Verhaltensbiologie meets Künstliche Intelligenz – Frankfurter Schülerlabor KILab öffnet seine Türen

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Künstliche Intelligenz (KI)
beeinflusst unseren Alltag schon jetzt in vielen Bereichen: Von
automatisierten Vorschlägen bei Suchmaschinen, die uns schneller zum Ziel
führen sollen, bis hin zu Sprachassistenzen in unseren Wohnzimmern.
Trotzdem fehlt dieses Thema noch in den meisten deutschen Lehrplänen,
sodass Kinder und Jugendliche nur selten fundiertes Hintergrundwissen
erlangen können.

Das Frankfurter Schülerlabor KILab soll das ändern. Das innovative
außerschulische Angebot möchte Schülerinnen und Schüler für die
Möglichkeiten der KI begeistern und gleichzeitig zur kritischen Diskussion
darüber einladen.

Das Projekt der Goethe-Universität Frankfurt am Main wird von der Klaus
Tschira Stiftung gefördert. Es basiert auf aktuellen Forschungsdaten, bei
denen eine eigens entwickelte Software aus der Abteilung für Didaktik der
Biowissenschaften und Zootierbiologie zum Einsatz kommt.

Vor einem Jahr begann die Konzeptionsphase, und nun wird das KILab im
Oktober 2021 seine Türen öffnen. Dazu stellen Prof. Dr. Paul W. Dierkes,
Dr. Anna Lena Burger und Marvin Henrich ihr Schülerlabor im Interview vor.

Herr Dierkes, Sie haben ja bereits Erfahrung mit Schülerlaboren. Was hat
Sie dazu motiviert, eins für KI aufzubauen?
Dierkes: Unser Interesse ist es, innovative Projekte durchzuführen, und
dabei vor allem Schülerlabore zu konzipieren, die es woanders nicht gibt.
Das KILab behandelt natürlich einen sehr aktuellen Themenbereich, der ganz
viele Möglichkeiten bietet. Das Thema Künstliche Intelligenz kann man sehr
interdisziplinär angehen: von der Anwendung in naturwissenschaftlicher
Datenanalyse bis hin zu gesellschaftlichen Fragestellungen.
In diesem Fall stand der authentische Einblick im Vordergrund. Das
erreicht man eigentlich nur, wenn man nicht nur den „Raum Universität“
bietet, sondern diesen auch mit hochaktueller Forschung verknüpft. Genau
das machen wir im KILab. Mit unserer Expertise in Zootierbiologie und
Verhaltensbiologie können wir Schülerinnen und Schülern diesen
authentischen Einblick in unsere aktuelle Forschung geben: Was passiert
während unserer Forschungsaktivitäten? Wie gehen wir methodisch vor und
welche modernsten Techniken werden dafür verwendet?

Wie kam es dann von der Idee zur Umsetzung?
Burger: Das Schöne ist, dass die Idee völlig natürlich entstanden ist. Wir
haben uns verhaltensbiologisch spezialisiert und dabei festgestellt, dass
es viel zu aufwändig ist, das gesamte Videomaterial händisch auszuwerten.
Das erfordert viel Zeit sowie Teamressourcen. Große Vergleichsstudien sind
unter diesen Bedingungen fast unmöglich. Ein Beispiel: Um das nächtliche
Schlafverhalten von ca. 60 Giraffen in 13 Zoos über drei Wochen zu
erforschen, müssen knapp 3.000 Stunden Videomaterial ausgewertet werden.
Solche großen Datenmengen – Big Data ist auch bei uns in aller Munde –
brauchen wir, um möglichst genaue und generalisierende Aussagen über das
Verhalten der Tiere treffen zu können. Dementsprechend waren wir für
unsere Forschung auf der Suche nach effizienteren Methoden. Da drängte
sich die KI förmlich auf, obwohl es im Kontext der Verhaltensbiologie
bisher noch sehr wenig Erfahrung damit gab. Während wir also unser eigenes
Problem lösten, kamen wir darauf, auch Schülerinnen und Schüler für diese
spannende Anwendungsmöglichkeit von KI zu begeistern.
Dierkes: Unsere Doktorandin Jennifer Gübert hat die Software zur
Auswertung der Forschungsdaten mit einem Programmierer und Frau Burger
zusammen entwickelt. Das war ein iterativer und sehr lehrreicher Prozess
über zwei Jahre, bis die Software so entwickelt war, wie wir sie heute in
der Forschung und im KILab einsetzen. Und gerade diese methodische
Vorgehensweise diskutieren wir auch im KILab. Schließlich bedeutet
Automatisierung nicht, dass immer gleich alles gut funktioniert. Das
versuchen wir mit den Schulklassen nachzuvollziehen.
Gleichzeitig können wir mit unserer Forschung wirklich eine Lücke
schließen. Wer stellt sich schon in Afrika hin und beobachtet nachts
Giraffen, Zebras und Co, wenn die Löwen um die Ecke sind? Das ist sehr
aufwendig. Mithilfe der KI-gestützten Verhaltensbeobachtung können wir
beispielsweise auf die Frage „Wie lange schlafen Tiere überhaupt?“ viel
einfacher Antworten finden. Wir kombinieren im Schülerlabor die Methoden
der KI mit verhaltensbiologischen Inhalten, und genau das macht es so
spannend.

Welches Ziel verfolgen Sie mit dem Schülerlabortag hauptsächlich?
Henrich: Das Hauptziel des Schülerlabortages ist es, für KI sowie
Verhaltensbiologie zu begeistern. Dabei versuchen wir den authentischen
Weg eines Forschungsprozesses zu replizieren. Deswegen sieht unser Konzept
auch vor, dass wir die Schülerinnen und Schüler zu Beginn mit dem Problem
der zeitintensiven händischen Datenauswertung konfrontieren und sie so
problemorientiert zu den Möglichkeiten der KI hinführen. Am Ende
beleuchten wir noch den Faktor Mensch und welche Grenzen damit verbunden
sind.
Wir leiten die Schülerinnen und Schüler also von der Problemstellung zu
einer möglichen Lösung, die dann noch einmal kritisch diskutiert wird.
Das wird dann wiederum in der Begleitforschung aufgegriffen, in der wir
hinterfragen, wie hoch die Akzeptanz der Schülerinnen und Schüler diesem
stark technologisch ausgerichteten Schülerlabortag gegenüber ist. Es ist
eben doch etwas anderes als der Besuch in einem Zoo. Außerdem fragen wir
uns, wie sehr der Schülerlabortag das Verhältnis zu natürlichen Objekten
in der Natur beeinflusst.

Überwiegt das Interesse an den verhaltensbiologischen Inhalten oder reizt
die Schülerinnen und Schüler vor allem die Künstliche Intelligenz an Ihrem
Schülerlabor?
Henrich: Bei den Anfragen, die wir erhalten, zeigt sich da ein sehr
breites Spektrum. Natürlich integrieren viele Lehrkräfte einen Besuch bei
uns gern in ihren Biologie-Unterricht. Aber wir bekommen auch Anfragen von
nicht-naturwissenschaftlichen Fächern, wie beispielsweise einem Deutsch-
Leistungskurs, der momentan „Manipulation in den sozialen Netzwerken“
behandelt und da besonders spannend findet, wie KI in ihren Grundzügen
funktioniert. Da steht also auch einmal der technische Aspekt im
Vordergrund.

Inwieweit gibt ein Tag im KILab die Möglichkeit, auch gesellschaftliche
und ethische Facetten der KI zu diskutieren?
Henrich: Ein großer Faktor des Schülerlabors ist es natürlich, den Aufbau
und die Funktionsweise der KI zu verstehen. Aber nach dem Behandeln des
verhaltensbiologischen Fallbeispiels ist genügend Raum, um über technische
und ethische Grenzen zu sprechen. Da betrachten wir auch verschiedene
Anwendungen von KI kritisch, um den Schülerinnen und Schülern eine
fundierte Meinung rund um das Thema zu ermöglichen.

Die Gruppen, die zu Ihnen kommen, sind in der Regel sicher sehr
interessiert und motiviert. Aber gibt es auch Berührungsängste gegenüber
manchen Inhalten oder Methoden?
Dierkes: Damit haben wir beispielsweise in unserem Schülerlabor
Neurowissenschaften Erfahrungen gemacht: da besonders neurophysiologische
Experimente kaum umsetzbar sind –  sowohl in der Schule als auch im
Schülerlabor – war das etwas sehr Neuartiges. In der Neurophysiologie
spielen ja zahlreiche chemische und physikalische Prozesse bei der
Erregung von Nervenzellen eine Rolle, die vielen Schülerinnen und Schülern
erst mal sehr komplex erscheinen und durchaus auch mit Ängsten verbunden
sein können. Deswegen haben wir nicht an einem echten Nervensystem
gearbeitet, sondern quasi-realistische Experimente durchgeführt, die ein
echtes Nervensystem sehr realistisch imitieren.
Es funktioniert aber immer wieder sehr gut, diese Ängste im Schülerlabor
abzubauen, weil die Schülerinnen und Schüler experimentieren und bestimmte
Einflussfaktoren kennenlernen können. Das zeigt uns, dass selbst so
komplizierte Themen – wie auch die KI – mit einem geeigneten Konzept sehr
gut im Rahmen von Schülerlabortagen zu vermitteln sind.

Ist das KILab auch mit der Ausbildung von Lehramtsstudierenden verknüpft?
Dierkes: Dieser Aspekt ist uns natürlich wichtig. Wir möchten unseren
Studierenden nicht nur gängige, sondern auch innovative Konzepte
vermitteln. Wir nutzen also das Schülerlabor als Lehr-Lern-Labor und
integrieren es in unsere praxisorientierte Ausbildung. Damit haben wir
schon sehr positive Erfahrungen gemacht. Unsere ehemaligen Studierenden
kommen später mit ihren Schulklassen sehr gern wieder auf unsere Angebote
zurück. Von diesem Austausch zwischen Praxis und Forschung können alle
Seiten wiederum viel lernen.
Burger: Eigentlich haben wir das Paradebeispiel im eigenen Team. Bei dir,
Marvin, ist es doch auch ganz ähnlich gelaufen. Du hast früher schon als
Student hier in einem Schülerlabor gearbeitet und daraus ist nun die
Leitung des KILabs entstanden. (lacht)

Kommen wir zu ganz praktischen Fragen. Was müsste ich als Heidelberger
Lehrerin tun, um einen Tag in Ihrem Schülerlabor verbringen zu können?
Im Idealfall kennen Sie dann schon unsere Website, auf der Sie die ersten
Informationen erhalten. Dort können Sie uns direkt über ein Online-
Anmeldeformular kontaktieren. Dann finden wir einen passenden Termin und
vor dem eigentlichen Besuch können Sie Ihre Klasse im Unterricht mithilfe
unseres kompakten „SchülerWissens“ ideal auf den Tag hier im Biologicum
vorbereiten.

Wie viele Teilnehmende finden bei Ihnen Platz?
Henrich: Unter normalen Bedingungen bietet der Raum Platz für 20
Schülerinnen und Schüler plus zwei betreuende Personen. Aktuell können
unter Corona-Bedingungen 16 Teilnehmende plus zwei Betreuende zu uns
kommen.

Wie viel Zeit nimmt ein kompletter Schülerlabortag in Anspruch?
Angedacht ist 9–15 Uhr inklusive einer Mittagspause.

Kann ich mit einer 8. Klasse genauso wie mit einer 12. Klasse zu Ihnen
kommen?
Nicht ganz, unser Angebot gilt ab Jahrgangsstufe 9. Aktuell kommen vor
allem Jahrgänge aus der Oberstufe, weil dort das Thema Verhaltensbiologie
im Lehrplan vorgesehen ist. Unsere Inhalte sind aber für alle ab Klasse 9
verständlich und spannend aufbereitet.

Nun haben Sie bereits ein Jahr Konzeptionsphase hinter sich. Was sind ihre
Wünsche für das nächste Jahr des KILabs?
Henrich: Mein großer Wunsch ist, dass das Angebot zunächst gut anläuft.
Außerdem hoffe ich, möglichst viele Klassen für die verhaltensbiologischen
Inhalte begeistern zu können und Verständnis für die Grundzüge der KI zu
schaffen. Gerade weil KI schon Bestandteil des Alltags der Schülerinnen
und Schüler ist und auch im Berufsleben ganz klar Teil des Alltags werden
wird.
Dierkes: Es ist ein sehr neuartiges Schülerlabor. Deswegen freue ich mich
sehr auf die Reaktionen und die Erfahrungen, die wir damit machen werden.
Schließlich sind wir für die geplante Intensivphase als Ferienprogramm auf
die Erfahrungen aus dem Schülerlabortag angewiesen.
Burger: So geht es mir auch. Aus biologisch-didaktischer Sicht würde ich
mich wahnsinnig freuen, wenn der eine oder die andere hier rausgeht und
sagt: „Ok, Verhaltensbiologie ist echt spannend!“ Es wäre toll, wenn wir
hier einen neuen Zugang zu diesem Thema des Biologie-Lehrplans schaffen.
Und auf die Intensivwoche freue ich mich, in der wir mit den Schülerinnen
und Schülern auch nochmal in den Zoo gehen und mit Expertinnen und
Experten sprechen werden. Bis dahin freuen wir uns sehr auf die
Durchführung der Tagesprogramme und vor allem natürlich auf die
Schülerinnen und Schüler!