Zlepšení postojů studentů k STEM: zjištění z osnov VEX GO

Abstraktní

Vzdělávací robotika má potenciál stát se základním kamenem vzdělávání STEM pro svou schopnost poskytovat praktické, projektové učení prostřednictvím interdisciplinárních osnov. Výzkum ukázal, že postoje studentů k STEM učení se snižují, jak postupují naším vzdělávacím systémem; kultivace pozitivních postojů k tématům STEM je u žáků základního věku zásadní. Ukázalo se, že integrace kurikula robotiky s předměty STEM má pro studenty mnoho pozitivních studijních přínosů a zároveň zlepšuje vnímání těchto témat studenty. V této studii se 104 studentů od třetího do pátého ročníku zúčastnilo výzkumného projektu, jehož cílem bylo zjistit, zda se studentské vnímání témat STEM změní po šesti týdnech výuky robotiky. Studenti dostali předběžný průzkum, aby zhodnotili postoje k matematice, vědě, inženýrství a dovednostem 21. století. Každá třída poté dokončila učební plán robotiky pomocí balíčku robotických tříd VEX GO a učebních osnov VEX GO laboratoří a aktivit STEM. Po šesti týdnech výuky dostali studenti stejné otázky po průzkumu, aby zhodnotili, zda se jejich postoje změnily. Výsledky ukazují významně zlepšené postoje studentů ve všech STEM předmětech, stejně jako vnímané zlepšení v kreativitě, angažovanosti, týmové práci a vytrvalosti.

AdobeStock_443602033.jpeg

Úvod

Robotika se v posledních letech stále více integruje do základních a středních škol po celých Spojených státech, a to díky národním zprávám a politikám. V roce 2015 Národní vědecká nadace uvedla, že získávání vědeckých, technologických, inženýrských a matematických (STEM) znalostí a dovedností je pro Američany stále důležitější, aby se plně zapojili do technologicky náročné globální ekonomiky, a že pro každého je zásadní, aby mít přístup k vysoce kvalitnímu vzdělání v tématech STEM. Vzdělávací robotika není pouze populárním trendem ve vzdělávacích technologiích, ale výzkum ukázal, že je účinná pro zlepšení vnímání předmětů STEM a také výsledků učení ze strany studentů. Metaanalýza (Beniti, 2012) zjistila, že vzdělávací robotika obecně zvýšila učení pro konkrétní koncepty STEM. Výzkum zaměřený na různé věkové skupiny odhalil, že robotika zvyšuje zájem studentů a pozitivní vnímání STEM předmětů (Nugent et al., 2010; Robinson, 2005; Rogers & Portsmore, 2004), a další výzkum zjistil, že to zase zvyšuje školní výsledky a podporuje vědu. stupně úspěchu (Renninger & Hidi, 2011; Wigfield & Cambria, 2010; Tai et al., 2006). U studentů středních škol byla robotika využívána k podpoře připravenosti na vysokou školu a technických kariérních dovedností (Boakes, 2019; Ziaeefard et al., 2017; Vela et al., 2020).

Výbor Národní rady pro vědu a technologii pro vzdělávání STEM vydal v roce 2018 zprávu s cílem nastínit federální strategii pro interdisciplinární vzdělávání STEM: „Povaha samotného vzdělávání STEM se vyvíjela ze souboru překrývajících se disciplín v integrovanější a interdisciplinární přístup k učení a rozvoj dovedností. Tento nový přístup zahrnuje výuku akademických konceptů prostřednictvím aplikací v reálném světě a kombinuje formální a neformální učení ve školách, komunitě a na pracovišti.“ Vzdělávací robotika by se neměla vyučovat jako samostatné téma, ale spíše by měla plně využívat interdisciplinární kurikulární přístup. Výzkumníci našli spektrum přínosů pro začlenění robotiky do stávajících školních osnov, od rozvoje a aplikace znalostí STEM přes výpočetní myšlení a dovednosti při řešení problémů až po sociální a týmové dovednosti (Altin & Pedaste, 2013; Bers et al., 2014; Kandlhofer & Steinbauer, 2015; Taylor, 2016). Benitti (2012) zjistil, že většina robotických programů byla vyučována jako vlastní předmět, a proto bylo pro učitele obtížnější integrovat je do třídy. Jedním z cílů této výzkumné studie je vyhodnotit postoje studentů k tématům STEM pomocí učebního plánu pro robotiku, který kombinuje konstrukci a programování robotiky s obsahem matematiky, vědy a inženýrství v souladu se standardy.

Zavádění vzdělávací robotiky bylo užitečné zejména pro mladé studenty, kteří si mohou začít vytvářet negativní postoje k STEM předmětům již ve 4. třídě (Unfried et al., 2014). Mladí studenti těží z integrovaného vzdělávacího kontextu a rozvíjejí pozitivnější postoje k předmětům STEM s ranými zkušenostmi s úspěchem (McClure et al., 2017). Cherniak a kol. (2019) zjistili, že představení robotiky žákům základních škol pomáhá rozvíjet dovednosti bádání a řešení problémů. Ve studii Ching et al. (2019) byli studenti vyšších základních škol seznámeni s integrovaným učebním plánem STEM robotiky v mimoškolním programu. Pomocí nástroje průzkumu (Friday Institute for Educational Innovation, 2012) byly před a po programu měřeny postoje studentů k matematice, přírodním vědám a inženýrství. Výsledky ukázaly, že se významně zvýšil pouze matematický konstrukt. Ching a kol. zjistili, že tyto výsledky jsou v souladu s jinými výzkumy z prostředí neformálního učení a krátkých (jednotýdenních) pilotních programů (Conrad et al., 2018; Leonard et al., 2016). Ching a kol. také zaznamenal další potíže, které mohly mít vliv na nulové výsledky u jiných předmětů: studenti se potýkali se stavbou robotů a jejich dokončení zabralo až čtyři 90minutové sezení. Potíže s pochopením instrukcí pro sestavení a sestavení robotů byly hlášeny jako problém pro studenty vyšších základních škol také v jiných studiích (Kopcha et al., 2017) a výzkumníci poznamenali, že pro konstrukci robotů je nezbytné silné pochopení různých robotických komponent (Slangen a kol., 2011). Ching a kol. (2019) uvedl: „V budoucnu, když bude výukový cíl zahrnovat konstrukci originálního a funkčního robota, důrazně se doporučuje, aby studenti před naloděním důkladně porozuměli různým komponentám robotů“ s. 598. Tyto poznatky jasně ukazují, že je zvláště důležité, aby malé děti měly první zkušenosti s úspěchem ve výuce STEM, a použití robotické sady, která se snadno učí a sestavuje, je cennou součástí implementace robotického kurikula, aby všichni studenti dosáhli úspěchu. .

V této studii zkoumáme, jak interdisciplinární kurikulum robotiky – poskytované jako součást školního dne – ovlivnilo postoje studentů k předmětům STEM. Výzkumné otázky jsou:

  1. Jak šestitýdenní interdisciplinární kurikulum robotiky ovlivnilo postoje studentů k předmětům STEM?
  2. Jaké druhy vnímaných přínosů nebo učení jsou pozorovány, když studenti procházejí učebním plánem robotiky?

Pokračující zkoumání toho, jak může robotika prospět studentům vyšších základních škol, má stále větší význam pro zlepšení vnímání STEM ze strany studentů a doufejme, že zlepší zapojení a výsledky. V této studii se snažíme přispět k výzkumu zkoumáním:

  • žáci od třetí do páté třídy
  • učební plán robotiky začleněný do školního dne a poskytovaný po dobu šesti týdnů
  • interdisciplinární lekce robotiky, které jsou v souladu se standardy STEM
  • robotická stavebnice určená pro žáky základních škol

Metody

Tato studie byla provedena ve veřejné školní čtvrti v západní Pensylvánii s celkovým počtem 104 studentů ve třech stupních. Učitel, který vytvořil a dodal učební osnovy pro robotiku, slouží jako integrátor základních technologií pro okres a vidí studenty v rotujícím rozvrhu. Tato studie zahrnuje jak kvantitativní, tak kvalitativní data. Studenti odpovídali na otázky průzkumu, aby empiricky vyhodnotili své postoje k tématům STEM před a po kurikulu robotiky. Učitelka si navíc vedla deník, do kterého zaznamenávala poznámky a úvahy o chování a učení studentů během laboratoří STEM a činností, které absolvovali.

Předběžný průzkum. Aby bylo možné vyhodnotit, jak studenti témata STEM vnímají, studenti absolvovali Průzkum Postoje studentů k STEM – studenti vyšších základních škol (páteční institut pro inovace ve vzdělávání, 2012). Aby učitelka tento proces studentům usnadnila, znovu vytvořila položky průzkumu ve formě tabulky a odstranila neutrální možnost, o které se domnívala, že by studentům při odpovídání způsobila zmatek.

Dopisy popisující výzkumný projekt a formuláře souhlasu byly studentům zaslány domů ke kontrole rodičů. Aby se studenti mohli zúčastnit této výzkumné studie, museli vrátit podepsaný formulář souhlasu. Nástroj průzkumu byl vytištěn a distribuován studentům v osobní třídě. Studenti, kteří vrátili formulář souhlasu, se zúčastnili průzkumu, zatímco studenti, kteří nevrátili, dostali během této doby jinou aktivitu. Pokyny byly studentům přečteny a na požádání byly definovány některé pojmy. Průzkumy prováděli žáci třetích, čtvrtých a pátých tříd od pondělí do středy téhož týdne.

V době, kdy byl doručen první průzkum, byli studenti seznámeni s robotickou sadou pomocí laboratoře Intro to Building a lekcí sestavení postavy astronauta. Žádné další laboratoře STEM nebyly dokončeny a kvůli pandemii COVID-19 studenti v předchozím roce a půl neobdrželi učební plán robotiky. To poskytlo příležitost zhodnotit, jak se studenti cítili ohledně témat STEM bez nedávné zkušenosti s kurikulem STEM, které utvářelo jejich odpovědi.

Učitel poznamenal, že studenti v různých ročnících reagovali na průzkumy odlišně. Žáci páté třídy se ankety zhostili rychle a s malým počtem otázek. Žáci čtvrté třídy žádali mnoho definic pojmů. Žáci třetího ročníku měli největší problémy s terminologií a vyplnění průzkumu jim trvalo nejdéle.

Učební plán STEM a robot. Učitel Elementary Technology Integrator shromáždil mnoho robotických a programovacích nástrojů pro použití v okrese, ale rozhodl se implementovat šestitýdenní kurikulum s robotem VEX GO pro výuku počítačového myšlení a informatiky, které mohli mít na konci školy. školní rok 2021. Robot VEX GO je stavebnice plastových dílů, se kterými mohou manipulovat žáci základních škol, kteří mají jiné požadavky na jemnou motoriku než starší žáci. Sada je barevně odlišena, aby studentům pomohla porozumět velikosti dílů, a je uspořádána podle typu: nosníky, úhlové nosníky, desky, ozubená kola, kladky, konektory, distanční sloupky a kolíky. Učitelka používala jeden balíček ve třídě (deset sad), aby sloužila všem oddílům třetího, čtvrtého a pátého ročníku, které učila. Sdílení sad robotů z pohledu implementace ve třídě znamenalo, že studenti museli být schopni dokončit lekci a odložit svého robota během jediné vyučovací hodiny, aby je mohla později použít jiná třída. Učitel také musel mít možnost se během dne přesouvat do různých tříd pro různé ročníky.

Každá úroveň absolvovala šest týdnů robotických STEM laboratoří. Vzhledem k atypické výukové situaci, kterou COVID-19 přinesl, studenti v rámci desetidenní rotace třikrát střídali rozvrh osobních lekcí. Ne všichni studenti byli viděni přesně stejně často, v závislosti na jejich rozvrhu a vnějších faktorech. Učitel to řešil diferenciací: „S ohledem na to jsem se snažil skutečně rozlišovat pro každou třídu. Nechtěl jsem v každém ročníku utlouct tolik lekcí, ale místo toho jsem se opravdu ponořil hlouběji do lekcí, abych porozuměl.“ Nejméně bylo vidět žáky páté třídy. Učitel poznamenal, že bylo obtížné učit žáky pátých tříd na samém konci jejich základní kariéry, protože v týdnech před promocí měli naplánovaných tolik akcí.

Zatímco všichni studenti během těchto šesti týdnů absolvovali sadu robotických STEM laboratoří a aktivit VEX GO, učební plán byl diferencován podle uvážení učitele, aby vyhovoval schopnostem studentů různého věku. Všichni studenti například zahájili své kurikulum robotiky s Intro to Building STEM Lab, protože tato laboratoř představuje robotickou sadu. Všichni studenti také absolvovali Laboratoř Look Alike STEM, která učí, jak se vlastnosti předávají geneticky z rodičovských zajíčků na králíčky. Každá třída poté absolvovala jiný soubor laboratoří a aktivit:

  • Třetí třída: Úvod do stavby, Vypadat podobně, Zábavné žáby (2 lekce), Adaptační dráp, VEX GO Aktivity: Lunar Rover, Pin Game, Engineer It & Build It, Copycat, Habitat, Tvorba tvorů a volný čas na stavění
  • Čtvrtá třída: Úvod do stavby, Jednotka jednoduchých strojů (4 lekce), Vypadat podobně, Adaptační dráp, Aktivity VEX GO: Lunar Rover, Hra Pin a volný čas na sestavení
  • Pátá třída: Úvod do stavby, Vypadat podobně, Zábavné žáby (2 lekce), Adaptační dráp, VEX GO Aktivity: Lunar Rover, Pin Game, Engineer It & Build It, Copycat, Habitat, Tvorba tvorů a volný čas na stavění

Laboratoře STEM jsou strukturované aktivity, které studenty provedou interdisciplinární, standardně zarovnanou lekcí, která poskytuje kontext pro robotické sestavení, diskuse ve třídě, experimentování a opakované zlepšování. Laboratoře jsou organizovány stejně jako sekce Engage, Play a Share, které studenty provedou lekcí. Činnosti jsou kratší než laboratoř STEM a mají rozsah témat a struktury, často poskytují otevřené výzvy s menším počtem instrukcí.

Po průzkumu. Po ukončení kurikula, které se časově shodovalo s koncem školního roku, se studentům dostalo následného průzkumu stejným způsobem jako předběžného průzkumu. Jakmile byly shromážděny následné průzkumy, učitel data anonymizoval a zaznamenal v rámci přípravy na analýzu.

Analýza dat. Položky průzkumu by byly vyhodnoceny předepsanými kvantitativními metodami. Volby odpovědí byly bodovány (1 = zcela nesouhlasím, 2 = nesouhlasím, 3 = souhlasím, 4 = zcela souhlasím) a konkrétní položky byly v případě potřeby reverzně kódovány. Párové t-testy byly provedeny na průměrech před a po průzkumu pro každý konstrukt, pro každý stupeň. Učitelský deník byl hodnocen pomocí tematické analýzy, která odhalila pohledy na vnímané učení studentů a také na návrh/potřeby kurikula.

Výsledek

Třetí třída. Výsledky třetího ročníku před a po průzkumu (tabulka 1) ukazují zvýšené průměrné skóre pro každou z oblastí průzkumu. Každý konstrukt před a po průměru byl porovnán pomocí dvoustranného t-testu a všechny výsledky byly významné (p < 0,001). Nejmenší průměrné zvýšení bylo u konstruktu dovedností 21. století, což naznačuje, že se studenti od původního souhlasu s těmito položkami lišili jen mírně. Studenti měli nejnižší průměrné skóre v konstruktu matematických postojů před průzkumem s průměrným skóre 2,27, ale po průzkumu by toto průměrné skóre konstruktu zvýšili o 0,25. Jak přírodovědné, tak inženýrské konstrukce měly průměrný nárůst o více než 0,6, což naznačuje, že studenti se po kurikulu cítili mnohem jistěji, že si budou moci lépe vybrat. Průměrná hodnota z vědeckého konstruktu před průzkumem 2,8 až 3,44 ukazuje, že studenti byli původně směsí nesouhlasím a souhlasím (2 a 3), ale změnili se na směs souhlasím a silně souhlasím (3 a 4).

Stůl 1. Výsledky párového t-testu třetího stupně před a po průzkumu (n = 39).

Pár Variabilní Znamenat t Sig (2-ocasý)
Pár 1 Před matematika 2.2664 -8.775 0.000
Post Math 2.5197
Pár 2 Předvěda 2.7982 -21.255 0.000
Post Science 3.4415
Pár 3 Pre Engineering 3.1228 -26.504 0.000
Post Engineering 3.7281
Pár 4 Dovednosti před 21. stoletím 3.0000 -3.894 0.000
Post 21. století dovednosti 3.0906

Student_Perception_Summary_Graphic-v1-rev2.png

Čtvrtá třída. Tabulka 2 ukazuje, že studenti čtvrtého ročníku měli podobně zvýšení průměrného skóre u všech konstruktů a všechny byly významné (p < 0,001). Nárůsty však byly menší než u studentů třetího ročníku (průměrné změny obvykle menší než 0,3), což naznačuje, že své odpovědi změnilo méně studentů než jejich mladší protějšky. Stejně jako studenti třetího ročníku byl matematický konstrukt nejnižší průměr v předprůzkumu i po něm a dovednosti 21. století měly nejmenší nárůst průměrného skóre. Největší nárůst u těchto studentů zaznamenala zejména inženýrská konstrukce.

Tabulka 2 Výsledky párového t-testu čtvrtého stupně před a po průzkumu (n = 34).

Pár Variabilní Znamenat t Sig (2-ocasý)
Pár 1 Před matematika 2.0871 -7.136 0.000
Post Math 2.2652
Pár 2 Předvěda 2.9125 -7.124 0.000
Post Science 3.1987
Pár 3 Pre Engineering 3.0673 -8.151 0.000
Post Engineering 3.3030
Pár 4 Dovednosti před 21. stoletím 3.6498 -4.629 0.000
Post 21. století dovednosti 3.7003

Pátá třída. Konstrukční skóre žáků pátého ročníku vykazuje odlišné trendy než žáci třetího a čtvrtého ročníku (tabulka 3). Tato skupina měla jediné snížení průměrného skóre na inženýrském konstruktu, i když to nebylo statisticky významné a vzhledem k vyšším průměrným skóre samo o sobě není nijak znepokojivé. Průměrné skóre konstruktů pro matematiku, přírodní vědy a dovednosti 21. století se všechny zvýšily v menší míře od předběžného průzkumu k následnému průzkumu a byly významné v menší míře (p < 0,01 pro matematiku a přírodní vědy a p < 0,05 pro 21. dovednosti století).

Tabulka 3. Výsledky párového t-testu páté třídy před a po průzkumu (n = 31).

Pár Variabilní Znamenat t Sig (2-ocasý)
Pár 1 Před matematika 2.8167 -3.427 0.002
Post Math 2.9042
Pár 2 Předvěda 3.2333 -3.751 0.001
Post Science 3.3111
Pár 3 Pre Engineering 3.4259 0.810 0.425
Post Engineering 3.3370
Pár 4 Dovednosti před 21. stoletím 3.8296 -2.350 0.026
Post 21. století dovednosti 3.8741

Diskuse

Postoje studentů. Výsledky pro tyto čtyři konstrukty ukázaly některé překvapivé výsledky. Průměrné skóre v předběžném průzkumu bylo vyšší u žáků pátého ročníku ve všech konstrukcích než u žáků třetího ročníku. Zjištění z literatury naznačují, že postoje STEM v průběhu času klesají. Negují to tato zjištění? Ne nutně. Povaha konce školního roku znamenala, že žáci pátých tříd byli vidět méněkrát, protože se účastnili různých akcí vedoucích k jejich promoci, a méně hodin mohlo snížit dopad na jejich postoje v tomto okamžiku roku. Učitel také poznamenal, že každá věková skupina reagovala na položky průzkumu jinak. Třeťáci se hodně ptali a odpovídali s obecným nadšením, páťáci dotazník vyplnili rychle a s málo otázkami. Věk dětí může mít vliv na to, kolik nuancí mají při interpretaci otázek a poskytování odpovědí. Mladší studenti mohou například hodnotit „souhlasím“ a „silně souhlasím“ jinak než starší studenti. Učitelka do svých poznámek přidala komentář, který se konkrétně týkal žáků páté třídy a zajímalo ji, zda odpovídali na otázky průzkumu s pocitem očekávání nebo ve snaze ji potěšit. Jak se starší žáci základních škol více přizpůsobují očekáváním, mohou se tím formovat jejich přirozené reakce.

Z výsledků je patrný rozdíl, který měl kurikulum robotiky VEX GO pro každou věkovou skupinu. U studentů třetí třídy došlo k velkému nárůstu průměrného skóre ve všech doménových konstruktech (matematika, přírodní vědy, inženýrství). Zatímco studenti čtvrtého ročníku neměli tak velký nárůst průměrného skóre jako studenti třetího stupně, stále konzistentně zvyšovali průměrné skóre o několik desetin na doménových konstruktech. Žáci pátého ročníku však byli jedinými žáky s nevýznamnými změnami v jakémkoli konstruktu a hodnotami významnosti menšími než p < 0,001. Tyto obecné rozdíly mezi studenty v různých ročnících naznačují, že kurikulum robotiky mělo větší dopad na postoje mladších studentů než starších studentů, což zdůrazňuje důležitost včasného zahájení kurikula robotiky.

Vnímané učení. Učitelský deník zaznamenával laboratoře a aktivity, které každá skupina studentů provedla, a také mnoho postřehů studentů při práci v hodinách. Zatímco nástroj průzkumu byl schopen identifikovat postoje studentů, tematická analýza deníkových záznamů identifikovala několik témat vnímaného učení v souladu s výzkumnou literaturou.

Kreativita. Hlavním tématem časopisu byla studentská kreativita. Silně zmiňovaný u žáků třetího ročníku, ale ve všech třech ročnících byla kreativita výslovně zdůrazňována kvůli tomu, jak se studenti zabývali jednoduchými stroji, vypadat podobně, tvořit stvoření a životní cyklus žab. Učitel poznamenal: „3. třída byla tak nadšená, že postaví žábu. Tato úroveň chce být co nejkreativnější a budování prostředí dětem skutečně umožňuje tyto dovednosti znovu otevřít.“ I když existuje mnoho cílů pro výukové materiály, podněcování kreativity u studentů je cenným výsledkem, který přináší mnoho dalších výhod.

Zasnoubení. Poskytování strukturovaných laboratoří se zábavnými a autentickými tématy podnítilo kreativitu studentů, což pomohlo zvýšit zapojení. Počínaje laboratoří Intro to Building si učitel všiml, že studenti nechtějí přestat pracovat. Podobně s laboratoří Look Alike zjistila, že „Třídu bylo opravdu těžké ukončit. Zjistil jsem, že studenti chtějí pokračovat v přidávání dalších iterací ke svým zvířatům…Zjistil jsem, že děti nechtějí uklízet, ale pokračují v přidávání do svých výtvorů.“ Ačkoli byli studenti třetího ročníku označeni jako nejnadšenější, popsala, jak se i žáci páté třídy velmi zabývali jejich laboratoří Simple Machines: „Zjistila jsem, že všichni studenti měli problém odložit kousky. Prostě jsme se příliš bavili!"

Týmová práce. Laboratoře VEX GO STEM jsou navrženy tak, aby je bylo možné absolvovat v týmech, přičemž studentům jsou přiděleny specifické role a úkoly. Žáci třetí třídy začali s Adaptačním drápem a učitel poznamenal: „Studenti byli také nadšení, že se mohou rozdělit do skupin, aby mohli pracovat společně, přičemž každý měl svou vlastní práci.“ U žáků čtvrté třídy podobně poznamenala, jak role pomáhala studentům dostat se do skupin a rychle začít. Poznamenala také, že studenti začali volit společnou práci na otevřených aktivitách, jako je budování stanovišť nebo stavba Lunar Rover.
Učitel také zaznamenal několik případů, kdy studenti spontánně spolupracovali jako třída. Někteří studenti se svým robotem prozkoumávali nové věci, a když něco nového „objevili“, jiní studenti se přiběhli podívat a pak to sami vyzkoušeli. Studenti, kteří si vybrali zábavnou aktivitu z „výběrové tabule“, ji často sdíleli s ostatními studenty, kteří na tuto aktivitu přešli. Ať už pracovali ve skupinách nebo sami, studenti byli dychtiví sdílet a pomáhat si navzájem.

Vytrvalost. Ne všechny aktivity byly pro žáky jednoduché. Třetí třída provedla nejprve laboratoř Adaptační dráp po laboratoři Intro to Building. Učitel zjistil, že laboratoř je pro začátek trochu pokročilá a přesune to na později v pořadí osnov. Ať už aktivitu dokončili nebo ne, skupiny vydržely až do konce.

Zjistil jsem, že to byla SKVĚLÁ lekce frustrace a pochopení, že selhání je jen součástí učení. Nechal jsem každou skupinu popsat, co fungovalo a co ne. Zjistil jsem, že mnoho skupin si skutečně rozumělo, jakmile slyšely některé ze stejných problémů.

Některé použité aktivity byly také navrženy tak, aby byly otevřené a poskytovaly studentům výzvu k překonání. Studenti měli za úkol vytvořit domy, které by mohly odolat zemětřesení, ale nedostali návod na stavbu. I když tam byl prvek frustrace, studenti toho využili a setrvali v opakovaných cyklech zlepšování:

Studentům se výzva naprosto líbila! Zjistil jsem, že studentské skupiny si po experimentu se „zemětřesením“ uvědomily své chyby a byly schopny předělat svůj dům na základě toho, co fungovalo a co ne. Byl jsem tak překvapen, jak šťastné a nadšené skupiny byly, když měly výzvu, která byla frustrující a tak naplňující, jakmile ji skupiny vyřešily.

Učební plán. Učitelský deník také odhalil mnoho poznatků o důležitosti diferenciace v učebních osnovách robotiky. Každá skupina studentů absolvovala laboratoř Intro to Building STEM, která představila sadu VEX GO a všechny její součásti. Všichni studenti také dokončili laboratoř Look Alike STEM, která učí studenty o vlastnostech tím, že je nechá postavit králíčky rodičů a mláďat s různými vlastnostmi. Zatímco některé laboratoře byly dokončeny v každém ročníku, došlo k rozlišení podle věkových skupin. Starší čtvrťáci a páťáci absolvovali laboratorní jednotku Simple Machines, zatímco třeťáci absolvovali laboratoř Fun Frogs. Žáci třetích tříd také absolvovali více samostatných aktivit než starší ročníky, protože učitel poznamenal, že tyto aktivity byly přínosné pro dovednosti mladších žáků. Učitel také využíval aktivity pro starší studenty, když skupiny končily cvičení dříve – nutnost ve třídě, aby se studenti zabavili, když skupiny pracují různou rychlostí. Pro úspěšnou implementaci robotického programu do třídy byla cenným přínosem pro úspěšnou implementaci programu robotiky ve třídě mnoho možností pro diferenciaci laboratoří i činností.

Přínosem byly i mezioborové laboratoře, jak uvádí učitelský deník. Žáci třetí třídy byli nadšeni z laboratoří s přírodovědnou tématikou, kde mohli stavět a vyvíjet zvířata a jejich životní prostředí. První zvířecí laboratoř, kterou žáci třetí třídy dokončili, byla Laboratoř Look Alike, kde mohli vytvářet zajíčky a předávat vlastnosti. Učitel poznamenal, že studenti milovali výrobu zvířat a chtěli prozkoumat různé varianty. To vedlo učitele k tomu, že si pro další hodinu vybral aktivitu nazvanou Tvoření tvorů, aby rozšířil stavební kreativitu žáků. Když studenti pracovali v laboratoři Fun Frogs, všimla si, jak nadšení a kreativní studenti byli, s další výhodou nízké bariéry vstupu pro budování dovedností.

Děti rády vyráběly a učily se o žabím cyklu. Viděl jsem, jak děti získávají praktické zkušenosti s přírodovědnými tématy, které se naučily v učebnici. Mluvil jsem s učitelkou 3. třídy, abychom příští rok více spolupracovali a pokusili se to naučit, když učí o biotopech.

Žáci čtvrté třídy absolvovali laboratorní jednotku Simple Machines. Učitel si všiml, jak nadšení studenti byli, protože měli znalosti o jednoduchých strojích z druhé třídy. Ptali se, jak inženýři používají jednoduché stroje, a dostali čas na výzkum. Učitel poznamenal:

4. třída se soustředí kolem jednoduchých strojů ve vědě, takže tato laboratoř STEM byla pro tuto úroveň tak vhodná. Zjistil jsem, že se dětské tváře rozzářily, když jsem řekl, že budeme dělat páky. Většina z těchto studentů udělala pracovní list, ale ne praktické šetření. Řekl jsem učitelce přírodních věd, že příští rok budeme více spolupracovat, takže budu učit tuto STEM laboratoř, když ona učí jednoduché stroje.

Žáci páté třídy také absolvovali laboratorní jednotku Simple Machines, ale jejich věk a zkušenosti ukázaly, jak se s ní zabývají jinak než žáci čtvrté třídy. Učitel poznamenal, že tato skupina studentů skončila brzy a využila aktivity „výběrové tabule“ k samostatnému zkoumání.

5. třída potřebuje vzrušující a poutavé aktivity – a tato laboratoř STEM tomu odpovídá. Zjistil jsem, že studenti se chtěli dostat na podlahu a experimentovat, jak zvedat různá závaží pomocí páky. Zjistil jsem také, že na rozdíl od 4. třídy měli tito studenti základní znalosti a posunuli STEM Lab na další úroveň přidáním závaží a poskytnutím STEM Lab autentické učební zkušenosti od skupiny ke skupině.

Studenti v každém ročníku měli prospěch z interdisciplinárního přístupu v učebních osnovách robotiky. Schopnost propojit robotiku s vědou, matematikou nebo inženýrstvím pomohla nejen zaujmout studenty, ale poskytla jim základ pro prozkoumávání konceptů s hlubším porozuměním. Poznámky učitele naznačují několik oblastí, kde lze učební osnovy robotiky začlenit nebo synchronizovat s hodinami vyučovanými v jiných předmětech, což by mohl být cenným dalším krokem v integraci robotiky napříč obory autentickým způsobem.

Závěr

Vzhledem k tomu, že používání vzdělávací robotiky ve třídách po celé zemi narůstá, je nezbytné prozkoumat, jak robotika prospívá studentům, a také poznatky získané při výuce kurikula robotiky. Tato studie odhalila, že kurikulum robotiky zlepšilo postoje studentů k téměř všem předmětům STEM ve všech ročnících. Kromě toho učitel vnímal další kategorie učení pro studenty v oblastech, jako je kreativita, angažovanost, týmová práce a vytrvalost.

Abychom mohli i nadále zkoumat, jak může být vzdělávací robotika nejprospěšnější pro studenty ve skutečných třídách, musíme se i nadále učit přímo od učitelů, kteří učební osnovy zavádějí. S ohledem na celou zkušenost učitelka poskytla své celkové poznatky:

Zjistil jsem, že když se děti chtěly naučit víc – naučili jsme se víc. Chtěl jsem, aby to bylo příjemné a každá třída byla upřímně úplně jiná (což je úplně normální). Někteří studenti se chtěli dozvědět více o stavění tam, kde se jiní chtěli odtrhnout a vytvořit si vlastní monstrum nebo stvoření. Zjistil jsem, že 3. třída byla tak zaujatá – bylo těžké ukončit hodiny. 4. třída byla tak nadšená, že se mohla dozvědět o lekcích STEM jako o jednoduchých strojích, které se propojily s jejich vlastním učebním plánem přírodních věd. Pátá třída milovala výzvu kódování, stavění a poznávání Marsu. Myslím, že velká část byla v tom, že každá třída někdy potřebovala více času na STEM Lab nebo více času na prozkoumání, a to jsem jim dal. Zjistil jsem, že když jsou děti nadšené, je nejlepší běžet s tímto vzrušením a místo toho, aby se posouvaly dál, hlouběji.

Tato studie také poskytla smysluplný pohled na implementaci interdisciplinárního kurikula robotiky. V rámci šestitýdenního programu mohli studenti absolvovat mnoho různých laboratoří a aktivit. To naznačuje, že délka kurikula by mohla přiměřeně ovlivnit, jak je úspěšný v posunu postojů studentů k STEM. Lešení lekcí a diferenciace byly také klíčem k úspěchu kurikula. Učitelka zjistila, že studenti různého věku mají různé dovednosti a potřeby a že může snadno upravit učební plány pro každý ročník. Samotná stavebnice robota VEX GO také dobře vyhovovala potřebám studentů. Studenti byli schopni snadno postupovat podle pokynů, konstruovat součásti a učit se, jak jednotlivé kusy fungovaly a spojovaly. Studenti by mohli dokončit sestavení a laboratoře v jedné vyučovací hodině s časem na úklid, což je nutností, aby učební osnovy robotiky fungovaly v omezeních běžného školního dne. Robotická sada navržená pro základní věkovou skupinu a úplný interdisciplinární učební plán jsou zásadní pro výuku a učení s robotikou ve skutečné třídě.


Altin, H., & Pedaste, M. (2013). Učení přístupů k aplikaci robotiky v přírodovědném vzdělávání. Journal of Baltic Science Education, 12(3), 365–378

Benitti, FBV (2012). Zkoumání vzdělávacího potenciálu robotiky ve školách: systematický přehled. Počítače & Vzdělávání, 58(3), 978– 988. https://doi.org/10.1016/j.compedu.2011.10.00

Bers, MU, Flannery, L., Kazakoff, ER, & Sullivan, A. (2014). Počítačové myšlení a kutilství: zkoumání kurikula robotiky v raném dětství. Počítače & Vzdělávání, 72,145–157. https://doi.org/10.1016/j.compedu.2013.10.020.

Boakes, NJ (2019). Zapojení různorodé mládeže do zážitkového učení STEM: partnerství univerzit a středních škol. In International Online Journal of Education and Teaching (IOJET), 6(2). http://iojet.org/index.php/IOJET/article/view/505

Cherniak, S., Lee, K., Cho, E., & Jung, SE (2019). Problémy identifikované dítětem a jejich robotická řešení. Journal of Early Childhood Research, 17(4), 347–360. https://doi.org/10.1177/1476718X19860557

Ching, YH, Yang, D., Wang, S., Baek, Y., Swanson, S., & Chittoori, B. (2019). Rozvoj postojů a vnímaného učení žáků základní školy STEM v učebním plánu integrované robotiky STEM. TechTrends, 63(5), 590–601. https://doi.org/10.1007/s11528-019-00388-0

Výbor pro vzdělávání STEM. (2018). Zmapování kurzu k úspěchu: Americká strategie pro STEM vzdělávání. Národní rada pro vědu a techniku, prosinec, 1.–35. http://www.whitehouse.gov/ostp.

Conrad, J., Polly, D., Binns, I., & Algozzine, B. (2018). Studentské představy o zážitku z letního robotického tábora. The Clearing House: A Journal of Educational Strategies, Issues and Ideals, 91(3), 131–139. https://doi.org/10.1080/00098655.2018.1436819

Pátek Institut pro inovace ve vzdělávání (2012). Postoje studentů k průzkumu STEM – studenti vyšších základních škol, Raleigh, NC: Autor.

Kandlhofer, M., & Steinbauer, G. (2015). Hodnocení dopadu vzdělávací robotiky na technické a sociální dovednosti žáků a na postoje související s vědou. Robotika a autonomní systémy, 75,679–685. https://doi.org/10.1016/j.robot.2015.09.007

Kopcha, TJ, McGregor, J., Shin, S., Qian, Y., Choi, J., Hill, R., et al. (2017). Vývoj integrativního kurikula STEM pro výuku robotiky prostřednictvím výzkumu designu ve vzdělávání. Journal of Formative Design in Learning, 1(1), 31–44. https://doi.org/10. 1007/s41686-017-0005-1

Leonard, J., Buss, A., Gamboa, R., Mitchell, M., Fashola, OS, Hubert, T., & Almughyirah, S. (2016). Využití robotiky a herního designu ke zvýšení sebeúčinnosti dětí, postojů STEM a dovedností výpočetního myšlení. Journal of Science Education and Technology, 25(6), 860–876. https://doi.org/10.1007/s10956-016-9628-2

McClure, ER, Guernsey, L., Clements, DH, Bales, SN, Nichols, J., Kendall-Taylor, N., & Levine, MH (2017). STEM začíná brzy: Ukotvení vědeckého, technologického, inženýrského a matematického vzdělávání v raném dětství. Joan Ganz Cooney Center v Sesame Workshop. http://joanganzcooneycenter.org/publication/stem-starts-early/

Nugent, G., Barker, B., Grandgenett, N., & Adamchuk, VI (2010). Vliv robotiky a zásahů geoprostorových technologií na učení a postoje mládeže STEM. Journal of Research on Technology in Education, 42(4), 391–408. https://doi.org/10.1080/15391523. 2010.10782557

Renninger, KA, & Hidi, S. (2011). Přehodnocení konceptualizace, měření a generování zájmu. Pedagogický psycholog, 46(3), 168–184. https://doi.org/10.1080/00461520.2011.587723

Robinson, M. (2005). Aktivity řízené robotikou: Mohou zlepšit výuku přírodních věd na střední škole. Bulletin of Science, Technology & Society, 25, 73–84.

Rogers, C., & Portsmore, M. (2004). Přivést strojírenství na základní školu. Journal of STEM Education, 5, 17–28.

Slangen, L., Van Keulen, H., & Gravemeijer, K. (2011). Co se mohou žáci naučit při práci s robotickým prostředím přímé manipulace. International Journal of Technology and Design Education, 21(4), 449–469. https://doi.org/10.1007/s10798-010-9130-8

Tai, RH, Liu, CQ, maltština, AV, & Fan, X. (2006). Včasné plánování kariéry ve vědě. Science, 312(5777), 1143–1144. https://doi.org/10.1126/science.1128690

Taylor, K. (2016). Kolaborativní robotika, více než jen práce ve skupinách: účinky spolupráce studentů na motivaci k učení, společné řešení problémů a dovednosti vědeckého procesu v robotických činnostech. (Disertační práce). Získáno 22. července 2021 z https://scholarworks.boisestate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2179&context=td

Unfried, A., Faber, M., & Wiebe, E. (2014). Genderové a studentské postoje k vědě, technologii, inženýrství a matematice. American Educational Research Association, 1–26. https://www.researchgate.net/publication/261387698

Vela, KN, Pedersen, RM, & Baucum, MN (2020). Zlepšení vnímání kariéry STEM prostřednictvím neformálního vzdělávacího prostředí. Journal of Research in Innovative Teaching and Learning, 13(1). 103–113. https://doi.org/10.1108/JRIT-12-2019-0078

Wigfield, A., & Cambria, J. (2010). Úspěchové hodnoty studentů, orientace na cíle a zájem: Definice, vývoj a vztahy k výsledkům dosažených výsledků. Developmental Review, 30(1), 1–35. https://doi.org/10.1016/j.dr.2009.12.001

Ziaeefard, S., Miller, MH, Rastgaar, M., & Mahmoudian, N. (2017). Společné robotické aktivity: Brána k inženýrskému designu a výuce STEM. Robotika a autonomní systémy, 97, 40–50. https://doi.org/10.1016/j.robot.2017.07.013

For more information, help, and tips, check out the many resources at VEX Professional Development Plus

Last Updated: