Title: Röntgendiagnostik: Didaktische Kommentierung
Course: Neue Aufgaben zum Thema Künstliche Intelligenz > Section: Physik, Q-Phase

Verankerung und Zielsetzung:

Mit dieser Aufgabe kann im Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe - insbesondere im Leistungskurs -mit Bezug zum Inhaltsfeld „Atom- und Kernphysik“ (vgl. KLP NRW) die Bedeutung von KI-Systemen in der Röntgendiagnostik verdeutlicht und diskutiert werden. In diesem Zusammenhang werden auch Kompetenzen im Bereich der Bewertung gefördert. Somit lernen die Schülerinnen und Schüler eine reale Anwendung eines KI-Systems in der Medizin kennen und bewerten für sich persönlich den Einsatz eines solchen KI-Systems.

Inhaltliche Voraussetzung zur Bearbeitung dieser Aufgabe ist ein Grundverständnis der Röntgenstrahlung und der Absorption von Gamma- bzw. Röntgenstrahlung (Abhängigkeit von Material und Dicke). Zur vorherigen inhaltlichen Beschäftigung mit der Absorption von Röntgenstrahlung kann beispielsweise das Material von Blumenthal, Burisch et al. (2023) genutzt werden.

Kompetenzen, die durch die Unterrichtseinheit gefördert werden (KLP NRW):

- „Die Schülerinnen und Schüler wägen die Chancen und Risiken bildgebender Verfahren in der Medizin unter Verwendung ionisierender Strahlung gegeneinander ab (B1, B4, K3)“. (S. 54)
- „Die Schülerinnen und Schüler entwickeln anhand geeigneter Bewertungskriterien Handlungsoptionen in gesellschaftlich- oder alltagsrelevanten Entscheidungssituationen mit fachlichem Bezug und wägen diese gegeneinander ab (B3)“. (S. 34)
- „Die Schülerinnen und Schüler reflektieren Bewertungen von Technologien und Sicherheitsmaßnahmen oder Risikoeinschätzungen hinsichtlich der Güte des durchgeführten Bewertungsprozesses (B5)“. (S. 34)
- „Die Schülerinnen und Schüler beurteilen Technologien und Sicherheitsmaßnahmen hinsichtlich ihrer Eignung und Konsequenzen und schätzen Risiken, auch in Alltagssituationen, ein (B6).“ (S. 35)

Möglicher Unterrichtsverlauf:

Zeitbedarf: 2 Unterrichtsstunden (à 45 min)

Phase | Unterrichtsgeschehen | Soziaform
Einstieg | - Darstellung der Ausgangssituation durch die Lehrkraft: Bei Patient Paul wurde eine Röntgenaufnahme des Thorax ärztlich angeordnet. | UG
Erarbeitung 1
- Wiederholung des Absorptionsverhaltens von Röntgenstrahlung im Plenum mithilfe des Diagramms „Absorption von Gammastrahlung“ (bei Bedarf)
- Die Lernenden erklären kurz die Entstehung des Röntgenbilds. (Aufgabe 1)
- Die Lernenden lernen das Entscheidungsproblem kennen und treffen eine spontane Entscheidung. (Aufgabe 2)
UG

EA
Sicherung 1
- Besprechung von Aufgabe 1 im Plenum
- Meinungslinie zur spontan getroffenen Entscheidung der Lernenden
UG
Erarbeitung 2 | - Die Lernenden arbeiten sich näher in die Situation sowie die Möglichkeiten des Einsatzes von KI-Systemen in der Röntgendiagnostik ein und sammeln Kriterien, die bei der Entscheidungsfindung eine Rolle spielen könnten. (Aufgabe 3) | EA
Sicherung 2
- kurze Diskussion zur Quelle des Artikels (Quellenkritik)
- Sammlung und ggf. Bündelung der von den Lernenden genannten Kriterien
- Zuteilung der Kriterien zu einzelnen Lernenden oder Kleingruppen für eine anschließende arbeitsteilige Recherche
UG
Erarbeitung 3
- Die Lernenden sammeln und formulieren mithilfe einer Internetrecherche Argumente zu ihren Kriterien (Aufgabe 4) und tauschen sich anschließend kriterienübergreifend über ihre Argumente aus.
- Die Lernenden treffen auf Grundlage der gesammelten Argumente eine erneute Entscheidung und erläutern diese (Aufgabe 5).
PA/GA

EA/PA
Sicherung 3 | - Vorstellung der formulierten Erläuterungen durch einzelne Lernende und Diskussion im Plenum | UG

Erläuterungen zum Material:

Aufbauend auf dem bereits erworbenen Fachwissen zur Röntgenstrahlung lenkt die vorgestellte Aufgabe den Blick auf die Anwendung der Röntgenstrahlung in der Röntgendiagnostik. Dabei kommt der Förderung von Bewertungskompetenz eine besondere Bedeutung zu.
Nach dem WAAGE^R-Modell (Langelt et al., 2022) gibt es drei Grundtypen von Bewertungsaufgaben. Die vorliegende Aufgabe greift im Grundtyp II eine Mischung des kriterien- und argumentbasierten Bewertens auf. Die Bereiche Wahrnehmen und Analysieren werden hier vorentlastet und sind durch die Darstellung der Situation bereits gegeben. Stattdessen liegt der Fokus auf der Argumentation bzw. der Identifizierung von Kriterien, die bei der Bewertung und Entscheidungsfindung eine Rolle spielen.

Detaillierte didaktische Erläuterungen:

In einem kurzen Einleitungstext werden die Schülerinnen und Schüler mit einer typischen Situation im medizinischen Kontext vertraut gemacht. Es ist denkbar, dass die Lernenden in Zukunft einmal sich selbst oder nahe Angehörige in einer ähnlichen Situation wiederfinden. Die Authentizität soll dazu beitragen, dass sie sich mit der Situation identifizieren und sich möglichst gut in diese hineinversetzen können. Dies soll den späteren Bewertungsprozess einerseits erleichtern und andererseits individualisieren. Der Einwilligungsbogen und der Internetartikel sollen die Authentizität des Problems zusätzlich unterstreichen. Die Situation kann zum Einstieg durch die Lehrkraft dargestellt werden.

Vor einer näheren Beschäftigung mit dem Bewertungsprozess und der Auseinandersetzung mit künstlicher Intelligenz soll jedoch eine Verknüpfung zu den fachlichen physikalischen Inhalten im Bereich der Röntgenstrahlung hergestellt werden. Auf diese Weise werden Sach- und Bewertungskompetenz miteinander verknüpft. Zudem wird sichergestellt, dass die notwendigen fachlichen Grundlagen vorhanden und reaktiviert sind.
Aufgabe 1 beschäftigt sich daher auf einem grundlegenden Niveau mit der Funktionsweise des Röntgen bzw. der Entstehung der Röntgenbilder. Bei Bedarf können die zuvor behandelten fachlichen Grundlagen zusätzlich beispielsweise mithilfe eines Diagramms (siehe Unterrichtsmaterial) reaktiviert werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen anhand dessen das Absorptionsverhalten von Röntgenstrahlung in Abhängigkeit des Materials und der Dicke des Absorbers erläutern.

Danach wird durch die Weiterbeschreibung der Situation des Patienten Paul die Möglichkeit zum Einsatz eines KI-Systems vorgestellt und die Frage nach dem Umfang des Einsatzes aufgeworfen. Dadurch wird die Wahrnehmung des Entscheidungsproblems unterstützt.

Gemäß Lübeck (2018) ist es ratsam, vor einer näheren Analyse der Situation eine spontane Entscheidung treffen zu lassen (Aufgabe 2), um im Anschluss an den Bewertungsprozess beurteilen zu können, ob eine intensivere Auseinandersetzung mit der Thematik und daraus resultierenden Argumenten zu einer Veränderung der Entscheidung führt. Im Unterricht kann dies zusätzlich durch eine Meinungslinie veranschaulicht werden. So erhält man einen Eindruck bezüglich der Voreinstellung der Lernenden.

Es ist davon auszugehen, dass die Schülerinnen und Schüler bisher noch nicht mit der Möglichkeit der Nutzung von KI-Systemen in der Diagnostik konfrontiert wurden und kein Vorwissen bzgl. des Einsatzes mitbringen. Um einen groben Einblick zu erhalten, wird auf einen Internetartikel verwiesen, der diese Innovation umreißt. Dieser Artikel kann im Fall bereits vorhandener Kenntnisse jedoch auch ausgelassen werden.

Im anschließenden Unterrichtsgespräch sollte auf die Frage nach der Quelle des Artikels eingegangen und eine kurze Quellenkritik vorgenommen werden, um die Schülerinnen und Schüler zusätzlich für solche Fragen zu sensibilisieren. Mögliche Fragen oder Denkimpulse dazu sind: Ist es ratsam, dass Paul den Artikel noch einmal gelesen hat? Was kann er tun, wenn er sich bezüglich der Richtigkeit der Angaben in dem Artikel unsicher ist? Gibt es Alternativen zur Informationsbeschaffung? Diese Thematisierung kann dabei als Vorbereitung auf die nachfolgende eigene Recherche nach geeigneten Argumenten betrachtet werden.

Die Sammlung von Kriterien soll einerseits die spätere Suche nach Argumenten vorbereiten bzw. erleichtern und andererseits eine arbeitsteilige Recherche ermöglichen. Aus diesem Grund sollte es nach der Bearbeitung von Aufgabe 3 eine Plenumsphase geben und die Kriterien sollten gesammelt und auf die Lernenden aufgeteilt werden. Dabei ist eine doppelte oder mehrfache Vergabe der Kriterien sinnvoll. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine umfassende, faktenbasierte und dennoch zeitökonomische Recherche von geeigneten Argumenten (Aufgabe 4).
Bei der Suche nach geeigneten Kriterien kann folgender Tipp für die Lernenden hilfreich sein: Welche Fragen könnte Paul sich selbst bzw. seiner Ärztin vor einer Entscheidung noch stellen? Zur Unterstützung der Arbeitsphase zu Aufgabe 4 können bei Bedarf Links zur Verfügung gestellt werden, auf die die Lernenden bei der Recherche zurückgreifen können. Eine Auswahl möglicher Links finden Sie am Ende dieser Seite.

Abschließend steht die konkrete Entscheidung und ihre begründete Formulierung (Aufgabe 5). Hier wird der bereits erwähnte Rückgriff auf die spontane Entscheidung aus Aufgabe 2 relevant. Der Vergleich kann den Lernenden verdeutlichen, dass Entscheidungen anders ausfallen können, wenn sie fundiert und nach Abwägung von faktenbasierten Argumenten getroffen werden, und sich daher eine nähere Auseinandersetzung bei wichtigen Entscheidungen lohnt.

Optional bietet sich am Ende des Unterrichtsinhalts die Möglichkeit, den Bias der Daten zu thematisieren, die vermutlich beim Training des KI-Systems verwendet wurden. Hauptaugenmerk kann darauf gerichtet werden, dass bei Gesundheitsdaten vornehmlich Daten von männlichen Patienten verwendet werden und die Aussagekraft für weibliche Patienten nur bedingt gegeben ist.
Je nach Zeit und Motivation kann dies z.B. im Unterrichtsgespräch oder auch als kurze Recherche durchgeführt werden.

Übertragbarkeit auf andere Kontexte:

Inhaltlich gibt es einige Parallelen zwischen dem Einsatz von KI-Systemen in der Röntgendiagnostik und der Krebsdiagnostik. Daher lassen sich sowohl die Überlegungen als auch die entwickelten Aufgabenstellungen zwischen diesen beiden Themenbereichen leicht übertragen. Im Rahmen des Materials zur Krebsdiagnostik wurden Aufgabenstellungen passend zum Grundtyp I des WAAGE^R-Modells erarbeitet. Durch eine inhaltliche Anpassung können diese auch für das Thema Röntgendiagnostik verwendet werden (und umgekehrt). Die hier dargestellten Aufgabenstellungen können dann als darauf aufbauend betrachtet werden.

Quellen und Hintergrundliteratur:

- Blumenthal, Burisch et. al. (2023). Zentrale Experimente Physik GOSt - Absorption von Röntgenstrahlung. Abgerufen am 06.02.2024 von https://tetfolio.fu-berlin.de/web/1003651
- [KLP NRW]. Ministerium für Schule und Bildung des Landes Nordrhein-Westfalen (MSB NRW). (Hrsg.). (2022). Kernlehrplan für die Sekundarstufe II Gymnasium / Gesamtschule in Nordrhein-Westfalen Physik. Abgerufen am 06.02.2024 von https://www.schulentwicklung.nrw.de/lehrplaene/lehrplan/332/gost_klp_ph_2022_06_07.pdf
- Langlet, J. et al. (2022). Bewertungskompetenz in den Naturwissenschaften. Denkanstöße, Empfehlungen und Hilfen für den Unterricht und für Aufgaben. MNU Themenreihe Bildungsstandards. Abgerufen am 18.01.2024 von https://www.mnu.de/images/publikationen/Bewertungskompetenzen/Bildungsstandards_Bewertungskompetenz.pdf
- Lübeck, M. (2018). Der Kompetenzbereich Bewertung im Biologieunterricht - Möglichkeiten zur systematischen Konstruktion von Lernaufgaben. Waxmann Verlag, Münster.

Beispiele für Links zur Unterstützung der Lernenden:

- https://www.wissenschaftsjahr.de/2019/neues-aus-der-wissenschaft/august-2019/ki-kann-durch-roentgenbildanalyse-auf-sterbewahrscheinlichkeit-schliessen/index.html
- https://www.medunigraz.at/news/detail/ki-in-der-zahnmedizin-kuenstliche-intelligenz-interpretiert-roentgenbilder
- https://www.helmholtz.de/newsroom/artikel/wie-ki-die-medizin-revolutioniert/
- https://www.siemens-healthineers.com/de/news/medizin-von-morgen.html
- https://www.siemens-healthineers.com/de/news/zukunft-klinische-diagnostik.html