[Schule NRW 02-23]

KInsecta ist ein Forschungsprojekt zum Insektenmonitoring, das über digitale Technik eine spannende Naturbeobachtung ermöglicht. Unter dem Motto „Jedes Insekt zählt“ passieren Insekten lebend ein Insektenleitsystem. Dieses Sensorsystem besteht aus einem Kamerasystem und einem Flügelschlagsensor. Die Sensoren können einzeln oder gemeinsam betrieben werden. Die gesammelten Bilder und Flügelschlagfrequenzen werden mit Hilfe künstlicher Intelligenz ausgewertet.

KInsecta ist ein Open Source-Projekt der Technischen Hochschule Berlin und des Umweltbildungszentrums Listhof in Reutlingen und wird im Rahmen der KI-Leuchtturmprojekte vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) gefördert. Interessierte Schulen und außerschulische Lernorte sind herzlich eingeladen, an diesem Projekt teilzunehmen und können so dazu beitragen das Projekt in der Zivilgesellschaft zu verankern.

Für interessierte Schulen wird am 2. März 2023 eine Informationsveranstaltung zu KInsecta in der Natur- und Umweltschutz Akademie NRW angeboten (cathrin.gronenberg[at]nua.nrw.de (Anmeldung hier)).

Biodiversität: Was wir heute kennenlernen, können wir für morgen schützen!

Die Biodiversität unserer heimischen Insektenwelt ist eng verzahnt mit der Biodiversität unserer Pflanzen und vielen weiteren Tieren, die sich von Insekten ernähren. Insekten spielen eine wichtige Rolle in den Stoffkreisläufen der Natur, indem sie beispielsweise die Boden- und Wasserqualität verbessern und organisches Material zersetzen. Gründe, sich mit den sechsbeinigen Krabbeltieren auseinanderzusetzen, gibt es viele. Die Kernlehrpläne für das Fach Biologie in der Sekundarstufe I sehen eine Beschäftigung mit charakteristischen Wirbellosen-Arten und ihren Angepasstheiten an den Lebensraum vor. Das unmittelbare Arbeiten mit den Insekten beim Sammeln von Trainingsdaten im Rahmen von KInsecta bringt die Schülerinnen und Schüler dazu, sich mit der Taxonomie der Insekten und deren Lebensweise zu beschäftigen. Der qualitative und quantitative Rückgang der Artenvielfalt der Insekten wird bei der Bestimmung unmittelbar erfahrbar, sei es mit klassischen Methoden bis hin zu modernen KI-Methoden. Lösungsstrategien für das schulische Außengelände können thematisiert werden.

Künstliche Intelligenz und Sensorik

Künstliche Intelligenz begleitet den Alltag, ohne dass es meist aktiv wahrgenommen wird. Sich damit zu beschäftigen und auseinanderzusetzten, ist auch in Schulen von großer Bedeutung. Erste Einblicke in die Funktionsweise künstlicher Intelligenz und maschinellen Lernens werden bereits im Pflichtfach Informatik in Klasse 5/6 gegeben. Im Rahmen des Projekts KInsecta können Schülerinnen und Schüler sich vertiefend und anwendungsorientiert mit dem Thema KI, insbesondere mit dem sogenannten maschinellen Lernen, auseinandersetzen. Grundlage des maschinellen Lernens ist hier eine Datenbank, in der eine Vielzahl an Daten gespeichert werden.

Indem Schülerinnen und Schüler die Insekten mit dem Kescher fangen und in das Multisensorsystem setzen oder diese durch eine entwickelte Schleuse in das System gelangen, werden Daten erhoben. Das Herzstück der Datenerhebung sind der Kamera- und der Flügelschlagsensor. Idealerweise wird das Insekt durch eine KI-Software im Steuerungscomputer (RaspberryPi) direkt klassifiziert. Neben dem Kamerabild wird auch die Messung des Frequenzmusters des Flügelschlages als Unterscheidungsmerkmal der Insekten herangezogen. Denn Insekten bewegen ihre Flügel gattungsspezifisch in einer Frequenzbreite von 0 Hertz (Libelle im Segelflug) bis hin zu 1046 Hertz (kleine Mücken). Mittels Infrarot-LED oder Laser kann so die Veränderung des Lichteinfalls beim Durchflug der Insekten durch den Sensor gemessen werden.

Die Daten werden auf dem Raspberry-Pi gespeichert, von den Schülerinnen und Schülern ausgewertet und auf eine im Rahmen des KInsecta-Projektes bereitgestellten Datenbank übertragen. Dort werden sie gesammelt und können – im Sinne des Open Source/Open Data-Ansatzes von KInsecta -- auch von anderen Interessierten betrachtet werden. Außerdem dienen diese Daten später als Grundlage für maschinelle Lernverfahren.

Bereits zur Klassifikation häufiger Insektengruppen trainierte neuronale Netze werden den Lernenden bereitgestellt und können ausprobiert werden. Um die Funktionsweise eines neuronalen Netzes und den Begriff des überwachten maschinellen Lernens praxisorientiert begreifbar zu machen, können die notwendigen Schritte an einer einfacheren Beispielanwendung durchgeführt werden. Dabei wird anschaulich erfahrbar, wo die Schwierigkeiten und auch die Grenzen eines solchen automatisierten Erkennungsverfahrens liegen. Der notwendige Programm-Code und ein fertiger Skizzendatensatz werden vom KInsecta-Projekt bereitgestellt und kann erweitert beziehungsweise angepasst werden.

Umsetzung an der Schule

Die Schiller-Schule Bochum hat sich in Zusammenarbeit mit dem zdi-Netzwerk IST.Bochum.NRW als erste Schule in NRW entschlossen, an dem Projekt KInsecta mitzuwirken. Die Schule ermöglicht den Klassen der Jahrgangsstufe 6 die Teilnahme an KInsecta. Die Schule plant, mit vier Messboxen Daten zu sammeln: drei stehen auf dem Schulgelände und eine im Landschafts- und Klimapark Springorum in Bochum. Hier soll sich ein Naturraum eigenständig und sukzessive auf einer Industriebrachfläche entwickeln. Dieses Refugium für die Ansiedlung diverser Insektenarten soll dann mit dem Bestand auf dem Schulhof verglichen werden.

Eine detaillierte Liste der benötigten Materialien findet sich auf der Homepage von KInsecta im GitLab. Schulen, die sich weitergehend zu KInsecta informieren möchten, haben die Möglichkeit Technik und Mitwirkende des Projektes auf der Veranstaltung am 2. März in der NUA kennenzulernen. Gerne können Sie sich auch direkt an die Kontaktpersonen von BNE trifft MINT wenden.

Autoren: Cathrin Gronenberg, BNE-Agentur NRW; Ilona Schrimpf, Listhof Reutlingen; Markus Real, zdi-Netzwerk MINT.REgio

KInsecta wird in NRW von der Initiative „BNE trifft MINT“ unterstützt. Die Initiative möchte mit verschiedenen Angeboten zeigen, wie Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) mit fachlichen Kontexten der MINT-Fächer verknüpft werden kann. Neben dem Angebot von Kursen für Lehrkräfte unterstützt die Initiative „BNE trifft MINT“ Tagungen und pädagogische Tage an Schulen. „BNE trifft MINT“ bietet Bildungsmaterialien an und engagiert sich für diverse Projekte zur digital gestützten Ökologie und für Schülerwettbewerbe. Das zdi-Netzwerk MINT.REgio im Kreis Recklinghausen und die BNE-Agentur NRW haben sich zu dieser Initiative zusammengeschlossen.

Die Initiative „BNE trifft MINT“ ist an der Natur- und Umweltschutz Akademie (NUA) NRW angesiedelt. Die NUA ist eine Bildungseinrichtung des Landes Nordrhein-Westfalen, die zu Themen des Natur- und Landschaftsschutzes, zu Umwelt- und Klimaschutz und zu einer nachhaltigen Entwicklung Angebote bereitstellt. Die NUA bietet in Kooperation mit den anerkannten Natur- und Umweltschutzverbänden und außerschulischen Bildungseinrichtungen jährlich über 300 Bildungsveranstaltungen an, unter denen sich auch für Lehrerinnen und Lehrer attraktive Beiträge befinden.