Chatbot Mathi hilft beim Bruchrechnen

Chatbot Mathi ist ein virtueller „Mathe-Buddy“, mit dem Schüler:innen der 6. Klasse den Lernstoff zum Thema Bruchrechnen wiederholen und mit Übungen weiter festigen können. Dazu agiert er wie ein persönlicher Lehrer: Zunächst wiederholt er Schritt für Schritt den relevanten Lernstoff, dann stellt er Übungsaufgaben. Je nach Abschneiden bei den Aufgaben lässt er das Thema noch einmal wiederholen oder geht zum nächsten Thema weiter. Auf diese Weise können die Schüler:innen, angepasst an ihren Wissensstand und ihr Lerntempo, den Unterrichtsstoff wiederholen und vertiefen. Mathi wurde im Rahmen einer Masterarbeit an der TH Georg Simon Ohm im Studium Betriebswirtschaft* von Alexander Lehner unter der Betreuung von Prof. Dr. Christian Langenbach entwickelt. Die time4you GmbH schließlich unterstützte als Expertin für Conversational Learning bei der Konzeption des Chatbots und des Conversation Designs und stellte mit JIX die benötigten Tools.

Lesetipp:
In der Ausgabe 2/2023 berichtet das Ohm-Journal der Technischen Hochschule Nürnberg über Chatbot Mathi und wie die Schüler:innen damit lernen!

Innovative und zukunftsweisende Technologien

Chatbots sind nicht nur ein intuitives, niedrigschwelliges Benutzerinterface, sondern sie ermöglichen – bei entsprechender Konzeption – die Simulation eines (quasi-)menschlichen Gesprächs. Mathi simuliert ein Unterrichtsgespräch, wie es ein Lehrer in einer 1:1-Kommunikationssituation führen könnte, was im realen Unterricht selten in diesem Umfang möglich ist. Gleichzeitig bietet Mathi durch die Form des Gesprächs eine persönlichere und „menschlichere“ Lernerfahrung als eine reine Übungs-App, was die emotionale Beteiligung der Lernenden stärkt und sich damit auf Lernmotivation und -erfolg positiv auswirkt.

Wie lassen sich Chatbots einbinden?

Die Interaktion mit Chatbot Mathi erfolgt über Webchat im Browser bzw. per iFrame. Der Chatbot kann über Link-Aufruf in beliebige Webseiten oder auch als SCORM-Paket in jedes SCORM-LMS integriert werden. Ein Pilotbetrieb mit Mathi erfolgte am Geschwister-Scholl-Gymnasium in Röthenbach an der Pegnitz. Grundsätzlich ist Mathi auch für den Einsatz an anderen Schulen und Schularten geeignet. Der Chatbot kann leicht an spezifische Anforderungen des Unterrichts angepasst werden, z.B. indem Inhalte, Aufgaben und Hilfestellungen modifiziert oder Zeit, Umgebung und Persona der Geschichte verändert werden. Die Sprache (derzeit Deutsch) ist ebenfalls anpassbar, ebenso wie das Look&Feel (Logo, Typo, Farben, Bilder, Icons).

Berücksichtigung medien­didaktischer Aspekte

Mathi führt ein klassisches Unterrichtsgespräch: Er leitet die Lernenden an, stellt Aufgaben, gibt Feedback, wobei er auf den Leistungsstand der Lernenden eingeht. Der Dialog ist didaktisch strukturiert und stark geführt; gleichzeitig jedoch lässt Mathi den Lernenden den Freiraum zu entscheiden, an welcher Stelle sie wie viel Hilfestellung in Anspruch nehmen wollen.

Beispiel:
Mathi:
Wahrscheinlich weißt du eh schon, dass es neben dem Vervielfachen auch das Teilen von Brüchen gibt?

Auswahl-Optionen:
– Ja klar
– Kann mich nicht mehr erinnern

Lernende:
Kann mich nicht mehr erinnern.

Mathi:
Beim Erweitern eines Bruches multiplizierst du den Zähler UND den Nenner mit derselben Zahl.
Beim Vervielfachen multiplizierst du den Zähler mit der natürlichen Zahl. Der Nenner bleibt dabei gleich.
Alles klar?

Auswahl-Optionen:
– Ja, danke für den Tipp.
– Bitte erkläre es genauer.

Lernende:
Bitte erkläre es genauer.

Mathi:
No Problemo. 😎 Vielleicht hilft dir die folgende Veranschaulichung, den Unterschied noch besser zu erkennen: …

Mathi ist zwar mit einem Wissensvorsprung gegenüber den Lernenden ausgestattet, aber nicht als Lehrer, sondern als „Buddy“ konzipiert, mit dem die Schüler:innen eher auf Augenhöhe kommunizieren können.

Im Übungsteil gibt Mathi motivierendes Feedback und zeigt, wenn nötig, die richtige Lösung. Zu jedem Thema lässt er die Lernenden fünf Aufgaben rechnen, danach erfolgt ein Gesamt-Feedback und, je nach Leistung der Lernenden, das nächste Thema oder eine erneute Wiederholung des eben geübten Themas.

Gamification-Elemente erhöhen die Motivation

Um die Motivation zu steigern, möglichst alle Themen zu wiederholen, enthält der Chatbot-Dialog außerdem spielerische Elemente: Mathi ist versehentlich im Schulhaus eingeschlossen worden und kommt erst heraus, wenn genügend Aufgaben richtig gelöst wurden.

So sagt Mathi zur Begrüßung: „Hi. Cool, dass ich dich erreicht habe. Ich bin Mathi. Ich wurde in der Schule eingesperrt und ich schaffe es alleine nicht mehr raus. 😓“, und bei Erläuterung der Aufgabenstellung: „Es gibt drei Räume, durch die ich muss, um wieder nach draußen zu kommen. In jedem Raum gibt es fünf Matheaufgaben. Wenn wir mindestens drei Aufgaben richtig haben, komme ich in den nächsten Raum. Bitte hilf mir!“  Entsprechend drückt Mathi nach jeder erfolgreich bearbeiteten Aufgabe seine Erleichterung aus, dass er – zusammen mit den Lernenden – nun einen Schritt weitergekommen ist.

Wie erfolgt die Interaktion mit dem Chatbot?

Die Interaktion mit Mathi erfolgt per Button und per Freitexteingabe. Die Antwort auf die Rechenaufgaben erfolgt grundsätzlich über die Freitexteingabe; in anderen Dialogsequenzen gibt Mathi nach jedem Gesprächsbeitrag Optionen in Form von Buttons aus, wie das Gespräch weitergehen kann. Diese Form des strukturierten, geführten Dialogs stellt sicher, dass die Lernenden gut durch den zu wiederholenden Lernstoff geführt werden und auch im Wechsel zwischen Wiederholungs- und Übungssequenzen stets wissen, wo sie sich befinden und wie es weitergeht.

Gleichzeitig ahmt der Dialog so weit wie möglich menschliche Kommunikationsstrategien nach. Mathi ermuntert, fragt nach, lobt, manchmal zeigt er auch Ungeduld – schließlich will er endlich raus aus dem Schulhaus …

Zielgruppen für Chatbot Mathi

Zielgruppen für Mathi sind Schüler:innen der sechsten Klassen an Gymnasien.

Mathi behandelt ein ganz grundlegendes Thema im Mathematikunterricht: das Bruchrechnen. Er kann also grundsätzlich in allen sechsten Klassen (aber nicht nur des Gymnasiums) zum Einsatz kommen. Die Schüler:innen der Pilotgruppe bewerteten das Lehrgespräch zu über 90% als gut oder sehr gut; mehr als 80% würden ihn wieder benutzen. Alle Befragten gaben an, auch in anderen Fächern gerne einen Chatbot benutzen zu wollen.

Technische Umsetzung und Betrieb eines Chatbots an Schulen

Mathi wurde im Rahmen einer Masterarbeit konzipiert und umgesetzt, wodurch die Entwicklungskosten sowie der Aufwand für die Schule gering blieb. Für das Fach Bruchrechnen / Rechnen mit Brüchen sind bereits Dialoge implementiert; weitere Themen können auf Basis des implementierten Dialogmusters leicht ergänzt werden. Die technische Umsetzung von Mathi erfolgte mit JIX, der Chatbot-Software von time4you. JIX kombiniert einen intelligenten Chatbot mit einer einfachen und verständlichen Skriptsprache, Liza Script. Liza Script ist sehr schnell zu erlernen und unterstützt das Erstellen von themenspezifischen Chatbots auf mediendidaktischer Grundlage für unterschiedliche Organisationen, unabhängig von Use-Case, Branche oder Thema. Liza Script ist auf Grund der einfachen Handhabbarkeit und kurzen Einarbeitungsphase auch für Anwender:innen ohne vertiefte IT-Kenntnisse das ideale Autorentool und konnte deshalb problemlos im zeitlichen Rahmen einer Masterarbeit zum Einsatz kommen. Auch eine thematische Erweiterung ist mit JIX/Liza Script schnell umzusetzen, ggf. sogar von der Lehrkraft selbst.

Hoher Datenschutz: Gerade für den Einsatz an Schulen wichtig

Auf JIX basierende Conversational-Learning-Angebote können als SCORM-Lerneinheit in alle SCORM-kompatiblen LMS-Systeme eingebunden werden. Wenn JIX auf einem externen Server installiert ist, werden keine personenbezogenen Daten transferiert. Die Userverwaltung und die Lernstands-Speicherung erfolgt ausschließlich im LMS der Anwender mit entsprechenden Datenschutz-Regelungen. Chatbot Mathi läuft im Pilotbetrieb im Cloud-Service auf zertifizierten DSGVO-konformen Servern. Auch hierfür gibt es entsprechende Datenschutz-Regelungen. Die langjährigen Erfahrungen der time4you GmbH beim Einsatz und Betrieb von Software-Lösungen in verschiedensten Konzernen und bei sehr hohen Datenschutz- und Datensicherheitsanforderungen gewährleisten, dass auch der Einsatz von JIX innerhalb der unternehmenseigenen Infrastruktur erfolgen kann.

Falls Sie selbst über den Einsatz von Chatbots an Ihrer Einrichtung nachdenken, schreiben Sie gerne an consulting@time4you.de. Wir melden uns umgehend bei Ihnen!

* Alexander Lehner: Möglichkeiten und Nutzeffekte des Einsatzes von Bots im Kontext der Aus- und Weiterbildung („Conversational Learning“) – Konzeption und Realisierung eines virtuellen Lernassistenten für die gymnasiale Unterstufe. Freie wissenschaftliche Arbeit zur Erlangung des akademischen Grades „Master of Arts“. Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm, 2021.

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