Künstliche Intelligenz

Die Vorstellung, dass Maschinen eines Tages intelligenter sein könnten als Menschen, fasziniert die Menschheit schon lange. Die Entwicklung der künstlichen Intelligenz begann in den 1950er-Jahren und schreitet seither wellenartig voran. Mit der breiten Zugänglichkeit von ChatGPT im Herbst 2022 ist sie ins Bewusstsein der breiten Bevölkerung gerückt. Künstliche Intelligenz ist Teil unseres Alltags, und oft nutzen wir sie ohne unser Wissen. Ihre Entwicklung wird weitergehen. Unterdessen hat sie in den Modulen «Medien und Informatik» sowie in den Anwendungskompetenzen des Lehrplans 21 ihren festen Platz. Längst nutzen Lehrpersonen künstliche Intelligenz für die Unterrichtsvorbereitung und Schulleitungen für Textentwürfe. Diese ersten Nutzungsszenarien zeigen, wie wichtig es ist, über technologisches Wissen und Anwendungswissen zu verfügen sowie über mögliche Folgen und Wirkungen Bescheid zu wissen (Perspektiven gemäss Dagstuhldreieck).

Die Nutzung künstlicher Intelligenz findet auf der Ebene Unterricht, Personal und Organisation statt. An dieser Gegebenheit wird sich die Schulentwicklung orientieren (siehe Schulentwicklung KI). Der Schule stellt sich auch die Frage, welche Auswirkungen die künstliche Intelligenz auf die Prozesse in der Schule hat. Inwiefern wird sich die gelebte (Organisations-)Kultur verändern, wenn künstliche Intelligenz auch als Sparringpartner (Co-Pilot) verwendet werden kann? 

Leitsätze zur Künstlichen Intelligenz

Das Volksschulamt hat Leitsätze zum Thema der künstlichen Intelligenz an Schulen formuliert. Sie dienen den Schulen dazu, über den eigenen Zugang der Schule zu künstlicher Intelligenz nachzudenken und zu diskutieren. 

1 - Ein fester Bestandteil von Gesellschaft und Schule
Die Schulen erkennen die Bedeutung von KI als integraler Bestandteil der modernen Gesellschaft. Sie sind offen für diese Entwicklung. Schülerinnen und Schüler entdecken und lernen gemeinsam mit der Schule den Umgang mit KI und lernen dabei für ihre zukünftige Lebens- und Berufswelt.

2 - Als Inspiration und Ergänzung nutzen
Die Schulen nutzen KI als kreatives Werkzeug zur Unterstützung und Inspiration. Damit kann die Schule innovative Lernmöglichkeiten schaffen, individuelle Entwicklungen von Schülerinnen und Schülern fördern sowie nützliche Arbeits- und Bildungsprozesse hervorbringen. KI ergänzt und erweitert den pädagogischen Dialog der Lehrpersonen.

3 - Möglichkeiten, Grenzen und Funktionsweise kennen
Die Schulen fördern das Verständnis von KI bei Schülerinnen und Schülern sowie ihren Mitarbeitenden, indem sie die Grundlagen, Möglichkeiten und Grenzen kennen, verstehen und zugänglich machen. Sie halten ihr Wissen über KI durch Weiterbildungen auf dem Laufenden. Schulen stärken damit das kritische Denken, die Medienkompetenz und ethisches Handeln im Umgang mit KI.

4 - Bildung für Alle
Die Schulen garantieren, dass alle Zugang zu den neuen Möglichkeiten mit KI haben. Unabhängig von der Herkunft, vom sozioökonomischen Status und den körperlichen sowie geistigen Fähigkeiten sollen Kinder und Jugendliche in der Schule KI nutzen können.

5 - Rechtskonforme Anwendung sicherstellen
Die Schulen gewährleisten, dass der Zugang und die Nutzung von KI in der Volksschule den Datenschutzbestimmungen und den übrigen gesetzlichen Bestimmungen entsprechen.

Schulführung und Künstliche Intelligenz

Die Künstliche Intelligenz (KI) spielt eine zunehmend wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen des Bildungswesens, einschliesslich der Schulführung. Wie in allen anderen Bereichen gilt für die Schulführung beim Einsatz von KI, dass man KI bewusst einsetzt und sich an die aktuellsten Datenschutzbestimmungen hält. Die sich heute abzeichnenden Bereiche werden im Folgenden aufgeführt.

Personalentwicklung
KI kann bei der Auswahl, Schulung und Identifikation spezifischer Kompetenzen sowie bei der Beurteilung von Lehrkräften unterstützen. Zum Beispiel können Algorithmen bei der Identifizierung von Lehrpersonen mit bestimmten Fähigkeiten oder bei der Planung von Schulungen zur beruflichen Weiterentwicklung hilfreich sein. KI-gestützte Lernplattformen bieten die Möglichkeit, personalisierte Schulungsprogramme zu erstellen, die auf die individuellen Bedürfnisse von Mitarbeitenden zugeschnitten sind. Zu beachten gilt hier besonders, dass dies datenschutzkonform erfolgt.

Kommunikation und Interaktion
Chatbots und virtuelle Assistenz können Schulen dabei helfen, mit Schülerinnen und  Schülern, Eltern und anderen Interessengruppen zu kommunizieren. Sie können häufig gestellte Fragen beantworten, Informationen bereitstellen und administrative Aufgaben wie Terminplanungen übernehmen. Virtuelle Assistenzen und Chatbots bergen auch für Führungspersonen bezüglich der internen Kommunikation Potenzial.
Als Sparringpartner entwirft KI Texte, Briefe oder mindestens Textbausteine, die gerade in schwierigen Kommunikationssituationen dienlich sein können. KI überprüft Texte auch auf ihre Vollständigkeit und Wirkung.

Administration
Administrative Aufgaben können mit KI effizienter erledigt werden, zum Beispiel das Schreiben von Zwischen- und Arbeitszeugnissen unter Berücksichtigung der Datenschutzrichtlinien. Insbesondere für die Entlastung bei Routineaufgaben bietet die KI ein grosses Potenzial, das es auszuschöpfen gilt. Das betrifft insbesondere Aufgabenbereiche der Schulverwaltungen wie Stundenplanung, Klassenzuteilung, Ressourcenoptimierung, aber auch datengeschützte  Schulentwicklung, wenn es um das Erkennen von Mustern und Zusammenhängen geht.

Budget- und Finanzplanung
KI kann bei der Analyse von Finanzdaten helfen, um Budgets effizienter zuzuweisen und Ressourcen optimal zu nutzen. Durch die Vorhersage von Bedürfnissen und Trends können Schulleitungen und/oder Leitungen fundierter entscheiden, wie sie finanzielle Mittel am besten einsetzen können und wollen.

Kulturentwicklung
Die Einführung von KI geht weit über die technische Implementierung hinaus. Sie erfordert einen tiefgreifenden Kulturwandel, den es erfolgreich und nachhaltig zu gestalten gilt. Neben der Sensibilisierung für die Bedeutung und das Potenzial von KI ist es die Förderung der KI-Kompetenzen, die den Kulturwandel unterstützen. Damit KI zum integralen Bestandteil der Organisationskultur wird, müssen bestehende Strukturen und Prozesse angepasst werden. Führungskräften fällt in diesem Prozess eine Schlüsselrolle zu.

Ethik und Gesellschaft
Für die Schulführung bietet KI eine Vielzahl von Chancen. Doch sie wirft auch neue Fragen auf: Fragen zur Datensicherheit, Privatsphäre und fairen Nutzung von KI-Systemen. Führungskräfte werden verantwortlich sein für die Art und Weise des Einsatzes von KI an ihrer Schule. Sie werden sicherstellen müssen, dass die neue Technologie im Einklang mit den Werten und Leitlinien der Schule und den Bedürfnissen der Mitarbeitenden steht. Die KI kann Leitung und Kommunikation unterstützen, aber sie kann nicht leiten und nicht kommunizieren. Führungskräfte müssen in der Lage sein, die ethischen Fragen, die dieser neuen Technologie immanent sind, zu erkennen und anzusprechen. Zum Beispiel: Wie können wir den Datenschutz gewährleisten? Wie können wir verhindern, dass Algorithmen zu Diskriminierung führen? Wie stellen wir sicher, dass an unserer Schule über den Einsatz von KI-Technologie transparent informiert wird ? 

Künstliche Intelligenz und Unterricht

Künstliche Intelligenz (KI) ist eine wertvolle Ressource für den Unterricht in der Volks-schule. KI kann sowohl von Lehrpersonen, zum Beispiel bei der Planung, Durchführung und Nachbereitung des Unterrichts, wie auch von Schülerinnen und Schülern beispiels-weise als Inspirationsquelle, Lernunterstützung oder gar als Gesprächspartnerin einge-setzt werden.

Einsatzmöglichkeiten für Schülerinnen und Schüler 
Für die Schülerinnen und Schüler kann KI (z.B. ChatGPT) folgende Hilfestellungen und Einsatzmöglichkeiten bieten:

• Wissenserwerb: Der KI können gezielt Fragen gestellt werden, wobei die Antwor-ten kritisch überprüft werden müssen. 
• Selbstorganisiertes, individuelles Lernen: KI ermöglicht als Lernassistenz eine schrittweise, interaktive Begleitung von Schülerinnen und Schülern.
• Unterstützung des Schreibprozesses: Künstlich generierte Textbausteine und Ar-gumente können genutzt werden, um davon ausgehend (und unter Umgehung der «Angst vor dem leeren Blatt») eigenständige Texte zu entwickeln.
• Kompetenzaufbau und Üben (anwenden, vertiefen): KI kann adaptive Lernunter-stützung bieten, sodass Lerninhalte noch passender zur Verfügung gestellt wer-den können. 
• Überprüfung von Kompetenzen: KI kann helfen, die Antworten von Schülerinnen und Schülern zu überprüfen und bietet ein unmittelbares Leistungsfeedback an.
• Überfachliche Kompetenzen: KI kann zum Nachdenken anregen. Im Rahmen der Methodenkompetenz kann sowohl über den sinnvollen als auch über den frag-würdigen Einsatz von KI für das eigene Arbeiten der Schülerinnen und Schüler nachgedacht werden. 
• Besondere Förderung: KI kann als persönliche Lernassistenz für Kinder mit einer Beeinträchtigung dienen. 

Einsatzmöglichkeiten für Lehrpersonen
Für die Lehrpersonen kann KI folgende Unterstützung bieten: 

Vorbereitung des Unterrichts 

• Präparationen: KI kann stufen- und themengerechte Vorbereitungen erstellen (inkl. des fachlichen Hintergrunds und evtl. auch passender Skizzen oder Grafi-ken). Lehrpersonen erhalten dadurch einen Entwurf für ihre Lektionen. Dieser soll kritisch hinterfragt werden, zu eigener Kreativität anregen und den klassenspezi-fischen Anforderungen angepasst werden. 
• Binnendifferenzierung (ergänzend zur Binnendifferenzierung in den Lehrmitteln): Aufgabenstellungen können – inklusive Lösungen – auf verschiedenen Schwie-rigkeitsstufen und in unterschiedlichen Formaten direkt erstellt werden. 
• Didaktik: Die KI kann aufgefordert werden, neue didaktische Formen wie z.B. Scrum (agile Projektmethode) umzusetzen. Damit kann eine Lehrperson ihr di-daktisches Repertoire erweitern.
• Aufbereitung der Lerninhalte: KI kann lexikalisches Wissen direkter und gezielter aufbereiten und anbieten. Der wesentliche Unterschied zu Webseiten besteht da-rin, dass die KI umfangreiche Informationen in lerngerechte Portionen aufbereiten kann.

Durchführung des Unterrichts

• Unterrichtswerkzeug: Der Umgang mit KI soll so trainiert werden, dass sie als un-terstützendes Werkzeug bei Lernschritten von allen Schülerinnen und Schülern genutzt werden kann.Medien-, Informatik- und Anwendungskompetenzen: Mit KI können beispielswei-se Quellen geprüft und anhand aktueller Anwendungen thematisiert werden.
• Individualisierung (Förderung): KI kann Lernerfolge nicht nur erkennen, sondern auch erfolgsversprechende Lernwege aufzeigen. 
• Überfachliche Kompetenzen: Durch den Einsatz von KI verlagert sich der Fokus vermehrt auf eigenständiges und kritisches Denken, auf Lernstrategien und Krea-tivität. 

Nachbereitung des Unterrichts

• Lernunterstützung: Bei festgestellten Schwierigkeiten kann KI alternative Vorge-hensweisen und Aufgaben aufzeigen.
• Feedback: KI kann Entwürfe für Rückmeldungen zu Arbeiten von Schülerinnen und Schülern erstellen.

Beurteilung
Künstliche Intelligenz kann auch bei der Beurteilung dienlich sein. Das Volksschulamt gibt dazu folgende Empfehlungen und Hilfestellungen (Link). Diese werden laufend der aktuellen Entwicklung angepasst. 
 

Künstlichen Intelligenz in der besonderen Förderung

Dieser Bereich ist aktuell in der Erarbeitung in Zusammenarbeit mit der HfH.

Rechtliche Aspekte zu Künstlicher Intelligenz

Ausgangslage

Zum jetzigen Zeitpunkt bestehen in der schweizerischen Rechtsordnung keine rechtlichen Bestimmungen, welche spezifisch auf künstliche Intelligenz (KI) zugeschnitten sind. Das heisst, es gelten diesbezüglich im Schulbereich weiterhin die aktuellen gesetzlichen Bestimmungen. Allerdings ist es empfehlenswert, sich über aktuelle rechtliche Entwicklungen im Bereich der KI auf der Website der Datenschutzbeauftragten des Kanton Zürichs auf dem Laufenden zu halten. 
Es ist zu beachten, dass bei der Benutzung der KI keine Personendaten bzw. besondere Personendaten verarbeitet werden (vgl. § 3 Abs. 3 des Gesetzes über die Information und den Datenschutz [IDG] resp. § 3 Abs. 4 IDG). Im Weiteren gilt auch bei der Benutzung der KI das Urheberrecht. Beispielsweise ist bei KI-generierten Bildern darauf zu achten, dass bei deren Verbreitung (z.B. Veröffentlichung im Internet) gegebenenfalls Urheberrechte verletzt werden können, wenn das KI-generierte Bild mit einem Werk einer Urheberin oder eines Urhebers zu grosse Ähnlichkeiten aufweist. Weiter beruhen beispielsweise verschiedene KI-Anwendungen auf der technischen Analyse von Handschriften oder Stimmerkennungen. Dabei handelt es sich um biometrische Daten, das heisst besondere Personendaten. Ausserdem kann aus der Art und der Häufigkeit der Nutzung sowie den abgefragten Inhalten ein datenschutzrechtlich relevantes Persönlichkeitsprofil eines Schulkindes angefertigt werden. Die Schule hat deshalb in solchen Fällen höhere datenschutzrechtliche Schutzvorkehrungen zu treffen.

Abweichende Datenschutzstandards

Die gesetzlichen Datenschutzstandards in den USA weichen von denjenigen der Schweiz ab, was zu Konflikten bezüglich des Schutzniveaus personenbezogener Daten führen kann. Darüber hinaus kann sich die Durchsetzung des schweizerischen Datenschutzrechts bei Anbietern von KI mit Sitz in den USA als schwierig erweisen.
Es ist empfehlenswert, persönliche Daten generell nur nach reiflicher Überlegung zu teilen. Auf das Teilen von Daten von Drittpersonen ist zu verzichten.

Zugang zu KI-Anwendungen – Unentgeltlichkeit des Unterrichts beachten

Aufgrund des Unentgeltlichkeitsgrundsatzes für die Volksschule (Art. 19 der Bundesverfassung [BV]) kann von Schülerinnen und Schülern nicht erwartet werden, über ein Mobiltelefon zu verfügen, um einen Zugang zu Anbietern von KI (bspw. ChatGPT) zu lösen. Es ist aber möglich, dass die zuständige Lehrperson eine Zugangsschnittstelle zu den KI-Programmen für die Schülerinnen und Schüler herstellt. Auch in dieser Konstellation müssen die Schülerinnen und Schüler aber instruiert werden, sorgfältig mit ihren persönlichen Daten umzugehen. Weiter muss im Hinblick auf die Aufsicht und Kontrolle sichergestellt sein, dass keine persönlichen Daten verwendet werden.

KI-Generatoren

Der Bildungsauftrag der Schule kann die Verwendung des KI-Generators als Unterrichtsmittel rechtfertigen. Dabei ist die Schule verantwortlich für die Datenbearbeitung. Die Eltern sind über den Einsatz von KI-Generatoren und die damit verbundenen Datenbearbeitungen zu informieren. Weitergehende Information dazu finden sich auf der Website der Datenschutzbeauftragten des Kanton Zürichs zum Thema «Einsatz von KI an Schulen» (Link zur Webseite der DSB ZH).

Weiterführende Links und Dokumente:

• Künstliche Intelligenz in der Bildung – Rechtliche Best Practices | Kanton Zürich (zh.ch)

KI - so funktioniert sie

Schwach, stark, superintelligent – drei Formen künstlicher Intelligenz

Wenn wir umgangssprachlich von künstlicher Inteligenz reden, meinen wir meist eine schwache KI. Diese ist in vielen Bereichen unseres Alltags bereits integriert, wir kennen z.B. Alexa oder Siri. Die Entwicklungen gehen aber weiter. Starke und superintelligente künstliche Intelligenz werden die nächsten Stufen sein. Worin unterscheiden sie sich?

• Eine schwache künstliche Intelligenz ist ein Programm, das auf ein Gebiet spezialisiert ist. Sie ist richtig gut, aber bloss in einer einzigen Sache.
• Eine weiterentwickelte Stufe ist die starke künstliche Intelligenz. Diese gibt es aktuell noch nicht. Sie zielt darauf ab, Maschinen zu schaffen, die menschliche Denkprozesse übernehmen. Die starke künstliche Intelligenz ist nicht nur in einem Bereich stark, sondern kann Erlerntes auf andere Bereiche übertragen.
• Die superintelligente Form der künstlichen Intelligenz zielt darauf ab, Maschinen zu schaffen, die menschliche Denkprozesse übertreffen. Auch sie gibt es noch nicht.

So funktioniert künstliche Intelligenz

Soll eine schwache künstliche Intelligenz wirkungsvoll genutzt werden, ist es wichtig, ihre Funktionsweise zu verstehen. Was sind ihre wichtigsten Elemente? 

Wie lernt künstliche Intelligenz?

Grundsätzlich arbeitet künstliche Intelligenz mit Daten, die nach beliebigen Kriterien miteinander verknüpft werden können. Je mehr Daten und Kriterien vorhanden sind, desto besser können auch komplexe Zusammenhänge erkannt und berechnet werden. Das jedoch erfordert stets leistungsstärkere Computer. Immer mehr Daten und immer grössere Rechenleistungen treiben die Entwicklung künstlicher Intelligenz voran. 
Der Computer arbeitet mit Algorithmen, die von Menschen definiert werden. Sie geben vor, nach welchen Kriterien die Daten miteinander verknüpft werden sollen. Algorithmen werden stets weiterentwickelt. Unterdessen ist die künstliche Intelligenz immer mehr in der Lage, selbst neue Kriterien zu finden, diese zu überprüfen und selbständig weiterzuentwickeln. 
Zum Beispiel ordnet die künstliche Intelligenz aufgrund von Algorithmen visuelle Daten von Katzen dem Kriterium für «Katze» zu. Das heisst, die KI «lernt» mit der Zeit ausgezeichnet, wie eine Katze aussieht. Zeigt man der künstlichen Intelligenz das Bild eines Hundes, so erkennt sie nur, dass es keine Katze ist. Sie erkennt den Hund nicht. Das zeigt die Grenzen der künstlichen Intelligenz auf: Sie ist auf den Bereich beschränkt, auf den sie trainiert wurde.

Vergleich mit dem menschlichen Nervensystem

Mit dem Begriff «künstliche Intelligenz» ist gemeint, dass bestimmte Funktionsweisen des menschlichen Nervensystems wie Wahrnehmung und Verarbeitung nachgeahmt werden sollen: Visuelle, akustische oder andere Reize treffen auf Nervenzellen, die diese weiterleiten. Unser Gehirn bewertet diese Inputs (Reize), und je nachdem verstärkt es sie, oder es vermindert ihre Bedeutung. Entsprechend werden die Inputs an alle anderen Nervenzellen weitergegeben. Je umfassender unser Gehirn den Input prüft, desto genauer können wir eine Situation oder einen Sachverhalt einschätzen. Am Beispiel der Katze bedeutet das: Je mehr verschiedene Merkmale wie Schwanz, Fell, Grösse, Schnauzhaare, Bewegungsmuster usw. wir registrieren, abgleichen und miteinander verknüpfen, desto bestimmter können wir sagen, ob es sich um eine Katze handelt oder um einen Hasen oder einen Hund.
In ähnlicher Weise nimmt die künstliche Intelligenz die Inputs respektive die Daten auf, überprüft und verknüpft sie. Deshalb spricht man bei künstlicher Intelligenz auch von neuronalen Netzwerken. 

Was macht eine Katze zu einer Katze?

Oder ist es vielleicht doch ein Hase?

Wenn nun mehrere dieser individuellen neuronalen Netzwerke zusammengeschlossen werden, spricht man von einem künstlichen neuronalen Netzwerk. 

Das mehrschichtige Lernen

Die Basis bildet der Input, der in verschiedenen Schichten verarbeitet wird und dann in einer Form wieder ausgegeben wird, z.B. als Bild oder Text. Dazwischen befinden sich die versteckten Schichten. In der heutigen Zeit können dies mehrere Hundert Schichten sein. Solche neuronalen Netze werden daher auch als «deep neuronal Network» bezeichnet.

ChatGPT und Multimodale Modelle

ChatGPT 3 war bei seiner Veröffentlichung im Herbst 2022 eine Texteingabe-Anwendung. Auch andere Sprachmodelle (Large Language Models) waren textbasiert. Die Ausgabe bei ChatGPT 3 konnte auch als Bild erfolgen. Dies findet sich auch in der Abkürzung von ChatGPT wieder (Chat für Textkonversation, G für generativ/erzeugender, P für pretrained, T für Transformer). Bis Ende 2022 war nur ein beschränkter Datensatz als Grundlage für die Erzeugung einer Antwort verfügbar. 
Mit GPT4 wurde ein nächster grosser Schritt möglich. Nun können sowohl Audio-, Video- und Textdateien verarbeitet und in einer neuen Form ausgegeben werden. Für die Anwendung bedeutet dies: Aus einem Text kann ein Film erstellt oder ein Film kurz in einem Text zusammengefasst werden. Damit werden Anwendungen auch Personen zugänglich, die sonst nicht über das entsprechende Können verfügt hätten – z.B. ein Hörspiel, digitale Bilder erstellen, einen Text als Film umsetzen. 

Weiterführende Links und Dokumente

• Ein Blick hinter die Kulissen - That's AI (thats-ai.org)

Historische Entwicklung

Die Überlegung, ob Maschinen eines Tages intelligenter sein könnten als Menschen, fasziniert die Menschheit schon lange. Der Mathematiker und Informatiker Alan Turing hat mit der Frage «können Maschinen denken?» den nach ihm benannten «Turing-Test» geprägt. Gemäss diesem Test ist eine Maschine dann intelligent, wenn sie einem Menschen vormachen kann, sie sei ein Mensch.

Von wissenschaftlicher Seite her wurden die grundlegenden Begriffe zur künstlichen Intelligenz (wie z.B. «künstliche neuronale Netzwerke») an der Dartmouth Konferenz festgelegt. Eine erste breitere Aufmerksamkeit erhielt die künstliche Intelligenz in den 1990er-Jahren, als der Schachcomputer Deep Blue den damaligen Schachweltmeister Gary Kasparov besiegte.

Quelle: Thats ai der ETH Lausanne

Ein Sprung in der Entwicklung wurde möglich mit der neuen parallelen Verarbeitungstechnologie für Daten: Genannt Big Data. Damit wurde das mehrschichtige Lernen für die tiefen neuronalen Netzwerke möglich (Verlinkung dann zur Technologie machen). Wie ein Blitz schlug dann im Herbst 2022 ChatGPT ein. Die Neuerung war riesig. 

 

Weiterführende Links:
•    ETH Lausanne: Eine kurze Geschichte der KI