Apfel oder Popcorn? - Eine enaktive Einführung in KI, maschinelles Lernen und Entscheidungsbäume mit Datenkarten

Auf dieser Seite werden nach und nach die Inhalte der Unterrichtsreihe „Entscheidungsbäume mit Datenkarten“ eingefügt.

Kurzübersicht zur Unterrichtsreihe Phase Thema Inhalt 1 1 U.-Std. Was ist eine KI? In dieser Phase wird als Einstieg ein fertiges KI-System exploriert. Dabei werden Vorkenntnisse aktiviert und erste Erkenntnisse über KI-Systeme und maschinelles Lernen gewonnen. 2 1 U.-Std. Exkurs: Lebensmittel In dieser Stunde erfolgt ein Einstieg in den Datenbegriff und das Thema Lebensmittel. Dazu begreifen wir Nährwertangaben als Ausprägungen von Merkmalen zu Lebensmitteln. 3 1 U.-Std. Daten vorbereiten: Labeln des Datensatzes Die zu entwickelnde künstliche Intelligenz soll später basierend auf Nährwertangaben vorschlagen, ob ein Lebensmittel eher empfehlenswert oder eher nicht empfehlenswert ist. Wenn ein KI-System mit maschinellem Lernen erstellt wird, dann werden dafür Beispiele für eher empfehlenswerte oder eher nicht empfehlenswerte Lebensmittel benötigt. In dieser Stunde werden solche Beispiele in Form von Daten mit Hilfe der Datenkarten hergestellt.

4 1 U.-Std. Einführung: Aufstellen einer Entschei-dungsregel Ziel innerhalb der Unterrichtsreihe ist es, ein mehrstufiges Regelsystem zur Klassifikation von Lebensmitteln zu erstellen. Dafür lernen die SuS in dieser Stunde zunächst Entscheidungsregeln (einstufige Entscheidunsgbäume) aus den Daten abzuleiten. Dies wird mit dem Konzept des Datensplits umgesetzt, das in dieser Stunde eingeführt wird. Dabei werden die Datenkarten anhand eines Merkmals und eines sogenannten Schwellenwerts in zwei Teilgruppen aufgeteilt (z.B. Lebensmittel mit bis zu 10 g Fett und über 10 g Fett). Die Entscheidungsregeln werden in dieser Stunde exemplarisch mit Hilfe des Merkmals Energie erstellt. 5 2 U.-Std. Einstufige Entscheidungs-bäume selbst erstellen Die SuS wissen nun, wie man eine Entscheidungsregel aufstellen kann. Bisher wurden aber nur ein Merkmal und drei Schwellenwerte ausprobiert. Um den resultierenden Entscheidungsbaum zu verbessern und noch mehr Lebensmittelkarten richtig zu klassifizieren, wird in dieser Stunde erarbeitet, wie man systematisch nach guten Entscheidungsregeln suchen kann. Dabei werden verschiedene Merkmale einbezogen und ein strategisches Vorgehen beim Suchen des Schwellenwertes erarbeitet.

6 1 U.-Std. Mehrstufige Entscheidungs-bäume erstellen Nachdem die SuS systematisch nach guten Entscheidungsregeln gesucht haben, ist zu erkennen, dass man mit einer Entscheidungsregel nicht alle Lebensmittel korrekt klassifizieren kann. Es wird offensichtlich, dass man ein mehrstufiges Regelsystem benötigt. Deshalb werden in dieser Stunde basierend auf der ersten Regel weitere Merkmale einbezogen, um Entscheidungsregeln in der zweiten Stufe des Baums zu erstellen. Je nachdem wie schnell die SuS arbeiten, können sie zwei- oder mehrstufige Entscheidungsbäume erstellen.

7 1 U.-Std. Entscheidungs-bäume mit neuen Daten testen Nachdem verschiedene Gruppen von SuS unterschiedliche Entscheidungsbäume erstellt haben, werden diese Bäume auf neue Lebensmittel angewendet, die die SuS auf Blankokarten selbst mitgebracht haben. Die selbst mitgebrachten Lebensmittel werden mit allen Bäumen klassifiziert. Dadurch wird offensichtlich, dass in den Entscheidungsbäumen auch Unsicherheiten stecken, da einige Lebensmittel falsch klassifiziert werden.

8 1 U.-Std. Automatisiert Entscheidungs-bäume mit dem Computer erstellen Um die Unsicherheiten in Entscheidungsbäumen systematisch weiter zu untersuchen, testet in dieser Stunde jede Gruppe ihren Entscheidungsbaum mit den 15 Testkarten, die im Katenspiel als gelbe Karten gekennzeichnet sind. So wird es möglich, die Performance der Entscheidungsbäume miteinander zu vergleichen.

9 1 U.-Std. Reflexion Wie wird mit Hilfe eines Computers ein Entscheidungsbaum erstellt? Anknüpfend an die letzten Stunden können Schülerinnen und Schüler in dieser Stunde einen Entscheidungsbaum zu den Lebensmitteldaten mit Hilfe eines Computers automatisiert erstellen lassen. Sie können dabei auch die Daten verändern und die Auswirkungen auf den Entscheidungsbaum beobachten. Abschließend wird noch einmal reflektiert, wie mit Hilfe des Computers aus Daten Entscheidungsbäume erstellt werden, welche Vor- und Nachteile dies hat und wo die SuS solche Entscheidungsmodelle in ihrem Alltag wiederfinden.