Abstrakcyjny
Robotyka edukacyjna może stać się kamieniem węgielnym edukacji STEM ze względu na jej zdolność do zapewniania praktycznej nauki opartej na projektach w ramach interdyscyplinarnego programu nauczania. Badania wykazały, że nastawienie uczniów do nauki STEM zmniejsza się w miarę postępów w naszym systemie edukacyjnym; kultywowanie pozytywnego podejścia do tematów STEM ma kluczowe znaczenie wśród uczniów w wieku podstawowym. Wykazano, że zintegrowanie programu nauczania robotyki z przedmiotami STEM przynosi uczniom wiele pozytywnych korzyści edukacyjnych, poprawiając jednocześnie ich postrzeganie tych tematów. W tym badaniu 104 uczniów od trzeciej do piątej klasy wzięło udział w projekcie badawczym, którego celem było sprawdzenie, czy postrzeganie przez uczniów tematów STEM zmieni się po sześciu tygodniach programu nauczania robotyki. Uczniowie wzięli udział w ankiecie wstępnej, która miała ocenić ich podejście do matematyki, nauk ścisłych, inżynierii i umiejętności XXI wieku. Następnie każda klasa ukończyła program nauczania robotyki, korzystając z pakietu zajęć z robotami VEX GO oraz laboratoriów i zajęć STEM z programu nauczania VEX GO. Po sześciu tygodniach zajęć uczniom zadano te same pytania po ankiecie, aby ocenić, czy ich nastawienie uległo zmianie. Wyniki pokazują znaczną poprawę postaw uczniów w przypadku wszystkich przedmiotów STEM, a także zauważalną poprawę kreatywności, zaangażowania, pracy zespołowej i wytrwałości.
Wstęp
W ostatnich latach robotyka jest w coraz większym stopniu włączana do szkół podstawowych i średnich w całych Stanach Zjednoczonych, co jest spowodowane krajowymi raportami i politykami. W 2015 roku Narodowa Fundacja Nauki stwierdziła, że zdobywanie wiedzy i umiejętności w zakresie nauk ścisłych, technologii, inżynierii i matematyki (STEM) jest dla Amerykanów coraz bardziej istotne, aby mogli w pełni zaangażować się w globalną gospodarkę intensywnie korzystającą z technologii oraz że dla wszystkich niezwykle ważne jest mieć dostęp do wysokiej jakości edukacji w zakresie przedmiotów STEM. Robotyka edukacyjna to nie tylko popularny trend w technologii edukacyjnej, ale badania wykazały, że skutecznie poprawia postrzeganie przez uczniów przedmiotów STEM i wyników nauczania. Metaanaliza (Beniti, 2012) wykazała, że ogólnie rzecz biorąc, robotyka edukacyjna usprawniła proces uczenia się w zakresie określonych koncepcji STEM. Badania skupiające się na różnych grupach wiekowych wykazały, że robotyka zwiększa zainteresowanie uczniów i pozytywne postrzeganie przedmiotów STEM (Nugent i in., 2010; Robinson, 2005; Rogers & Portsmore, 2004), a dalsze badania wykazały, że to z kolei zwiększa osiągnięcia szkolne i wspiera naukę stopień naukowy (Renninger & Hidi, 2011; Wigfield & Cambria, 2010; Tai i in., 2006). W przypadku uczniów szkół średnich robotykę wykorzystywano do wspierania przygotowania do studiów i rozwijania umiejętności technicznych związanych z karierą zawodową (Boakes, 2019; Ziaeefard i in., 2017; Vela i in., 2020).
Komisja ds. Edukacji STEM Narodowej Rady Nauki i Technologii przedstawiła w 2018 r. raport przedstawiający federalną strategię na rzecz interdyscyplinarnej edukacji STEM: „Charakter samej edukacji STEM ewoluuje od zestawu nakładających się dyscyplin w bardziej zintegrowane i interdyscyplinarne podejście do uczenia się i rozwoju umiejętności. To nowe podejście obejmuje nauczanie koncepcji akademickich za pomocą zastosowań w świecie rzeczywistym i łączy formalne i nieformalne uczenie się w szkołach, społeczności i miejscu pracy”. Robotyki edukacyjnej nie należy nauczać jako odrębnego tematu, lecz raczej w pełni wykorzystywać interdyscyplinarne podejście do programu nauczania. Badacze odkryli spektrum korzyści wynikających z włączenia robotyki do istniejącego programu nauczania, począwszy od rozwoju i zastosowania wiedzy STEM, poprzez myślenie obliczeniowe i umiejętności rozwiązywania problemów, aż po umiejętności społeczne i umiejętności pracy zespołowej (Altin & Pedaste, 2013; Bers i in., 2014; Kandlhofer & Steinbauer, 2015; Taylor, 2016). Benitti (2012) odkrył, że większość programów z zakresu robotyki była nauczana jako odrębny przedmiot, co utrudniało nauczycielom włączenie ich do zajęć lekcyjnych. Jednym z celów tego badania badawczego jest ocena postaw uczniów wobec tematów STEM przy użyciu programu nauczania robotyki, który łączy budowę i programowanie robotyki ze zgodnymi ze standardami treściami matematycznymi, ścisłymi i inżynieryjnymi.
Wprowadzenie robotyki edukacyjnej okazało się szczególnie pomocne dla młodych uczniów, którzy już w czwartej klasie mogą zacząć kształtować negatywne podejście do przedmiotów STEM (Unfried i in., 2014). Młodzi uczniowie czerpią korzyści ze zintegrowanego kontekstu uczenia się i rozwijają bardziej pozytywne podejście do przedmiotów STEM, jeśli już wcześniej doświadczyli sukcesu (McClure i in., 2017). Czerniak i in. (2019) odkryli, że zapoznanie uczniów szkół podstawowych z robotyką pomaga rozwijać umiejętności dociekania i rozwiązywania problemów. W badaniu przeprowadzonym przez Ching i in. (2019) uczniowie szkół podstawowych drugiego stopnia zostali zapoznani ze zintegrowanym programem nauczania robotyki STEM w ramach zajęć pozaszkolnych. Za pomocą narzędzia badawczego (Friday Institute for Educational Innovation, 2012) zmierzono postawy uczniów wobec matematyki, przedmiotów ścisłych i inżynierii przed rozpoczęciem programu i po jego zakończeniu. Wyniki pokazały, że znacząco wzrósł jedynie konstrukt matematyczny. Ching i in. ustalili, że wyniki te były spójne z innymi badaniami prowadzonymi w placówkach uczenia się nieformalnego i krótkich (jednotygodniowych) programach pilotażowych (Conrad i in., 2018; Leonard i in., 2016). Ching i in. zauważył również inne trudności, które mogły mieć wpływ na zerowe wyniki z innych przedmiotów: uczniowie mieli trudności ze zbudowaniem robotów, a ich ukończenie zajmowało maksymalnie cztery 90-minutowe sesje. Trudności w zrozumieniu instrukcji budowy i budowania robotów były zgłaszanym wyzwaniem dla uczniów szkół podstawowych II stopnia również w innych badaniach (Kopcha i in., 2017), a badacze zauważyli, że do konstruowania robotów niezbędna jest dobra znajomość różnych komponentów robotycznych (Slangen i in., 2011). Ching i in. (2019) stwierdzili: „W przyszłości, gdy cel edukacyjny będzie obejmował budowę oryginalnego i funkcjonalnego robota, zdecydowanie zaleca się, aby uczniowie przed rozpoczęciem zajęć pogłębili wiedzę na temat różnych elementów robotów” s. 598. Spostrzeżenia te jasno pokazują, że szczególnie ważne jest, aby małe dzieci już na wczesnym etapie odnosiły sukcesy w nauce przedmiotów STEM, a korzystanie z zestawu robotycznego, który jest łatwy do nauczenia i skonstruowania, jest cennym elementem wdrażania programu nauczania opartego na robotyce, dzięki czemu wszyscy uczniowie odniosą sukces .
W tym badaniu badamy, jak interdyscyplinarny program nauczania robotyki – realizowany w ramach zajęć szkolnych – wpłynął na podejście uczniów do przedmiotów STEM. Pytania badawcze to:
- W jaki sposób sześciotygodniowy, interdyscyplinarny program nauczania robotyki wpłynął na podejście uczniów do przedmiotów STEM?
- Jakiego rodzaju postrzegane korzyści lub naukę można zaobserwować, gdy uczniowie realizują program nauczania robotyki?
Ciągłe badania nad korzyściami, jakie robotyka może przynieść uczniom szkół podstawowych II stopnia, mają coraz większe znaczenie dla poprawy postrzegania przez uczniów przedmiotów STEM i, miejmy nadzieję, poprawy zaangażowania i wyników. W tym badaniu naszym celem jest wniesienie wkładu w badania poprzez zbadanie:
- uczniowie klas trzecich – piątych
- program nauczania robotyki zintegrowany z zajęciami szkolnymi i realizowany przez sześć tygodni
- interdyscyplinarne lekcje robotyki zgodne ze standardami STEM
- zestaw do robotyki przeznaczony dla uczniów szkół podstawowych
Metody
Badanie to przeprowadzono w okręgu szkół publicznych w zachodniej Pensylwanii, w którym wzięło udział łącznie 104 uczniów w trzech klasach. Nauczyciel, który opracował i przeprowadził program nauczania robotyki, pełni funkcję integratora technologii podstawowych w okręgu i przyjmuje uczniów według harmonogramu rotacyjnego. Badanie to obejmuje zarówno dane ilościowe, jak i jakościowe. Uczniowie odpowiadali na pytania zawarte w ankiecie, aby empirycznie ocenić swoje podejście do tematów STEM przed i po programie nauczania robotyki. Dodatkowo nauczycielka prowadziła dziennik, w którym zapisywała notatki i refleksje na temat zachowań uczniów i uczenia się podczas laboratoriów STEM i wykonywanych przez nich zajęć.
Ankieta wstępna. Aby ocenić sposób postrzegania tematów STEM przez uczniów, uczniowie wypełnili ankietę dotyczącą postaw uczniów wobec STEM – uczniowie szkół podstawowych (Friday Institute for Educational Innovation, 2012). Aby ułatwić uczniom ten proces, nauczyciel odtworzył elementy ankiety w formie tabeli i usunął opcję neutralną, która jej zdaniem mogła powodować zamieszanie wśród uczniów podczas udzielania odpowiedzi.
Listy opisujące projekt badawczy i formularze zgody zostały przesłane uczniom do domu do wglądu dla rodziców. Aby wziąć udział w badaniu, studenci musieli przesłać podpisany formularz zgody. Narzędzie ankietowe zostało wydrukowane i rozdane uczniom podczas zajęć stacjonarnych. Studenci, którzy odesłali formularz zgody, wzięli udział w badaniu, natomiast uczniowie, którzy tego nie zrobili, mieli w tym czasie możliwość skorzystania z innych zajęć. Instrukcje zostały odczytane uczniom na głos, a na żądanie zdefiniowano niektóre terminy. Ankiety wypełniali uczniowie klas trzecich, czwartych i piątych od poniedziałku do środy tego samego tygodnia.
W momencie przeprowadzenia pierwszej ankiety uczniowie zostali zapoznani z zestawem robota, korzystając z laboratorium „Wprowadzenie do budowania” oraz lekcji budowania postaci astronauty. Nie ukończono żadnych innych laboratoriów STEM, a ze względu na pandemię Covid-19 uczniowie nie uczestniczyli w programie nauczania robotyki przez ostatnie półtora roku. Dało to możliwość oceny, co uczniowie myślą o tematach STEM, którzy nie mieli niedawnego doświadczenia z programem nauczania STEM, co ukształtowało ich reakcje.
Nauczyciel zauważył, że uczniowie różnych klas różnie odpowiadali na ankiety. Uczniowie klas piątych wypełnili ankietę szybko i bez zadawania pytań. Uczniowie klas czwartych pytali o wiele definicji pojęć. Najwięcej problemów z terminologią mieli uczniowie klas trzecich, których wypełnienie ankiety zajęło im najwięcej czasu.
Program nauczania i robot STEM. Nauczyciel Integratora Technologii Elementarnych zebrał wiele narzędzi do robotyki i programowania do użytku w okręgu, ale zdecydował się wdrożyć sześciotygodniowy program nauczania z robotem VEX GO na potrzeby zajęć z myślenia obliczeniowego i informatyki, które mógł odbyć pod koniec klasy Rok szkolny 2021. Robot VEX GO to zestaw plastikowych części, którymi mogą manipulować uczniowie szkół podstawowych, którzy mają inne wymagania motoryczne niż starsi uczniowie. Zestaw jest oznaczony kolorami, aby pomóc uczniom zrozumieć rozmiary elementów i uporządkowany według typu: belki, belki kątowe, płyty, koła zębate, koła pasowe, złącza, elementy dystansowe i sworznie. Nauczycielka użyła jednego pakietu klasowego (dziesięć zestawów) do obsługi wszystkich sekcji klas trzeciej, czwartej i piątej, których uczyła. Udostępnianie zestawów robotów z punktu widzenia wdrażania w klasie oznaczało, że uczniowie musieli być w stanie ukończyć lekcję i odłożyć robota na jedną lekcję, aby inna klasa mogła z nich później skorzystać. Nauczyciel musiał także mieć możliwość przemieszczania się w ciągu dnia do różnych klas dla różnych klas.
Na każdym poziomie klasy ukończono sześć tygodni zajęć z robotyki w laboratoriach STEM. Ze względu na nietypową sytuację w nauce spowodowaną przez Covid-19, uczniowie zmieniali harmonogram zajęć stacjonarnych trzy razy w ciągu dziesięciodniowej rotacji. Nie wszystkich uczniów widziano dokładnie taką samą liczbę razy, w zależności od ich harmonogramu i czynników zewnętrznych. Nauczyciel poradził sobie z tym poprzez zróżnicowanie: „Mając to na uwadze, naprawdę starałem się przyjrzeć zróżnicowaniu w każdej klasie. Nie chciałam zapisywać tylu lekcji na każdym poziomie klasy, ale zamiast tego naprawdę zagłębiłam się w lekcje, aby je zrozumieć”. Najmniej widywano uczniów klas piątych. Nauczycielka zauważyła, że trudno było uczyć piątoklasistów pod koniec ich kariery w szkole podstawowej, ponieważ na kilka tygodni przed ukończeniem szkoły mieli zaplanowanych wiele wydarzeń.
Chociaż wszyscy uczniowie ukończyli w ciągu tych sześciu tygodni zestaw laboratoriów i zajęć z robotyki VEX GO w zakresie przedmiotów STEM, program nauczania został zróżnicowany według uznania nauczyciela, aby uwzględnić możliwości uczniów w różnym wieku. Na przykład wszyscy uczniowie rozpoczęli swój program nauczania robotyki od zajęć „Wprowadzenie do budowania STEM”, w ramach których zaprezentowano zestaw do robotyki. Wszyscy uczniowie ukończyli także laboratorium Look Alike STEM, które uczy, w jaki sposób cechy są przekazywane genetycznie z rodziców na młode króliczki. Następnie każda klasa wykonała inny zestaw laboratoriów i ćwiczeń:
- Klasa trzecia: Wprowadzenie do budowania, wyglądanie podobnie, zabawne żaby (2 lekcje), pazur adaptacyjny, zajęcia VEX GO: łazik księżycowy, gra w pingi, inżynier & Zbuduj to, naśladowca, siedlisko, tworzenie stworzeń i bezpłatny czas na budowę
- Klasa czwarta: Wprowadzenie do budowania, Jednostka prostych maszyn (4 lekcje), Wygląd, Pazur adaptacyjny, Zajęcia VEX GO: Łazik Księżycowy, Gra Pinowa i bezpłatny czas na budowanie
- Klasa piąta: Wprowadzenie do budowania, wygląd podobny, zabawne żaby (2 lekcje), pazur adaptacyjny, zajęcia VEX GO: łazik księżycowy, gra w pingi, inżynier & Zbuduj to, naśladowca, siedlisko, tworzenie stworzeń i bezpłatny czas na budowę
Laboratoria STEM to ustrukturyzowane zajęcia, które prowadzą uczniów przez interdyscyplinarną, dostosowaną do standardów lekcję, która zapewnia kontekst dla budowy robota, dyskusji w klasie, eksperymentowania i iteracyjnego doskonalenia. Laboratoria są zorganizowane w taki sam sposób, jak sekcje Angażuj się, Graj i Udostępnij, które prowadzą uczniów przez lekcję. Zajęcia są krótsze niż laboratorium STEM i obejmują szeroki zakres tematów i struktury, często zapewniając otwarte wyzwania z mniejszą liczbą instrukcji.
Po ankiecie. Po zakończeniu programu nauczania, co zbiegło się z końcem roku szkolnego, uczniowie odbywali ankietę uzupełniającą w taki sam sposób, jak ankietę poprzedzającą. Po zebraniu ankiet nauczyciel zanonimizował i zapisał dane w celu przygotowania do analizy.
Analiza danych. Elementy ankiety zostaną ocenione przy użyciu zalecanych metod ilościowych. Odpowiedzi były oceniane (1 = zdecydowanie się nie zgadzam, 2 = nie zgadzam się, 3 = zgadzam się, 4 = zdecydowanie się zgadzam), a w razie potrzeby określone pozycje zostały odwrócone. Dla każdego konstruktu i dla każdej oceny przeprowadzono sparowane testy t dla średnich przed i po badaniu. Dziennik nauczyciela został oceniony za pomocą analizy tematycznej, która ujawniła spostrzeżenia na temat postrzegania uczenia się uczniów, a także projektu/potrzeb programów nauczania.
Wyniki
Trzecia klasa. Wyniki klas trzecich przed i po ankiecie (tab. 1) pokazują podwyższone średnie wyniki dla każdego z obszarów badania. Porównano średnią przed i po każdym konstrukcie za pomocą dwustronnego testu t i wszystkie wyniki były istotne (p < 0,001). Najmniejszy średni wzrost odnotowano w przypadku konstruktu postawy dotyczącej umiejętności XXI wieku, co wskazuje, że uczniowie jedynie nieznacznie różnili się od pierwotnej zgody na te elementy. Uczniowie uzyskali najniższy średni wynik w konstrukcie postawy matematycznej przed ankietą, ze średnim wynikiem 2,27, ale po ankiecie zwiększyli ten średni wynik o 0,25. Zarówno konstrukty naukowe, jak i inżynieryjne wykazały średni wzrost o ponad 0,6, co wskazuje, że uczniowie poczuli się znacznie pewniej po programie nauczania, aby zwiększyć swój wybór. Średnia konstruktu naukowego sprzed ankiety, wynosząca od 2,8 do 3,44, pokazuje, że pierwotnie uczniowie wyrażali się w mieszaninie „nie zgadzam się” i „zgadzam się” (2 i 3), ale zmienili je na mieszaninę „zgadzam się” i „zdecydowanie się zgadzam” (3 i 4).
Tabela 1. Wyniki testu t dla par klas trzecich przed i po badaniu (n = 39).
| Para | Zmienny | Mieć na myśli | T | Sig (dwustronny) |
| Para 1 | Przed matematyką | 2.2664 | -8.775 | 0.000 |
| Opublikuj matematykę | 2.5197 | |||
| Para 2 | Przed nauką | 2.7982 | -21.255 | 0.000 |
| Post-nauka | 3.4415 | |||
| Para 3 | Inżynieria wstępna | 3.1228 | -26.504 | 0.000 |
| Inżynieria pocztowa | 3.7281 | |||
| Para 4 | Umiejętności sprzed XXI wieku | 3.0000 | -3.894 | 0.000 |
| Umiejętności po XXI wieku | 3.0906 |
Czwarta klasa. Tabela 2 pokazuje, że średnie wyniki uczniów klas czwartych w podobny sposób wzrosły we wszystkich konstruktach i wszystkie były istotne (p < 0,001). Jednakże wzrosty były mniejsze niż w przypadku uczniów klas trzecich (średnie zmiany zwykle były mniejsze niż 0,3), co wskazuje, że mniej uczniów zmieniło swoje odpowiedzi niż ich młodsi koledzy. Podobnie jak w przypadku uczniów klas trzecich, konstrukt matematyczny był najniższą średnią zarówno w badaniu przed, jak i po badaniu, a najmniejszy wzrost średnich wyników odnotowano w przypadku umiejętności XXI wieku. Warto zauważyć, że największy wzrost w przypadku tych studentów miał kierunek inżynieryjny.
Tabela 2. Wyniki testu t dla par klas czwartych przed i po ankiecie (n = 34).
| Para | Zmienny | Mieć na myśli | T | Sig (dwustronny) |
| Para 1 | Przed matematyką | 2.0871 | -7.136 | 0.000 |
| Opublikuj matematykę | 2.2652 | |||
| Para 2 | Przed nauką | 2.9125 | -7.124 | 0.000 |
| Post-nauka | 3.1987 | |||
| Para 3 | Inżynieria wstępna | 3.0673 | -8.151 | 0.000 |
| Inżynieria pocztowa | 3.3030 | |||
| Para 4 | Umiejętności sprzed XXI wieku | 3.6498 | -4.629 | 0.000 |
| Umiejętności po XXI wieku | 3.7003 |
Piąta klasa. Wyniki konstruktów uczniów klas piątych wykazują odmienne tendencje niż wyniki uczniów klas trzecich i czwartych (tabela 3). W tej grupie wystąpił jedyny spadek średniego wyniku w konstrukcie inżynierskim, chociaż nie był on istotny statystycznie i ze względu na same wyższe średnie wyniki nie budził żadnych obaw. Średnie wyniki konstruktów w zakresie matematyki, nauk ścisłych i umiejętności XXI wieku wzrosły w mniejszym stopniu od badania poprzedzającego badanie do badania po nim i były w mniejszym stopniu istotne (p < 0,01 dla matematyki i przedmiotów ścisłych i przyrodniczych oraz p < 0,05 dla XXI wieku umiejętności stulecia).
Tabela 3. Wyniki testu t dla par piątej klasy przed i po ankiecie (n = 31).
| Para | Zmienny | Mieć na myśli | T | Sig (dwustronny) |
| Para 1 | Przed matematyką | 2.8167 | -3.427 | 0.002 |
| Opublikuj matematykę | 2.9042 | |||
| Para 2 | Przed nauką | 3.2333 | -3.751 | 0.001 |
| Post-nauka | 3.3111 | |||
| Para 3 | Inżynieria wstępna | 3.4259 | 0.810 | 0.425 |
| Inżynieria pocztowa | 3.3370 | |||
| Para 4 | Umiejętności sprzed XXI wieku | 3.8296 | -2.350 | 0.026 |
| Umiejętności po XXI wieku | 3.8741 |
Dyskusja
Postawy uczniów. Wyniki dla tych czterech konstruktów wykazały pewne zaskakujące wyniki. Średnie wyniki w ankiecie wstępnej były wyższe we wszystkich konstruktach uczniów klas piątych niż uczniów klas trzecich. Wyniki literatury wskazują, że nastawienie do STEM maleje z biegiem czasu. Czy te ustalenia temu zaprzeczają? Niekoniecznie. Charakter zakończenia roku szkolnego oznaczał, że piątoklasistów widywano rzadziej, gdy uczestniczyli w różnych wydarzeniach poprzedzających ukończenie szkoły, a mniejsza liczba lekcji mogła zmniejszyć wpływ na ich postawy w tym momencie roku. Nauczycielka zauważyła również, że każda grupa wiekowa inaczej odpowiadała na pytania zawarte w ankiecie. Trzecioklasiści zadawali dużo pytań i udzielali odpowiedzi z ogólnym entuzjazmem, natomiast piątoklasiści wypełniali ankietę szybko i za pomocą niewielkiej liczby pytań. Wiek dzieci może mieć wpływ na to, jak wiele niuansów mają one w interpretacji pytań i udzielaniu odpowiedzi. Na przykład młodsi uczniowie mogą inaczej niż starsi uczniowie cenić „zgadzam się” i „zdecydowanie się zgadzam”. Nauczycielka dodała w swoich notatkach komentarz dotyczący konkretnie uczniów piątej klasy i zastanawiała się, czy odpowiadali na pytania ankiety z poczuciem oczekiwania, czy też próbowali ją zadowolić. W miarę jak starsi uczniowie szkół podstawowych będą lepiej dostosowywać się do oczekiwań, ich naturalne reakcje mogą zostać przez to ukształtowane.
Z wyników jasno wynika, że program nauczania robotyki VEX GO różnił się w poszczególnych grupach wiekowych. Uczniowie klas trzecich odnotowali znaczny wzrost średnich wyników we wszystkich dziedzinach (matematyka, przedmioty ścisłe, inżynieria). Chociaż uczniowie klas czwartych nie odnotowali tak dużego wzrostu średnich wyników jak uczniowie klas trzecich, nadal konsekwentnie zwiększali średnie wyniki o kilka dziesiątych w konstrukcjach dziedzinowych. Natomiast uczniowie klas piątych byli jedynymi, u których nieistotne zmiany w jakimkolwiek konstrukcie i wartości istotności były mniejsze niż p <. Te ogólne różnice między uczniami w różnych klasach wskazują, że program nauczania robotyki miał większy wpływ na postawy młodszych uczniów niż starszych uczniów, co podkreśla znaczenie wczesnego rozpoczynania zajęć z robotyki.
Postrzegane uczenie się. W dzienniku nauczyciela zapisano laboratoria i zajęcia wykonane przez każdą grupę uczniów, a także wiele obserwacji uczniów podczas pracy na lekcjach. Chociaż narzędzie badawcze było w stanie zidentyfikować postawy uczniów, analiza tematyczna wpisów w dziennikach pozwoliła zidentyfikować kilka tematów postrzeganego uczenia się, zgodnych z literaturą badawczą.
Kreatywność. Tematem przewodnim czasopisma była kreatywność uczniów. Często wspominano o tym w przypadku uczniów klas trzecich, ale we wszystkich trzech klasach wyraźnie podkreślano kreatywność w kontekście zaangażowania uczniów w ćwiczenia Proste maszyny, Wyglądanie podobnie, Tworzenie stworzeń i Cykl życia żaby. Nauczycielka zauważyła: „Klasa trzecia była bardzo podekscytowana możliwością zbudowania żaby. W tej klasie chcemy wykazać się jak największą kreatywnością, a budowanie siedliska naprawdę pozwala dzieciom ponownie rozwinąć te umiejętności”. Chociaż materiały edukacyjne mają wiele celów, pobudzenie kreatywności uczniów jest cennym rezultatem, który przynosi wiele innych korzyści.
Zaangażowanie. Zapewnienie zorganizowanych laboratoriów z zabawnymi i autentycznymi tematami pobudziło kreatywność uczniów, co pomogło zwiększyć zaangażowanie. Począwszy od laboratorium „Wprowadzenie do budowania” nauczyciel zauważył, że uczniowie nie chcieli przerywać pracy. Podobnie w laboratorium Look Alike odkryła, że: „Naprawdę trudno było zakończyć zajęcia. Zauważyłem, że uczniowie chcieli w dalszym ciągu dodawać kolejne wersje swoich zwierząt.…Zauważyłem, że dzieci nie chciały sprzątać, ale nadal dodawały coś do swoich dzieł”. Choć uczniowie klas trzecich uznani zostali za najbardziej entuzjastycznie nastawieni, opisała, jak nawet piątoklasiści byli bardzo zaangażowani w laboratorium Simple Machines: „Odkryłem, że wszystkim uczniom trudno było odłożyć elementy na miejsce. Po prostu za dobrze się bawiliśmy!”
Praca zespołowa. Laboratoria VEX GO STEM zostały zaprojektowane tak, aby można je było wykonywać w zespołach, a uczniom przydzielono określone role i zadania. Trzecioklasiści rozpoczęli zajęcia od Szponu Adaptacji, a nauczyciel zauważył: „Uczniowie byli również podekscytowani możliwością podzielenia się na grupy, aby mogli razem pracować, a każda z nich miała swoje własne zadanie”. W przypadku uczniów klas czwartych podobnie zauważyła, jak przydzielanie ról pomogło uczniom w dołączeniu do grup i szybkim rozpoczęciu pracy. Zauważyła również, że uczniowie zaczęli wspólnie pracować nad otwartymi zajęciami, takimi jak budowanie siedlisk lub budowa łazika księżycowego.
Nauczyciel zaobserwował także kilka przypadków, gdy uczniowie spontanicznie pracowali razem w klasie. Niektórzy uczniowie odkrywali nowe rzeczy za pomocą swojego robota, a kiedy „odkrywali” coś nowego, inni uczniowie podbiegali, żeby to zobaczyć, a następnie sami to wypróbowali. Uczniowie, którzy wybrali zabawne zajęcie z „tablicy wyboru”, często dzielili się nim z innymi uczniami, a oni przełączali się na to ćwiczenie. Niezależnie od tego, czy pracowali w grupach, czy indywidualnie, uczniowie chętnie dzielili się wiedzą i pomagali sobie nawzajem.
Trwałość. Nie wszystkie zajęcia były dla uczniów łatwe. Trzecioklasiści najpierw przeprowadzili zajęcia z Szponu Adaptacyjnego, po laboratorium „Wprowadzenie do budowania”. Nauczyciel stwierdził, że laboratorium było na początku dość zaawansowane i przeniesie je na później w ramach programu nauczania. Niezależnie od tego, czy ukończyli ćwiczenie, czy nie, grupy przetrwały do końca.
Odkryłem, że była to WSPANIAŁA lekcja frustracji i zrozumienia, że porażka jest tylko częścią nauki. Kazałem każdej grupie opisać, co zadziałało, a co nie. Odkryłem, że wiele grup naprawdę się zrozumiało, gdy usłyszały te same kwestie.
Niektóre z zastosowanych ćwiczeń miały także charakter otwarty i dawały uczniom wyzwanie do pokonania. Uczniowie mieli za zadanie stworzyć domy, które wytrzymają trzęsienie ziemi, ale nie otrzymali instrukcji budowy. Chociaż był w tym element frustracji, uczniowie wykorzystali to i kontynuowali powtarzalne cykle doskonalenia:
Uczniom bardzo podobało się to wyzwanie! Odkryłem, że grupy uczniów zdały sobie sprawę ze swoich błędów po eksperymentach z „trzęsieniem ziemi” i były w stanie przebudować swój dom na podstawie tego, co zadziałało, a co nie. Byłem bardzo zaskoczony, jak szczęśliwe i podekscytowane były grupy, które stanęły przed wyzwaniem, które było frustrujące i pełne satysfakcji, gdy grupy je rozwiązały.
Program nauczania. Dziennik nauczyciela ujawnił także wiele spostrzeżeń na temat znaczenia zróżnicowania w programie nauczania robotyki. Każda grupa uczniów ukończyła laboratorium Wprowadzenie do budowania STEM, podczas którego zapoznała się z zestawem VEX GO i wszystkimi zawartymi w nim elementami. Wszyscy uczniowie ukończyli także laboratorium Look Alike STEM, podczas którego uczniowie uczą się o cechach, prosząc ich o zbudowanie króliczków dla rodziców i dzieci o różnych cechach. Chociaż niektóre laboratoria zostały ukończone przez każdą klasę, istniało zróżnicowanie w zależności od grupy wiekowej. Starsi uczniowie czwartej i piątej klasy ukończyli część laboratoryjną Simple Machines, natomiast uczniowie trzeciej klasy ukończyli laboratorium Fun Frogs. Trzecioklasiści również wykonali więcej samodzielnych zajęć niż starsze klasy, ponieważ nauczyciel zauważył, że są one korzystne dla umiejętności młodszych uczniów. Nauczyciel wykorzystywał także zajęcia dla starszych uczniów, gdy grupy kończyły ćwiczenia wcześniej – było to konieczne w klasie, aby zająć uczniów, gdy grupy pracowały z różnym tempem. Posiadanie wielu opcji różnicowania zajęć laboratoryjnych i ćwiczeń było cennym atutem programu nauczania, pozwalającym na pomyślne wdrożenie programu robotyki w klasie.
Z dziennika nauczyciela wynika, że korzystne były także laboratoria interdyscyplinarne. Uczniowie klas trzecich byli podekscytowani laboratoriami o tematyce naukowej, w których mogli budować i ewoluować zwierzęta oraz ich siedliska. Pierwszym laboratorium ze zwierzętami, które ukończyli trzecioklasiści, było laboratorium Look Alike, w którym mogli stworzyć króliczki i przekazać im cechy. Nauczycielka zauważyła, jak bardzo uczniowie uwielbiali robić zwierzęta i chcieli poznać różne ich odmiany. To skłoniło nauczyciela do wybrania na następną lekcję ćwiczenia o nazwie Tworzenie stworzeń, aby poszerzyć kreatywność uczniów. Kiedy uczniowie pracowali w laboratorium Fun Frogs, zauważyła, jak bardzo byli podekscytowani i kreatywni, a dodatkową korzyścią była niska bariera wejścia w zakresie rozwijania umiejętności.
Dzieciom bardzo podobało się tworzenie cyklu żab i poznawanie ich. Widziałam, jak dzieci zdobywały praktyczne doświadczenie w zakresie zagadnień naukowych, których nauczyły się z podręcznika. Rozmawiałem z nauczycielką trzeciej klasy, aby w przyszłym roku podjęła szerszą współpracę i próbowała uczyć tego na lekcjach o siedliskach.
Uczniowie klasy czwartej ukończyli moduł laboratoryjny Simple Machines. Nauczyciel zauważył, jak bardzo uczniowie byli podekscytowani, ponieważ posiadali wiedzę o prostych maszynach z drugiej klasy. Zapytali, w jaki sposób inżynierowie korzystają z prostych maszyn, i dano im czas na przeprowadzenie badań. Nauczyciel zauważył:
Klasa czwarta koncentruje się wokół prostych maszyn w nauce, więc to laboratorium STEM było idealne dla tego poziomu klasy. Zauważyłem, że twarz tego dzieciaka się rozjaśniła, kiedy powiedziałem, że będziemy robić dźwignie. Większość z tych uczniów wykonała arkusz ćwiczeń, ale nie wykonała praktycznego badania. Powiedziałem nauczycielce przedmiotów ścisłych, że w przyszłym roku będziemy bardziej współpracować, więc to ja będę prowadzić zajęcia ze STEM, podczas gdy ona będzie uczyć prostych maszyn.
Piątoklasiści również ukończyli moduł laboratoryjny Simple Machines, ale ich wiek i doświadczenie pokazały, że radzili sobie z nim inaczej niż czwartoklasiści. Nauczyciel zauważył, że ta grupa uczniów zakończyła naukę wcześniej i korzystała z ćwiczeń „tablica wyboru”, aby samodzielnie odkrywać wiedzę.
Klasa 5 potrzebuje ekscytujących i wciągających zajęć, a to laboratorium STEM spełnia te wymagania. Zauważyłem, że uczniowie chcieli wyjść na podłogę i poeksperymentować, jak podnosić różne ciężary za pomocą dźwigni. Odkryłem również, że w przeciwieństwie do klasy czwartej uczniowie ci posiadali podstawową wiedzę i przenieśli Laboratorium STEM na wyższy poziom, dodając wagi i zapewniając Laboratorium STEM autentyczne doświadczenie uczenia się od grupy do grupy.
Uczniowie każdej klasy odnieśli korzyści z interdyscyplinarnego podejścia do programu nauczania robotyki. Możliwość połączenia robotyki z naukami ścisłymi, matematyką i inżynierią pomogła nie tylko zaangażować uczniów, ale zapewniła im podstawę do głębszego zrozumienia koncepcji. W notatkach nauczycieli wskazano kilka obszarów, w których program nauczania robotyki można włączyć do programu nauczania robotyki lub zsynchronizować z lekcjami z innych przedmiotów, co może stanowić kolejny cenny krok w autentycznym integrowaniu robotyki między dyscyplinami.
Wniosek
Ponieważ w szkołach w całym kraju wzrasta wykorzystanie robotyki edukacyjnej, niezwykle istotne jest zbadanie, jakie korzyści przynosi ona uczniom, a także wnioski wyciągnięte z praktyki nauczania programów nauczania robotyki. Badanie to wykazało, że program nauczania robotyki poprawił nastawienie uczniów do niemal wszystkich przedmiotów STEM we wszystkich klasach. Ponadto nauczyciel dostrzegł dodatkowe kategorie uczenia się uczniów w obszarach takich jak kreatywność, zaangażowanie, praca zespołowa i wytrwałość.
Aby w dalszym ciągu badać, w jaki sposób robotyka edukacyjna może być najbardziej korzystna dla uczniów w prawdziwych salach lekcyjnych, musimy w dalszym ciągu uczyć się bezpośrednio od nauczycieli realizujących program nauczania. Zastanawiając się nad całym doświadczeniem, nauczycielka przedstawiła swoje ogólne wnioski:
Odkryłem, że jeśli dzieci chciały uczyć się więcej – uczyły się więcej. Chciałem, żeby było przyjemnie, a każda lekcja była naprawdę zupełnie inna (co jest całkowicie normalne). Niektórzy uczniowie chcieli dowiedzieć się więcej o budowaniu, podczas gdy inni chcieli oderwać się i stworzyć własnego potwora lub stworzenie. Zauważyłam, że trzecia klasa była bardzo zaangażowana – trudno było kończyć lekcje. Klasa czwarta była bardzo podekscytowana możliwością uczenia się o lekcjach STEM, takich jak proste maszyny, które łączyły się z ich własnym programem nauczania przedmiotów ścisłych. Klasa piąta uwielbiała wyzwania związane z kodowaniem, budowaniem i poznawaniem Marsa. Myślę, że najważniejsze było to, że każda klasa czasami potrzebowała więcej czasu na laboratorium STEM lub więcej czasu na eksplorację i dałem im to. Odkryłem, że kiedy dzieci są podekscytowane, najlepiej jest biegać z ekscytacją i kopać głębiej, zamiast iść dalej.
Badanie to dostarczyło również znaczących informacji na temat wdrażania interdyscyplinarnego programu nauczania robotyki. W ramach sześciotygodniowego programu uczniowie mieli możliwość wykonania wielu różnych laboratoriów i ćwiczeń. Oznacza to, że długość programu nauczania może w rozsądny sposób wpływać na jego skuteczność w zmianie postaw uczniów w zakresie przedmiotów STEM. Kluczem do sukcesu programu nauczania było także tworzenie rusztowania i różnicowanie lekcji. Nauczycielka odkryła, że uczniowie w różnym wieku mają różne umiejętności i potrzeby, dlatego może łatwo dostosować plany nauczania do każdej klasy. Sam zestaw robota VEX GO również był dobrze dostosowany do potrzeb uczniów. Uczniowie z łatwością mogli postępować zgodnie z instrukcjami, konstruować części oraz uczyć się, jak poszczególne elementy działają i są ze sobą połączone. Uczniowie mogli ukończyć budowę i laboratoria w ciągu jednej lekcji, mając czas na posprzątanie, co jest konieczne, aby program nauczania robotyki działał w ramach ograniczeń zwykłego dnia szkolnego. Zestaw do robotyki przeznaczony dla podstawowej grupy wiekowej oraz pełny interdyscyplinarny program nauczania mają kluczowe znaczenie dla nauczania i uczenia się z wykorzystaniem robotyki w prawdziwej klasie.