Warum pädagogische Robotik unterrichten?

In den letzten Jahren hat das Interesse an pädagogischer Robotik zugenommen, da Lehrer und Schulen das Potenzial der Robotik nutzen, um praktische und ansprechende Möglichkeiten für den Unterricht in Design, Ingenieurwesen und Technologie zu bietenⁱ. Der Einsatz von Bildungsrobotik wird auch als eine Möglichkeit gesehen, Studierende an eine Karriere in den Bereichen Naturwissenschaften, Technik, Ingenieurwesen und Mathematik (MINT) heranzuführen und ihnen Anreize zu geben.ⁱⁱDer Einsatz von Bildungsrobotik ist dank der erhöhten Aufmerksamkeit und Investitionen nun erschwinglicher und robuster dem Medium gegeben. Die daraus resultierenden technologischen Fortschritte tragen wesentlich zur Zugänglichkeit dieses Tools beiⁱⁱⁱ. Tatsächlich glauben einige, dass Robotik heute eine ähnliche Rolle im Klassenzimmer spielt wie einst Computer, beginnend mit den frühen 90er Jahren und der Einführung der Verwendung von CD-ROMs und Microsoft PowerPoint in Klassenzimmern^iv.

Mit der wachsenden Präsenz von Educational Robotics ergeben sich wichtige Fragen. Was sind die besten Einsatzmöglichkeiten dieses neuen und aufregenden Tools? Wie können wir Best Practices etablieren? Wie konzeptualisieren wir den Zweck der pädagogischen Robotik im Klassenzimmer? Diese Fragen können komplizierter sein, als sie auf den ersten Blick scheinen. Und die Beantwortung dieser Fragen wirft zunächst möglicherweise mehr Fragen auf als zu Beginn. Nutzen Schüler beispielsweise Bildungsrobotik als Medium, um ihre Ideen und Gedanken zu zeigen, oder entwickeln Schüler Ideen und Gedanken, indem sie mit dem Medium interagieren? Ist pädagogische Robotik eine Möglichkeit für Schüler, ihre Kompetenzen unter Beweis zu stellen, oder ist sie eine Infrastruktur, auf der Schüler^{Kompetenzen aufbauen}? Vielleicht kann die Betrachtung eines Aspekts der Computernutzung im Klassenzimmer dazu beitragen, mehr Licht auf das Thema zu werfen.

Ein Medium kann je nach Anwendung einen unterschiedlichen Anwendungsbereich haben. Malerei kann als Medium betrachtet werden, mit dem ein Zaun oder die Sixtinische Kapelle bemalt werden kann. Die Vielseitigkeit von Computern als Medium ist wohl noch enormer; Ein Computer kann im Klassenzimmer nur in sehr begrenztem Umfang eingesetzt werden, sei es als Taschenrechner oder als Textverarbeitungsprogramm, wird aber auch als eigenständiges, leistungsstarkes Kommunikationsmittel angesehen und angenommen. Wie Mark Guzdial betont hat, können Computer als eine moderne Form von Gutenbergs Druckerpresse^viund als eine Möglichkeit verstanden werden, über andere Bereiche nachzudenken. Daher haben Technologien wie Computermodellierung und Algorithmen einen erheblichen Einfluss auf unser Verständnis der Bereiche Mathematik und Naturwissenschaften^vii.

Was ist dann der Umfang der pädagogischen Robotik? Pädagogische Robotik kann als vorgefertigte Objekte verwendet werden, die sehr spezifische Aufgaben ausführen, während einige pädagogische Robotik-Systeme es Schülern ermöglichen, aktive Teilnehmer an der Gestaltung ihres Lernens zu werden – sowie Ersteller von Rechenartefakten, anstatt passive Benutzer von Geräten zu sein, die andere hergestellt haben für sie^viii. Dies bietet Lehrern einzigartige Möglichkeiten. Bildungsrobotik wird somit zu einem Medium, das Schülern die Möglichkeit gibt, beim Lernen ihre Stimme und Wahlmöglichkeiten zu nutzen und sie nicht nur in die Problemlösung, sondern auch in die Problemfindung, Problemkonstruktion, Problemanalyse sowie die Planung und Überwachung von Problemlösungsbemühungen einzubeziehen. Bildungsrobotik wird dann zu etwas viel Größerem – einem Medium, um Schüler auf die Komplexität der Herausforderungen vorzubereiten, die sie bei der Vorbereitung auf Jobs erwarten, die es derzeit nicht gibt^{ix 1 0 ix}, und auch eine Möglichkeit, andere wertvolle Fähigkeiten zu integrieren (z. B. Kommunikation und Zusammenarbeit). ) gehören zum breiteren Spektrum der Fähigkeiten des 21. Jahrhunderts.

Die Bemühungen der Schulen, das Medium der Bildungsrobotik zu implementieren, scheinen ebenso viele Erscheinungsformen hervorgebracht zu haben wie unterschiedliche Motivationen, die die Initiativen vorantreiben. Einige Schulen nutzen dieses Tool als integrierten Bestandteil eines eigenständigen Informatik- oder MINT-Kurses, während andere Schulen diese moderne Lösung als Ergänzung zu traditionellen Fächern nutzen. Wieder andere Schulen nutzen sie als außerschulische Aktivitäten, die sich dann die Motivationseffekte von „Gamifying“ und Wettbewerben zunutze machen, um die Beteiligung und das Engagement der Schüler zu steigern. So wie die Schulen gelernt haben, den Einsatz von Computern nicht auf teure Taschenrechner zu beschränken, sollte auch der Einsatz pädagogischer Robotik nicht durch vermeintliche Zwänge eingeschränkt werden.

Es lohnt sich, die folgenden Einsatzmöglichkeiten der Bildungsrobotik im Detail zu untersuchen:

• Um unsere Welt zu verstehen
• Um integrierte MINT-Ausbildung auf neuartige Weise zu lehren
• Um Computational Thinking zu lehren
• Um sich mit Iteration vertraut zu machen und aus Fehlern zu lernen
• Um mit den Berufen der Zukunft vertraut zu werden und etwas über sie zu lernen

Um unsere Welt zu verstehen

Wissenschaft ist die Erklärung der natürlichen Welt. Studierende mit wissenschaftlicher Kompetenz sind in der Lage, sowohl die Konzepte als auch die Praktiken der Naturwissenschaften zu verstehen. Daher bietet der naturwissenschaftliche Unterricht den Schülern die Möglichkeit, die Welt, in der sie leben, zu verstehen. Aus diesem Grund umfassen die Lehrpläne an weiterführenden Schulen im ganzen Land Fächer wie Astronomie, Biologie und Chemie. Aber was ist mit der Robotik? Offensichtlich sind Roboter in unserem täglichen Leben weit verbreitet, und ihre Verbreitung nimmt um^xzu. Verbesserungen in der mit Robotern verbundenen Technologie haben zu einem exponentiellen Wachstum der Rechenleistung und der Datenspeicherung geführt^xi. Dies hat zu Robotern geführt, die in der Lage sind, auf der Grundlage der Erfahrungen anderer Roboter zu lernen und Entscheidungen zu treffen. Roboter sind keine Maschinen mehr, die einfache Funktionen ausführen. Darüber hinaus betrifft die steigende Nachfrage nach Robotern und Robotertechnologie branchenübergreifend. Ja, Fabriken sind die Heimat vieler Roboter, aber auch in Bildungs- und Unterhaltungsumgebungen sind Roboter mittlerweile häufiger anzutreffen. Es ist durchaus möglich, dass Roboter in naher Zukunft vielen älteren Menschen dabei helfen, selbstständig in ihren Häusern zu leben, und so ein neues Feld von „Co-Robotern“ entstehen.^xii

Schulen unterrichten zu Recht über Planeten und Sterne, die Lichtjahre entfernt existieren…aber nicht über die Technologie, mit der viele täglich interagieren. Das ist eine Herausforderung, aber auch eine Chance. Bildung treibt Wissenschaft und Innovation voran. Das Studium der Biologie führt weiterhin zu besseren Behandlungen und zur Ausrottung von Krankheiten^xiii. Wenn Robotik ein zentrales akademisches Fach an unseren Schulen würde, könnte dies möglicherweise ähnliche Auswirkungen haben.

Integrierte MINT-Ausbildung auf neuartige Weise lehren

Bildungsforscher weisen darauf hin, dass Lehrer oft Schwierigkeiten haben, Verbindungen zwischen den MINT-Fächern herzustellen^xiv. Dies stellt eine Herausforderung für Schulen dar, da die Next Generation Science Standards übergreifende Konzepte umfassen, die verschiedene wissenschaftliche Bereiche umfassen. Daher wird es für Studierende schwierig sein, Konzepte, die oft isoliert vermittelt werden, auf den integrierten Kontext zu übertragen, den sie in Beurteilungsprüfungen sehen. Eine weitere unbeabsichtigte Folge des isolierten Unterrichtens wissenschaftlicher Konzepte ist die Tendenz, eine Lernumgebung zu schaffen, in der die Schüler sich nicht mehr engagieren. Die authentischen Beispiele der Wissenschaft, die sie in ihrem täglichen Leben sehen, weisen eine tiefe Integration zwischen den MINT-Fächern auf und sind nicht einzigartig. Das Ziel der MINT-Ausbildung besteht darin, Schülern dabei zu helfen, Informationen innerhalb und zwischen den Disziplinen zu organisieren, um in der Lage zu sein, tiefe, strukturelle Ähnlichkeiten und Muster innerhalb dieser Informationen zu erkennen und zu begründen; Der Höhepunkt ist idealerweise die Fähigkeit, diese Wissensorganisation auf komplexe Situationen und Probleme im Alltag anzuwenden^xv.

Bildungsrobotik kann bei der Bewältigung dieser Herausforderungen helfen, indem sie als Vermittler für Lehrer und Schulen bei der Organisation des MINT-Unterrichts fungiert. Da der Anwendungsbereich der pädagogischen Robotik weit über ein Spielzeug hinausgeht, dem einfache Anweisungen gegeben werden können, können Klassenzimmer, die pädagogische Robotik nutzen, den Schülern anspruchsvolle technische und programmtechnische Herausforderungen bieten.

Um rechnergestütztes Denken zu lehren

In den letzten 10 Jahren erfreut sich Computational Thinking zunehmender Beliebtheit und wird in K-12-Klassenzimmern immer beliebter^xvii. Computational Thinking ist Teil der Next Generation Science Standards und ein wesentlicher Bestandteil der realen Mathematik und Naturwissenschaften. Computational Thinking gilt weithin als integraler Bestandteil jedes MINT-Unterrichts^xviii.

Die zunehmende Beliebtheit des Computational Thinking als Konzept sowohl innerhalb als auch außerhalb von Schulen hat dazu geführt, dass Schulen versuchen, wirksame Werkzeuge zu finden, um Computational Thinking zu integrieren und ihren Schülern beizubringen. Ein entsprechendes Ziel bestand darin, die Teilnahme an den Kursen – insbesondere Informatik – zu erweitern, die sich intensiv mit rechnerischem Denken befassen; Die Beseitigung der Geschlechterkluft in diesem Themenbereich war ebenfalls ein konsequentes Ziel. Derzeit machen Mädchen etwa die Hälfte aller AP-Testteilnehmer aus, aber nur 25 % derjenigen, die AP-Informatikkurse^xixbelegen

Bildungsrobotik kann ein wirksames Instrument sein, um computergestütztes Denken zu lehren und gleichzeitig dazu beizutragen, die Teilnahmeziele zu erweitern.^{xx xxi} Jüngste Fortschritte in der Bildungsrobotik haben die Kosten gesenkt und die Benutzerfreundlichkeit erhöht, wodurch sie für Schüler zugänglicher geworden sind und zunehmend zu einer zuverlässigen Methode zum Erlernen abstrakter MINT-Konzepte werden. Daher ist der Zusammenhang zwischen Informatik und Robotik klar; Schüler haben die Möglichkeit, ihre Roboter so zu programmieren, dass sie komplexe Aufgaben sowohl im Klassenzimmer als auch auf Wettbewerbsfeldern ausführen. Während die Ausführung komplexer Aufgaben das Ziel sein kann, besteht das Mittel darin, diese Aufgaben in kleinere Teile zu zerlegen und sie dann iterativ zusammenzusetzen, um eine Lösung zu schaffen. In Klassenzimmern ist das Gerüst dieses Prozesses von entscheidender Bedeutung, und auch hier kann die Bildungsrobotik sowohl die Zerlegung als auch das Gerüst komplexer Aufgaben effektiv erleichtern. Daher können Roboter ein wirksames Werkzeug sein, um rechnerisches Denken als Einstieg zu lehren Beweise zeigen.^{xxii xxiii} Die effektive Vermittlung von Computational Thinking führt auch zur Fähigkeit, Computational Thinking in verschiedenen Bereichen anzuwenden. Die Fähigkeit, verallgemeinerbare Fähigkeiten zum rechnerischen Denken effektiv zu vermitteln und gleichzeitig Möglichkeiten zur Diversifizierung der Schüler, die diese Bereiche betreten, zu bieten, macht Bildungsrobotik zu einem wichtigen Beitrag zur Integration des rechnerischen Denkens in Schulen und in die Bewegung „Informatik für alle“.

Sich mit Iteration vertraut machen und aus Fehlern lernen

Technisches Design und die wissenschaftliche Methode sind verwandte Phänomene, weisen jedoch wichtige Unterschiede auf. In der Wissenschaft liegt der Schwerpunkt auf der Suche nach allgemeinen Regeln, die die Handlungen unserer Welt und unseres Universums beschreiben, während es in der Technik darum geht, Lösungen für ein bestimmtes Problem zu finden, die alle in diesem Problem enthaltenen Einschränkungen erfüllen^xxiv. Einige haben diese Unterscheidung mit dem Sprichwort „Wissenschaftler untersuchen, aber Ingenieure erschaffen“ zusammengefasst.^xxv Wenn wir den kreativen Prozess betrachten, müssen wir seine oft erhebliche Abhängigkeit von der Iteration erkennen.

Mehrere Iterationen sind entscheidend für die Entwicklung von Ideen und Aktivitäten, die darauf abzielen, bestimmte Ziele zu erreichen, sei es das Erfüllen/Übertreffen der Kundenerwartungen oder die Teilnahme an einer Wettbewerbsherausforderung. Es wurde erkannt, dass die erforderlichen mehrfachen Iterationen, die pädagogischen Robotikaktivitäten innewohnen, geeignet sind, das Interesse der Schüler aufrechtzuerhalten und ein nachhaltiges Engagement aufrechtzuerhalten.^xxvi Auch die Zusammensetzung der Robotik-Bausätze selbst mit vielen verschiedenen Teilen, die schnell zusammengebaut und dann wieder zerlegt werden können, fördert eine Einstellung der Iteration. Da in mehreren Iterationen häufig die wichtige Lebenslektion „Versuchen Sie es noch einmal“ behandelt wird, profitieren die Schüler enorm davon, wenn sie lernen, dass „Misserfolge“ als Teil des Prozesses berücksichtigt werden können. Eine weitere allgemein anwendbare Lektion, die sich aus einem abstrakteren Blick auf die zusätzlichen Vorteile des Tools ergibt, ist die Tendenz der Bildungsrobotik, selbst für die einfachsten Herausforderungen mehrere Lösungen anzubieten. Was könnte den Horizont eines Schülers mehr erweitern, als zu erkennen, dass es tatsächlich mehrere Lösungen für dasselbe Problem gibt? Wir haben gesehen, dass dies interessante Vorteile mit sich bringt: Die Wahrscheinlichkeit, dass Schüler Feedback von Lehrern einholen, steigt und die Wahrscheinlichkeit, dass Schüler das, was sie lernen, als wichtig versteht, steigt.^xxvii Die Vorteile vervielfachen sich dadurch noch mehr: Wenn Lehrer ihre Schüler auf diese Weise einbeziehen, kann dies zu einer höheren Selbstwirksamkeit der Schüler führen, dem Schlüsselelement, das zu einer größeren Bereitschaft führt, aus Misserfolgen zu lernen.^xxviii

Um die Jobs der Zukunft kennenzulernen und mehr über sie zu erfahren

Veränderung, unsere einzige Konstante, ist in der Natur der Arbeit kein Unbekannter. Im Jahr 1900 arbeiteten etwa 40 % der amerikanischen Arbeitskräfte auf Farmen. Heute beträgt diese Zahl nur noch 2 %.xxix Wenn das zu lange her und zu weit hergeholt erscheint, bedenken Sie, dass der durchschnittliche Arbeitnehmer noch vor 50 Jahren während seines Arbeitstages weder lesen noch schreiben musste.^xxx Die Gezeiten von heute lassen sich in einer viel gelesenen und diskutierten Studie des Department of Engineering Science der University of Oxford aus dem Jahr 2013 veranschaulichen, die schätzt, dass 47 % der aktuellen Arbeitsplätze Gefahr laufen, durch Automatisierung verloren zu gehen.^xxxi

Ein wichtiger Unterschied zwischen den aktuellen Sorgen und der üblichen Arbeitsplatzvernichtung und -schaffung von gestern ist die „Arbeitsplatzpolarisierung“. Der Begriff bezieht sich auf die Aushöhlung von Beschäftigungsmöglichkeiten, was bedeutet, dass eine hohe Nachfrage nach hochqualifizierten und gering qualifizierten Arbeitsplätzen besteht, die Möglichkeiten für Arbeitsplätze mit mittlerer Qualifikation und mittlerem Lohn jedoch zurückgegangen sind.^xxxii Dieses erhebliche Problem lässt sich auf die Automatisierung routinemäßiger Arbeiten zurückführen, und die Antworten bestehen darin, die Unvermeidlichkeit der Automatisierung anzuerkennen, indem man kreativ auf Erweiterung hinarbeitet. Die Unternehmen, die diese Welle erfolgreich meistern, sind diejenigen, die flexibel und flexibel reagieren und lernen, mit der Technologie umzugehen, anstatt vor ihrer einschüchternden Präsenz und Wirkung davonzulaufen oder gegen sie zu rebellieren.^xxxiii Als Pädagogen ist es wichtig, dass auch wir kreativ reagieren und nach innovativen Lösungen für die Ungewissheit der Zukunft suchen. Es liegt an den Primar- und Sekundarschulsystemen, die Realitäten am Horizont zu erkennen und relevante und wertvolle Fähigkeiten zu vermitteln, was im aktuellen Fall bedeuten kann, dass Computer einfach nicht gut darin sind. Dazu gehören Kreativität, zwischenmenschliche Fähigkeiten und Problemlösung – alles Fähigkeiten, die durch einen verfeinerten Einsatz pädagogischer Robotik gefördert werden können.^xxxiv