Chemie, Computerchemie, Zentralkurs




       
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Zentralkurs 2024





Von der Alchemie zur KI. Anwendungen von ChatGPT & Co im Unterricht



Wie können die Errungenschaften aus dem Gebiet der künstlichen Intelligenz im Unterricht angewendet werden? Ein Bericht aus dem Klassenzimmer und dem Chemielabor.

Und [hier] der Vortrag als PowerPoint-Datei



Hinweise: !! mit drei Klassen gemacht           !! Relevantes für diesen Vortrag




Persönlicher Hintergrund


  • seit ca. 20 Lehrer Kanti Schaffhausen (v.a. Chemie, z.T. Physik, Freifach Informatik)
  • Ausbildung Uni Zürich (Diplom in OC), Diss in Computational Chemistry, W. Thiel, MPI Mülheim, Deutschland
  • Alles Infos und vieles mehr (Skripte etc.) frei und ohne passwort auf www.rainer.ch
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Computer + denken



  • Sehr frühes Vorgehen: ausprobieren, ‘alles mit allem’, Beobachtungen, selber denken. Beispiel: [jpg]
  • Forschungsgelder
  • Neuere Ansätze, z.B. Human Brain Project, Spektrum-Beitrag [pdf] oder Beitrag SRF, podcast, ca. 4 min [link]
  • Aufbau Nervenzellen, Gehirn
  • !! Wo versagen Computeranwendungen ? Wettermodelle, Lorenz-Attraktoren, Startsituationen [link]
  • !! Klassische künstliche Intelligenz: Grundlagenwissen anwenden (Chur ist die Hauptstadt von Graubünden), fixe Regeln befolgen (wenn ... dann ... ). Anwendungen: kürzester Weg, Proteinfaltung ACDLabs
  • !! Erste Expertensysteme, allereinfachste Anwendungen: chatbots, Eliza [link]
  • !! Regeln anwenden, tic-tac-toe einfach: [link] fortgeschritten: [link]
  • --- Schachcomputer Kasparov ... Go ....
  • Ergänzungen wie einer Zufallsvariablen (--> stochastische Modelle)
  • Statistische künstliche Intelligenz: maschinelles Lernen, verwenden von Datensätzen, trainieren von künstlichen neuronalen Netzen Bsp: Alpha-Fold:
    !! Proteinfaltung, Kurzfilm (2.34), was ist damit gemeint: [youtube] sowie [offline] bisschen ausführlicher (ca. 7 min) Entdeckung alpha-fold [youtube] sowie [offline] ,
    Viel ausführlicher: [youtube] (54 Min)
  • !! KI - AI
    • Neuronale Netze, Beispiel, Belohnungsfunktion, wie Minima etc. bestimmen
      Sehr (?!) gute Startseite [link] und für alle Fälle, fast alles offline [link]
    • Die ganze Geschichte auch mit Excel machen.
    • Dreidimensionale Fläche, 2 Paramter, verschiedene Funktionen: [link funktionen allgemein] oder [link funktionen 1] (mit Parametern spielen)
    • 2018, GPT-1, ca. 100 Mio Paramter
      2019, GPT-2, ca. 1.5 Mia Parameter
      2020, GPT-3, ca. 175 Mia Parameter
      aktuell: Anzahl Parameter nicht offiziell offengelegt
    • Konservative Schätzungen gehen von einem Stromverbrauch (für das Training von chat-gpt4) von ca. 2500 bis 3000 MWh aus, Durchschnittsschweizerhaushalt 5000 kWh (:600 Haushalte)
    • Google-Anfrage: Etwa 0,3 bis 1 Wh.
      ChatGPT-Anfrage: Zwischen 10 und 100 Wh
      Potenziell ca. 10 bis 100 Mal mehr Strom als eine Google-Anfrage.
    • offline-Modus möglich mit chatgpt möglich
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Diverse Tools neben chatgpt


  • !! !!
  • perplexity, stark, weiterführende Quellen und mehr [link]
  • Auch pdf erklären lassen [link]
  • Analog chatpdf, erkläre pdf [link]
  • Fasse Videos (auf youtube) zusammen [link]
  • deepl, Texte verbessern, übersetzen, verbessern etc. [link]
  • Sammlung diverser Hausaufgabenlöser [hier]
  • Riesige Sammlung ... gibt es zum Thema xy eine AI: [link_1] oder [link_2]
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Prompten


  • !! prompten Nicht nur für die Chemie: neu lernen zu fragen. Nicht nur google-Anfrage kopieren.
    • Promptgenerator, Dinge von hier genommen, guuut. Prompt 001: [link]
        Ich möchte, dass Du mein Prompt Creator wirst. Dein Ziel ist es, mir zu helfen, den bestmöglichen Prompt für meine Bedürfnisse zu erstellen. Der Prompt wird von Dir, ChatGPT, verwendet. Du wirst den folgenden Prozess befolgen:
        1. Als erstes fragst Du mich, worum es in dem Prompt gehen soll. Ich werde Dir meine Antwort geben, aber wir müssen sie durch ständige Wiederholungen verbessern, indem wir die nächsten Schritte durchgehen.
        2. Auf der Grundlage meines Inputs erstellst Du 3 Abschnitte:
        a) Überarbeiteter Prompt (Du schreibst deinen überarbeiteten Prompt. Er sollte klar, präzise und für Dich leicht verständlich sein),
        b) Vorschläge (Du machst Vorschläge, welche Details Du in den Prompt einbauen solltest, um ihn zu verbessern)
        c) Fragen (Du stellst relevante Fragen dazu, welche zusätzlichen Informationen ich brauche, um den Prompt zu verbessern).
        3. Der Prompt, den Du bereitstellst, sollte die Form einer Anfrage von mir haben, die von ChatGPT ausgeführt werden soll.
        4. Wir werden diesen iterativen Prozess fortsetzen, indem ich Dir zusätzliche Informationen liefere und Du die Aufforderung im Abschnitt "Überarbeiteter Prompt" aktualisierst, bis sie vollständig ist.
    • Iterative Problemlösung, Dinge von hier genommen, guuut [link]
        Du sollst das Continuous Problem Solving System (CPSS) anwenden, um durch ständige Wiederholungen eine fundierte und durchdachte Lösung für meine Frage zu finden. Das CPSS-System funktioniert wie folgt, prompt 002:
        1. Du wirst einen 6-stufigen Problemlösungsprozess anwenden, um meine ursprüngliche Frage zu bewerten: 1. Identifiziere das Problem, 2. definiere das Ziel, 3. generiere Lösungen (maximal 3), 4. bewerte und wähle eine Lösung, 5. setze die Lösung um, 6. nächste Fragen.
        2. Im Schritt "Lösungen generieren" sollten maximal 3 Lösungen aufgelistet werden. Der Schritt "Bewerten und eine Lösung auswählen" sollte eine präzise und spezifische Lösung auf der Grundlage der generierten Lösungen liefern. Der Schritt "Umsetzung der Lösung" sollte konkrete Möglichkeiten aufzeigen, wie die gewählte Lösung in die Tat umgesetzt werden kann.
        3. Der Abschnitt "Nächste Fragen" sollte die wichtigsten Fragen enthalten, die Du mir stellen kannst, um weitere Informationen zu erhalten, die für die Fortsetzung des Problemlösungsprozesses notwendig sind, mit maximal 3 Fragen.
        4. Deine Antworten sollten kurz und bündig sein und im Markdown-Format verfasst werden, wobei die Namen der einzelnen Schritte fett gedruckt sind und der gesamte Text einschließlich der Beschriftungen eine einheitliche Schriftgröße hat.
        5. Die nächste Iteration des CPSS-Prozesses beginnt, nachdem Du meine erste Frage beantwortet hast.
        6. Das System wird meine letzte Antwort integrieren und mit jeder Iteration eine fundiertere Antwort geben, die Du durch neue Fragen an mich einleitest.
        Deine erste Antwort sollte nur eine Begrüßung sein und darauf hinweisen, dass Du ein Continuous Problem Solving System (CPSS) bist. Beginne Deine erste Antwort nicht mit dem CPSS-Prozess. Deine erste Antwort besteht nur aus einer Begrüßung und der Bitte um eine Frage oder ein zu lösendes Problem. Ich werde Dich dann mit Informationen versorgen. Mit Deiner nächsten Antwort beginnst Du den CPSS-Prozess.
  • Mittels 'Temperatur', einstellbar von 0-1 kann die Kreativität der Antworten (0=seriös, 1=unerwartet) verändert werden
  • Rollen einnehmen: nimm an, Du wärst Homer, Einstein etc.. Erkläre folgenden Sachverhalt ...
  • Weitere Alternativen, Varianten geben lassen
  • Beurteile folgenden Text, was könnte verbessert werden: "abc"
  • Spiele den advocatus diaboli für folgenden Text: "abc"
  • Falls vorhanden ... Kriterien-Bewertungskatalog hochladen
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Chemieanwendungen


  • !! Optimierung der Proteinstruktur, Proteinfaltung
  • !! Auswertungshilfe von Experimenten : Daten aus einem Excelfile ( [xlsx] ) zum auswerten verwenden. Direkt sagen was gemacht werden soll.
    Dialog und Resultat [hier]
  • !! Laborbericht: Prompt 003: Du sollst einen Laborbericht schreiben. Der Versuch beinhaltet das Versilbern von Glasgefässen. Der Bericht soll folgendermassen gegliedert sein: Theorie, Vorgehen (inklusive der Mengenangaben, benötigter Glaswaren, Berechnungen, Mengen etc), Ergebnisse, Quelle, Benötigte Chemikalien - Glaswaren Falls notwendig soll z.B. angegeben werden, wie eine z.B. 0.1 molare KOH-Lösung zuvor hergestellt wird. Die verwendeten Quellen sollen ebenfalls angegeben werden. Der Leser wird ein kritischer und kompetenter Chemielehrer eines Gymnasium sein. Der Stil soll nicht ‘Tagebuch’ ähnlich (ich habe 2 Gramm eingewogen) sein, sondern im passiv beschreibenden Stil wie derart ‘es wurden 2 Gramm eingewogen’. Auf eine ausschweifende, blumige Sprache soll verzichtet werden, nüchterner Laborjargon bitte. Ausser beim letzten Gliederungspunkt soll auf eine Auflistung verzichtet werden. Insgesamt soll der Bericht nicht mehr als 500 Worte umfassen. Speichere die Ausgabe in ein pdf-file mit dem Namen versuch_versilbern_variante_1.pdf
    Bericht by chatgpt [hier] oder copilot [hier]
  • !! sowie !! Lerntool, Tutor-Systeme, Prüfungsvorbereitung
    • Sich etwas erklären lassen: Prompt 004: :
      Ich bin in der Schwerpunktklasse Chemie an der Kanti Schaffhausen. Antworte mir als ein erfahrener und geduldiger Chemielehrer. Die Antworten soll knapp sein. Stelle mir Fragen, damit du weisst, wie du mir helfen kannst. Ich habe nicht verstanden, wie die Oxidationszahlen in z.B. Essigsäure für jedes Atom bestimmt werden.
      Erfahrung: verblüffend gut'
    • Prompt 05:
      Nimm an, Du wärst ein sehr strenger und kritischer Chemielehrer. Stelle mir 5 Fragen zum Thema Salze. Warte auf meine Antwort und beziehe Dich dann bei der nächsten Frage auf meine vorhergehende Antwort. Beeende danach das Rollenspiel und gib eine Rückmeldung zur Qualität der Antworten.
      KI oftmals schnell zufrieden, sehr milde, daher "sehr strenger, kritischer Lehrer"
    • Prompt 006:
      Stelle dir vor, du bist ein sehr strenger und pedantischer Chemielehrer. Formuliere fünf Fragen zum Thema Thermodynamik, die sich auf die Begriffe Enthalpie (H), Entropie (S) und Gibbs’sche freie Energie (G) konzentrieren. Warte nach jeder Frage auf meine Antwort und beziehe dich bei der nächsten Frage auf meine vorherige Antwort. Beende das Rollenspiel, indem du eine Rückmeldung zur Qualität meiner Antworten gibst.
    • Zum Üben, prompt 007: :
      Generiere 5 MC-Fragen, die als Wissensüberprüfung zum Thema Salze und Metalle verwendet werden können. Nummeriere diese Fragen und kennzeichne die richtigen Antworten. Pro Frage können auch mehrere Antworten korrekt sein.
    • Fehler vermeiden, prompt 008: :
      Nenne mir die 5 häufigsten Fehler, die bei den Berechnungen beim Thema Therodynamik vorkommen könnten.
      Antwort als doxc [hier]
  • !! sowie !! Maturaarbeit
    • Inspiration. Prompt 009: :
      Im letzten Schuljahr der Kanti Schaffhausen muss ich eine Maturarbeit schreiben. Nenne mir stichwortartig 10 Ideen was ich tun könnte. Meine Interessen wären Schach, Vespa fahren und Chemie.
      Antworten [hier]
    • Inhalt korrektur lesen lassen , Sätze vereinfachen, verbessern, stilsicherer, zum Beispiel : --- [link]
    • pdf hochladen, Aufforderung z.B. das Vorwort zu verbessern , Dialog als docx [hier]
    • Weitere mögliche Aufforderung, folgendes prompt 010: : "Korrigiere nachfolgenden Text, verändere nicht den Inhalt, sondern korrigiere nur grammatikalische und orthografische Fehler. Liste nach dem korrigierten Text alle Fehler (mit Erklärung) auf."
    • ppt-Datei kreieren lassen , prompt 011: : "Zum vorliegenden pdf-file muss ich einen Vortrag halten. Kreiere mir daraus eine 5 minütige powerpoint datei, direkt als ppt Datei." Erstellte ppt-Datei [hier]
    • Umfragen erstellen lassen ! Dialog als docx [hier]

      Oder folgendes prompt 012:
      Erstelle eine Umfrage zum Thema ‘wie sinnvoll ist das chemische Rechnen am Gymnasium’. Der Fragesteller wäre ein Schüler im zweitletzten Schuljahr am Gymnasium. Frage insgesamt 100 Personen, wobei die Hälfte an ein Gymnasium geht, die andere Gruppe wird zufälligerweise in der Stadt befragt und besucht(e) nicht das Gymnasium. Die Antworten können von -5 (sinnlos), 0 (egal) sowie 5 (wichtig). Eine Antwortmöglichkeit wäre noch -100 (kann ich nicht beurteilen). Jede Antwort soll noch kurz begründet werden. Die Antworten sollen einen Meinungsdurchschnitt quer durch bildungskritische Bevölkerungschicht wiedergeben. Gib als Antwort eine Zusammenfassung folgender Art: Der Durchschnitt der Meinungsumfrage, die 5 häufigsten Antworten zu -5, +5 sowie 0
    • Üben: Zum Vortrag wird es Fragen geben. Nenne mir nur stichwortartig 10 sehr schwere Fragen, inklusive der Antworten. Dialog als docx [hier]
    • Quintessenz: MA ohne Laborarbeiten bedenklich, Gewichtungen verändern.
  • !! Inspiration / Ergänzung für mich als Lehrer - Unterricht:
    • Aufgaben für den Unterricht - Prüfung Prompt 013: Erstelle mir Multiple Choice Fragen zum Thema Thermodynamik. Die Fragen sollen die Themen dH, dS und dG abdecken. Folgender MC-Typ: Eine Behauptung - Frage, gefolgt von ca. 4 MC-Fragen, welche nur mit ja oder nein beantwortet werden sollen. Total 5 Behauptungen mit jeweils ca. vier zugehörenden MC-Fragen, inklusive der Musterlösung.
    • Chemielabor, Versuchsanleitung Bluebottle-Versuche
      Prompt 014: Ich möchte den Blue-Bottle Versuch durchführen. Gib mir bitte eine Schritt-für-Schritt Anleitung.
      Ergänzung: Wie stellt man 1 M NaOH-Lösung her.
      Ganzes Prompt mit Antwort [docx hier]
    • !! !! !! Programmierhilfen :
      • Wassergedächtnis Im Zusammenhang mit 'hat Wasser ein Gedächtnis' sowie Wassermoleküle wechseln in einem Zeitraum von ca. 1 ps bis 1 ns ihre Position ... Prompt 015:
        Ich möchte in einen Browser ein lokales Bild laden. Danach sollen per button-click zwei zufällige Pixel (müssen aber nebeneinander positioniert sein) ihre Position wechseln, ihre Farbwerte sollen aber gleich bleiben. Mit weiteren Buttons soll dieselbe Aufgabe 1000 mal, ein Million mal, sowie 10 Millionen mal wiederholt werden. Gib in einer Zeile noch die totale Anzahl der Pixelaustausche an. Die Anzahl mit der genauen Zahl sowie als Zehnerpotenz dargestellt werden.
        Das Resultat hier als [html]
      • Kollision : Im Zusammenhang mit dem Thema Salze: einfachste Animation kreieren lassen, Anziehung entgegengesetzt geladener Teilchen.
        Prompt: Erstelle mir eine html-Datei mit folgenden Eigenschaften: In einem Rechteck sollen sich zufälligerweise 3 positiv (je einfach, doppelt und dreifach geladen) sowie 3 negativ (je einfach, doppelt und dreifach geladen) geladene Teilchen aufhalten. Auf Knopfdruck ‘start’ sollen sich die entgegengesetzt geladenen Teilchen anziehen; und zwar derart, dass +1 mit -1, +2 mit -2 sowie +3 mit -3 anziehen. Auf Knopfdruck ‘stop’ soll die Animation sofort stoppen.
        Das Resultat hier als [html]
      • Kettenreaktion : ... selber programmieren. Dialog [hier] , Resultat als link [hier] , die ganze Sache als Film: [mp4]
      • SN2-Reaktion Verblüffend ... OC, Energieprofil ausgeben. Dialog link als [docx] Interaktive Anwendung link als [html]
        SN1-Reaktion Analog, System versagt aber: [html]
    • Diagramme erstellen lassen, wieso schwimmt Eis auf Wasser ... auch auf Alkohol ? Dialog hier als [docx]
    • !! !! Testballon: Unterricht mit zwei Klassen, direkt mit chatgpt, Thema Säure-Base. Start mit Prompt 016: Nenne mir einige wichtige Aspekte des Themas Säure-Base. Antwort [docx] nehmen und dann mit chatgpt und direkt im Unterricht Aufgaben etc. angehen
    • OC, Reaktionen
      Was passiert, wenn A + B zusammengegeben werden, z.B. Markovnikov-Addition [link]
    • Thermodynamik , Diagramme erstellen lassen und interpretieren ! Sind sie korrekt ? Machen sie Sinn? Dialog als [docx]
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Umfragen (wirklich durchgeführt, :-)



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KI - Vorteile - Nachteile


  • + Sobald die Aufgabe komplex wird ... wunderbares tool, jedoch ... wer nichts weiss muss alles glauben
  • + Auch ohne Programmierkentnisse interessante Tools realisierbar
  • + Übung für mündliche Prüfung, z.B. Maturaabschluss, Sparringspartner
  • + Direkt im Unterricht chatgpt fragen ('Gibt es eine Möglichkeit, Atome einzufärben')
  • - Programme - Links verändern sich ... können im schlechtesten Fall nicht funktionieren (Plan B, nicht gesamte Lektion nur ein Programm)
  • - (vor)-gestern noch gratis, heute anderes Geschäftsmodell
  • - Kosten
  • - chatgpt (etc.) Antworten sind nicht vorhersehbar. Richtige - falsche Antworten sind im livemodus beide möglich.
  • ??? Umgang mit falschen Informationen
  • ??? Machen den Unterricht nicht vorhersehbar, aber auch Interessant(er)
  • !!! Es braucht Zeit die neuen Informationen zu 'verdauen'. Lernphasen nicht vergessen
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Infos für mich



  • Material :
    • Print machen der Seiten für Vortrag
    • WLAN-login, v.a. Mittwoch !
    • Unbedingt mitnehmen für genaueres Arbeiten: Maus
    • Unbedingt mitnehmen Stromkabel für Laptop
    • Unbedingt mitnehmen Laserpointer inklusive Stromanschluss (USB)
    • Unbedingt mitnehmen Laptop-Stift (+ Ersatzbatterien )
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TODOS: gelb
i.O. Video Animation ACD-Labs oder Odyssey machen
i.O. Dinge über DNA Faltungen ... auch mit molview?
i.O. rüberbringen ... chatgpt denkt nicht ... stellt nur zusammenhänge zwischen wörtern her ...
not i.O. fobizz
not i.O. simpleshow

Inhalt: Chemie

Verantwortlich für diese Seite: Rainer Steiger
Last update dieser Seite: Herbst 2024