Projektbeschreibung

Die Masterarbeit untersucht, wie sich künstliche Intelligenz und Robotik durch die Gestaltung eines physischen Human/Machine Interface als kollaborative Lernumgebung erfahrbar machen lassen. Im Zentrum steht die Frage, welche Kommunikations- und Interaktionsformen geeignet sind, damit Lernende nicht lediglich Ergebnisse eines KI-Systems konsumieren, sondern dessen Verhalten aktiv mitgestalten können. Hierzu wird der kollaborative Lernroboter KoLeRo konzipiert: ein KI-gestützter Roboterarm, der gemeinsam mit Schüler:innen zeichnet, auf handschriftliche Eingaben reagiert und durch unterschiedliche Interaktionsmodi als Lernobjekt, Werkzeug und gestalterischer Partner eingesetzt werden kann. Anders als humanoide Lernroboter verzichtet KoLeRo bewusst auf die Nachahmung menschlicher Erscheinung. Die Mensch-Maschine-Kommunikation erfolgt stattdessen über eine geteilte Arbeitsfläche, auf der sichtbare Bewegungen, zeichnerische Inputs und Gesten als Kommunikationsformen dienen.

Methodisch folgt die Arbeit einem iterativen Research-through-Design-Ansatz. In einer vierstufigen Prototyping-Reihe wird das gemeinsame Zeichnen zunächst zwischen zwei Menschen und anschließend mit einem KI-System auf einem Touchdisplay, einem Zeichenplotter und einem Roboterarm untersucht. Die gleichbleibende Turn-Taking-Struktur ermöglicht einen Vergleich verschiedener Interfaces und ihrer Auswirkungen auf das menschliche Antwortverhalten. Die Versuche zeigen, dass die Materialität und räumliche Präsenz des Systems die Wahrnehmung der Interaktion wesentlich beeinflussen. Während das Touchdisplay vor allem zum explorativen Testen der KI anregt, erzeugen die sichtbaren Bewegungen und mechanischen Geräusche des Plotters und des Roboterarms eine stärkere soziale Präsenz der Maschine.

Prototypische Interfaces

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Auswertung Mensch-Roboter Zeichnungen

Die vertiefende Analyse der aufgezeichneten Mensch-Roboter-Interaktion basiert auf 349 dokumentierten Zwischenständen aus 65 kollaborativen Zeichnungen. Morphologische und semantische Untersuchungen zeigen, dass menschliche Zeichenhandlungen unmittelbar auf Position, Komplexität und Ausrichtung der Roboterzüge reagieren. Gleichzeitig versuchen die Teilnehmenden, mehrdeutige maschinelle Interventionen narrativ zu integrieren, umzudeuten oder bewusst zu kontrastieren. Besonders relevant ist das wiederkehrende Verhalten, die Fähigkeiten und Grenzen des Systems durch eigene Eingaben zu testen. Diese ersten Erkenntnisse deuten darauf hin, dass das Interface damit nicht nur kreative Produktion, sondern auch metakognitive Reflexion und eine erste Form von AI/System Literacy unterstützen kann.

Aus diesen Erkenntnissen wird KoLeRo konzeptuell als modulares Human/Machine Interface entwickelt. Seine Interaktionsmodi reichen von Tic-Tac-Toe und kalligrafischen Übungen über promptbasiertes und gemeinsames Zeichnen bis zur handschriftlichen und Python-basierten Programmierung. Kamera, Bilderkennung, generative Bildmodelle und Robotersteuerung werden dabei als voneinander abgegrenzte Funktionen in eine kontrollierbare Systemarchitektur integriert.

Die beiden Galerien zeigen zunächst die morphologische und semantische Auswertung der Mensch-Roboter-Interaktion und anschließend die dokumentierten Zeichenzüge aus Algorithmic Cultural Vandalism. Rot markiert den jeweils neu hinzugefügten menschlichen Zug, Blau den Roboterzug. Schwarz zeigt den bereits bestehenden zeichnerischen Kontext.

Didaktische Strategien

Lernen mit und über den Roboter

KoLeRo soll eine informatische Grundbildung ermöglichen, die motivierend, zeitgemäß und kreativ ist. Die Lernenden gestalten das Verhalten des Systems aktiv mit und setzen sich zugleich mit seinen Grenzen auseinander. In Anlehnung an Tulodziecki et al. (2019) verbindet das Konzept das Lernen mit Medien mit dem Lernen über Medien. Entscheidend ist dabei die Einbettung in eine konkrete Lernaufgabe, wie sie auch Kerres (2018) für die Gestaltung digitaler Lernangebote beschreibt.

Ausgangspunkt: Informatikbildung in Deutschland

Die Arbeit setzt bei den uneinheitlichen schulischen Rahmenbedingungen an: Der Zugang zu informatischer Bildung hängt vom Bundesland, der Schulform und den verfügbaren Lehrkräften ab. Der in der Masterarbeit herangezogene Informatik-Monitor 2022/23 macht diesen Handlungsbedarf sichtbar (Gesellschaft für Informatik [GI], 2022). KoLeRo ist deshalb auch für fächerübergreifende Projekte gedacht, ohne damit einen verbindlichen Informatikunterricht ersetzen zu wollen.

Aktualisierung zum Schuljahr 2026/27: Zehn Bundesländer haben inzwischen ein Pflichtfach Informatik eingeführt; in sechs fehlt weiterhin ein für alle verbindliches Angebot. Umfang und Zugang unterscheiden sich nach wie vor deutlich (GI et al., 2026).

Ein dreistufiger Einstieg

• Primarstufe – spielerisch erkunden: Tic-Tac-Toe und Kalligrafie-Übungen bieten einen visuellen, nicht-sprachlichen Einstieg. Durch die Bewegungen und Zeichnungen werden Regeln, Wiederholungen und das Verhältnis von Eingabe und Ausgabe unmittelbar erfahrbar. Fragen wie „Warum macht der Roboter das?“ eröffnen eine erste Reflexion über das System.
• Sekundarstufe I – eigene Anweisungen entwickeln: Beim Zeichnen auf Prompt-Basis, im gemeinsamen Zeichendialog und durch handschriftliche Kommandos verbinden sich kreative Ausdrucksformen mit algorithmischem Denken. Lernende vergleichen ihre Absichten mit der maschinellen Umsetzung, verändern ihre Eingaben und diskutieren Möglichkeiten und Grenzen der KI. Das knüpft an die AI-Literacy-Kompetenzen von Long und Magerko (2020) an.
• Sekundarstufe II – programmieren und erweitern: Über das offene, Python-basierte Steuerungssystem sollen Schüler:innen eigene Interaktionsmodi entwickeln. Debugging, Parametrisierung und die Modellierung von Kamera, KI und Roboterbewegung verbinden Programmierpraxis mit Fragen nach Verantwortung und maschinellen Entscheidungen.

Gemeinsam gestalten, über Altersgrenzen hinweg

Das größte Potenzial sehe ich in der altersübergreifenden Zusammenarbeit: Die Jüngeren formulieren kreative Wünsche, die Mittelstufe entwickelt logische Abläufe und die Oberstufe setzt sie in Programme um. Anschließend wird der neue Interaktionsmodus gemeinsam erprobt und verbessert. Dieses Peer Learning knüpft an die partizipative Gestaltung von Lernumgebungen bei Mayrberger (2019) an. Schreibwerkstätten, gezeichnete Funktionen oder gemeinsame Kunstprojekte schlagen dabei Brücken zwischen Deutsch, Mathematik, Kunst und Informatik. Das Konzept versteht sich als flexibel anpassbarer Leitfaden; seine schulische Erprobung in Pilotprojekten steht noch aus.

Betreuung

Betreut durch Prof. Albert Lang, Prof. Dr. Marc Pfaff, Prof. Dr. Dr. Daniel Hromada

Literaturhinweise

Gesellschaft für Informatik. (2022). Informatik-Monitor 2022/2023. https://informatik-monitor.de/2022-23

Gesellschaft für Informatik, Stifterverband, & Heinz Nixdorf Stiftung. (2026). Informatik-Monitor 2026/27. https://informatik-monitor.de/2026-27

Kerres, M. (2018). Mediendidaktik: Konzeption und Entwicklung digitaler Lernangebote (5., erweiterte Aufl.). De Gruyter Oldenbourg. https://doi.org/10.1515/9783110456837

Long, D., & Magerko, B. (2020). What is AI literacy? Competencies and design considerations. In Proceedings of the 2020 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems (S. 1–16). Association for Computing Machinery. https://doi.org/10.1145/3313831.3376727

Mayrberger, K. (2019). Partizipative Mediendidaktik: Gestaltung der (Hochschul-)Bildung unter den Bedingungen der Digitalisierung. Beltz Juventa. https://doi.org/10.25656/01:29189

Tulodziecki, G., Herzig, B., & Grafe, S. (2019). Medienbildung in Schule und Unterricht: Grundlagen und Beispiele (2., vollständig überarbeitete und aktualisierte Aufl.). Julius Klinkhardt. Publikationsnachweis der Universität Paderborn