KI-Bildung – Roberta® weckt Begeisterung für MINT-Fächer schon in der Grundschule  

KI-Bildung in der Grundschule mit der Roberta-Initiative|||
|Die Entwicklung des Roberta-Netzwerkes über die Jahre.|© insta_photos - stock.adobe.com/Fraunhofer IAIS|

Eine frühere Förderung im MINT-Bereich ist wichtig, da stimmen Expert*innen überein. 

Im vergangenen Jahr wurde im IBQ-Bildungstrend deutlich, dass immer weniger Viertklässler*innen die Mindeststandards erreichen. In Mathematik verfehlt mehr als jedes fünfte Kind (22 Prozent) diesen Standard. In einigen Bundesländern ist es sogar jedes dritte Kind, wie in Berlin (34,5 Prozent). Und auch in NRW ist die Zahl mit 28,1 Prozent alarmierend. 

Hier setzt die Initiative „Roberta® – Lernen mit Robotern“ des Fraunhofer-Instituts für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS an. Ihr Ziel: Kinder fürs Programmieren, Robotik und KI zu begeistern. Dabei geht es nicht nur darum, digitale Angebote zu nutzen, sondern vor allem auch darum, digitale Grundkenntnisse zu erlangen und die Technik zu verstehen. Diese Kenntnisse sind essenziell – sei es für die Berufswelt von heute oder morgen oder auch für den Alltag der jungen Generation.  

Gestartet ist Roberta als Förderprojekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung und hat sich bis heute zu einer der größten MINT-Bildungsinitiativen in Deutschland entwickelt. In mehr als 20 Jahren hat das Fraunhofer IAIS rund 5000 Lehrkräfte zu Roberta-Teachers geschult und mehr als 650 000 Schüler*innen erreicht. 

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Die Entwicklung des Roberta-Netzwerkes über die Jahre.
© Fraunhofer IAIS

Ein Erfolgsgeheimnis der Initiative sind die Erfolgserlebnisse der Kinder. Wenn sie es geschafft haben, den Roboter fahren zu lassen und dann zum Beispiel einem Hindernis auszuweichen, zeigt sich, das jede und jeder programmieren lernen kann. Solche Erfolgserlebnisse stärken das Selbstvertrauen und steigern die Lernerfolge.  

Motivation und Spaß sind dabei die ersten wichtigen Schritte. Durch den Einsatz von Robotern begreifen Schüler*innen den, Sinn und Zweck’ von Algorithmen. Komplexe Zusammenhänge können so besser und nachhaltiger vermittelt und gelernt werden.  

 Roberta® – grenzenlos digitale Bildung fördern 

Die wichtigsten Merkmale und Ziele der Roberta-Initiative sind: 

  • Geschlechtergerechtigkeit: Die Initiative legt besonderen Wert darauf, Mädchen für MINT-Fächer zu begeistern und das Interesse an Technik und Informatik bei ihnen zu wecken. 
  • Praxis- und Projektorientierter Ansatz: Schülerinnen und Schüler arbeiten aktiv mit Robotern und lernen, diese zu programmieren und zu steuern. 
  • Lehrkräftefortbildung: Roberta bietet Lehrerinnen und Lehrern Schulungen und Workshops an, damit sie das nötige Wissen und die Fähigkeiten erlangen, um Roboter- und Programmieraktivitäten in den Unterricht zu integrieren. 
  • Breite Anwendung: Die Initiative ist nicht auf bestimmte Altersgruppen oder Schultypen beschränkt, sondern kann an Grundschulen, weiterführenden Schulen und auch außerschulischen Bildungseinrichtungen genutzt werden. 
  • Eigene Programmierumgebung: Open Roberta ist eine webbasierte Online-Programmierplattform. Sie bietet Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit, spielerisch und interaktiv die Programmierung von Robotern und weiteren Hardware-Systemen zu erlernen. Die Open-Source Plattform wurde speziell für den Einsatz im Bildungsbereich entwickelt, um MINT-Unterricht zu unterstützen und die Hürden für den Einsatz von Programmierung, Robotik und KI in Schulen zu minimieren. 

Der Erfolg der Roberta-Initiative liegt in ihrem innovativen und praxisnahen Ansatz, der bei Schülerinnen und Schülern das Interesse an MINT-Fächern weckt und gleichzeitig Lehrkräfte befähigt, diese Fächer spannend und anschaulich zu vermitteln. Durch die Förderung von MINT-Kompetenzen möchte die Roberta-Initiative dazu beitragen, junge Menschen (Mädchen gleichermaßen wie Jungen) für technische und naturwissenschaftliche Berufe zu begeistern und damit auch dem Fachkräftemangel in diesen Bereichen entgegenzuwirken.  

Der Handlungsbedarf in den MINT-Fächern ist groß. Das zeigen nicht nur fehlende Lehrkräfte, ungenutzte Potenziale der Digitalisierung, sondern auch ein Blick auf die Zahlen in MINT-Studiengängen. Zwar haben im Jahr 2021 38 Prozent der Erstsemester*innen ein MINT-Studium gewählt, jedoch sind die Abbruchquoten hoch. Laut IW Köln lag der Anteil im Jahr 2021 bei rund 49 Prozent. Ein Grund: unzureichende schulische Kompetenzen. Der Grundstein muss also bereits in der Schule gelegt werden. Kinder und Jugendliche sollen die Digitalisierung mitgestalten können.  

Lernen mit Robotern – aber warum? 

Gerade Roboter bieten für Kinder und Jugendliche einen attraktiven Zugang zu Informatik. Roboter bieten zudem die Möglichkeit, interdisziplinäre Inhalte zu vermitteln 

  1. Technologie und Ingenieurwesen: Roboter sind komplexe technische Artefakte, die auf ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien basieren. Durch die Arbeit mit Robotern können junge Menschen grundlegende Konzepte wie Mechanik, Elektronik, Steuerungssysteme und Materialwissenschaften kennen lernen. 
  1. Informatik und Programmierung: Zur Programmierung von Robotern sind Kenntnisse der Informatik und Logik notwendig. Kinder und Jugendliche lernen grundlegende Programmierkonzepte wie Befehlssequenzen, Schleifen und Bedingungen, wenn sie, Roboter programmieren Aufgaben auszuführen. Dies fördert das algorithmische Denken und die Fähigkeit, komplexe Probleme zu lösen. 
  1. Mathematik: Bei der Programmierung von Robotern werden mathematische Konzepte wie Koordinatensysteme, Geometrie und Trigonometrie verwendet. Durch die Anwendung der Mathematik in der Praxis, z. B. bei der Navigation eines Roboters oder bei der Berechnung von Abläufen, können junge Menschen einen stärkeren Bezug zur Mathematik entwickeln – Formeln bekommen einen Sinn. 
  1. Naturwissenschaften: Roboter können als Werkzeuge eingesetzt werden, um naturwissenschaftliche Phänomene zu erforschen. Beispielsweise können Roboter eingesetzt werden, um Experimente in Physik, Chemie oder Biologie durchzuführen. Auf diese Weise können junge Menschen praktische Erfahrungen sammeln und naturwissenschaftliche Prinzipien selbst anwenden und umsetzen. 

KI-Bildung mit Open Roberta 

Künstliche Intelligenz (KI) als eines der bedeutendsten Themen unserer Zeit ist ebenfalls ein Thema der Bildungsinitiative. KI durchdringt bereits jetzt viele Bereiche unseres Lebens. Wenn wir uns einen souveränen Umgang mit dem Thema wünschen, müssen wir das Thema bereits früh in die Schulen bringen. Hervorzuheben ist hier die enge Anbindung an das Lamarr-Institut als führendes Institut im Bereich KI-Spitzenforschung. Seit 2022 können im Open Roberta Lab auch einfache künstliche neuronale Netze (KNN) programmiert werden. Open Roberta nennt dies xNN (für explainable Neuronal Networks). xNN bietet Schüler*innen bereits ab der 6. Klasse die Möglichkeit, einfache neuronale Netze selbst zu programmieren. Normalerweise werden KNNs als eine Art Blackbox eingesetzt. Zum Beispiel um das Smartphone per Gesichts- oder Fingerabdruckerkennung zu entsperren. Das Open Roberta Lab bietet die Möglichkeit, einen Blick in diese Blackbox zu werfen und sich so spielerisch die Grundlagen Neuronaler Netze anzueignen. Schüler*innen kommen so bereits frühzeitig mit der Technik hinter KI in Berührung. KI-Algorithmen werden durch die grafische Programmierung intuitiv erleb- und verstehbar.  

KNN OpenRoberta Quelle insta photos stock adobe comFraunhofer IAIS 1 - Lamarr Institute for Machine Learning (ML) and Artificial Intelligence (AI)
Das Fraunhofer IAIS hat erstmals Künstliche Neuronale Netze auf seiner Programmierplattform Open Roberta integriert.
© insta_photos – stock.adobe.com/Fraunhofer IAIS

Das Künstliche Neuronale Netz erhält seine Daten von den Sensoren eines Roboters, verarbeitet diese im selbst programmierten KNN und gibt die Werte an den Roboter zurück, der diese z.B. als Motorwerte interpretiert. Die Schüler*innen lernen so sehr schnell den Einfluss von Daten auf das Neuronale Netz und somit auch auf die Steuerung des Roboters. Darüber hinaus bietet xNN auch die Möglichkeit, das Neuronale Netz so zu trainieren, dass der Roboter Hindernissen ausweicht oder einer schwarzen Linie folgt. 

Warum wir junge Menschen frühzeitig für Themen wie Coding, Robotik und KI begeistern müssen 

Künstliche Intelligenz und Programmieren dürfen nicht mehr losgelöst von anderen Themen gesehen werden. Wenn Kinder und Jugendliche die grundlegenden Prozesse in diesem Bereich verstehen, hilft ihnen das nicht nur in anderen naturwissenschaftlichen Fächern, sondern auch im Alltag. KI wird nicht mehr verschwinden. Kinder sind neugierig, wie man KI benutzen kann. Sie sollten aber auch wissen, was dahintersteckt und wie Algorithmen funktionieren. Das ist auch ein Weg, um dem stetig steigenden Fachkräftemangel etwas entgegenzusetzen. Die Roberta-Initiative schafft frühzeitig einen Bezugspunkt zu Technik und Informatik und legt damit den Grundstein für die MINT-Ausbildung der kommenden Generation. Mit dem Lamarr-Institut und der Anbindung an die Forschung zahlt das Engagement auf nachhaltigen Spitzenleistungen in der Forschung ein und kann ein erster Schritt in der Karriere von hochqualifizierten Wissenschaftler*innen von morgen sein.  Gemeinsam befähigen wir junge Menschen, die digitale Zukunft zu verstehen und sie aktiv zu gestalten. 

Weiterführende Informationen

Thorsten Leimbach

Thorsten Leimbach ist Leiter des Geschäftsfeldes „Smart Coding and Learning“ am Fraunhofer IAIS und leitet die Initiative „Roberta® – Lernen mit Robotern“. Unter anderem verantwortet er die Weiterentwicklung und Verbreitung des Open Roberta Labs. Thorsten Leimbach studierte Wirtschaftsinformatik und Business Administration an den Hochschule Bonn-Rhein-Sieg und RWTH Aachen. Er ist Mitglied im Beirat der Initiative „SheTransformsIT“.

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