Dlaczego warto uczyć robotyki edukacyjnej?

W ciągu ostatnich kilku lat zainteresowanie robotyką edukacyjną wzrosło, ponieważ nauczyciele i szkoły wykorzystali potencjał robotyki w celu zapewnienia praktycznych i wciągających sposobów nauczania projektowania, inżynierii i technologiiⁱ. Robotyka edukacyjna, postrzegana również jako sposób na wprowadzenie i zachęcenie uczniów do kontynuowania kariery w dziedzinach nauk ścisłych, technologii, inżynierii i matematyki (STEM)ⁱⁱ, jest obecnie bardziej przystępna cenowo i solidna dzięki zwiększonej uwadze i inwestycjom oddany medium. Wynikający z tego postęp technologiczny w znacznym stopniu przyczynia się do dostępności tego narzędziaⁱⁱⁱ. W rzeczywistości niektórzy uważają, że robotyka odgrywa obecnie w klasie podobną rolę jak kiedyś komputery, począwszy od początku lat 90-tych i wprowadzenia w klasach płyt CD-ROM i programu Microsoft PowerPoint^iv.

Wraz z rosnącą obecnością Educational Robotics pojawiają się ważne pytania. Jakie są najlepsze zastosowania tego nowego i ekscytującego narzędzia? Jak możemy ustalić najlepsze praktyki? Jak rozumiemy cel robotyki edukacyjnej w klasie? Pytania te mogą być bardziej skomplikowane, niż się wydaje na pierwszy rzut oka. A udzielenie odpowiedzi na nie może początkowo wywołać więcej pytań niż na początku. Na przykład, czy uczniowie wykorzystują robotykę edukacyjną jako medium do prezentowania swoich pomysłów i sposobu myślenia, czy też tworzą pomysły i sposoby myślenia wchodząc w interakcję z tym medium? Czy robotyka edukacyjna jest dla uczniów sposobem na pokazanie swoich kompetencji, czy też stanowi infrastrukturę, na której uczniowie budują nowe kompetencje^na? Być może rozważenie aspektu korzystania z komputera w klasie pomoże rzucić więcej światła na ten temat.

Medium może mieć inny zakres w zależności od jego zastosowania. Malarstwo można postrzegać jako medium, którym można pomalować płot lub Kaplicę Sykstyńską. Wszechstronność komputerów jako medium jest prawdopodobnie jeszcze większa; Komputer może być używany w klasie w bardzo ograniczonym zakresie, jako kalkulator lub edytor tekstu, a jednocześnie jest postrzegany i traktowany jako sam w sobie potężny środek komunikacji. Jak zauważył Mark Guzdial, komputery można rozumieć jako nowoczesną formę prasy drukarskiej Gutenberga^vii jako sposób myślenia o innych dziedzinach. W związku z tym technologie takie jak modelowanie komputerowe i algorytmy wywarły znaczący wpływ na nasze zrozumienie dziedzin matematyki i nauk ścisłych^vii.

Jaki zatem jest zakres robotyki edukacyjnej? Robotykę Edukacyjną można wykorzystywać jako gotowe obiekty, które wykonują bardzo konkretne zadania, natomiast niektóre systemy Robotyki Edukacyjnej pozwalają uczniom stać się aktywnymi uczestnikami projektowania procesu uczenia się – a także twórcami artefaktów obliczeniowych, zamiast biernymi użytkownikami urządzeń stworzonych przez innych dla nich^viii. Stwarza to nauczycielom wyjątkowy zestaw możliwości. Robotyka edukacyjna staje się zatem medium zapewniającym uczniom możliwość wyrażania swojego głosu i wyboru w procesie uczenia się oraz angażowania ich nie tylko w rozwiązywanie problemów, ale także w znajdowanie problemów, konstruowanie problemów, analizę problemów oraz planowanie i monitorowanie wysiłków związanych z rozwiązywaniem problemów. Robotyka edukacyjna staje się zatem czymś znacznie większym – medium przygotowującym uczniów na złożoność wyzwań, jakie na nich czekają, przygotowując się do zawodów, które obecnie nie istnieją^ix, a także sposobem na włączenie innych cennych umiejętności (np. komunikacji i współpracy) ) należące do szerszego spektrum umiejętności XXI wieku.

Wydaje się, że wysiłki szkół mające na celu wdrożenie medium robotyki edukacyjnej przyniosły tyle samo przejawów, ile różnych motywacji leżących u podstaw inicjatyw. Niektóre szkoły wykorzystują to narzędzie jako integralną część samodzielnego kursu informatyki lub STEM, inne natomiast wykorzystują to nowoczesne rozwiązanie jako uzupełnienie tradycyjnych przedmiotów. Jeszcze inne szkoły wykorzystują je jako zajęcia pozaszkolne, które następnie wykorzystują motywacyjne skutki „grywalizacji” i konkursów, aby zwiększyć uczestnictwo i zaangażowanie uczniów. W ten sam sposób, w jaki szkoły nauczyły się nie ograniczać korzystania z komputerów do drogich kalkulatorów, tak samo wykorzystanie robotyki edukacyjnej nie powinno być ograniczane przez postrzegane ograniczenia.

Warto szczegółowo zbadać następujące zastosowania robotyki edukacyjnej:

• Zrozumieć nasz świat
• Nauczać zintegrowanej edukacji STEM w nowatorski sposób
• Nauczać myślenia obliczeniowego
• Oswoić się z iteracją i uczyć się na błędach
• Zetknąć się z zawodami przyszłości i dowiedzieć się o nich

Aby zrozumieć nasz świat

Nauka jest wyjaśnieniem świata przyrody. Studenci posiadający wiedzę naukową są w stanie zrozumieć zarówno koncepcje, jak i praktyki naukowe. Dlatego nauczanie przedmiotów ścisłych daje im możliwość zrozumienia świata, w którym żyją. Dlatego też programy nauczania w szkołach średnich w całym kraju obejmują takie przedmioty, jak astronomia, biologia i chemia. Ale co z robotyką? Jest oczywiste, że roboty są powszechne w naszym życiu codziennym, a ich rozpowszechnienie wzrasta^x. Ulepszenia technologii związane z robotami doprowadziły do ​​wykładniczego wzrostu mocy obliczeniowej i przechowywania danych^xi. W rezultacie powstały roboty zdolne do uczenia się i podejmowania decyzji na podstawie doświadczeń innych robotów. Roboty nie są już maszynami wykonującymi proste funkcje. Ponadto rosnące zapotrzebowanie na roboty i technologię robotyczną dotyczy różnych branż. Tak, fabryki są domem dla wielu robotów, ale obecnie roboty są coraz powszechniejsze w placówkach edukacyjnych i rozrywkowych. Jest całkiem możliwe, że w niedalekiej przyszłości roboty pomogą wielu osobom starszym w samodzielnym życiu w domach, tworząc w ten sposób nową dziedzinę „współrobotów”.

Szkoły słusznie uczą o planetach i gwiazdach oddalonych o lata świetlne od nas…ale nie o technologii, z którą wiele osób ma kontakt na co dzień. To wyzwanie, ale i szansa. Edukacja napędza naukę i innowacje. Studia biologii w dalszym ciągu prowadzą do lepszych metod leczenia i eliminowania chorób^xiii. Gdyby robotyka stała się głównym przedmiotem akademickim w naszych szkołach, mogłoby to mieć potencjalnie podobny wpływ.

Nauczanie zintegrowanej edukacji STEM w nowatorski sposób

Badacze zajmujący się edukacją sugerują, że nauczyciele często mają trudności z nawiązaniem powiązań między dyscyplinami STEM^xiv. Stanowi to wyzwanie dla szkół, ponieważ standardy naukowe nowej generacji obejmują przekrojowe koncepcje obejmujące różne dziedziny nauki. Dlatego uczniowie będą mieli trudności z przeniesieniem pojęć, których często naucza się w izolacji, do zintegrowanego kontekstu, który zobaczą na egzaminach oceniających. Inną niezamierzoną konsekwencją nauczania koncepcji naukowych w izolacji jest tendencja do tworzenia środowiska uczenia się, w którym uczniowie tracą zaangażowanie. Autentyczne przykłady nauki, które widzą w swoim codziennym życiu, charakteryzują się głęboką integracją dyscyplin STEM, a nie osobliwością. Celem edukacji STEM jest pomoc uczniom w organizowaniu informacji w ramach dyscyplin i między dyscyplinami, aby byli w stanie zidentyfikować i uzasadnić głębokie, strukturalne podobieństwa i wzorce w tych informacjach; kulminacja idealnie skutkująca umiejętnością zastosowania tej organizacji wiedzy do złożonych sytuacji i problemów w życiu codziennym^xv.

Robotyka edukacyjna może pomóc stawić czoła tym wyzwaniom, wspierając nauczycieli i szkoły w organizowaniu nauczania przedmiotów STEM. Ponieważ zakres robotyki edukacyjnej wykracza daleko poza zabawkę, której można wydawać proste instrukcje, sale lekcyjne wykorzystujące robotykę edukacyjną mogą oferować uczniom solidne wyzwania inżynieryjne i programistyczne.

Aby uczyć myślenia obliczeniowego

W ciągu ostatnich 10 lat myślenie obliczeniowe zyskało na popularności i włączyło się w zajęcia w szkołach podstawowych i średnich^xvii. Myślenie obliczeniowe jest częścią standardów naukowych nowej generacji i stanowi istotną część matematyki i nauk ścisłych w świecie rzeczywistym. Myślenie obliczeniowe jest powszechnie uważane za integralną część każdej klasy STEM^xviii.

Wzrost popularności myślenia obliczeniowego jako koncepcji, zarówno w szkołach, jak i poza nimi, doprowadził do tego, że szkoły próbowały znaleźć skuteczne narzędzia integrujące i uczące myślenia obliczeniowego swoich uczniów. Odpowiednim celem było poszerzenie udziału w zajęciach – szczególnie z informatyki – które w dużym stopniu zagłębiają się w myślenie obliczeniowe; Konsekwentnym celem było również zajęcie się problemem nierówności płci w tym obszarze tematycznym. Obecnie dziewczęta stanowią około połowę wszystkich zdających egzamin AP, ale stanowią tylko 25% osób biorących udział w zajęciach z informatyki AP^xix

Robotyka edukacyjna może być skutecznym narzędziem do nauczania myślenia obliczeniowego, a jednocześnie pomaga w poszerzaniu celów związanych z uczestnictwem.^{xx xxi} Niedawne postępy w robotyce edukacyjnej obniżyły koszty i zwiększyły łatwość obsługi, dzięki czemu są bardziej dostępne dla uczniów i stopniowo stają się niezawodnym sposobem uczenia się abstrakcyjnych koncepcji STEM. W związku z tym związek między informatyką a robotyką jest jasny; uczniowie mają możliwość programowania swoich robotów do wykonywania skomplikowanych zadań, zarówno na zajęciach lekcyjnych, jak i na boiskach konkursowych. Chociaż wykonanie złożonych zadań może być celem, środki obejmują rozbicie tych zadań na mniejsze części, a następnie iteracyjne zbudowanie ich razem w celu stworzenia rozwiązania. W klasach rusztowanie tego procesu jest niezwykle ważne i po raz kolejny robotyka edukacyjna może skutecznie ułatwiać zarówno rozkładanie, jak i tworzenie rusztowań złożonych zadań. W rezultacie roboty mogą być skutecznym narzędziem do nauczania myślenia obliczeniowego, jako początkowe dowody wskazują.^{xxii xxii} Skuteczne nauczanie myślenia obliczeniowego skutkuje także umiejętnością stosowania myślenia obliczeniowego w różnych dziedzinach. Zdolność do skutecznego nauczania możliwych do uogólnienia umiejętności myślenia obliczeniowego, przy jednoczesnym oferowaniu sposobów dywersyfikacji uczniów rozpoczynających naukę na tych kierunkach, sprawia, że ​​robotyka edukacyjna w znaczący sposób przyczynia się do integracji myślenia obliczeniowego w szkołach i ruchu „Informatyka dla wszystkich”.

Aby czuć się komfortowo w iteracji i uczyć się na niepowodzeniach

Projekt inżynieryjny i metoda naukowa są zjawiskami powiązanymi, ale zawierają ważne różnice. W nauce nacisk kładzie się na znalezienie ogólnych zasad opisujących działanie naszego świata i wszechświata, natomiast inżynieria polega na znalezieniu rozwiązań konkretnego problemu, który spełnia wszystkie ograniczenia zawarte w tym problemie. Niektórzy podsumowali to rozróżnienie stwierdzeniem „naukowcy badają, ale inżynierowie tworzą”^xxv Rozważając proces twórczy, musimy rozpoznać jego często znaczącą zależność od iteracji.

Wielokrotne iteracje mają kluczowe znaczenie dla pomysłów i działań inżynierskich, które mają na celu osiągnięcie określonych celów, niezależnie od tego, czy spełniają one/przekraczają oczekiwania klienta, czy też uczestniczą w wyzwaniu konkurencyjnym. Uznano, że wymagane wielokrotne iteracje nieodłącznie związane z działaniami z zakresu robotyki edukacyjnej mogą utrzymać zainteresowanie uczniów i trwałe zaangażowanie.^xxvi Również sam skład zestawów do robotyki, składający się z wielu różnych elementów, które można szybko złożyć, a następnie zdemontować, sprzyja podejściu iteracji. Ponieważ wielokrotne iteracje często dotyczą ważnej lekcji życiowej „spróbuj, spróbuj jeszcze raz”, uczniowie odnoszą ogromne korzyści, dowiadując się, że „porażki” można uznać za część procesu. Kolejną nauką o szerokim zastosowaniu, wynikającą z bardziej abstrakcyjnego spojrzenia na dodatkowe zalety tego narzędzia, jest tendencja firmy Educational Robotics do przedstawiania wielu rozwiązań nawet najprostszych wyzwań. Co może bardziej poszerzyć horyzonty ucznia niż świadomość, że rzeczywiście istnieje wiele rozwiązań tego samego problemu? Widzieliśmy, że przynosi to interesujące korzyści: zwiększone prawdopodobieństwo, że uczniowie poproszą nauczycieli o informację zwrotną, oraz większe prawdopodobieństwo, że uczniowie zrozumieją, czego się uczą, jako ważne.^xxvii Korzyści z tego tylko się łączą – nauczyciele angażujący uczniów w ten sposób mogą prowadzić do większego poczucia własnej skuteczności uczniów, co jest kluczowym elementem prowadzącym do większej chęci uczenia się na błędach.^xxviii

Aby poznać zawody przyszłości i dowiedzieć się o nich

Zmiana, nasza jedyna stała, nie jest obca naturze pracy. W 1900 roku około 40% amerykańskiej siły roboczej pracowało w rolnictwie. Dziś liczba ta wynosi zaledwie 2%.xxix Jeśli wydaje się to zbyt dawno temu, zbyt odległe, należy wziąć pod uwagę, że jeszcze 50 lat temu przeciętny pracownik nie musiał czytać ani pisać w ciągu dnia pracy.^xxx Dzisiejszą sytuację można podsumować w szeroko czytanym i dyskutowanym badaniu przeprowadzonym w 2013 roku przez Wydział Inżynierii Uniwersytetu Oksfordzkiego, w którym szacuje się, że 47% obecnych stanowisk pracy jest zagrożonych utratą na skutek automatyzacji.^xxxi

Ważnym rozróżnieniem obecnych obaw w porównaniu z normalnym wczorajszym zjawiskiem niszczenia i tworzenia miejsc pracy jest „polaryzacja miejsc pracy”. Termin ten odnosi się do wyczerpywania się możliwości zatrudnienia, co oznacza, że ​​istnieje duże zapotrzebowanie na stanowiska wymagające wysokich i niskich kwalifikacji, ale możliwości zatrudnienia wymagające średnich kwalifikacji i średnich płac zmalały.^xxxii Ten istotny problem można powiązać z automatyzacją rutynowej pracy, a odpowiedzią na nie jest uznanie nieuchronności automatyzacji poprzez twórczą pracę na rzecz jej usprawnienia. Firmy, które z powodzeniem radzą sobie na tej fali, to te, które reagują elastycznie i płynnie, ucząc się pracy z technologią, zamiast uciekać przed jej zniechęcającą obecnością i wpływem lub buntować się przeciwko niej.^xxxiii Jako edukatorzy ważne jest, abyśmy także twórczo reagowali, szukając innowacyjnych rozwiązań wobec niepewności przyszłości. Zadaniem systemów edukacji na poziomie podstawowym i średnim jest rozpoznanie pojawiających się realiów i nauczenie odpowiednich i cennych umiejętności, co w obecnym przypadku może oznaczać rzeczy, w których komputery po prostu nie są dobre. Należą do nich kreatywność, umiejętności interpersonalne i rozwiązywanie problemów – wszystkie umiejętności, które można rozwijać dzięki ulepszonemu wykorzystaniu robotyki edukacyjnej.^xxxiv

---