KLUGI - die KI-Lernapp

Entdecken.Erforschen.Erfinden - Im Verein Youth Intelligence Agency in Baden trifft die KI- Lernapp "KLUGI" auf technikbegeisterte Kinder und Jugendliche.

Data flow

Ausgangslage

Technikbegeisterte junge Menschen, die in Workshops einen spielerischen Zugang zu Technik erhalten. Das ist die Youth Intelligence Agency (YIA), ein Verein, der Kindern und Jugendlichen ermöglicht, Erfahrungen im Umgang mit Computern und Robotik zu sammeln. Fragen wie...

• "Wie funktioniert ...?"
• "Was steckt alles in einem Computer?"
• "Wie kann ich ein ... programmieren - erfinden - weiterentwickeln?

...stehen im Zentrum. Dabei bauen die Kinder ein grundlegendes Verständnis für die erforschten Technologien auf. Zusätzlich entdecken die Teilnehmenden, wie sie mit Technologie und ihrer Fantasie eigene Projekte umsetzen können. Die Leiterinnen und Leiter betreuen als Coaches die Kinder bei ihren Ideen. An Tagen, an denen viele Kinder anwesend sind, können Wartezeiten die Kinder in ihrem Tun bremsen. Dafür wünscht sich die YIA eine KI-Lernapp.

Zielsetzung

Für die Youth Intelligence Agency entsteht ein Chatbot namens KLUGI. Die Kinder sollen diesen zu konkreten Fragen nutzen können wie: "Wie erstelle ich mit Microbit eine Variable?". In der Erfindungsphase soll die KI-Lernapp namens KLUGI den Kindern helfen, ihr Projekt zu konzipieren. Beispielsweise könnte es darum gehen, ein Pac-Man Spiel mit Scratch oder einen Schrittzähler mit Microbit zu entwickeln. Dabei ist es wichtig, dass Kinder es schaffen, von der komplexen Idee zu den einzelnen Schritten zu gelangen, so dass ihr Projekt möglichst nahe an ihre Vorstellung kommt, herausfordernd und doch machbar wird. KLUGI hat im ersten Anwendungsfall die Aufgabe als RAG-System auf Anleitungen zuzugreifen, um bei den Lösungen zu helfen. Im zweiten Fall soll KLUGI die Kindern im Dialog auf dem Weg von der Idee zu einer machbaren Lösung unterstützen.
Während der Nutzung soll die KI-Lernapp den Kindern ermöglichen, Kompetenzen in der Nutzung einer KI aufzubauen. Sie lernen, wie sie in Situationen, in denen sie im Projekt nicht weiterkommen, gezielt Fragen formulieren. Dazu kommt, dass sie entdecken, welche Fragestellungen mit welchen Zusatzinformationen zu guten Antworten der KI-Lernapp führen. Sie entdecken, dass nicht jede Antwort sinnvoll ist.

Ergebnisse

Die Applikation wurde als Retrieval Augmented Generation (RAG) umgesetzt. Dadurch konnte dem LLM die auf YIA abgestimmte Knowledgebase der KI zugänglich gemacht werden.
Der entwickelte Chatbot stösst bei den Kindern und Jugendlichen auf Anklang. Bei den Validierungstests gelang es ihnen mit Hilfe des Chatbots die eine oder andere Knacknuss bei der Micro:bit Aufgabe zu lösen. Andere lernen durch den Dialog neue Programmierblöcke kennen.

• Kinderfreundlicher Chatbot als Coach beim Technikbasteln
• Drei verschiedene States, in die "KLUGI" je nach Gesprächskontext wechselt
  • Smalltalk
  • Ideation
  • RAG
• Die Fähigkeit, Kinder zu Micro:bit Projekten zu motivieren und mit ihnen Projektideen zu konzipieren
• Die Chance, dass Kinder und Jugendliche Erfahrungen im Prompting von KI sammeln können
• Ein RAG-basierter Chatbot

Die Recherche zeigte, dass trotz einer Vielfalt an KI gestützten pädagogischen Agenten, beim projektbasierten Lernen eine Lücke besteht.

Die intensive Auseinandersetzung mit Technologie im Zusammenhang mit Kindern zeigt, dass Sprachkompetenz und die Fähigkeit sich mit anderen über Technologie auszutauschen zentral ist, um die Technologie gewinnbringend nutzen zu können.

Testimonial
«Die Youth Intelligence Agency ist ein Verein, der Kinder im Bereich Informatik und Digitalisierung fördert. Dabei legt die Organisation großen Wert auf die Schaffung und Pflege einer aktiven, interessierten und motivierten Gemeinschaft, in der die Kinder miteinander interagieren können. Das Ziel der YIA ist es, Kindern Raum zu geben, ihrer Fantasie freien Lauf zu lassen und eigene Projekte mit Hilfe von Technologie und Expertenunterstützung umzusetzen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde das Team der FHNW beauftragt, einen digitalen Tutor auf Basis künstlicher Intelligenz zu entwickeln. Dieser Tutor soll den Kindern helfen, Lösungen eigenständig zu finden, wenn das Wissen der Betreuer einmal nicht ausreicht, um ihre kreativen Ideen umzusetzen. Der Tutor bietet altersgerechte und verständliche Antworten, die auf die Bedürfnisse der Kinder abgestimmt sind. Wir sind überzeugt, dass KlugI ein bedeutender erster Schritt ist, um den Unterricht individuell zu gestalten und den Kindern zu ermöglichen, ihre Potenziale voll auszuschöpfen.»
Renata und Henrique Säuberli

Technische Schlüsselbegriffe

• Künstliche Intelligenz (KI)Eine Technologie - Computer und Maschinen simulieren menschliche Strategien Probleme zu lösen und menschliche Intelligenz.
• Large Language Model (LLM)Ein LLM ist ein KI-System, das darauf trainiert ist, menschliche Sprache zu verstehen und zu generieren. Beispiele für solche Modelle sind OpenAIs ChatGPT oder Googles BERT.
• EmbeddingBeim Embedding werden die Daten (z.B. Texte) zu mehrdimensionalen Vektoren umgerechnet und in einer VektorDB gespeichert.
• VectorDBEine VectorDB ist eine Abbildung der Daten von mehrdimensionalen Vektoren. Die Vektoren sind durch Kommata getrennte Werte, die die Eigenschaften der Daten im Vektorraum positionieren.
• Retrieval Augmented Generaten (RAG)RAG ist eine Technik im Bereich der Künstlichen Intelligenz, die es erlaubt ein Sprachmodell für ein spezifisches Anwendungsgebiet zu optimieren. Dies funktioniert, indem das Sprachmodell vor der Antwortgenerierung auf eine Wissensbasis (Knowledge Base) zugreift, die nicht in den ursprünglichen Trainingsdaten des Sprachmodells vorkommt.
• Prompt EngineeringPrompt Engineering ist ein Werkzeug in der Entwicklung von KI-Systemen, das es erlaubt die Generierung von Antworten eines Sprachmodells (LLM) in eine bestimmte Richtung zu lenken.
• ChatbotEin Chatbot ist ein Programm, das dem Nutzer suggeriert mit einem Gegenüber einen Dialog zu führen. Wie bei Chat-Apps, zeigen Sprechblasen an, wer was gesagt hat. Idealerweise ist der ganze Gesprächsverlauf während des Dialogs sichtbar.
• digitaler TutorEin anderes Wort für Pedagogical Conversational Agent (PCA)
• Pedagogical Conversational Agent (PCA)PCAs sind computergestützte Programme, die darauf abzielen, Lernende mit direkter Interaktion beim Lernprozess zu unterstützen. Sie zeichnen sich durch eine lebensähnliche Verhaltensweise aus und bilden so Charaktere, die Lernende durch den Lernprozess begleiten.

Kund:in

Youth Intelligence Agency
Renata und Henrique Säuberli
ABB Technikerschule
5400 Baden
https://www.yiagency.ch/

Team