Vom Perzeptron zum Chatbot

Informatik und Mathematik ab Klasse 8 · Lernreise in 8 Etappen

Vom Perzeptron zum Chatbot

ChatGPT und Claude wirken, als würden sie denken. Gebaut sind sie aus Bausteinen, die du verstehen kannst. Diese Reise setzt sie Etappe für Etappe zusammen.

Einstieg · Die Märchenmaschine schreibt 0 Wörter geraten

Woher weiß die Maschine, welches Wort als Nächstes kommt?

  1. 1Perzeptron
  2. 2Neuronales Netz
  3. 3Nächstes Wort
  4. 4Wortkarte
  5. 5Attention
  6. 6Transformer
  7. 7Groß werden
  8. 8Assistent
Querformat für Smartboard und Beamer · weiter mit Pfeiltasten, Presenter oder Wischen

Etappe 1 von 8 1958

Ein einzelnes künstliches Neuron

Alles beginnt mit dem Perzeptron. Es nimmt Informationen auf, gewichtet sie, rechnet sie zusammen und vergleicht das Ergebnis mit einem Schwellenwert. Heraus kommt Ja oder Nein.

Die Frage

Gehe ich heute ins Freibad?

Tippe auf eine Information, um sie ein- oder auszuschalten.

Erfunden 1958Der Psychologe Frank Rosenblatt baute das Perzeptron als stark vereinfachtes Modell einer Nervenzelle.
Gewichte entscheidenWichtige Informationen zählen viel, unwichtige wenig. Manche sprechen dagegen und haben ein negatives Gewicht.
Zu einfach für SpracheEin Perzeptron trifft nur eine einzige Ja-Nein-Entscheidung. Für mehr braucht es sehr viele davon.

Etappe 2 von 8 1986

Viele Neuronen werden ein Netz

Schaltet man viele Perzeptrons in Schichten hintereinander, entsteht ein neuronales Netz. Die Ausgaben der einen Schicht sind die Eingaben der nächsten. Jede Verbindung hat ihr eigenes Gewicht.

Probier es aus

Baue dein eigenes Netz

1
4
Verbindungen, also Gewichte 0
Wie ein Netz lernt

Aus Fehlern lernen: ein Neuron findet den Brötchenpreis

Niemand stellt Milliarden Gewichte von Hand ein. Ein Netz lernt sie aus Beispielen. Dieses Neuron hat nur ein einziges Gewicht: den Preis pro Brötchen. Es kennt die drei Einkäufe in der Tabelle und soll den Preis selbst herausfinden.

Gewicht (Preis pro Brötchen)0,100 €

So lernen auch riesige Netze: vorhersagen, mit der richtigen Antwort vergleichen, alle Gewichte ein kleines Stück in die bessere Richtung drehen. Und das millionenfach. Das Verfahren heißt Backpropagation und wurde 1986 durch einen Fachartikel von David Rumelhart, Geoffrey Hinton und Ronald Williams bekannt. Hinton erhielt 2024 zusammen mit John Hopfield den Physik-Nobelpreis für Grundlagen des maschinellen Lernens.

Etappe 3 von 8 19131948

Das nächste Wort raten

Ein Sprachmodell hat genau eine Aufgabe: das nächste Wort vorhersagen. Die einfachste Methode kennst du aus dem Einstieg. Man zählt in Texten aus, welches Wort wie oft auf welches folgt, und würfelt danach. Hier kannst du der Märchenmaschine in die Karten schauen.

Die Maschine schaut nur auf:

Tippe auf ein Wort, um es selbst auszuwählen.

Die Märchenbibliothek der Maschine ansehen

Die Sätze sind im Stil der Brüder Grimm geschrieben. Echte Modelle lernen aus Milliarden Sätzen.

Auftrag: Lass die Maschine einige Sätze schreiben. Findet einen Satz, der richtig klingt, aber Unsinn ist. Woran liegt das?

1913

Der Mathematiker Andrei Markow zählte in einem russischen Versroman, wie oft Vokale auf Konsonanten folgen. Die Idee: Das Nächste hängt vom Vorherigen ab.

1948

Der Ingenieur Claude Shannon ließ mit solchen Zählungen ganze Wortketten entstehen. Je mehr vorherige Wörter er beachtete, desto echter klangen sie.

Vertiefung: Was passiert, wenn die Maschine auf mehr Wörter zurückschaut? Klicktafel N-Gramme: Unsinn oder abgeschrieben?

Etappe 4 von 8 2013

Wörter werden zu Zahlen

Ein neuronales Netz kann nur mit Zahlen rechnen. Deshalb bekommt jedes Wort einen Platz auf einer Bedeutungskarte. Wörter mit ähnlicher Bedeutung liegen nah beieinander. Der Platz wird durch Zahlen beschrieben, wie Koordinaten. Fachbegriff: Embedding.

Auftrag: Tippt ein Wort an: Wer sind seine Nachbarn? Rechnet dann „König − Mann + Frau“ und vermutet vorher das Ergebnis.

Ausgewählt

Nächste Nachbarn
    Mit Bedeutung rechnen
    − +

    =

    Diese Karte ist von Hand gezeichnet und hat nur zwei Richtungen. Echte Modelle lernen die Plätze selbst. GPT-3 beschreibt jedes Token mit 12.288 Zahlen.

    Genauer gesagt: TokensSprachmodelle zerlegen Text in Wortstücke, sogenannte Tokens. Häufige Wörter sind ein Token, seltene werden zerlegt, zum Beispiel so: Mär chen prinz essin
    Gelernt statt gezeichnet2013 zeigte ein Team bei Google mit dem Programm word2vec, dass ein Netz solche Karten aus Texten selbst lernt. König − Mann + Frau landete tatsächlich bei Königin.
    Warum das hilftDie Märchenmaschine kannte nur Wörter als Zeichenketten. Mit der Karte kann ein Modell rechnen: Wolf und Fuchs liegen näher beieinander als Wolf und Kuchen.

    Etappe 5 von 8 2014

    Attention: Welche Wörter gehören zusammen?

    Die Märchenmaschine vergaß alles außer dem letzten Wort. Mit Attention (Aufmerksamkeit) schaut jedes Wort auf alle Wörter vor ihm und gewichtet, welche für seine Bedeutung wichtig sind. Es zählt vor allem, ob ein Wort dazugehört, nicht nur, wie nah es steht.

    Tippe auf ein Wort. Die Bögen zeigen, wohin es schaut. Je dicker der Bogen, desto mehr Aufmerksamkeit.

    Die Prozentzahlen sind hier ausgedacht, damit man das Prinzip sieht. Ein echtes Modell lernt sie beim Training selbst. In einem Chatbot schauen Wörter nur nach hinten auf das, was schon dasteht. Darum ist beim Wort „er“ noch offen, wer gemeint ist.

    Viele Blicke gleichzeitigEin Modell schaut nicht nur einmal hin. GPT-3 hat in jeder Schicht 96 solcher Blickrichtungen, die auf unterschiedliche Dinge achten: wer handelt, was zusammengehört, welche Zeitform gilt.
    Erfunden fürs Übersetzen2014 nutzten Forscher Attention zuerst in Übersetzungsprogrammen. Beim Übersetzen muss man wissen, welches Wort im Original zu welchem Wort in der Übersetzung gehört.

    Etappe 6 von 8 2017

    Der Transformer: alles in einem Bauplan

    2017 stellte ein Forschungsteam von Google einen neuen Bauplan für neuronale Netze vor: den Transformer. Ihr Fachartikel hieß „Attention Is All You Need“. In diesem Bauplan steckt alles, was du bisher kennengelernt hast. Das T in ChatGPT steht übrigens für Transformer.

    Probier es aus

    Wie ein Transformer ein Wort findet

      Stolperfalle

      Neuronales Netz + Transformer = Sprachmodell

      So klingt es oft. Aber Netz und Transformer sind keine zwei Teile, die man zusammensteckt.

      Richtig ist

      Transformer = neuronales Netz mit besonderem Bauplan

      Ein Block aus Attention-Schicht und Neuronen-Schicht, viele Male übereinander gestapelt. Am Ende stehen Wahrscheinlichkeiten für das nächste Wort.

      Etappe 1 und 2Perzeptronsstecken in der Neuronen-Schicht jedes Blocks. Der ganze Transformer ist ein neuronales Netz.
      Etappe 3Nächstes Wort ratenist das Ziel. Am Ende kommen Wahrscheinlichkeiten heraus, wie bei der Märchenmaschine.
      Etappe 4Wortkartesteht am Anfang. Jedes Token wird zu einer langen Zahlenliste.
      Etappe 5Attentionsteckt in jedem Block. So kann jedes Wort den ganzen Text davor beachten.

      Etappe 7 von 8 2020

      Groß werden: Large Language Model

      Ein Transformer wird erst richtig gut, wenn er riesig ist und unvorstellbar viel Text gelesen hat. Daher der Name: Large Language Model, großes Sprachmodell, kurz LLM.

      Anzahl der Gewichte

      Vom Freibad-Perzeptron zu GPT-3

      Jeder Strich auf der Achse bedeutet: 1.000-mal mehr als beim Strich davor. Wie groß Claude und die aktuellen ChatGPT-Modelle sind, haben die Firmen nicht veröffentlicht.

      Rechne nach

      Wie lange müsstest du lesen, um so viel Text zu schaffen?

      200
      8
      Du müsstest lesen

      Das Training: Das Modell liest diesen Text und übt immer wieder dieselbe Aufgabe: das nächste Token vorhersagen. Liegt es falsch, werden alle Gewichte ein Stück nachgestellt, genau wie beim Brötchen-Neuron. Heraus kommt ein Basismodell. Es kann Text täuschend echt fortsetzen. Ein Assistent ist es noch nicht.

      Etappe 8 von 8 20222023

      Vom Textfortsetzer zum Assistenten

      Das Basismodell setzt Text fort. Dass eine Frage eine Antwort will, weiß es nicht. Es schreibt einfach weiter, was im Internet nach so einem Text oft kam.

      Die Antworten sind nachgestellt, um den Unterschied zu zeigen.

      1. BeispielgesprächeMenschen schreiben Fragen und gute Antworten. Damit wird das Modell nachtrainiert und lernt das Frage-Antwort-Spiel.
      2. BewertenMenschen vergleichen zwei Antworten und wählen die bessere, genau wie du gerade. Daraus lernt das Modell, was hilfreich, ehrlich und freundlich ist. Fachbegriff: RLHF, Lernen aus menschlichem Feedback.
      3. GrundsätzeBei Claude legt die Firma Anthropic zusätzlich schriftliche Grundsätze fest, eine Art Verfassung. An ihnen prüft und verbessert das Modell seine eigenen Antworten.

      Im November 2022 veröffentlichte OpenAI ChatGPT, im März 2023 folgte Claude von Anthropic.

      Rückblick

      Die ganze Reise auf einen Blick

      Acht Etappen, ein Ergebnis. So hängen die Bausteine zusammen.

      Auftrag: Erklärt euch zu zweit abwechselnd je einen Baustein in einem Satz.

      1. 1Perzeptron

        Ein Neuron gewichtet Informationen und sagt Ja oder Nein.

      2. 2Neuronales Netz

        Viele Neuronen in Schichten. Es lernt, indem es nach Fehlern die Gewichte nachstellt.

      3. 3Nächstes Wort

        Die Aufgabe: das nächste Wort mit Wahrscheinlichkeiten vorhersagen.

      4. 4Wortkarte

        Jedes Wort wird zu Zahlen. Ähnliche Bedeutung liegt nah beieinander.

      5. 5Attention

        Jedes Wort schaut auf die Wörter davor und gewichtet, welche wichtig sind.

      6. 6Transformer

        Der Bauplan: Attention und Neuronen-Schicht, viele Male gestapelt.

      7. 7Groß

        Milliarden Gewichte, trainiert mit unvorstellbar viel Text.

      8. 8Assistent

        Nachtraining mit Beispielgesprächen und Bewertungen durch Menschen.

      ChatGPT oder Claude = ein riesiger Transformer, mit Unmengen Text trainiert, das nächste Wort vorherzusagen, und von Menschen zum hilfsbereiten Assistenten nachtrainiert.

      Zeitstrahl

      Die Reise ging nicht der Zeit nach

      Die Idee, Wörter zu zählen, ist älter als das Perzeptron. Hier sind alle Stationen in der richtigen Reihenfolge.

        Keine Magie, aber auch kein Wissen

        Ein Chatbot wählt Wort für Wort ein wahrscheinliches nächstes Wort. Das klingt fast immer überzeugend. Richtig ist es deshalb noch lange nicht. Wichtige Fakten aus einem Chatbot prüfst du darum immer nach.

        Wie es seit 2022 weiterging: Teil 2 · Vom Chatbot zum Agenten

        Abschluss

        Mini-Quiz

        Acht Fragen zur ganzen Reise. Nach jeder Antwort siehst du sofort, ob sie stimmt, und warum.

        Hinweise für Lehrkräfte

        Jahrgang: Informatik und Mathematik ab Klasse 8, auch Fortbildung.

        Ablauf in 45 Minuten: Einstieg (5 Min.), Etappe 3 Märchenmaschine (10 Min.), Etappen 4 und 5 (12 Min.), Etappe 6 Transformer (8 Min.), Etappe 8 Assistent (5 Min.), Rückblick (5 Min.). Etappen 1, 2 und 7 und das Quiz entfallen oder kommen in die nächste Stunde.

        Lernziele: Die Schülerinnen und Schüler beschreiben, dass ein Sprachmodell Wort für Wort ein wahrscheinliches nächstes Token wählt. Sie ordnen Perzeptron, Netz, Wortkarte, Attention und Transformer als Bausteine eines Sprachmodells ein. Sie erklären, warum ein Chatbot überzeugend klingt, aber falsch liegen kann.

        Typische Fehlvorstellungen: „Der Chatbot schlägt im Internet nach.“ Er berechnet Wahrscheinlichkeiten aus Gelerntem. „Der Chatbot versteht und weiß.“ Er rechnet mit Zahlen; das Ergebnis kann klug wirken und trotzdem falsch sein. „Transformer und neuronales Netz sind zwei Teile.“ Der Transformer ist ein neuronales Netz (Stolperfalle in Etappe 6).

        Ablaufvorschlag für eine Doppelstunde (90 Minuten):

        1. Einstieg am Board: Märchenmaschine laufen lassen, Vermutungen sammeln, dann auflösen (10 Min.)
        2. Etappen 1 und 2: Perzeptron wiederholen, Netz bauen, Brötchen-Neuron lernen lassen (15 Min.)
        3. Etappe 3 in Partnerarbeit: Sätze erzeugen und Unsinnssätze sammeln (15 Min.)
        4. Etappen 4 und 5: Wortkarte und Attention gemeinsam erkunden (20 Min.)
        5. Etappe 6 im Plenum: den Transformer Schritt für Schritt durchklicken, Stolperfalle besprechen (10 Min.)
        6. Etappen 7 und 8: Größen schätzen lassen, dann Lesezeit ausrechnen; Antworten bewerten (15 Min.)
        7. Rückblick und Quiz als Sicherung (5 Min.)

        Fortsetzung: Teil 2 · Vom Chatbot zum Agenten knüpft an Etappe 8 an: Skalieren, Werkzeuge, Bilder, Zwischenschritte, Lernen mit Belohnung, Agenten.

        Vorwissen: Die Seite knüpft an die Lernwerkstatt Perzeptron an (gleiches Freibad-Beispiel). Ohne sie reicht Etappe 1 als kurze Wiederholung.

        Bewusste Vereinfachungen:

        • Die Wortkarte ist zweidimensional und von Hand gesetzt. Echte Embeddings haben Hunderte bis Tausende Dimensionen und werden gelernt.
        • Die Attention-Werte und die Wahrscheinlichkeiten im Transformer-Durchlauf sind ausgedacht und zeigen nur das Prinzip.
        • Moderne Neuronen geben fließende Werte weiter statt eines harten Ja oder Nein.
        • Die Basismodell-Antworten sind nachgestellt. Die Lesezeit nutzt die Faustregel 1 Token ≈ 0,75 englische Wörter.
        • Die Märchenmaschine ist ein echtes Bigramm-Modell (Markow-Kette erster Ordnung) über 19 selbst geschriebene Sätze. Vertiefung mit 1 bis 5 Wörtern Rückblick: N-Gramme: Unsinn oder abgeschrieben?

        Fachbegriffe: Token, Embedding, Attention, Transformer, Parameter (Gewichte), Basismodell, Feintuning, RLHF.

        Tafelmodus: Der Knopf „Tafelmodus“ zeigt die Seite als 17 Folien im Querformat. Weiter mit Pfeiltasten, Presenter (Bild auf/ab), Wischen oder der Leiste unten. Esc beendet den Modus. Ein Link mit #tafel am Ende startet direkt im Tafelmodus, #tafel-8 auf Folie 8.

        Praktisch: Mit „A+“ oben rechts wird die Schrift größer. Die Seite speichert keine Eingaben der Lernenden.