Abstrakti
Opetusrobotiikka sitoo opiskelijat integroituun STEM-lähestymistapaan, joka auttaa oppilaita ymmärtämään STEM-käsitteitä ja lisäämään positiivisia käsityksiä STEM-aineista jo varhaisesta iästä lähtien. Kun COVID-19-pandemia puhkesi, fyysiset robotit kasvokkain luokkahuoneessa kävivät mahdottomaksi. Virtuaalinen robottiohjelma kehitettiin nopeasti toimimaan tutun koodausalustan kanssa tarjoamaan opiskelijoille ja opettajille vaihtoehtoinen robottiratkaisu, jota voidaan käyttää missä tahansa. Tässä artikkelissa tulkitaan kahden opettajan tapaustutkimuksen ohella yli miljoonan opiskelijan käyttötietoja maailmanlaajuisesti. Tämä tietojen yhdistelmä tarjosi näkemyksiä virtuaalirobotista oppimisvälineenä sekä opetusresurssina. Opettajien tapaustutkimukset paljastivat myös joukon kriittisiä tarpeita, jotka helpottavat opetusta tällaisissa arvaamattomissa olosuhteissa. Lopuksi nämä tiedot osoittavat, että virtuaalisen robotin oppimisympäristöä voitaisiin käyttää symbioottisena täydennyksenä fyysiselle robotille, jotta oppilaat saavat itseluottamusta iteratiivisen ohjelmoinnin avulla, lisäävät innostusta opetusrobotiikkaa kohtaan ja tarjoavat opettajille erittäin joustavan opetusvaihtoehdon eteenpäin.
Avainsanat
Virtuaalirobotti, opetusrobotiikka, opetusrobotiikka, COVID-19-ratkaisut, STEM-koulutus, tietojenkäsittely, ohjelmointi
Johdanto
Robotiikka ja tietojenkäsittelytiede on integroitunut yhä enemmän perus- ja keskiasteen kouluihin (lastentarhasta 12. luokkaan) 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 osallistuakseen täysimääräisesti teknologiaintensiiviseen globaaliin talouteen, ja että kaikkien on tärkeää saada pääsy korkealaatuiseen STEM-aiheiseen koulutukseen. Kansallisen tiede- ja teknologianeuvoston STEM-koulutusta käsittelevä komitea julkaisi vuonna 2018 raportin STEM-koulutuksen liittovaltion strategiasta. Tässä raportissa todetaan, että "STEM-koulutuksen luonne itsessään on kehittynyt päällekkäisten tieteenalojen joukosta integroidummaksi ja tieteidenvälisemmäksi lähestymistavaksi oppimiseen ja taitojen kehittämiseen. Tämä uusi lähestymistapa sisältää akateemisten käsitteiden opettamisen todellisten sovellusten kautta ja yhdistää muodollisen ja arkioppimisen kouluissa, yhteisössä ja työpaikoilla. Se pyrkii välittämään taitoja, kuten kriittistä ajattelua ja ongelmanratkaisua, sekä pehmeitä taitoja, kuten yhteistyö- ja sopeutumiskyky. Tämä kansallinen keskittyminen STEM-oppimiseen on liittynyt lisääntyneeseen tutkimukseen ja innovaatioihin koulutusympäristöissä, jotka koskevat teknologian sisällyttämistä paremmin STEM-aiheiden luokkahuoneeseen.
Robotiikka tarjoaa opiskelijoille käytännönläheisen tavan tutustua STEM-konsepteihin. STEM-perusaiheet ovat tärkeitä aiheita perus- ja toisen asteen koulutuksessa, sillä ne ovat välttämättömiä edellytyksiä syventävälle korkeakoulu- ja jatko-opiskelulle sekä työvoiman teknisten taitojen lisäämiselle1. Metaanalyysi2 paljasti, että yleisesti ottaen koulutusrobotiikka lisäsi oppimista tiettyjen STEM-konseptien osalta. Monissa ikäryhmissä tehdyt tutkimukset paljastivat, että robotiikka lisää opiskelijoiden kiinnostusta ja myönteisiä käsityksiä STEM-aineista3, 4, 5, mikä puolestaan lisää koulumenestystä ja edistää luonnontieteiden tutkinnon saavuttamista6, 7, 8. Lukiolaisten kohdalla robotiikkaa on käytetty tukemaan korkeakouluvalmiutta ja teknisiä urataitoja9, 10, 11, kun taas robotiikkaa on esitelty ala-asteen oppilaille kysely- ja ongelmanratkaisutaitojen kehittämiseksi sekä positiivisuuden edistämiseksi. käsitykset STEM-aiheista12, 13. Opetusrobotiikan käyttöönotosta on ollut hyötyä erityisesti nuorille opiskelijoille, jotka voivat alkaa muodostaa kielteisiä asenteita STEM-aineisiin jo 4. luokalla14. Nuoret opiskelijat hyötyvät integroidusta oppimisympäristöstä ja he kehittävät positiivisempia asenteita STEM-aineisiin varhaisten menestymiskokemusten myötä15.
Tutkimus on myös osoittanut, että robotiikan käyttöönotto opettajien esiopetuksessa lisäsi opettajan itsetehokkuutta, sisältötietoa ja laskennallista ajattelua16. Vaikka on loogista, että robotiikan hyödyt löytyisivät niin opettajista kuin opiskelijoistakin, robotiikan käyttöönotto virallisessa opettajankoulutuksessa on edelleen rajallista. Monissa maissa perinteinen opettajankoulutus keskittyy luonnontieteiden ja matematiikan tieteenaloihin perustuviin aiheisiin, jolloin useimmat opettajat ovat alivalmistautuneita tekniikan ja tekniikan aloilla17ja he ovat vähemmän itsevarmoja STEM-aiheiden opettamisesta, joita ei käsitellä virallisessa opettajakoulutuksessa tai luoda yhteyksiä STEM-alojen välillä18, 19. Bybee20 totesi, että tämä STEM-aiheiden rajoitus opettajankoulutuksessa johtaa tekniikan ja teknologian aliedustukseen, erityisesti perus-oppilaskoulutuksessa. Vaikka robotiikan sisällyttämisen edut opettajankoulutukseen ovat selvät16, vaihtoehto voitaisiin saavuttaa jatkuvalla ammatillisella kehityksellä ja arkioppimisella käytäntöyhteisöjen kautta. Bandura21 ilmaisi sosiaalisten oppimiskontekstien kriittisen puolen, ja siitä käsitteestä Lave ja Wenger22 hahmottelivat käytännön yhteisöjen (CoP) käsitteen. CoP:ssä jäsenet kokoontuvat yhteisen kiinnostuksen kohteeksi tiettyä alaa kohtaan, kehittävät yhteisöä ja jakavat tutkimusta ja näkemyksiä taitojen ja tietojen lisäämiseksi – käytännön kehittämiseksi22. Robotiikan sijasta muodollisessa opettajankoulutuksessa arkioppiminen ja yhteistoimintakokoukset voisivat tarjota samanlaisia etuja opettajille ja lisäksi opiskelijoille.
Valitettavasti COVID-19-pandemia aiheutti laajaa maailmanlaajuista häiriötä henkilökohtaisessa oppimisessa ja vaikutti lähes kaikkiin opiskelijoihin maailmanlaajuisesti23. Käytännön oppimiskokemukset keskeytettiin, mikä oli perustavanlaatuinen osa useimpia robotti-STEM-opetussuunnitelmia, mukaan lukien VEX-opetusrobotiikkalinjan käyttämä robottiopetussuunnitelma. Etäoppimisratkaisuja tarvittiin, jotta voidaan tarjota nopeasti virtuaalinen oppimisympäristö, joka voisi silti auttaa oppilaita käsittelemään STEM-aiheita aidolla ja mielekkäällä tavalla. VEX Robotics loi nopeasti VEXcode VR:n (jäljempänä yksinkertaisesti ”VR”), alustan, jossa on virtuaalinen robotti, jota voitaisiin käyttää samalla tavalla kuin fyysistä robottia.
Tässä artikkelissa tarkastellaan VR-alustan keräämiä käyttötietoja saadakseen käsityksen siitä, kuinka tämä virtuaalinen korvike oli tämän maailmanlaajuisen häiriön aikana. Lisäksi esitellään kaksi tapaustutkimusta, jotka tarjoavat kontekstin opettajien VR:n käyttöön etäoppimisympäristöissään. Tämän artikkelin kaksi pääasiallista tutkimuskysymystä ovat seuraavat:
- Mitä oivalluksia käyttödata ja opettajien tapaustutkimukset voivat paljastaa oppilaiden oppimisesta VR:n avulla COVID-19-epidemian jälkeen?
- Mitä oivalluksia opettajat voivat tarjota VR:n käyttöönotosta luokkahuoneessa?
Erityisesti opettajat tunsivat COVID-19:n aiheuttaman kaaoksen. Vuosikymmenten kokemus ja henkilökohtaiseen oppimiseen suunnitellut oppitunnit kääntyivät hetkessä päälaelleen, mutta tämä häiriö kannusti myös opettajia kokeilemaan uusia työkaluja ja opetusmenetelmiä. Tehtyjen päätösten ja saavutettujen tulosten ymmärtäminen innovatiivisten ratkaisujen kautta johtaneiden opettajien näkökulmasta voi antaa oivalluksia siitä, miten uutta teknologiaa voidaan sisällyttää oppilaiden oppimisen vahvistamiseksi robotiikassa ja STEM-aineissa eteenpäin.
menetelmät
VEXcode VR. Kun koulut Yhdysvalloissa suljettiin maaliskuussa 2020, tarvittiin ratkaisu, joka voisi pitää opiskelijat kiinnostuneina robotiikasta ja STEM-aiheista etätyöskentelyn aikana. VR kehitettiin ja lanseerattiin 2.4.2020, vain viikkoja sen jälkeen, kun useimmat koulut siirtyivät virtuaalimuotoon. VR-aktiviteetit luotiin sopusoinnussa muiden robottiopetussuunnitelmien kanssa, ja poikkitieteelliset oppitunnit on sovitettu sisältöstandardeihin. VEXcode VR -koodausalusta on sama kuin koodausympäristö, jota opiskelijat normaalisti käyttäisivät fyysisten robottien kanssa virtuaalisen käyttöliittymän lisäyksellä, kuten kuvasta 1 näkyy. Fyysisen robotin sijasta opiskelijat luovat projekteja virtuaalisen robotin ohjaamiseksi temaattisella ”leikkikentällä”, joka muuttuu toiminnan mukaan. Koodauksen aloittelevat opiskelijat käyttävät lohkopohjaista ohjelmointia ja edistyneet Python-pohjaista tekstiä.
Kuvio 1. VEXcode VR -alustan käyttöliittymä Coral Reef Cleanup -toimintaan.
VR-toiminnat luotiin tieteidenvälisiksi, ja niissä yhdistyvät virtuaalirobotin ohjaamisen perustana olevat tietojenkäsittelytaidot tieteen tai matematiikan aiheisiin. Näiden VR-toimintojen aikana opiskelijat oppivat ohjelmoinnin lisäksi myös tieteellistä tutkimusta, matemaattista ajattelua ja teknistä lukutaitoa – kaikki integroidun STEM-kehyksen osat19. COVID-19:n tuomat ainutlaatuiset olosuhteet vaativat, että oppilaat pystyivät suorittamaan oppitunteja itsenäisesti sekoitettuissa, synkronisissa tai asynkronisissa olosuhteissa. Tämän saavuttamiseksi opiskelijat tutustutaan oppimistavoitteisiin ja toiminnan tavoitteeseen. Suoraa opetusta käytetään sitten vaiheittaisen opetuksen ja tarkoituksellisen rakennustelineen sekvenssioppimiseen ymmärtämisen ymmärtämiseksi24, 25. Tämän jälkeen opiskelijat saavat kohdistettuja telineitä, jotka johtavat lopullisen koodaushaasteen ratkaisemiseen26. Opiskelija oppii, että robotiikkaa ja koodausta käytetään käytännön, tieteidenvälisten ongelmien ratkaisemiseen. Esimerkiksi koralliriuttojen siivousaktiviteetissa oppilaat haastetaan navigoimaan robottinsa koralliriutan ympäri keräämään mahdollisimman paljon roskaa ennen kuin heidän aurinkoenergialla ladattu akkunsa kuolee. Saastuminen on maailmanlaajuinen ongelma, jonka huomisen opiskelijat ratkaisevat, ja osallistumalla näihin autenttisiin skenaariopohjaisiin projekteihin auttaa opiskelijoita soveltamaan tietojenkäsittelytaitoja eri tieteenaloilla.
Kuva 2. Koralliriuttasiivousaktiviteetin tehtävän konteksti.
Ottaen huomioon, että opiskelijat ovat erillään ohjaajistaan, virtuaaliympäristön piti olla mahdollisimman saumaton huomion jakautumisen ja kognitiivisen kuormituksen vähentämiseksi27, 28. Oppilaat voivat vetää ja pudottaa komentoja projektiinsa ja katsella robottinsa navigoivan VR-leikkikentällä samassa ikkunassa. Oppilaat voivat lisätä minkä tahansa määrän lohkoja kerrallaan ja suorittaa projektin jokaisen lisäyksen jälkeen nähdäkseen, kuinka heidän robottinsa liikkuu leikkikentällä. Tämä antaa opiskelijoille välitöntä palautetta ja varhaisia onnistumisen tunteita.
Lisäksi etäoppiminen loi käytännön esteitä, jotka VR:n oli voitettava. Koulun tietokoneissa on usein rajoituksia sovellusten lataamiselle, mikä aiheuttaa ohjelman lisäämisen esteeksi tavallisimmissa olosuhteissa, puhumattakaan silloin, kun oppilaat ovat etäopetuksessa koulun tietokoneiden kanssa. Mutta oppilailla ei ehkä ole edes pääsyä koulun tietokoneisiin tehdäkseen töitään. VR:n käyttömahdollisuuksien maksimoimiseksi ohjelma rakennettiin täysin verkkopohjaiseksi (ei vaadi latausta tai laajennuksia) ja sitä voidaan käyttää useilla eri tyyppisillä laitteilla, mikä lisää todennäköisyyttä, että opiskelijat voisivat käyttää sitä.
Tulokset
Käyttötiedot. Esitetyt tiedot tarjoaa Google Analytics. Koska VEXcode VR on täysin selainpohjainen, on olemassa useita erilaisia mittareita, jotka antavat käsityksen siitä, miten tätä virtuaalista robottiympäristöä on käytetty maailmanlaajuisesti. Sen julkaisun jälkeen huhtikuussa 2020 VR-käyttäjien määrä on kasvanut kuukausittain, mikä on yhteensä yli 1,45 miljoonaa käyttäjää yli 150 maassa.
Kuva 3. Maat, joissa on VR-käyttäjiä maailmanlaajuisesti.
COVID-19:n ja VR-julkaisun aikajanan vuoksi tarkistimme myös käytön ajan mittaan. Kuten kuvasta 4 näkyy, käyttäjämäärät nousivat nopeasti pian julkaisun jälkeen ja laskivat sitten kesäkuukausina, kun opiskelijat olivat poissa koulusta. Tyypillinen paluu koulukuukausiin (elo-syyskuu) lisääntyi merkittävästi, mikä jatkui koko lukuvuoden ajan. Ajoittainen käyttäjien määrän lasku osoittaa, että käyttö on vähentynyt viikonloppuisin ja loma-aikoina.
Kuva 4. Käyttäjien määrä ajan kuluessa VR:n julkaisusta.
Projekti on ohjelma, jonka opiskelijat luovat oppituntia tai haastetta varten. Projekteja ei tarvitse tallentaa, jotta ne voidaan suorittaa, mutta tallennettu projekti ladataan, jotta käyttäjä voi palata siihen myöhemmin. Tallennettuja ohjelmia oli yli 2,52 miljoonaa. Projektia ei kuitenkaan tarvitse tallentaa, jotta se voidaan suorittaa. Koska VR on täysin selainpohjainen, projektin muokkaaminen ja testaus tapahtuu välittömästi valitsemalla "START". Ohjelmistossa on ajettu yli 84 miljoonaa projektia, mikä osoittaa, että opiskelijat testasivat projektejaan säännöllisin väliajoin. Tämän välittömän palautesilmukan ansiosta opiskelijoilla oli mahdollisuus kokeilla ja iteroida paljon nopeammin kuin fyysisen robotin kanssa työskenteleminen. Tämä iteratiivinen prosessi on hyvä osoitus opiskelijoiden oppimisesta, koska useiden iteraatioiden on osoitettu ylläpitävän oppilaiden sitoutumista ja kiinnostusta29.
| VEXcode VR Data | |
|---|---|
| Käyttäjät | 1 457 248 |
| Tallennetut projektit | 2 529 049 |
| Suorita projekteja | 84 096 608 |
| Maat | 151 |
Pöytä 1. Kaikki VEXcode VR:n käyttötiedot huhtikuusta 2020 huhtikuuhun 2021.
Sertifiointitiedot. Itse VR-ohjelman ja siihen liittyvän opetussuunnitelman lisäksi VR sisältää ilmaisen opettajakoulutuksen nimeltä CS with VEXcode VR Educator Certification Course. Sen julkaisun jälkeen kesäkuussa 2020 yli 550 kouluttajaa on suorittanut VEX Certified Educator -sertifioinnin, joka sisältää yli 17 tuntia opetussuunnitelmaa ja tukea. Sertifiointikurssi sisältää 10 yksikköä materiaalia, joiden tarkoituksena on valmentaa opettajia, joilla ei ehkä ole kokemusta tietojenkäsittelytieteestä tai robotiikasta. Sisältö kattaa muun muassa ohjelmoinnin perusteet, VR-robotin koodaamisen, VR-toimintojen opettamisen ja VR:n toteuttamisen luokkahuoneessa. Kuvassa 5 näkyy sekä sertifioitujen kouluttajien määrä kuukausittain että kumulatiivisesti kesäkuusta 2020 maaliskuuhun 2021. Tietojen trendit osoittavat, että sertifioitujen opettajien määrä on kasvanut kouluaikana, eli elo- ja syyskuussa sekä lokakuussa 2020.
Tapaustutkimus 1
Aimee DeFoe on rehtori Kentucky Avenue Schoolissa, pienessä yksityiskoulussa Pittsburghissa Yhdysvalloissa, jossa yhdistyvät perinteiset ja innovatiiviset opetus- ja oppimismenetelmät. Kuten useimmat koulut, COVID-19 häiritsi Kentucky Avenue Schoolia, ja sen oli löydettävä vaihtoehtoisia suunnitelmia syksyn 2020 lukuvuoden alkamiselle tietämättä, miten olosuhteet muuttuisivat. Vuoden kuusi ensimmäistä viikkoa opetettiin täysin virtuaalisesti ja loppuvuosi vietettiin hybridimuodossa opiskelijakohorttien vuorotellen henkilökohtaista ja etäopetusta. Silloinkin kun opiskelijat opiskelivat kotona, oli tärkeää, että opiskelijat jatkavat samojen ongelmanratkaisu- ja kriittisten ajattelutoimintojen tekemistä kuin luokkahuoneessa.
Aimee päätti käyttää VR:ää kuudennen ja seitsemännen luokan oppilaidensa kanssa useista syistä. Koska VR oli täysin virtuaalinen oppimisympäristö, opiskelijat voisivat siirtyä kodin ja koulun välillä ilman, että politiikka vaikuttaa heidän oppimistoimintaansa. Lohkopohjainen koodausympäristö ei olisi pelottava koodaamisen uusille opiskelijoille, ja siellä oli toimintaa, joka oli suunniteltu erilaisille kokemustasoille. Hän uskoi myös, että opiskelijoiden mielestä VR-robotit olisivat jännittäviä ja motivoivia – minkä hän piti paikkansa. Pohtiessaan, mitä hän toivoi opiskelijoiden saavan VR:ltä, Aimee sanoi:
Toivoin, että VR:n käyttäminen olisi yhtä tiukkaa, haastavaa ja jännittävää kuin fyysisten robottien käyttäminen ja että opiskelijani eivät kokisi jäävänsä paitsi kokemuksesta, vaan saisivat uudenlaisen koodauskokemuksen, joka oli vain yhtä jännittävää. Halusin heidän tuntevan samanlaisen saavutuksen kuin he olisivat kokeneet luokkahuoneessa, kun heidän oli toistettava ja jatkettava haasteita ja sitten lopulta saavutettava menestystä.
Ainoana robotiikan opettajana Aimee opetti 23 oppilasta kerran viikossa koulun alkamisen ja talviloman välisenä aikana, yhteensä 15 oppituntia. Opiskelijat aloittivat Tietojenkäsittelytieteen taso yksi - lohkot -kurssilla. Aimee työskenteli ensimmäisen yksikön opiskelijoiden kanssa ryhmänä, mutta loput oppitunnit antoivat opiskelijoiden työskennellä omaan tahtiinsa ja toimi fasilitaattorina. Suurin osa opiskelijoista valmistui seitsemän ja yhdeksän yksikön välillä, ja lisäksi suoritettiin valtamerten puhdistustoiminta.
Aimee havaitsi, että oppilaat olivat erittäin motivoituneita oppituntien haasteista; niin paljon, että joskus oli vaikea saada heidät käymään oppitunnin läpi järjestelmällisesti. Jotkut oppilaat, jotka kamppailivat huomion tai lukemisen kanssa, tarvitsivat lisätukea, ja suurempi kuin/pienempi kuin ja Boolen käsitteet olivat haastavia. Useimmilla opiskelijoilla oli kuitenkin riittävästi haastetta, kamppailua ja menestystä. Oppilaat olivat innoissaan ajatuksesta työskennellä fyysisten robottien kanssa palatessaan luokkaan. Työskentelyään VR:n kanssa Aimee totesi: "Kaikki lähtivät luokasta epäilemättä itsevarmempana koodaajana."
Tapaustutkimus 2
Mark Johnston opettaa seitsemännen ja kahdeksannen luokan oppilaita Bel Air Middle Schoolissa El Pasossa, Yhdysvalloissa. STEM 1 -kurssillaan Mark opettaa Project Lead the Way Gateway -kursseja automaatiosta ja robotiikasta sekä suunnittelusta ja mallintamisesta noin 100 opiskelijalle. STEM 1 -kurssi sisälsi VEX IQ -robotin perusmekaniikan ja peruskoodauksen opettamiseen VEXcode IQ:lla (muovinen robottisarja nuoremmille opiskelijoille). Tämä kurssi opetetaan syyslukukaudella, joten alkuperäinen COVID-19-häiriö ei vaikuttanut hänen robotiikkaan keväällä. Huhtikuussa 2020 Mark näki kuitenkin VEX VR -robotin ja aloitti työskentelyn sen kanssa. ”Kun näin, että VR käytti samaa asetusta (eli VEXcodea), olin erittäin innoissani, koska näin potentiaalin – kuten palapelin palan, jonka TIESIN, että se sopisi täydellisesti siihen, mitä jo teen. Kun VR päivitettiin sisältämään Python, olin vieläkin innoissani. Mark loi opetusvideoita muille opettajille ja keräsi paljon seuraajia sosiaalisen median alustoilla. Mark tarjosi oman voittoa tavoittelemattoman koulutusyrityksensä kautta VR:n opiskelijoille ilmaisen kesäleirin lukuvuoteen 2020/21 valmistautuvien opettajakoulutuksen lisäksi.
Epävarmat opetusolosuhteet vaikeuttavat suunnittelua. ”Kun tajusin, että etäopiskelu jatkuu lukuvuonna 2020/21, päätin opettaa ensin suunnittelua ja sitten robotiikkaa… , mutta niin paljon asioita oli ilmassa, oli vaikea suunnitella mitään. En tiennyt, palaammeko takaisin henkilökohtaisesti vai jatkammeko verkossa – silloin oli hyvin vähän tietoa. Päädyin vain sekoittamaan robotiikkaa ja suunnittelua yhteen ja suunnittelemaan vain yksi tai kaksi päivää etukäteen. Mark aloitti VR:n käytön lukuvuoden alussa (joka pysyisi 100 % etänä vuoteen 2021 asti) poimimalla sivustolta erilaisia aktiviteetteja, mikä toimi hyvin, koska siellä oli erilaisia kokemustasoja ja muokattavia ohjeita. Kun Tietojenkäsittelytieteen taso 1 - Blocks -kurssi julkaistiin, hän opasti opiskelijat sen läpi kokonaisuudessaan, vaikka totesikin, että seuraavalla kerralla hän tislaa oppitunnit lyhyemmiksi luennoiksi. VR:n käyttäminen oli luonnostaan erilaista kuin henkilökohtaiset robotiikkatunnit, mutta Markilla oli silti joukko keskeisiä tavoitteita näille tunneille:
- Tutustu VEXcodeen
- Kasvata itseluottamusta ohjelmointiin (itsetehokkuuteen)
- Esittele ohjelmointiideoita/sanastoa uhkaamattomalla tavalla
- "Hopeta" heidät käyttämään matematiikkaa huomaamattaan ;)
- Pyydä oppilaita ratkaisemaan hyvin määriteltyjä ongelmia tietyin rajoituksin
- Esittele huonosti määriteltyjä ongelmia
- Kannusta "epäonnistua ja yritä uudelleen" -asenteeseen
- Pidä ongelmanratkaisu hauskana
Vaikka virtuaalinen kokemus oli erilainen, Mark löysi VR:n käyttämisestä selkeitä etuja. Opiskelijat pelkäsivät paljon vähemmän VR-kokeilua kuin RobotC:tä (toinen koodauskieli, jota käytetään muiden robottien kanssa). Mark käyttää myös mittausta siitä, kuinka kauan oppilailla kestää "voiton" saaminen määrittääkseen, kuinka hyvä STEM-toiminta on, ja huomauttaa, että "jos kestää liian kauan ennen kuin opiskelija saa positiivisen tuloksen, on paljon vaikeampaa pitää niitä. kihloissa.”
VR:llä oli välittömyys, joka kannusti tutkimaan ja aktiiviseen toimintaan. Mark kuvaa tämän tyyppistä "voittoa" esimerkillä VR:n esittelemisestä opiskelijoille:
Minä: "Kaikki avaavat uuden välilehden ja menevät osoitteeseen vr.vex.com. Näkevätkö kaikki sivuston? Hyvä. Anna nyt robotin ajaa eteenpäin."
Opiskelija: "Kuinka?"
Minä: "Katso, voitko keksiä…"
Opiskelija: "Tajusin sen!"
Ja sitten he ovat koukussa! Siihen mennessä monet heistä kysyvät minulta, kuinka tehdä kaikenlaisia asioita. He kirjaimellisesti pyytävät minua opettamaan heitä!
Tulokset ja keskustelu
VR oppimistyökaluna. Sekä käyttötiedot että tapaustutkimukset antavat oivalluksia ensimmäiseen tutkimuskysymykseen siitä, kuinka VR toimi oppimisvälineenä COVID-19-pandemian aikana. Yksinkertaisin take away on pelkkä käyttömäärä; VR-alustaa käytti yli miljoona opiskelijaa ympäri maailmaa, mikä osoittaa, että virtuaalinen robottiympäristö toimi hyvin henkilökohtaisen oppimisen korvikkeena kriisitilanteissa. Ajettujen projektien määrä (84+ miljoonaa) oli myös yllättävä havainto yksittäisten käyttäjien lukumäärää ajatellen. Käyttäjät suorittivat keskimäärin 57 projektia, mikä osoitti korkeatasoista testausta ja iterointia. Tämä on erittäin lupaava tulos, kun otetaan huomioon "yritä ja yritä uudelleen" -asenteen kehittäminen opiskelijoissa. On olemassa useita mahdollisia tapoja ratkaista VR-toimintoja, mikä on oppilaille tärkeä oppitunti. Kun opiskelijat ymmärtävät, että ongelmaan on useita ratkaisuja, voi olla suurempi todennäköisyys, että opiskelijat pyytävät palautetta opettajilta ja he ymmärtävät paremmin oppimaansa30.
Tapaustutkimuksista on myös saatu vahvistusta, että VR toimii matalan panoksen oppimisympäristönä. Aimee huomautti, että hänen oppilaansa olivat itsevarmempia koodaajia ja odottivat innolla työskentelyä fyysisten robottien kanssa. Mark huomasi, että opiskelijat pelkäsivät vähemmän kokeiluja koodaaessaan VEXcode VR:ssä ja heidän "voiton" tunteensa oli välitöntä tässä ympäristössä. Kun tarkastelemme näitä opettajien havaintoja raakakäyttötietojen kanssa, se näyttää vahvistavan, että virtuaalinen robottiympäristö saa oppilaat tuntemaan olonsa vapaammaksi kokeilemaan ja iteroimaan oppimisprosessinsa aikana ja lisää positiivisia käsityksiä robotiikasta yleensä.
Oppitunnit opettajilta. Kun tarkastellaan toista tutkimuskysymystä siitä, mitä näkemyksiä opettajat voivat tarjota VR:n käyttöönotosta luokkahuoneessa, voimme tunnistaa tapaustutkimuksista useita yhteisiä piirteitä. Molemmat tapaustutkimukset paljastivat tietoa siitä, kuinka opettajat tekivät päätöksiä ja toteuttivat ratkaisuja COVID-19:n aikana, mutta myös siitä, mitä tarvittiin tehokkaan oppimisratkaisun tarjoamiseksi opiskelijoille virtuaalisessa ja hybridiympäristössä. Näitä teemoja ovat muun muassa joustavat ratkaisut, jatkuvuus sekä opetussuunnitelma ja tuki. Näitä havaintoja tulee pitää vaatimuksina kaikille teknologiaratkaisuille, sillä opettajien tukeminen tukee oppilaita.
Opetusolosuhteisiin liittyvän epävarmuuden vuoksi sekä Mark että Aimee totesivat tarvitsevansa joustavia ratkaisuja. Etäoppiminen voi muuttua kasvokkain tapahtuvaksi oppimiseksi tai jollain tavalla siltä väliltä. VR:tä voitiin jatkossakin käyttää missä tahansa ympäristössä, mutta se tarjosi myös joustavuutta lähestymistapaansa. Opiskelijat voisivat osallistua strukturoituihin opettajan johtamiin oppitunteihin, kuten Mark käytti toimintojen ja kurssin kanssa, tai oppilaiden johtamaa oppimista omaan tahtiinsa, kuten Aimee kuvaili. Opettajat tarvitsivat myös joustavuutta kokemustasossa sekä toimintojen että tarjottavien ohjelmointikielten tyypin suhteen kaikkien opiskelijoiden tarpeisiin.
Oppimisen jatkuvuus mainittiin molemmissa tapaustutkimuksissa tärkeäksi. Aimee totesi, että VR-työskentelyn jälkeen opiskelijat olivat innoissaan päästäkseen töihin VEX V5 -robottien kanssa, jotka odottivat henkilökohtaisen oppimisen alkamista. VR toimi ponnahduslautana työskentelyyn fyysisten robottien kanssa ja lisäsi opiskelijoiden innostusta ja positiivisia mielipiteitä. Mark totesi myös, että VEXcoden jatkuvuus VR:stä älykkyysosamäärään oli hänelle erittäin tärkeää: "En voi kertoa teille, kuinka mahtavaa on, että VEXillä on erittäin helppo seurata etenemistä 3. luokasta yliopistoon käyttämällä VEXcodea! Ja VR:n avulla he voivat alkaa oppia sitä kotoa!
Opetussuunnitelma ja tuki olivat selvästi kriittisiä VR:n menestymiselle tässä kehittyvässä oppimistilanteessa. VR-yksiköt tarjosivat opiskelijoille kaiken opiskelumateriaalin sekä oppituntien opettamiseen tarvittavan materiaalin. Kaikilla opettajilla ei ole tietojenkäsittelytieteen ja koodauksen taustaa. Aimee huomautti, että lohkopohjainen ohjelma ei myöskään ollut hänelle pelottava oppilaidensa lisäksi. Mark sanoi myös, ettei hän ollut tottunut opettamaan niin paljon tietojenkäsittelytiedettä, ja hänen oli opittava tunnit itse ennen opettamista. Mark kuitenkin myönsi: "Jos asiat palaisivat "normaaliksi" huomenna, voin nyt opettaa luokkani ohjelmointiosia luottavaisemmin." Opettajien tuki VR:n opetussuunnitelmaan ja ohjelmointiin on elintärkeää VR:n toteuttamiselle luokkahuoneessa.
Digitaalinen oppiminen ei ole vain opiskelijoille; opettajat tavoittavat myös oppiakseen opetuskäytännöistä ja -resursseista teknologian ja sosiaalisen median kautta. Opettajat lähes 50 maassa suorittivat VR-sertifioinnin. VR:n ympärille on muodostumassa globaali käytäntöyhteisö. Mark alkoi julkaista videoita VR:stä sosiaalisessa mediassa, ja hänellä oli nopeasti yli tuhat seuraajaa; VR-työskentelynsä kautta hän ystävystyi opettajien kanssa Sloveniassa ja Taiwanissa. Kun opettajat jakavat kokemuksiaan ja käytäntöjään, opiskelijat hyötyvät viime kädessä näistä epävirallisista opettajien tukiryhmistä. Käytännön yhteisöt voisivat tarjota sillan opetusrobotiikan nykyisen saatavuuden ja tämän teknologian sisällyttämisen välillä muodolliseen opettajankoulutukseen. Kun yhä useammat opettajat tutustuvat koulutusrobotiikkaan ammatillisen kehityksen kautta, kuten yli 550 sertifiointikurssin suorittanutta opettajaa tai epävirallisten oppimisyhteisöjen kautta, yhä useammat opiskelijat tutustuvat integroituun STEM-oppimiseen.
Johtopäätös
VEXcode VR luotiin suuren epävarmuuden ja välittömien ratkaisujen suuren tarpeen aikana. Innovatiivisia ratkaisuja voi syntyä kiireellisistä tilanteista. VR on koskettanut yli 1,45 miljoonaa käyttäjää, jotka ovat säästäneet yli 2,52 miljoonaa projektia ja toteuttaneet yli 84 miljoonaa projektia yli 150 maassa. Vaikka pandemia on vaikuttanut opiskelijoihin ja opettajiin ympäri maailmaa, VR on mahdollistanut opiskelijoiden ja opettajien vuorovaikutuksen robotiikan ja tietojenkäsittelytieteen konseptien parissa fyysisistä esteistä huolimatta. Opettajien tapaustutkimuksista joustavuuden, jatkuvuuden, opetussuunnitelman ja tuen teemat tunnistettiin tärkeiksi tekniikan avulla tapahtuvalle opetukselle tällaisissa epävarmoissa ja haastavissa olosuhteissa.
Tästä ennennäkemättömästä ajasta eteenpäin VR:n luomisesta ja toteutuksesta saadut opetukset osoittavat väyliä sen käyttöön tulevaisuudessa. Käyttötiedot yhdistettynä opettajien tapaustutkimuksiin osoittavat, että opiskelijat kokivat vähemmän esteitä iteroida koodaaessaan virtuaaliympäristössä. Tämä viittaa siihen, että VR voi olla arvokas rakennusteline, jota voitaisiin käyttää yhdessä fyysisten robottien kanssa. Tätä tukee myös joustavuuden tarve; VR:n käyttäminen oppimisvälineenä yhdessä fyysisen robotin kanssa voisi tarjota optimaalisen, joustavan robotin oppimisympäristön, jossa helppo, kotona suoritettava vaihtoehto täydentää henkilökohtaisen fyysisen robotiikan opetussuunnitelmaa. Odotamme innolla tulevaa tutkimusta selvittääksemme, kuinka opettajat voisivat yhdistää virtuaalisen ja fyysisen robotiikan pandemian jälkeisessä maailmassa.
Kiitokset
Kiitämme Aimee DeFoea ja Mark Johnstonia opetuskokemuksensa ja arvokkaiden oivallustensa jakamisesta.