Een virtuele robotoplossing: inzichten uit implementatie en implicaties voor de toekomst

Abstract

Educatieve robotica betrekken studenten bij een geïntegreerde STEM-aanpak die studenten 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 een onmogelijkheid. Er werd snel een virtueel robotprogramma ontwikkeld om te functioneren met een vertrouwd codeerplatform om studenten en docenten een alternatieve robotoplossing te bieden die overal kan worden gebruikt. In dit artikel zullen de gebruiksgegevens van meer dan een miljoen studenten wereldwijd worden geïnterpreteerd naast twee casestudies van docenten. Deze combinatie van gegevens gaf inzicht in de virtuele robot als leermiddel en als leermiddel. De casestudy's van docenten brachten ook een reeks kritieke behoeften aan het licht die het lesgeven in dergelijke onvoorspelbare omstandigheden vergemakkelijkten. Ten slotte geven deze gegevens aan dat de virtuele robotleeromgeving kan worden gebruikt als een symbiotische aanvulling op een fysieke robot om studenten te helpen vertrouwen te krijgen in iteratief programmeren, de opwinding voor educatieve robotica te vergroten en leraren een zeer flexibele onderwijsoptie te bieden in de toekomst.

Trefwoorden

Virtuele robot, educatieve robotica, onderwijsrobotica, COVID-19-oplossingen, STEM-onderwijs, informatica, programmeren

Invoering

Robotica en computerwetenschap zijn de afgelopen jaren steeds meer geïntegreerd geraakt in de lagere en middelbare school (kleuterschool tot en met de 12e klas) in de Verenigde Staten, aangespoord door 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, dat het voor iedereen van cruciaal belang is om over toegang tot kwalitatief hoogstaand onderwijs in STEM-onderwerpen. Het Comité 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. Dit rapport merkt op: “Het karakter van STEM-onderwijs zelf is geëvolueerd van een reeks overlappende disciplines naar een meer geïntegreerde en interdisciplinaire benadering van leren en ontwikkeling van vaardigheden. Deze nieuwe benadering omvat het onderwijzen van academische concepten door middel van toepassingen in de echte wereld en combineert formeel en informeel leren op scholen, de gemeenschap en de werkplek. Het probeert vaardigheden zoals kritisch denken en probleemoplossing bij te brengen, samen met zachte vaardigheden zoals samenwerking en aanpassingsvermogen. Deze nationale focus op STEM-leren ging gepaard met meer onderzoek en innovatie in onderwijsomgevingen over hoe technologie beter in de klas kan worden geïntegreerd voor STEM-onderwerpen.

Robotica biedt studenten een praktische manier om STEM-concepten te verkennen. Fundamentele STEM-onderwerpen zijn belangrijke onderwerpen in het basis- en secundair onderwijs, aangezien het essentiële voorwaarden zijn voor geavanceerde universitaire en graduate studies en het vergroten van de technische vaardigheden van de beroepsbevolking (Committee on STEM Learning, 2018). Een metanalyse (Beniti, 2012) onthulde dat educatieve robotica over het algemeen het leren voor specifieke STEM-concepten verhoogde. Studies in veel leeftijdsgroepen hebben aangetoond dat robotica de interesse van leerlingen en de positieve perceptie van STEM-onderwerpen verhoogt (Nugent et al., 2010; Robinson, 2005; Rogers & Portsmore, 2004), wat in turn verhoogt de schoolprestaties en bevordert de wetenschappelijke prestaties (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), terwijl robotica is geïntroduceerd bij basisschoolleerlingen om onderzoek en probleemoplossend vermogen en positieve percepties van STEM-onderwerpen bevorderen (Cherniak et al., 2019; Ching et al., 2019). De introductie van educatieve robotica is vooral gunstig geweest voor jonge studenten, die al in de 4e klas een negatieve houding kunnen aannemen ten opzichte van STEM-vakken (Unfried et al., 2014). Jonge studenten profiteren van een geïntegreerde leercontext en ontwikkelen een positievere houding ten opzichte van STEM-vakken met vroege ervaringen van succes (McClure et al., 2017).

Onderzoek heeft ook aangetoond dat de introductie van robotica tijdens de pre-service opleiding van leraren de zelfeffectiviteit van leraren, inhoudelijke kennis en computationele denkvaardigheden verhoogde (Jaipal-Jamani en Angeli, 2017). Hoewel logisch dat de voordelen van robotica zowel bij leraren als bij leerlingen te vinden zijn, is de introductie van robotica in de formele lerarenopleiding nog steeds beperkt. In veel landen is de traditionele lerarenopleiding gericht op op discipline gebaseerde onderwerpen in wetenschap en wiskunde, waardoor de meeste leraren onvoldoende voorbereid zijn op techniek en technologie (Epstein en Miller, 2011) en minder vertrouwen hebben in het onderwijzen van STEM-onderwerpen die niet worden behandeld in de formele lerarenopleiding of het maken van verbindingen tussen STEM disciplines (Nadelson et al., 2013; Kelley & Knowles, 2016). Bybee (2010) merkte op dat deze beperking van STEM-onderwerpen in de lerarenopleiding leidt tot een ondervertegenwoordiging van techniek en technologie, met name in het K-8-onderwijs. Hoewel de voordelen van het opnemen van robotica in de lerarenopleiding duidelijk zijn (Jaipal-Jamani en Angeli, 2017), zou een alternatief kunnen worden bereikt door voortdurende professionele ontwikkeling en informeel leren via praktijkgemeenschappen. Bandura (1977) verwoordde het kritische aspect van sociale leercontexten, en vanuit dat concept schetsten Lave en Wenger (1991) het concept van communities of practice (CoP). Voor een CoP verzamelen leden zich rond een gedeelde interesse in een domein, ontwikkelen ze een gemeenschap en delen ze onderzoek en inzichten om vaardigheden en kennis te vergroten - een praktijk ontwikkelen (Lave & Wenger, 1991 ). In plaats van robotica in de formele lerarenopleiding, zouden informeel leren en CoP's vergelijkbare voordelen kunnen bieden aan leraren, en bovendien aan studenten.

Helaas veroorzaakte de COVID-19-pandemie een wijdverbreide wereldwijde verstoring van persoonlijk leren, waardoor bijna alle studenten wereldwijd werden getroffen (VN, 2020). Praktische leerervaringen werden opgeschort, wat een fundamenteel onderdeel was van het meeste robotische STEM-curriculum, inclusief het robotcurriculum dat wordt gebruikt door de VEX educatieve robotica-lijn. Oplossingen voor leren op afstand waren nodig om snel een virtuele leeromgeving te bieden die studenten nog steeds zou kunnen helpen om op een authentieke, zinvolle manier met STEM-onderwerpen om te gaan. VEX Robotics creëerde snel VEXcode VR (hierna eenvoudigweg "VR" genoemd), een platform met een virtuele robot die op vergelijkbare manieren als een fysieke robot kan worden gebruikt.

Dit artikel bespreekt de gebruiksgegevens 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 hoe leraren VR hebben geïmplementeerd in hun leeromgevingen op afstand. De twee belangrijkste onderzoeksvragen voor dit artikel zijn als volgt:

1. Welke inzichten kunnen gebruiksgegevens en casestudy's van docenten onthullen over het leren van studenten met VR na de COVID-19-uitbraak?
2. Welke inzichten kunnen docenten geven over de implementatie van VR in de klas?

De chaos die door COVID-19 is ontstaan, werd vooral gevoeld door opvoeders. Tientallen jaren ervaring en lessen die waren ontworpen voor persoonlijk leren werden onmiddellijk op zijn kop gezet, maar deze verstoring moedigde docenten ook aan om te experimenteren met nieuwe tools en lesmethoden. Inzicht in de gemaakte beslissingen en bereikte resultaten vanuit het perspectief van de docenten die door innovatieve oplossingen hebben geleid, kan inzicht bieden in hoe nieuwe technologie kan worden geïntegreerd om het leren van studenten in robotica en STEM-vakken 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 bezig kon houden met robotica en STEM-onderwerpen terwijl ze op afstand werkten. VR is ontwikkeld en gelanceerd op 2 april 2020, slechts enkele weken nadat de meeste scholen naar een virtueel formaat waren gegaan. VR-activiteiten zijn gemaakt om consistent te zijn met de andere robotprogramma's met interdisciplinaire lessen die zijn afgestemd op 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 is in figuur 1. In plaats van een fysieke robot maken leerlingen projecten om een virtuele robot te besturen in een thematische 'speeltuin' die verandert op basis van de activiteit. Beginnende codeerstudenten gebruiken op blokken gebaseerde programmering en gevorderde studenten gebruiken tekst op basis van Python.

Figuur 1. De VEXcode VR-platforminterface voor de Coral Reef Cleanup Activity.

VR-activiteiten zijn ontwikkeld om interdisciplinair te zijn en combineren de computerwetenschappelijke vaardigheden die essentieel zijn voor het besturen van een virtuele robot met onderwerpen uit de wetenschap of wiskunde. Tijdens deze VR-activiteiten leren leerlingen niet alleen over programmeren, maar ook over wetenschappelijk onderzoek, wiskundig denken en technische geletterdheid - allemaal componenten van een geïntegreerd STEM-raamwerk (Kelley & Knowles , 2016). De unieke omstandigheden veroorzaakt door COVID-19 vereisten dat studenten in staat waren om zelfstandig lessen te doorlopen in gemengde, synchrone of asynchrone instellingen. Om dit te bereiken, maken de studenten kennis met de leerdoelen en het doel van de activiteit. Directe instructie wordt vervolgens gebruikt om stapsgewijze instructies en opzettelijke steigers te bieden om het leren in volgorde te leren begrijpen (Stockard et al., 2018; Bowen R.S., 2017). Studenten ontvangen vervolgens gerichte steigers die leiden tot het oplossen van de laatste codeeruitdaging (Puntambekar et al., 2010). Studenten leren dat robotica en codering worden gebruikt om praktische, interdisciplinaire problemen op te lossen. In de Coral Reef Cleanup Activity worden studenten bijvoorbeeld uitgedaagd om met hun robot rond een koraalrif te navigeren om zoveel mogelijk afval te verzamelen voordat hun op zonne-energie opgeladen batterij leeg raakt. Vervuiling is een wereldwijd probleem dat zal worden opgelost door de studenten van morgen, en door deel te nemen aan deze authentieke, op scenario's gebaseerde projecten, kunnen studenten computerwetenschappelijke vaardigheden toepassen in verschillende disciplines.

Figuur 2. De missiecontext voor de Coral Reef Cleanup Activity.

Aangezien studenten gescheiden zijn van hun instructeurs, moest de virtuele omgeving zo naadloos mogelijk zijn om verdeelde aandacht en cognitieve belasting te verminderen (Sweller, 2020; Sentz et al., 2019). Studenten kunnen opdrachten naar hun project slepen en neerzetten en zien hoe hun robot in hetzelfde venster door de VR-speeltuin navigeert. Studenten kunnen een willekeurig aantal blokken tegelijk toevoegen en het project na elke toevoeging uitvoeren om te zien hoe hun robot beweegt in de speeltuin. Dit geeft studenten onmiddellijke feedback en vroege gevoelens 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 is, laat staan wanneer leerlingen op afstand zijn met schoolcomputers. Maar studenten 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 zouden kunnen gebruiken.

Resultaten

Gebruiksgegevens. De gepresenteerde gegevens zijn afkomstig van Google Analytics. Omdat VEXcode VR volledig browsergebaseerd is, zijn er een aantal verschillende statistieken die inzicht geven in hoe deze virtuele robotomgeving wereldwijd is gebruikt. Sinds de lancering in april 2020 is er maandelijks een toename van VR-gebruikers, samen meer dan 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 te zien is in figuur 4, nam het aantal gebruikers kort na de release snel toe en nam vervolgens af tijdens de zomermaanden wanneer de leerlingen niet naar school gingen. De typische terugkeer naar school maanden (augustus/september) kende een significante toename die de rest van het schooljaar aanhield. De periodieke dalingen in het aantal gebruikers duiden op minder gebruik in het weekend en tijdens vakantieperiodes.

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 later op terug kan komen. Er waren meer dan 2,52 miljoen opgeslagen programma's. Een project hoeft echter niet te worden opgeslagen om te worden uitgevoerd. Omdat VR volledig browsergebaseerd is, gebeurt het bewerken en testen van een project onmiddellijk door "START" te selecteren. Er zijn meer dan 84 miljoen projecten uitgevoerd in de software, wat aangeeft dat studenten hun projecten met regelmatige tussenpozen hebben getest. Door deze directe feedbacklus kregen studenten de kans om in een veel sneller tempo te experimenteren en te herhalen dan bij het werken met een fysieke robot. Dit iteratieve proces is een goede indicatie voor het leren van studenten, aangezien is aangetoond dat meerdere iteraties de betrokkenheid en interesse van studenten behouden (Silk et al., 2010).

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 Certification Course. Sinds de lancering in juni 2020 hebben meer dan 550 docenten de certificering voltooid, die meer dan 17 uur leerplan en ondersteuning omvat, om een VEX Certified Educator te worden. De certificeringscursus bevat 10 leseenheden die bedoeld zijn om docenten voor te bereiden die mogelijk geen ervaring hebben met informatica of robotica. De inhoud omvat onderwerpen zoals de basisprincipes van programmeren, het coderen van de VR-robot, het lesgeven met de VR-activiteiten en het implementeren van VR in een klaslokaal. Figuur 5 toont zowel het aantal gecertificeerde docenten maandelijks als cumulatief van juni 2020 tot maart 2021. Trends in de gegevens laten een toenemend aantal gecertificeerde docenten zien rond de schooltijd, waaronder augustus en september en tot oktober 2020.

Casestudy 1

Aimee DeFoe is de 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 verstoord door COVID-19 en moest ze alternatieve plannen identificeren voor de start van het schooljaar in de herfst van 2020, niet wetende hoe de omstandigheden zouden veranderen. De eerste zes weken van het jaar werden volledig virtueel gegeven, en het resterende jaar werd doorgebracht in een hybride vorm met studentencohorten die dagen van persoonlijke instructie en instructie op afstand afwisselden. Zelfs wanneer leerlingen thuis leerden, was het van cruciaal belang dat leerlingen dezelfde probleemoplossende en kritische denkactiviteiten bleven uitvoeren als in de klas.

Aimee koos er om verschillende redenen voor om VR te gebruiken bij haar leerlingen uit de zesde en zevende klas. Omdat VR een volledig virtuele leeromgeving was, zouden studenten kunnen schakelen tussen thuis en op school zonder dat veranderingen in het beleid van invloed zijn op hun leeractiviteiten. De op blokken gebaseerde codeeromgeving zou niet intimiderend zijn voor studenten die nieuw zijn in coderen en er waren activiteiten ontworpen voor verschillende ervaringsniveaus. Ze geloofde ook dat studenten de VR-robots opwindend en motiverend zouden vinden, wat ze waar vond. Toen ze nadacht over wat ze hoopte dat studenten van VR zouden krijgen, 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 studenten niet het gevoel zouden hebben dat ze een ervaring zouden missen, maar eerder een nieuw soort codeerervaring zouden opdoen die gewoon even spannend. Ik wilde dat ze dezelfde prestatie zouden voelen die ze in de klas zouden hebben gevoeld als ze moeten herhalen en volharden door uitdagingen en dan uiteindelijk succes behalen.

Als enige roboticaleraar gaf Aimee tussen de start van de school en de winterstop eenmaal per week les aan 23 leerlingen, in totaal 15 lessen. Studenten begonnen met de cursus "Computer Science Level One - Blocks". Aimee werkte de eerste unit met studenten als groep door, maar voor de resterende lessen liet ze de studenten in hun eigen tempo werken en trad op als begeleider. De meeste studenten eindigden tussen de zeven en negen eenheden, met de extra oceaanopruimingsactiviteit.

Aimee ontdekte dat studenten erg gemotiveerd waren door de uitdagingen in de lessen; zo erg 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 concepten groter dan/minder dan en Boole waren uitdagend. De meeste studenten hadden echter de juiste hoeveelheid uitdaging, strijd en succes. Studenten waren enthousiast over het idee om met fysieke robots te werken wanneer ze terugkeerden naar de klas. Na met VR te hebben gewerkt, merkte Aimee op: "Iedereen verliet de klas zonder twijfel als een meer zelfverzekerde programmeur."

Casestudy 2

Mark Johnston geeft les aan groep zeven en acht 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 bevatte de VEX IQ-robot om basismechanica en fundamentele codering te onderwijzen met VEXcode IQ (een plastic robotkit voor jongere studenten). Deze cursus wordt gegeven in het herfstsemester, dus de eerste 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 opstelling gebruikte (bijv. VEXcode), was ik super enthousiast omdat ik het potentieel zag - als een puzzelstuk waarvan ik WIST dat het perfect zou passen bij wat ik al aan het doen was. Toen VR werd geüpdatet met Python, was ik nog enthousiaster.” Mark maakte instructievideo's voor andere docenten en verzamelde een groot aantal volgers op sociale mediaplatforms. Via zijn eigen non-profit onderwijsbedrijf bood Mark een gratis zomerkamp aan voor studenten op VR, naast de lerarenopleiding ter voorbereiding op het schooljaar 2020/21.

Onzekere leeromstandigheden maken het moeilijk om te plannen. “Toen ik me realiseerde dat het afstandsonderwijs zou doorgaan in het schooljaar 2020/21, besloot ik eerst ontwerples te geven en daarna robotica… , maar er hing zoveel in de lucht, het was moeilijk om iets te plannen. Ik wist niet of we persoonlijk terug zouden komen of online zouden doorgaan - er was toen heel weinig informatie duidelijk. Uiteindelijk heb ik robotica en design door elkaar gehaald en een of twee dagen van tevoren gepland.” Mark begon VR aan het begin van het schooljaar te gebruiken (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 volledig doorheen, hoewel hij opmerkte dat hij de volgende keer lessen zou distilleren tot kortere colleges. 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
• "Trick" ze om wiskunde te gebruiken zonder het te beseffen ;)
• Vraag leerlingen om goed gedefinieerde problemen op te lossen, gegeven beperkingen
• Introduceer slecht gedefinieerde problemen
• Moedig een "faal 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 studenten een "overwinning" behalen om te bepalen hoe goed een STEM-activiteit is, waarbij hij opmerkt dat "als het te lang duurt voordat de student een positief resultaat behaalt, het veel moeilijker is om ze te behouden betrokken."

Er was een directheid voor VR die exploratie en actieve betrokkenheid aanmoedigde. Mark beschrijft dit soort "winnen" met een voorbeeld van het introduceren van VR bij studenten:

Ik: "Iedereen opent een nieuw tabblad en gaat naar vr.vex.com. Iedereen de site gezien? Mooi zo. Laat de robot nu vooruit rijden.”
Student: "Hoe?"
Ik: “Kijk eens of je…kunt bedenken ”
Student: "Ik heb het uitgezocht!"
En dan zijn ze verslaafd! Tegen die tijd vragen velen van hen hoe ik allerlei verschillende dingen moet doen. Ze vragen me letterlijk om het ze te leren!

Resultaten en discussie

VR als leermiddel. De gebruiksgegevens en casestudy's bieden beide inzicht in de eerste onderzoeksvraag over hoe VR werkte als leermiddel tijdens de COVID-19-pandemie. De eenvoudigste afhaalmaaltijd is het enorme gebruik; het VR-platform werd gebruikt door meer dan een miljoen studenten over de hele wereld, 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 vertoonde. Dit is een veelbelovend resultaat gezien het belang van het ontwikkelen van een 'probeer en probeer het opnieuw'-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. Wanneer leerlingen begrijpen dat er meerdere oplossingen voor een probleem zijn, is de kans groter dat leerlingen feedback van docenten zullen vragen en ook dat ze een beter begrip hebben van wat ze leren (Marzano et al., 2011).

Uit de casestudies blijkt ook dat VR werkt als een low-stakes leeromgeving. Aimee merkte op dat haar studenten meer zelfverzekerde programmeurs waren en ernaar uitkeken om met de fysieke robots te werken. Mark merkte op dat studenten minder bang waren om te experimenteren terwijl ze codeerden in VEXcode VR en er was een direct gevoel van "win" in deze omgeving. Wanneer we deze observaties van docenten in combinatie met de ruwe gebruiksgegevens beschouwen, lijkt het te bevestigen dat een virtuele robotomgeving studenten een vrijer gevoel geeft om te experimenteren en te herhalen tijdens hun leerproces, en de positieve perceptie van robotica in het algemeen verhoogt.

Lessen van docenten. Als we kijken naar de tweede onderzoeksvraag over welke inzichten leraren kunnen bieden over de implementatie van VR in de klas, kunnen we verschillende overeenkomsten uit de casestudies identificeren. Beide casestudies onthulden informatie over hoe docenten beslissingen namen en oplossingen implementeerden tijdens COVID-19, maar ook over wat nodig was om een effectieve leeroplossing te bieden voor studenten in een virtuele en hybride omgeving. Deze thema's zijn onder meer flexibele oplossingen, continuïteit en curriculum en ondersteuning. Deze bevindingen moeten worden beschouwd als vereisten voor alle technologische oplossingen, aangezien ondersteunende docenten studenten ondersteunen.

Gezien de onzekerheden rond de leeromstandigheden, merkten zowel Mark als Aimee op dat ze flexibele oplossingen nodig hadden. Leren op afstand kan veranderen in face-to-face leren, of een vorm daartussenin. VR kon in elke omgeving worden gebruikt, maar bood ook flexibiliteit in de aanpak. Studenten zouden kunnen deelnemen aan gestructureerde lessen onder leiding van een leraar, zoals Mark gebruikte bij de activiteiten en cursus, of door leerlingen geleid leren in hun eigen tempo, zoals Aimee beschreef. Docenten hadden ook behoefte aan flexibiliteit in het ervaringsniveau, zowel wat betreft activiteiten als het soort programmeertalen dat wordt aangeboden om aan de behoeften van alle studenten te voldoen.

Continuïteit van leren werd in beide casestudies als belangrijk aangegeven. Aimee merkte op dat studenten na het werken in VR enthousiast waren om aan de slag te gaan met de VEX V5-robots die stonden te wachten toen het persoonlijke leren werd hervat. VR diende als een springplank naar het werken met fysieke robots en verhoogde de opwinding en positieve perceptie van 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 het derde leerjaar 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 leer-in-leersituatie. De VR-units boden alle inhoud voor studenten om te 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 ook niet intimiderend was voor haar, naast haar studenten. Mark zei ook dat hij niet gewend was om zoveel informatica te onderwijzen, en de lessen eerst zelf moest leren voordat hij les ging geven. Mark erkende echter: "Als de dingen morgen weer "normaal" zouden worden, kan ik nu met meer vertrouwen de programmeergedeelten van mijn klas onderwijzen." Ondersteuning van docenten voor het curriculum en de programmering van VR zijn van vitaal belang voor de implementatie van VR in de klas.

Digitaal leren is niet alleen voor studenten; leraren proberen ook via technologie en sociale media meer te weten te komen over onderwijspraktijken en -bronnen. Docenten in bijna 50 landen voltooiden de VR-certificering. Er vormt zich een wereldwijde praktijkgemeenschap rond VR. Mark begon video's op 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. Als docenten hun ervaring en praktijk delen, profiteren studenten uiteindelijk van deze informele ondersteuningsgroepen voor docenten. Praktijkgemeenschappen kunnen een brug 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 professionele ontwikkeling, zoals de 550+ leraren die de certificeringscursus hebben voltooid, of via informele leergemeenschappen, zullen meer studenten kennismaken met geïntegreerd STEM-onderwijs.

Conclusie

VEXcode VR is ontstaan in een tijd van grote onzekerheid en grote behoefte aan onmiddellijke oplossingen. Vanuit urgente situaties kunnen innovatieve oplossingen ontstaan. VR heeft meer dan 1,45 miljoen gebruikers bereikt die meer dan 2,52 miljoen projecten hebben gered en meer dan 84 miljoen projecten hebben uitgevoerd - in meer dan 150 landen. Hoewel de pandemie invloed heeft gehad op studenten en docenten over de hele wereld, heeft VR studenten en docenten in staat gesteld om met robotica en computerwetenschappelijke concepten om te gaan, ongeacht fysieke barrières. Uit de casestudy's van docenten werden thema's als flexibiliteit, continuïteit, curriculum en ondersteuning geïdentificeerd als belangrijk voor lesgeven met technologie in dergelijke onzekere en uitdagende omstandigheden.

De lessen die zijn getrokken uit de creatie en implementatie van VR, komen voort uit deze ongekende tijd en wijzen op mogelijkheden voor gebruik in de toekomst. De gebruiksgegevens in combinatie met de casestudy's van docenten laten zien dat studenten zich minder geremd voelden om te herhalen tijdens het coderen in de virtuele omgeving. Dit suggereert dat VR een waardevol hulpmiddel voor steigers 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 robotische leeromgeving kunnen bieden waar een gemakkelijke, thuisoptie een aanvulling vormt 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 postpandemische wereld.

Dankbetuigingen

We erkennen Aimee DeFoe en Mark Johnston dankbaar voor het delen van hun onderwijservaringen en waardevolle inzichten.