KIKS

KIKS ist ein MINT-Projekt zu künstlicher Intelligenz (KI) für die dritte Sekundarschulstufe. Schülerinnen und Schüler lernen KI zu verstehen, mit Möglichkeiten und Grenzen; sie lernen, wie sie darauf Einfluss nehmen können.

Die Beziehung zwischen den Spaltöffnungen (Stomata) von Pflanzen und dem Klimawandel bietet einen einzigartigen Rahmen, um mit tiefen neuronalen Netzwerken zu arbeiten. Die Programmiersprache Python ist außerdem sehr zugänglich als Werkzeug, um die Grundlagen neuronaler Netzwerke zu studieren.

Ein Pluspunkt des KIKS-Projekts ist die Zusammenarbeit zwischen Forschern und Lehrern. Das Unterrichtsmaterial von KIKS wird parallel zu den Ergebnissen laufender wissenschaftlicher Untersuchungen an der UGent und dem Pflanzengarten Meise entwickelt.

Probieren Sie dieses Lehrmaterial aus!

INTERESSE?

Wir möchten, dass so viele Lehrerinnen und Lehrer sowie Schülerinnen und Schüler 'KIKS' kennenlernen und damit im Unterricht arbeiten. Sie können Ihr Interesse über unser Formular bekunden.

Wissenschaftliche Forschung

Wissenschaftler des Pflanzengartens Meise und der UGent erforschen , wie Bäume im tropischen Regenwald sich an den Klimawandel anpassen. Die Stomata auf ihren Blättern liefern Informationen über die CO2-Konzentration in der Atmosphäre während des Pflanzenwachstums. Die Forscher zählen die Anzahl der Stomata auf den Blättern und messen ihre Größe. Dann vergleichen sie die Ergebnisse aktueller Materialien mit denen von vor hundert Jahren.

Das Zählen und Messen von Stomata ist jedoch sehr zeitaufwendig. Um dies zu automatisieren, hat ein Informatiker der UGent ein neuronales Netzwerk trainiert. Um ein solches Netzwerk zu trainieren, sind viele Beispiele erforderlich: Fotos von Stomata und Fotos von Blättern ohne Stomata.

Im Klassenzimmer

Das Ziel des KIKS-Projekts ist es, den Schülerinnen und Schülern die Grundlagen der KI beizubringen und ihnen beizubringen, wie sie Einfluss auf KI-Systeme nehmen können, die sie im täglichen Leben begegnen.
Wir möchten Lehrer ermutigen, mit KIKS und KI im Unterricht zu arbeiten (siehe Abbildung), mit oder ohne Programmierung.
Wir haben versucht, das Projekt so zugänglich wie möglich zu gestalten, indem wir das Material online anbieten, sicherstellen, dass keine zusätzliche Software installiert werden muss, und Hintergrundinformationen über ein Handbuch bereitstellen.
Wir hoffen, dass während der Projektstunden auch Zeit dafür eingeräumt wird, ethische Fragen zu diskutieren, die durch die Präsenz von KI- und Deep-Learning-Systemen im täglichen Leben entstehen.

Das Unterrichtsmaterial kann auch auf andere Weise genutzt werden. Man kann zum Beispiel einige Notebooks auswählen, um den Schülerinnen und Schülern das Programmieren in Python beizubringen, oder man kann Aufgaben daraus entnehmen, um an Forschungskompetenzen in den Fächern Biologie, Geografie oder Mathematik zu arbeiten. Die Schülerinnen und Schüler können anhand einiger Notebooks mit den Prinzipien der digitalen Bildverarbeitung vertraut gemacht werden, oder der Lehrer für Deutsch oder Religion kann in diesem Projekt Inspiration für eine Unterrichtsstunde zu den gesellschaftlichen Aspekten von KI finden.

Klima

Seit Beginn der industriellen Revolution (1750) hat sich die Konzentration von Treibhausgasen in unserer Atmosphäre stark erhöht. Dies verstärkt den natürlichen Treibhauseffekt. Die Schicht von Treibhausgasen in der Atmosphäre fungiert wie eine Art Decke, die dicker wird, je mehr Treibhausgase vorhanden sind. Infolgedessen wird es unter der Decke wärmer, da die Wärme immer schwerer von unter der Decke in den Weltraum entweichen kann. Die erhöhte Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre führt zu einer Erhöhung der Durchschnittstemperatur und zu einem globalen Klimawandel.

Stomata

Pflanzen sind in der Lage, die energiereichen Kohlenstoffverbindungen aufzubauen, die sie zum Leben, Wachsen und zur Fortpflanzung benötigen. Dies geschieht durch Photosynthese. Dafür muss die Pflanze CO2 aufnehmen. Um diese Aufnahme zu ermöglichen, gibt es mikroskopisch kleine Pforten in der Oberhaut des Blattes, die Stomata. Die Stomata sind auch für die Kühlung der Pflanze und die Aufrechterhaltung des Saftflusses von der Wurzel bis in die Pflanze verantwortlich.

Die paläoklimatologische Forschung zeigt, dass Größe und Dichte der Stomata von der atmosphärischen CO2-Konzentration beeinflusst werden.

KI

Tiefe neuronale Netzwerke sind eine Form des maschinellen Lernens und gehören daher zum Bereich der künstlichen Intelligenz. Faltende neuronale Netzwerke eignen sich besonders gut, um Stomata auf Mikrofotos zu erkennen.

Mit Python-Notebooks erkunden wir diese faszinierende Welt Schritt für Schritt. Schülerinnen und Schüler erhalten Einblick in die Grundlagen der künstlichen Intelligenz. Aber es gibt auch praktische Aspekte, wie das Sammeln und Vorbereiten des Datensatzes.

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Lernpfade

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Projektblatt KIKS Download Dies ist ein kurzer Überblick über das KIKS-Projekt mit Projektstruktur und -merkmalen.
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Die Anleitung - auch in gedruckter Version erhältlich Download Wir möchten den Lehrern Hintergrundwissen über den Inhalt dieses Projekts vermitteln: den Klimawandel, die Biologie der Spaltöffnungen und die Art und Weise, wie Pflanzen sich über die Spaltöffnungen an den Klimawandel anpassen, die wissenschaftliche Forschung der UGent und des Plantentuin Meise, die Bürgerwissenschaft, was künstliche Intelligenz (KI) ist, die Geschichte von KI, ihre Anwendung und Ethik, die Prinzipien digitaler Bilder, die Mathematik hinter den Algorithmen und die Grundlagen der derzeit am häufigsten verwendeten KI-Techniken. Wir zeigen auch, wie wir mit KIKS im Unterricht gearbeitet haben.
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Ein Schülerkurs Download Mit dem Schülerkurs geben wir ein Beispiel für einen möglichen, umfassenden Weg, den ein Lehrer mit den Schülern gehen kann. Der Weg umfasst den Klimawandel, die Biologie der Spaltöffnungen mit einer Mikroskopie-Aufgabe, die Art und Weise, wie Pflanzen sich über die Spaltöffnungen an den Klimawandel anpassen, die wissenschaftliche Forschung der UGent und des Plantentuin Meise, das Sammeln von Daten zur Schulung eines neuronalen Netzwerks, was künstliche Intelligenz (KI) ist, die Geschichte von KI, ihre Anwendung und Ethik, die Prinzipien digitaler Bilder, das Arbeiten mit Convolutional Neural Networks, die Mathematik hinter dem Perceptron-Algorithmus, das lineare und nicht-lineare Klassifizieren von Daten und die Grundlagen des maschinellen Lernens.
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Die Lehrziele Download Im Rahmen des KIKS-Projekts können viele Lehrziele erreicht werden. Der Lehrer entscheidet selbst, welche Lehrziele mit dem Projekt in Verbindung gebracht werden. Darüber hinaus bietet das Projekt viele Möglichkeiten, die Schüler aktiv und selbstständig lernen zu lassen und ICT-Kenntnisse zu vermitteln. KIKS kann auch verwendet werden, um eine Forschungsaufgabe zu entwickeln. In den Endzielen und Lehrplänen der verschiedenen Verbände finden sich viele Lehrziele, die KIKS mit Biologie, Geografie und Mathematik verknüpfen.
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Das Erstellen eines Nagellaktabdrucks eines Blattteils Ansehen Um die Anzahl der Spaltöffnungen auf einem Teil eines Blattes einer Pflanze zu kennen, betrachten wir die Blattoberfläche unter dem Mikroskop. Wir können dazu einen Teil der dünnen Cuticula des Blattes entfernen, aber bei einigen Pflanzen gelingt das nicht so gut, zum Beispiel aufgrund der Steifheit des Blattes. Dies kann jedoch aufgefangen werden, indem die gleiche Methode verwendet wird wie die Forscher des Plantentuin Meise, nämlich einen Abdruck eines Teils der Blattoberfläche mit transparentem Nagellack zu machen. Das mikroskopische Bild kann mit einem Smartphone fotografiert werden.
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