Abstrakti
Koulutusrobotiikasta voi tulla STEM-koulutuksen kulmakivi, koska se pystyy tarjoamaan käytännönläheistä, projektipohjaista oppimista monitieteisen opetussuunnitelman kautta. Tutkimus on osoittanut, että opiskelijoiden asenteet STEM-oppimista kohtaan heikkenevät heidän edistyessään koulutusjärjestelmässämme. positiivisen asenteen kasvattaminen STEM-aiheita kohtaan on ensiarvoisen tärkeää ala-ikäisille opiskelijoille. Robotiikan opetussuunnitelman integroinnilla STEM-aineisiin on osoitettu olevan monia myönteisiä oppimishyötyjä opiskelijoille, ja se myös parantaa opiskelijoiden käsitystä näistä aiheista. Tässä tutkimuksessa 104 opiskelijaa kolmannesta viidenteen luokalle osallistui tutkimusprojektiin selvittääkseen, muuttuisiko opiskelijoiden käsitys STEM-aiheista kuuden viikon robotiikan opetussuunnitelman jälkeen. Opiskelijoille annettiin esikysely, jossa arvioitiin asenteita matematiikkaan, luonnontieteisiin, tekniikkaan ja 2000-luvun taitoihin. Jokainen luokka suoritti sitten robotiikan opetussuunnitelman käyttämällä VEX GO -robottiluokkahuonepakettia ja VEX GO -opetussuunnitelman STEM-laboratorioita ja -toimintoja. Kuuden viikon oppituntien jälkeen oppilaille annettiin samat kyselyn jälkeiset kysymykset arvioidakseen, olivatko heidän asenteensa muuttuneet. Tulokset osoittavat, että opiskelijoiden asenteet ovat parantuneet merkittävästi kaikissa STEM-aineissa, sekä havaitut parannukset luovuudessa, sitoutumisessa, ryhmätyössä ja sinnikkyydessä.
Johdanto
Robotiikka on integroitunut yhä enemmän ala- ja yläkouluihin kaikkialla Yhdysvalloissa viime vuosina kansallisten raporttien ja käytäntöjen vauhdittamana. Vuonna 2015 National Science Foundation totesi, että tieteen, teknologian, tekniikan ja matematiikan (STEM) tietojen ja taitojen hankkiminen on yhä tärkeämpää amerikkalaisille, jotta he voivat osallistua täysimääräisesti teknologiaintensiiviseen globaaliin talouteen, ja että on kriittistä kaikille saada korkealaatuista koulutusta STEM-aiheista. Opetusrobotiikka ei ole pelkästään suosittu koulutusteknologian suuntaus, vaan sen on tutkimuksissa osoitettu olevan tehokas parantamaan oppilaiden käsitystä STEM-aineista sekä oppimistuloksia. Meta-analyysi (Beniti, 2012) havaitsi, että yleisesti ottaen koulutusrobotiikka lisäsi oppimista tiettyjen STEM-konseptien osalta. Eri ikäryhmiin keskittynyt tutkimus paljasti, että robotiikka lisää opiskelijoiden kiinnostusta ja positiivisia käsityksiä STEM-aineista (Nugent et al., 2010; Robinson, 2005; Rogers & Portsmore, 2004), ja lisätutkimukset havaitsivat, että tämä puolestaan lisää koulumenestystä ja edistää tiedettä. tutkinto (Renninger & Hidi, 2011; Wigfield & Cambria, 2010; Tai et al., 2006). Lukiolaisten kohdalla robotiikkaa on käytetty tukemaan korkeakouluvalmiutta ja teknisiä urataitoja (Boakes, 2019; Ziaeefard ym., 2017; Vela et al., 2020).
Kansallisen tiede- ja teknologianeuvoston STEM-koulutusta käsittelevä komitea julkaisi vuonna 2018 raportin, jossa hahmotellaan liittovaltion strategia tieteidenväliselle STEM-koulutukselle: "STEM-koulutuksen luonne itsessään on kehittynyt päällekkäisten tieteenalojen joukosta integroidummaksi ja tieteidenvälisemmäksi lähestymistavaksi. oppimista ja taitojen kehittämistä. Tämä uusi lähestymistapa sisältää akateemisten käsitteiden opettamisen todellisten sovellusten kautta ja yhdistää muodollisen ja arkioppimisen kouluissa, yhteisössä ja työpaikoilla. Opetusrobotiikkaa ei pitäisi opettaa erillisenä aiheena, vaan pikemminkin hyödyntää täysimääräisesti monitieteistä opetussuunnitelmaa. Tutkijat ovat löytäneet monia etuja robotiikan sisällyttämisestä olemassa olevaan koulun opetussuunnitelmaan STEM-tiedon kehittämisestä ja soveltamisesta laskennalliseen ajatteluun ja ongelmanratkaisutaitoon, sosiaalisiin ja tiimityötaitoon (Altin & Pedaste, 2013; Bers et al., 2014; Kandlhofer & Steinbauer, 2015; Taylor, 2016). Benitti (2012) havaitsi, että useimmat robotiikkaohjelmat opetettiin omana oppiaineenaan, mikä vaikeutti opettajien integrointia luokkahuoneeseensa. Tämän tutkimuksen yhtenä tavoitteena on arvioida opiskelijoiden asenteita STEM-aiheita kohtaan käyttämällä robotiikan opetussuunnitelmaa, jossa robotiikan rakentaminen ja ohjelmointi yhdistyvät standardien mukaiseen matematiikan, tieteen ja tekniikan sisältöön.
Opetusrobotiikan esittelystä on ollut apua erityisesti nuorille opiskelijoille, jotka voivat alkaa muodostaa kielteisiä asenteita STEM-aineisiin jo 4. luokalla (Unfried et al., 2014). Nuoret opiskelijat hyötyvät integroidusta oppimisympäristöstä ja kehittävät positiivisempia asenteita STEM-aineisiin, kun he ovat kokeneet menestystä varhaisessa vaiheessa (McClure et al., 2017). Cherniak et ai. (2019) havaitsivat, että robotiikan esittely alakoululaisille auttaa kehittämään kysely- ja ongelmanratkaisutaitoja. Ching et al. (2019), ylemmän ala-asteen oppilaat tutustuivat integroituun STEM-robotiikan opetussuunnitelmaan jälkeisessä ohjelmassa. Tutkimusvälineellä (Friday Institute for Educational Innovation, 2012) mitattiin opiskelijoiden asenteita matematiikkaa, luonnontieteitä ja tekniikkaa kohtaan ennen ohjelmaa ja sen jälkeen. Tulokset osoittivat, että vain matemaattinen rakenne kasvoi merkittävästi. Ching et ai. havaitsi, että nämä tulokset olivat yhdenmukaisia muiden arkioppimisympäristöjen ja lyhyiden (yhden viikon) pilottiohjelmien tutkimusten kanssa (Conrad et al., 2018; Leonard et al., 2016). Ching et ai. pani merkille myös muita vaikeuksia, jotka saattoivat vaikuttaa muiden oppiaineiden nollatuloksiin: opiskelijat kamppailivat robottien rakentamisessa, ja niiden suorittamiseen kului jopa neljä 90 minuutin istuntoa. Rakennusohjeiden ymmärtämisen ja robottien rakentamisen vaikeus on ollut yläkoulun opiskelijoiden haasteena myös muissa opinnoissa (Kopcha et al., 2017), ja tutkijat ovat todenneet, että robottien rakentamisessa tarvitaan vahvaa ymmärrystä eri robottien komponenteista (Slangen). et ai., 2011). Ching et ai. (2019) totesi: "Tulevaisuudessa, kun oppimistavoitteena on alkuperäisen ja toimivan robotin rakentaminen, on erittäin suositeltavaa, että opiskelijat ymmärtävät syvällisesti robottien eri komponentit ennen liikkeelle lähtöä" s. 598. Nämä oivallukset tekevät selväksi, että on erityisen tärkeää, että pienet lapset saavat varhaisia kokemuksia STEM-oppimisen onnistumisesta, ja robottisarjan käyttö, joka on helppo oppia ja rakentaa, on arvokas osa robottiopetussuunnitelman toteuttamista, jotta kaikki oppilaat saavuttavat menestystä. .
Tässä tutkimuksessa tutkimme, kuinka poikkitieteellinen robotiikan opetussuunnitelma – osana koulupäivää – vaikutti opiskelijoiden asenteisiin STEM-aineita kohtaan. Tutkimuskysymykset ovat:
- Miten kuuden viikon monitieteinen robotiikan opetussuunnitelma vaikutti opiskelijoiden asenteisiin STEM-aineita kohtaan?
- Millaisia hyötyjä tai oppimista havaitaan, kun opiskelijat työskentelevät robotiikan opetussuunnitelman läpi?
Jatkuva tutkiminen siitä, miten robotiikka voi hyödyttää ylemmän peruskoulun oppilaita, on yhä tärkeämpää, jotta voidaan parantaa oppilaiden käsitystä STEM:stä ja toivottavasti parantaa sitoutumista ja tuloksia. Tässä tutkimuksessa pyrimme osallistumaan tutkimukseen tutkimalla:
- oppilaat kolmannesta viidenteen luokalle
- koulupäivään integroitu robotiikan opetussuunnitelma, joka toteutetaan kuuden viikon aikana
- monitieteisiä robotiikkatunteja, jotka ovat STEM-standardien mukaisia
- robotiikkasarja, joka on suunniteltu ala-ikäisille opiskelijoille
menetelmät
Tämä tutkimus tehtiin julkisella koulualueella Länsi-Pennsylvaniassa, jossa oli yhteensä 104 oppilasta kolmella luokalla. Robotiikan opetussuunnitelman kehittänyt ja toimittanut opettaja toimii piirin perusteknologian integraattorina ja näkee opiskelijat kiertävässä aikataulussa. Tämä tutkimus sisältää sekä kvantitatiivisia että laadullisia tietoja. Opiskelijat vastasivat kyselyyn arvioidakseen empiirisesti asenteitaan STEM-aiheita kohtaan ennen ja jälkeen robotiikan opetussuunnitelman. Lisäksi opettaja piti päiväkirjaa, johon hän kirjasi muistiinpanoja ja pohdintoja oppilaiden käyttäytymisestä ja oppimisesta STEM-laboratorioiden ja heidän suorittamiensa toimien aikana.
Esikysely. Arvioidakseen opiskelijoiden käsityksiä STEM-aiheista opiskelijat suorittivat Opiskelijoiden asenteet STEM -tutkimuksen – yläkoulun oppilaat (Friday Institute for Educational Innovation, 2012). Helpottaakseen prosessia opiskelijoille opettaja loi kyselyn kohteet uudelleen taulukkomuotoon ja poisti neutraalin vaihtoehdon, jonka hän uskoi aiheuttavan sekaannusta opiskelijoille vastaamisessa.
Tutkimusprojektia kuvaavat kirjeet ja suostumuslomakkeet lähetettiin oppilaiden kanssa kotiin vanhempien tarkastettavaksi. Osallistuakseen tähän tutkimukseen opiskelijoiden oli palautettava allekirjoitettu suostumuslomake. Kyselyväline tulostettiin ja jaettiin opiskelijoille henkilökohtaisella luokalla. Suostumuslomakkeen palauttaneet opiskelijat osallistuivat kyselyyn, kun taas opiskelijat, jotka eivät palauttaneet, saivat muuta toimintaa tänä aikana. Ohjeet luettiin ääneen opiskelijoille, ja joitain termejä määriteltiin pyydettäessä. Kyselyt suorittivat kolmannen, neljännen ja viidennen luokan oppilaat saman viikon maanantaista keskiviikkoon.
Kun ensimmäinen kysely toimitettiin, oppilaat olivat tutustuneet robottisarjaan Intro to Building -laboratorion avulla ja oppitunnilla astronauttihahmon rakentamiseksi. Muita STEM-laboratorioita ei ollut saatu valmiiksi, ja COVID-19-pandemian vuoksi opiskelijat eivät olleet saaneet robotiikan opetussuunnitelmaa edellisen puolentoista vuoden aikana. Tämä tarjosi mahdollisuuden arvioida oppilaiden suhtautumista STEM-aiheisiin ilman viimeaikaista kokemusta STEM-opetussuunnitelmasta, joka muokkasi heidän vastauksiaan.
Opettaja totesi, että eri luokkien opiskelijat vastasivat kyselyihin eri tavalla. Viidennen luokan oppilaat vastasivat kyselyyn nopeasti ja muutamalla kysymyksellä. Neljännen luokan oppilaat pyysivät monia määritelmiä termeille. Kolmannen luokan oppilailla oli eniten haasteita terminologian kanssa, ja kyselyn suorittaminen kesti pisimpään.
STEM Learning Curriculum and Robot. Elementary Technology Integrator -opettajalla oli monia robotti- ja ohjelmointityökaluja kerättynä piirin käyttöön, mutta hän päätti toteuttaa kuuden viikon opetussuunnitelman VEX GO -robotilla laskennallisen ajattelun ja tietojenkäsittelytieteen luokille, jotka he saivat olla kurssin lopussa. Lukuvuosi 2021. VEX GO -robotti on muoviosien sarja, jota ala-asteen oppilaat voivat käsitellä, joilla on erilaiset hienomotoriset vaatimukset kuin vanhemmilla oppilailla. Sarja on värikoodattu auttamaan oppilaita ymmärtämään kappaleiden mitoitusta, ja se on järjestetty tyypin mukaan: palkit, kulmapalkit, levyt, vaihteet, hihnapyörät, liittimet, erottimet ja tapit. Opettaja käytti yhtä luokkahuonepakettia (kymmentä sarjaa) palvellakseen kaikkia kolmannen, neljännen ja viidennen luokan osioita, joita hän opetti. Robottisarjojen jakaminen luokkahuoneen toteutuksen näkökulmasta tarkoitti, että oppilaiden oli kyettävä suorittamaan oppitunti ja laittaa robottinsa pois yhden luokan aikana, jotta toinen luokka voisi käyttää niitä myöhemmin. Opettajan piti myös pystyä liikkumaan eri luokkiin eri luokille koko päivän ajan.
Jokainen luokka-aste suoritti kuusi viikkoa robotiikan STEM-laboratorioita. COVID-19:n aiheuttaman epätyypillisen oppimistilanteen vuoksi opiskelijat kiersivät henkilökohtaisen oppituntien aikataulun läpi kolme kertaa kymmenen päivän vuorokaudessa. Kaikkia opiskelijoita ei nähty täsmälleen yhtä monta kertaa, riippuen heidän aikataulustaan ja ulkoisista tekijöistään. Opettaja käsitteli tätä eriyttämisen kautta: ”Tämän mielessä yritin todella etsiä erottelua jokaisessa luokkahuoneessa. En halunnut pudottaa niin monta oppituntia alas jokaisella luokkatasolla, vaan sen sijaan todella kaivautua syvemmälle oppitunteihin ymmärtääkseni." Viidennen luokan oppilaita nähtiin vähiten. Opettaja totesi, että viidesluokkalaisten opettaminen alkeisuran lopussa oli vaikeaa, koska valmistumista edeltävien viikkojen aikana oli niin paljon tapahtumia.
Kaikki oppilaat suorittivat VEX GO -robotiikan STEM-laboratorioita ja -toimintoja näiden kuuden viikon aikana, mutta opetussuunnitelma eriytettiin opettajan harkinnan mukaan eri-ikäisten opiskelijoiden kykyjen mukaan. Esimerkiksi kaikki opiskelijat aloittivat robotiikan opetussuunnitelmansa STEM Labin rakentamisen johdannossa, kun tämä laboratorio esittelee robotiikkasarjan. Kaikki opiskelijat suorittivat myös Look Alike STEM Labin, joka opettaa, kuinka piirteet siirtyvät geneettisesti vanhemmilta kanuilta pupupuille. Jokainen luokka suoritti sitten erilaisia laboratorioita ja aktiviteetteja:
- Kolmas luokka: Intro to Building, Look Alike, Fun Frogs (2 oppituntia), Adaptation Claw, VEX GO -aktiviteetit: Lunar Rover, Pin Game, Engineer It & Build It, Copycat, Habitat, Creature Creation ja ilmainen rakennusaika
- Neljäs luokka: Intro to Building, Simple Machines Unit (4 oppituntia), Look Alike, Adaptation Claw, VEX GO Aktiviteetit: Lunar Rover, Pin Game ja ilmainen rakennusaika
- Viides luokka: Intro to Building, Look Alike, Fun Frogs (2 oppituntia), Adaptation Claw, VEX GO -aktiviteetit: Lunar Rover, Pin Game, Engineer It & Build It, Copycat, Habitat, Creature Creation ja ilmainen rakennusaika
STEM-laboratoriot ovat jäsenneltyjä aktiviteetteja, jotka ohjaavat oppilaita monitieteisen, standardiin mukautetun oppitunnin läpi, joka tarjoaa kontekstin robotin rakentamiselle, luokkakeskusteluille, kokeiluille ja iteratiiviselle parantamiselle. Laboratoriot on järjestetty kuten Engage-, Play- ja Share-osioissa, jotka ohjaavat oppilaita oppitunnin läpi. Aktiviteetit ovat lyhyempiä kuin STEM-laboratorio ja vaihtelevat aiheeltaan ja rakenteeltaan, ja ne tarjoavat usein avoimia haasteita, joissa on vähemmän ohjeita.
Tutkimuksen jälkeinen. Opetussuunnitelman valmistumisen jälkeen, joka osui lukuvuoden päättymiseen, opiskelijoille annettiin jälkikysely samalla tavalla kuin esikysely. Kun jälkikyselyt oli kerätty, opettaja anonymisoi ja tallensi tiedot valmistellakseen analysointia.
Tietojen analyysi. Kyselykohteet arvioitaisiin määrätyillä kvantitatiivisilla menetelmillä. Vastausvaihtoehdot pisteytettiin (1 = täysin eri mieltä, 2 = eri mieltä, 3 = samaa mieltä, 4 = täysin samaa mieltä) ja tietyt asiat koodattiin tarvittaessa. Parilliset t-testit suoritettiin kyselyä edeltävillä ja jälkeisillä keskiarvoilla jokaiselle konstruktille, jokaiselle arvosanalle. Opettajan päiväkirjaa arvioitiin temaattisella analyysillä, joka paljasti näkemyksiä oppilaiden kokemasta oppimisesta sekä opetussuunnitelman suunnittelusta/tarpeista.
Tulokset
Kolmas luokka. Kolmannen luokan esi- ja jälkikyselyn tulokset (taulukko 1) osoittavat kohonneita keskiarvopisteitä kullakin tutkimusalueella. Jokaista konstruktia ennen ja jälkeen keskiarvoa verrattiin käyttämällä kaksisuuntaista t-testiä, ja kaikki tulokset olivat merkitseviä (p < 0,001). Pienin keskimääräinen lisäys oli 2000-luvun taitoasennekonstruktissa, mikä osoittaa, että opiskelijat poikkesivat vain vähän alkuperäisestä sopimuksesta näihin kohtiin. Opiskelijoilla oli alhaisin keskimääräinen pistemäärä kyselyä edeltävässä matemaattisessa asennekonstruktiossa, keskimääräinen pistemäärä 2,27, mutta he lisäsivät tätä keskimääräistä konstruktiopistemäärää 0,25:llä kyselyn jälkeen. Sekä luonnontieteiden että tekniikan rakenteiden keskimääräiset lisäykset olivat yli 0,6, mikä osoittaa, että opiskelijat tunsivat paljon itsevarmuutta opetussuunnitelman jälkeen lisätäkseen valinnanvaraansa. Tiedekonstruktioiden kyselyä edeltävä keskiarvo 2,8–3,44 osoittaa, että opiskelijat olivat alun perin sekoitus eri mieltä ja samaa mieltä (2 ja 3), mutta muuttuivat yhdistelmäksi samaa mieltä täysin samaa mieltä (3 ja 4).
Pöytä 1. Kolmannen luokan ennen ja jälkeen kyselyn parilliset t-testin tulokset (n = 39).
| Pari | Muuttuva | Tarkoittaa | t | Sig (2-häntä) |
| Pari 1 | Pre Math | 2.2664 | -8.775 | 0.000 |
| Post Math | 2.5197 | |||
| Pari 2 | Pre Science | 2.7982 | -21.255 | 0.000 |
| Post Science | 3.4415 | |||
| Pari 3 | Esisuunnittelu | 3.1228 | -26.504 | 0.000 |
| Post Engineering | 3.7281 | |||
| Pari 4 | Ennen 21. vuosisadan taidot | 3.0000 | -3.894 | 0.000 |
| Post 21st Century Skills | 3.0906 |
Neljäs luokka. Taulukko 2 osoittaa, että neljännen luokan oppilaiden keskiarvopisteet kasvoivat samalla tavalla kaikissa konstrukteissa, ja kaikki olivat merkitseviä (p < 0,001). Lisäykset olivat kuitenkin pienempiä kuin kolmannen luokan opiskelijoilla (keskimääräiset muutokset tyypillisesti alle 0,3), mikä osoittaa, että vähemmän opiskelijoita muutti vastauksiaan kuin nuoremmat kollegansa. Kolmannen luokan oppilaiden tavoin matemaattinen konstruktio oli alhaisin keskiarvo sekä esitutkimuksessa että sen jälkeen, ja 2000-luvun taitojen keskiarvojen nousu oli pienin. Huomionarvoista on, että näiden opiskelijoiden osalta insinöörirakenteella oli suurin lisäys.
Taulukko 2. Neljännen luokan ennen ja jälkeen kyselyn parilliset t-testin tulokset (n = 34).
| Pari | Muuttuva | Tarkoittaa | t | Sig (2-häntä) |
| Pari 1 | Ennen matematiikkaa | 2.0871 | -7.136 | 0.000 |
| Post Math | 2.2652 | |||
| Pari 2 | Pre Science | 2.9125 | -7.124 | 0.000 |
| Post Science | 3.1987 | |||
| Pari 3 | Esisuunnittelu | 3.0673 | -8.151 | 0.000 |
| Post Engineering | 3.3030 | |||
| Pari 4 | Ennen 21. vuosisadan taidot | 3.6498 | -4.629 | 0.000 |
| Post 21st Century Skills | 3.7003 |
Viides luokka. Viidennen luokan oppilaiden konstruktiopisteet osoittavat eri suuntauksia kuin kolmannen ja neljännen luokan oppilaiden (taulukko 3). Tällä ryhmällä oli ainoa aleneminen keskimääräisessä pistemäärässä suunnittelukonstruktiossa, vaikka se ei ollut tilastollisesti merkitsevä ja johtuen itse korkeammista keskiarvopisteistä, se ei aiheuttanut huolta. Matematiikan, luonnontieteiden ja 2000-luvun taitojen keskimääräiset konstruktiopisteet nousivat pienemmässä määrin esitutkimuksesta kyselyn jälkeiseen aikaan ja olivat pienemmässä määrin merkitseviä (p < 0,01 matematiikassa ja luonnontieteissä ja p < 0,05 21. vuosisadalla). vuosisadan taidot).
Taulukko 3. Viidennen luokan tutkimusta edeltävät ja jälkeiset parilliset t-testin tulokset (n = 31).
| Pari | Muuttuva | Tarkoittaa | t | Sig (2-häntä) |
| Pari 1 | Pre Math | 2.8167 | -3.427 | 0.002 |
| Post Math | 2.9042 | |||
| Pari 2 | Pre Science | 3.2333 | -3.751 | 0.001 |
| Post Science | 3.3111 | |||
| Pari 3 | Esisuunnittelu | 3.4259 | 0.810 | 0.425 |
| Post Engineering | 3.3370 | |||
| Pari 4 | Ennen 21. vuosisadan taidot | 3.8296 | -2.350 | 0.026 |
| Post 21st Century Skills | 3.8741 |
Keskustelu
Opiskelijoiden asenteet. Näiden neljän rakenteen tulokset osoittivat yllättäviä tuloksia. Esikyselyn keskimääräiset pisteet olivat korkeammat viidennen luokan oppilailla kaikissa konstruktioissa kuin kolmannen luokan oppilailla. Kirjallisuuden havainnot osoittavat, että STEM-asenteet heikkenevät ajan myötä. Kumoavatko nämä havainnot sen? Ei välttämättä. Lukuvuoden päättymisen luonne tarkoitti, että viidesluokkalaisia nähtiin harvemmin heidän osallistuessaan erilaisiin valmistumiseen johtaviin tapahtumiin, ja vähemmän oppitunteja on saattanut vähentää vaikutusta heidän asenteisiinsa tässä vaiheessa vuotta. Opettaja totesi myös, että jokainen ikäryhmä vastasi kyselyyn eri tavoin. Kolmannet luokkalaiset esittivät paljon kysymyksiä ja vastasivat yleisesti innostuneesti, kun taas viidesluokkalaiset suorittivat kyselyn nopeasti ja muutamalla kysymyksellä. Lasten ikä saattaa vaikuttaa siihen, kuinka paljon vivahteita heillä on kysymysten tulkinnassa ja vastausten antamisessa. Nuoremmat opiskelijat voivat arvostaa "samaa mieltä" ja "vahvasti samaa mieltä" eri tavalla kuin esimerkiksi vanhemmat opiskelijat. Opettaja lisäsi muistiinpanoihinsa kommentin nimenomaan viidennen luokan oppilaista ja pohti, vastasivatko he kyselyyn odottaen vai yrittäen miellyttää häntä. Kun vanhemmat ala-asteen oppilaat sopeutuvat odotuksiin, heidän luonnolliset reaktiot voivat muuttua sen mukaan.
Tuloksista käy selvästi ilmi ero, joka VEX GO -robotiikan opetussuunnitelmassa oli kussakin ikäryhmässä. Kolmannen luokan opiskelijoiden keskimääräiset pistemäärät nousivat huomattavasti kaikissa alan rakenteissa (matematiikka, luonnontieteet, tekniikka). Vaikka neljännen luokan opiskelijoiden keskimääräiset pistemäärät eivät kasvaneet yhtä paljon kuin kolmannen luokan oppilaat, he nostivat silti johdonmukaisesti keskimääräisiä pisteitä useilla kymmenyksillä toimialuekonstruktioissa. Viidennen luokan oppilaat olivat kuitenkin ainoita, joiden konstruktioissa ja merkitsevyysarvoissa ei tapahtunut merkittäviä muutoksia alle p < 0,001. Nämä yleiset erot eri luokkien opiskelijoiden välillä osoittavat, että robotiikan opetussuunnitelmalla oli enemmän vaikutusta nuorempien opiskelijoiden asenteisiin kuin vanhempien opiskelijoiden asenteisiin, mikä korosti robotiikan opetussuunnitelman varhaisen aloittamisen tärkeyttä.
Koettu oppiminen. Opettajan päiväkirja kirjasi jokaisen oppilasryhmän tekemät laboratoriot ja toiminnot sekä monet havainnot oppilaiden aikana, kun he työskentelivät oppituntien läpi. Tutkimusvälineellä pystyttiin tunnistamaan opiskelijoiden asenteet, kun taas päiväkirjamerkintöjen temaattinen analyysi tunnisti useita oppimisen kokemisen aiheita, jotka ovat yhdenmukaisia tutkimuskirjallisuuden kanssa.
Luovuus. Lehden pääteema oli opiskelijoiden luovuus. Mainittu voimakkaasti kolmanteen luokkalaisille, mutta kaikilla kolmella luokalla luovuutta korostettiin erityisesti oppilaiden yksinkertaisissa koneissa, samankaltaisissa, Creature Creationissa ja Frog Life Cyclessa. Opettaja huomautti: "3. luokka oli niin innoissaan sammakon rakentamisesta. Tällä luokkatasolla halutaan olla mahdollisimman luova, ja elinympäristön rakentaminen todella antaa lapsille mahdollisuuden avata näitä taitoja uudelleen. Vaikka oppimateriaaleille on monia tavoitteita, luovuuden herättäminen opiskelijoissa on arvokas tulos, joka tuo monia muita etuja.
Kihlaus. Jäsenneltyjen laboratorioiden tarjoaminen hauskoilla ja autenttisilla teemoilla vauhditti opiskelijoiden luovuutta, mikä auttoi lisäämään sitoutumista. Alkaen Intro to Building -laboratoriosta opettaja huomautti, että opiskelijat eivät halunneet lopettaa työskentelyä. Samoin Look Alike -laboratoriossa hän havaitsi, että "luokkaa oli todella vaikea lopettaa. Huomasin, että opiskelijat halusivat jatkaa ja jatkaa lisäämällä iteraatioita eläimiinsä…Huomasin, että lapset eivät halunneet siivota, vaan jatkaa luomuksiaan." Vaikka kolmannen luokan oppilaat todettiin innokkaimpina, hän kuvaili, kuinka jopa viidennen luokan oppilaat olivat hyvin sitoutuneita Simple Machines -laboratorioon: ”Huomasin, että kaikkien oppilaiden oli vaikea laittaa palasia pois. Meillä oli vain liian hauskaa!”
Ryhmätyö. VEX GO STEM -laboratoriot on suunniteltu suoritettavaksi ryhmissä, jolloin opiskelijoille on määrätty tietyt roolit ja tehtävät. Kolmannet luokkalaiset aloittivat Adaption Clawilla, ja opettaja huomautti: "Oppilaat olivat myös innoissaan jakaantuessaan ryhmiin, jotta he voisivat työskennellä yhdessä, ja jokaisella oli oma työnsä." Neljännelle luokkalaisille hän huomautti samoin, kuinka roolit auttoivat oppilaita pääsemään ryhmiinsä ja pääsemään alkuun nopeasti. Hän huomautti myös, että opiskelijat alkoivat tehdä yhteistyötä avoimissa toimissa, kuten elinympäristöjen rakentamisessa tai Lunar Roverin rakentamisessa.
Opettaja pani merkille myös useita tapauksia, joissa oppilaat työskentelivät spontaanisti yhdessä luokkana. Jotkut opiskelijat tutkivat uusia asioita robottillaan, ja kun he "löydivät" jotain uutta, toiset oppilaat juoksivat katsomaan ja kokeilemaan sitä itse. Opiskelijat, jotka valitsivat hauskan aktiviteetin "valintataululta", kertoivat usein muille opiskelijoille, jotka siirtyivät kyseiseen aktiviteettiin. Työskentelivätkö ryhmässä tai yksin, opiskelijat olivat innokkaita jakamaan ja auttamaan toisiaan.
Pysyvyys. Kaikki toiminta ei ollut helppoa opiskelijoille. Kolmasluokkalaiset suorittivat Adaption Claw -laboratorion ensin Intro to Building -laboratorion jälkeen. Opettaja havaitsi, että laboratorio oli aluksi hieman edistynyt ja siirsi tämän myöhemmin opetussuunnitelmajärjestyksessä. Riippumatta siitä, suorittivat he toiminnan tai eivät, ryhmät säilyivät loppuun asti.
Huomasin, että tämä oli HYVÄ oppitunti turhautumisesta ja sen ymmärtämisestä, että epäonnistuminen on vain osa oppimista. Jokaisen ryhmän piti kuvailla, mikä toimi ja mikä ei. Huomasin, että monet ryhmät todella ymmärsivät toisiaan kuultuaan samoista asioista.
Jotkut käytetyt toiminnot suunniteltiin myös avoimiin ja antavat opiskelijoille haastetta. Opiskelijoiden tehtävänä oli luoda taloja, jotka kestäisivät maanjäristyksen, mutta heille ei annettu rakennusohjeita. Vaikka asiaan liittyi jonkin verran turhautumista, opiskelijat käyttivät tätä ja jatkoivat iteratiivisia parannussyklejä:
Oppilaat pitivät haasteesta todella paljon! Huomasin, että opiskelijaryhmät ymmärsivät virheensä kokeiltuaan "maanjäristystä" ja pystyivät rakentamaan talonsa uudelleen sen perusteella, mikä toimi ja mikä ei. Olin niin yllättynyt, kuinka onnellisia ja innoissaan ryhmät olivat saaneet haasteen, joka oli turhauttavaa ja niin tyydyttävää, kun ryhmät ratkaisivat sen.
Opetussuunnitelma. Opettajan päiväkirja paljasti myös monia oivalluksia eriyttämisen tärkeydestä robotiikan opetussuunnitelmassa. Jokainen opiskelijaryhmä suoritti Intro to Building STEM -laboratorion, jossa esiteltiin VEX GO -sarja ja kaikki sen osat. Kaikki opiskelijat suorittivat myös Look Alike STEM -laboratorion, joka opettaa oppilaille piirteitä antamalla heidän rakentaa vanhemmille ja vauvapuput, joilla on erilaisia ominaisuuksia. Vaikka jotkin laboratoriot suoritettiin jokaisella luokalla, ikäryhmittäin oli eroa. Vanhemmat neljäs ja viides luokkalaiset suorittivat Simple Machines -laboratorion, kun taas kolmannet luokkalaiset suorittivat Fun Frogs -laboratorion. Kolmannet luokkalaiset suorittivat myös enemmän itsenäisiä tehtäviä kuin vanhemmat luokat, sillä opettaja totesi, että niistä oli hyötyä nuorempien oppilaiden taitojen kannalta. Opettaja käytti aktiviteetteja myös vanhemmille opiskelijoille, kun ryhmät lopettivat laboratorion aikaisin – tämä on välttämätöntä luokkahuoneessa, jotta oppilaat pysyisivät kiireisinä, kun ryhmät työskentelevät eri nopeuksilla. Se, että oli monia vaihtoehtoja sekä laboratorio- että toimintojen eriyttämiseen, oli arvokas opetussuunnitelman ominaisuus robotiikkaohjelman onnistuneessa käyttöönotossa luokkahuoneessa.
Monitieteisistä laboratorioista oli myös hyötyä opettajan päiväkirjan mukaan. Kolmannen luokan oppilaat olivat innoissaan tiedeaiheisista laboratorioista, joissa he pääsivät rakentamaan ja kehittämään eläimiä ja niiden elinympäristöjä. Ensimmäinen eläinlaboratorion kolmannen luokkalaisen suorittama oli Look Alike -laboratorio, jossa he pystyivät luomaan kaneja ja välittämään ominaisuuksia. Opettaja pani merkille, kuinka paljon oppilaat pitivät eläinten tekemisestä ja halusivat tutkia erilaisia muunnelmia. Tämä sai opettajan valitsemaan seuraavalle oppitunnilleen toiminnon nimeltä Creature Creation laajentaakseen oppilaiden luovuutta. Kun opiskelijat työskentelivät Fun Frogs -laboratoriossa, hän pani merkille, kuinka innostuneita ja luovia opiskelijat olivat, ja lisäetu oli alhainen sisäänpääsyn este taitojen rakentamiseen.
Lapset rakastivat sammakkosyklin tekemistä ja oppimista. Näin lasten saavan käytännön kokemusta luonnontieteiden aiheista, jotka he olivat oppineet oppikirjassa. Puhuin 3. luokan opettajan kanssa, että hän tekisi enemmän yhteistyötä ensi vuonna ja yritä opettaa tätä, kun hän opettaa elinympäristöistä.
Neljännen luokan oppilaat suorittivat Simple Machines -laboratorioyksikön. Opettaja pani merkille, kuinka innostuneet oppilaat olivat, koska he tiesivät yksinkertaisista koneista toiselta luokalta. He kysyivät, kuinka insinöörit käyttivät yksinkertaisia koneita, ja heille annettiin aikaa tehdä tutkimusta. Opettaja huomautti:
Neljännellä luokalla keskitytään luonnontieteiden yksinkertaisiin koneiden ympärille, joten tämä STEM-laboratorio oli niin oikea tälle luokkatasolle. Huomasin, että lapsen kasvot valaistuivat, kun sanoin, että teemme vipuja. Suurin osa näistä opiskelijoista oli tehnyt laskentataulukon, mutta ei käytännön tutkimuksia. Sanoin luonnontieteiden opettajalle, että teemme enemmän yhteistyötä ensi vuonna, jotta minä opetan tässä STEM-laboratoriossa, kun hän opettaa yksinkertaisia koneita.
Viidesluokkalaiset suorittivat myös Simple Machines -laboratorion, mutta heidän ikänsä ja kokemuksensa osoittivat, kuinka he osallistuivat siihen eri tavalla kuin neljäsluokkalaiset. Opettaja totesi, että tämä ryhmä oppilaita valmistui aikaisin ja käytti "valintataulun" toimintoja tutkiakseen itseään.
5. luokka tarvitsee jännittäviä ja mukaansatempaavia aktiviteetteja – ja tämä STEM-laboratorio sopii siihen. Huomasin, että opiskelijat halusivat nousta lattialle ja kokeilla kuinka nostetaan erilaisia painoja vivun avulla. Huomasin myös, että toisin kuin 4. luokalla, näillä oppilailla oli taustatietoa ja he nostivat STEM Labin seuraavalle tasolle lisäämällä painoja ja antamalla STEM Labille aidon oppimiskokemuksen ryhmästä toiseen.
Jokaisella luokalla oppilaat hyötyivät poikkitieteellisestä lähestymistavasta robotiikan opetussuunnitelmassa. Robotiikan yhdistäminen tieteeseen, matematiikkaan tai tekniikkaan ei vain auttanut oppilaita houkuttelemaan, vaan antoi heille perustan tutkia käsitteitä syvemmällä ymmärryksellä. Opettajan muistiinpanot osoittavat useita alueita, joilla robotiikan opetussuunnitelma voidaan yhdistää tai synkronoida muiden aineiden oppituntien kanssa, mikä voisi olla arvokas seuraava askel robotiikan integroinnissa eri tieteenalojen välillä autenttisella tavalla.
Johtopäätös
Kun opetusrobotiikan käyttö lisääntyy luokkahuoneissa eri puolilla maata, on erittäin tärkeää tutkia, kuinka robotiikasta on hyötyä opiskelijoille, sekä tutkia robotiikan opetussuunnitelman opettamisesta saatuja kokemuksia. Tämä tutkimus paljasti, että robotiikan opetussuunnitelma paransi opiskelijoiden asenteita lähes kaikissa STEM-aineissa kaikilla luokilla. Lisäksi opettaja havaitsi opiskelijoille lisää oppimiskategorioita, kuten luovuus, sitoutuminen, ryhmätyö ja sinnikkyys.
Jotta voimme jatkaa tutkimista, kuinka opetusrobotiikka voi olla hyödyllisin oppilaille todellisissa luokkahuoneissa, meidän on jatkettava oppimista suoraan opetussuunnitelmaa toteuttavilta opettajilta. Opettaja pohtii koko kokemusta ja esitti yleiset huomionsa:
Huomasin, että jos lapset halusivat oppia lisää, me opimme enemmän. Halusin tämän olevan nautinnollista ja jokainen luokkahuone oli rehellisesti täysin erilainen (mikä on täysin normaalia). Jotkut opiskelijat halusivat oppia lisää rakentamisesta siellä, missä toiset halusivat irtautua ja luoda oman hirviön tai olennon. Huomasin, että 3. luokka oli niin sitoutunut – tuntien lopettaminen oli vaikeaa. 4. luokka oli niin innoissaan oppiessaan STEM-tunteja, kuten yksinkertaisia koneita, jotka liittyivät heidän omaan luonnontieteiden opetussuunnitelmaansa. 5. luokka rakasti haastetta koodata, rakentaa ja oppia Marsista. Mielestäni tärkeintä oli, että jokainen luokkahuone tarvitsi joskus enemmän aikaa STEM Labin kanssa tai enemmän aikaa tutkimiseen, ja annoin sen heille. Olen huomannut, että kun lapset ovat innoissaan, on parasta juosta innostuneena ja kaivaa syvemmälle sen sijaan, että jatkaisit eteenpäin.
Tämä tutkimus antoi myös merkityksellisiä oivalluksia monitieteisen robotiikan opetussuunnitelman toteuttamiseen. Kuuden viikon ohjelmana opiskelijat pystyivät suorittamaan monia erilaisia laboratorioita ja toimintoja. Tämä osoittaa, että opetussuunnitelman pituus voi kohtuudella vaikuttaa siihen, kuinka onnistuneesti se muuttaa opiskelijoiden STEM-asenteita. Oppituntien rakennustelineet ja eriyttäminen olivat myös avain opetussuunnitelman onnistumiseen. Opettaja havaitsi, että eri-ikäisillä oppilailla oli erilaisia taitoja ja tarpeita ja että hän pystyi helposti mukauttamaan opetussuunnitelmat jokaiselle luokalle. Myös itse VEX GO -robottisarja sopi hyvin opiskelijoiden tarpeisiin. Opiskelijat pystyivät helposti seuraamaan ohjeita, rakentamaan osia ja oppimaan, kuinka kappaleet toimivat ja yhdistettiin. Opiskelijat voisivat suorittaa rakennukset ja laboratoriot yhdellä luokkajaksolla, jolloin siivoamiseen on aikaa, mikä on välttämätöntä, jotta robotiikan opetussuunnitelma toimisi tavallisen koulupäivän rajoituksissa. Ala-ikäisille suunniteltu robotiikkasarja ja täydellinen monitieteinen opetussuunnitelma ovat molemmat kriittisiä robotiikassa opetuksessa ja oppimisessa todellisessa luokkahuoneessa.