Eine virtuelle Roboterlösung: Erkenntnisse aus der Implementierung und Auswirkungen auf die Zukunft – VEX-Bibliothek

Abstrakt

Bildungsrobotik bindet Schüler in einen integrierten MINT-Ansatz ein, der den Schülern hilft, MINT-Konzepte zu verstehen und bereits in jungen Jahren eine positive Wahrnehmung von MINT-Fächern zu fördern. Als die COVID-19-Pandemie ausbrach, wurden physische Roboter in einem Präsenzunterricht zur Unmöglichkeit. Schnell wurde ein virtuelles Roboterprogramm entwickelt, das mit einer vertrauten Codierungsplattform funktioniert und Schülern und Lehrern eine alternative Roboterlösung bietet, die von überall aus genutzt werden kann. In diesem Artikel werden die Nutzungsdaten von über einer Million Schülern weltweit zusammen mit zwei Fallstudien von Lehrern interpretiert. Diese Datenkombination lieferte Einblicke in den virtuellen Roboter als Lernwerkzeug und Lehrressource. Die Lehrerfallstudien zeigten auch eine Reihe kritischer Bedürfnisse, die den Unterricht unter solch unvorhersehbaren Umständen erleichterten. Schließlich deuten diese Daten darauf hin, dass die virtuelle Roboter-Lernumgebung als symbiotische Ergänzung zu einem physischen Roboter genutzt werden könnte, um Schülern dabei zu helfen, Vertrauen in die iterative Programmierung zu gewinnen, die Begeisterung für pädagogische Robotik zu steigern und Lehrern eine äußerst flexible Unterrichtsoption für die Zukunft zu bieten.

Schlüsselwörter

Virtueller Roboter, Bildungsrobotik, Lehrrobotik, COVID-19-Lösungen, MINT-Ausbildung, Informatik, Programmierung

Einführung

Robotik und Informatik wurden in den letzten Jahren in den Vereinigten Staaten zunehmend in die Grund- und weiterführenden Schulen (Kindergarten bis 12. Klasse) integriert, was durch nationale Berichte und Richtlinien vorangetrieben wurde. Im Jahr 2015 erklärte die National Science Foundation, dass der Erwerb von Kenntnissen und Fähigkeiten 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. Der Ausschuss für MINT-Ausbildung des National Science and Technology Council hat 2018 einen Bericht vorgelegt, um eine Bundesstrategie für die MINT-Ausbildung zu skizzieren. In diesem Bericht heißt es: „Der Charakter der MINT-Ausbildung selbst hat sich von einer Reihe sich überschneidender Disziplinen zu einem stärker integrierten und interdisziplinären Ansatz für das Lernen und die Kompetenzentwicklung entwickelt.“ Dieser neue Ansatz umfasst die Vermittlung akademischer Konzepte durch reale Anwendungen und kombiniert formelles und informelles Lernen in Schulen, der Gemeinschaft und am Arbeitsplatz. Ziel ist es, Fähigkeiten wie kritisches Denken und Problemlösung sowie Soft Skills wie Kooperation und Anpassungsfähigkeit zu vermitteln.“ Dieser nationale Fokus auf MINT-Lernen ging mit verstärkter Forschung und Innovation in Bildungseinrichtungen einher, die sich mit der Frage befassen, wie Technologie für MINT-Themen besser in den Unterricht integriert werden kann.

Robotik bietet Schülern eine praktische Möglichkeit, MINT-Konzepte zu erkunden. Grundlegende MINT-Themen sind wichtige Themen in der Primar- und Sekundarbildung, da sie wesentliche Voraussetzungen für weiterführende Hochschul- und Graduiertenstudien sowie für die Verbesserung der technischen Fähigkeiten der Arbeitskräfte sind (Committee on STEM Learning, 2018). Eine Metaanalyse (Beniti, 2012) ergab, dass Bildungsrobotik im Allgemeinen das Lernen für bestimmte MINT-Konzepte steigerte. Studien in vielen Altersgruppen zeigten, dass Robotik das Interesse der Schüler und die positive Wahrnehmung von MINT-Fächern steigert (Nugent et al., 2010; Robinson, 2005; Rogers & Portsmore, 2004), was wiederum die schulischen Leistungen steigert und den Abschluss in Naturwissenschaften fördert (Renninger & . Hidi, 2011; Wigfield & Cambria, 2010; Tai et al., 2006). Bei Oberstufenschülern wurde Robotik eingesetzt, um die College-Vorbereitung und technische Karrierekompetenzen zu unterstützen (Boakes, 2019; Ziaeefard et al., 2017; Vela et al., 2020), während bei Grundschülern Robotik eingeführt wurde, um Forschungs- und Forschungskompetenzen zu entwickeln Fähigkeiten zur Problemlösung und fördern eine positive Wahrnehmung von MINT-Themen (Cherniak et al., 2019; Ching et al., 2019). Die Einführung der pädagogischen Robotik war besonders für junge Schüler von Vorteil, da sie 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).

Untersuchungen haben auch gezeigt, dass die Einführung von Robotik in der Vorbereitungsausbildung von Lehrern die Selbstwirksamkeit, das inhaltliche Wissen und die Fähigkeiten des rechnerischen Denkens der Lehrer steigerte (Jaipal-Jamani und Angeli, 2017). Obwohl es logisch ist, dass die Vorteile der Robotik sowohl bei Lehrern als auch bei Schülern zu finden sind, ist die Einführung von Robotik in der formalen Lehrerausbildung noch begrenzt. In vielen Ländern konzentriert sich die traditionelle Lehrerausbildung auf disziplinbasierte Themen in Naturwissenschaften und Mathematik, wodurch die meisten Lehrer in den Bereichen Ingenieurwesen und Technologie unzureichend vorbereitet sind (Epstein und Miller, 2011) und weniger sicher sind, MINT-Themen zu unterrichten, die nicht in der formalen Lehrerausbildung behandelt werden, oder Verbindungen zwischen den MINT-Fächern herzustellen Disziplinen (Nadelson et al., 2013; Kelley & Knowles, 2016). Bybee (2010) stellte fest, dass diese Einschränkung der MINT-Fächer in der Lehrerausbildung zu einer Unterrepräsentation von Ingenieurwesen und Technologie führt, insbesondere im K-8-Unterricht. Während die Vorteile der Einbeziehung von Robotik in die Lehrerausbildung klar sind (Jaipal-Jamani und Angeli, 2017), könnte eine Alternative durch kontinuierliche berufliche Weiterentwicklung und informelles Lernen durch Praxisgemeinschaften erreicht werden. Bandura (1977) brachte den kritischen Aspekt sozialer Lernkontexte zum Ausdruck, und aus diesem Konzept heraus skizzierten Lave und Wenger (1991) das Konzept der Communities of Practice (CoP). Bei einer CoP versammeln sich die Mitglieder um ein gemeinsames Interesse an einem Bereich herum, bauen eine Gemeinschaft auf und tauschen Forschungsergebnisse und Erkenntnisse aus, um Fähigkeiten und Wissen zu erweitern und so eine Praxis zu entwickeln (Lave & Wenger, 1991). Anstelle der Robotik in der formellen Lehrerausbildung könnten informelles Lernen und CoPs ähnliche Vorteile für Lehrer und darüber hinaus für Schüler bieten.

Leider verursachte die COVID-19-Pandemie weltweit weitreichende Störungen beim Präsenzunterricht, von denen fast alle Studierenden weltweit betroffen waren (UN, 2020). Praktische Lernerfahrungen wurden ausgesetzt, was ein grundlegender Bestandteil der meisten robotischen MINT-Lehrpläne war, einschließlich des robotischen Lehrplans, der von der VEX-Lehrrobotiklinie verwendet wird. Es wurden Fernlernlösungen benötigt, um schnell eine virtuelle Lernumgebung bereitzustellen, die den Schülern dennoch dabei helfen kann, sich auf authentische und sinnvolle Weise mit MINT-Themen auseinanderzusetzen. VEX Robotics entwickelte schnell VEXcode VR (im Folgenden einfach als „VR“ bezeichnet), eine Plattform mit einem virtuellen Roboter, der auf ähnliche Weise wie ein physischer Roboter verwendet werden kann.

In diesem Artikel werden die von der VR-Plattform gesammelten Nutzungsdaten untersucht, um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie dieser virtuelle Ersatz während dieser globalen Störung war. Außerdem werden zwei Fallstudien vorgestellt, die einen Kontext dafür bieten, wie Lehrer VR in ihren Fernlernumgebungen implementiert haben. Die beiden primären Forschungsfragen für diese Arbeit lauten wie folgt:

Welche Erkenntnisse können Nutzungsdaten und Lehrerfallstudien über das Lernen von Schülern mit VR nach dem COVID-19-Ausbruch liefern?
Welche Erkenntnisse können Lehrer zur Implementierung von VR im Klassenzimmer liefern?

Das durch COVID-19 entstandene Chaos bekamen vor allem Pädagogen zu spüren. Jahrzehntelange Erfahrungen und Lektionen, die auf das Lernen vor Ort ausgelegt waren, wurden schlagartig auf den Kopf gestellt, doch dieser Umbruch ermutigte auch Pädagogen, mit neuen Werkzeugen und Lehrmethoden zu experimentieren. Das Verständnis der getroffenen Entscheidungen und erzielten Ergebnisse aus der Perspektive der Pädagogen, die innovative Lösungen vorangetrieben haben, kann Erkenntnisse darüber liefern, wie neue Technologien integriert werden können, um das Lernen der Schüler in Robotik und MINT-Fächern in Zukunft zu stärken.

Methoden

VEXcode VR. Als die Schulen in den Vereinigten Staaten im März 2020 geschlossen wurden, wurde eine Lösung benötigt, die es den Schülern ermöglicht, sich auch aus der Ferne mit Robotik und MINT-Themen zu beschäftigen. VR wurde am 2. April 2020 entwickelt und eingeführt, nur wenige Wochen nachdem die meisten Schulen auf ein virtuelles Format umgestiegen waren. VR-Aktivitäten wurden im Einklang mit den anderen Roboterlehrplänen erstellt und bieten interdisziplinäre Lektionen, die an inhaltlichen Standards ausgerichtet sind. Die VEXcode VR-Codierungsplattform ist dieselbe wie die Codierungsumgebung, die Studenten normalerweise mit physischen Robotern verwenden würden, mit der Hinzufügung der virtuellen Schnittstelle, wie in Abbildung 1 dargestellt. Anstelle eines physischen Roboters erstellen Schüler Projekte zur Steuerung eines virtuellen Roboters auf einem thematischen „Spielplatz“, der sich je nach Aktivität ändert. Schüler, die mit dem Programmieren beginnen, verwenden die blockbasierte Programmierung, und fortgeschrittene Schüler verwenden Text, der auf Python basiert.

Abbildung 1. Die VEXcode VR-Plattformschnittstelle für die Korallenriff-Säuberungsaktivität.

VR-Aktivitäten wurden interdisziplinär konzipiert und kombinieren die Informatikkenntnisse, die für die Steuerung eines virtuellen Roboters von grundlegender Bedeutung sind, mit Themen aus Naturwissenschaften oder Mathematik. Im Verlauf dieser VR-Aktivitäten lernen die Schüler nicht nur etwas über das Programmieren, sondern auch über wissenschaftliche Forschung, mathematisches Denken und technische Kenntnisse – alles Komponenten eines integrierten MINT-Frameworks (Kelley & Knowles, 2016). Die besonderen Umstände, die durch COVID-19 entstanden sind, erforderten, dass die Schüler in der Lage sind, Unterrichtseinheiten unabhängig in gemischten, synchronen oder asynchronen Umgebungen zu bearbeiten. Um dies zu erreichen, werden den Schülern die Lernziele und das Ziel der Aktivität vorgestellt. Direkter Unterricht wird dann verwendet, um Schritt-für-Schritt-Anleitung und absichtliches Gerüst bereitzustellen, um das Lernen zum Verständnis zu sequenzieren (Stockard et al., 2018; Bowen RS, 2017). Anschließend erhalten die Schüler ein gezieltes Gerüst, das zur Lösung der endgültigen Codierungsherausforderung führt (Puntambekar et al., 2010). Die Studierenden lernen, dass Robotik und Codierung zur Lösung praktischer, interdisziplinärer Probleme eingesetzt werden. Bei der Aktivität „Coral Reef Cleanup“ werden die Schüler beispielsweise aufgefordert, ihren Roboter um ein Korallenriff zu navigieren, um so viel Müll wie möglich einzusammeln, bevor ihre solargeladene Batterie leer ist. Umweltverschmutzung ist ein globales Problem, das von den Studierenden von morgen gelöst werden wird. Die Teilnahme an diesen authentischen, szenariobasierten Projekten hilft den Studierenden, Informatikkenntnisse fächerübergreifend anzuwenden.

Figur 2. Der Missionskontext für die Korallenriff-Säuberungsaktivität.

Angesichts der Tatsache, dass Studierende von ihren Dozenten getrennt sind, musste die virtuelle Umgebung so nahtlos wie möglich sein, um geteilte Aufmerksamkeit und kognitive Belastung zu reduzieren (Sweller, 2020; Sentz et al., 2019). Schüler können Befehle per Drag-and-Drop in ihr Projekt ziehen und im selben Fenster zusehen, wie ihr Roboter auf dem VR-Spielplatz navigiert. Die Schüler können eine beliebige Anzahl von Blöcken gleichzeitig hinzufügen und das Projekt nach jedem Hinzufügen ausführen, um zu sehen, wie sich ihr Roboter auf dem Spielplatz bewegt. Dadurch erhalten die Studierenden unmittelbares Feedback und frühe Erfolgserlebnisse.

Darüber hinaus führte das Fernlernen zu praktischen Hürden, die VR überwinden musste. Schulcomputer unterliegen häufig Einschränkungen beim Herunterladen von Anwendungen, sodass das Hinzufügen eines Programms unter normalen Umständen eine Hürde darstellt, ganz zu schweigen davon, wenn Schüler mit Schulcomputern ferngesteuert sind. Aber Schüler haben möglicherweise nicht einmal Zugang zu Schulcomputern, um ihre Arbeit zu erledigen. Um den Zugriff auf VR zu maximieren, wurde das Programm vollständig webbasiert entwickelt (kein Download oder Plugins erforderlich) und auf vielen verschiedenen Gerätetypen lauffähig, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass Schüler es nutzen können.

Ergebnisse

Nutzungsdaten. Die dargestellten Daten werden von Google Analytics bereitgestellt. Da VEXcode VR vollständig browserbasiert ist, gibt es eine Reihe verschiedener Metriken, die Aufschluss darüber geben, wie diese virtuelle Roboterumgebung weltweit genutzt wird. Seit der Einführung im April 2020 ist die Zahl der VR-Nutzer monatlich gestiegen und liegt nun bei über 1,45 Millionen Nutzern in mehr als 150 Ländern.

Figur 3. Die Länder mit VR-Benutzern weltweit.

Angesichts des Zeitrahmens von COVID-19 und der VR-Veröffentlichung haben wir auch die Nutzung im Zeitverlauf überprüft. Wie in Abbildung 4 dargestellt, stiegen die Nutzerzahlen kurz nach der Veröffentlichung schnell an und gingen dann in den Sommermonaten, in denen die Schüler nicht zur Schule gingen, zurück. In den typischen Wiedereinschulungsmonaten (August/September) kam es zu einem deutlichen Anstieg, der auch für den Rest des Schuljahres anhielt. Der periodische Rückgang der Nutzerzahlen deutet auf eine geringere Nutzung an Wochenenden und Feiertagen hin.

Figur 4. Die Anzahl der Benutzer im Zeitverlauf seit der Einführung von VR.

Ein Projekt ist ein Programm, das Schüler für eine Lektion oder Herausforderung erstellen. Projekte müssen zum Ausführen nicht gespeichert werden, aber ein gespeichertes Projekt wird heruntergeladen, damit ein Benutzer zu einem späteren Zeitpunkt darauf zurückgreifen kann. Es wurden über 2,52 Millionen Programme gespeichert. Ein Projekt muss jedoch nicht gespeichert werden, um ausgeführt zu werden. Da VR vollständig browserbasiert ist, erfolgt das Bearbeiten und Testen eines Projekts sofort durch Auswahl von „START“. Es wurden mehr als 84 Millionen Projektläufe in der Software durchgeführt, was darauf hindeutet, dass Studierende ihre Projekte in regelmäßigen Abständen getestet haben. Aufgrund dieser unmittelbaren Feedbackschleife hatten die Studierenden die Möglichkeit, viel schneller zu experimentieren und zu iterieren als bei der Arbeit mit einem physischen Roboter. Dieser iterative Prozess ist ein guter Hinweis für das Lernen der Schüler, da sich gezeigt hat, dass mehrere Iterationen das Engagement und Interesse der Schüler aufrechterhalten (Silk et al., 2010).

VEXcode VR-Daten
Benutzer	1.457.248
Gespeicherte Projekte	2.529.049
Projekte ausführen	84.096.608
Länder	151

Tabelle 1. Alle VEXcode VR-Nutzungsdaten von April 2020 bis April 2021.

Zertifizierungsdaten. Zusätzlich zum VR-Programm selbst und dem dazugehörigen Lehrplan umfasst VR eine kostenlose Lehrerausbildung namens CS mit VEXcode VR Educator Certification Course. Seit der Einführung im Juni 2020 haben über 550 Pädagogen die Zertifizierung zum VEX Certified Educator abgeschlossen, die über 17 Stunden Lehrplan und Unterstützung umfasst. Der Zertifizierungskurs enthält 10 Materialeinheiten, die auf die Vorbereitung von Lehrern abzielen, die möglicherweise keine Erfahrung mit Informatik oder Robotik haben. Der Inhalt umfasst Themen wie die Grundlagen der Programmierung, die Programmierung des VR-Roboters, den Unterricht mit den VR-Aktivitäten und die Implementierung von VR in einem Klassenzimmer. Abbildung 5 zeigt sowohl die Zahl der zertifizierten Pädagogen monatlich als auch kumulativ von Juni 2020 bis März 2021. Die Trends in den Daten zeigen, dass die Zahl zertifizierter Pädagogen zu Beginn der Schulzeit, also im August und September sowie bis in den Oktober 2020 hinein, zunimmt.

Fallstudie 1

Aimee DeFoe ist Direktorin der Kentucky Avenue School, einer kleinen Privatschule in Pittsburgh, USA, die traditionelle und innovative Lehr- und Lernmethoden kombiniert. Wie die meisten Schulen wurde auch die Kentucky Avenue School durch COVID-19 gestört und musste alternative Pläne für den Beginn des Herbstschuljahres 2020 ausarbeiten, ohne zu wissen, wie sich die Umstände ändern würden. Die ersten sechs Wochen des Jahres wurden vollständig virtuell unterrichtet, und das restliche Jahr wurde in einem Hybridformat verbracht, bei dem die Schülerkohorten abwechselnd Tage mit Präsenz- und Fernunterricht verbrachten. Selbst wenn die Schüler zu Hause lernten, war es von entscheidender Bedeutung, dass sich die Schüler weiterhin an den gleichen Aktivitäten zur Problemlösung und zum kritischen Denken wie im Klassenzimmer beteiligen.

Aimee entschied sich aus mehreren Gründen dafür, VR bei ihren Schülern der sechsten und siebten Klasse einzusetzen. Da es sich bei VR um eine vollständig virtuelle Lernumgebung handelte, konnten Schüler zwischen Zuhause und der Schule wechseln, ohne dass sich politische Änderungen auf ihre Lernaktivitäten auswirken würden. Die blockbasierte Programmierumgebung wäre für Schüler, die neu im Programmieren sind, nicht einschüchternd und es gab Aktivitäten, die für unterschiedliche Erfahrungsniveaus konzipiert waren. Sie glaubte auch, dass die Schüler die VR-Roboter spannend und motivierend finden würden – was sie als wahr empfand. Als Aimee darüber nachdachte, was sie sich von VR für Studierende erhoffte, erklärte sie:

Ich hatte gehofft, dass der Einsatz von VR genauso anspruchsvoll, herausfordernd und aufregend sein würde wie der Einsatz physischer Roboter, und dass meine Schüler nicht das Gefühl hätten, eine Erfahrung zu verpassen, sondern vielmehr eine neue Art von Codierungserfahrung zu sammeln, die einfach war genauso spannend. Ich wollte, dass sie die gleiche Leistung verspüren, die sie im Klassenzimmer verspürt hätten, wenn sie Herausforderungen wiederholen und durchhalten müssen, um dann schließlich Erfolg zu haben.

Als einzige Robotiklehrerin unterrichtete Aimee zwischen Schulbeginn und den Winterferien einmal pro Woche 23 Schüler, insgesamt 15 Unterrichtsstunden. Die Studierenden begannen mit dem Kurs „Informatik Level 1 – Blöcke“. Aimee arbeitete die erste Einheit mit den Schülern als Gruppe durch, aber in den restlichen Unterrichtsstunden ließ sie die Schüler in ihrem eigenen Tempo arbeiten und fungierte als Moderatorin. Die meisten Schüler beendeten zwischen sieben und neun Unterrichtseinheiten mit der zusätzlichen Aktivität zur Meeresreinigung.

Aimee stellte fest, dass die Schüler durch die Herausforderungen im Unterricht sehr motiviert waren; so sehr, dass es manchmal schwierig war, sie dazu zu bringen, die Lektion systematisch durchzuarbeiten. Einige Schüler, die Schwierigkeiten mit der Aufmerksamkeit oder dem Lesen hatten, brauchten zusätzliche Unterstützung, und die Konzepte „Größer als/Kleiner als“ und Boolesche Konzepte erwiesen sich als herausfordernd. Die meisten Schüler hatten jedoch das richtige Maß an Herausforderung, Kampf und Erfolg. Die Schüler waren von der Idee, mit physischen Robotern zu arbeiten, begeistert, als sie in den Unterricht zurückkehrten. Nach der Arbeit mit VR bemerkte Aimee: „Jeder verließ den Kurs zweifellos als selbstbewussterer Programmierer.“

Fallstudie 2

Mark Johnston unterrichtet Siebt- und Achtklässler an der Bel Air Middle School in El Paso, USA. Für seinen MINT-1-Kurs unterrichtet Mark etwa 100 Studenten in Project Lead the Way Gateway-Kursen zu Automatisierung und Robotik sowie Design und Modellierung. Der STEM 1-Kurs beinhaltete den VEX IQ-Roboter, um grundlegende Mechanik und grundlegendes Programmieren mit VEXcode IQ (einem Kunststoffroboterbausatz für jüngere Schüler) zu vermitteln. Dieser Kurs findet im Herbstsemester statt, daher hatte die anfängliche Störung durch COVID-19 keine Auswirkungen auf seine Robotik im Frühjahr. Doch im April 2020 sah Mark den VEX VR-Roboter und begann damit zu arbeiten. „Als ich sah, dass VR das gleiche Setup (d. h. VEXcode) nutzte, war ich super aufgeregt, weil ich das Potenzial erkannte – wie ein Puzzleteil, von dem ich wusste, dass es perfekt zu dem passen würde, was ich bereits tat. Als VR mit Python aktualisiert wurde, war ich noch aufgeregter.“ Mark erstellte Tutorial-Videos für andere Lehrer und sammelte damit eine große Fangemeinde auf Social-Media-Plattformen. Über sein eigenes gemeinnütziges Bildungsunternehmen bot Mark zusätzlich zur Lehrerausbildung zur Vorbereitung auf das Schuljahr 2020/21 ein kostenloses Sommercamp für VR-Schüler an.

Unsichere Unterrichtssituationen erschweren die Planung. „Als mir klar wurde, dass der Fernunterricht auch im Schuljahr 2020/21 fortgesetzt werden würde, beschloss ich, zuerst Design und dann Robotik… zu unterrichten, aber es waren so viele Dinge in der Schwebe, dass es schwierig war, etwas zu planen. Ich wusste nicht, ob wir wieder persönlich anwesend sein oder online weitermachen würden – zu diesem Zeitpunkt waren nur sehr wenige Informationen klar. Am Ende habe ich einfach Robotik und Design miteinander vermischt und nur ein oder zwei Tage im Voraus geplant.“ Mark begann mit der Nutzung von VR zu Beginn des Schuljahres (das bis 2021 zu 100 % remote bleiben sollte), indem er verschiedene Aktivitäten auf der Website auswählte, was gut funktionierte, da es unterschiedliche Erfahrungsniveaus und bearbeitbare Anweisungen gab. Als der Kurs „Informatik Level 1 – Blöcke“ veröffentlicht wurde, führte er die Studenten vollständig durch ihn, merkte jedoch an, dass er die Lektionen beim nächsten Mal in kürzere Vorlesungen aufteilen würde. Der Einsatz von VR unterschied sich von Natur aus vom Präsenzunterricht in Robotik, aber es gab dennoch eine Reihe wichtiger Ziele, die Mark für diesen Unterricht hatte:

Machen Sie Schüler mit VEXcode vertraut
Vertrauen in die Programmierung aufbauen (Selbstwirksamkeit)
Stellen Sie Programmierideen/-vokabular auf nicht bedrohliche Weise vor
„Trick“ sie dazu, Mathematik zu verwenden, ohne es zu merken ;)
Bitten Sie die Schüler, klar definierte Probleme unter gegebenen Einschränkungen zu lösen
Stellen Sie schlecht definierte Probleme vor
Fördern Sie die Einstellung „Scheitern Sie und versuchen Sie es erneut“.
Sorgen Sie dafür, dass das Lösen von Problemen Spaß macht

Während ein virtuelles Erlebnis anders war, erkannte Mark deutliche Vorteile beim Einsatz von VR. Die Schüler hatten viel weniger Angst vor Experimenten mit VR als mit RobotC (einer anderen Programmiersprache, die mit anderen Robotern verwendet wird). Um zu bestimmen, wie gut eine MINT-Aktivität ist, verwendet Mark auch eine Messung, wie lange es dauert, bis Schüler einen „Sieg“ erzielen, und stellt fest: „Wenn es zu lange dauert, bis ein Schüler ein positives Ergebnis erzielt, ist es viel schwieriger, ihn zu behalten.“ beschäftigt."

VR hatte eine Unmittelbarkeit, die zum Erkunden und aktiven Engagement anregte. Mark beschreibt diese Art von „Gewinn“ anhand eines Beispiels für die Einführung von VR bei Schülern:

Ich: „Jeder öffnet einen neuen Tab und geht zu vr.vex.com. Hat jeder die Seite gesehen? Gut. Lassen Sie nun den Roboter vorwärts fahren.“
Student: „Wie?“
Ich: „Schau mal, ob du…herausbekommst“
Schüler: „Ich habe es herausgefunden!“
Und dann sind sie süchtig! Mittlerweile fragen mich viele von ihnen, wie man die unterschiedlichsten Dinge macht. Sie bitten mich buchstäblich, es ihnen beizubringen!

Resultate und Diskussion

VR als Lernwerkzeug. Sowohl die Nutzungsdaten als auch die Fallstudien geben Einblicke in die erste Forschungsfrage, wie VR als Lernwerkzeug während der COVID-19-Pandemie funktionierte. Die einfachste Erkenntnis ergibt sich aus dem schieren Umfang der Nutzung. Die VR-Plattform wurde von mehr als einer Million Studenten auf der ganzen Welt genutzt, was darauf hindeutet, dass die virtuelle Roboterumgebung in Krisensituationen gut als Ersatz für das Lernen vor Ort funktionierte. Auch die Anzahl der durchgeführten Projekte (84+ Millionen) war ein überraschendes Ergebnis, wenn man die Anzahl der einzelnen Benutzer betrachtet. Im Durchschnitt führten die Benutzer 57 Projektläufe durch, was ein hohes Maß an Tests und Iterationen zeigte. Dies ist ein sehr vielversprechendes Ergebnis, wenn man bedenkt, wie wichtig es ist, bei den Schülern eine „Versuchen Sie es noch einmal“-Einstellung zu entwickeln. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die VR-Aktivitäten zu lösen, was für die Schüler eine wichtige Lektion ist. Wenn Schüler verstehen, dass es mehrere Lösungen für ein Problem gibt, kann die Wahrscheinlichkeit erhöht sein, dass Schüler Feedback von Lehrern einholen und auch besser verstehen, was sie lernen (Marzano et al., 2011).

Aus den Fallstudien geht auch hervor, dass VR als Lernumgebung mit geringem Einsatz funktioniert. Aimee bemerkte, dass ihre Schüler sicherere Programmierer seien und sich auf die Arbeit mit den physischen Robotern freuten. Mark bemerkte, dass die Schüler beim Codieren in VEXcode VR weniger Angst vor Experimenten hatten und in dieser Umgebung ein unmittelbares Gefühl für einen „Sieg“ hatten. Wenn wir diese Lehrerbeobachtungen in Verbindung mit den rohen Nutzungsdaten betrachten, scheint dies zu bestätigen, dass eine virtuelle Roboterumgebung den Schülern das Gefühl gibt, während ihres Lernprozesses freier zu experimentieren und zu iterieren, und die positive Wahrnehmung der Robotik im Allgemeinen steigert.

Lehren von Lehrern. Wenn wir die zweite Forschungsfrage betrachten, welche Erkenntnisse Lehrer zur Implementierung von VR im Klassenzimmer liefern können, können wir in den Fallstudien mehrere Gemeinsamkeiten erkennen. Beide Fallstudien lieferten Informationen darüber, wie Lehrer während COVID-19 Entscheidungen trafen und Lösungen implementierten, aber auch darüber, was erforderlich war, um Schülern in einer virtuellen und hybriden Umgebung eine effektive Lernlösung bereitzustellen. Zu diesen Themen gehören flexible Lösungen, Kontinuität sowie Lehrplan und Unterstützung. Diese Erkenntnisse sollten als Anforderungen für alle Technologielösungen betrachtet werden, da unterstützende Lehrer die Schüler unterstützen.

Angesichts der Unsicherheiten hinsichtlich der Unterrichtsbedingungen stellten sowohl Mark als auch Aimee fest, dass sie flexible Lösungen benötigten. Fernunterricht könnte sich in Präsenzunterricht oder eine Form dazwischen verwandeln. VR konnte weiterhin in jeder Umgebung eingesetzt werden, bot aber auch Flexibilität in der Herangehensweise. Die Schüler könnten an strukturierten, vom Lehrer geleiteten Unterrichtsstunden teilnehmen, wie Mark es bei den Aktivitäten und im Kurs verwendet hat, oder am von den Schülern geleiteten Lernen in ihrem eigenen Tempo, wie Aimee es beschrieben hat. Die Lehrer benötigten außerdem Flexibilität hinsichtlich des Erfahrungsniveaus, sowohl hinsichtlich der Aktivitäten als auch der Art der angebotenen Programmiersprachen, um den Bedürfnissen aller Schüler gerecht zu werden.

Kontinuität des Lernens wurde in beiden Fallstudien als wichtig angegeben. Aimee bemerkte, dass die Schüler nach der Arbeit in VR begeistert waren, mit den VEX V5-Robotern arbeiten zu dürfen, die auf die Wiederaufnahme des Präsenzunterrichts warteten. VR diente als Sprungbrett für die Arbeit mit physischen Robotern und steigerte die Begeisterung und positive Wahrnehmung der Schüler. Mark bemerkte auch, dass ihm die Kontinuität von VEXcode von VR bis IQ sehr wichtig war: „Ich kann Ihnen nicht sagen, wie großartig es ist, dass VEX einen sehr einfach zu verfolgenden Fortschritt von der 3. Klasse bis zum College bietet, alles mit VEXcode!“ Und mit VR können sie es von zu Hause aus lernen!“

Lehrplan und Unterstützung waren eindeutig entscheidend für den Erfolg von VR in dieser sich entwickelnden Lehr-in-Lern-Situation. Die VR-Einheiten stellten den Schülern alle Lerninhalte sowie das für den Unterricht erforderliche Material zur Verfügung. Nicht alle Lehrer haben einen Hintergrund in Informatik und Programmieren. Aimee bemerkte, dass das blockbasierte Programm sowohl für sie als auch für ihre Schüler keine Einschüchterung darstellte. Mark sagte auch, dass er es nicht gewohnt sei, so viel Informatik zu unterrichten, und dass er die Lektionen selbst lernen müsse, bevor er unterrichten könne. Mark gab jedoch zu: „Wenn die Dinge morgen wieder „normal“ laufen würden, werde ich jetzt in der Lage sein, die Programmierteile meiner Klasse mit mehr Selbstvertrauen zu unterrichten.“ Die Unterstützung der Lehrkräfte für den Lehrplan und die Programmierung von VR ist für die Implementierung von VR im Klassenzimmer von entscheidender Bedeutung.

Digitales Lernen ist nicht nur etwas für Studierende; Lehrer versuchen auch, mithilfe von Technologie und sozialen Medien mehr über Unterrichtspraktiken und -ressourcen zu erfahren. Lehrer in fast 50 Ländern haben die VR-Zertifizierung abgeschlossen. Rund um VR bildet sich eine globale Praxisgemeinschaft. Mark begann, VR-Videos in den sozialen Medien zu veröffentlichen und hatte schnell mehr als tausend Follower; Durch seine Arbeit mit VR freundete er sich mit Lehrern in Slowenien und Taiwan an. Da Lehrer ihre Erfahrungen und Praktiken austauschen, profitieren die Schüler letztendlich von diesen informellen Lehrer-Selbsthilfegruppen. Praxisgemeinschaften könnten eine Brücke zwischen der aktuellen Verfügbarkeit pädagogischer Robotik und der Einbeziehung dieser Technologie in die formelle Lehrerausbildung schlagen. Je mehr Lehrer durch berufliche Fortbildung mit der Bildungsrobotik vertraut werden, wie zum Beispiel die über 550 Lehrer, die den Zertifizierungskurs abgeschlossen haben, oder durch informelle Lerngemeinschaften, desto mehr Schüler werden an integriertes MINT-Lernen herangeführt.

Abschluss

VEXcode VR wurde in einer Zeit großer Unsicherheit und großem Bedarf an sofortigen Lösungen entwickelt. Aus dringenden Situationen können innovative Lösungen entstehen. VR hat mehr als 1,45 Millionen Benutzer berührt, die mehr als 2,52 Millionen Projekte gespeichert und mehr als 84 Millionen Projekte ausgeführt haben – in mehr als 150 Ländern. Obwohl sich die Pandemie auf Schüler und Lehrer auf der ganzen Welt ausgewirkt hat, hat VR Schülern und Lehrern ermöglicht, sich unabhängig von physischen Barrieren mit Robotik- und Informatikkonzepten auseinanderzusetzen. Aus den Lehrerfallstudien wurden Themen wie Flexibilität, Kontinuität, Lehrplan und Unterstützung als wichtig für den Unterricht mit Technologie unter solch unsicheren und herausfordernden Umständen identifiziert.

In dieser beispiellosen Zeit zeigen die Lehren aus der Entwicklung und Implementierung von VR Möglichkeiten für deren zukünftige Nutzung auf. Die Nutzungsdaten in Kombination mit den Fallstudien der Lehrer zeigen, dass sich die Schüler weniger gehemmt fühlten, beim Codieren in der virtuellen Umgebung zu iterieren. Dies deutet darauf hin, dass VR ein wertvolles Gerüstwerkzeug sein könnte, das in Verbindung mit physischen Robotern verwendet werden könnte. Dafür spricht auch das Bedürfnis nach Flexibilität; Die Verwendung von VR als Lernwerkzeug in Kombination mit einem physischen Roboter könnte eine optimale, flexible Roboter-Lernumgebung bieten, in der eine einfache Option für zu Hause den Lehrplan für physische Robotik vor Ort ergänzt. Wir freuen uns auf zukünftige Forschungen, um zu untersuchen, wie Lehrer virtuelle und physische Robotik in einer Welt nach der Pandemie kombinieren können.

Danksagungen

Wir danken Aimee DeFoe und Mark Johnston für den Austausch ihrer Lehrerfahrungen und wertvollen Erkenntnisse.