PRIMA-KI: Problemlösendes Lernen im Mathematikunterricht der Primarstufe mit KI begleiten.

Fachdidaktisch fundierte KI-Lernbegleitung für problemorientiertes Mathematiklernen in der Primarstufe

Ein Forschungsprojekt zur Entwicklung und Erforschung eines adaptiven Tutoring-Systems für das individualisierte Lernen beim mathematischen Entdecken in der Primarstufe.

Über das Projekt

Im Rahmen eines Projektes der PH Weingarten untersuchen wir die Potenziale und Gestaltungsmöglichkeiten von KI-gestützten Lernbegleitern für den Mathematikunterricht der Primarstufe. Künstliche Intelligenz bietet einzigartige Chancen für individualisiertes, adaptives Feedback beim problemorientierten Lernen – vorausgesetzt, sie wird fachdidaktisch fundiert konzipiert und eingesetzt.

Das Pilotprojekt PRIMA-KI entwickelt und erforscht prototypische KI-Lernbegleiter, die in Mathematik-Apps integriert sind und Kinder beim Erkunden und Lösen mathematischer Fragestellungen unterstützen. Dabei stehen die kognitive Aktivierung und die Begleitung des eigenständigen Denkprozesses im Vordergrund.

Projektziele

• Entwicklung fachdidaktisch fundierter Gestaltungsprinzipien für KI-Lernbegleiter in der Primarstufe
• Erarbeitung optimal strukturierter Prompts und Interaktionsdesigns zur Einbettung in bestehende digitale Lernangebote für kindgerechte, fachdidaktisch sinnvolle adaptive Unterstützung
• Identifikation wirksamer Feedback-Strategien, die kognitive Belastung reduzieren und Kinder unterstützen, ohne den Lernprozess zu ersetzen
• Evaluation des Nutzungsverhaltens und der Akzeptanz bei Kindern im Grundschulalter und Eruierung des optimalen Grades an pädagogischer Vorstrukturierung der KI-Nutzung für Kinder im Grundschulalter
• Schaffung einer evidenzbasierten Grundlage für die verantwortungsvolle und datenschutzsensible Integration von KI im Mathematikunterricht der Primarstufe. Aspekte der Nutzung von KI mit möglichst wenigen bzw. anonymisierten Daten sind Teil des Forschungsvorhabens.

Aktueller Stand und geplantes Vorgehen

In der aktuellen Pilotphase konzentrieren wir uns auf die Entwicklung und Erprobung erster Prototypen in kontrollierten Settings. Durch systematische Variationen und Optimierung der KI-Prompt-Designs entwickeln wir Gestaltungshinweise und ein Rahmenkonzept für die adaptiven Unterstützungsfunktionen anhand der Integration von KI-Lernbegleitern in verschiedene Apps von Christian Urff. Nach den Einzelerprobungen sind umfangreichere Feldversuche in Schulklassen geplant. Wir freuen uns über Schulen oder Schulklassen, die über iPads und WLAN verfügen und gerne unter wissenschaftlicher Begleitung die ersten Versuche ausprobieren möchten. Die Apps werden dann über TestFlight kostenlos zur Verfügung gestellt.

Beispiele und erste Ansätze

Die App Rechengeschichten nutzt KI, um Kinder beim Verstehen, Bearbeiten, Prüfen und Entwickeln von Modellierungsaufgaben zu unterstützen.

In der App Zahlenstrahl gibt ein KI-Lernbegleiter auf Anforderung oder bei Fehlern auf Basis von fachdidaktischem Hintergrundwissen individualisierte Hilfen. Hier wird erforscht, ob und wie Kinder diese elaborierte Fehlerrückmeldung nutzen, um aus Fehlern zu lernen und Zahlverortungsaufgaben zu verbessern. In der App können dazu anonymisiert Lerndaten für die wissenschaftliche Auswertung geteilt werden.

In der App Fingermengen wird die Unterstützung von KI bei der Analyse und Aufbereitung von diagnostischen Daten untersucht. KI analysiert hier (anonymisiert) die Strategien, Blitzblickzeiten usw. und erstellt kurze, hilfreiche Zusammenfassungen für die Lehrkraft für die weitere Förderung.

In der Webapp Rechenfeld begleitet ein KI-Lernbegleiter auf Basis von ElevenLabs die Bearbeitung und wird dort erprobt.

Den konzeptionellen Rahmen für die Frage, wie viel Lenkung KI beim Lernen braucht und wann sie in der Grundschule überhaupt eingesetzt werden sollte, beschreibt das SKILL-Modell.

Kontakt und Mitarbeit

Interessierst du dich für das Projekt und möchtest als Schule oder als Wissenschaftlerin bzw. Wissenschaftler kooperieren oder dich beteiligen? Dann freue ich mich über eine Nachricht!

christian.urff@ph-weingarten.de