Waarom onderwijsrobotica onderwijzen?

De afgelopen jaren is de belangstelling voor educatieve robotica toegenomen, omdat leraren en scholen hetvan robotica omarmen om praktische en boeiende manieren te bieden om ontwerp, techniek en technologie te^{. Het gebruik van educatieve robotica wordt ook gezien als een manier om studenten te introduceren en te stimuleren om een ​​loopbaan op het gebied van wetenschap, technologie, techniek en wiskunde (STEM) na te strevenii, dankzij alle toegenomen aandacht en investeringen gegeven aan het medium. De daaruit voortvloeiende technologische vooruitgang draagt ​​in grote mate bij aan de toegankelijkheid van dit instrumentiii. Sommigen beschouwen robotica nu zelfs als een soortgelijke rol in het klaslokaal als computers ooit deden, te beginnen in het begin van de jaren negentig en met de introductie van het gebruik van cd-roms en Microsoft PowerPoint in klaslokaleniv.}

Met de groeiende aanwezigheid van Educational Robotics komen er belangrijke vragen. Wat zijn de beste toepassingen van deze nieuwe en opwindende tool? Hoe kunnen we best practices vaststellen? Hoe conceptualiseren we het doel van educatieve robotica in de klas? Deze vragen kunnen ingewikkelder zijn dan ze op het eerste gezicht lijken. En het beantwoorden ervan kan in eerste instantie meer vragen oproepen dan toen we begonnen. Gebruiken leerlingen bijvoorbeeld educatieve robotica als medium om hun ideeën en denken te tonen, of creëren leerlingen ideeën en denken door interactie met het medium? Is onderwijsrobotica een manier voor leerlingen om hun competenties te tonen, of is het een infrastructuur waarop leerlingen^tegennieuwe competenties bouwen? Misschien kan het overwegen van een aspect van computergebruik in de klas helpen om meer licht op het onderwerp te werpen.

Afhankelijk van de toepassing kan een medium een ​​andere reikwijdte hebben. Schilderen kun je zien als een medium, waarmee je een hek of de Sixtijnse Kapel kunt beschilderen. De veelzijdigheid van computers als medium is waarschijnlijk zelfs nog groter; een computer kan met een zeer beperkte reikwijdte in de klas worden gebruikt, hetzij als rekenmachine, hetzij als tekstverwerker, maar kan ook worden gezien en omarmd als een krachtig communicatiemiddel op zich. Zoals Mark Guzdial heeft opgemerkt, kunnen computers worden opgevat als een moderne vorm van Gutenbergs drukpers^vi, en als een manier om over andere domeinen na te denken. Als zodanig hebben technologieën zoals computermodellering en algoritmen een aanzienlijke impact gehad op ons begrip van de gebieden van wiskunde en natuurwetenschappen^vii.

Wat is dan de reikwijdte van educatieve robotica? Educational Robotics kan worden gebruikt als vooraf gebouwde objecten die zeer specifieke taken uitvoeren, terwijl sommige Educational Robotics-systemen studenten in staat stellen actieve deelnemers te worden bij het ontwerpen van hun leerproces – en makers van computerartefacten, in plaats van passieve gebruikers van apparaten die anderen hebben gemaakt voor hen^viii. Dit biedt unieke mogelijkheden voor docenten. Educatieve robotica wordt zo een medium dat leerlingen de mogelijkheid biedt om hun stem en keuze te laten horen bij het leren en hen niet alleen te betrekken bij het oplossen van problemen, maar ook bij het vinden van problemen, het construeren van problemen, het analyseren van problemen en het plannen en monitoren van probleemoplossende inspanningen. Educatieve robotica wordt dan iets veel groters: een medium om studenten voor te bereiden op de complexiteit van de uitdagingen die hen te wachten staan ​​als ze zich voorbereiden op banen die momenteel, en ook een manier om andere waardevolle vaardigheden te integreren (bijvoorbeeld communicatie en samenwerking ) die behoren tot het bredere spectrum van 21e-eeuwse vaardigheden.

De inspanningen van scholen om het medium Educatieve Robotica te implementeren lijken evenveel manifestaties te hebben opgeleverd als verschillende motivaties die de initiatieven aandrijven. Sommige scholen gebruiken deze tool als geïntegreerd onderdeel van een op zichzelf staande computerwetenschappen- of STEM-cursus, terwijl andere scholen deze moderne oplossing gebruiken als aanvulling op traditionele vakken. Nog andere scholen gebruiken ze als naschoolse activiteiten die vervolgens inspelen op de motiverende effecten van ‘gamifying’ en competities om de participatie en betrokkenheid van leerlingen te vergroten. Op dezelfde manier waarop scholen hebben geleerd het gebruik van computers niet te beperken tot dure rekenmachines, mag het gebruik van educatieve robotica niet worden beperkt door waargenomen beperkingen.

De moeite waard om in detail te verkennen zijn de volgende toepassingen voor educatieve robotica:

• Onze wereld begrijpen
• Geïntegreerd STEM-onderwijs op nieuwe manieren onderwijzen
• Computationeel denken aanleren
• Op uw gemak raken met iteratie en leren van mislukkingen
• Worden blootgesteld aan en leren over de banen van de toekomst

Om onze wereld te begrijpen

Wetenschap is de verklaring van de natuurlijke wereld. Studenten die wetenschappelijk geletterd zijn, zijn in staat zowel de concepten als de praktijken van de wetenschap te begrijpen. Daarom biedt het onderwijzen van wetenschap aan studenten hen de kans om de wereld waarin zij leven te begrijpen. Dit is de reden waarom de leerplannen van middelbare scholen in het hele land vakken als astronomie, biologie en scheikunde omvatten. Maar hoe zit het met robotica? Het is duidelijk dat robots wijdverbreid zijn in ons dagelijks leven, en dat deze prevalentie^xtoeneemt. Verbeteringen in de technologie die verband houdt met robots hebben geleid tot een exponentiële groei van rekenkracht en gegevensopslag^x. Dit heeft geresulteerd in robots die in staat zijn om te leren en beslissingen te nemen op basis van de ervaringen van andere robots. Robots zijn niet langer machines die eenvoudige functies uitvoeren. Bovendien treft de stijgende vraag naar robots en robottechnologie sectoren. Ja, fabrieken zijn de thuisbasis van veel robots, maar robots komen nu ook steeds vaker voor in educatieve en amusementsomgevingen. Het is heel goed mogelijk dat robots in de nabije toekomst veel leden van de oudere bevolking zullen helpen zelfstandig in hun huis te blijven wonen, waardoor een nieuw veld van ‘co-robots’ ontstaat.^xiii

Scholen leren terecht over planeten en sterren die lichtjaren verwijderd zijn…maar niet over de technologie waarmee velen dagelijks omgaan. Dit is een uitdaging, maar ook een kans. Onderwijs stimuleert wetenschap en innovatie. De studie van de biologie blijft leiden tot betere behandelingen en de uitroeiing van ziekten en aandoeningen^xiii. Als robotica een academisch kernvak op onze scholen zou worden, zou dit mogelijk een vergelijkbare impact kunnen hebben.

Om geïntegreerd STEM-onderwijs op nieuwe manieren te onderwijzen

Onderwijsonderzoekers suggereren dat leraren vaak moeite hebben om verbanden te leggen tussen STEM-disciplines^xiv. Dit vormt een uitdaging voor scholen, aangezien de Next Generation Science Standards transversale concepten bevatten die verschillende wetenschappelijke domeinen bestrijken. Daarom zullen studenten moeite hebben met het overbrengen van concepten die vaak afzonderlijk worden onderwezen naar de geïntegreerde context die ze op beoordelingsexamens zullen zien. Een ander onbedoeld gevolg van het geïsoleerd onderwijzen van wetenschappelijke concepten is de neiging om een ​​leeromgeving te creëren waarin studenten zich terugtrekken. De authentieke voorbeelden die zij van wetenschap in hun dagelijks leven zien, zijn diep geïntegreerd in STEM-disciplines, in tegenstelling tot singulariteit. Het doel van STEM-onderwijs is om studenten te helpen informatie binnen en tussen disciplines te organiseren, om diepe, structurele overeenkomsten en patronen binnen deze informatie te kunnen identificeren en ermee te redeneren; het hoogtepunt resulteert idealiter in het vermogen om deze organisatie van kennis toe te passen op complexe situaties en problemen in het dagelijks leven^xv.

Educatieve robotica kan deze uitdagingen helpen aanpakken door op te treden als facilitator voor leraren en scholen bij het organiseren van STEM-onderwijs. Omdat de reikwijdte van Educational Robotics veel verder gaat dan speelgoed dat eenvoudige instructies kan krijgen, kunnen klaslokalen die gebruik maken van Educational Robotics leerlingen robuuste technische en programmeeruitdagingen bieden.

Om computationeel denken te leren

De afgelopen tien jaar is Computational Thinking in populariteit en inclusie in klaslokalen in het basis- en voortgezet onderwijs gegroeid^xvii. Computational Thinking is opgenomen als onderdeel van de Next Generation Science Standards en als een essentieel onderdeel van wiskunde en wetenschappen in de echte wereld. Computationeel denken wordt algemeen beschouwd als een integraal onderdeel van elk STEM-klaslokaal^xviii.

De toename van de populariteit van Computational Thinking als concept, zowel binnen als buiten scholen, heeft ertoe geleid dat scholen effectieve hulpmiddelen proberen te vinden om computationeel denken te integreren en aan hun leerlingen te leren. Een overeenkomstig doel was het verbreden van de deelname aan de lessen – met name computerwetenschappen – die zich sterk verdiepen in computationeel denken; het aanpakken van de genderkloof op dit gebied is ook een consequente doelstelling geweest. Momenteel vormen meisjes ongeveer de helft van alle AP-testpersonen, maar slechts 25% van degenen die AP-computerwetenschappen volgen^xix

Educatieve robotica kan een effectief hulpmiddel zijn om computationeel denken aan te leren en tegelijkertijd de participatiedoelen te helpen verbreden.^{xx xxi} Recente ontwikkelingen op het gebied van educatieve robotica hebben de kosten verlaagd en het gebruiksgemak vergroot, waardoor ze toegankelijker zijn geworden voor studenten en geleidelijk zijn uitgegroeid tot een betrouwbare manier om abstracte STEM-concepten te leren. Als zodanig is het verband tussen informatica en robotica duidelijk; studenten hebben de mogelijkheid om hun robots te programmeren om complexe taken uit te voeren, zowel in het klaslokaal als op wedstrijdvelden. Hoewel de uitvoering van complexe taken het doel kan zijn, gaat het erom deze taken op te splitsen in kleinere delen en ze vervolgens iteratief samen te bouwen om een ​​oplossing te creëren. In klaslokalen is het ondersteunen van dat proces van cruciaal belang, en nogmaals, educatieve robotica kan effectief zijn in het vergemakkelijken van zowel de ontleding als het ondersteunen van complexe taken. Als gevolg hiervan kunnen robots een effectief hulpmiddel zijn om computationeel denken te leren, als eerste stap bewijsmateriaal blijkt.^{xxii xxiii} Het effectief aanleren van computationeel denken resulteert ook in het vermogen om computationeel denken in verschillende domeinen toe te passen. Het vermogen om effectief generaliseerbare computationele denkvaardigheden aan te leren en tegelijkertijd manieren te bieden om de studenten die deze velden betreden te helpen diversifiëren, zorgt ervoor dat Educational Robotics een belangrijke bijdrage levert aan de integratie van computationeel denken in scholen en de Computer Science for All-beweging.

Om vertrouwd te raken met iteratie en te leren van mislukkingen

Technisch ontwerp en de wetenschappelijke methode zijn verwante fenomenen, maar bevatten belangrijke verschillen. In de wetenschap wordt de nadruk gelegd op het vinden van algemene regels die de acties van onze wereld en het universum beschrijven, terwijl techniek het vinden van oplossingen voor een bepaald probleem inhoudt die aan alle beperkingen van^{probleem voldoen} Sommigen hebben dit onderscheid samengevat met het gezegde: 'wetenschappers onderzoeken, maar ingenieurs creëren'.^xxv Wanneer we het creatieve proces beschouwen, moeten we de vaak aanzienlijke afhankelijkheid ervan van iteratie onderkennen.

Meerdere iteraties zijn cruciaal voor het ontwikkelen van ideeën en activiteiten die zijn ontworpen om bepaalde doelstellingen te bereiken, of het nu gaat om het voldoen aan/overtreffen van de verwachtingen van de klant of het deelnemen aan een competitieve uitdaging. Er wordt erkend dat de vereiste meerdere iteraties die inherent zijn aan Educational Robotics-activiteiten in staat zijn de interesse en duurzame betrokkenheid van studenten vast te houden.^xxvi Ook de samenstelling van de roboticakits zelf, met veel verschillende onderdelen die snel kunnen worden gemonteerd en vervolgens gedemonteerd, bevordert een houding van iteratie. Omdat meerdere iteraties vaak ingaan op de belangrijke levensles van ‘proberen, opnieuw proberen’, hebben leerlingen er enorm veel baat bij om te leren dat ‘mislukkingen’ kunnen worden omarmd als onderdeel van het proces. Een andere breed toepasbare les die voortkomt uit een meer abstracte kijk op de aanvullende voordelen van het hulpmiddel is de neiging van Educational Robotics om meerdere oplossingen te presenteren voor zelfs de eenvoudigste uitdagingen. Wat zou de horizon van een student meer kunnen verbreden dan het besef dat er inderdaad meerdere oplossingen zijn voor hetzelfde probleem? We hebben gezien dat dit interessante voordelen oplevert: een grotere kans dat leerlingen om feedback van docenten vragen en een grotere kans dat leerlingen begrijpen wat ze leren als belangrijk.^xxvii De voordelen worden alleen maar groter: leraren die leerlingen op deze manier betrekken, kunnen leiden tot een grotere zelfeffectiviteit van leerlingen, het belangrijkste element dat leidt tot die grotere bereidheid om van mislukkingen te leren.

Om kennis te maken met en te leren over de banen van de toekomst

Verandering, onze enige constante, is geen onbekende in de aard van werk. In 1900 werkte ongeveer 40% van de Amerikaanse beroepsbevolking op boerderijen. Tegenwoordig is dat nog maar 2%.xxix Als dat te lang geleden lijkt, te ver verwijderd, bedenk dan dat de gemiddelde werknemer vijftig jaar geleden nog niet hoefde te lezen of schrijven tijdens zijn werkdag.^xxx De getijden van vandaag kunnen worden samengevat in een veel gelezen en besproken onderzoek uit 2013 van het Department of Engineering Science van de Universiteit van Oxford, waarin wordt geschat dat 47% van de huidige banen het risico loopt verloren te gaan door automatisering.^xxxi

Een belangrijk onderscheid tussen de huidige zorgen, in tegenstelling tot het normale verloop van banenvernietiging en banencreatie van gisteren, is ‘banenpolarisatie’. De term is van toepassing op het uithollen van werkgelegenheidskansen, wat betekent dat er een grote vraag is naar banen met hoge en lage vaardigheden, maar dat de kansen op banen voor middengeschoolden en middenlonen zijn afgenomen.^xxxii Dit belangrijke probleem kan worden herleid tot de automatisering van routinewerk, en de antwoorden omvatten het erkennen van de onvermijdelijkheid van automatisering door creatief te werken aan augmentatie. De bedrijven die met succes op deze golf inspelen, zijn de bedrijven die flexibel en vloeiend reageren en met technologie leren werken in plaats van weg te rennen of te rebelleren tegen de angstaanjagende aanwezigheid en impact ervan.^xxxiii Als docenten is het van cruciaal belang dat ook wij creatief reageren en op zoek gaan naar innovatieve oplossingen voor de onzekerheid van de toekomst. Het is aan de basis- en middelbare onderwijssystemen om de realiteit aan de horizon te onderkennen en relevante en waardevolle vaardigheden aan te leren, wat in het huidige geval zou kunnen betekenen dat computers gewoonweg niet goed zijn. Deze omvatten creativiteit, interpersoonlijke vaardigheden en probleemoplossing; allemaal vaardigheden die kunnen worden gecultiveerd door een verfijnd gebruik van educatieve robotica.^xxxiv

---