KIKSSociale robotChatbotAI in de ZorgComputationeel denken

KIKS

KIKS is een STEM-project rond artificiële intelligentie (AI) voor de derde graad secundair onderwijs. Leerlingen leren AI begrijpen, met mogelijkheden en beperkingen; ze leren hoe ze er een impact kunnen op hebben.

De relatie tussen huidmondjes (stomata) van planten en de klimaatverandering biedt een uniek kader om met diepe neurale netwerken aan de slag te gaan. De programmeertaal Python is bovendien zeer toegankelijk als tool om de fundamenten van neurale netwerken te bestuderen.

Een troef van het KIKS-project is de samenwerking tussen onderzoekers en leerkrachten. Het lesmateriaal van KIKS wordt immers ontwikkeld, parallel met de resultaten van een lopend wetenschappelijk onderzoek aan de UGent en de Plantentuin Meise.

We willen graag dat zoveel mogelijk leerkrachten en leerlingen kennismaken met ‘KIKS’ en ermee aan de slag gaan in de klas. U kan uw interesse laten blijken via ons formulier.

Het wetenschappelijk onderzoek

Wetenschappers van de Plantentuin Meise en de UGent onderzoeken hoe bomen uit het tropisch regenwoud zich aanpassen aan de klimaatverandering. De stomata op hun bladeren verschaffen informatie over de CO2-concentratie in de atmosfeer ten tijde van de groei van de planten. De onderzoekers tellen het aantal stomata op de bladeren en ze meten hun grootte op. Erna vergelijken ze de resultaten van recent materiaal met die van materiaal van honderd jaar terug.

Het tellen en meten van stomata is echter een heel tijdrovende bezigheid. Om dit te automatiseren, heeft een computerwetenschapper van de UGent een neuraal netwerk getraind. Om zo’n netwerk te trainen zijn veel voorbeelden nodig: foto’s van stomata en foto’s van bladeren zonder stomata.

Klimaat

Sinds het begin van de industriële revolutie (1750) is de concentratie van broeikasgassen in onze atmosfeer sterk toegenomen. Dit versterkt het natuurlijk broeikaseffect. De laag met broeikasgassen in de atmosfeer fungeert als een soort deken, dat dikker wordt naarmate de hoeveelheid broeikasgassen toeneemt. Bijgevolg wordt het onder het deken warmer omdat de warmte steeds moeilijker van onder het deken kan ontsnappen naar de ruimte. De verhoogde concentratie van broeikasgassen in de atmosfeer resulteert in een verhoging van de gemiddelde temperatuur en een globale klimaatverandering.

Stomata

Planten zijn in staat om zelf de energierijke koolstofverbindingen op te bouwen die ze nodig hebben om te leven, te groeien en zich te kunnen reproduceren. Ze doen dit via fotosynthese. Hiervoor moet de plant CO2 opnemen. Om die opname mogelijk te maken, zijn er microscopisch kleine poortjes in de opperhuid van het blad, de huidmondjes (stomata). De huidmondjes staan ook in voor afkoeling van de plant en het onderhouden van de sapstroom van wortel tot hoog in de plant.

Uit de paleoklimatologie blijkt dat de stomatale grootte en dichtheid beïnvloed worden door de atmosferische CO2-concentratie.

AI

Diepe neurale netwerken zijn een vorm van machinaal leren, en behoren dus tot het domein van de artificiële intelligentie. Convolutionele neurale netwerken zijn uitermate geschikt om huidmondjes op microfoto's te herkennen.

Aan de hand van Python notebooks verkennen we stap voor stap deze wondere wereld. Leerlingen krijgen inzicht in de fundamenten van artificiële intelligentie. Maar er komen ook praktische zaken bij kijken, zoals het verzamelen en voorbereiden van de dataset.

Lesmateriaal

Het ‘KIKS’ lesmateriaal wordt ter beschikking gesteld overeenkomstig de voorwaarden van een Creative Commons BY-SA licentie.

De Python notebooksDe notebooks reiken toepassingen aan binnen een context van de klimaatverandering en van planten, en het verband tussen beide. De fundamentele begrippen uit machine learning en deep learning worden daarbij aangeleerd. De notebooks zijn interactief opgebouwd. Er worden nieuwe begrippen in aangebracht via tekstuele uitleg, video en afbeeldingen, geleide voorbeelden, kleine en grotere opdrachten.De handleiding - ook verkrijgbaar in gedrukte versieWe willen de leerkrachten achtergrondkennis geven over de inhoud van dit project: de klimaatverandering, de biologie van de huidmondjes en de manier waarop planten zich via de huidmondjes aan die klimaatverandering aanpassen, het wetenschappelijk onderzoek van de UGent en de Plantentuin Meise dat aan de grondslag ligt van dit project, burgerwetenschap, wat is artificiële intelligentie (AI), de geschiedenis van AI, het gebruik ervan en de ethiek errond, de principes van digitale beelden, de wiskunde achter de algoritmen en de fundamenten van de momenteel meest gebruikte AI-technieken. We geven ook aan hoe wij met KIKS aan de slag gegaan zijn in de klas.​De leerplandoelenBinnen het KIKS-project kunnen behoorlijk veel leerdoelen aan bod komen. De leerkracht bepaalt zelf welke leerdoelen in verband gebracht worden met het project. Bovendien biedt het project heel wat mogelijkheden om de leerlingen actief en zelfstandig te laten leren en om ICT-vaardigheden bij te brengen. KIKS kan ook gebruikt worden om een onderzoeksopdracht uit te werken. In de eindtermen en leerplannen van de verschillende koepels zijn heel wat leerdoelen te vinden die KIKS linken met biologie, aardrijkskunde en wiskunde.Een leerlingencursusMet de leerlingencursus geven we een voorbeeld van een mogelijk, uitgebreid traject dat een leerkracht met leerlingen kan doorlopen. Het traject omvat de klimaatverandering, de biologie van de huidmondjes met een microscopie-opdracht, de manier waarop planten zich via de huidmondjes aan die klimaatverandering aanpassen, het wetenschappelijk onderzoek van de UGent en de Plantentuin Meise, het verzamelen van de data om een neuraal netwerk te trainen, wat is artificiële intelligentie (AI), de geschiedenis van AI, het gebruik ervan en de ethiek errond, de principes van digitale beelden, het werken met convoluties, de wiskunde achter het Perceptron-algoritme, het lineaire en niet-lineaire classificeren van data, en de fundamenten van machinaal leren.Het maken van een nagellakafdruk van een deel van een bladOm het aantal huidmondjes op een deel van een blad van een plant te kennen, bekijken we het bladoppervlak onder de microscoop. We kunnen daarvoor een stuk van de flinterdunne cuticula van het blad verwijderen, maar bij sommige planten lukt dat niet zo goed, bijvoorbeeld door de stugheid van het blad. Dit kan echter opgevangen worden door dezelfde methode te gebruiken als de onderzoekers van de Plantentuin Meise, nl. een afdruk nemen van een deel van het bladoppervlak met doorzichtige nagellak. Het miscroscopische beeld kan met een smartphone gefotografeerd worden.
Ons team

Prof. dr. ir. Francis wyffels is docent robotica & AI. Binnen de UGent is hij een van de trekkers van STEM-initiatieven voor het lager en het secundair onderwijs en is hij lid van de facultaire diversiteitscommissie. Hij is voorzitter van Dwengo vzw waarin hij tal van binnen- en buitenlandse STEM-projecten initieerde, bijvoorbeeld het WeGoSTEM-project. Voor zijn inspanningen met betrekking tot wetenschapspopularisering won hij meerdere awards waaronder de Google RISE award en de UGent Hermesprijs.

Natacha Gesquière is licentiaat wiskunde en mediacoach. Ze stond vele jaren in het onderwijs als leerkracht wiskunde, maar ze is nu STEM-coach aan de UGent en Dwengo vzw. Ze ontwikkelt didactisch materiaal voor Dwengo vzw, rond STEM, computationeel denken, artificiële intelligentie en programmeren. Ze verzorgde de leerlijnen STEM en computerwetenschappen voor de STEM-klassen van het eerste tot zesde jaar op Sint-Bavohumaniora in Gent.

Partners