Verbundprojekt tech4compKI - Personalisierte Kompetenzentwicklung und hybrides KI-Mentoring; Teilvorhaben: Testbed Math und Implementierung

Abstract

Hochschulbildung fordert von Studierenden, Herausforderungen im Lernprozess selbstgesteuert zu begegnen. Dabei ist Lernen im Studium ein individueller Prozess aktiver Wissensaneignung durch Ko-Konstruktion von Wissensbeständen und kann mittels mentorieller Begleitung durch Lehrpersonen verbessert werden. Dies erfolgt durch das Zusammenwirken der persönlichen Beziehung zwischen Mentor und Mentee auf der Sachebene, d.h. der Auswertung des bisherigen und Beratung zum künftigen Lernprozess. Im Rahmen von Mentoring können Mentoren Mentees in Wissensdomänen inhaltlich unterstützen und selbständiges Handeln ermöglichen. Interaktion im Rahmen von Mentoring adressiert die Voraussetzungen selbstgesteuerten Lernens (Kognition, Metakognition, Motivation, Volition, Emotion). Häufige Interaktionen führen zu höherer Zufriedenheit auf beiden Seiten, wenn dabei rückgemeldete Inhalte und Kommunikationsstil hohen Qualitätsanforderungen entsprechen. Mentoring ist sehr aufwendig und nicht skalierbar, weshalb es in der Regel nur ausgewählten Settings und der höchsten Leistungsklasse vorbehalten ist. Studierende stehen deshalb meist noch immer vor der Herausforderung, ihr Lernverhalten an die vorgegebenen traditionellen One-size-fits-all-Strukturen anzupassen. Dem kann mit intelligenten Systemen begegnet werden. Konkretes Potential liegt zudem in der Berücksichtigung soziotechnischer Fragen: Personalisierung des Lernens via neuronaler Netze, Implementierung KI-gestützter Agente, Einsatz intelligenter Tutorensysteme. Ganzheitliche Fragen zu smart education sowie ethisch-rechtliche Aspekte, Datensicherheit/-souveränität sowie die technologische Implementierung werden zunehmend evident. Als niedrigschwellige technologische Zugangsmöglichkeit für den breiten KI-Einsatz in der Hochschulbildung gelten hybride Ansätze, da diese bei Mangel an Daten lernende Verfahren mit regelbasierten Ansätzen kombinieren. Aufgabe des Teilvorhabens Testbed Math und Implementierung an der HTWK Leipzig war der breite Einsatz und die strukturierte Nutzung der Entwicklungen des Verbundprojektes in der Grundlagen-ausbildung Mathematik der HTWK Leipzig. Es galt, das Teilvorhaben auf die Beantwortung von drei Leitfragen im Kontext der Domäne Mathematik zu fokussieren:

Wie lassen sich Technologien aus den Bereichen KI, Mixed Reality, Sensorintegration, Cloud-Computing so kombinieren, so dass KI-gestütztes Mentoring im Sinne des Mentorings bestmöglich realisiert werden kann? Welche Datenquellen und Datenanalyseverfahren sind für sensorbasierte Erkennung von affektiven Lernzuständen und Mentoringsituationen verwendbar? Wie können Inhalte und E-Assessment-Items automatisch semantisch beschrieben und verknüpft werden, um adaptive und personalisierte Lernpfade für Lernende zu ermöglichen?

Die Aufgabenstellung umfasste die organisational-institutionelle sowie technische Integration der Technologien an der HTWK Leipzig und die Schaffung kontrollierter Einsatzbedingungen für das Zusammenspiel mit mathematischen Inhalten und E-Assessment-Items. Implementierungsmodelle und -erfahrungen zur Steigerung der Qualität in der Lehre durch innovative Hochschulbildung unter Nutzung und Einsatz moderner sowie zeitgemäßer Technologien waren in der Domäne Mathematik unter Beachtung rechtlich-regulatorischer Rahmenbedingungen zu erproben. Die HTWK Leipzig hat kontinuierlich in allen 8 Arbeitspaketen mitgewirkt und an Maßnahmen des Verbundprojektes teilgenommen. Besonders relevant für den Ablauf des Vorhabens war die Mitarbeit in den AP8 (Testbeds) und AP5 (KI-basierte Adaptivität). Die Projektaufgaben wurden wie geplant bearbeitet, Beeinträchtigungen durch die COVID-19 Pandemie gab es in FPh2 keine mehr. Im Verlauf des Berichtszeitraumes ist leider der Projektkoordinator der RWTH Aachen verstorben. Dadurch konnte das Potential von Mixed-Reality-Szenarien nicht voll entwickelt werden und in der HTWK zum Einsatz kommen. Die HTWK hat sich auf fokussiert auf ein KI-gestütztes Empfehlungssystem. Die Arbeiten konnten regulär zum Abschluss gebracht werden, eine Laufzeitverlängerung wurde nicht beantragt. In Zusammenarbeit mit den Testbeds an der U Leipzig, TU Chemnitz und TU Dresden wurden Use Cases für die Umsetzung von domänenspezifischen Mentoring Szenarien identifiziert und Anforderungen an die Technikpartner formuliert. Es wurden iterativ Entwicklungen der Verbundpartner in Lernszenarien an der HTWK Leipzig implementiert und Fallstudien mit Lernenden durchgeführt. Als zentraler Use Case der HTWK Leipzig hat sich die Anwendung eines wissensbasierten, sensorgestützten adaptiven Empfehlungssystem herauskristallisiert, das in fachbezogenen Lehrveranstaltungen zur Grundlagenmathematik in Kombination mit elektronischen Selbstlern- und Prüfungsvorbereitungsangeboten mit individuellem Echtzeitfeedback eingesetzt wird. Mit dem an der RWTH Aachen entwickelten Social Bot Framework wurde in FPh2 ein Chatbot konzipiert der mit Hilfe der Funktionalitäten von großen Sprachmodellen Studierende bei der Prüfungsorganisation unterstützt. Dabei erfolgte dessen Einbettung ins Lernmanagementsystem OPAL über eine von der Projektpartnerin TU Dresden an die Kurse “Mathematik für Informatiker I und II” angepasste Mentoring Workbench Instanz. Mit dem DFKI gab es eine intensive Zusammenarbeit im Rahmen einer Sensorstudie. Mit qualititativ hochwertigen Sensoren (Empatica-Armbänder) wurden die affektiven Zustände von Studierenden während einer Mathematiklernstandserhebung erfasst und mit den gezeigten Leistungen in Relation gesetzt. Die Fortschritte und Ergebnisse des Projekts wurden über verschiedene Kanäle verbreitet, darunter die halbjährlichen Treffen des Netzwerks Mathematik/Physik + E-Learning (09/2022, WH Zwickau; 03/2024, HTWK Leipzig; 09/2024, TU Chemnitz), der Workshop Digitale Lehre im Rahmen der Grundlagenausbildung in MINT-Fächern an Hochschulen (09/2022, HS Merseburg), der Workshop on e-Learning (09/2023, HTWK Leipzig) als auch die ITS 2024 (Generative Intelligence and Intelligent Tutoring Systems, 06/2024,Thessaloniki, Griechenland).