Wirtualne rozwiązanie robotyczne: spostrzeżenia z wdrożenia i implikacje na przyszłość

Abstrakcyjny

Robotyka edukacyjna angażuje uczniów w zintegrowane podejście do przedmiotów STEM, które pomaga uczniom zrozumieć koncepcje STEM, a także zwiększa pozytywne postrzeganie przedmiotów STEM od najmłodszych lat. Kiedy wybuchła pandemia COVID-19, fizyczne roboty w klasie twarzą w twarz stały się niemożliwe. Szybko opracowano program robota wirtualnego, który współpracował ze znaną platformą kodowania, zapewniając uczniom i nauczycielom alternatywne rozwiązanie robotyczne, z którego można korzystać z dowolnego miejsca. W tym artykule dane dotyczące użytkowania pochodzące od ponad miliona uczniów na całym świecie zostaną zinterpretowane w połączeniu z dwoma studiami przypadku nauczycieli. Ta kombinacja danych zapewniła wgląd w wirtualnego robota jako narzędzie do nauki, a także zasób dydaktyczny. Studia przypadków nauczycieli ujawniły także zestaw krytycznych potrzeb, które ułatwiały nauczanie w tak nieprzewidywalnych okolicznościach. Wreszcie dane te wskazują, że środowisko uczenia się robota wirtualnego można wykorzystać jako symbiotyczne uzupełnienie robota fizycznego, aby pomóc uczniom zyskać pewność siebie w programowaniu iteracyjnym, zwiększyć zainteresowanie robotyką edukacyjną i zapewnić nauczycielom bardzo elastyczne opcje nauczania w przyszłości.

Słowa kluczowe

Robot wirtualny, robotyka edukacyjna, robotyka dydaktyczna, rozwiązania COVID-19, edukacja STEM, informatyka, programowanie

Wstęp

W ostatnich latach robotyka i informatyka są w coraz większym stopniu włączane do szkół podstawowych i średnich (od przedszkola do 12. klasy) w Stanach Zjednoczonych, co jest spowodowane krajowymi raportami i politykami. W 2015 r. Narodowa Fundacja Nauki stwierdziła, że ​​zdobywanie wiedzy i umiejętności w zakresie nauk ścisłych, technologii, inżynierii i matematyki (STEM) jest dla Amerykanów coraz ważniejsze, aby w pełni zaangażować się w globalną gospodarkę intensywnie korzystającą z technologii, że dla każdego niezwykle ważne jest posiadanie dostęp do wysokiej jakości edukacji w tematyce STEM. Komisja ds. Edukacji STEM Narodowej Rady Nauki i Technologii opublikowała w 2018 r. raport przedstawiający federalną strategię dotyczącą edukacji STEM. W raporcie tym zauważono, że: „Charakter samej edukacji STEM ewoluował 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. Ma na celu przekazanie umiejętności takich jak krytyczne myślenie i rozwiązywanie problemów, a także umiejętności miękkich, takich jak współpraca i zdolność adaptacji. Krajowe skupienie się na nauczaniu STEM towarzyszy wzmożonym badaniom i innowacjom w placówkach edukacyjnych dotyczących lepszego włączania technologii do zajęć lekcyjnych w zakresie tematów STEM.

Robotyka zapewnia uczniom praktyczny sposób poznawania koncepcji STEM. Podstawowe zagadnienia z zakresu nauk ścisłych, technologii, inżynierii i matematyki (STEM) stanowią istotne zagadnienia w szkolnictwie podstawowym i średnim, gdyż stanowią niezbędne warunki wstępne do podjęcia studiów wyższych i podyplomowych, a także zwiększają umiejętności techniczne na rynku pracy¹. Metaanaliza² wykazała, że ogólnie rzecz biorąc robotyka edukacyjna zwiększyła efektywność nauki określonych koncepcji STEM. Badania przeprowadzone w wielu grupach wiekowych wykazały, że robotyka zwiększa zainteresowanie uczniów przedmiotami ścisłymi i ich pozytywne postrzeganie^{3, 4, 5}, co z kolei przekłada się na lepsze wyniki w nauce i lepsze wyniki w nauce^{6, 7, 8}. W przypadku uczniów szkół średnich robotyka została wykorzystana w celu wsparcia przygotowania do studiów i rozwoju umiejętności zawodowych w zakresie technologii^{9, 10, 11}, natomiast w szkołach podstawowych robotyka została wprowadzona w celu rozwijania umiejętności dociekania i rozwiązywania problemów oraz promowania pozytywnego postrzegania zagadnień związanych z naukami ścisłymi, technologią, inżynierią i matematyką^{12, 13}. Wprowadzenie robotyki edukacyjnej okazało się szczególnie korzystne dla młodych uczniów, u których negatywne nastawienie do przedmiotów ścisłych może zacząć kształtować się już w 4 klasie szkoły podstawowej¹⁴. Młodzi uczniowie korzystają ze zintegrowanego kontekstu edukacyjnego i rozwijają bardziej pozytywne nastawienie do przedmiotów ścisłych dzięki wczesnym doświadczeniom sukcesu¹⁵.

Badania wykazały również, że wprowadzenie robotyki na etapie kształcenia przed podjęciem pracy przez nauczycieli zwiększyło ich poczucie własnej skuteczności, wiedzę merytoryczną i umiejętność myślenia obliczeniowego¹⁶. Choć logiczne jest, że korzyści z robotyki odniosą zarówno nauczyciele, jak i uczniowie, wprowadzanie robotyki do formalnego kształcenia nauczycieli jest nadal ograniczone. W wielu krajach tradycyjne kształcenie nauczycieli koncentruje się na tematach opartych na dyscyplinach naukowych, takich jak nauki ścisłe i matematyka, co sprawia, że większość nauczycieli jest niedostatecznie przygotowana do nauczania inżynierii i technologii¹⁷i ma mniejsze poczucie pewności siebie w nauczaniu tematów STEM, które nie są objęte formalnym szkoleniem nauczycielskim lub w nawiązywaniu powiązań między dyscyplinami STEM^{18, 19}. Bybee²⁰ zauważył, że to ograniczenie tematów STEM w kształceniu nauczycieli prowadzi do niedoreprezentowania inżynierii i technologii, szczególnie w edukacji K-8. Chociaż korzyści płynące z włączenia robotyki do kształcenia nauczycieli są^{alternatywą może być ciągły rozwój zawodowy i}uczeniew ramach społeczności praktyków. Bandura²¹ wyraził krytyczny aspekt kontekstów społecznego uczenia się, a na tej podstawie Lave i Wenger²² nakreślili koncepcję społeczności praktyki (CoP). W ramach Wspólnoty Praktyk członkowie gromadzą się wokół wspólnych zainteresowań daną dziedziną, tworzą społeczność oraz wymieniają się wynikami badań i spostrzeżeniami w celu rozwijania umiejętności i wiedzy — rozwijając praktykę²². Zamiast robotyki w formalnym kształceniu nauczycieli, uczenie się nieformalne i CoP mogłyby zapewnić podobne korzyści nauczycielom, a co więcej, uczniom.

Niestety pandemia COVID-19 spowodowała globalne zakłócenia w nauczaniu stacjonarnym, dotykając niemal wszystkich uczniów na całym świecie²³. Zawieszono zajęcia praktyczne, które stanowiły podstawową część większości programów nauczania przedmiotów STEM z zakresu robotyki, w tym programu nauczania robotyki stosowanego w linii robotyki edukacyjnej VEX. Potrzebne były rozwiązania do zdalnego nauczania, aby szybko zapewnić wirtualne środowisko uczenia się, które nadal mogłoby pomóc uczniom w angażowaniu się w tematykę STEM w autentyczny i znaczący sposób. VEX Robotics szybko stworzyło VEXcode VR (zwaną dalej po prostu „VR”), platformę z wirtualnym robotem, którego można używać w podobny sposób, jak robota fizycznego.

W tym artykule dokonamy przeglądu danych dotyczących użytkowania zebranych przez platformę VR, aby uzyskać wgląd w to, jak ten wirtualny substytut radził sobie podczas globalnych zakłóceń. Zostaną również zaprezentowane dwa studia przypadków, które dostarczają kontekstu dla sposobu, w jaki nauczyciele wdrażali VR w swoich środowiskach nauczania zdalnego. Dwa podstawowe pytania badawcze postawione w tym artykule są następujące:

1. Jakie spostrzeżenia mogą ujawnić dane dotyczące użytkowania i studia przypadków nauczycieli na temat uczenia się uczniów za pomocą VR po wybuchu epidemii Covid-19?
2. Jakie spostrzeżenia mogą przekazać nauczyciele na temat wdrażania VR w klasie?

Chaos wywołany przez Covid-19 szczególnie odczuli pedagodzy. Dziesięciolecia doświadczeń i lekcji opracowanych z myślą o nauczaniu osobistym zostały natychmiast wywrócone do góry nogami, jednak to zaburzenie zachęciło także nauczycieli do eksperymentowania z nowymi narzędziami i metodami nauczania. Zrozumienie podjętych decyzji i osiągniętych wyników z perspektywy nauczycieli, którzy przewodzili innowacyjnym rozwiązaniom, może zapewnić wgląd w to, jak włączyć nowe technologie, aby usprawnić naukę uczniów w zakresie robotyki i przedmiotów STEM.

Metody

VEXkod VR. Kiedy w marcu 2020 r. zamknięto szkoły w Stanach Zjednoczonych, potrzebne było rozwiązanie, które umożliwiłoby uczniom zaangażowanie się w robotykę i tematykę STEM podczas pracy zdalnej. Rzeczywistość wirtualna została opracowana i uruchomiona 2 kwietnia 2020 r., zaledwie kilka tygodni po przejściu większości szkół na format wirtualny. Zajęcia VR zostały stworzone tak, aby były spójne z innymi programami nauczania dotyczącymi robotów, a lekcje interdyscyplinarne były dostosowane do standardów merytorycznych. Platforma kodowania VEXcode VR jest taka sama, jak środowisko kodowania, którego uczniowie zwykle używają w przypadku robotów fizycznych, z dodatkiem interfejsu wirtualnego, jak widać na rysunku 1. Zamiast fizycznego robota uczniowie tworzą projekty umożliwiające sterowanie wirtualnym robotem na tematycznym „placu zabaw”, który zmienia się w zależności od aktywności. Początkujący uczniowie kodowania korzystają z programowania opartego na blokach, a zaawansowani uczniowie korzystają z tekstu opartego na Pythonie.

Rysunek 1. Interfejs platformy VEXcode VR do działań związanych z oczyszczaniem rafy koralowej.

Działania VR zostały stworzone z myślą o interdyscyplinarności, łącząc umiejętności informatyczne stanowiące podstawę sterowania wirtualnym robotem z tematyką naukową lub matematyczną. W trakcie tych zajęć VR uczniowie uczą się nie tylko programowania, ale także dociekań naukowych, myślenia matematycznego i znajomości zagadnień technicznych — wszystkich tych elementów zintegrowanego programu nauczania STEM¹⁹. Wyjątkowe okoliczności spowodowane przez Covid-19 wymagały, aby uczniowie mogli samodzielnie pracować nad lekcjami w ustawieniach mieszanych, synchronicznych lub asynchronicznych. Aby to osiągnąć, uczniowie zapoznawani są z celami uczenia się i celem ćwiczenia. Następnie stosuje się bezpośrednią instrukcję, aby zapewnić instrukcje krok po kroku i celowe rusztowanie do sekwencjonowania nauki w celu zrozumienia^{24, 25}. Następnie uczniowie otrzymują ukierunkowane wskazówki, które mają pomóc im w rozwiązaniu końcowego wyzwania związanego z kodowaniem²⁶. Studenci dowiadują się, że robotyka i kodowanie służą do rozwiązywania praktycznych, interdyscyplinarnych problemów. Na przykład w ramach ćwiczenia Sprzątanie rafy koralowej uczniowie mają za zadanie poruszać się swoim robotem po rafie koralowej, aby zebrać jak najwięcej śmieci, zanim wyczerpie się ich bateria słoneczna. Zanieczyszczenie to problem globalny, który zostaną rozwiązany przez przyszłych studentów, a udział w tych autentycznych, opartych na scenariuszach projektach pomoże uczniom zastosować umiejętności informatyczne w różnych dyscyplinach. 

Rysunek 2. Kontekst misji działań związanych z oczyszczaniem rafy koralowej.

Biorąc pod uwagę, że uczniowie są oddzieleni od swoich nauczycieli, środowisko wirtualne musiało być jak najbardziej płynne, aby ograniczyć rozdwojenie uwagi i obciążenie poznawcze^{27, 28}. Uczniowie mogą przeciągać i upuszczać polecenia do swojego projektu oraz oglądać, jak ich robot porusza się po placu zabaw VR w tym samym oknie. Uczniowie mogą dodawać jednocześnie dowolną liczbę klocków, uruchamiając projekt po każdym dodaniu, aby zobaczyć, jak ich robot porusza się po placu zabaw. Dzięki temu uczniowie otrzymują natychmiastową informację zwrotną i wczesne poczucie sukcesu.

Ponadto zdalne nauczanie stworzyło praktyczne przeszkody, które VR musiała pokonać. Na komputerach szkolnych często obowiązują ograniczenia dotyczące pobierania aplikacji, co powoduje, że dodanie programu stanowi przeszkodę w najbardziej normalnych okolicznościach, nie mówiąc już o sytuacji, gdy uczniowie korzystają zdalnie ze szkolnych komputerów. Ale uczniowie mogą nawet nie mieć dostępu do szkolnych komputerów, aby wykonywać swoją pracę. Aby zmaksymalizować dostęp do VR, program został zbudowany w całości w oparciu o sieć internetową (nie wymaga pobierania ani wtyczek) i działał na wielu różnych typach urządzeń, aby zwiększyć prawdopodobieństwo, że uczniowie będą mogli z niego korzystać.

Wyniki

Dane użytkowe. Prezentowane dane pochodzą z Google Analytics. Ponieważ VEXcode VR jest całkowicie oparty na przeglądarce, istnieje wiele różnych wskaźników, które zapewniają wgląd w globalne wykorzystanie tego wirtualnego środowiska robotycznego. Od premiery w kwietniu 2020 r. co miesiąc rośnie liczba użytkowników VR, która łącznie wynosi ponad 1,45 miliona użytkowników w ponad 150 krajach.

Rysunek 3. Kraje z użytkownikami VR na całym świecie.

Biorąc pod uwagę harmonogram pandemii COVID-19 i premierę VR, sprawdziliśmy również wykorzystanie na przestrzeni czasu. Jak pokazano na rysunku 4, liczba użytkowników szybko wzrosła wkrótce po premierze, a następnie spadła w miesiącach letnich, kiedy uczniowie byli poza szkołą. W typowych miesiącach powrotu do szkoły (sierpień/wrzesień) odnotowano znaczny wzrost, który utrzymywał się przez resztę roku szkolnego. Okresowe spadki liczby użytkowników wskazują na mniejsze wykorzystanie sieci w weekendy i okresy świąteczne.

Rysunek 4. Liczba użytkowników w czasie od uruchomienia VR.

Projekt to program, który uczniowie tworzą na potrzeby lekcji lub wyzwania. Projekty nie muszą być zapisane, aby je uruchomić, ale zapisany projekt jest pobierany, aby użytkownik mógł do niego wrócić później. Zapisano ponad 2,52 miliona programów. Jednak projekt nie musi być zapisany, aby można go było uruchomić. Ponieważ VR w całości opiera się na przeglądarce, edycja projektu i testowanie go odbywa się natychmiast po wybraniu „START”. W oprogramowaniu uruchomiono ponad 84 miliony projektów, co wskazuje, że studenci testowali swoje projekty w częstych odstępach czasu. Dzięki tej natychmiastowej pętli sprzężenia zwrotnego uczniowie mieli możliwość eksperymentowania i wykonywania iteracji w znacznie szybszym tempie w porównaniu do pracy z fizycznym robotem. Ten iteracyjny proces jest dobrym wskaźnikiem stopnia uczenia się uczniów, gdyż wykazano, że wielokrotne iteracje podtrzymują zaangażowanie i zainteresowanie uczniów²⁹.

Dane VR VEXcode
Użytkownicy	1 457 248
Zapisane projekty	2529049
Uruchamiaj projekty	84 096 608
Kraje	151

Tabela 1. Wszystkie dane dotyczące użytkowania VEXcode VR od kwietnia 2020 r. do kwietnia 2021 r.

Dane certyfikacyjne. Oprócz samego programu VR i towarzyszącego mu programu nauczania, VR obejmuje bezpłatne szkolenie dla nauczycieli o nazwie CS z kursem certyfikującym edukatora VEXcode VR. Od jego uruchomienia w czerwcu 2020 r. ponad 550 nauczycieli ukończyło certyfikację obejmującą ponad 17 godzin programu nauczania i wsparcia, aby zostać certyfikowanym nauczycielem VEX. Kurs certyfikacyjny zawiera 10 jednostek materiału mających na celu przygotowanie nauczycieli, którzy mogą nie mieć doświadczenia w informatyce lub robotyce. Treści obejmują takie tematy, jak podstawy programowania, kodowanie robota VR, nauczanie za pomocą działań VR i wdrażanie VR w klasie. Rysunek 5 przedstawia liczbę certyfikowanych nauczycieli w ujęciu miesięcznym i skumulowanym od czerwca 2020 r. do marca 2021 r. Tendencje zawarte w danych wskazują na wzrost liczby certyfikowanych nauczycieli w okresie, w którym uczniowie rozpoczynają naukę w szkole, co obejmuje sierpień i wrzesień oraz październik 2020 r.

Studium przypadku 1

Aimee DeFoe jest dyrektorką Kentucky Avenue School, małej prywatnej szkoły w Pittsburghu w USA, która łączy w sobie tradycyjne i innowacyjne metody nauczania i uczenia się. Podobnie jak większość szkół, działalność szkoły Kentucky Avenue School została zakłócona przez Covid-19 i musiała określić alternatywne plany na rozpoczęcie roku szkolnego jesień 2020, nie wiedząc, jak zmienią się okoliczności. Zajęcia przez pierwsze sześć tygodni roku odbywały się całkowicie wirtualnie, a pozostały rok upłynął w formacie hybrydowym, w którym kohorty uczniów odbywały naprzemiennie zajęcia stacjonarne i zdalne. Nawet gdy uczniowie uczyli się w domu, niezwykle ważne było, aby uczniowie w dalszym ciągu angażowali się w te same działania związane z rozwiązywaniem problemów i krytycznym myśleniem, co w klasie.

Aimee zdecydowała się na wykorzystanie rzeczywistości wirtualnej w pracy z uczniami szóstej i siódmej klasy z kilku powodów. Ponieważ VR była całkowicie wirtualnym środowiskiem uczenia się, uczniowie mogliby przełączać się między domem a szkołą bez zmian w zasadach wpływających na ich działania edukacyjne. Środowisko kodowania oparte na blokach nie byłoby onieśmielające dla uczniów, którzy nie mają doświadczenia z kodowaniem, a ponadto zaprojektowano ćwiczenia dla różnych poziomów doświadczenia. Wierzyła również, że dla uczniów roboty VR będą ekscytujące i motywujące – co okazało się prawdą. Zastanawiając się nad tym, czego miała nadzieję, że uczniowie zyskają dzięki VR, Aimee stwierdziła:

Miałem nadzieję, że korzystanie z rzeczywistości wirtualnej będzie równie rygorystyczne, wymagające i ekscytujące jak używanie fizycznych robotów, a moi uczniowie nie będą mieli poczucia, że ​​tracą jakieś doświadczenie, ale raczej zyskają nowy rodzaj doświadczenia w kodowaniu, który był po prostu równie ekscytujące. Chciałem, żeby poczuli to samo osiągnięcie, jakie odczuliby w klasie, kiedy musieliby powtarzać i wytrwać w stawianiu czoła wyzwaniom, a potem w końcu osiągnąć sukces.

Jako jedyna nauczycielka robotyki Aimee uczyła 23 uczniów raz w tygodniu od rozpoczęcia szkoły do ​​przerwy zimowej, łącznie udzielając 15 lekcji. Studenci rozpoczęli od kursu „Informatyka poziom pierwszy – bloki”. Aimee pracowała przez pierwszą część z uczniami jako grupą, ale podczas pozostałych lekcji pozwalała uczniom pracować we własnym tempie i pełniła rolę koordynatora. Większość uczniów ukończyła od siedmiu do dziewięciu jednostek z dodatkowymi zajęciami związanymi z oczyszczaniem oceanów.

Aimee odkryła, że ​​wyzwania na lekcjach bardzo motywowały uczniów; do tego stopnia, że ​​czasami trudno było nakłonić ich do systematycznej pracy nad lekcją. Niektórzy uczniowie, którzy mieli problemy z uwagą lub czytaniem, potrzebowali dodatkowego wsparcia, a pojęcia „większy niż/mniejszy niż” i „boolowskie” stanowiły wyzwanie. Jednak większość uczniów miała odpowiednią ilość wyzwań, zmagań i sukcesów. Po powrocie na zajęcia uczniowie byli podekscytowani pomysłem pracy z fizycznymi robotami. Po pracy z VR Aimee zauważyła: „Bez wątpienia wszyscy opuścili zajęcia jako bardziej pewni siebie programiści”.

Studium przypadku 2

Mark Johnston uczy uczniów klas siódmych i ósmych w szkole średniej Bel Air w El Paso w USA. W ramach kursu STEM 1 Mark prowadzi kursy Project Lead the Way Gateway z zakresu automatyzacji i robotyki oraz projektowania i modelowania dla około 100 uczniów. Kurs STEM 1 obejmował robota VEX IQ do nauczania podstawowej mechaniki i podstawowego kodowania za pomocą VEXcode IQ (plastikowego zestawu robota dla młodszych uczniów). Przedmiot ten jest prowadzony w semestrze zimowym, więc początkowe zakłócenia związane z pandemią COVID-19 nie miały wpływu na jego robotykę wiosną. Jednak w kwietniu 2020 Marek zobaczył robota VEX VR i zaczął z nim pracować. „Kiedy zobaczyłem, że VR używa tej samej konfiguracji (tj. VEXcode), byłem bardzo podekscytowany, ponieważ dostrzegłem potencjał – jak element układanki, o którym WIEDZIAŁEM, że idealnie pasuje do tego, co już robię. Kiedy VR został zaktualizowany o Pythona, byłem jeszcze bardziej podekscytowany.” Mark stworzył filmy instruktażowe dla innych nauczycieli, gromadząc dużą liczbę fanów na platformach mediów społecznościowych. Za pośrednictwem własnej firmy edukacyjnej non-profit Mark zaoferował uczniom bezpłatny obóz letni w rzeczywistości wirtualnej, będący uzupełnieniem szkolenia nauczycieli przygotowującego do roku szkolnego 2020/21.

Niepewne warunki nauczania utrudniają planowanie. „Kiedy dowiedziałem się, że nauczanie na odległość będzie kontynuowane w roku szkolnym 2020/21, zdecydowałem się najpierw uczyć projektowania, a potem robotyki… , ale tak wiele rzeczy wisiało w powietrzu, że trudno było cokolwiek zaplanować. Nie wiedziałem, czy wrócimy osobiście, czy będziemy kontynuować online – wtedy niewiele informacji było jasnych. Skończyło się na tym, że połączyłem robotykę i projektowanie i po prostu zaplanowałem jeden lub dwa dni wcześniej”. Mark zaczął korzystać z VR na początku roku szkolnego (który do 2021 r. pozostanie w 100% zdalny), wybierając różne działania ze strony, co sprawdziło się, ponieważ istniały różne poziomy doświadczenia i edytowalne instrukcje. Kiedy wydano kurs Informatyka poziom 1 – Bloki, przeprowadził uczniów przez cały kurs, choć zauważył, że następnym razem podzieli lekcje na krótsze wykłady. Korzystanie z VR z natury rzeczy różniło się od stacjonarnych lekcji robotyki, ale nadal istniał zestaw kluczowych celów, jakie Mark miał przed tymi lekcjami:

• Zapoznaj uczniów z VEXcode
• Budowanie pewności siebie w programowaniu (samoskuteczność)
• Przedstaw pomysły/słownictwo związane z programowaniem w sposób niezagrażający
• „Oszukaj” ich, aby używali matematyki, nie zdając sobie z tego sprawy ;)
• Poproś uczniów, aby rozwiązali dobrze zdefiniowane problemy, biorąc pod uwagę ograniczenia
• Wprowadź źle zdefiniowane problemy
• Zachęcaj do przyjęcia postawy „porażka i spróbuj ponownie”.
• Kontynuuj rozwiązywanie problemów jako zabawę

Chociaż wirtualne doświadczenia były inne, Mark odkrył wyraźne zalety korzystania z VR. Uczniowie znacznie mniej bali się eksperymentowania z wykorzystaniem VR w porównaniu z RobotC (innym językiem kodowania używanym w przypadku innych robotów). Mark wykorzystuje również pomiar czasu potrzebnego uczniom na osiągnięcie „zwycięstwa”, aby określić, jak dobre jest ćwiczenie STEM, zauważając, że „jeśli uczniowi osiągnięcie pozytywnego wyniku zajmuje zbyt dużo czasu, znacznie trudniej jest go utrzymać zaangażowany."

Rzeczywistość wirtualna miała bezpośredni charakter, co zachęcało do eksploracji i aktywnego zaangażowania. Marek opisuje tego typu „wygraną” na przykładzie wprowadzenia uczniów do VR:

Ja: „Wszyscy otwórzcie nową kartę i przejdźcie do vr.vex.com. Wszyscy widzą tę witrynę? Dobry. Teraz każ robotowi jechać do przodu.”
Student: „Jak?”
Ja: „Sprawdź, czy potrafisz obliczyć…”
Student: „Wymyśliłem to!”
A potem uzależniają się! W tym czasie wielu z nich pyta mnie, jak robić najróżniejsze rzeczy. Dosłownie proszą mnie, żebym ich uczył!

Wyniki i dyskusja

VR jako narzędzie edukacyjne. Zarówno dane dotyczące użytkowania, jak i studia przypadków dają wgląd w pierwsze pytanie badawcze dotyczące tego, jak VR sprawdziła się jako narzędzie edukacyjne podczas pandemii Covid-19. Najprostszym wnioskiem jest sama ilość użycia; z platformy VR korzystało ponad milion uczniów na całym świecie, co wskazuje, że wirtualne środowisko robotyczne dobrze sprawdziło się jako substytut nauczania osobistego w sytuacjach kryzysowych. Zaskakującym wynikiem była także liczba prowadzonych projektów (ponad 84 miliony), biorąc pod uwagę liczbę indywidualnych użytkowników. Użytkownicy zrealizowali średnio 57 uruchomień projektów, wykazując się wysokim stopniem testowania i iteracji. Jest to bardzo obiecujący wynik, biorąc pod uwagę znaczenie rozwijania wśród uczniów postawy „spróbuj i spróbuj jeszcze raz”. Istnieje wiele możliwych sposobów rozwiązywania zadań VR, co stanowi kluczową lekcję dla uczniów. Gdy uczniowie zrozumieją, że istnieją liczne rozwiązania danego problemu, wzrasta prawdopodobieństwo, że zwrócą się do nauczycieli o opinię, a także, że będą lepiej rozumieć to, czego się uczą³⁰.

Studia przypadków potwierdzają również, że VR sprawdza się jako środowisko uczenia się o niskiej stawce. Aimee zauważyła, że ​​jej uczniowie byli bardziej pewnymi siebie programistami i nie mogli się doczekać pracy z fizycznymi robotami. Mark zauważył, że uczniowie mniej bali się eksperymentowania, gdy kodowali w VEXcode VR, a ich poczucie „zwycięstwa” w tym środowisku było natychmiastowe. Kiedy rozważymy te obserwacje nauczycieli w połączeniu z nieprzetworzonymi danymi dotyczącymi użytkowania, wydaje się, że potwierdza to, że środowisko wirtualnego robota sprawia, że ​​uczniowie czują się swobodniej w eksperymentowaniu i powtarzaniu w procesie uczenia się, a także ogólnie zwiększa pozytywne postrzeganie robotyki.

Lekcje od nauczycieli. Kiedy rozważymy drugie pytanie badawcze dotyczące tego, jakie spostrzeżenia mogą przekazać nauczyciele na temat wdrażania VR w klasie, możemy zidentyfikować kilka podobieństw na podstawie studiów przypadków. Obydwa studia przypadków ujawniły informacje na temat tego, w jaki sposób nauczyciele podejmowali decyzje i wdrażali rozwiązania podczas COVID-19, ale także tego, co było potrzebne, aby zapewnić uczniom skuteczne rozwiązanie do nauki w środowisku wirtualnym i hybrydowym. Tematy te obejmują elastyczne rozwiązania, ciągłość oraz program nauczania i wsparcie. Ustalenia te należy traktować jako wymagania dla wszystkich rozwiązań technologicznych, gdyż nauczyciele wspierający wspierają uczniów.

Biorąc pod uwagę niepewność co do warunków nauczania, zarówno Mark, jak i Aimee zauważyli, że potrzebują elastycznych rozwiązań. Nauczanie zdalne mogłoby zmienić się w uczenie się twarzą w twarz lub inną formę pośrednią. Rzeczywistość wirtualna mogłaby być nadal wykorzystywana w dowolnym otoczeniu, ale zapewniałaby także elastyczność w podejściu. Uczniowie mogą brać udział w zorganizowanych lekcjach prowadzonych przez nauczyciela, jak Mark wykorzystywał w ramach zajęć i kursu, lub w nauce prowadzonej przez uczniów we własnym tempie, jak opisała Aimee. Nauczyciele potrzebowali także elastyczności w zakresie poziomu doświadczenia, zarówno pod względem zajęć, jak i rodzaju oferowanych języków programowania, aby zaspokoić potrzeby wszystkich uczniów.

W obu studiach przypadku jako ważną wskazano ciągłość uczenia się. Aimee zauważyła, że ​​po pracy w rzeczywistości wirtualnej uczniowie byli podekscytowani możliwością pracy z robotami VEX V5, które czekały na wznowienie nauczania stacjonarnego. Rzeczywistość wirtualna posłużyła jako odskocznia do pracy z fizycznymi robotami oraz zwiększyła emocje uczniów i ich pozytywne postrzeganie. Mark zauważył również, że ciągłość VEXcode od VR do IQ była dla niego bardzo ważna: „Nie mogę ci powiedzieć, jak niesamowite jest to, że VEX ma bardzo prosty do śledzenia postęp od trzeciej klasy do college'u, a wszystko to przy użyciu VEXcode! A dzięki VR mogą zacząć uczyć się tego w domu!”

Program nauczania i wsparcie miały bez wątpienia kluczowe znaczenie dla powodzenia VR w tej ewoluującej sytuacji nauczania w procesie uczenia się. Jednostki VR zapewniły uczniom całą zawartość do nauki, a także materiały potrzebne do prowadzenia lekcji. Nie wszyscy nauczyciele mają doświadczenie w informatyce i kodowaniu. Aimee zauważyła, że ​​program oparty na blokach nie był onieśmielający zarówno dla niej, jak i jej uczniów. Mark powiedział również, że nie był przyzwyczajony do nauczania tak dużej ilości informatyki i musiał sam nauczyć się lekcji, zanim zaczął nauczać. Mark przyznał jednak: „Gdyby jutro wszystko wróciło do „normalności”, będę teraz mógł z większą pewnością siebie uczyć programowania w swojej klasie”. Wsparcie nauczycieli w zakresie programu nauczania i programowania VR jest niezbędne do wdrożenia VR w klasie.

Nauka cyfrowa jest nie tylko dla uczniów; nauczyciele również kontaktują się z nimi, aby dowiedzieć się o praktykach i zasobach nauczania za pośrednictwem technologii i mediów społecznościowych. Nauczyciele w blisko 50 krajach ukończyli certyfikację VR. Wokół VR tworzy się globalna społeczność praktyków. Mark zaczął publikować filmy VR w mediach społecznościowych i szybko zyskał ponad tysiąc obserwujących; dzięki pracy z VR zaprzyjaźnił się z nauczycielami w Słowenii i na Tajwanie. W miarę jak nauczyciele dzielą się swoim doświadczeniem i praktyką, uczniowie ostatecznie odnoszą korzyści z nieformalnych grup wsparcia dla nauczycieli. Społeczności praktyków mogłyby stanowić pomost między obecną dostępnością robotyki edukacyjnej a włączeniem tej technologii do formalnego kształcenia nauczycieli. W miarę jak coraz więcej nauczycieli zaznajomi się z robotyką edukacyjną poprzez rozwój zawodowy (np. ponad 550 nauczycieli, którzy ukończyli kurs certyfikacyjny, lub poprzez nieformalne społeczności edukacyjne), więcej uczniów zostanie wprowadzonych w zintegrowane nauczanie STEM.

Wniosek

VEXcode VR powstał w czasach dużej niepewności i dużej potrzeby natychmiastowych rozwiązań. Innowacyjne rozwiązania mogą pojawić się w pilnych sytuacjach. VR dotknęła już ponad 1,45 miliona użytkowników, którzy zapisali ponad 2,52 miliona projektów i zrealizowali ponad 84 miliony projektów – w ponad 150 krajach. Mimo że pandemia dotknęła uczniów i nauczycieli na całym świecie, rzeczywistość wirtualna umożliwiła uczniom i nauczycielom zapoznawanie się z koncepcjami robotyki i informatyki bez względu na bariery fizyczne. Na podstawie studiów przypadków nauczycieli stwierdzono, że tematy takie jak elastyczność, ciągłość, program nauczania i wsparcie zostały uznane za ważne w nauczaniu z wykorzystaniem technologii w tak niepewnych i trudnych okolicznościach.

Wychodząc z tego bezprecedensowego czasu, wnioski wyciągnięte z tworzenia i wdrażania VR wskazują możliwości jej wykorzystania w przyszłości. Dane dotyczące użytkowania w połączeniu ze studiami przypadków nauczycieli pokazują, że uczniowie czuli się mniej powściągliwi w wykonywaniu iteracji podczas kodowania w środowisku wirtualnym. Sugeruje to, że rzeczywistość wirtualna może być cennym narzędziem do tworzenia rusztowań, które można wykorzystać w połączeniu z fizycznymi robotami. Przemawia za tym również potrzeba elastyczności; wykorzystanie rzeczywistości wirtualnej jako narzędzia do nauki w połączeniu z fizycznym robotem mogłoby zapewnić optymalne, elastyczne środowisko uczenia się z użyciem robotów, w którym łatwa opcja do samodzielnego wykonania w domu uzupełnia program nauczania robotyki fizycznej. Z niecierpliwością czekamy na przyszłe badania, które pozwolą sprawdzić, w jaki sposób nauczyciele mogliby połączyć robotykę wirtualną i fizyczną w świecie po pandemii.

Podziękowanie

Jesteśmy wdzięczni Aimee DeFoe i Markowi Johnstonowi za podzielenie się swoimi doświadczeniami w nauczaniu i cennymi spostrzeżeniami.

---