Abstrakt
Pedagogisk robotik har potential att bli en hörnsten i STEM-utbildning tack vare dess förmåga att tillhandahålla praktisk, projektbaserat lärande genom tvärvetenskaplig läroplan. Forskning har visat att elevers attityder till STEM-inlärning minskar allt eftersom de går vidare i vårt utbildningssystem; att odla positiva attityder till STEM-ämnen är avgörande hos elever i grundskolan. Att integrera robotikläroplanen med STEM-ämnen har visat sig ha många positiva inlärningsfördelar för eleverna, samtidigt som det förbättrar elevernas uppfattningar om dessa ämnen. I den här studien deltog 104 elever från tredje till femte klass i ett forskningsprojekt för att identifiera om elevernas uppfattningar om STEM-ämnen skulle förändras efter sex veckors robotikundervisning. Eleverna fick en förundersökning för att utvärdera attityder till matematik, naturvetenskap, teknik och 2000-talsfärdigheter. Varje årskurs genomförde sedan en robotikläroplan med hjälp av VEX GO-robotklassrumspaketet och VEX GO-läroplanens STEM-laborationer och aktiviteter. Efter de sex veckornas lektioner fick eleverna samma frågor efter enkäten för att utvärdera om deras attityder hade förändrats. Resultaten visar avsevärt förbättrade elevers attityder inom alla STEM-ämnen, samt upplevda förbättringar i kreativitet, engagemang, lagarbete och uthållighet.
Introduktion
Robotik har blivit alltmer integrerad i grundskolor och gymnasieskolor över hela USA de senaste åren, sporrad av nationella rapporter och policyer. År 2015 uppgav National Science Foundation att förvärvandet av kunskaper och färdigheter inom vetenskap, teknologi, ingenjörskonst och matematik (STEM) blir allt viktigare för att amerikaner ska kunna engagera sig fullt ut i en teknikintensiv global ekonomi, och att det är avgörande för alla att ha tillgång till högkvalitativ utbildning inom STEM-ämnen. Pedagogisk robotik är inte bara en populär trend inom utbildningsteknik, utan har genom forskning visat sig vara effektiv för att förbättra elevernas uppfattningar om STEM-ämnen såväl som läranderesultat. En metaanalys1fann att pedagogisk robotik generellt sett ökade inlärningen av specifika STEM-koncept. Forskning med fokus på olika åldersgrupper visade att robotik ökar elevernas intresse för och positiva uppfattningar om STEM-ämnen2, 3, 4, och vidare forskning fann att detta i sin tur ökar skolresultaten och främjar prestationer på naturvetenskapliga examen5, 6, 7. För gymnasieelever har robotteknik använts för att stödja förberedelser inför högskolan och tekniska karriärfärdigheter8, 9, 10.
Det nationella vetenskaps- och teknikrådets kommitté för STEM-utbildning lade 2018 fram en rapport för att skissera en federal strategi för tvärvetenskaplig STEM-utbildning: ”STEM-utbildningens karaktär har utvecklats från en uppsättning överlappande discipliner till ett mer integrerat och tvärvetenskapligt tillvägagångssätt för lärande och kompetensutveckling.” Denna nya metod inkluderar undervisning i akademiska koncept genom verkliga tillämpningar och kombinerar formellt och informellt lärande i skolor, samhället och på arbetsplatsen. Pedagogisk robotik bör inte läras ut som ett fristående ämne, utan snarare dra full nytta av ett tvärvetenskapligt läroplaneringssätt. Forskare har funnit en rad fördelar med att införliva robotteknik i befintlig skolplan, från utveckling och tillämpning av STEM-kunskap, till beräkningstänkande och problemlösningsförmåga, till sociala färdigheter och lagarbete.11, 12, 13, 14. Benitti1 fann att de flesta robotprogram undervisades som ett eget ämne, och detta gjorde det svårare för lärarna att integrera det i klassrummet. Ett mål med denna forskningsstudie är att utvärdera elevers attityder till STEM-ämnen med hjälp av en robotikläroplan som kombinerar robotkonstruktion och programmering med standardanpassat matematik-, naturvetenskaps- och ingenjörsinnehåll.
Att introducera pedagogisk robotik har varit särskilt hjälpsamt för unga elever, som kan börja bilda negativa attityder till STEM-ämnen redan i årskurs 415. Unga elever gynnas av ett integrerat lärandesammanhang och utvecklar mer positiva attityder till STEM-ämnen med tidiga erfarenheter av framgång.16. Cherniak et al.17 fann att introduktion till robotik för grundskoleelever hjälper till att utveckla undersöknings- och problemlösningsförmåga. I en studie av Ching et al.18introducerades elever i högstadiet och skolan till en integrerad STEM-robotikläroplan i ett fritidshemsprogram. Med hjälp av ett enkätinstrument19mättes elevernas attityder till matematik, naturvetenskap och teknik före och efter programmet. Resultaten visade att endast den matematiska konstruktionen ökade signifikant. Ching et al. identifierade att dessa resultat överensstämde med annan forskning från informella lärandemiljöer och korta (en vecka långa) pilotprogram20, 21. Ching et al. noterade också andra svårigheter som kan ha påverkat nollresultaten för andra ämnen: eleverna hade svårt att bygga robotarna och det tog upp till fyra 90-minuterspass att slutföra dem. Svårigheter att förstå bygginstruktioner och att bygga robotar har också varit en rapporterad utmaning för elever i högstadiet och gymnasiet i andra studier22, och forskare har noterat att en stark förståelse för de olika robotkomponenterna är nödvändig för robotkonstruktion23. Ching et al.18 konstaterade: ”I framtiden, när ett lärandemål involverar konstruktionen av en originell och funktionell robot, rekommenderas det starkt att eleverna utvecklar en djup förståelse för robotarnas olika komponenter innan de börjar” s. 598. Dessa insikter tydliggör att det är särskilt viktigt för små barn att ha tidiga erfarenheter av framgång med STEM-inlärning, och att använda ett robotbyggsats som är lätt att lära sig och bygga är en värdefull del av att implementera en robotbaserad läroplan så att alla elever når framgång.
I den här studien undersöker vi hur en tvärvetenskaplig robotikläroplan – som genomfördes som en del av skoldagen – påverkade elevers attityder till STEM-ämnen. Forskningsfrågorna är:
- Hur påverkade en sex veckor lång, tvärvetenskaplig robotikläroplan elevernas attityder till STEM-ämnen?
- Vilka typer av upplevda fördelar eller lärande observeras när eleverna arbetar igenom robotikläroplanen?
Den fortsatta undersökningen av hur robotteknik kan gynna elever i högstadiet och skolan är av allt större betydelse för att förbättra elevernas uppfattning om STEM, och förhoppningsvis förbättra engagemang och resultat. I denna studie strävar vi efter att bidra till forskningen genom att undersöka:
- elever från tredje till femte klass
- en robotikläroplan integrerad i skoldagen och genomförd under sex veckor
- tvärvetenskapliga robotlektioner som överensstämmer med STEM-standarder
- ett robotkit designat för elever i grundskolan
Metoder
Denna studie genomfördes i ett offentligt skoldistrikt i västra Pennsylvania med totalt 104 elever fördelade på tre årskurser. Läraren som utvecklade och genomförde robotikläroplanen fungerar som teknikintegratör för grundskolan för distriktet och ser eleverna enligt ett roterande schema. Denna studie inkluderar både kvantitativa och kvalitativa data. Eleverna svarade på enkätfrågor för att empiriskt utvärdera sina attityder till STEM-ämnen före och efter en robotikläroplan. Dessutom förde läraren dagbok där hon antecknade och reflekterade över elevernas beteende och lärande under STEM-laborationerna och aktiviteterna de genomförde.
Förundersökning. För att utvärdera elevernas uppfattningar om STEM-ämnen fyllde eleverna i enkäten om elevernas attityder till STEM - Elever i högre grundskola19. För att underlätta för eleverna återskapade läraren enkätfrågorna i tabellform och tog bort det neutrala alternativet som hon trodde skulle orsaka förvirring för eleverna när de svarade.
Brev som beskriver forskningsprojektet och samtyckesblanketter skickades hem med eleverna för föräldrarnas granskning. För att få delta i denna forskningsstudie var studenterna skyldiga att returnera ett undertecknat samtyckesformulär. Enkätinstrumentet trycktes och distribuerades till eleverna i en klassrum. Elever som returnerade samtyckesblanketten genomförde enkäten, medan de elever som inte gjorde det fick en annan aktivitet under den tiden. Instruktionerna lästes högt för eleverna, och vissa termer definierades när de begärdes. Enkäterna genomfördes av elever i tredje, fjärde och femte klass från måndag till onsdag samma vecka.
När den första enkäten levererades hade eleverna introducerats till robotbyggsatsen med hjälp av labbet Introduktion till byggande och lektionen för att bygga astronautkaraktären. Inga andra STEM-laboratorier hade slutförts, och på grund av covid-19-pandemin hade eleverna inte fått någon robotikkurs under det föregående ett och ett halvt året. Detta gav möjlighet att utvärdera hur eleverna uppfattade STEM-ämnen utan att nyligen erfarenhet av STEM-läroplanen påverkade deras svar.
Läraren noterade att elever i olika årskurser svarade olika på enkäterna. Eleverna i femte klass svarade snabbt på enkäten och svarade på få frågor. Eleverna i fjärde klass bad om många definitioner av termer. Elever i tredje klass hade störst svårigheter med terminologi och det tog längst tid på sig att slutföra enkäten.
STEM-lärandeplan och robot. Läraren på grundskolans teknikintegrator hade samlat in många robot- och programmeringsverktyg för användning i distriktet, men valde att implementera en sexveckors läroplan med VEX GO-roboten för de beräkningstänkande och datavetenskapliga lektioner som de kunde ha i slutet av läsåret 2021. VEX GO-roboten är ett kit med plastdelar som kan manipuleras av elever i grundskolan, som har andra finmotoriska behov än äldre elever. Satsen är färgkodad för att hjälpa eleverna att förstå storleken på delarna, och organiserad efter typ: balkar, vinkelbalkar, plattor, kugghjul, remskivor, kontakter, distanser och stift. Läraren använde ett enda klassrumspaket (tio kit) för att betjäna alla grupper i tredje, fjärde och femte klass som hon undervisade. Att dela robotbyggsatser ur ett klassrumsimplementeringsperspektiv innebar att eleverna var tvungna att kunna slutföra lektionen och ställa undan sin robot under en enda lektion, så att en annan klass kunde använda dem senare. Läraren var också tvungen att kunna röra sig mellan olika klassrum för olika årskurser under dagen.
Varje årskurs genomförde sex veckors STEM-laborationer i robotik. På grund av den atypiska inlärningssituation som covid-19 orsakat roterade eleverna genom ett schema med fysiska lektioner tre gånger under en tiodagarsrotation. Inte alla elever träffades exakt lika många gånger, beroende på deras schema och externa faktorer. Läraren hanterade detta genom differentiering: ”Med detta i åtanke försökte jag verkligen differentiera för varje klassrum. Jag ville inte dra ner så många lektioner i varje årskurs utan istället verkligen gräva djupare i lektionerna för att förstå.” Eleverna i femte klass sågs minst. Läraren noterade att det var svårt att undervisa femteklassare alldeles i slutet av deras grundskolekarriär eftersom de hade så många evenemang inplanerade veckorna före examen.
Medan alla elever genomförde en uppsättning VEX GO-robottekniklaborationer och aktiviteter i STEM under de sex veckorna, differentierades läroplanen efter lärarens gottfinnande för att anpassa sig till elevernas förmågor i olika åldrar. Till exempel började alla elever sin robotikläroplan med Introduktion till byggande STEM-labbet, eftersom det här labbet introducerar robotikpaketet. Alla elever genomförde också Look Alike STEM-laboratoriet, som lär ut hur egenskaper överförs genetiskt från föräldrar till kaninungar. Varje årskurs genomförde sedan en annan uppsättning laborationer och aktiviteter:
- Tredje klass: Introduktion till byggande, Likadana, Roliga grodor (2 lektioner), Anpassningsklo, VEX GO Aktiviteter: Månrover, Pinspel, Ingenjörskonst & Bygg det, Kopia, Habitat, Varelseskapande och fri byggtid
- Fjärde klass: Introduktion till byggande, Enkla maskiner (4 lektioner), Lika modeller, Anpassningsklo, VEX GO Aktiviteter: Månrover, Pin Game och fri byggtid
- Femte klass: Introduktion till byggande, Likadana, Roliga grodor (2 lektioner), Anpassningsklo, VEX GO Aktiviteter: Månrover, Pinspel, Ingenjörskonst & Bygg det, Kopia, Habitat, Varelseskapande och fri byggtid
STEM-laborationerna är strukturerade aktiviteter som vägleder eleverna genom en tvärvetenskaplig, standardanpassad lektion som ger sammanhang för ett robotbygge, klassdiskussioner, experiment och iterativ förbättring. Labbarna är organiserade som med avsnitten Engagera, Spela och Dela som vägleder eleverna genom lektionen. Aktiviteterna är kortare än ett STEM-laboratorium och varierar i ämne och struktur, vilket ofta ger öppna utmaningar med färre instruktioner.
Efterundersökning. Efter att läroplanen var avslutad, vilket sammanföll med slutet av läsåret, fick eleverna efterundersökningen på samma sätt som förundersökningen. När efterundersökningarna hade samlats in anonymiserade och registrerade läraren data inför analysen.
Dataanalys. Enkätfrågorna skulle utvärderas med hjälp av föreskrivna kvantitativa metoder. Svarsalternativen poängsattes (1 = håller inte alls med, 2 = håller inte med, 3 = håller med, 4 = håller helt med), och specifika frågor omkodades omvänt där det behövdes. Parade t-tester kördes på medelvärdena före och efter undersökningen för varje konstruktion, för varje årskurs. Lärarjournalen utvärderades med hjälp av tematisk analys, vilket gav insikter i upplevt elevernas lärande samt läroplanens utformning/behov.
Resultat
Tredje klass. Resultaten från undersökningen för och efter årskurs tre (tabell 1) visar ökade medelpoäng för vart och ett av undersökningsområdena. Varje konstruktion pre- och post-medelvärde jämfördes med ett tvåsidigt t-test, och alla resultat var signifikanta (p < 0,001). Den minsta genomsnittliga ökningen var för attitydkonstruktionen 2000-talsfärdigheter, vilket indikerar att eleverna endast varierade något från sin ursprungliga överensstämmelse med dessa frågor. Eleverna hade den lägsta medelpoängen på attitydkonstruktionen i matematik före undersökningen, med en medelpoäng på 2,27, men skulle öka denna medelpoäng med 0,25 i efterundersökningen. Både naturvetenskaps- och ingenjörskoncepten hade genomsnittliga ökningar på över 0,6, vilket indikerar att eleverna kände sig mycket mer säkra efter läroplanen att utöka sina valmöjligheter. Medelvärdet för det vetenskapliga begreppet före enkäten på 2,8 till 3,44 visar att eleverna ursprungligen var en blandning av instämmer inte och håller med (2 och 3) men ändrades till en blandning av instämmer till instämmer helt (3 och 4).
Tabell 1. Resultat av parade t-test före och efter enkäten för tredje klass (n = 39).
| Par | Variabel | Betyda | t | Sig (tvåsidig) |
|---|---|---|---|---|
| Par 1 | Förberedande matematik | 2.2664 | -8.775 | 0.000 |
| Efter matematik | 2.5197 | |||
| Par 2 | Förvetenskap | 2.7982 | -21.255 | 0.000 |
| Postvetenskap | 3.4415 | |||
| Par 3 | Förberedande teknik | 3.1228 | -26.504 | 0.000 |
| Postteknik | 3.7281 | |||
| Par 4 | Färdigheter före 2000-talet | 3.0000 | -3.894 | 0.000 |
| Färdigheter efter 2000-talet | 3.0906 |
Fjärde klass. Tabell 2 visar att eleverna i fjärde klass hade liknande ökningar i medelpoäng på alla konstrukt, och alla var signifikanta (p < 0,001). Ökningarna var dock mindre än vad som sågs hos eleverna i tredje klass (genomsnittliga förändringar vanligtvis mindre än 0,3), vilket indikerar att färre elever ändrade sina svar än deras yngre motsvarigheter. Liksom för eleverna i tredje klass hade matematikkonstruktionen det lägsta medelvärdet både före och efter enkäten, och 2000-talsfärdigheterna hade den minsta ökningen av medelpoäng. Det är värt att notera att ingenjörsyrket hade den största ökningen för dessa studenter.
Tabell 2. Resultat av parade t-test före och efter enkäten för fjärde klass (n = 34).
| Par | Variabel | Betyda | t | Sig (tvåsidig) |
|---|---|---|---|---|
| Par 1 | Förberedande matematik | 2.0871 | -7.136 | 0.000 |
| Efter matematik | 2.2652 | |||
| Par 2 | Förvetenskap | 2.9125 | -7.124 | 0.000 |
| Postvetenskap | 3.1987 | |||
| Par 3 | Förberedande teknik | 3.0673 | -8.151 | 0.000 |
| Postteknik | 3.3030 | |||
| Par 4 | Färdigheter före 2000-talet | 3.6498 | -4.629 | 0.000 |
| Färdigheter efter 2000-talet | 3.7003 |
Femte klass. Konstruktionspoängen för elever i femte klass visar andra trender än för elever i tredje och fjärde klass (tabell 3). Denna grupp hade den enda minskningen av medelpoängen på ingenjörskonstruktionen, även om den inte var statistiskt signifikant och på grund av de högre medelpoängen i sig inte gav något problem. Medelpoängen för matematik, naturvetenskap och 2000-talsfärdigheter ökade alla i en mindre grad från före-undersökningen till efter-undersökningen, och var signifikanta i en mindre grad (p < 0,01 för matematik och naturvetenskap och p < 0,05 för 2000-talsfärdigheter).
Tabell 3. Resultat av parade t-test före och efter enkäten för femte klass (n = 31).
| Par | Variabel | Betyda | t | Sig (tvåsidig) |
|---|---|---|---|---|
| Par 1 | Förberedande matematik | 2.8167 | -3.427 | 0.002 |
| Efter matematik | 2.9042 | |||
| Par 2 | Förvetenskap | 3.2333 | -3.751 | 0.001 |
| Postvetenskap | 3.3111 | |||
| Par 3 | Förberedande teknik | 3.4259 | 0.810 | 0.425 |
| Postteknik | 3.3370 | |||
| Par 4 | Färdigheter före 2000-talet | 3.8296 | -2.350 | 0.026 |
| Färdigheter efter 2000-talet | 3.8741 |
Diskussion
Studenters attityder. Resultaten för dessa fyra konstruktioner visade några överraskande resultat. Medelpoängen i förundersökningen var högre för eleverna i femte klass på alla konstruktioner än för eleverna i tredje klass. Resultat från litteraturen tyder på att attityder till STEM minskar med tiden. Motbevisar dessa fynd det? Inte nödvändigtvis. Skolårets slut innebar att femteklassarna träffades färre gånger eftersom de deltog i olika evenemang som ledde inför examen, och färre lektioner kan ha minskat effekten på deras attityder vid denna tidpunkt på året. Läraren noterade också att varje åldersgrupp svarade på enkätfrågorna olika. Tredjeklassarna ställde många frågor och svarade med allmän entusiasm, medan femteklassarna genomförde enkäten snabbt och med få frågor. Barnens ålder kan påverka hur mycket nyans de har när de tolkar frågorna och ger sina svar. Yngre elever kan till exempel värdera ”håller med” och ”håller helt med” annorlunda än äldre elever. Läraren lade till en kommentar i sina anteckningar specifikt om eleverna i femte klass och undrade om de besvarade enkätfrågorna med en känsla av förväntan eller i ett försök att tillfredsställa henne. Allt eftersom äldre grundskoleelever blir mer anpassade till förväntningarna kan deras naturliga reaktioner formas av det.
Det som framgår tydligt av resultaten är skillnaden som VEX GO-robotkursen hade för varje åldersgrupp. Eleverna i tredje klass hade stora ökningar i sina medelpoäng inom alla ämneskonstruktioner (matematik, naturvetenskap, teknik). Medan eleverna i fjärde klass inte hade en lika stor ökning av medelpoängen som eleverna i tredje klass, ökade de ändå konsekvent medelpoängen med flera tiondelar på domänkonstruktionerna. Eleverna i femte klass var dock de enda eleverna med icke-signifikanta förändringar i något konstrukt och signifikansvärden mindre än p <. Dessa generella skillnader mellan elever i olika årskurser indikerar att robotikläroplanen hade en större effekt på yngre elevers attityder än äldre elevers, vilket belyser vikten av att starta robotikläroplanen tidigt.
Upplevd inlärning. Lärarens journal dokumenterade de laborationer och aktiviteter som varje elevgrupp gjorde, såväl som många observationer av eleverna medan de arbetade sig igenom lektionerna. Medan enkätinstrumentet kunde identifiera studenters attityder, identifierade en tematisk analys av dagboksanteckningarna flera ämnen för upplevt lärande som överensstämde med forskningslitteraturen.
Kreativitet. Ett huvudtema i tidskriften var studenters kreativitet. Nämndes flitigt för tredjeklassare, men i alla tre årskurser framhölls kreativitet uttryckligen för hur eleverna engagerade sig i Enkla maskiner, Likadana, Varelser som skapar och Grodors livscykel. Läraren anmärkte: ”Tredje klass var så exalterade över att bygga en groda. Den här årskursen vill vara så kreativ som möjligt och att bygga ett livsmiljö gör det verkligen möjligt för barnen att återupptäcka de färdigheterna.” Även om det finns många mål med läromedel är det ett värdefullt resultat att väcka kreativitet hos elever som medför många andra fördelar.
Engagemang. Att erbjuda strukturerade laborationer med roliga och autentiska teman stimulerade elevernas kreativitet, vilket bidrog till att öka engagemanget. Med början i labben Introduktion till byggande noterade läraren att eleverna inte ville sluta arbeta. På samma sätt som med Look Alike-labbet fann hon att ”det var verkligen svårt att avsluta lektionen”. Jag upptäckte att eleverna ville fortsätta och fortsätta genom att lägga till fler iterationer till sina djur…Jag upptäckte att barnen inte ville städa upp utan fortsätta att lägga till i sin skapelse. Även om eleverna i tredje klass noterades som de mest entusiastiska, beskrev hon hur även femteklassarna var väldigt engagerade i sitt labb med enkla maskiner: ”Jag tyckte att alla elever hade svårt att vilja lägga undan bitarna. Vi hade helt enkelt för roligt!
Lagarbete. VEX GO STEM-labben är utformade för att genomföras i team, där eleverna tilldelas specifika roller och uppgifter. Tredjeklassarna började med Adaption Claw och läraren observerade: ”Eleverna var också ivriga att dela upp sig i grupper så att de kunde arbeta tillsammans, med varsin uppgift.” För fjärdeklassarna noterade hon på liknande sätt hur roller hjälpte eleverna att komma in i sina grupper och komma igång snabbt. Hon noterade också att eleverna började välja att arbeta tillsammans med öppna aktiviteter, som att bygga livsmiljöer eller bygga månrovern.0 Läraren noterade också flera fall där eleverna spontant arbetade tillsammans som en klass
Vissa elever utforskade nya saker med sin robot, och när de ”upptäckte” något nytt sprang andra elever över för att se och sedan prova det själva. Elever som valde en rolig aktivitet från "valtavlan" delade ofta med andra elever, som sedan bytte till den aktiviteten. Oavsett om eleverna arbetade i grupp eller ensamma var de ivriga att dela med sig och hjälpa varandra.
Beständighet. Alla aktiviteter var inte enkla för eleverna. Tredjeklassarna gjorde först labben med anpassningsklor efter labben med introduktion till byggande. Läraren konstaterade att laborationen var lite avancerad till en början och skulle flytta detta till senare i läroplanens ordning. Oavsett om de slutförde aktiviteten eller inte, så fortsatte grupperna ända till slutet.
Jag tyckte att detta var en UTMÄRKT läxa i frustration och förståelse för att misslyckande bara är en del av lärandet. Jag lät varje grupp beskriva vad som fungerade och vad som inte fungerade. Jag upptäckte att många grupper verkligen förstod varandra när de väl hörde samma problem.
Vissa aktiviteter som användes var också utformade för att vara öppna och ge eleverna en utmaning att övervinna. Eleverna fick i uppdrag att bygga hus som kunde motstå en jordbävning, men fick inga bygginstruktioner. Även om det fanns ett inslag av frustration inblandat, använde eleverna detta och fortsatte med iterativa förbättringscykler:
Eleverna älskade verkligen utmaningen! Jag upptäckte att elevgrupper insåg sina misstag efter att ha experimenterat med en ”jordbävning” och kunde göra om sina hus baserat på vad som fungerade och vad som inte fungerade. Jag blev så förvånad över hur glada och exalterade grupperna var över att få en utmaning som var både frustrerande och givande när de väl hade löst den.
Läroplan. Lärarens journal avslöjade också många insikter i vikten av differentiering i robotikläroplanen. Varje elevgrupp genomförde STEM-labben Introduktion till byggande, där VEX GO-kitet och alla delar i det introducerades. Alla elever genomförde också STEM-laboratoriet "Look Alike", som lär eleverna om egenskaper genom att låta dem bygga förälder- och kaninkaninungar med olika egenskaper. Medan vissa laborationer genomfördes av varje årskurs, gjordes differentiering efter åldersgrupp. De äldre fjärde- och femteklassarna slutförde laborationsdelen Enkla maskiner, medan tredjeklassarna slutförde laborationen Roliga grodor. Tredjeklassarna genomförde också fler av de fristående aktiviteterna än de äldre klasserna, eftersom läraren noterade att dessa var gynnsamma för de yngre elevernas färdigheter. Läraren använde också aktiviteterna för de äldre eleverna när grupperna avslutade laborationerna tidigt – en nödvändighet i klassrummet för att hålla eleverna sysselsatta när grupperna arbetar i olika takt. Att ha många alternativ för både labb- och aktivitetsdifferentiering var en värdefull tillgång i läroplanen för en framgångsrik implementering av ett robotprogram i klassrummet.
Tvärvetenskapliga laborationer var också en fördel, enligt lärarjournalen. Tredjeklassare var entusiastiska över laborationerna med naturvetenskapstema där de fick bygga och utveckla djur och deras livsmiljöer. Det första djurlabb som tredjeklassare genomförde var Look Alike-labbet, där de fick skapa kaniner och föra vidare egenskaper. Läraren noterade hur mycket eleverna älskade att göra djur och ville utforska olika varianter. Detta ledde till att läraren valde en aktivitet som hette Skapande av varelser till nästa lektion för att utveckla elevernas kreativitet. När eleverna arbetade med Fun Frogs-labbet lade hon märke till hur entusiastiska och kreativa eleverna var, med den extra fördelen att det fanns en låg tröskel för att utveckla färdigheter.
Barnen älskade att göra och lära sig om grodans cykel. Jag såg barn få praktisk erfarenhet av naturvetenskapliga ämnen som de hade lärt sig i en lärobok. Jag pratade med läraren i tredje klass om att vi skulle samarbeta mer nästa år för att försöka lära ut detta när hon undervisar om livsmiljöer.
Fjärdeklassare genomförde laborationsdelen Enkla maskiner. Läraren noterade hur entusiastiska eleverna var eftersom de hade kunskap om enkla maskiner från sin andra klass. De frågade hur ingenjörer använde enkla maskiner och fick tid att göra forskning. Läraren noterade:
Årskurs 4 fokuserar på enkla maskiner i naturvetenskap, så det här STEM-labbet passade perfekt för den här årskursen. Jag märkte att barnens ansikten lyste upp när jag sa att vi skulle tillverka hävstänger. De flesta av dessa elever hade gjort ett arbetsblad men inte en praktisk undersökning. Jag sa till NO-läraren att vi kommer att samarbeta mer nästa år, så att jag undervisar i det här STEM-laboratoriet medan hon undervisar i enkla maskiner.
Femteklassarna genomförde också labbdelen Enkla maskiner, men deras ålder och erfarenhet visade hur de arbetade med den annorlunda än fjärdeklassarna. Läraren noterade att den här gruppen elever slutade tidigt och använde ”valtavlan” för att utforska på egen hand.
Femte klass behöver spännande och engagerande aktiviteter – och det här STEM-labbet passade in. Jag upptäckte att eleverna ville gå ner på golvet och experimentera med hur man lyfter olika vikter med hjälp av spaken. Jag upptäckte också att till skillnad från årskurs 4 hade dessa elever bakgrundskunskaper och tog STEM-labbet till nästa nivå genom att lägga till vikter och ge STEM-labbet en autentisk lärandeupplevelse från grupp till grupp.
Elever i varje årskurs gynnades av att ha ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt i robotikläroplanen. Att kunna koppla robotik till naturvetenskap, matematik eller teknik hjälpte inte bara att engagera eleverna, utan gav dem också en grund att utforska koncept med djupare förståelse. Läraranteckningarna visar på flera områden där robotikläroplanen kan införlivas eller synkroniseras med lektioner i andra ämnen, vilket skulle kunna vara ett värdefullt nästa steg för att integrera robotik mellan olika ämnesområden på ett autentiskt sätt.
Slutsats
I takt med att användningen av pedagogisk robotik ökar i klassrum över hela landet är det viktigt att undersöka hur robotik gynnar elever, såväl som lärdomar från undervisning i robotik. Denna studie visade att en robotikläroplan förbättrade elevernas attityder i nästan alla STEM-ämnen för alla årskurser. Dessutom uppfattade läraren ytterligare lärandekategorier för eleverna inom områden som kreativitet, engagemang, lagarbete och uthållighet.
För att kunna fortsätta utforska hur pedagogisk robotik kan vara mest fördelaktig för elever i verkliga klassrum måste vi fortsätta att lära oss direkt från lärarna som implementerar läroplanen. När läraren reflekterade över hela upplevelsen gav hon sina övergripande slutsatser:
Jag upptäckte att om barn ville lära sig mer – så lärde vi oss mer. Jag ville att detta skulle vara roligt och varje klassrum var ärligt talat helt annorlunda (vilket är helt normalt). Vissa elever ville lära sig mer om att bygga där andra ville bryta sig loss och skapa sina egna monster eller varelser. Jag tyckte att tredje klass var så engagerade – det var svårt att avsluta lektionerna. Fjärde klass var så exalterade över att lära sig om STEM-lektioner, som enkla maskiner som kopplades till deras egen NO-läroplan. Klass 5 älskade utmaningen att programmera, bygga och lära sig om Mars. Jag tror att den stora delen var att varje klassrum ibland behövde mer tid med ett STEM-labb eller mer tid att utforska, och det gav jag dem. Jag har upptäckt att när barn är exalterade är det bäst att springa med på den spänningen och gräva djupare istället för att gå vidare.
Denna studie gav också meningsfulla insikter i implementeringen av en tvärvetenskaplig robotikläroplan. Som ett sexveckors program kunde eleverna genomföra många olika laborationer och aktiviteter. Detta indikerar att läroplanens längd rimligen kan påverka hur framgångsrik den är när det gäller att förändra elevers attityder till STEM. Lektionsuppbyggnad och differentiering var också nyckeln till läroplanens framgång. Läraren upptäckte att elever i olika åldrar hade olika färdigheter och behov, och att hon enkelt kunde anpassa läroplanerna för varje årskurs. Själva robotbyggsatsen VEX GO passade också väl till elevernas behov. Eleverna kunde enkelt följa instruktioner, konstruera delarna och lära sig hur delarna fungerade och kopplades ihop. Eleverna kunde slutföra byggen och laborationer under en enda lektion med tid att städa, vilket är en nödvändighet för att få en robotikläroplan att fungera inom ramen för en vanlig skoldag. Ett robotkit utformat för en grundskoleklass och en fullständig tvärvetenskaplig läroplan är båda avgörande för undervisning och lärande med robotik i ett verkligt klassrum.