Das Hinzufügen von KI zu Museumsexponaten erhöht das Lernen und hält Kinder länger beschäftigt

Ausstellungen zum Anfassen sind ein fester Bestandteil von Wissenschafts- und Kindermuseen auf der ganzen Welt, und Kinder lieben sie. Die Exponate laden Kinder ein, wissenschaftliche Konzepte auf unterhaltsame und spielerische Weise zu erkunden.

Aber lernen Kinder wirklich von ihnen? Idealerweise stehen Museumsmitarbeiter, Eltern oder Betreuer bereit, um die Kinder durch die Ausstellungen zu führen und das Lernen zu erleichtern, aber das ist nicht immer möglich.

Forscher des Human-Computer Interaction Institute (HCII) der Carnegie Mellon University haben einen effektiveren Weg aufgezeigt, um das Lernen zu unterstützen und das Engagement zu steigern. Sie nutzten künstliche Intelligenz, um ein neues Genre interaktiver, praktischer Exponate zu schaffen, das einen intelligenten virtuellen Assistenten zur Interaktion mit Besuchern enthält.

Als die Forscher ihr intelligentes Exponat mit einem traditionellen verglichen, stellten sie fest, dass das intelligente Exponat das Lernen und die an dem Exponat verbrachte Zeit erhöhte.

„Durch künstliche Intelligenz und Computervision wurde das Spiel zum Lernen“, sagte Nesra Yannier, HCII-Fakultätsmitglied und Leiterin des Projekts, die die Ergebnisse als „zielgerichtetes Spiel“ bezeichnete.

Erdbebentafeln sind beliebte Exponate. In einem typischen Beispiel bauen Kinder Türme und sehen zu, wie sie auf einen wackelnden Tisch fallen. Schilder rund um die Ausstellung versuchen, Kinder dazu zu bringen, beim Spielen über Wissenschaft nachzudenken, aber es ist nicht klar, wie gut diese funktionieren oder wie oft sie überhaupt gelesen werden.

Yannier leitete ein Forscherteam, das einen KI-erweiterten Erdbebentisch baute, der mit einer Kamera, einem Touchscreen, einem großen Display und einem intelligenten Agenten, NoRilla, ausgestattet war, der die Schilder ersetzte. NoRilla – ein virtueller Gorilla – interagiert mit den Teilnehmern, führt sie durch verschiedene Herausforderungen und stellt Fragen dazu, warum Türme auf dem Weg gefallen sind oder nicht, und hilft ihnen, wissenschaftliche Entdeckungen zu machen.

Das Team – Yannier, Ken Koedinger und Scott Hudson von der CMU; Kevin Crowley von der University of Pittsburgh; und Youngwook Do vom Georgia Institute of Technology – testeten ihre intelligente Erdbebenausstellung im Carnegie Science Center in Pittsburgh. Kinder im Grundschulalter, die an einem Sommercamp teilnahmen, interagierten entweder mit dem intelligenten oder dem traditionellen Exponat und absolvierten Vor- und Nachtests sowie Umfragen, um zu messen, was sie gelernt haben und wie sehr ihnen das Experiment gefallen hat. Die Forscher beobachteten auch Besucher, die während der regulären Stunden mit der Ausstellung interagierten.

Die Pre- und Post-Tests und Umfragen ergaben, dass Kinder deutlich mehr von der KI-gestützten intelligenten Wissenschaftsausstellung im Vergleich zu der traditionellen Ausstellung lernten und dabei genauso viel Spaß hatten. Ein überraschendes Ergebnis war, dass, obwohl Kinder in der traditionellen Ausstellung mehr bauten, ihre Baufähigkeiten sich überhaupt nicht verbesserten, da sie sich hauptsächlich mit zufälligen Optimierungen beschäftigten, anstatt die zugrunde liegenden Konzepte zu verstehen. Die KI-erweiterte Ausstellung half Kindern nicht nur beim Verständnis [underlying] wissenschaftliche Konzepte besser, sondern auch auf bessere Bau- und Ingenieurskunst übertragen.

Ihr Experiment im Science Center zeigte auch, dass die Menschen etwa sechs Minuten an der intelligenten Ausstellung verbrachten, viermal so viel wie der 90-Sekunden-Durchschnitt der traditionellen.

„Was mich besonders beeindruckt, ist, wie das System Kinder dazu anregt, echte wissenschaftliche Experimente und Überlegungen anzustellen“, sagte Koedinger, Professor am HCII, „Die Kinder verstehen es nicht nur, sie haben auch mehr Spaß als mit üblichen Exponaten, obwohl sie mehr nachdenken ist nötig.“

Eltern von Kindern, die die Ausstellung erlebten, sagten, sie sei interaktiver, zielgerichteter und lehrreicher und biete im Vergleich zu anderen Ausstellungen eine wechselseitige Kommunikation. Sie kommentierten auch, dass „es forschendes Lernen einsetzt, das das Herzstück des Lernens von Kindern ist, aber auch ein Spielmodell ist, so dass es nicht wie eine Lernaktivität erscheint.“

„Unsere Ausstellung automatisierte die Anleitung und Unterstützung, die praktisches physisches Experimentieren zu einer wertvollen Lernerfahrung machen“, sagte Yannier. „In Museen verfügen Eltern möglicherweise nicht über das relevante Wissen, um ihren Kindern zu helfen, und Mitarbeiter sind möglicherweise nicht immer verfügbar. Mithilfe von KI und Computer Vision können wir diese Erfahrung mehr Kindern mit unterschiedlichem Hintergrund und in größerem Umfang anbieten.“

Die Forschung des Teams begann am Children’s Museum of Pittsburgh, wo sie das Design ihrer intelligenten Ausstellung testeten und Verbesserungen basierend auf dem Feedback von Personen, die damit interagierten, vornahmen.

„Diese Forschung wird nachhaltige Auswirkungen auf zukünftige Ausstellungserlebnisse im Science Center haben“, sagte Jason Brown, Henry Buhl Jr. Direktor des Carnegie Science Center. „Die Schaffung von unterhaltsamen und inspirierenden Ausstellungserlebnissen zum Anfassen, die das Lernen und Entdecken von Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen oder Mathematik unterstützen, macht uns zu einem der einzigartigsten Museen in der Region.“

Das Team veröffentlichte kürzlich seine Ergebnisse in der Zeitschrift für Lernwissenschaften. Die intelligente Wissenschaftsausstellung verbleibt als Langzeitausstellung im Carnegie Science Center. Es befindet sich auch im Children’s Museum of Atlanta und wird bald im Please Touch Museum in Philadelphia und im Children’s Discovery Museum in San Jose in Kalifornien zu sehen sein.

„Das Children’s Museum of Atlanta freut sich, Teil dieser Forschungsstudie zu sein. Da wir den NoRilla in Aktion beobachtet haben, sehen wir ein hohes Maß an „Verweilzeit“ für Kinder und Erwachsene, während sie daran arbeiten, die Herausforderungen durch die Kombination ihrer Hände zu meistern -über Aktivitäten mit computergestützten Herausforderungen“, sagte Karen Kelly, Direktorin für Ausstellungen und Bildung im Atlanta Museum. „Wir lieben es, dass diese Erfahrung mit unserer Mission übereinstimmt, die Vorstellungskraft, den Entdeckungssinn und das Lernen jedes Kindes durch die Kraft des Spiels zu wecken.“

Das CMU-Team arbeitet bereits an der Erstellung weiterer intelligenter wissenschaftlicher Exponate, die Computer Vision und KI verwenden, um verschiedene wissenschaftliche Themen zu vermitteln. Zukünftige Projekte umfassen ein Exponat mit Rampen und eines mit Waage.

Yannier betonte, dass diese Technologie nicht nur den Unterricht in einem Museum verbessern, sondern auch Schülern beim Lernen im Klassenzimmer oder zu Hause helfen könnte.