Klicktafel · KI · Klasse 7+ und Fortbildung

KI-Matrix

Wie kann aus ein paar Zahlen eine Entscheidung entstehen? Baue ein winziges künstliches Neuron, lass es lernen und sieh zu, wie aus 3×3 Feldern ein Grundprinzip moderner KI wird.

Der Kern in einem SatzEingabe × Gewicht → Summe → Entscheidung

Deine Aufgabe: Zeichne zuerst mit schwarzen Feldern einen senkrechten Strich. Lass die Seite anschließend berechnen, ob das Muster erkannt wird, und beobachte danach, wie die Maschine ihre Gewichte selbst verändert und daraus lernt.

PerzeptronNeuronGewichteTraining3×3-FilterTransformer-Brücke

Einstieg

Eine Maschine sortiert Bilder

PRÜFMASCHINE
?
bereit
Geprüft: 0 Bilder davon „Ja“: 0

Die Maschine hat keine Augen. Woran erkennt sie einen senkrechten Strich?

Station 1 · Pixel & Gewichte

Neun Pixel. Neun Gewichte.

Schwarz zeichnet das Muster. Tippe links auf die Felder oder male mit dem Finger einen Strich. Weiße Felder sind nur Hintergrund. Rechts siehst du, wie wichtig jedes Feld für die Entscheidung ist.

Dein 3×3-BildPixelbild

Welche schwarzen Felder bilden den Strich?

Schwarz = Strich = 1 Weiß = Hintergrund = 0
Gewichtedafür / dagegen / egal

Positive Gewichte sprechen dafür, negative Gewichte dagegen. Null bedeutet: dieses Feld ist egal.

+ grün: dafür − rot: dagegen 0 grau: egal

Mit − und + änderst du ein Gewicht.

Fachlich: Wir modellieren hier ein einzelnes Perzeptron. Die neun Pixel sind die Eingaben x, die neun Zahlen die Gewichte w.

Station 2 · Entscheiden

Rechnen und entscheiden

Jedes Pixel wird mit seinem Gewicht multipliziert, danach wird alles addiert. Das Ergebnis heißt Score. So entscheidet ein künstliches Neuron. Rechnet zuerst selbst, dann „Berechnen“.

Bildx
Strich = 1 Hintergrund = 0
Gewichtew

Ändern in Station 1

Score
?
Noch keine Entscheidung
Noch nicht berechnet.

Fachlich schreiben wir: z = Σ(xᵢ · wᵢ) + b. Hier setzen wir den Bias zunächst auf 0. Eine Aktivierungsfunktion macht aus dem Score anschließend die Entscheidung. Die Schwelle θ entspricht einem Bias von b = −θ. „ד heißt hier: Feld für Feld multiplizieren und alles addieren, kein Matrizenprodukt.

Station 3 · Lernen

Jetzt lernt die Maschine selbst

Wir geben Beispiele vor. Bei einer falschen Entscheidung werden die Gewichte leicht verändert. Vermutet zuerst: Welche Felder bekommen große Gewichte? Dann Runde für Runde.

Trainingsbeispiele: Phase 1 (8)

Beim Training verändert die Maschine nur Zahlen. Aus vielen kleinen Korrekturen entsteht ein Muster.

Aktuelle gelernte Gewichte

Trainingsrunden0
Trefferquote–
Gelernte Schwelle0,00
Korrekturen in der letzten Runde–

Wir verwenden absichtlich die klassische Perzeptron-Lernregel: w ← w + η(y − ŷ)x und b ← b + η(y − ŷ), hier mit η = 0,2. Sie ist historisch passend und vollständig transparent. Angezeigt wird die gelernte Schwelle θ = −b.

Station 4 · 3×3-Filter

Das 3×3-Fenster wandert über ein Bild

Jetzt wird aus dem kleinen Beispiel ein Filter: Derselbe 3×3-Filter wird über ein größeres Pixelbild geschoben. Schätzt den Score, bevor ihr das Fenster weiterschiebt.

7×7-BildTippe ins Bild: Fenster versetzen
1 / 25
3×3-Filter

Das blaue Fenster zeigt, welche neun Pixel gerade mit dem Filter verrechnet werden. Es ist dieselbe Rechnung wie in Station 2.

Position Zeile 1, Spalte 1: Score 0

Jede Fensterposition liefert eine Zahl. Zusammen ergeben die 25 Zahlen ein neues, kleineres Bild.

7×7-Bild
Ergebnisbild5×5

Kräftiges Blau heißt: hoher Score. Hier passt das Bild gut zum Filter. Die hohen Werte liegen genau dort, wo der senkrechte Strich ist.

Position Zeile 1, Spalte 1: Score 0

Das ist die Grundidee einer Faltung (Convolution). Moderne CNNs lernen solche Filter selbst und stapeln viele davon in mehreren Schichten. Genau genommen rechnen sie eine Kreuzkorrelation; in der KI heißt sie trotzdem Faltung.

Station 5 · Skalieren

Dasselbe Prinzip – nur sehr viel größer

Der einzelne Rechenschritt bleibt überschaubar. Leistungsfähig wird moderne KI durch sehr viele gelernte Gewichte, viele Schichten und sehr viele Trainingsbeispiele.

Anzahl der GewichteBalken stark gestaucht: Skala logarithmisch, Parameter
Unser Beispiel
9
Ziffern lesen (1998)
60.000
Bilderkenner (2012)
60 Mio.
Sprachmodell (2024)
70 Mrd.
MerksatzDie KI lernt nicht die Rechenart. Sie lernt die Gewichte.
Eingaben Gewichten Addieren Entscheiden Weitergeben

Was gleich bleibt

Auch große KI-Systeme rechnen vor allem mit Multiplikationen, Summen und Schwellen. Sprachmodelle wie ChatGPT sind aber viel komplizierter gebaut als unsere 3×3-Matrix.

Was bei ChatGPT anders ist

Sprachmodelle verwenden Transformer. Sie rechnen mit großen Vektoren und Matrizen, Attention und vielen Schichten. Die 3×3-Matrix ist deshalb kein Modell von ChatGPT, sondern ein verständlicher Einstieg in dieselbe Welt gewichteter Zahlenoperationen.

Hinweise für Lehrkräfte

Jahrgang

Ab Klasse 7. Mit dem Umschalter Fortbildung erscheinen zusätzlich Formeln, Fachbegriffe und die Brücke zu Sprachmodellen, z. B. für Lehrkräftefortbildungen oder Lehramtsstudierende. Der Umschalter steht an der Tafel auch unten in der Leiste.

Zeitbedarf

45 Minuten für Einstieg, Station 1 bis 3 und Merksatz. 90 Minuten mit Filter, Skalieren und einem eigenen Experiment.

Ablauf in 45 Minuten

  1. 5′ Einstieg: Maschine laufen lassen. Die Klasse diskutiert, tippt einen Chip an, dann „Auflösen“.
  2. 8′ Station 1: Strich malen, Farbcode der Gewichte klären (grün dafür, rot dagegen).
  3. 10′ Station 2: Berechnen lassen. Dann waagerechten Strich und eigene Muster testen und die Schwelle verschieben.
  4. 15′ Station 3, Phase 1 (8 Beispiele): Vermuten, welche Felder große Gewichte bekommen, dann „1 Runde“, bis nichts mehr korrigiert wird (meist 3 bis 5 Runden). Die mittlere Spalte trägt das größte Gewicht. Phase 2 (alle 10): „links“ und „rechts“ kommen dazu, die Trefferquote bleibt unter 100 %.
  5. 7′ Sicherung mit dem Merksatz aus Station 5.

Ablauf in 90 Minuten

  1. 45′ wie links.
  2. 10′ Station 3, Phase 2 vertiefen: Warum bleibt die Trefferquote unter 100 %? Ein einzelnes Neuron kann die drei senkrechten und die drei waagerechten Striche grundsätzlich nicht trennen. Das leitet zu den Schichten in Station 5 über.
  3. 15′ Station 4: Fenster von Hand verschieben, Scores vorher schätzen lassen, dann das Ergebnisbild deuten.
  4. 10′ Station 5: Größenordnungen einordnen, im Modus Fortbildung die Brücke zu Sprachmodellen.
  5. 10′ Experiment: Gewichte in Station 1 so einstellen, dass ein waagerechter Strich erkannt wird, und in Station 2 prüfen.

Lernziele

  • Die Schülerinnen und Schüler beschreiben, wie ein künstliches Neuron entscheidet: Eingabe × Gewicht, Summe, Vergleich mit einer Schwelle.
  • Sie erklären, dass beim Training nur Zahlen verändert werden (Gewichte und Schwelle).
  • Sie übertragen das Prinzip auf ein Filterfenster, das über ein Bild wandert.
  • Sie ordnen ein, dass große KI-Systeme dasselbe Grundprinzip millionen- und milliardenfach nutzen.

Typische Fehlvorstellungen

  • „Die KI sieht das Bild wie wir.“ Sie bekommt nur Zahlen: 1 und 0.
  • „Die KI hat alle Bilder gespeichert.“ Hier sind es nur 9 Zahlen, bei 512 möglichen Bildern.
  • „Beim Lernen ändert sich das Programm.“ Die Rechenart bleibt gleich, nur die Gewichte ändern sich.
  • „ChatGPT ist eine riesige 3×3-Matrix.“ Die Matrix ist ein Einstieg in das Prinzip, kein Modell von ChatGPT.
  • „Mit genug Training schafft die Maschine immer 100 %.“ Ein einzelnes Neuron kann manche Beispiele grundsätzlich nicht trennen (Station 3).

An der Tafel

Tafelmodus über den Knopf oben oder direkt über die Adresse: ki-matrix/index.html#tafel, #tafel-3 öffnet die dritte Tafel. Weiter mit → oder Bild↓ (auch Präsentations-Klicker), zurück mit ← oder Bild↑, Esc beendet. Station 4 ist an der Tafel auf zwei Bilder verteilt.

Zum Ausdrucken

Der Knopf Arbeitsblätter oben erzeugt A4-Blätter in Graustufen: im Schulmodus ein Arbeitsblatt (Lernweg als Lückentext, Quiz, Kernaufgabe „Rechne wie die Maschine“), ein Infoblatt für die Mappe und die Lösung, im Fortbildungsmodus ein Handout. Drucken oder im Druckdialog als PDF sichern. Das Arbeitsblatt braucht etwa 20 Minuten: im 45-Minuten-Ablauf als Hausaufgabe oder in der Folgestunde, im 90-Minuten-Ablauf statt des Experiments und „Station 3 vertiefen“. Das Infoblatt erst danach austeilen, denn es enthält Antworten zu mehreren Quizfragen. Station 4 kommt in 45 Minuten nicht dran; ihr Lernweg-Schritt ist als Zusatz markiert, die beiden Wörter dazu stehen im Wortspeicher getrennt. Den Schritt zu Station 5 löst die Balkengrafik, die beim Merksatz am Ende der Stunde mit an der Tafel steht.