Abstract
Educatieve robotica heeft het potentieel om een hoeksteen van STEM-onderwijs te worden vanwege het vermogen ervan om praktijkgericht, projectgebaseerd leren te bieden via een interdisciplinair curriculum. Onderzoek heeft aangetoond dat de houding van studenten tegenover STEM-leren afneemt naarmate ze vooruitgang boeken in ons onderwijssysteem; Het cultiveren van een positieve houding ten opzichte van STEM-onderwerpen is cruciaal bij leerlingen van de basisschool. Het is aangetoond dat het integreren van het roboticacurriculum met STEM-vakken veel positieve leervoordelen voor studenten heeft en tegelijkertijd de perceptie van studenten over deze onderwerpen verbetert. In dit onderzoek namen 104 leerlingen uit de derde tot en met de vijfde klas deel aan een onderzoeksproject om vast te stellen of de perceptie van leerlingen over STEM-onderwerpen zou veranderen na zes weken robotica-curriculum. De studenten kregen een voorafgaande enquête om de houding ten aanzien van wiskunde, natuurwetenschappen, techniek en 21e-eeuwse vaardigheden te evalueren. Elke klas voltooide vervolgens een robotica-curriculum met behulp van de VEX GO-robotklasbundel en het VEX GO-curriculum STEM-labs en -activiteiten. Na de zes weken les kregen de studenten dezelfde vragen na de enquête om te beoordelen of hun houding was veranderd. De resultaten laten een aanzienlijk verbeterde houding van studenten zien bij alle STEM-vakken, evenals waargenomen verbeteringen op het gebied van creativiteit, betrokkenheid, teamwerk en doorzettingsvermogen.
Invoering
Robotica is de afgelopen jaren steeds meer geïntegreerd in basis- en middelbare scholen in de Verenigde Staten, onder impuls van nationale rapporten en beleid. In 2015 verklaarde de National Science Foundation dat het verwerven van kennis en vaardigheden op het gebied van wetenschap, technologie, engineering en wiskunde (STEM) steeds belangrijker wordt voor Amerikanen om volledig deel te nemen aan een technologie-intensieve wereldeconomie, en dat het voor iedereen van cruciaal belang is om toegang hebben tot onderwijs van hoge kwaliteit in STEM-onderwerpen. Educatieve robotica is niet alleen maar een populaire trend in de onderwijstechnologie, maar uit onderzoek is gebleken dat het effectief is voor het verbeteren van de perceptie van studenten over STEM-onderwerpen en voor de leerresultaten. Uit een meta-analyse (Beniti, 2012) bleek dat onderwijsrobotica over het algemeen het leren voor specifieke STEM-concepten bevorderde. Uit onderzoek gericht op verschillende leeftijdsgroepen is gebleken dat robotica de interesse van leerlingen en de positieve perceptie van STEM-vakken vergroot (Nugent et al., 2010; Robinson, 2005; Rogers & Portsmore, 2004), en uit verder onderzoek bleek dat dit op zijn beurt de schoolprestaties verhoogt en de wetenschap bevordert. behaalde diploma's (Renninger & Hidi, 2011; Wigfield & Cambria, 2010; Tai et al., 2006). Voor middelbare scholieren is robotica gebruikt om de voorbereiding op de universiteit en technische loopbaanvaardigheden te ondersteunen (Boakes, 2019; Ziaeefard et al., 2017; Vela et al., 2020).
De Commissie voor STEM-onderwijs van de National Science and Technology Council heeft in 2018 een rapport uitgebracht om een federale strategie voor interdisciplinair STEM-onderwijs te schetsen: “Het karakter van STEM-onderwijs zelf is geëvolueerd van een reeks overlappende disciplines naar een meer geïntegreerde en interdisciplinaire benadering van STEM-onderwijs. leren en ontwikkelen van vaardigheden. Deze nieuwe aanpak omvat het onderwijzen van academische concepten door middel van toepassingen in de echte wereld en combineert formeel en informeel leren op scholen, in de gemeenschap en op de werkplek.” Educatieve robotica mag niet als een op zichzelf staand onderwerp worden onderwezen, maar moet optimaal gebruik maken van een interdisciplinaire curriculaire benadering. Onderzoekers hebben een spectrum aan voordelen gevonden voor het integreren van robotica in het bestaande schoolcurriculum, van de ontwikkeling en toepassing van STEM-kennis, tot computationeel denken en probleemoplossende vaardigheden, tot sociale en teamwerkvaardigheden (Altin & Pedaste, 2013; Bers et al., 2014; Kandlhofer & Steinbauer, 2015; Taylor, 2016). Benitti (2012) ontdekte dat de meeste roboticaprogramma's als een eigen vak werden onderwezen, en dit maakte het voor leraren moeilijker om het in hun klaslokaal te integreren. Eén doel van dit onderzoek is om de houding van studenten ten opzichte van STEM-onderwerpen te evalueren met behulp van een robotica-curriculum dat de constructie en programmering van robotica combineert met op standaarden afgestemde wiskunde, natuurwetenschappen en technische inhoud.
De introductie van educatieve robotica is vooral nuttig geweest voor jonge leerlingen, die al in de vierde klas een negatieve houding tegenover STEM-vakken kunnen ontwikkelen (Unfried et al., 2014). Jonge studenten profiteren van een geïntegreerde leercontext en ontwikkelen een positievere houding tegenover STEM-onderwerpen met vroege succeservaringen (McClure et al., 2017). Cherniak et al. (2019) ontdekten dat de introductie van robotica bij basisschoolleerlingen helpt bij het ontwikkelen van onderzoeks- en probleemoplossende vaardigheden. In een onderzoek van Ching et al. (2019) maakten leerlingen van de bovenbouw van het basisonderwijs kennis met een geïntegreerd STEM-roboticacurriculum in een naschools programma. Met behulp van een enquête-instrument (Friday Institute for Educational Innovation, 2012) werd de houding van studenten tegenover wiskunde, natuurwetenschappen en techniek gemeten voor en na het programma. Uit de resultaten bleek dat alleen het wiskundige construct significant toenam. Ching et al. stelde vast dat deze resultaten consistent waren met ander onderzoek uit informele leeromgevingen en korte pilotprogramma’s (een week) (Conrad et al., 2018; Leonard et al., 2016). Ching et al. merkte ook andere problemen op die mogelijk van invloed zijn geweest op de nulresultaten voor andere vakken: studenten hadden moeite om de robots te bouwen en hadden wel vier sessies van 90 minuten nodig om ze te voltooien. Moeilijkheden bij het begrijpen van bouwinstructies en het bouwen van robots is ook in andere studies een uitdaging gebleken voor leerlingen uit de bovenbouw van het basisonderwijs (Kopcha et al., 2017), en onderzoekers hebben opgemerkt dat een goed begrip van de verschillende robotcomponenten noodzakelijk is voor robotconstructie (Slangen et al., 2011). Ching et al. (2019) verklaarde: “Als een leerdoel in de toekomst de constructie van een originele en functionele robot inhoudt, wordt het ten zeerste aanbevolen dat leerlingen een diepgaand begrip ontwikkelen van de verschillende componenten van robots voordat ze aan de slag gaan.” p. 598. Deze inzichten maken duidelijk dat het vooral belangrijk is voor jonge kinderen om vroege succeservaringen op te doen met STEM-leren, en dat het gebruik van een robotkit die gemakkelijk te leren en te construeren is, een waardevol onderdeel is van de implementatie van een robotcurriculum, zodat alle leerlingen succes behalen. .
In deze studie onderzoeken we hoe een interdisciplinair robotica-curriculum – aangeboden als onderdeel van de schooldag – de houding van leerlingen ten opzichte van STEM-vakken beïnvloedde. De onderzoeksvragen zijn:
- Welke invloed had een zes weken durend interdisciplinair robotica-curriculum op de houding van studenten tegenover STEM-vakken?
- Welke soorten waargenomen voordelen of leerervaringen worden waargenomen als leerlingen het robotica-curriculum doorlopen?
Het voortdurende onderzoek naar hoe robotica leerlingen in de bovenbouw van het basisonderwijs ten goede kan komen, is van toenemend belang om de perceptie van studenten over STEM te verbeteren en hopelijk de betrokkenheid en resultaten te verbeteren. Met dit onderzoek willen wij een bijdrage leveren aan het onderzoek door het onderzoeken van:
- leerlingen van het derde tot en met het vijfde leerjaar
- een robotica-curriculum dat in de schooldag werd geïntegreerd en gedurende zes weken werd gegeven
- interdisciplinaire roboticalessen die aansluiten bij STEM-normen
- een robotica-kit ontworpen voor studenten van elementaire leeftijd
Methoden
Dit onderzoek werd uitgevoerd in een openbaar schooldistrict in West-Pennsylvania met in totaal 104 leerlingen verdeeld over drie leerjaren. De leraar die het robotica-curriculum heeft ontwikkeld en gegeven, fungeert als elementaire technologie-integrator voor het district en zorgt ervoor dat de leerlingen volgens een roulerend schema werken. Dit onderzoek omvat zowel kwantitatieve als kwalitatieve gegevens. Studenten beantwoordden enquêtevragen om hun houding ten opzichte van STEM-onderwerpen empirisch te evalueren voor en na een robotica-curriculum. Daarnaast hield de docent een dagboek bij waarin ze aantekeningen en reflecties noteerde over het gedrag en het leren van leerlingen tijdens de STEM-labs en de activiteiten die ze voltooiden.
Vooronderzoek. Om de perceptie van leerlingen over STEM-onderwerpen te evalueren, hebben leerlingen de Student Attitudes towards STEM Survey - Upper Elementary School Students (Friday Institute for Educational Innovation, 2012) ingevuld. Om het proces voor de leerlingen gemakkelijker te maken, heeft de docent de enquête-items in tabelvorm opnieuw gemaakt en de neutrale optie verwijderd waarvan zij dacht dat deze bij het beantwoorden verwarring bij de leerlingen zou veroorzaken.
Brieven waarin het onderzoeksproject werd beschreven en toestemmingsformulieren werden met de leerlingen mee naar huis gestuurd ter beoordeling door de ouders. Om deel te nemen aan dit onderzoek moesten de studenten een ondertekend toestemmingsformulier terugsturen. Het enquête-instrument werd afgedrukt en tijdens een persoonlijke les onder de studenten verspreid. Studenten die het toestemmingsformulier terugstuurden, namen deel aan de enquête, terwijl de studenten die dat niet deden gedurende die tijd een andere activiteit kregen. De instructies werden voorgelezen aan de studenten en sommige termen werden op verzoek gedefinieerd. De enquêtes werden van maandag tot en met woensdag van dezelfde week afgenomen door leerlingen van het derde, vierde en vijfde leerjaar.
Toen de eerste enquête werd afgeleverd, maakten de leerlingen kennis met de robotkit met behulp van het Intro to Building-lab en de les om het astronautenpersonage te bouwen. Er waren geen andere STEM-laboratoria voltooid en als gevolg van de COVID-19-pandemie hadden studenten het afgelopen anderhalf jaar geen robotica-curriculum ontvangen. Dit bood de mogelijkheid om te evalueren hoe leerlingen over STEM-onderwerpen dachten, zonder dat recente ervaringen met het STEM-curriculum hun antwoorden vormden.
De docent merkte op dat leerlingen in verschillende klassen verschillend op de enquêtes reageerden. De leerlingen van het vijfde leerjaar vulden de enquête snel en met weinig vragen in. De leerlingen van de vierde klas vroegen om veel definities van termen. Leerlingen uit de derde klas hadden de meeste problemen met de terminologie en deden er het langst over om de enquête in te vullen.
STEM-leercurriculum en robot. De Elementary Technology Integrator-leraar had veel robot- en programmeerhulpmiddelen verzameld voor gebruik in het district, maar koos ervoor om een lesprogramma van zes weken te implementeren met de VEX GO-robot voor de lessen Computational Thinking en Computerwetenschappen die ze aan het eind van de les konden krijgen. Schooljaar 2021. De VEX GO-robot is een bouwpakket met plastic onderdelen die kunnen worden gemanipuleerd door basisschoolleerlingen, die andere fijne motorische vereisten hebben dan oudere leerlingen. De kit heeft een kleurcode om leerlingen te helpen de afmetingen van de onderdelen te begrijpen, en is geordend op type: balken, hoekbalken, platen, tandwielen, katrollen, connectoren, afstandhouders en pinnen. De leerkracht gebruikte één klaslokaalbundel (tien sets) voor alle onderdelen van het derde, vierde en vijfde leerjaar waarin zij lesgaf. Het delen van robotkits vanuit het perspectief van implementatie in een klaslokaal betekende dat leerlingen de les moesten voltooien en hun robot in één lesperiode moesten opbergen, zodat een andere klas ze later kon gebruiken. De leraar moest ook gedurende de dag naar verschillende klaslokalen voor verschillende klassen kunnen verhuizen.
Elk leerjaar voltooide zes weken robotica-STEM-labs. Vanwege de atypische leersituatie die door COVID-19 werd veroorzaakt, wisselden de studenten driemaal in een roulatie van tien dagen door een schema van persoonlijke lessen. Niet alle studenten werden precies even vaak gezien, afhankelijk van hun rooster en externe factoren. De leerkracht ging hier mee om door middel van differentiatie: “Met dit in gedachten probeerde ik echt te kijken naar differentiatie per klas. Ik wilde niet zoveel lessen in elk leerjaar neerschrijven, maar in plaats daarvan echt dieper in de lessen duiken om inzicht te krijgen.” De leerlingen van het vijfde leerjaar werden het minst gezien. De leraar merkte op dat het moeilijk was om les te geven aan vijfdeklassers aan het einde van hun basisschoolcarrière, omdat er zoveel evenementen gepland waren in de weken voorafgaand aan hun afstuderen.
Terwijl alle leerlingen gedurende die zes weken een reeks VEX GO robotica STEM-laboratoria en -activiteiten voltooiden, werd het curriculum naar goeddunken van de leraar gedifferentieerd om tegemoet te komen aan de capaciteiten van leerlingen van verschillende leeftijden. Alle leerlingen begonnen hun robotica-curriculum bijvoorbeeld met het Intro to Building STEM Lab, aangezien dit lab de robotica-kit introduceert. Alle studenten voltooiden ook het Look Alike STEM Lab, waarin wordt geleerd hoe eigenschappen genetisch worden doorgegeven van ouderkonijntjes naar babykonijntjes. Elke klas voltooide vervolgens een andere reeks labs en activiteiten:
- Derde leerjaar: Inleiding tot bouwen, Look Alike, Leuke Kikkers (2 lessen), Aanpassingsklauw, VEX GO Activiteiten: Lunar Rover, Pin Game, Engineer It & Build It, Copycat, Habitat, Creature Creation en gratis bouwtijd
- Vierde leerjaar: Inleiding tot bouwen, eenheid Eenvoudige machines (4 lessen), Look Alike, Aanpassingsklauw, VEX GO Activiteiten: Maanrover, pingame en gratis bouwtijd
- Vijfde leerjaar: Inleiding tot bouwen, Look Alike, Leuke Kikkers (2 lessen), Aanpassingsklauw, VEX GO Activiteiten: Lunar Rover, Pin Game, Engineer It & Build It, Copycat, Habitat, Creature Creation en gratis bouwtijd
De STEM-labs zijn gestructureerde activiteiten die leerlingen door een interdisciplinaire, op standaarden afgestemde les leiden die context biedt voor een robotconstructie, klassikale discussies, experimenten en iteratieve verbeteringen. Labs zijn georganiseerd zoals de secties Engage, Play en Share die leerlingen door de les leiden. De activiteiten zijn korter dan die van een STEM-lab en variëren qua onderwerp en structuur, en bieden vaak uitdagingen met een open einde en minder instructies.
Na onderzoek. Na de afronding van het leerplan, dat samenviel met het einde van het schooljaar, kregen de leerlingen de na-enquête op dezelfde manier als de voor-enquête. Nadat de post-enquêtes waren verzameld, anonimiseerde de docent de gegevens en legde deze vast ter voorbereiding op analyse.
Gegevensanalyse. De onderzoeksitems zouden worden geëvalueerd met behulp van voorgeschreven kwantitatieve methoden. De antwoordkeuzes werden gescoord (1 = helemaal niet mee eens, 2 = niet mee eens, 3 = mee eens, 4 = helemaal mee eens), en specifieke items werden waar nodig omgekeerd gecodeerd. Er werden gepaarde t-toetsen uitgevoerd op de pre- en post-enquêtegemiddelden voor elk construct, voor elk cijfer. Het dagboek van de leraar werd geëvalueerd met behulp van thematische analyse, die inzichten aan het licht bracht in het waargenomen leerproces van de leerlingen en in het ontwerp/de behoeften van het leerplan.
Resultaten
Derde klas. De resultaten van de pre- en post-enquête van het derde leerjaar (Tabel 1) laten hogere gemiddelde scores zien voor elk van de onderzoeksgebieden. Elk pre- en post-gemiddelde construct werd vergeleken met behulp van een tweezijdige t-test, en alle resultaten waren significant (p < 0,001). De kleinste gemiddelde stijging deed zich voor bij het 21e-eeuwse vaardighedenattitudeconstruct, wat aangeeft dat leerlingen slechts in geringe mate verschilden van hun oorspronkelijke instemming met deze items. Leerlingen hadden de laagste gemiddelde score op het wiskundeattitude-construct vóór de enquête, met een gemiddelde score van 2,27, maar zouden deze gemiddelde constructscore met 0,25 verhogen op de post-enquête. Zowel de wetenschappelijke als de technische constructie hadden een gemiddelde stijging van meer dan 0,6, wat aangeeft dat studenten zich na het curriculum veel zelfverzekerder voelden om hun keuze te vergroten. Het wetenschappelijke construct van 2,8 tot 3,44 vóór de enquête laat zien dat leerlingen oorspronkelijk een mix waren van oneens en eens (2 en 3), maar veranderden naar een mix van eens tot zeer eens (3 en 4).
Tafel 1. Gepaarde t-testresultaten vóór en na de enquête van het derde leerjaar (n = 39).
| Paar | Variabel | Gemeen | T | Sig (2-staart) |
| Paar 1 | Pre Wiskunde | 2.2664 | -8.775 | 0.000 |
| Post wiskunde | 2.5197 | |||
| Paar 2 | Pre-wetenschap | 2.7982 | -21.255 | 0.000 |
| Postwetenschap | 3.4415 | |||
| Paar 3 | Pre-engineering | 3.1228 | -26.504 | 0.000 |
| Post-engineering | 3.7281 | |||
| Paar 4 | Vaardigheden van vóór de 21e eeuw | 3.0000 | -3.894 | 0.000 |
| Post-21e-eeuwse vaardigheden | 3.0906 |
Vierde Leerjaar. Tabel 2 laat zien dat de leerlingen uit het vierde leerjaar op vergelijkbare wijze stijgingen in gemiddelde scores vertoonden op alle constructen, en deze waren allemaal significant (p < 0,001). De stijgingen waren echter kleiner dan bij de leerlingen van het derde leerjaar (gemiddelde veranderingen doorgaans minder dan 0,3), wat aangeeft dat minder leerlingen hun antwoorden veranderden dan hun jongere tegenhangers. Net als de leerlingen van de derde klas was het wiskundeconstruct het laagste gemiddelde in zowel de pre-enquête als de post-enquête, en hadden de 21e-eeuwse vaardigheden de kleinste stijging in gemiddelde scores. Opvallend was dat de technische constructie voor deze studenten de grootste stijging kende.
Tafel 2. Gepaarde t-testresultaten vóór en na de enquête van het vierde leerjaar (n = 34).
| Paar | Variabel | Gemeen | T | Sig (2-staart) |
| Paar 1 | Pre Wiskunde | 2.0871 | -7.136 | 0.000 |
| Post wiskunde | 2.2652 | |||
| Paar 2 | Pre-wetenschap | 2.9125 | -7.124 | 0.000 |
| Postwetenschap | 3.1987 | |||
| Paar 3 | Pre-engineering | 3.0673 | -8.151 | 0.000 |
| Post-engineering | 3.3030 | |||
| Paar 4 | Vaardigheden van vóór de 21e eeuw | 3.6498 | -4.629 | 0.000 |
| Post-21e-eeuwse vaardigheden | 3.7003 |
Vijfde Leerjaar. De constructscores van leerlingen uit het vijfde leerjaar laten andere trends zien dan die van leerlingen uit het derde en vierde leerjaar (Tabel 3). Deze groep had de enige daling in de gemiddelde score op het technische construct, hoewel deze niet statistisch significant was en vanwege de hogere gemiddelde scores zelf niet van enig belang was. De gemiddelde constructscores voor wiskunde, natuurwetenschappen en 21e-eeuwse vaardigheden stegen allemaal in mindere mate tussen de pre-enquête en de post-enquête, en waren in mindere mate significant (p < 0,01 voor wiskunde en natuurwetenschappen en p < voor de 21e eeuw). eeuwse vaardigheden).
Tafel 3. Gepaarde t-testresultaten vóór en na de enquête van het vijfde leerjaar (n = 31).
| Paar | Variabel | Gemeen | T | Sig (2-staart) |
| Paar 1 | Pre Wiskunde | 2.8167 | -3.427 | 0.002 |
| Post wiskunde | 2.9042 | |||
| Paar 2 | Pre-wetenschap | 3.2333 | -3.751 | 0.001 |
| Postwetenschap | 3.3111 | |||
| Paar 3 | Pre-engineering | 3.4259 | 0.810 | 0.425 |
| Post-engineering | 3.3370 | |||
| Paar 4 | Vaardigheden van vóór de 21e eeuw | 3.8296 | -2.350 | 0.026 |
| Post-21e-eeuwse vaardigheden | 3.8741 |
Discussie
Studentattitudes. De resultaten voor deze vier constructen lieten enkele verrassende resultaten zien. De gemiddelde scores op de pre-enquête waren hoger voor de leerlingen van het vijfde leerjaar op alle constructen dan voor de leerlingen van het derde leerjaar. Uit bevindingen uit de literatuur blijkt dat STEM-attitudes in de loop van de tijd afnemen. Maken deze bevindingen dat teniet? Niet noodzakelijk. Door de aard van het einde van het schooljaar werden de vijfdeklassers minder vaak gezien omdat ze verschillende evenementen bijwoonden die tot hun afstuderen leidden, en minder lessen hebben mogelijk de impact op hun houding op dit punt in het jaar verminderd. De leerkracht merkte ook op dat elke leeftijdsgroep anders op de enquête-items reageerde. De derdeklassers stelden veel vragen en reageerden met algemeen enthousiasme, terwijl de vijfdeklassers de enquête snel en met weinig vragen invulden. De leeftijd van de kinderen kan van invloed zijn op de mate waarin zij nuanceren bij het interpreteren van de vragen en het geven van hun antwoord. Jongere leerlingen kunnen ‘mee eens’ en ‘helemaal mee eens’ anders waarderen dan bijvoorbeeld oudere leerlingen. De lerares voegde in haar aantekeningen een opmerking toe die specifiek over de leerlingen van het vijfde leerjaar ging en vroeg zich af of zij de enquête-items beantwoordden met een gevoel van verwachting of in een poging haar een plezier te doen. Naarmate oudere basisschoolleerlingen beter afgestemd raken op de verwachtingen, kunnen hun natuurlijke reacties daardoor gevormd worden.
Wat duidelijk uit de resultaten blijkt, is het verschil dat het VEX GO-roboticacurriculum had voor elke leeftijdsgroep. Bij de leerlingen van het derde leerjaar waren de gemiddelde scores op alle domeinconstructen (wiskunde, natuurwetenschappen, techniek) sterk gestegen. Hoewel de leerlingen uit het vierde leerjaar niet zo'n grote stijging in de gemiddelde scores vertoonden als de leerlingen uit het derde leerjaar, verhoogden ze toch consequent de gemiddelde scores met enkele tienden op de domeinconstructen. De leerlingen van het vijfde leerjaar waren echter de enige leerlingen met niet-significante veranderingen in construct- en significantiewaarden kleiner dan p <. Deze algemene verschillen tussen leerlingen in verschillende leerjaren geven aan dat het robotica-curriculum een groter effect had op de houding van jongere leerlingen dan oudere leerlingen, wat het belang benadrukt van het vroeg starten van het robotica-curriculum.
Waargenomen leren. In het dagboek van de leraar werden de labs en activiteiten vastgelegd die door elke groep leerlingen werden gedaan, evenals veel observaties van leerlingen terwijl ze de lessen doorwerkten. Hoewel het enquête-instrument in staat was de houding van studenten te identificeren, identificeerde thematische analyse van de journaalposten verschillende onderwerpen van waargenomen leren die consistent waren met de onderzoeksliteratuur.
Creativiteit. Een belangrijk thema van het tijdschrift was de creativiteit van studenten. Er werd veel aandacht besteed aan de derde klassers, maar in alle drie de klassen werd creativiteit expliciet genoemd vanwege de manier waarop leerlingen bezig waren met Simple Machines, Look Alike, Creature Creation en Frog Life Cycle. De leraar merkte op: “De derde klas was zo opgewonden om een kikker te bouwen. Deze groep wil zo creatief mogelijk zijn en door een leefgebied te bouwen, kunnen de kinderen die vaardigheden echt weer aan de praat krijgen.” Hoewel er veel doelen zijn voor leermateriaal, is het stimuleren van creativiteit bij leerlingen een waardevol resultaat dat nog veel meer voordelen met zich meebrengt.
Betrokkenheid. Het aanbieden van gestructureerde labs met leuke en authentieke thema's stimuleerde de creativiteit van studenten, wat de betrokkenheid hielp vergroten. Beginnend met het lab Intro to Building merkte de docent op dat de studenten niet wilden stoppen met werken. Op dezelfde manier ontdekte ze bij het Look Alike-lab: “De les was echt moeilijk te beëindigen. Ik merkte dat studenten steeds verder wilden gaan door meer iteraties aan hun dieren toe te voegen…Ik merkte dat kinderen niet wilden opruimen, maar door wilden gaan met toevoegen aan hun creatie.” Hoewel de leerlingen uit het derde leerjaar het meest enthousiast werden genoemd, beschreef ze hoe zelfs de leerlingen uit het vijfde leerjaar zeer betrokken waren bij hun Simple Machines-lab: “Ik merkte dat alle leerlingen het moeilijk vonden om de stukken op te bergen. We hadden gewoon te veel plezier!”
Teamwerk. De VEX GO STEM Labs zijn ontworpen om in teams te worden uitgevoerd, waarbij studenten specifieke rollen en taken toegewezen krijgen. De derdeklassers begonnen met Adaption Claw en de leraar merkte op: “De leerlingen vonden het ook leuk om in groepjes op te splitsen, zodat ze konden samenwerken, waarbij ieder zijn eigen taak had.” Voor de vierdeklassers merkte ze op dezelfde manier op hoe het hebben van rollen de leerlingen hielp om in hun groepen te komen en snel aan de slag te gaan. Ze merkte ook op dat studenten ervoor begonnen te kiezen om samen te werken aan activiteiten met een open einde, zoals het bouwen van leefgebieden of het bouwen van de Lunar Rover.
De leraar merkte ook verschillende gevallen op waarin leerlingen spontaan als klas samenwerkten. Sommige leerlingen ontdekten nieuwe dingen met hun robot, en als ze iets nieuws ‘ontdekten’, renden andere leerlingen erheen om het te zien en het vervolgens zelf te proberen. Leerlingen die een leuke activiteit uit het ‘keuzebord’ kozen, deelden deze vaak met andere leerlingen, die vervolgens naar die activiteit overschakelden. Of ze nu in groepen werkten of alleen, de studenten wilden graag delen en elkaar helpen.
Persistentie. Niet alle activiteiten waren gemakkelijk voor de studenten. De derdeklassers deden eerst het Adaption Claw-lab na het Intro to Building-lab. De docent stelde vast dat het lab in het begin wat geavanceerd was en zou dit naar een later tijdstip in het leerplan verplaatsen. Of ze de activiteit nu wel of niet voltooiden, de groepen bleven tot het einde bestaan.
Ik ontdekte dat dit een GEWELDIGE les was in frustratie en begrip dat falen slechts een onderdeel is van leren. Ik liet elke groep beschrijven wat werkte en wat niet. Ik ontdekte dat veel groepen elkaar echt begrepen zodra ze dezelfde kwesties hoorden.
Sommige gebruikte activiteiten waren ook zo ontworpen dat ze een open einde hadden en de leerlingen een uitdaging gaven die ze moesten overwinnen. Studenten kregen de opdracht huizen te bouwen die bestand waren tegen een aardbeving, maar kregen geen bouwinstructies. Hoewel er een element van frustratie bij betrokken was, maakten de leerlingen hiervan gebruik en bleven ze doorgaan met iteratieve verbeteringscycli:
De leerlingen vonden de uitdaging helemaal geweldig! Ik ontdekte dat studentengroepen zich hun fouten realiseerden na het experimenteren met een “aardbeving” en hun huis opnieuw konden inrichten op basis van wat werkte en wat niet. Ik was zo verrast hoe blij en opgewonden groepen waren toen ze een uitdaging aangingen die frustrerend was en zoveel voldoening gaf zodra de groepen deze hadden opgelost.
Leerplan. Het dagboek van de leraar onthulde ook veel inzichten in het belang van differentiatie in het robotica-curriculum. Elke groep studenten voltooide het lab Intro to Building STEM, waarin de VEX GO-kit en alle onderdelen daarin werden geïntroduceerd. Alle studenten voltooiden ook het Look Alike STEM-lab, dat studenten leert over eigenschappen door hen ouder- en babykonijntjes met verschillende eigenschappen te laten bouwen. Hoewel sommige laboratoria door elke klas werden voltooid, was er differentiatie naar leeftijdsgroep. De oudere leerlingen uit het vierde en vijfde leerjaar voltooiden de Simple Machines-labeenheid, terwijl de derdeklassers het Fun Frogs-lab voltooiden. De derdeklassers voerden ook meer zelfstandige activiteiten uit dan de oudere klassen, omdat de leerkracht opmerkte dat deze de vaardigheden van de jongere leerlingen ten goede kwamen. De leraar gebruikte de activiteiten ook voor de oudere leerlingen als groepen vroeg klaar waren met de labs – een noodzaak in de klas om leerlingen bezig te houden als groepen met verschillende snelheden werken. Het hebben van veel opties voor zowel laboratorium- als activiteitsdifferentiatie was een waardevolle troef in het curriculum voor de succesvolle implementatie van een robotica-programma in het klaslokaal.
Volgens het docentendagboek waren interdisciplinaire labs ook een voordeel. De leerlingen van de derde klas waren enthousiast over de laboratoria met een wetenschappelijk thema, waar ze dieren en hun leefgebieden mochten bouwen en ontwikkelen. Het eerste dierenlaboratorium dat de derdeklassers voltooiden, was het Look Alike-lab, waar ze konijntjes konden maken en eigenschappen konden doorgeven. De leraar merkte op dat leerlingen het leuk vonden om dieren te maken en verschillende variaties wilden ontdekken. Dit bracht de leraar ertoe een activiteit genaamd Creature Creation te kiezen voor hun volgende les, om de bouwcreativiteit van leerlingen uit te breiden. Toen studenten aan het Fun Frogs-lab werkten, merkte ze hoe enthousiast en creatief studenten waren, met als bijkomend voordeel dat de toegangsdrempel voor het opbouwen van vaardigheden laag was.
Kinderen vonden het geweldig om de kikkercyclus te maken en erover te leren. Ik zag hoe kinderen praktijkervaring opdeden met wetenschappelijke onderwerpen die ze in een leerboek hadden geleerd. Ik heb met de lerares van groep 3 gesproken om volgend jaar meer samen te werken en te proberen dit te onderwijzen als zij lesgeeft over habitats.
De leerlingen van het vierde leerjaar voltooiden de labeenheid Simple Machines. De leraar merkte op hoe enthousiast de leerlingen waren omdat ze kennis hadden van eenvoudige machines uit hun andere klas. Ze vroegen hoe ingenieurs eenvoudige machines gebruikten en kregen de tijd om onderzoek te doen. De leraar merkte op:
In groep 4 draait het om eenvoudige machines in de wetenschap, dus dit STEM-lab was uitermate geschikt voor dit niveau. Ik zag dat de gezichten van dat kind oplichtten toen ik zei dat we hefbomen gingen maken. De meeste van deze leerlingen hadden een werkblad gemaakt, maar geen praktijkgericht onderzoek. Ik vertelde de wetenschapsleraar dat we volgend jaar meer zullen samenwerken, zodat ik les geef in dit STEM-lab terwijl zij eenvoudige machines lesgeeft.
De vijfdeklassers voltooiden ook de Simple Machines-labeenheid, maar uit hun leeftijd en ervaring bleek dat ze er anders mee omgingen dan de vierdeklassers. De leraar merkte op dat deze groep leerlingen eerder klaar was en de ‘keuzebord’-activiteiten gebruikte om zelf te verkennen.
Het vijfde leerjaar heeft spannende en boeiende activiteiten nodig - en dit STEM-lab paste precies bij dat doel. Ik ontdekte dat studenten op de grond wilden gaan zitten en wilden experimenteren met het optillen van verschillende gewichten met behulp van de hendel. Ik ontdekte ook dat deze leerlingen, in tegenstelling tot groep 4, over achtergrondkennis beschikten en het STEM Lab naar een hoger niveau brachten door gewichten toe te voegen en het STEM Lab een authentieke leerervaring van groep tot groep te geven.
Leerlingen in elke klas profiteerden van een interdisciplinaire aanpak in het robotica-curriculum. De mogelijkheid om robotica te verbinden met wetenschap, wiskunde of techniek hielp niet alleen studenten erbij te betrekken, maar vormde ook een basis voor hen om concepten met een dieper begrip te verkennen. De aantekeningen voor de docent geven verschillende gebieden aan waar het roboticacurriculum kan worden geïntegreerd of gesynchroniseerd met lessen die in andere vakken worden gegeven, wat een waardevolle volgende stap zou kunnen zijn in het op een authentieke manier integreren van robotica in verschillende disciplines.
Conclusie
Nu het gebruik van educatieve robotica in klaslokalen in het hele land toeneemt, is het van cruciaal belang om te onderzoeken hoe studenten ten goede komen aan robotica, en om lessen te trekken uit de praktijk van het lesgeven in een robotica-curriculum. Uit deze studie bleek dat een robotica-curriculum de houding van studenten ten aanzien van bijna alle STEM-vakken voor alle leerjaren verbeterde. Bovendien zag de leraar aanvullende leercategorieën voor leerlingen op gebieden als creativiteit, betrokkenheid, teamwerk en doorzettingsvermogen.
Om te blijven onderzoeken hoe educatieve robotica het meest voordelig kan zijn voor leerlingen in echte klaslokalen, moeten we rechtstreeks blijven leren van de leraren die het leerplan implementeren. Terugkijkend op de hele ervaring gaf de lerares haar algemene conclusies:
Ik ontdekte dat als kinderen meer wilden leren, wij meer leerden. Ik wilde dat dit leuk zou zijn en elk klaslokaal was eerlijk gezegd compleet anders (wat volkomen normaal is). Sommige leerlingen wilden meer leren over bouwen waar anderen zich wilden losmaken en hun eigen monster of wezen wilden creëren. Ik merkte dat de derde klas zo betrokken was – het was moeilijk om de lessen te beëindigen. Het vierde leerjaar was zo enthousiast om te leren over STEM-lessen, zoals eenvoudige machines die verband hielden met hun eigen wetenschapscurriculum. Het vijfde leerjaar vond de uitdaging van het programmeren, bouwen en leren over Mars geweldig. Ik denk dat het belangrijkste was dat elk klaslokaal soms meer tijd nodig had met een STEM-lab of meer tijd om te verkennen, en dat heb ik ze gegeven. Ik heb ontdekt dat als kinderen opgewonden zijn, het het beste is om met die opwinding weg te rennen en dieper te graven in plaats van verder te gaan.
Deze studie leverde ook betekenisvolle inzichten op in de implementatie van een interdisciplinair robotica-curriculum. Tijdens een programma van zes weken konden de studenten veel verschillende labs en activiteiten voltooien. Dit geeft aan dat de lengte van het leerplan redelijkerwijs van invloed zou kunnen zijn op hoe succesvol het is in het veranderen van de STEM-attitudes van studenten. Lessteigers en differentiatie waren ook de sleutel tot het succes van het leerplan. De lerares ontdekte dat leerlingen van verschillende leeftijden verschillende vaardigheden en behoeften hadden, en dat ze de leerplanplannen gemakkelijk voor elk leerjaar kon aanpassen. De VEX GO-robotkit zelf was ook goed geschikt voor de behoeften van studenten. Studenten konden gemakkelijk de instructies volgen, de onderdelen construeren en leren hoe de onderdelen werkten en met elkaar verbonden. Studenten kunnen bouwwerken en labs in één lesperiode voltooien, met de tijd om op te ruimen, wat een noodzaak is om een robotica-curriculum te laten werken binnen de beperkingen van een gewone schooldag. Een robotica-kit ontworpen voor een elementaire leeftijdsgroep en een volledig interdisciplinair curriculum zijn beide van cruciaal belang voor het lesgeven en leren met robotica in een echt klaslokaal.