Projektkurs „Data Science und Künstliche Intelligenz“ im Schulunterricht
Per App einen freien Parkplatz finden – das haben sich die Schüler Maarten Liphardt, Karl Schneidewind und Luis Wengenmair der zwölften Jahrgangsstufe (Q2) des Gymnasiums Theodorianum in Paderborn zur Aufgabe gemacht. Im Kurs „Data Science und Künstliche Intelligenz“ entwickelten sie eine eigene durch künstliche Intelligenz (KI) gestützte Webanwendung zur Vorhersage der Belegung von Paderborner Parkplätzen und Parkhäusern (parkpb.maar10media.de). Der Kurs wurde im Rahmen des Projekts „Data Science und Big Data in der Schule“ (ProDaBi) der Universität Paderborn bereits zum dritten Mal durchgeführt. Das ProDaBi-Projekt wurde von der Deutsche Telekom Stiftung initiiert sowie seit 2019 finanziell unterstützt und wird von Prof. Dr. Rolf Biehler, Didaktik der Mathematik, und Prof. Dr. Carsten Schulte, Didaktik der Informatik, beide von der Universität Paderborn, geleitet. Ein Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Curriculums zu Data Science und künstlicher Intelligenz in der Sekundarstufe II.
Durch den Projektkurs sollen Kenntnisse in den Bereichen Statistik, Datensammlung, Datenanalyse, maschinelles Lernen, Entscheidungsbäume (gerichtetes Regelsystem zur Entscheidungsfindung) und künstliche neuronale Netze vermittelt werden. Mit ihrem neu erworbenen Wissen waren die Schüler nun in der Lage, eine eigene datengetriebene Webanwendung zur Vorhersage von freien Parkplätzen zu entwickeln. Damit konnten sie zeigen, wie Programme mit künstlicher Intelligenz zum praktischen Nutzen der Gesellschaft eingesetzt werden können. Die mit einem KI-Modell verarbeiteten Parkplatzdaten aus zwölf Jahren wurden von den für die Parkraumbewirtschaftung in Paderborn zuständigen Firmen ASP aus Paderborn und RTB aus Bad Lippspringe zur Verfügung gestellt.
Gelerntes in die Praxis umsetzen
Während des Kurses lernten die Schüler verschiedene Tools und Programmier- sowie Skriptsprachen kennen, um diese bei der Entwicklung der Webanwendung und der zugrundeliegenden KI-Modelle zu nutzen. Dabei folgten sie einem selbstgesteuerten Lern- und Arbeitsprozess. Sie organisierten ihre Teamarbeit im Rahmen eines agilen Projektmanagements bzw. eines agilen Lernprozesses nach der sogenannten Scrum-Methode. Unterstützt wurden sie dabei von den Projektkursmitarbeiter*innen Annika Löhr (Gymnasium Theodorianum Paderborn), Yannik Fleischer (Mathematikdidaktik, Universität Paderborn) und Sven Hüsing (Informatikdidaktik, Universität Paderborn).
Zu den Aufgaben der Schüler gehörten u. a. das Bereinigen, Auswerten und Visualisieren von Daten sowie das Konfigurieren, Trainieren und Anwenden datengetriebener Machine-Learning-Modelle zur Vorhersage von Parkplatzbelegungen. Außerdem dokumentierten und präsentierten sie die Datenverarbeitung und Modellierung in Form von sogenannten Computational Essays, die einen Einblick in den Prozess der Datenanalyse und die Entwicklung der künstlichen Intelligenz sowie in die entsprechenden Resultate ermöglichen. Zum Schluss integrierten sie die Ergebnisse des Machine-Learning-Modells in die eigene Webanwendung.
Die Erfolge ihrer Arbeit stellten die Schüler des Theodorianums vergangenen Monat bei einer Online-Produktpräsentation vor. Dabei zeigten sie den Zuschauer*innen ihre KI-gestützte Web-App und präsentierten tiefergehende Informationen über den genutzten Datensatz, den Aufbau der zugrundeliegenden KI-Modelle und die Gestaltung der Nutzungsoberfläche. Auf die Frage, was den Schülern am Projekt am besten gefallen habe, antworteten sie: „Es war besonders spannend zu sehen, was sich hinter künstlicher Intelligenz verbirgt, mit der man sonst nur oberflächlich in Berührung kommt. Besonders interessant waren dabei die Fragen: Wie erstellt man eine künstliche Intelligenz selber, wie aufwendig ist das und wie kann man sie nachvollziehen?“
Zur Erprobung des Projektkurskonzepts und der Unterrichtsmaterialien sucht das ProDaBi-Projekt noch weitere Kooperationspartner*innen. Interessierte Schulen im Paderborner Umland können sich gerne unter prodabi(at)campus.upb(dot)de melden.
Webseite des Projekts: www.prodabi.de
