MatheX

Eine völlig neue Art, Mathe zu üben

Die App MatheX ermöglicht es Grundschülern, die grundlegenden mathematischen Fähigkeiten effizient und komplett individualisiert auf dem Smartphone zu üben. Das Training basiert dabei vollständig auf Sprache. Mit der Lehrer-App kann der Lehrer den Trainingsfortschritt seiner Schüler einsehen und sogar Hausaufgaben aufgeben.

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Problem

In den ersten Jahren werden in der Grundschule die für die weitere Bildungs- und Berufslaufbahn grundlegenden Kenntnisse und Fähigkeiten vermittelt. Dies gilt besonders für den Mathematikunterricht. Werden Konzepte nicht vollständig verstanden, kann es zu größeren Problemen in den folgenden Schuljahren sowie im weiteren Leben kommen. Dennoch gibt es kaum zeitgemäße Möglichkeiten für das Training dieser mathematischen Basiskompetenzen.

Produkt

MatheX ist eine App für App iOS und Android, mit welcher die mathematischen Basiskompetenzen optimal trainiert werden können.

Das Training basiert hierbei auf Spracheingabe und Sprachsynthese. Das Smartphone liest also die Aufgabe vor und der Schüler muss nur das Ergebnis sagen. Dieses wird erkannt und geprüft. Anschließend erfolgt eine ebenfalls sprachbasierte Auswertung, gegebenenfalls mit Korrektur der falschen Antwort.

Die Interaktion ist somit völlig natürlich und intuitiv. Durch die direkte Rückmeldung wird der Übungseffekt zudem maximiert, da der Schüler bei Fehlern sofort berichtigt wird und somit seine Antworten zukünftig anpassen und verbessern kann. Die Trainingsmodule umfassen alle grundlegenden mathematischen Basiskompetenzen und basieren auf den wissenschaftlich fundierten Rechentests, woraus auch die abzufragenden Zahlenbereiche abgeleitet wurden.

Die abgefragten Aufgaben werden hierbei vollständig dynamisch und zufällig generiert. Es gibt somit nicht nur die größtmögliche Anzahl an unterschiedlichen Aufgaben in den einzelnen Zahlenbereichen der Module, sondern auch die bestmögliche Variation und daraus folgende Abwechslung. Die Benutzeroberfläche ist einfach und ansprechend aufgebaut.

Durch die Verwendung neuer und innovativer Technologien wird also ein möglichst effektives und ansprechendes Training ermöglicht. Mindestens genauso wichtig, wie die Frage, wie der Schüler übt, ist natürlich aber auch, was er übt. Von absolut entscheidender Wichtigkeit ist hierbei die Tatsache, dass jeder Schüler eigene, spezifische Stärken und Schwächen hat und diese bei der Auswahl der Übungsschwerpunkte unbedingt beachtet werden müssen.

Mangelnde Individualisierung ist einer der größten Nachteile und Kritikpunkte am aktuellen Bildungswesen. Die Personalisierung der Themengebiete und Aufgabentypen ist jedoch gerade beim Erlernen der grundlegenden mathematischen Fähigkeiten von entscheidender Bedeutung und das Fehlen dieser kann Ursache großer Probleme der Grundschüler in diesem Bereich darstellen, was sich, wie oben beschrieben, sehr negativ auf deren Zukunft auswirken kann.

Deshalb ist vollständige Individualisierung der Lerninhalte eines der grundlegenden Merkmale von MatheX. Aber wie kann diese erreicht werden? Zuallererst bietet die App dem Schüler die Möglichkeit, Trainingsmodule eigenständig auszuwählen und somit bestimmte Bereiche gezielt zu lernen. Dies ist besonders für zur Vorbereitung auf Tests oder andere Leistungskontrollen von großem Nutzen.

Allerdings reicht die freie Auswahl der Module nicht aus, um das Training optimal auf den einzelnen Schüler auszurichten. Das hat drei Gründe: Zum einen wissen die Schüler häufig selbst nicht genau, worauf sie beim Üben ihren Fokus legen sollen. Außerdem konnte ich bei Nutzertests feststellen, dass junge Kinder teilweise dazu tendieren, die Bereiche, in welchen sie ohnehin schon relativ sicher sind, auszuwählen, obwohl dies natürlich genau der falsche Weg ist.

Der dritte Grund besteht darin, dass sich auch die einzelnen Trainingsmodule der Leistung des Schülers anpassen. Sobald der Schüler in einem Bereich Fortschritte erzielt, sollte sich das auch im Aufgabenniveau des entsprechenden Moduls widerspiegeln, um die Effektivität des Übens beizubehalten.

Um also eine herausragende Nutzererfahrung zu bieten und den Trainingserfolg zu maximieren, ist eine automatische Anpassung von Aufgabentypen und deren Schwierigkeitsgrad notwendig. Der Schüler, dessen Eltern oder Lehrer sollten sich bestenfalls niemals Gedanken über das Training machen müssen und trotzdem sollte der Lerneffekt größtmöglich sein.

Aus diesem Grund wird dem Schüler, sobald er die App öffnet, ein großer Play-Button angezeigt, mit dem er sofort das automatisch generierte Training starten kann. Der Schüler hat natürlich immer noch die Möglichkeit, gezielt einzelne Trainingsmodule auszuwählen, jedoch will ich das von der Software generierte Training als Standardtraining in der App etablieren.

MatheX berechnet dafür anhand der Ergebnisse vergangener Trainingseinheiten den Leistungsstand, sowie individuelle Stärken und Schwächen des Schülers und richtet das Training darauf aus. Hierdurch kann nicht nur die Effizienz des Trainings erheblich erhöht werden, sondern die Benutzung wird ebenfalls erheblich vereinfacht, was besonders für die relativ junge Zielgruppe der App, welche eventuell kaum Erfahrung mit der Nutzung von Smartphones hat, entscheidend ist.

Deshalb ist die Benutzeroberfläche allgemein sehr einfach gehalten und enthält ausschließlich große Schrift und Symbole, die durch entsprechende farbliche Kennzeichnung leicht wiederzufinden sind. Der Schüler soll jedoch normalerweise, wie beschrieben, einfach einmal auf den Starten-Button tippen und das Training beginnen, das er durch dessen auf Sprache statt auf Texteingabe basierter Interaktion problemlos bedienen kann - es ist sozusagen ein Gespräch zwischen Schüler und App.

Und das beste daran ist, dass der Schüler den Bildschirm nach Starten des Trainings nicht mehr berühren muss. Er kann so lange trainieren, wie er möchte und dann gegebenenfalls das Training beenden, was jedoch auch automatisch geschieht, sobald die App beendet oder das Handy ausgeschaltet wird. Alles was der Schüler machen muss, ist also, die App öffnen, das Training starten und auf die Fragen antworten.

MatheX ermöglicht es den Nutzern außerdem, vollkommen eigenständig von Zuhause aus Mathe zu üben und trainieren zu können, was gerade heutzutage, in Zeiten der Corona-Pandemie, wichtiger und gefragter denn je geworden ist.

Insgesamt bietet MatheX also eine einfache, motivierende, völlig individualisierte und optimal effiziente neuartige Möglichkeit, die mathematischen Basiskompetenzen bestmöglich zu üben.

Zusätzlich gibt es eine Lehrer-App mit der der Lehrer den Lernfortschritt seiner Schüler einsehen und sogar Hausaufgaben aufgeben kann. Hierfür kann der Lehrer ein spezielles Modul auswählen, welches von den Schülern bearbeitet werden soll. Dies können die Schüler dann in MatheX tun, wo ihnen die Hausaufgabe direkt vorgeschlagen wird. Der Lehrer kann danach sofort einsehen, welche Schüler die Hausaufgaben wie gut erledigt haben, was natürlich auch in die Gesamtwertung der Schüler in der entsprechenden Übersicht der App einfließt.

Das bietet nur Vorteile für sowohl Schüler als auch Lehrer. Der Lehrer muss sich keine Aufgaben zum Thema aus dem Buch heraussuchen, sondern wählt einfach das Modul aus – die Aufgaben werden automatisch von der App generiert. Der Schüler kann mittels Sprechen und direkten Rückmeldungen die Aufgaben viel motivierter und effektiver erledigen und muss dafür noch nicht einmal das Mathebuch nach Hause schleppen.

Im Unterricht muss keine Zeit mit dem Vergleichen der Lösungen verschwendet werden und der Lehrer muss nie Hausaufgaben zum Kontrollieren mit nach Hause nehmen und erhält trotzdem eine umfangreichere und umfassendere Übersicht über den Leistungsstand seiner Schüler als es jemals zuvor möglich gewesen wäre.

In strukturierten Übersichten kann er nämlich den Leistungsstand seiner Schüler, sowie deren Trainingsfortschritt einsehen. Somit weiß er sofort, welcher Schüler wo noch Probleme hat und kann ihn dann gezielt in diesem Bereich unterstützen. Und er kann auch sehen, wo allgemein die Stärken und Schwächen seiner Klasse liegen und den Unterricht auf gezielt letztere ausrichten.

Somit stellt MatheX sowohl für Privatanwender als auch für Bildungseinrichtungen die ideale Möglichkeit des Übens der mathematischen Basiskompetenzen dar.

Entwicklungsstand

Wir schreiben das Jahr 2017. Ich hatte im Februar meine erste Teilnahme an dem Wettbewerb Jugend forscht abgeschlossen, der für meine Altersstufe “Schüler experimentieren” hieß und war fest entschlossen, im nächsten Jahr wieder mit einem Projekt teilzunehmen. Ich nahm mir also vor, einen Vokabeltrainer zu entwickeln, an dem ich zeigen konnte, wie gut sich neueste Technologien wie Spracheingabe und -synthese zum digitalen Lernen nutzen lassen.

Damals wusste ich noch nicht, wie anstrengend und zeitaufwendig dies werden sollte. Ich begann also, mir die App-Entwicklung selbst durch Video-Tutorials, Dokumentationen oder Blogposts beizubringen. Und tatsächlich stellte ich die App am Ende des Jahres nach über 200 Stunden Entwicklungsarbeit zu Ende. Dabei entstand, eher als Nebenprodukt, eine primitive Kopfrechentrainer-App, die einfache Rechenaufgaben vorlesen und auf das gesprochene Ergebnis reagieren konnte, also eine Art Vorläufer von MatheX.

Mit dem Vokabeltrainer gelang es mir, Regional- und Landeswettbewerb von “Schüler experimentieren” zu gewinnen. Aber auch danach beschäftigte ich mich weiterhin mit der App Entwicklung und gewann beispielsweise im Folgejahr mit einer auf NFC basierten Automatisations-App den Regional- und Landeswettbewerb von Jugend forscht und durfte Sachsen-Anhalt somit auf Bundesebene vertreten.

In diesem Jahr kam ich zufällig mit einem Mitarbeiter des Landesinstitut für Schulqualität in Sachsen-Anhalt in Kontakt, dem meine Kopfrechentrainer-App gefiel und der meinte, man bräuchte so etwas eigentlich für alle mathematischen Grundlagen. In den folgenden Wochen und Monaten beschäftige ich mich daraufhin mit der didaktischen und wissenschaftlichen Seite der mathematischen Grundausbildung und stellte zu meinem Erstaunen fest, dass es tatsächlich nur einige wenige Fähigkeiten gab, welche das Fundament für alle komplexeren Konzepte darstellen und deshalb von den Schülern vollständig verstanden werden musste. Übt man diese Basiskompetenzen, so erhält man ein “Gefühl für Zahlen”, vermeidet Rechenstörungen und versteht höhere Mathematik erheblich besser.

Daraufhin setzte ich mir das Ziel, eine App zum optimalen Training dieser zu entwerfen und diese als Jugend forscht-Projekt, sowie als wissenschaftlich praktische Arbeit für meine Schule zu nutzen. Ich nutze also im nächsten halben Jahr jede freie Minute meiner Zeit, um an der App weiterzuentwickeln. Besonders in den Weihnachtsferien konnte ich große Fortschritte erzielen, da ich mich mehrere Tage lang ununterbrochen auf die App-Entwicklung fokussieren konnte.

Ich hatte mir das Ziel gesetzt, die App bis zum 31.12.2019 fertig zu entwickeln und veröffentlichen. Das war zwar kaum schaffbar, aber ich hatte einen sehr engen Zeitplan, wenn ich mit der App wieder bei Jugend forscht antreten wollte. An den letzten Tagen des Dezembers näherte sich meine App immer mehr der Fertigstellung, sodass ich am Silvesterabend immer noch fieberhaft an den letzten Änderungen und Fehlerbehebungen arbeitete. Um 23:55 Uhr musste ich schließlich abbrechen und ging für eine halbe Stunde zu meiner Familie, nur um danach bis 3.00 Uhr morgens weiterzuarbeiten.

Am 02.01.2020 gelang es mir endlich, meine erste stabile Version im Google Play Store zu veröffentlichen. Diese verfügte über eine Übersicht der sechs wichtigsten mathematischen Basiskompetenzen. Sobald man eine dieser Kacheln auswählte gelangte man zum Training, in welchem die jeweilige Kategorie über Spracheingabe und -synthese interaktiv geübt werden konnte. Die App hatte eine ansprechend gestaltete Benutzeroberfläche und war intuitiv zu bedienen.

Aber ich hatte natürlich noch weitere Pläne für die App, welche ich in den Winterferien in Angriff nehmen konnte. Dafür nahm ich meinen Computer mit in den Winterurlaub und entwickelte jede freie Minute, die ich nicht auf der Skipiste war, an MatheX weiter. Am Ende der Ferien hatte ich eine Lehrerversion entwickelt, über die Lehrkräfte den Trainingsfortschritt ihrer Schüler einsehen konnten, welcher über die Integration mit Google Cloud Firestore sicher synchronisiert wurde.

Hiermit trat ich im Folgenden nach über 150 Stunden Entwicklungsarbeit beim Regionalwettbewerb von Jugend forscht an, welchen ich wieder gewinnen konnte. Ich wollte aber auf jeden Fall auch beim Landeswettbewerb mein bestes geben. Leider musste dieser aufgrund der COVID-19 Pandemie abgesagt werden. Während dieser Zeit, in der viele Schulen in ganz Deutschland geschlossen wurden, konnte ich jedoch auch eine Verdreißigfachung der Downloadzahlen von MatheX innerhalb von nur einer Woche beobachten.

Jugend forscht war allerdings nicht der einzige Wettbewerb, an dem ich mit MatheX teilnehmen wollte. Ich hatte mich am Anfang des Schuljahres auch bei dem Sachsen-Anhalt-weiten Gründungswettbewerb für Jugendliche futurego angemeldet, welcher die besten eingereichten Businesspläne auszeichnen sollte. Ich gelangte von den über 200 teilnehmenden Projekten unter die besten fünf und konnte letztendlich den Wettbewerb sogar gewinnen.

Seitdem habe ich die App stetig weiterentwickelt. Mittlerweile verfügt die Lehrer-App zusätzlich über die Funktionalität, Hausaufgaben aufzugeben, welche von den Schülern bearbeitet werden könne. Der Lehrer kann in seiner App dann problemlos einsehen, welche Schüler die Hausaufgaben, wann und wie gut erledigt haben. Zudem habe ich große Schritte bei der Individualisierung der Lerninhalte gemacht. Aufgrund von mehreren Nachfragen von Nutzern führte ich schnellstmöglich verschiedener Schwierigkeitsstufen ein. Danach fügte ich der App einen Algorithmus hinzu, welcher anhand der vorangegangenen Trainingsergebnisse das für den Schüler optimale Trainingsmodul berechnet und es dem Schüler direkt vorschlägt.

Das ist der aktuelle Entwicklungsstand von MatheX. Ich plane jedoch natürlich, die App stetig zu verbessern und zu erweitern. Zahlreiche weitere Funktionen sowie die Veröffentlichung der App im Apple App Store sind schon in Arbeit. MatheX wird bereits von über 500 Schülern genutzt und hat im Google Play Store eine Durchschnittsbewertung von 4,7 bei 15 Bewertungen (Stand: 17.08.2020). Sie wurde außerdem am 26.06. dieses Jahres von lerninstitut.at zur “App der Woche” ausgezeichnet.