerät den Zugangslink über den QR-Code und haben Zugriff auf die von der Lehrkraft freigegebenen KI-Tools.

Ist der Einsatz von KI im Unterricht in Baden-Württemberg erlaubt?

Patrick Bronner: Der aktive Einsatz von KI-Tools  wird seit Anfang Februar 2023 vom Kultusministerium Baden-Württemberg gefordert: „Künstliche Intelligenz muss aktiv im Schulunterricht behandelt werden, da die Schülerinnen und Schüler lernen müssen, mit dieser neuen Technologie umzugehen […]. Es ist auch essenziell, sie darüber aufzuklären, welche Gefahren, aber auch welche Chancen und Vorteile künstliche Intelligenz bietet. […] Zudem werden Text-KI-Tools von Lehrkräften als methodisch-didaktische Werkzeuge verwendet.“ (Quelle: km-bw.de, Abruf: 10.02.23).

Meine Hoffnung ist, dass die Bundesländer möglichst bald alle Lehrenden und Lernenden mit datenschutzkonformen KI-Accounts ausstatten und es in absehbarer Zeit zu einer europäischen KI-Lösung kommt.

Wie hast Du KI-Tools in Deinem MINT-Unterricht auf Seiten der Lernenden eingesetzt?

Patrick Bronner:

Zunächst habe ich die Eltern meiner Klassen über die DSGVO-konforme Nutzung von KI-Tools auf den schuleigenen Tablets informiert. 

Im Mathematikunterricht der Klasse 7b haben sich die Schüler*innen die Division von Brüchen (Thema der 6. Klasse) von ChatGPT erklären lassen und anschließend den erzeugten Text fachlich bewertet (Bild 1). Ein wichtiges Unterrichtsziel war dabei, dass die Schüler*innen lernen, Prompt-Antworten kritisch zu reflektieren und ihre Rechercheergebnisse mit ihrem eigenen Wissen und ggf. mit Hilfe anderer Quellen zu überprüfen. Danach sollten sich die Schüler*innen drei Mathematikaufgaben zum Thema erstellen lassen – und die Lösung analog im Heft berechnen. Anschließend wurde ChatGPT um eine ausführliche Musterlösung der drei Aufgaben gebeten, wobei die Rechenwege zwischen Heft und Chatbot verglichen werden sollten (Bild 2). 

Im Physikunterricht der Klasse 10a sollten sich die Schüler*innen von ChatGPT eine Methode beschreiben lassen, um die Höhe einer Schlucht aus einem Filmausschnitt von „Peppa Wutz“ zu bestimmen. Da der ChatBot ausschließlich mit Texten arbeitet, geht es hier vor allem um naturwissenschaftliches Textverständnis und die Bewertung der Inhalte. Die größte Herausforderung bei dieser Aufgabe besteht darin, im Dialog mit ChatGPT die zum Film passende experimentelle Messmethode über den entsprechenden Prompt herauszuarbeiten (Bild 3).

Hast Du in deinem Unterricht immer nur Text-Tools wie ChatGPT eingesetzt?

Patrick Bronner: Neben ChatGPT habe ich in beiden Klassen auch mathematische KI-Apps wie „PhotoMath“ als Lernunterstützung thematisiert. Dabei war es mir wichtig, immer wieder zu betonen, dass KI-Tools weniger als „(Haus-) Aufgabenlöser“, sondern vielmehr als Lernhelfer gesehen und sinnvoll eingesetzt werden sollten. Andere KI-Tools wie z. B. zur Bild- oder Videogenerierung wurden von mir bisher noch nicht eingesetzt, da mir hier der fachliche Bezug zu meinen Unterrichtsfächern Mathematik und Physik fehlt. 

Wie lernen deine Schüler*innen, die Antworten von KI-Tools kritisch zu hinterfragen?

Patrick Bronner: Die Chancen und Risiken von KI-Tools sollten von allen Lehrer*innen sowohl fachsystematisch als auch allgemein thematisiert werden. In den MINT-Fächern stößt man in der Mittelstufe eher weniger an die fachlichen Grenzen von KI. Dafür eignen sich vor allem die geisteswissenschaftlichen Fächer, um z. B. im Fach Religion die Grenzen der Urteilsfähigkeit zu thematisieren oder im Fach Gemeinschaftskunde den Faktengehalt einer politischen Aussage zu überprüfen.

Im Fach Mathematik haben sich meine Schüler*innen trotzdem mit den Chancen und Risiken von ChatGPT z. B. zur Unterstützung bei der Bearbeitung von Hausaufgaben beschäftigt.
Für die Diskussion habe ich die Schüler*innen in Partner-Teams aufgeteilt. Jede Gruppe erhielt dabei eine Diskussionskarte mit einer bestimmten Fragestellung. Die Beantwortung und die Diskussion mit den anderen Gruppen erfolgte auf einer digitalen, datenschutzkonformen Kollaborationsplattform (Bild 4). 

Im digitalen Board sollte jede Gruppe unter a) die Frage zunächst selbst beantworten. Unter b) sollte eine von ChatGPT generierte Antwort eingefügt werden. Unter c) konnte die nachfolgende Partnergruppe die Antworten der Gruppe (a) mit den Antworten von ChatGPT (b) vergleichen. Ergebnisse der Schüler*innen: http://bit.ly/40h2BZi. Danke an die Klasse 10a für die Genehmigung zur anonymen Veröffentlichung!

Wie hast Du die Unterrichtseinheit im Fach Mathematik abgeschlossen?

Patrick Bronner: Zum Abschluss der Einheit wurde mit den Schüler*innen die Frage diskutiert, warum sie eigentlich noch lernen sollen, wenn es die Maschine sowieso besser kann? Grundlage der Diskussion war eine CC-Grafik von Beat Döbeli Honegger (Bild 5). Es zeigten sich deutliche Unterschiede und Argumentationen zwischen den Antworten der 7. und 10. Klasse.

Kann der Einsatz von KI-Tools dazu beitragen, dass Schüler*innen besser auf die Berufs- und Arbeitswelt 4.0 vorbereitet werden?

Patrick Bronner: Zunächst darf die schulische Bildung nicht für Zwecke der Berufs- und Arbeitswelt 4.0 instrumentalisiert werden. Auch im digitalen Zeitalter muss das Bildungsziel am Gymnasium die umfassende Persönlichkeitsentwicklung der Schüler*innen zu selbstständigen, kritikfähigen, wertebewussten, verantwortungsvollen und medienmündigen jungen Menschen bleiben. Nichtsdestotrotz müssen KI-Tools insbesondere zur Förderung der Medienmündigkeit ein selbstverständlicher Bestandteil der Lern- und Prüfungskultur an Schulen werden.

Prüfungskultur – Abitur mit ChatGPT? Das ist doch unrealistisch!

Patrick Bronner: Eine schöne Analogie ist die Verwendung des Taschenrechners: 1978 war er im Unterricht strikt verboten. Im Jahr 1983 wurde das Gerät in Baden-Württemberg erstmals im Abitur zugelassen. Heute ist der Taschenrechner aus der Lern- und Prüfungskultur an Schulen nicht mehr wegzudenken. Trotz vielfacher Bedenken hat der Einsatz des Taschenrechners bisher nicht zu einem Ende des mathematischen Denkens geführt, sondern vor allem zu kognitiv anspruchsvolleren und kompetenzorientierten Aufgabenstellungen.

Ebenso wird der Einsatz von KI-Textwerkzeugen nicht das Ende des Schreibens als Kulturtechnik bedeuten. ChatGPT kann als Inspirationsmaschine genutzt werden, um das leere Blatt Papier mit Stichpunkten, einer Gliederung oder Textbausteinen zu füllen. Dies ermöglicht einen neuen Zugang zum produktiven Schreiben im Unterricht und damit auch in Prüfungen. Grundlage für die damit verbundene höhere Kompetenzstufe ist ein fundiertes semantisches und fachliches Wissen, das zunächst im Unterricht erarbeitet werden muss.

Es ist somit davon auszugehen, dass es in einigen Jahren – ähnlich wie in Mathematik – auch im Fach Deutsch einen hilfsmittelfreien Teil und einen Prüfungsteil mit Chatbots in der Abiturprüfung geben wird.

Welche Möglichkeiten bieten KI-basierte Lernplattformen im MINT-Unterricht?

Patrick Bronner: In Lernplattformen kann künstliche Intelligenz bereits zum jetzigen Zeitpunkt zur Personalisierung, Adaptivität, Lernprozessdiagnostik und Automatisierung eingesetzt werden können. 

Ein Beispiel ist die deutsche Lernplattform Studyly für das Fach Mathematik. In der Plattform werden Aufgaben zu einem vom Lehrer vorgegebenen mathematischen Thema mithilfe von künstlicher Intelligenz an die individuellen Bedürfnisse und Fähigkeiten der einzelnen Schüler*innen angepasst. 

Ein weiteres Beispiel außerhalb des MINT-Bereichs ist die deutsche Webportal PEER für das Fach Deutsch. Auf der Plattform werden die Schüler*innen beim Verfassen von Aufsätzen unterstützt: Sie erhalten unmittelbar nach Eingabe ihres Textes ein personalisiertes Feedback mit Verbesserungsvorschlägen.

Wichtig ist, dass die genannten KI-basierten Lernplattformen keine universelle Lösung für alle Lernbedürfnisse darstellen: So geht es z. B. bei der Mathematik-Lernplattform meist nur um das Einüben und automatisierte Abfragen von kleinschrittigem Reproduktionswissen. Zudem kommt es bei der digitalen Eingabe einer Lösung wenig auf die formal korrekte Darstellung und Begründung des Rechenweges an, sondern meist nur auf die Nennung des einen richtigen Ergebnisses. Solche Plattformen eigenen sich deshalb nur zum zeitlich begrenzten Einsatz. 

Lernen braucht auch im digitalen Zeitalter eine gute Mischung aus bewährten analogen Materialien / Methoden und den neuen digitalen Möglichkeiten. Digitale und traditionelle Zugänge sollten sich im Unterricht nicht ausschließen, sondern ergänzen. Ziel sind fließende Übergänge, z.B. zwischen dem Einsatz von KI-Tools und den etablierten analogen Lehr- und Lernmethoden. 

Was sind deine Tipps für Lehrer*innen und Schulen, die sich mit KI im Unterricht auseinandersetzen möchten?

Patrick Bronner:  Ermutigt euer Schulleitungsteam, einen pädagogischen (Halb-)Tag zum Thema Künstliche Intelligenz zu organisieren. 

Nach einem Impulsreferat können z. B. in fachspezifischen Workshops die Chancen und Risiken des Einsatzes von KI diskutiert werden. Auch die Veränderung der Aufgaben-, Lern- und Prüfungskultur sollte in die Diskussion einbezogen werden. Die Ergebnissicherung auf Postern (Abb. 6) und ein anschließender Rundgang durch die Poster-Galerie in der Aula mit Kaffee und Kuchen bringt das gesamte Kollegium in Kontakt.

Neben der fachspezifischen Nutzung sollte ein solcher pädagogischer Tag auch die Entwicklung eines schulischen Gesamtkonzepts zum Umgang mit KI zum Inhalt haben. Für die Diskussion eignen sich die drei Perspektiven des Dagstuhl-Dreiecks (Abb. 7): 

1. Technologische Perspektive: Wie funktioniert KI? 
2. Soziokulturelle Perspektive: Wie wirkt sich KI auf unsere Gesellschaft aus? 
3. Anwendungsperspektive: Wie nutze ich KI-Werkzeuge?

Das langfristige Ziel sollte sein, dass der kompetenzorientierte Einsatz von digitalen Medien und KI-Tools von Lehrer*innen nicht als Herausforderung gesehen wird, sondern zu einem selbstverständlichen Teil eines zeitgemäßen Unterrichts wird.