KI-Superkräfte für die Umwelt

Vorbemerkung zum Projekt

Unsere Welt steht vor großen ökologischen Herausforderungen, und es ist wichtig, der nächsten Generation das Wissen und die Fähigkeiten zu vermitteln, einen positiven Beitrag zur Lösung dieser Herausforderungen zu leisten. In diesem Projekt werden die Kinder zu Öko-Superheld*innen und lernen, Künstliche Intelligenz zum Wohl der Menschheit zu trainieren. Das Projekt integriert Fächer wie Naturwissenschaften, Technik, Mathematik, Sprachen, Gesellschaftswissenschaften und Kunst und vermittelt Fachwissen über Recycling sowie KI-Grundlagen. Die Schüler*innen werden durch Recherchen, Präsentationen und interaktive Spiele in projektbasiertes Lernen eingebunden. Dabei gewinnen sie Einblicke in Mülltrennung und Recycling, programmieren einen Roboter und trainieren KI mit visueller Programmierung.

Um die Fantasie anzuregen, verkleiden sich die Kinder zum Einstieg in das Projekt als Superheld*innen. Die Lehrkraft vertraut ihnen eine große und bedeutsame Mission an:

• Seid ihr bereit für ein aufregendes Abenteuer? Auf dieser Mission werdet ihr lernen,  wie man Müll trennt und eine Künstliche Intelligenz trainiert. Zusammen retten wir den Planeten und machen unsere Welt ein bisschen sauberer und glücklicher. Seid ihr dabei?

In diesen spielerischen Ansatz werden die folgenden Aktivitäten eingebettet. Sie lassen sich beliebig kombinieren: Sollte z.B. Ihre Schule nicht über einen Lernroboter verfügen, kann Aktivität 5 auch übersprungen werden.

Aktivität 1: Der Geheimauftrag

Aus wiederverwertbaren Materialien wie leeren Milch- oder Saftpackungen basteln sich die Schüler*innen eine Superheldenmaske. Nachdem alle ihre Maske aufgesetzt haben, erhält die Gruppe oder Klasse von der Lehrkraft eine geheimnisvolle Kiste. In der Kiste finden sie ihre Mission: KI für einen guten Zweck zu trainieren.

Aktivität 2: Ein virtueller Lernraum

Projektbegleitend entsteht eine Virtual-Reality-Umgebung (zur Ansicht eines solchen virtuellen Projektraums). In diesen Raum lädt die Lehrkraft Lieder und interaktive Spiele zum Thema Recycling hoch. Elemente könnten zum Beispiel sein: ein Quiz über Mülltrennung, Videos über Künstliche Intelligenz (siehe Tools & Referenzen) und Tutorials zu visuellem Programmieren. Die Schüler*innen können Fotos von sich in ihren Superheldenkostümen oder -masken, ihre Präsentationen oder weiteres Material zu den Projektaktivitäten hochladen. In diese „EcoKids-Welt“ können sie auch zu Hause mit ihrer Familie eintauchen.

Aktivität 3: Recherche zu Mülltrennung und Recycling

In Gruppen forschen die Schüler*innen zu Mülltrennung und Recycling. Sie recherchieren dazu in Büchern, Zeitschriften, Zeitungen und im Internet und befragen ihre Eltern sowie ggf. Expert*innen.

Aktivität 4: Präsentationen und Spiele

Im Anschluss an die Recherchephase präsentieren die Gruppen der Klasse ihre Ergebnisse und organisieren Spiele zum Thema Mülltrennung.

Für diese Spiele können die Schüler*innen recycelbare Gegenstände aus dem Klassenzimmer verwenden oder von zu Hause mitbringen. Beispiel für ein mögliches Gruppenspiel: Die gesammelten Materialien werden wild durcheinander auf dem Boden verteilt. Jede Gruppe muss diese nun nach den Farben der entsprechenden Recyclingtonne sortieren. Die Gruppe, die das am schnellsten schafft, gewinnt. Die Wertstofftonnen können durch Poster in der jeweiligen Farbe symbolisiert werden, oder man verwendet entsprechend gekennzeichnete Kartons.

Im VR-Raum können Videos, Songs und digitale Spiele oder Quizze genutzt werden, um das Wissen der Schüler*innen zu testen und zu vertiefen (siehe auch weiterführende Quellen).

Aktivität 5: Einen Roboter programmieren

Nachdem sie ihr Wissen getestet haben, gehen die Schüler*innen dazu über, das Gelernte umzusetzen. Zunächst programmieren sie einen Lernroboter, der sich auf einer Matte mit Bildern oder Modellen von Recyclingtonnen bewegt. Der Roboter wird mit Richtungstasten über eine Fläche aus Quadraten gesteuert. Die Schüler*innen basteln einen Spielkartensatz, indem sie Bilder von recycelbaren Gegenständen aus Zeitschriften ausschneiden und auf Rechtecke aus Tonpapier kleben. Dann wird eine beliebige Karte gezogen, und der Roboter muss mit der richtigen Abfolge an Richtungsbefehlen darauf programmiert werden, den auf der Karte abgebildeten Gegenstand zur passenden Recyclingtonne zu bringen. Also zum Beispiel: Gehe zwei Felder nach rechts und drei Felder nach unten.

Aktivität 6: Die KI trainieren

In der nächsten Phase trainieren die Schüler*innen die KI darauf, zu entscheiden, was in welche Reyclingtonne gehört. Dazu arbeiten sie mit visueller Programmierung und dem Tool Teachable Machine von Google oder (DSGVO-konform) GenAI.

Jüngere Grundschulkinder werden mit einer Schritt-für-Schritt-Anleitung und eng begleitet an visuelles Programmieren und maschinelles Lernen herangeführt. Zunächst trainieren sie die KI in einem Bildprojekt auf Teachable Machine mit drei Abfallarten (Glas, Papier, Verpackung). Für die Kategorie „Glas“ können sie eine Glasflasche oder ein Vorratsglas benutzen, für die Kategorie „Verpackung“ eine Milch- oder Saftpackung und für die Kategorie „Papier“ eine Zeitung oder Zeitschrift. Diese Materialien finden sie im Klassenzimmer oder bringen sie von zu Hause mit. Mit der Computerkamera werden Aufnahmen der Gegenstände gemacht und zum Training eines Modells verwendet, das im Anschluss exportiert werden kann. Hier finden Sie eine Vorschau auf ein bereits trainiertes und exportiertes Machine-Learning-Modell. 

Hinweis: Mit der Download-Version der PictoBlox-Software, die auf Scratch 3 beruht, lässt sich mit der Erweiterung „Machine Learning“ das Training eines Machine-Learning-Modells direkt in der Programmierumgebung durchführen und das Modell nach dem Export sofort mit den Blöcken der Machine-Learning-Erweiterung nutzen. Ein Tutorial für ein einfaches Programm zur Klassifizierung von Hunden und Katzen in PictoBlox finden Sie in unserer Unterrichtseinheit MINT-Wissen 4.0.

Aktivität 7: Die KI testen

Mithilfe von Programmierblöcken in Scratch oder PictoBlox erstellen die Schüler*innen ein Programm unter Verwendung der Erweiterungen „Teachable Machine“ und „Text zu Sprache“ (siehe Beispiel). Die Lehrkraft steht ihnen dabei Schritt für Schritt zur Seite.

Um zu testen, ob die KI mit dem richtigen Algorithmus trainiert wurde, zeigen die Schüler*innen der Computerkamera verschiedene Gegenstände. Jedes Mal, wenn die Computerkamera das Objekt erkennt, gibt der Akteur (die „Spielfigur“) des visuellen Programms an, in welche der Recyclingtonnen es entsorgt werden soll. Wird beispielsweise eine Zeitung erkannt, sagt die Figur des Programms: „Das kommt in die Tonne für Papier!“

Weitere Aktivitäten und Ressourcen

Ein Ausflug zu einem Wertstoffhof oder einer Müllaufbereitungsanlage kann das EcoKids-Projekt wunderbar ergänzen und den Schüler*innen einen praktischen Einblick in die Abfallwirtschaft geben. Gibt es zum Beispiel vor Ort ein Unternehmen, das Kunststoff oder Textilien wiederverwertet, lässt sich bei einem Klassenausflug das im EcoKids-Projekt erworbene theoretische Wissen in der Praxis erleben. 

Schlussbemerkung

Das Projekt „KI-Superkräfte für die Umwelt“ stellt eine spannende Verbindung von Umweltbildung und der Welt der Künstlichen Intelligenz dar. In der Rolle eines Superhelden oder einer Superheldin begeben sich die Schüler*innen auf eine Mission zur Rettung des Planeten, indem sie sich aktiv mit Recycling beschäftigen und gleichzeitig die Grundlagen der KI erforschen. Durch das Training eines KI-Modells erhalten sie praktische Einblicke in maschinelles Lernen und verbinden Umweltbewusstsein mit technologischem Know-how. Dieser innovative Ansatz macht sie zu vielseitigen und kompetenten Mitgestalter*innen einer nachhaltigen und technologisch fortschrittlichen Zukunft.