Abstrakt
Bildungsrobotik hat das Potenzial, ein Eckpfeiler der MINT-Ausbildung zu werden, da sie durch interdisziplinäre Lehrpläne praxisorientiertes, projektbasiertes Lernen ermöglicht. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Einstellung der Schüler zum MINT-Lernen mit zunehmendem Fortschritt in unserem Bildungssystem abnimmt; Die Entwicklung einer positiven Einstellung zu MINT-Themen ist bei Grundschülern von entscheidender Bedeutung. Es hat sich gezeigt, dass die Integration des Robotik-Lehrplans in MINT-Fächer viele positive Lernvorteile für die Schüler mit sich bringt und gleichzeitig die Wahrnehmung dieser Themen durch die Schüler verbessert. In dieser Studie nahmen 104 Schüler der dritten bis fünften Klasse an einem Forschungsprojekt teil, um herauszufinden, ob sich die Wahrnehmung der Schüler zu MINT-Themen nach sechs Wochen Robotik-Lehrplan ändern würde. Die Schüler erhielten eine Vorbefragung, um ihre Einstellungen zu Mathematik, Naturwissenschaften, Ingenieurwissenschaften und Fähigkeiten des 21. Jahrhunderts zu bewerten. Anschließend absolvierte jede Klasse einen Robotik-Lehrplan mit dem VEX GO-Roboter-Klassenzimmerpaket und den VEX GO-Lehrplan-MINT-Laboren und -Aktivitäten. Nach den sechs Unterrichtswochen erhielten die Schüler die gleichen Fragen nach der Befragung, um zu beurteilen, ob sich ihre Einstellungen geändert hatten. Die Ergebnisse zeigen eine deutlich verbesserte Einstellung der Schüler in allen MINT-Fächern sowie wahrgenommene Verbesserungen bei Kreativität, Engagement, Teamarbeit und Beharrlichkeit.
Einführung
In den letzten Jahren wurde die Robotik zunehmend in Grund- und weiterführenden Schulen in den Vereinigten Staaten integriert, was durch nationale Berichte und Richtlinien vorangetrieben wurde. Im Jahr 2015 erklärte die National Science Foundation, dass der Erwerb von Wissen und Fertigkeiten in den Bereichen Naturwissenschaften, Technik, Ingenieurwesen und Mathematik (STEM) für Amerikaner immer wichtiger wird, um sich voll und ganz an einer technologieintensiven Weltwirtschaft zu beteiligen, und dass dies für jeden von entscheidender Bedeutung ist Zugang zu hochwertiger Ausbildung in MINT-Themen haben. Bildungsrobotik ist nicht nur ein beliebter Trend in der Bildungstechnologie, sondern hat sich in der Forschung auch als wirksam erwiesen, um die Wahrnehmung von Schülern in MINT-Fächern sowie die Lernergebnisse zu verbessern. Eine Metaanalyse (Beniti, 2012) ergab, dass Bildungsrobotik im Allgemeinen das Lernen für bestimmte MINT-Konzepte steigerte. Untersuchungen, die sich auf verschiedene Altersgruppen konzentrierten, ergaben, dass Robotik das Interesse der Schüler und die positive Wahrnehmung von MINT-Fächern steigert (Nugent et al., 2010; Robinson, 2005; Rogers & Portsmore, 2004), und weitere Untersuchungen ergaben, dass dies wiederum die schulischen Leistungen steigert und die Naturwissenschaften fördert Abschluss (Renninger & Hidi, 2011; Wigfield & Cambria, 2010; Tai et al., 2006). Bei Oberstufenschülern wurde Robotik eingesetzt, um die College-Vorbereitung und technische Karrierefähigkeiten zu unterstützen (Boakes, 2019; Ziaeefard et al., 2017; Vela et al., 2020).
Der Ausschuss für MINT-Ausbildung des National Science and Technology Council veröffentlichte 2018 einen Bericht, um eine Bundesstrategie für die interdisziplinäre MINT-Ausbildung zu skizzieren: „Der Charakter der MINT-Ausbildung selbst hat sich von einer Reihe sich überschneidender Disziplinen zu einem stärker integrierten und interdisziplinären Ansatz entwickelt.“ Lernen und Kompetenzentwicklung. Dieser neue Ansatz umfasst die Vermittlung akademischer Konzepte durch reale Anwendungen und kombiniert formelles und informelles Lernen in Schulen, der Gemeinschaft und am Arbeitsplatz.“ Pädagogische Robotik sollte nicht als eigenständiges Thema gelehrt werden, sondern die Vorteile eines interdisziplinären Lehrplanansatzes voll ausnutzen. Forscher haben eine Reihe von Vorteilen für die Integration der Robotik in bestehende Schullehrpläne festgestellt, von der Entwicklung und Anwendung von MINT-Kenntnissen über rechnerisches Denken und Problemlösungsfähigkeiten bis hin zu sozialen Fähigkeiten und Teamarbeit (Altin & Pedaste, 2013; Bers et al., 2014; Kandlhofer & Steinbauer, 2015; Taylor, 2016). Benitti (2012) stellte fest, dass die meisten Robotikprogramme als eigenes Fach unterrichtet wurden, was es für Lehrer schwieriger machte, es in ihren Unterricht zu integrieren. Ein Ziel dieser Forschungsstudie besteht darin, die Einstellung der Schüler zu MINT-Themen mithilfe eines Robotik-Lehrplans zu bewerten, der die Konstruktion und Programmierung der Robotik mit standardorientierten Inhalten aus Mathematik, Naturwissenschaften und Ingenieurwesen kombiniert.
Die Einführung der pädagogischen Robotik war besonders hilfreich für junge Schüler, die bereits in der 4. Klasse eine negative Einstellung gegenüber MINT-Fächern entwickeln können (Unfried et al., 2014). Junge Studierende profitieren von einem integrierten Lernkontext und entwickeln durch frühe Erfolgserlebnisse eine positivere Einstellung gegenüber MINT-Fächern (McClure et al., 2017). Cherniak et al. (2019) fanden heraus, dass die Einführung von Robotik bei Grundschülern dazu beiträgt, Forschungs- und Problemlösungsfähigkeiten zu entwickeln. In einer Studie von Ching et al. (2019) wurden Oberstufenschüler in einem außerschulischen Programm in einen integrierten MINT-Robotiklehrplan eingeführt. Mithilfe eines Umfrageinstruments (Friday Institute for Educational Innovation, 2012) wurde die Einstellung der Schüler zu Mathematik, Naturwissenschaften und Ingenieurwissenschaften vor und nach dem Programm gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass nur das mathematische Konstrukt signifikant zunahm. Ching et al. stellte fest, dass diese Ergebnisse mit anderen Forschungsergebnissen aus informellen Lernumgebungen und kurzen (einwöchigen) Pilotprogrammen übereinstimmen (Conrad et al., 2018; Leonard et al., 2016). Ching et al. stellte auch andere Schwierigkeiten fest, die sich möglicherweise auf die Nullergebnisse für andere Fächer ausgewirkt haben: Die Schüler hatten Mühe, die Roboter zu bauen, und brauchten bis zu vier 90-minütige Sitzungen, um sie fertigzustellen. Schwierigkeiten beim Verstehen von Bauanweisungen und beim Bau von Robotern wurden auch in anderen Studien als Herausforderung für Grundschüler genannt (Kopcha et al., 2017), und Forscher haben festgestellt, dass für den Roboterbau ein umfassendes Verständnis der verschiedenen Roboterkomponenten erforderlich ist (Slangen). et al., 2011). Ching et al. (2019) erklärte: „Wenn ein Lernziel in Zukunft den Bau eines originellen und funktionsfähigen Roboters beinhaltet, wird dringend empfohlen, dass Schüler vor dem Einstieg ein tiefes Verständnis für die verschiedenen Komponenten von Robotern entwickeln.“ S. 598. Diese Erkenntnisse machen deutlich, dass es besonders für kleine Kinder wichtig ist, frühe Erfolgserlebnisse beim MINT-Lernen zu sammeln, und dass die Verwendung eines Roboterbausatzes, der einfach zu erlernen und zu konstruieren ist, ein wertvoller Bestandteil bei der Umsetzung eines Roboterlehrplans ist, damit alle Schüler Erfolg haben .
In dieser Studie untersuchen wir, wie sich ein interdisziplinärer Robotiklehrplan – der im Rahmen des Schulalltags angeboten wird – auf die Einstellung der Schüler zu MINT-Fächern auswirkt. Die Forschungsfragen sind:
- Wie wirkte sich ein sechswöchiger, interdisziplinärer Robotiklehrplan auf die Einstellung der Studierenden gegenüber MINT-Fächern aus?
- Welche wahrgenommenen Vorteile oder Lerneffekte werden beobachtet, wenn Studierende den Robotik-Lehrplan durcharbeiten?
Die kontinuierliche Untersuchung, wie Robotik Schülern der oberen Grundstufe zugute kommen kann, wird immer wichtiger, um die Wahrnehmung der Schüler von MINT zu verbessern und hoffentlich das Engagement und die Ergebnisse zu verbessern. Mit dieser Studie wollen wir einen Beitrag zur Forschung leisten, indem wir Folgendes untersuchen:
- Schüler der dritten bis fünften Klasse
- ein Robotik-Lehrplan, der in den Schulalltag integriert und über einen Zeitraum von sechs Wochen vermittelt wird
- Interdisziplinärer Robotikunterricht, der sich an MINT-Standards orientiert
- ein Robotik-Bausatz für Grundschüler
Methoden
Diese Studie wurde in einem öffentlichen Schulbezirk in West-Pennsylvania mit insgesamt 104 Schülern in drei Klassenstufen durchgeführt. Der Lehrer, der den Robotik-Lehrplan entwickelt und umgesetzt hat, fungiert als Elementary Technology Integrator für den Bezirk und betreut die Schüler nach einem rotierenden Stundenplan. Diese Studie umfasst sowohl quantitative als auch qualitative Daten. Die Studierenden beantworteten Umfragefragen, um ihre Einstellung zu MINT-Themen vor und nach einem Robotik-Lehrplan empirisch zu bewerten. Darüber hinaus führte die Lehrerin ein Tagebuch, in dem sie Notizen und Überlegungen zum Verhalten und Lernen der Schüler während der MINT-Labore und der von ihnen absolvierten Aktivitäten aufzeichnete.
Vorbefragung. Um die Wahrnehmung der Schüler zu MINT-Themen zu bewerten, haben die Schüler die Umfrage „Studenteneinstellungen gegenüber MINT – Oberstufenschüler“ (Friday Institute for Educational Innovation, 2012) ausgefüllt. Um den Prozess für die Schüler einfacher zu gestalten, hat die Lehrerin die Umfrageelemente in Tabellenform neu erstellt und die neutrale Option entfernt, die ihrer Meinung nach bei den Schülern zu Verwirrung bei der Beantwortung führen würde.
Briefe mit einer Beschreibung des Forschungsprojekts und Einverständniserklärungen wurden den Schülern zur Überprüfung durch die Eltern nach Hause geschickt. Um an dieser Forschungsstudie teilnehmen zu können, mussten die Studierenden eine unterschriebene Einverständniserklärung zurücksenden. Das Umfrageinstrument wurde gedruckt und im Präsenzunterricht an die Studierenden verteilt. Studierende, die das Einverständnisformular zurückgesandt hatten, nahmen an der Umfrage teil, während die Studierenden, die dies nicht getan hatten, während dieser Zeit eine andere Aktivität erhielten. Die Anweisungen wurden den Schülern vorgelesen und einige Begriffe wurden auf Anfrage definiert. An den Umfragen nahmen Dritt-, Viert- und Fünftklässler von Montag bis Mittwoch derselben Woche teil.
Als die erste Umfrage durchgeführt wurde, waren die Schüler mithilfe des Labors „Einführung in den Bau“ mit dem Roboterbausatz und der Lektion zum Bauen der Astronautenfigur vertraut gemacht worden. Es wurden keine weiteren MINT-Labore fertiggestellt und aufgrund der COVID-19-Pandemie hatten die Studierenden in den vergangenen anderthalb Jahren keinen Robotik-Lehrplan erhalten. Dies bot die Möglichkeit zu bewerten, wie Schüler über MINT-Themen denken, ohne dass ihre Antworten auf aktuelle Erfahrungen mit dem MINT-Lehrplan Einfluss genommen haben.
Der Lehrer stellte fest, dass Schüler verschiedener Jahrgangsstufen unterschiedlich auf die Umfragen reagierten. Die Schüler der fünften Klasse nahmen schnell und mit wenigen Fragen an der Umfrage teil. Die Schüler der vierten Klasse fragten nach vielen Definitionen für Begriffe. Schüler der dritten Klasse hatten die größten Schwierigkeiten mit der Terminologie und brauchten am längsten, um die Umfrage auszufüllen.
MINT-Lernlehrplan und Roboter. Der Elementary Technology Integrator-Lehrer hatte viele Roboter- und Programmierwerkzeuge für den Einsatz im Distrikt gesammelt, entschied sich jedoch für die Umsetzung eines sechswöchigen Lehrplans mit dem VEX GO-Roboter für die Kurse „Computational Thinking“ und „Informatik“, an denen er am Ende teilnehmen konnte Schuljahr 2021. Der VEX GO-Roboter ist ein Bausatz aus Kunststoffteilen, der von Grundschülern manipuliert werden kann, die andere Feinmotorikanforderungen haben als ältere Schüler. Das Kit ist farbcodiert, um den Schülern das Verständnis der Größe der Teile zu erleichtern, und nach Typ geordnet: Balken, Winkelbalken, Platten, Zahnräder, Riemenscheiben, Verbindungsstücke, Abstandshalter und Stifte. Die Lehrerin nutzte ein einzelnes Klassenpaket (zehn Kits), um alle von ihr unterrichteten Klassen der dritten, vierten und fünften Klasse zu betreuen. Das Teilen von Roboterbausätzen aus Sicht der Unterrichtsimplementierung bedeutete, dass die Schüler in der Lage sein mussten, die Unterrichtsstunde zu absolvieren und ihren Roboter in einer einzigen Unterrichtsstunde wegzuräumen, damit eine andere Klasse sie später verwenden konnte. Der Lehrer musste auch in der Lage sein, den ganzen Tag über in verschiedene Klassenräume für unterschiedliche Klassenstufen zu wechseln.
Jede Klassenstufe absolvierte sechs Wochen lang Robotik-MINT-Labore. Aufgrund der durch COVID-19 verursachten atypischen Lernsituation wechselten die Schülerinnen und Schüler dreimal im Turnus von zehn Tagen durch einen Zeitplan mit Präsenzunterricht. Abhängig von ihrem Zeitplan und externen Faktoren wurden nicht alle Schüler genau gleich oft gesehen. Der Lehrer ging mit diesem Problem durch Differenzierung um: „Vor diesem Hintergrund habe ich versucht, in jedem Klassenzimmer wirklich auf Differenzierung zu achten. Ich wollte nicht in jeder Klassenstufe so viele Unterrichtsstunden aufteilen, sondern lieber tiefer in die Unterrichtsstunden eintauchen, um das Verständnis zu stärken.“ Die Fünftklässler wurden am wenigsten gesehen. Der Lehrer bemerkte, dass es schwierig sei, Fünftklässler ganz am Ende ihrer Grundschullaufbahn zu unterrichten, da in den Wochen vor ihrem Abschluss so viele Veranstaltungen geplant seien.
Während alle Schüler während dieser sechs Wochen eine Reihe von VEX GO-Robotik-STEM-Laboren und -Aktivitäten absolvierten, wurde der Lehrplan nach Ermessen des Lehrers differenziert, um den Fähigkeiten von Schülern unterschiedlichen Alters gerecht zu werden. Beispielsweise begannen alle Schüler ihren Robotik-Lehrplan mit dem „Intro to Building STEM Lab“, da in diesem Labor das Robotik-Kit vorgestellt wird. Alle Schüler absolvierten außerdem das Look Alike STEM Lab, das lehrt, wie Merkmale genetisch von Elterntieren an Kaninchenbabys weitergegeben werden. Jede Klasse absolvierte dann eine andere Reihe von Laboren und Aktivitäten:
- Dritte Klasse: Einführung in das Bauen, Look Alike, Fun Frogs (2 Lektionen), Adaptation Claw, VEX GO Aktivitäten: Lunar Rover, Pin Game, Engineer It & Build It, Copycat, Habitat, Creature Creature und freie Bauzeit
- Vierte Klasse: Einführung in das Bauen, Einheit „Einfache Maschinen“ (4 Lektionen), Look Alike, Adaptation Claw, VEX GO Aktivitäten: Lunar Rover, Stecknadelspiel und kostenlose Bauzeit
- Fünfte Klasse: Einführung in das Bauen, Look Alike, Fun Frogs (2 Lektionen), Adaptation Claw, VEX GO Aktivitäten: Lunar Rover, Pin Game, Engineer It & Build It, Copycat, Habitat, Creature Creature und freie Bauzeit
Bei den MINT-Laboren handelt es sich um strukturierte Aktivitäten, die Schüler durch eine interdisziplinäre, an Standards ausgerichtete Unterrichtseinheit führen, die den Kontext für einen Roboterbau, Unterrichtsdiskussionen, Experimente und iterative Verbesserungen bietet. Die Labs sind nach den Abschnitten „Interagieren“, „Spielen“ und „Teilen“ organisiert, die die Schüler durch die Lektion führen. Die Aktivitäten sind kürzer als in einem MINT-Labor, variieren in Thema und Struktur und bieten oft offene Herausforderungen mit weniger Anweisungen.
Nachbefragung. Nach Abschluss des Lehrplans, der mit dem Ende des Schuljahres zusammenfiel, erhielten die Schüler die Nachbefragung auf die gleiche Weise wie die Vorbefragung. Sobald die Nachbefragungen gesammelt waren, anonymisierte der Lehrer die Daten und zeichnete sie zur Vorbereitung der Analyse auf.
Datenanalyse. Die Erhebungspunkte würden anhand vorgegebener quantitativer Methoden ausgewertet. Die Antwortmöglichkeiten wurden bewertet (1 = stimme überhaupt nicht zu, 2 = stimme nicht zu, 3 = stimme zu, 4 = stimme völlig zu) und bestimmte Elemente wurden bei Bedarf umgekehrt codiert. Für jedes Konstrukt und jede Note wurden gepaarte t-Tests für die Mittelwerte vor und nach der Umfrage durchgeführt. Das Lehrertagebuch wurde mithilfe einer thematischen Analyse ausgewertet, die Erkenntnisse über das wahrgenommene Lernen der Schüler sowie über die Gestaltung/Bedürfnisse des Lehrplans lieferte.
Ergebnisse
Dritte Klasse. Die Ergebnisse der Vor- und Nachbefragung der dritten Klasse (Tabelle 1) zeigen erhöhte Durchschnittswerte für jeden der Befragungsbereiche. Jedes Konstrukt wurde vor und nach dem Mittelwert mithilfe eines zweiseitigen t-Tests verglichen und alle Ergebnisse waren signifikant (p <). Der geringste mittlere Anstieg war für das Konstrukt „Kompetenzen des 21. Jahrhunderts“ zu verzeichnen, was darauf hindeutet, dass die Schüler nur geringfügig von ihrer ursprünglichen Zustimmung zu diesen Elementen abwichen. Die Schüler erzielten mit einem Durchschnittswert von 2,27 den niedrigsten Durchschnittswert beim Konstrukt „Mathematik-Einstellung“ vor der Umfrage, erhöhten diesen Durchschnittswert des Konstrukts jedoch um 0,25 bei der Nachbefragung. Sowohl die naturwissenschaftlichen als auch die technischen Konstrukte verzeichneten durchschnittliche Steigerungen von über 0,6, was darauf hindeutet, dass sich die Schüler nach dem Lehrplan viel sicherer fühlten, ihre Wahlmöglichkeiten zu erweitern. Der Mittelwert des wissenschaftlichen Konstrukts vor der Umfrage von 2,8 bis 3,44 zeigt, dass die Schüler ursprünglich eine Mischung aus „stimme nicht zu“ und „stimme zu“ (2 und 3) waren, sich aber zu einer Mischung aus „stimme zu“ und „stimme voll und ganz zu“ (3 und 4) veränderten.
Tabelle 1. Ergebnisse gepaarter T-Tests der dritten Klasse vor und nach der Umfrage (n = 39).
Paar | Variable | Bedeuten | T | Sig (2-schwänzig) |
Paar 1 | Vor Mathe | 2.2664 | -8.775 | 0.000 |
Post-Mathe | 2.5197 | |||
Paar 2 | Vorwissenschaft | 2.7982 | -21.255 | 0.000 |
Postwissenschaft | 3.4415 | |||
Paar 3 | Vor-Engineering | 3.1228 | -26.504 | 0.000 |
Post-Engineering | 3.7281 | |||
Paar 4 | Fertigkeiten vor dem 21. Jahrhundert | 3.0000 | -3.894 | 0.000 |
Fähigkeiten nach dem 21. Jahrhundert | 3.0906 |
Vierte Klasse. Tabelle 2 zeigt, dass die Schüler der vierten Klasse bei allen Konstrukten in ähnlicher Weise einen Anstieg der Mittelwerte erzielten, und alle waren signifikant (p < 0,001). Allerdings waren die Zuwächse geringer als bei den Drittklässlern (durchschnittliche Veränderungen liegen typischerweise unter 0,3), was darauf hindeutet, dass weniger Schüler ihre Antworten änderten als ihre jüngeren Mitschüler. Wie bei den Schülern der dritten Klasse war das Mathematikkonstrukt sowohl in der Vor- als auch in der Nachbefragung der niedrigste Mittelwert, und die Fähigkeiten im 21. Jahrhundert verzeichneten den geringsten Anstieg der Durchschnittswerte. Bemerkenswert ist, dass der Ingenieurkonstrukt bei diesen Studierenden den größten Zuwachs verzeichnete.
Tabelle 2. Ergebnisse gepaarter T-Tests der vierten Klasse vor und nach der Umfrage (n = 34).
Paar | Variable | Bedeuten | T | Sig (2-schwänzig) |
Paar 1 | Vor Mathe | 2.0871 | -7.136 | 0.000 |
Post-Mathe | 2.2652 | |||
Paar 2 | Vorwissenschaft | 2.9125 | -7.124 | 0.000 |
Postwissenschaft | 3.1987 | |||
Paar 3 | Pre-Engineering | 3.0673 | -8.151 | 0.000 |
Post-Engineering | 3.3030 | |||
Paar 4 | Fertigkeiten vor dem 21. Jahrhundert | 3.6498 | -4.629 | 0.000 |
Fähigkeiten nach dem 21. Jahrhundert | 3.7003 |
Fünfte Klasse. Die Konstruktwerte der Fünftklässler zeigen andere Trends als die der Dritt- und Viertklässler (Tabelle 3). Diese Gruppe verzeichnete den einzigen Rückgang der Durchschnittspunktzahl im technischen Konstrukt, obwohl dieser statistisch nicht signifikant war und aufgrund der höheren Durchschnittspunktzahl selbst kein Grund zur Sorge darstellte. Die mittleren Konstruktwerte für Mathematik, Naturwissenschaften < Kompetenzen < 21 Jahrhundert Fähigkeiten).
Tisch 3. Gepaarte T-Test-Ergebnisse der fünften Klasse vor und nach der Umfrage (n = 31).
Paar | Variable | Bedeuten | T | Sig (2-schwänzig) |
Paar 1 | Vor Mathe | 2.8167 | -3.427 | 0.002 |
Post-Mathe | 2.9042 | |||
Paar 2 | Vorwissenschaft | 3.2333 | -3.751 | 0.001 |
Postwissenschaft | 3.3111 | |||
Paar 3 | Vor-Engineering | 3.4259 | 0.810 | 0.425 |
Post-Engineering | 3.3370 | |||
Paar 4 | Fertigkeiten vor dem 21. Jahrhundert | 3.8296 | -2.350 | 0.026 |
Fähigkeiten nach dem 21. Jahrhundert | 3.8741 |
Diskussion
Einstellungen der Studierenden. Die Ergebnisse für diese vier Konstrukte zeigten einige überraschende Ergebnisse. Die Durchschnittswerte der Vorbefragung waren für die Fünftklässler in allen Konstrukten höher als für die Drittklässler. Erkenntnisse aus der Literatur deuten darauf hin, dass die Einstellung zu MINT-Fächern mit der Zeit abnimmt. Negieren diese Erkenntnisse das? Nicht unbedingt. Aufgrund der Natur des Schuljahresendes wurden die Fünftklässler seltener gesehen, da sie verschiedene Veranstaltungen im Vorfeld ihres Abschlusses besuchten, und weniger Unterrichtsstunden haben möglicherweise die Auswirkungen auf ihre Einstellung zu diesem Zeitpunkt im Jahr verringert. Der Lehrer stellte außerdem fest, dass jede Altersgruppe unterschiedlich auf die Umfragepunkte reagierte. Die Drittklässler stellten viele Fragen und antworteten mit allgemeiner Begeisterung, während die Fünftklässler die Umfrage schnell und mit wenigen Fragen beantworteten. Das Alter der Kinder kann Einfluss darauf haben, wie differenziert sie die Fragen interpretieren und beantworten. Jüngere Schüler bewerten beispielsweise „stimme zu“ und „stimme voll und ganz zu“ möglicherweise anders als ältere Schüler. Die Lehrerin fügte in ihren Notizen einen Kommentar speziell zu den Schülern der fünften Klasse ein und fragte sich, ob sie die Umfragefragen erwartungsvoll beantworteten oder in dem Versuch, sie zufrieden zu stellen. Je mehr sich ältere Grundschüler auf die Erwartungen einstellen, desto stärker könnten ihre natürlichen Reaktionen davon beeinflusst werden.
Aus den Ergebnissen geht deutlich hervor, welchen Unterschied der VEX GO-Robotiklehrplan in jeder Altersgruppe hatte. Die Durchschnittswerte der Drittklässler stiegen in allen Domänenkonstrukten (Mathematik, Naturwissenschaften, Ingenieurwesen) stark an. Während bei den Schülern der vierten Klasse kein so großer Anstieg der Durchschnittswerte zu verzeichnen war wie bei den Schülern der dritten Klasse, steigerten sie die Durchschnittswerte bei den Domänenkonstrukten immer noch um mehrere Zehntel. Die Schüler der fünften Klasse waren jedoch die einzigen Schüler mit nicht signifikanten Veränderungen in irgendeinem Konstrukt und Signifikanzwerten von weniger als p <. Diese allgemeinen Unterschiede zwischen Schülern verschiedener Jahrgangsstufen deuten darauf hin, dass der Lehrplan für Robotik einen größeren Einfluss auf die Einstellungen jüngerer Schüler hatte als für ältere Schüler, was die Bedeutung eines frühzeitigen Einstiegs in den Lehrplan für Robotik unterstreicht.
Wahrgenommenes Lernen. Im Tagebuch des Lehrers wurden die Übungen und Aktivitäten der einzelnen Schülergruppen sowie viele Beobachtungen der Schüler während der Unterrichtsstunden aufgezeichnet. Während das Umfrageinstrument in der Lage war, die Einstellungen der Studierenden zu ermitteln, identifizierte die thematische Analyse der Tagebucheinträge mehrere Themen des wahrgenommenen Lernens, die mit der Forschungsliteratur übereinstimmen.
Kreativität. Ein Hauptthema der Zeitschrift war die Kreativität der Schüler. Bei Drittklässlern wird die Kreativität häufig erwähnt, aber in allen drei Klassen wurde die Kreativität ausdrücklich für die Art und Weise gefordert, wie sich die Schüler mit einfachen Maschinen, einander ähneln, Kreaturen erschaffen und den Lebenszyklus von Fröschen beschäftigen. Der Lehrer bemerkte: „Die dritte Klasse war so aufgeregt, einen Frosch zu bauen. Diese Klassenstufe möchte so kreativ wie möglich sein und der Bau eines Lebensraums ermöglicht es den Kindern, diese Fähigkeiten wieder zu erlernen.“ Auch wenn Lernmaterialien viele Ziele haben, ist die Förderung der Kreativität bei Schülern ein wertvolles Ergebnis, das viele weitere Vorteile mit sich bringt.
Engagement. Durch die Bereitstellung strukturierter Labore mit unterhaltsamen und authentischen Themen wurde die Kreativität der Schüler angeregt und das Engagement gesteigert. Beginnend mit der Übung „Einführung in das Bauen“ stellte der Lehrer fest, dass die Schüler nicht mit der Arbeit aufhören wollten. Ähnlich verhielt es sich mit dem Look-Alike-Labor: „Der Unterricht war wirklich schwer zu beenden. Ich habe herausgefunden, dass die Schüler immer weitermachen wollten, indem sie ihren Tieren weitere Iterationen hinzufügten…Ich stellte fest, dass die Kinder nicht aufräumen, sondern ihre Kreationen weiter ausbauen wollten.“ Obwohl die Drittklässler als die enthusiastischsten galten, beschrieb sie, dass selbst die Fünftklässler sehr engagiert in ihrem Simple Machines-Labor waren: „Ich stellte fest, dass es allen Schülern schwerfiel, die Teile wegzuräumen. Wir hatten einfach zu viel Spaß!“
Teamarbeit. Die VEX GO STEM Labs sind für die Bearbeitung in Teams konzipiert, wobei den Studierenden bestimmte Rollen und Aufgaben zugewiesen werden. Die Drittklässler begannen mit Adaption Claw und der Lehrer bemerkte: „Die Schüler waren auch begeistert davon, in Gruppen aufzuteilen, damit sie zusammenarbeiten konnten und jede ihre eigene Aufgabe hatte.“ Für die Viertklässler stellte sie ebenfalls fest, dass Rollen den Schülern dabei halfen, sich in ihre Gruppen einzufügen und schnell loszulegen. Sie bemerkte auch, dass sich die Schüler für die Zusammenarbeit bei unbefristeten Aktivitäten entschieden, etwa beim Bau von Lebensräumen oder beim Bau des Mondfahrzeugs.
Der Lehrer bemerkte auch mehrere Fälle, in denen Schüler spontan als Klasse zusammenarbeiteten. Einige Schüler erkundeten mit ihrem Roboter neue Dinge, und wenn sie etwas Neues „entdeckten“, liefen andere Schüler herbei, um es zu sehen und es dann selbst auszuprobieren. Schüler, die eine unterhaltsame Aktivität von der „Auswahltafel“ ausgewählt hatten, teilten diese oft mit anderen Schülern, die dann zu dieser Aktivität wechselten. Ganz gleich, ob sie in Gruppen oder allein arbeiteten, die Schüler waren begierig darauf, sich auszutauschen und einander zu helfen.
Persistenz. Nicht alle Aktivitäten waren für die Schüler einfach. Die Drittklässler machten nach dem Einführungslabor zum Bauen zuerst das Adaption Claw-Labor. Der Lehrer stellte fest, dass das Labor zu Beginn etwas fortgeschritten war und würde dies in der Reihenfolge des Lehrplans auf einen späteren Zeitpunkt verschieben. Unabhängig davon, ob sie die Aktivität abgeschlossen hatten oder nicht, blieben die Gruppen bis zum Ende bestehen.
Ich fand, dass dies eine TOLLE Lektion über Frustration und das Verständnis war, dass Scheitern nur ein Teil des Lernens ist. Ich ließ jede Gruppe beschreiben, was funktionierte und was nicht. Ich habe festgestellt, dass viele Gruppen sich wirklich verstanden haben, als sie einige der gleichen Probleme hörten.
Einige der verwendeten Aktivitäten waren auch so konzipiert, dass sie ergebnisoffen sind und den Schülern eine Herausforderung bieten, die es zu meistern gilt. Die Schüler wurden damit beauftragt, Häuser zu bauen, die einem Erdbeben standhalten könnten, erhielten jedoch keine Bauanweisungen. Auch wenn ein gewisses Maß an Frustration dabei war, nutzten die Studierenden dies und führten weiterhin iterative Verbesserungszyklen durch:
Die Schüler waren von der Herausforderung absolut begeistert! Ich fand heraus, dass Studentengruppen ihre Fehler erkannten, nachdem sie mit einem „Erdbeben“ experimentiert hatten, und ihr Haus auf der Grundlage dessen, was funktionierte und was nicht, neu gestalten konnten. Ich war so überrascht, wie glücklich und aufgeregt die Gruppen waren, eine Herausforderung zu haben, die frustrierend und so erfüllend war, sobald die Gruppen sie gelöst hatten.
Lehrplan. Das Lehrertagebuch brachte auch viele Einblicke in die Bedeutung der Differenzierung im Robotik-Lehrplan. Jede Gruppe von Schülern absolvierte das STEM-Labor „Einführung in das Bauen“, in dem das VEX GO-Kit und alle darin enthaltenen Teile vorgestellt wurden. Alle Schüler absolvierten außerdem das „Look Alike MINT“-Labor, in dem den Schülern Merkmale vermittelt werden, indem sie Eltern und Babyhasen mit unterschiedlichen Merkmalen bauen lassen. Während einige Labore von jeder Jahrgangsstufe absolviert wurden, gab es eine Differenzierung nach Altersgruppen. Die älteren Viert- und Fünftklässler absolvierten die Laboreinheit „Simple Machines“, während die Drittklässler die Laboreinheit „Fun Frogs“ absolvierten. Die Drittklässler absolvierten auch mehr eigenständige Aktivitäten als die älteren Klassen, da der Lehrer feststellte, dass diese sich positiv auf die Fähigkeiten der jüngeren Schüler auswirkten. Der Lehrer nutzte die Aktivitäten auch für die älteren Schüler, wenn die Gruppen die Übungen früher beendeten – eine Notwendigkeit im Klassenzimmer, um die Schüler zu beschäftigen, wenn die Gruppen unterschiedlich schnell arbeiten. Viele Optionen für die Labor- und Aktivitätsdifferenzierung waren ein wertvoller Lehrplan für die erfolgreiche Implementierung eines Robotikprogramms im Klassenzimmer.
Laut dem Tagebuch des Lehrers waren auch interdisziplinäre Labore von Vorteil. Die Schüler der dritten Klasse waren von den naturwissenschaftlichen Laboren begeistert, in denen sie Tiere und ihre Lebensräume bauen und weiterentwickeln konnten. Das erste Tierlabor, das die Drittklässler absolvierten, war das Look Alike-Labor, in dem sie Hasen erschaffen und Eigenschaften weitergeben konnten. Der Lehrer bemerkte, wie sehr die Schüler das Basteln von Tieren liebten und verschiedene Variationen ausprobieren wollten. Dies veranlasste den Lehrer, für die nächste Unterrichtsstunde eine Aktivität namens „Geschöpferschaffung“ auszuwählen, um die Kreativität der Schüler beim Bauen zu fördern. Als die Schüler im Fun Frogs-Labor arbeiteten, bemerkte sie, wie aufgeregt und kreativ die Schüler waren, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass die Eintrittsbarriere für den Aufbau von Fertigkeiten niedrig war.
Kinder liebten es, den Froschzyklus zu erschaffen und etwas darüber zu lernen. Ich habe gesehen, wie Kinder praktische Erfahrungen mit naturwissenschaftlichen Themen machten, die sie in einem Lehrbuch gelernt hatten. Ich habe mit der Lehrerin der 3. Klasse darüber gesprochen, dass sie im nächsten Jahr stärker zusammenarbeiten soll, um zu versuchen, dies zu vermitteln, wenn sie über Lebensräume unterrichtet.
Die Schüler der vierten Klasse absolvierten die Laboreinheit „Simple Machines“. Der Lehrer bemerkte, wie enthusiastisch die Schüler waren, weil sie aus ihrer anderen Klasse Kenntnisse über einfache Maschinen hatten. Sie fragten, wie Ingenieure einfache Maschinen nutzen, und bekamen Zeit für Recherchen. Der Lehrer notierte:
In der 4. Klasse geht es um einfache Maschinen in den Naturwissenschaften, daher war dieses MINT-Labor genau das Richtige für diese Klassenstufe. Ich stellte fest, dass die Gesichter der Kinder aufleuchteten, als ich sagte, dass wir Hebel herstellen würden. Die meisten dieser Schüler hatten ein Arbeitsblatt bearbeitet, aber keine praktische Untersuchung durchgeführt. Ich sagte der Lehrerin für Naturwissenschaften, dass wir nächstes Jahr stärker zusammenarbeiten werden, sodass ich dieses MINT-Labor unterrichte, während sie einfache Maschinen unterrichtet.
Die Fünftklässler absolvierten auch die Laboreinheit „Simple Machines“, aber ihr Alter und ihre Erfahrung zeigten, dass sie anders damit umgingen als die Viertklässler. Der Lehrer bemerkte, dass diese Gruppe von Schülern früher fertig war und die „Choiceboard“-Aktivitäten nutzte, um auf eigene Faust zu erkunden.
Die 5. Klasse braucht spannende und spannende Aktivitäten – und dieses MINT-Labor ist genau das Richtige. Ich stellte fest, dass die Schüler auf den Boden gehen und experimentieren wollten, wie man mit dem Hebel verschiedene Gewichte hebt. Ich fand auch heraus, dass diese Schüler im Gegensatz zur 4. Klasse über Hintergrundwissen verfügten und das MINT-Labor auf die nächste Stufe brachten, indem sie Gewichte hinzufügten und dem MINT-Labor von Gruppe zu Gruppe ein authentisches Lernerlebnis boten.
Die Schüler jeder Jahrgangsstufe profitierten von einem interdisziplinären Ansatz im Robotik-Lehrplan. Die Möglichkeit, Robotik mit Naturwissenschaften, Mathematik oder Ingenieurwissenschaften zu verbinden, hat nicht nur dazu beigetragen, die Schüler zu motivieren, sondern ihnen auch eine Grundlage für die Erforschung von Konzepten mit tieferem Verständnis zu bieten. Die Lehrernotizen weisen auf mehrere Bereiche hin, in denen der Lehrplan für Robotik integriert oder mit dem Unterricht in anderen Fächern synchronisiert werden kann, was ein wertvoller nächster Schritt bei der authentischen Integration der Robotik zwischen den Disziplinen sein könnte.
Abschluss
Da der Einsatz von Bildungsrobotik in Klassenzimmern im ganzen Land zunimmt, ist es wichtig zu erforschen, welchen Nutzen die Robotik für Schüler hat und welche Lehren aus der Praxis des Lehrplans für Robotik gezogen werden können. Diese Studie ergab, dass ein Robotik-Lehrplan die Einstellung der Schüler in nahezu allen MINT-Fächern aller Jahrgangsstufen verbesserte. Darüber hinaus erkannte der Lehrer zusätzliche Lernkategorien für die Schüler in Bereichen wie Kreativität, Engagement, Teamarbeit und Beharrlichkeit.
Um weiterhin zu erforschen, wie pädagogische Robotik den Schülern in echten Klassenzimmern den größtmöglichen Nutzen bringen kann, müssen wir weiterhin direkt von den Lehrern lernen, die den Lehrplan umsetzen. Als sie über die gesamte Erfahrung nachdachte, lieferte die Lehrerin ihre allgemeinen Erkenntnisse:
Ich habe festgestellt, dass wir mehr lernten, wenn Kinder mehr lernen wollten. Ich wollte, dass es Spaß macht, und ehrlich gesagt war jedes Klassenzimmer völlig anders (was völlig normal ist). Einige Schüler wollten mehr über das Bauen erfahren, während andere sich davon lösen und ihr eigenes Monster oder ihre eigene Kreatur erschaffen wollten. Ich fand, dass die 3. Klasse so engagiert war, dass es schwer war, den Unterricht zu beenden. Die 4. Klasse war so begeistert, etwas über MINT-Unterricht zu lernen, wie einfache Maschinen, die sich mit ihrem eigenen naturwissenschaftlichen Lehrplan verbinden ließen. Die 5. Klasse liebte die Herausforderung des Programmierens, Bauens und Lernens über den Mars. Ich denke, der große Teil war, dass jedes Klassenzimmer manchmal mehr Zeit mit einem MINT-Labor oder mehr Zeit zum Erkunden brauchte, und das habe ich ihnen gegeben. Ich habe herausgefunden, dass es am besten ist, wenn Kinder aufgeregt sind, mit dieser Aufregung zu laufen und tiefer zu graben, anstatt weiterzumachen.
Diese Studie lieferte auch aussagekräftige Einblicke in die Umsetzung eines interdisziplinären Robotik-Lehrplans. Im Rahmen des sechswöchigen Programms konnten die Studierenden viele verschiedene Labore und Aktivitäten absolvieren. Dies deutet darauf hin, dass die Länge des Lehrplans einen angemessenen Einfluss darauf haben könnte, wie erfolgreich er dabei ist, die Einstellung der Schüler zu den MINT-Fächern zu verändern. Auch die Strukturierung und Differenzierung des Unterrichts waren entscheidend für den Erfolg des Lehrplans. Die Lehrerin stellte fest, dass Schüler unterschiedlichen Alters unterschiedliche Fähigkeiten und Bedürfnisse hatten und dass sie die Lehrpläne für jede Klasse problemlos anpassen konnte. Auch der VEX GO-Roboterbausatz selbst war gut auf die Bedürfnisse der Schüler zugeschnitten. Die Schüler waren leicht in der Lage, den Anweisungen zu folgen, die Teile zu konstruieren und zu lernen, wie die Teile funktionieren und miteinander verbunden sind. Die Schüler könnten Bauten und Labore in einer einzigen Unterrichtsstunde fertigstellen und Zeit zum Aufräumen haben, was eine Notwendigkeit dafür ist, dass ein Robotik-Lehrplan unter den Zwängen eines normalen Schultages funktioniert. Für das Lehren und Lernen mit Robotik in einem echten Klassenzimmer sind ein Robotik-Bausatz, der für eine Grundschulaltersgruppe konzipiert ist, und ein vollständiger interdisziplinärer Lehrplan von entscheidender Bedeutung.