Konzeption und Erprobung einer Unterrichtsreihe zu maschinellem Lernen für den natur- und technikwissenschaftlichen Unterricht

Abstract

Der Grundgedanke dieser Arbeit liegt unter dem Gedanken, wie der technische und naturwissenschaftliche Unterricht in der näheren Zukunft gestaltet werden kann. Dabei wurden vor allem zukunftsrelevante Technologien und Entwicklungen ins Auge gefasst. So ergab sich das Themenfeld des maschinellen Lernens im Gesamtkomplex der künstlichen Intelligenz, vor allem auch da zu aktuellem Stand der Arbeit dieses Themenfeld noch nicht im Bildungsplan enthalten ist. Die entwickelte Unterrichtsreihe soll somit als Wissensgrundlage dienen und den SuS Kontakt mit diesem Thema innerhalb der Institution Schule bieten. Die entwickelte Unterrichtsreihe wurde nicht nur erfolgreich implementiert, sondern die Ergebnisse der statistischen Pilotierung (Kapitel 4.3) weisen darauf hin, dass die Unterrichtsreihe innerhalb der Experimentalgruppe zu einem signifikanten Wissenszuwachs bei SuS geführt hat. Folglich kann die Konzeption der Unterrichtsreihe im Hinblick auf die Vermittlung der angestrebten Inhalte als erfolgreich beurteilt werden. Die in Kapitel 1.2 formulierten Forschungs- und Entwicklungsfragen können nun durch die Auswertung der Ergebnisse fundiert beantwortet werden. Als zentrales Unterrichtsmaterial dient die in Kapitel 2 beschriebene Unterrichtsreihe. Diese wurde im Rahmen des Educational Design Research-Ansatzes konzipiert und adressiert insbesondere die Lernsysteme des über- und unüberwachten Lernens sowie des teilüberwachten und bestärkenden Lernens. Dabei wurde eine didaktische Reduktion der Lernsysteme durch die Verwendung wiederkehrender Schemata umgesetzt. Im Verlauf der Unterrichtsreihe werden die Aspekte der Unter- und Überanpassung, sowie Klassifikation und Regression thematisiert. Zudem erwerben die SuS grundlegende Kompetenzen zur Datenerfassung, welche sie im Rahmen einer Projektarbeit praktisch anwenden. Vor der Bearbeitung dieser Projektarbeit setzen sich die SuS zunächst mit einem Vorhaben zum bestärkenden Lernen auseinander. Somit vermittelt die Unterrichtsreihe den SuS sowohl theoretische Grundlagen als auch den praxisnahen Umgang mit den benannten Lernsystemen. Neben den Lernsystemen wird zudem der Aspekt der Datenaufnahme und Verarbeitung thematisiert, wodurch die SuS ein umfassendes Grundlagenwissen im Bereich des Maschinellen Lernens erwerben. Im Sinne des Educational Design Research-Ansatzes wurde die Unterrichtsreihe nach der Pilotierung reflektiert und entsprechend überarbeitet. Dabei wurde insbesondere die zeitliche Planung modifiziert, um diese Ressource effizienter zu nutzen und die Unterrichtsplanung zu optimieren. Somit kann die erste Forschungs- und Entwicklungsfrage durch das in Kapitel 2 dokumentierte Unterrichtsmaterial beantwortet werden, welches in Kapitel 3 didaktisch und methodisch aufbereitet wurde. Darüber hinaus wurde die Unterrichtsreihe nicht nur pilotiert, sondern auch wissenschaftlich evaluiert, um die zweite Forschungs- und Entwicklungsfrage zu untersuchen. Die in Kapitel 4 durchgeführte Testung zielte darauf ab, die Vermittlung grundlegender Wissensfacetten des maschinellen Lernens zu überprüfen. Die Ergebnisse eines t-Tests zeigten einen statistisch signifikanten Unterschied der Leistungsergebnisse vor und nach der Unterrichtsreihe, mit einer Effektstärke von 0,971, was auf einen starken Effekt hinweist. Es konnte somit nachgewiesen werden, dass die Unterrichtsreihe bei den getesteten SuS einen Wissenszuwachs bewirkte. Folglich lässt sich die zweite Forschungs- und Entwicklungsfrage ebenfalls positiv beantworten. Die Untersuchung bestätigt, dass die Unterrichtsreihe grundlegende Wissensfacetten des maschinellen Lernens erfolgreich vermittelt