Abstract
Educatieve robotica betrekt leerlingen bij een geïntegreerde STEM-aanpak die leerlingen helpt STEM-concepten te begrijpen en de positieve perceptie van STEM-onderwerpen vanaf jonge leeftijd te vergroten. Toen de COVID-19-pandemie uitbrak, werden fysieke robots in een face-to-face klaslokaal onmogelijk. Er werd snel een virtueel robotprogramma ontwikkeld om te functioneren met een bekend codeerplatform om studenten en docenten een alternatieve robotoplossing te bieden die overal kon worden gebruikt. In dit artikel worden de gebruiksgegevens van meer dan een miljoen studenten wereldwijd geïnterpreteerd naast twee casestudies van docenten. Deze combinatie van gegevens leverde inzichten op over de virtuele robot als leermiddel en als leermiddel. Uit de casestudy's van de docenten kwam ook een reeks kritische behoeften naar voren die het lesgeven in zulke onvoorspelbare omstandigheden mogelijk maakten. Ten slotte duiden deze gegevens erop dat de virtuele robotleeromgeving kan worden gebruikt als een symbiotisch compliment voor een fysieke robot om leerlingen te helpen vertrouwen te winnen met iteratief programmeren, de opwinding voor educatieve robotica te vergroten en leraren een zeer flexibele lesoptie te bieden in de toekomst.
Trefwoorden
Virtuele robot, educatieve robotica, onderwijsrobotica, COVID-19-oplossingen, STEM-onderwijs, informatica, programmeren
Invoering
Robotica en computerwetenschappen zijn de afgelopen jaren steeds meer geïntegreerd in de lagere en middelbare scholen (kleuterschool tot en met de twaalfde klas) in de Verenigde Staten, onder impuls van nationale rapporten en beleidsmaatregelen. 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, dat het voor iedereen van cruciaal belang is om over kennis en vaardigheden te beschikken. toegang tot onderwijs van hoge kwaliteit in STEM-onderwerpen. De Commissie voor STEM-onderwijs van de National Science and Technology Council heeft in 2018 een rapport uitgebracht om een federale strategie voor STEM-onderwijs te schetsen. In dit rapport wordt opgemerkt dat “het karakter van STEM-onderwijs zelf is geëvolueerd van een reeks overlappende disciplines naar een meer geïntegreerde en interdisciplinaire benadering van leren en de ontwikkeling 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. Het probeert vaardigheden bij te brengen zoals kritisch denken en probleemoplossing, samen met zachte vaardigheden zoals samenwerking en aanpassingsvermogen.” Deze nationale focus op STEM-leren gaat gepaard met meer onderzoek en innovatie in onderwijsomgevingen over hoe technologie voor STEM-onderwerpen beter in de klas kan worden geïntegreerd.
Robotica biedt studenten een praktische manier om STEM-concepten te verkennen. Basis STEM-onderwerpen zijn belangrijke onderwerpen in het basis- en voortgezet onderwijs, omdat ze essentiële voorwaarden vormen voor een vervolgopleiding op de universiteit of hogeschool en voor het vergroten van de technische vaardigheden op de werkvloer1. Uit een metanalyse2 bleek dat educatieve robotica over het algemeen het leren voor specifieke STEM-concepten bevorderde. Uit onderzoeken onder verschillende leeftijdsgroepen is gebleken dat robotica de interesse van leerlingen en hun positieve perceptie van bètavakken vergroot3, 4, 5, wat op zijn beurt de schoolprestaties verbetert en de resultaten van wetenschappelijke studies bevordert6, 7, 8. Voor middelbare scholieren wordt robotica gebruikt ter ondersteuning van de voorbereiding op de universiteit en technische loopbaanvaardigheden9, 10, 11, terwijl robotica bij basisschoolleerlingen wordt geïntroduceerd om onderzoeks- en probleemoplossende vaardigheden te ontwikkelen en een positieve perceptie van STEM-onderwerpen te bevorderen12, 13. De introductie van educatieve robotica is vooral gunstig gebleken voor jonge leerlingen, die al in de vierde klas een negatieve houding ten opzichte van bètavakken kunnen ontwikkelen14. Jonge studenten hebben baat bij een geïntegreerde leercontext en ontwikkelen een positievere houding ten opzichte van STEM-vakken door vroege ervaringen met succes15.
Uit onderzoek is ook gebleken dat de introductie van robotica tijdens de lerarenopleiding het zelfvertrouwen, de kennis van de inhoud en de computationele denkvaardigheden van de leraar vergroot16. Hoewel het logisch is dat de voordelen van robotica zowel bij docenten als bij studenten te vinden zijn, is de introductie van robotica in de formele lerarenopleiding nog steeds beperkt. In veel landen richt de traditionele lerarenopleiding zich op vakinhoudelijke onderwerpen in de wetenschap en wiskunde, waardoor de meeste leraren niet goed zijn voorbereid op het gebied van techniek en technologie17en minder vertrouwen hebben in het doceren van STEM-onderwerpen die niet in de formele lerarenopleiding aan bod komen of het leggen van verbanden tussen STEM-disciplines18, 19. Bybee20 merkte op dat deze beperking van STEM-onderwerpen in de lerarenopleiding leidt tot een ondervertegenwoordiging van techniek en technologie, met name in het basisonderwijs en het voortgezet onderwijs. Hoewel de voordelen van het opnemen van robotica in de lerarenopleiding duidelijk zijn16, zou een alternatief kunnen worden bereikt door middel van voortdurende professionele ontwikkeling en informeel leren via communities of practice. Bandura21 bracht het kritische aspect van sociale leercontexten onder woorden, en op basis van dat concept schetsten Lave en Wenger22 het concept van communities of practice (CoP). Bij een CoP komen leden bijeen rond een gedeelde interesse in een bepaald domein, ontwikkelen ze een community en delen ze onderzoek en inzichten om vaardigheden en kennis te vergroten. Zo ontwikkelen ze een praktijk22. In plaats van robotica in de formele lerarenopleiding zouden informeel leren en CoP's soortgelijke voordelen kunnen bieden aan leraren, en bovendien aan studenten.
Helaas heeft de COVID-19-pandemie wereldwijd geleid tot wijdverbreide verstoringen van het klassikale onderwijs, waardoor bijna alle studenten wereldwijd werden getroffen23. Praktische leerervaringen werden opgeschort, wat een fundamenteel onderdeel vormde van het meeste STEM-curriculum op het gebied van robotica, inclusief het robotica-curriculum dat werd gebruikt door de VEX-lijn voor educatieve robotica. Er waren oplossingen voor leren op afstand nodig om snel een virtuele leeromgeving te bieden die studenten nog steeds op een authentieke, betekenisvolle manier met STEM-onderwerpen kon laten omgaan. VEX Robotics creëerde snel VEXcode VR (hierna simpelweg “VR” genoemd), een platform met een virtuele robot dat op vergelijkbare manieren kon worden gebruikt als een fysieke robot.
In dit artikel worden de gebruiksgegevens beoordeeld die door het VR-platform zijn verzameld om inzicht te krijgen in hoe deze virtuele vervanger was tijdens deze wereldwijde verstoring. Er zullen ook twee casestudies worden gepresenteerd die context bieden voor de manier waarop leraren VR implementeren in hun leeromgevingen op afstand. De twee belangrijkste onderzoeksvragen voor dit artikel zijn als volgt:
- Welke inzichten kunnen gebruiksgegevens en casestudies van docenten onthullen over het leren van studenten met VR na de COVID-19-uitbraak?
- Welke inzichten kunnen leraren bieden over de implementatie van VR in de klas?
De chaos die door COVID-19 werd veroorzaakt, werd vooral gevoeld door docenten. Tientallen jaren van ervaring en lessen ontworpen voor persoonlijk leren werden onmiddellijk op zijn kop gezet, maar deze verstoring moedigde docenten ook aan om te experimenteren met nieuwe hulpmiddelen en lesmethoden. Het begrijpen van de genomen beslissingen en de behaalde resultaten vanuit het perspectief van de docenten die leiding gaven aan innovatieve oplossingen kan inzichten verschaffen in hoe nieuwe technologie kan worden geïntegreerd om het leren van studenten in robotica en STEM-onderwerpen in de toekomst te versterken.
Methoden
VEXcode VR. Toen scholen in de Verenigde Staten in maart 2020 sloten, was er een oplossing nodig die leerlingen betrokken kon houden bij robotica en STEM-onderwerpen terwijl ze op afstand werkten. VR werd ontwikkeld en gelanceerd op 2 april 2020, slechts enkele weken nadat de meeste scholen naar een virtueel format waren overgegaan. VR-activiteiten zijn gemaakt om consistent te zijn met de andere robotcurriculums, met interdisciplinaire lessen die zijn afgestemd op de inhoudsnormen. Het VEXcode VR-coderingsplatform is hetzelfde als de codeeromgeving die studenten normaal gesproken zouden gebruiken met fysieke robots, met de toevoeging van de virtuele interface, zoals te zien in figuur 1. In plaats van een fysieke robot creëren leerlingen projecten om een virtuele robot te besturen in een thematische ‘speeltuin’ die verandert op basis van de activiteit. Beginnende codeerstudenten gebruiken op blokken gebaseerd programmeren, en gevorderde studenten gebruiken tekst op basis van Python.
Figuur 1. De VEXcode VR-platforminterface voor de Coral Reef Cleanup-activiteit.
VR-activiteiten zijn ontworpen om interdisciplinair te zijn, waarbij de computerwetenschappelijke vaardigheden die essentieel zijn voor het besturen van een virtuele robot worden gecombineerd met onderwerpen uit de wetenschap of wiskunde. Tijdens deze VR-activiteiten leren studenten niet alleen over programmeren, maar ook over wetenschappelijk onderzoek, wiskundig denken en technische geletterdheid: allemaal onderdelen van een geïntegreerd STEM-raamwerk19. De unieke omstandigheden die door COVID-19 werden veroorzaakt, vereisten dat leerlingen zelfstandig de lessen konden doorlopen in gemengde, synchrone of asynchrone omgevingen. Om dit te bereiken, maken de leerlingen kennis met de leerdoelen en het doel van de activiteit. Vervolgens wordt directe instructie gebruikt om stapsgewijze instructies en opzettelijke ondersteuning te bieden voor sequentieel leren voor begrip24, 25. Vervolgens krijgen studenten gerichte ondersteuning om de laatste programmeeruitdaging op te lossen26. Studenten leren dat robotica en codering worden gebruikt om praktische, interdisciplinaire problemen op te lossen. In de Coral Reef Cleanup Activity worden leerlingen bijvoorbeeld uitgedaagd om met hun robot rond een koraalrif te navigeren om zoveel mogelijk afval te verzamelen voordat hun door zonne-energie opgeladen batterij leeg raakt. Vervuiling is een mondiaal probleem dat door de studenten van morgen zal worden opgelost. Door deel te nemen aan deze authentieke, op scenario's gebaseerde projecten kunnen studenten computerwetenschappelijke vaardigheden in verschillende disciplines toepassen.
Figuur 2. De missiecontext voor de Coral Reef Cleanup-activiteit.
Aangezien studenten gescheiden zijn van hun docenten, moest de virtuele omgeving zo naadloos mogelijk zijn om de verdeelde aandacht en de cognitieve belasting te beperken27, 28. Leerlingen kunnen opdrachten naar hun project slepen en neerzetten en in hetzelfde venster zien hoe hun robot door de VR-speeltuin navigeert. Leerlingen kunnen een willekeurig aantal blokken tegelijk toevoegen en het project na elke toevoeging uitvoeren om te zien hoe hun robot in de speeltuin beweegt. Dit geeft studenten onmiddellijke feedback en een vroeg gevoel van succes.
Bovendien zorgde leren op afstand voor praktische hindernissen die VR moest overwinnen. Schoolcomputers hebben vaak beperkingen voor het downloaden van applicaties, waardoor het toevoegen van een programma in de meest normale omstandigheden een hindernis kan zijn, laat staan wanneer leerlingen op afstand met schoolcomputers werken. Maar leerlingen hebben misschien niet eens toegang tot schoolcomputers om hun werk te doen. Om de toegang tot VR te maximaliseren, is het programma gebouwd om volledig webgebaseerd te zijn (geen downloads of plug-ins vereist) en om op veel verschillende soorten apparaten te draaien om de kans te vergroten dat studenten het kunnen gebruiken.
Resultaten
Gebruiksgegevens. De gepresenteerde gegevens worden geleverd door Google Analytics. Omdat VEXcode VR volledig browsergebaseerd is, zijn er een aantal verschillende statistieken die inzicht geven in hoe deze virtuele robotomgeving wereldwijd wordt gebruikt. Sinds de lancering in april 2020 is het aantal VR-gebruikers maandelijks toegenomen, wat samen is opgelopen tot ruim 1,45 miljoen gebruikers in meer dan 150 landen.
Figuur 3. De landen met VR-gebruikers wereldwijd.
Gezien de tijdlijn van COVID-19 en de VR-release hebben we ook het gebruik in de loop van de tijd beoordeeld. Zoals blijkt uit figuur 4 steeg het aantal gebruikers kort na de release snel en daalde vervolgens tijdens de zomermaanden, toen de leerlingen niet naar school gingen. Tijdens de typische maanden van terugkeer naar school (augustus/september) was er sprake van een aanzienlijke stijging, die de rest van het schooljaar aanhield. De periodieke dalingen in het aantal gebruikers duiden op minder gebruik in de weekenden en tijdens vakantieperioden.
Figuur 4. Het aantal gebruikers in de loop van de tijd sinds de lancering van VR.
Een project is een programma dat leerlingen maken voor een les of uitdaging. Projecten hoeven niet te worden opgeslagen om te kunnen worden uitgevoerd, maar een opgeslagen project wordt gedownload zodat een gebruiker er op een later tijdstip naar kan terugkeren. Er waren meer dan 2,52 miljoen opgeslagen programma's. Een project hoeft echter niet te worden opgeslagen om te kunnen worden uitgevoerd. Omdat VR volledig browsergebaseerd is, gebeurt het bewerken en testen van een project onmiddellijk door “START” te selecteren. Er zijn ruim 84 miljoen projecten uitgevoerd in de software, wat erop wijst dat studenten hun projecten met regelmatige tussenpozen testten. Dankzij deze onmiddellijke feedbackloop hadden studenten de mogelijkheid om in een veel sneller tempo te experimenteren en te herhalen vergeleken met het werken met een fysieke robot. Dit iteratieve proces is een goede indicatie voor het leerproces van de student, omdat is aangetoond dat meerdere iteraties de betrokkenheid en interesse van de student behouden29.
| VEXcode VR-gegevens | |
|---|---|
| Gebruikers | 1.457.248 |
| Opgeslagen projecten | 2.529.049 |
| Projecten uitvoeren | 84.096.608 |
| Landen | 151 |
Tafel 1. Alle VEXcode VR-gebruiksgegevens van april 2020 tot april 2021.
Certificeringsgegevens. Naast het VR-programma zelf en het bijbehorende curriculum, omvat VR een gratis lerarenopleiding genaamd CS met VEXcode VR Educator-certificeringscursus. Sinds de lancering in juni 2020 hebben meer dan 550 docenten de certificering voltooid, die meer dan 17 uur lesmateriaal en ondersteuning omvat, om een VEX Certified Educator te worden. De certificeringscursus bevat 10 materiaaleenheden die bedoeld zijn om docenten voor te bereiden die mogelijk geen ervaring hebben met informatica of robotica. De inhoud omvat onderwerpen als de basisprincipes van programmeren, hoe je de VR-robot codeert, hoe je lesgeeft met de VR-activiteiten en hoe je VR in een klaslokaal implementeert. Figuur 5 toont zowel het aantal gecertificeerde docenten op maandbasis als cumulatief van juni 2020 tot maart 2021. Trends in de gegevens laten een toenemend aantal gecertificeerde docenten zien rond de tijd dat ze naar school gaan, inclusief augustus en september en tot en met oktober 2020.
Casestudy 1
Aimee DeFoe is directeur van de Kentucky Avenue School, een kleine privéschool in Pittsburgh, VS, die traditionele en innovatieve onderwijs- en leermethoden combineert. Zoals de meeste scholen werd de Kentucky Avenue School ontwricht door COVID-19 en moest ze alternatieve plannen bedenken voor de start van het schooljaar herfst 2020, niet wetende hoe de omstandigheden zouden veranderen. De eerste zes weken van het jaar werden volledig virtueel onderwezen, en het resterende jaar werd in een hybride format doorgebracht, waarbij studentencohorten dagen van persoonlijk onderwijs en afstandsonderwijs afwisselden. Zelfs als leerlingen thuis leerden, was het van cruciaal belang dat leerlingen zich bleven bezighouden met dezelfde probleemoplossende en kritische denkactiviteiten als in de klas.
Aimee koos er om verschillende redenen voor om VR te gebruiken met haar leerlingen van het zesde en zevende leerjaar. Omdat VR een volledig virtuele leeromgeving was, zouden leerlingen kunnen wisselen tussen thuis en school zonder dat beleidswijzigingen gevolgen zouden hebben voor hun leeractiviteiten. De op blokken gebaseerde codeeromgeving zou niet intimiderend zijn voor studenten die nieuw zijn met coderen en er waren activiteiten ontworpen voor verschillende ervaringsniveaus. Ze geloofde ook dat studenten de VR-robots spannend en motiverend zouden vinden – wat volgens haar waar was. Toen ze nadacht over wat ze hoopte dat studenten zouden krijgen van VR, zei Aimee:
Ik hoopte dat het gebruik van VR net zo rigoureus, uitdagend en opwindend zou zijn als het gebruik van fysieke robots, en dat mijn leerlingen niet het gevoel zouden krijgen dat ze een ervaring zouden missen, maar eerder een nieuw soort codeerervaring zouden opdoen die gewoonweg net zo spannend. Ik wilde dat ze dezelfde soort voldoening zouden ervaren als in de klas, als ze moesten herhalen en volharden in uitdagingen en uiteindelijk succes moesten boeken.
Als enige roboticaleraar gaf Aimee tussen het begin van de schoolperiode en de winterstop één keer per week les aan 23 leerlingen, voor een totaal van 15 lessen. De studenten begonnen met de cursus “Informatica Niveau Eén – Blokken”. Aimee werkte het eerste blok met de leerlingen als groep door, maar liet de leerlingen voor de overige lessen in hun eigen tempo werken en trad op als facilitator. De meeste studenten voltooiden tussen de zeven en negen eenheden, met de extra oceaanopruimingsactiviteit.
Aimee ontdekte dat leerlingen erg gemotiveerd waren door de uitdagingen in de lessen; zozeer zelfs dat het soms moeilijk was om ze systematisch door de les te laten werken. Sommige leerlingen die moeite hadden met aandacht of lezen hadden extra ondersteuning nodig, en de groter dan/kleiner dan- en Booleaanse concepten moesten een uitdaging zijn. De meeste studenten hadden echter de juiste hoeveelheid uitdaging, strijd en succes. De leerlingen waren enthousiast over het idee om met fysieke robots te gaan werken als ze weer in de klas kwamen. Nadat ze met VR had gewerkt, merkte Aimee op: “Iedereen verliet de klas zonder enige twijfel als een zelfverzekerder programmeur.”
Casestudy 2
Mark Johnston geeft les aan zevende- en achtsteklassers op de Bel Air Middle School in El Paso, VS. Voor zijn STEM 1-cursus geeft Mark Project Lead the Way Gateway-cursussen over automatisering en robotica, en ontwerp en modellering aan ongeveer 100 studenten. De STEM 1-cursus omvatte de VEX IQ-robot om basismechanica en fundamentele codering te leren met VEXcode IQ (een plastic robotkit voor jongere studenten). Deze cursus wordt gegeven in het herfstsemester, dus de aanvankelijke verstoring van COVID-19 had geen invloed op zijn robotica in het voorjaar. In april 2020 zag Mark echter de VEX VR-robot en begon ermee te werken. “Toen ik zag dat VR dezelfde opzet gebruikte (dat wil zeggen VEXcode), was ik super enthousiast omdat ik het potentieel zag, zoals een puzzelstukje waarvan ik wist dat het perfect zou passen bij wat ik al deed. Toen VR werd geüpdatet met Python, was ik nog enthousiaster.” Mark maakte instructievideo's voor andere docenten en verzamelde daarmee een grote aanhang op sociale mediaplatforms. Via zijn eigen non-profit onderwijsbedrijf bood Mark een gratis zomerkamp aan voor studenten over VR, naast de lerarenopleiding ter voorbereiding op het schooljaar 2020/21.
Onzekere onderwijsomstandigheden maken het moeilijk om te plannen. “Toen ik besefte dat het afstandsonderwijs zou doorgaan in het schooljaar 2020/21, besloot ik eerst ontwerples te geven en daarna robotica… , maar er waren zoveel dingen in de lucht dat het moeilijk was om iets te plannen. Ik wist niet of we persoonlijk terug zouden zijn of online zouden doorgaan; er was op dat moment heel weinig informatie duidelijk. Uiteindelijk combineerde ik robotica en design met elkaar en plande ik een of twee dagen van tevoren.” Mark begon VR te gebruiken aan het begin van het schooljaar (dat tot 2021 100% op afstand zou blijven) door verschillende activiteiten van de site te kiezen, wat goed werkte omdat er verschillende ervaringsniveaus en bewerkbare instructies waren. Toen de cursus Computerwetenschappen Niveau 1 - Blokken werd uitgebracht, leidde hij de studenten er in zijn geheel doorheen, maar merkte op dat hij de volgende keer de lessen in kortere colleges zou verdelen. Het gebruik van VR was inherent anders dan de persoonlijke roboticalessen, maar er waren nog steeds een aantal belangrijke doelen die Mark voor deze lessen had:
- Maak leerlingen vertrouwd met VEXcode
- Vertrouwen opbouwen in programmeren (self-efficacy)
- Introduceer programmeerideeën/woordenschat op een niet-bedreigende manier
- “Verleid” ze om wiskunde te gebruiken zonder het te beseffen;)
- Vraag de leerlingen om goed gedefinieerde problemen op te lossen, gegeven de beperkingen
- Introduceer slecht gedefinieerde problemen
- Moedig een ‘fail en probeer het opnieuw’-houding aan
- Houd het oplossen van problemen leuk
Hoewel een virtuele ervaring anders was, ontdekte Mark duidelijke voordelen bij het gebruik van VR. Studenten waren veel minder bang om te experimenteren met VR versus RobotC (een andere codeertaal die met andere robots wordt gebruikt). Mark gebruikt ook een meting van hoe lang het duurt voordat leerlingen een ‘overwinning’ behalen om te bepalen hoe goed een STEM-activiteit is. Hij merkt op dat ‘als het te lang duurt voordat de leerling een positief resultaat behaalt, het veel moeilijker is om ze vast te houden. betrokken."
VR had een directheid die verkenning en actieve betrokkenheid aanmoedigde. Mark beschrijft dit soort ‘overwinning’ met een voorbeeld van de introductie van VR bij studenten:
Ik: “Iedereen opent een nieuw tabblad en gaat naar vr.vex.com. Heeft iedereen de site gezien? Goed. Laat de robot nu vooruit rijden.”
Leerling: “Hoe?”
Ik: “Kijk eens of je het kunt bedenken…”
Leerling: “Ik ben er achter gekomen!”
En dan zijn ze verslaafd! Tegen die tijd vragen velen van hen mij hoe ze allerlei verschillende dingen moeten doen. Ze vragen me letterlijk om het ze te leren!
Resultaten en discussie
VR als leermiddel. De gebruiksgegevens en casestudies bieden beide inzicht in de eerste onderzoeksvraag over hoe VR werkte als leermiddel tijdens de COVID-19-pandemie. De eenvoudigste afhaalmogelijkheid is het enorme gebruiksvolume; Het VR-platform werd door meer dan een miljoen studenten over de hele wereld gebruikt, wat aangeeft dat de virtuele robotomgeving goed functioneerde als vervanging voor persoonlijk leren tijdens een crisissituatie. Het aantal lopende projecten (84+ miljoen) was ook een verrassende bevinding als we kijken naar het aantal individuele gebruikers. Gemiddeld voltooiden gebruikers 57 projectruns, wat een hoge mate van testen en iteratie liet zien. Dit is een veelbelovend resultaat gezien het belang van het ontwikkelen van een “probeer en probeer het nog eens”-houding bij studenten. Er zijn meerdere mogelijke manieren om de VR-activiteiten op te lossen, wat een cruciale les is voor studenten om te leren. Als leerlingen begrijpen dat er meerdere oplossingen zijn voor een probleem, is de kans groter dat ze feedback vragen aan docenten. Ook begrijpen ze beter wat ze leren.30.
Uit de casestudies blijkt ook dat VR werkt als een leeromgeving met weinig inzet. Aimee merkte op dat haar studenten meer zelfvertrouwen hadden als programmeurs en ernaar uitkeken om met de fysieke robots te werken. Mark merkte dat studenten minder bang waren om te experimenteren toen ze codeerden in VEXcode VR en dat hun gevoel van een “overwinning” in deze omgeving direct was. Wanneer we deze observaties van docenten in samenhang met de ruwe gebruiksgegevens beschouwen, lijkt dit te bevestigen dat een virtuele robotomgeving ervoor zorgt dat leerlingen zich vrijer voelen om te experimenteren en te herhalen tijdens hun leerproces, en dat de positieve perceptie van robotica in het algemeen toeneemt.
Lessen van leraren. Wanneer we de tweede onderzoeksvraag bekijken over welke inzichten leraren kunnen bieden over de implementatie van VR in de klas, kunnen we verschillende overeenkomsten uit de casestudies identificeren. Beide casestudy’s onthulden informatie over hoe docenten beslissingen namen en oplossingen implementeerden tijdens COVID-19, maar ook over wat er nodig was om leerlingen een effectieve leeroplossing te bieden in een virtuele en hybride omgeving. Deze thema's omvatten flexibele oplossingen, continuïteit en curriculum en ondersteuning. Deze bevindingen moeten worden beschouwd als vereisten voor alle technologische oplossingen, net zoals ondersteunende docenten studenten ondersteunen.
Gezien de onzekerheden rond de onderwijsomstandigheden merkten zowel Mark als Aimee op dat ze flexibele oplossingen nodig hadden. Leren op afstand zou kunnen veranderen in face-to-face leren, of een vorm daartussenin. VR kon in elke setting ingezet worden, maar bood ook flexibiliteit in de aanpak. Studenten kunnen deelnemen aan gestructureerde, door de leraar geleide lessen, zoals Mark gebruikte bij de activiteiten en de cursus, of door studenten geleide lessen in hun eigen tempo, zoals Aimee beschreef. Leraren hadden ook behoefte aan flexibiliteit wat betreft het ervaringsniveau, zowel wat betreft de activiteiten als het soort programmeertalen dat wordt aangeboden om aan de behoeften van alle leerlingen te voldoen.
In beide casestudies werd continuïteit van het leren als belangrijk aangemerkt. Aimee merkte op dat studenten, nadat ze in VR hadden gewerkt, enthousiast waren om aan de slag te gaan met de VEX V5-robots die klaar stonden toen het persoonlijke leren werd hervat. VR diende als opstapje naar het werken met fysieke robots en zorgde voor meer opwinding en positieve percepties bij studenten. Mark merkte ook op dat de continuïteit van VEXcode van VR naar IQ erg belangrijk voor hem was: “Ik kan je niet vertellen hoe geweldig het is dat VEX een heel eenvoudig te volgen voortgang heeft van de derde klas naar de universiteit, allemaal met behulp van VEXcode! En met VR kunnen ze het thuis leren!”
Curriculum en ondersteuning waren duidelijk van cruciaal belang voor het succes van VR in deze evoluerende leersituatie. De VR-units boden alle inhoud die de leerlingen konden leren, evenals het materiaal dat nodig was om de lessen te geven. Niet alle docenten hebben een achtergrond in informatica en coderen. Aimee merkte op dat het blokprogramma zowel voor haar als voor haar studenten niet intimiderend was. Mark zei ook dat hij niet gewend was zoveel computerwetenschappen te onderwijzen, en dat hij de lessen zelf moest leren voordat hij lesgaf. Mark erkende echter: ‘Als de zaken morgen weer ‘normaal’ zouden worden, zal ik nu met meer vertrouwen de programmeergedeelten van mijn klas kunnen onderwijzen.’ Ondersteuning van docenten bij het lesprogramma en de programmering van VR zijn essentieel voor de implementatie van VR in de klas.
Digitaal leren is niet alleen voor studenten; Leraren proberen ook meer te leren over onderwijspraktijken en -middelen via technologie en sociale media. Leraren in bijna 50 landen voltooiden de VR-certificering. Er vormt zich een wereldwijde praktijkgemeenschap rond VR. Mark begon video's over VR op sociale media te plaatsen en had al snel meer dan duizend volgers; door zijn werk met VR sloot hij vriendschap met leraren in Slovenië en Taiwan. Terwijl docenten hun ervaringen en praktijk delen, profiteren studenten uiteindelijk van deze informele ondersteuningsgroepen voor docenten. Praktijkgemeenschappen zouden een brug kunnen slaan tussen de huidige beschikbaarheid van educatieve robotica en de opname van deze technologie in de formele lerarenopleiding. Naarmate meer leraren vertrouwd raken met educatieve robotica door middel van professionele ontwikkeling, zoals de meer dan 550 leraren die de certificeringscursus hebben afgerond, of via informele leergemeenschappen, zullen meer studenten kennis maken met geïntegreerd STEM-leren.
Conclusie
VEXcode VR is ontstaan in een tijd van grote onzekerheid en grote behoefte aan onmiddellijke oplossingen. Innovatieve oplossingen kunnen voortkomen uit urgente situaties. VR heeft meer dan 1,45 miljoen gebruikers bereikt die meer dan 2,52 miljoen projecten hebben opgeslagen en meer dan 84 miljoen projecten hebben uitgevoerd – in meer dan 150 landen. Hoewel de pandemie gevolgen heeft gehad voor studenten en docenten over de hele wereld, heeft VR ervoor gezorgd dat studenten en docenten zich kunnen bezighouden met robotica en computerwetenschappelijke concepten, ongeacht fysieke barrières. Uit de casestudy's voor docenten werden thema's flexibiliteit, continuïteit, leerplan en ondersteuning geïdentificeerd als belangrijk voor het lesgeven met technologie in zulke onzekere en uitdagende omstandigheden.
Vooruitkijkend vanuit deze ongekende tijd geven de lessen die zijn geleerd uit de creatie en implementatie van VR mogelijkheden aan voor het gebruik ervan in de toekomst. Uit de gebruiksgegevens in combinatie met de casestudies van docenten blijkt dat leerlingen zich minder geremd voelden om te herhalen tijdens het coderen in de virtuele omgeving. Dit suggereert dat VR een waardevol hulpmiddel kan zijn dat kan worden gebruikt in combinatie met fysieke robots. Dit wordt ook ondersteund door de behoefte aan flexibiliteit; Het gebruik van VR als leermiddel in combinatie met een fysieke robot zou een optimale, flexibele robotachtige leeromgeving kunnen bieden, waarbij een gemakkelijke optie voor thuis een aanvulling is op het persoonlijke fysieke robotica-curriculum. We kijken uit naar toekomstig onderzoek om te onderzoeken hoe leraren virtuele en fysieke robotica kunnen combineren in een post-pandemische wereld.
Dankbetuigingen
We zijn Aimee DeFoe en Mark Johnston dankbaar voor het delen van hun onderwijservaringen en waardevolle inzichten.