Wie KI den Mathematikunterricht bereichern kann
Was kann künstliche Intelligenz im Mathematikunterricht leisten? Und welche Kompetenzen müssen Lehrkräfte sowie Schülerinnen und Schüler mitbringen, um KI gewinnbringend einzusetzen? Diesen Fragen geht aktuell das Forschungsprojekt KIMADU in Nordrhein-Westfalen nach. Projektleiter Prof. Dr. Ingo Witzke erzählt, welche Rolle KI im Mathematikunterricht übernehmen kann.
Komplexe mathematische Systeme in natürlicher Sprache bedienen und dazu noch jedem Schüler und jeder Schülerin interaktive, adaptive Lernangebote machen – darin liegt das große Potenzial von künstlicher Intelligenz im Mathematikunterricht. So fasst es jedenfalls Ingo Witzke zusammen, Professor für die Didaktik der Mathematik an der Universität Siegen. Witzke muss es wissen, er ist unter anderem für die wissenschaftliche Begleitung in Mathematik des bayerischen Projekts KI@school der Stiftung Bildungspakt Bayern zuständig und gehört mit Dr. Frederik Dilling (Mathematikdidaktik) und Prof. Torsten Steinhoff (Deutschdidaktik) zum Leitungsteam des Projekts KIMADU des nordrhein-westfälischen Schulministeriums.
Projekt KIMADU
KIMADU steht für „Künstliche Intelligenz im Mathematik- und Deutschunterricht“. „Wir erleben zum ersten Mal, dass sich Software adaptiv an uns anpasst und nicht wir uns an die Software anpassen müssen“, sagt Witzke über die besondere Funktionsweise von großen Sprachmodellen wie ChatGPT. Im Rahmen von KIMADU entwickelt und erforscht er in Zusammenarbeit mit 25 Schulen verschiedener Schulformen in Nordrhein-Westfalen Konzepte, wie künstliche Intelligenz den Mathematikunterricht bereichern kann. Über ein System aus Multiplikatorinnen und Multiplikatoren sollen die Erkenntnisse des Projekts bis 2027 bis zu 12.000 Jugendliche in dem Bundesland direkt erreichen, verbreitet unter anderem über QUA-LiS NRW, die Qualitäts- und Unterstützungsagentur des Landes.
Lehrkräfte entwickeln eigene didaktische KI-Agenten
Zunächst aber sind die Lehrkräfte der beteiligten Schulen gefragt: Mithilfe des datenschutzkonformen KI-Systems „Sidekick“ entwickeln sie im Moment didaktische KI-Agenten – eine Art Chatbot –, die den Schülerinnen und Schülern im Mathematikunterricht zur Seite stehen sollen. Dabei entscheiden sie nicht nur, wie kreativ oder komplex die Chatbots fachlich antworten und welches große Sprachmodell sie nutzen sollen. Vor allem bringen sie den KI-Agenten bei, die Schülerinnen und Schüler auf dem Weg zur Lösung zu begleiten, ohne ihnen das Denken abzunehmen und die Aufgaben für sie zu bearbeiten.
Unterstützung durch den KI Tutor
„Für Lehrkräfte ist es immer eine Herausforderung, dass sie zum Beispiel in einer Gruppenarbeitsphase nicht mit allen Schülerinnen und Schülern gleichzeitig sprechen können. Ein KI-Tutor kann hier einspringen, wenn er entsprechend spezifiziert ist und die passenden fachdidaktischen Konzepte darin hinterlegt sind“, sagt Witzke. „Im Sinne eines sogenannten sokratischen Gesprächspartners kann sich die KI zum Beispiel mit den Schülerinnen und Schülern über mathematische Begründungen zu Aufgaben austauschen“.
Beispiel Wahrscheinlichkeitsrechnung
Wie das aussehen kann, erklärt Witzke am Thema Wahrscheinlichkeitsrechnung: „Bei Zufallsexperimenten fällt den Schülerinnen und Schülern manchmal das Modellieren der Sachsituationen schwer. Sie haben vielleicht eine Idee, wie man die Aufgabe lösen könnte. Wenn das aber nicht zum Ziel führt, dann werfen sie die Flinte ins Korn und wissen nicht weiter. Wenn man jetzt als Lehrkraft an dem Tisch wäre, würde man sagen: ‚So, jetzt überlegen wir doch noch einmal, was haben wir uns letzte Stunde angeguckt? Wie hast du es denn in deiner Hausaufgabe gemacht? Kennst du ähnliche Aufgaben?‘ Das kann man als Lehrkraft aber nicht mit allen Schülerinnen und Schülern tun. Die KI kann das jedoch“, erklärt Witzke.
Fürst Stochastikus hilft bei Wahrscheinlichkeitsrechnung
Mit dem Agenten „Fürst Stochastikus“ hat ein Team der Universität Siegen für das Themengebiet der Wahrscheinlichkeitsrechnung eine solche KI-basierte Unterstützung entwickelt. Dieser spezifisch konfigurierte Chatbot versetzt die Lernsituation spielerisch in einem interaktiven Szenario auf einen mittelalterlichen Jahrmarkt. Hier gilt es, verschiedene Glücksspiele zu bewerten und damit stochastische Herausforderungen zu bewältigen. Dabei fragt der Chatbot nach mathematischen Einschätzungen, Begründungen und Lösungen.
Mit Ki das Verstehen spielerisch fördern
„Fürst Stochastikus“ gibt spezifisch Feedback und fördert so das Verständnis des mathematischen Inhalts. Zudem wirkt das spielerische Szenario auf manche Schülerinnen und Schülern motivierend und bewirkt ein größeres Durchhaltevermögen. So kann die KI eine Bereicherung für den schulischen Mathematikunterricht darstellen und die Lehrkräfte im alltäglichen Unterricht entlasten.
Abbildung: Ausschnitt aus einem Chatverlauf mit dem Agenten „Fürst Stochastikus“, umgesetzt in Sidekick von Tobit.
Mit leichter Sprache Software steuern
Zu den besonderen Stärken von großen Sprachmodellen zählt nach Witzkes Einschätzung die Kommunikation mit der KI auf eigenem Sprachniveau – ein wichtiger Schritt in Richtung Barrierefreiheit. „Man kann zum Beispiel Aufgaben sprachlich vereinfachen lassen, sich Beispiele und Zeichnungen ausgeben lassen und so Schülerinnen und Schüler individuell adressieren“, sagt der Mathematikdidaktiker.
Wichtig zu wissen ist allerdings: Die meisten künstlichen Intelligenzen können zwar gut auf dem Lösungsweg unterstützen, verrechnen sich aber gelegentlich. Deshalb ist es in jedem Fall ratsam, Berechnungen an ein dafür vorgesehenes Tool auszulagern, zum Beispiel ClassPad.net von CASIO oder etwa das System Wolfram-Alpha, für das KI-Plugins zur Verfügung stehen. Die KI kann dabei helfen, diese Systeme zu nutzen, ohne sich lange mit der Bedienung auseinanderzusetzen.
AI Literacy: Welche KI-Skills sind nötig?
Auch wenn große Sprachmodelle (LLM) in natürlicher Sprache kommunizieren – ohne KI-Kompetenzen geht es nicht. Die Ständige wissenschaftliche Kommission der Kultusministerkonferenz hat im Januar 2024 in einem Impulspapier aufgelistet, welche KI-Kompetenzen Schülerinnen und Schüler benötigen. Zusammengefasst:
KI mit Köpfchen nutzen
Auch bei KIMADU gehört eine kritische Reflexion von Datenschutz- und Urheberrechtsfragen sowie der Gefahr von Fehlinformationen und „Halluzinationen“ der KI zum Programm. Letzteres kommt zum Beispiel in einer Lerneinheit mit dem Titel „Kann KI überhaupt Mathe?“ zur Sprache. „KI ist selbstverständlich kein Allheilmittel, sondern gehört genau dort genutzt, wo sie pädagogisch echten Mehrwert stiften kann“, betont Witzke. „Grundlegende Kompetenzen sollen Schülerinnen und Schüler weiterhin auch ohne Technologie erwerben und nutzen können – erst dann entsteht ein wirkungsvolles, fachliches AI-Empowerment für Lehrkräfte und Lernende“.
KI-Kompetenz braucht Anleitung
Das ist allein deshalb schon nötig, weil sich die Jugendlichen jederzeit zu Hause von einer KI Hilfe holen können, die nicht in einen datenschutzkonformen und didaktischen Rahmen eingebettet ist. Deshalb hält Ingo Witzke es für sinnvoll, dass ihnen klar ist: So lernen sie nichts – auch das gehört zur KI-Kompetenz. Über KIMADU hat er auch einen guten Einblick in die KI-Nutzung an den teilnehmenden Schulen vor Projektbeginn. „Viele Schülerinnen und Schüler haben KI bisher eher unstrukturiert verwendet.
Einige Lehrkräfte kannten sich schon sehr gut aus und haben KI im Unterricht systematisch thematisiert und genutzt. Andere hatten eher weniger Erfahrung mit KI, haben aber festgestellt, dass sich die Qualität der Hausaufgaben auf einmal verändert hat. Das Spektrum ist sehr groß“, erzählt Witzke. „Mein Deutschkollege Torsten Steinhoff und ich sind aber der Ansicht: Es gehört zum Auftrag von Schule zu vermitteln, wie man mit so einem mächtigen Werkzeug kompetent und gleichzeitig, mit Blick auf Datenschutz- und Urheberrechtsfragen, sensibel umgeht.“
Prozess- statt Produktorientierung
Auch bei aller Vernunft und KI-Kompetenz: Es ist für viele Jugendliche verlockend, sich von einer künstlichen Intelligenz die Hausaufgaben machen zu lassen. Lehrkräfte können im Zweifelsfall kaum erkennen, ob Schülerinnen und Schüler eine Aufgabe allein oder mit der Hilfe von ChatGPT & Co. gelöst haben. Besonders bei benoteten Arbeiten ist das ärgerlich. Eine Lösung für dieses Problem lautet: Prozessorientierung. So schlägt es zum Beispiel die Kultusministerkonferenz in einer Handlungsempfehlung zum Umgang mit künstlicher Intelligenz vor. Die Idee: Anstatt nur das Endprodukt zu bewerten – zum Beispiel ein korrektes Rechenergebnis – rückt der Weg dahin stärker in den Fokus.
KI als Hilfsmittel einsetzen
„Es ist schon lange im Gespräch, dass wir mehr prozessorientierte Prüfungsformate brauchen. Durch KI ist nun brennend klar geworden, dass es wenig Sinn ergibt, Aufgaben zu stellen, welche diese innerhalb von Sekunden löst“, erklärt Witzke. „Um wirklich wichtige Problemstellungen zu lösen, schließen wir uns, salopp formuliert, ja auch nicht im Raum ein und legen alle Hilfsmittel beiseite, um dann zu schauen, was uns in einer Stunde dazu einfällt. Vielmehr nutzen wir alle möglichen Hilfsmittel, die uns zur Verfügung stehen. Dazu gehört nun natürlich auch KI.“ Im Fach Mathematik könnten so zum Beispiel begleitet Arbeiten über längere Zeiträume entstehen – etwa ein von den Schülerinnen und Schülern selbst verfasster Podcast zu einem konzeptionellen mathematischen Thema oder eigene KI-Agenten wie ein „Aufgaben-Generator“ mit Feedbackfunktion, der die Mitschülerinnen und Mitschüler bei der nächsten Klausurvorbereitung unterstützt.
Sind Programmierkenntnisse noch nötig?
Die alltagssprachliche Kommunikation mit künstlicher Intelligenz stellt auch infrage, ob Schülerinnen und Schüler in Zukunft noch Einblicke ins Programmieren bekommen sollten. Beispielsweise Python spielt im Informatik- und auch Mathematikunterricht seit einigen Jahren eine wachsende Rolle. Ist das noch zeitgemäß, wenn man doch der KI in Normalsprache mitteilen kann, was sie programmieren soll? „Ich finde, dass Schülerinnen und Schüler weiterhin Programmieren lernen und üben sollten, weil sie dadurch verstehen, wie Programmieren grundsätzlich im formallogischen Sinne funktioniert – auch wenn die KI das eigentliche Schreiben der Programme mittlerweile relativ zuverlässig übernehmen kann“, sagt Witzke.
In den Dialog mit der KI treten
Um künstliche Intelligenz im Unterricht produktiv zu nutzen, müssten auch viele Schülerinnen und Schüler sowie manche Lehrkräfte noch besser verstehen, was eigentlich die Stärke der KI-Sprachmodelle ausmacht, glaubt Witzke. „Manche halten KI für eine Art bessere Suchmaschine, die eine Antwort auf eine bestimmte Frage liefern kann. Deshalb biete ich Lehrkräften beispielsweise Übungen über den Voice-Mode an, über den man mit einer KI wirklich sprechen kann und nicht schreiben muss – was selbstverständlich besonderen datenschutzrechtlichen Bestimmungen unterliegt. Sie können sich dann ausführlich über ein bestimmtes Thema mit der KI unterhalten, zum Beispiel über ihre Unterrichtsplanung für die kommende Woche.“ Auf diese Weise werde vielen Lehrkräften zum ersten Mal klar, dass große Sprachmodelle vor allem dafür konstruiert seien, um Kommunikation zu simulieren. „Es klingt ein bisschen verrückt, mit einer KI zu sprechen. Aber das ist ein guter Einstieg, um sie gut nutzen zu können“, meint Witzke.