抽象的
教育机器人技术有潜力成为 STEM 教育的基石，因为它能够通过跨学科课程提供基于项目的实践学习。 研究表明，学生对 STEM 学习的态度随着他们在我们教育系统中的进步而下降；培养对 STEM 主题的积极态度对于小学生至关重要。 事实证明，将机器人课程与 STEM 科目相结合可以为学生带来许多积极的学习益处，同时还可以提高学生对这些主题的看法。 在这项研究中，104 名三至五年级的学生参与了一个研究项目，旨在确定学生在接受六周的机器人课程后对 STEM 主题的看法是否会发生变化。 学生们接受了预先调查，以评估他们对数学、科学、工程和 21 世纪技能的态度。 然后，每个年级使用 VEX GO 机器人课堂捆绑包以及 VEX GO 课程 STEM 实验室和活动完成机器人课程。 六周的课程结束后，学生们被提出了相同的调查后问题，以评估他们的态度是否发生了变化。 结果显示，所有 STEM 科目的学生态度均得到显着改善，创造力、参与度、团队合作和毅力也得到明显改善。
介绍
近年来，在国家报告和政策的推动下，机器人技术越来越多地融入美国各地的中小学。 2015年，美国国家科学基金会表示，获取科学、技术、工程和数学（STEM）知识和技能对于美国人充分参与技术密集型全球经济变得越来越重要，并且每个人都必须能够获得 STEM 主题的高质量教育。 教育机器人技术不仅仅是教育技术中的流行趋势，而且研究表明，它可以有效提高学生对 STEM 科目的认知以及学习成果。 一项荟萃分析（Beniti，2012）发现，总体而言，教育机器人技术增加了对特定 STEM 概念的学习。 针对不同年龄段的研究表明，机器人技术提高了学生对 STEM 科目的兴趣和积极看法（Nugent et al., 2010；Robinson, 2005；Rogers & Portsmore, 2004），进一步的研究发现这反过来又提高了学校成绩并促进了科学发展学位成就（Renninger & Hidi，2011；Wigfield & Cambria，2010；Tai 等人，2006）。 对于高中生来说，机器人技术已被用来支持大学准备和技术职业技能（Boakes，2019；Ziaeeefard 等人，2017；Vela 等人，2020）。
美国国家科学技术委员会 STEM 教育委员会在 2018 年提出了一份报告，概述了跨学科 STEM 教育的联邦战略：“STEM 教育本身的特征已经从一组重叠的学科演变为一种更加综合和跨学科的方法，以促进跨学科 STEM 教育的发展。”学习和技能发展。 这种新方法包括通过现实世界的应用来教授学术概念，并将学校、社区和工作场所的正式和非正式学习结合起来。” 教育机器人不应作为一个独立的主题来教授，而应充分利用跨学科的课程方法。 研究人员发现，将机器人技术纳入现有学校课程有一系列好处，从 STEM 知识的开发和应用，到计算思维和解决问题的技能，再到社交和团队合作技能（Altin & Pedaste，2013 年；Bers 等人， 2014；Kandlhofer & Steinbauer，2015；泰勒，2016）。 Benitti（2012）发现，大多数机器人课程都作为自己的学科来教授，这使得教师更难以将其融入课堂。 这项研究的目标之一是使用机器人课程评估学生对 STEM 主题的态度，该课程将机器人构建和编程与符合标准的数学、科学和工程内容相结合。
引入教育机器人技术对年轻学生特别有帮助，他们早在四年级就开始对 STEM 科目形成消极态度（Unfried 等，2014）。 年轻学生受益于整合的学习环境，并通过早期的成功经验对 STEM 科目形成更积极的态度（McClure 等，2017）。 切尔尼亚克等人。 （2019）发现向小学生介绍机器人技术有助于培养探究和解决问题的能力。 Ching 等人的一项研究中。 （2019），高年级小学生在课外项目中学习了综合 STEM 机器人课程。 使用调查工具（星期五教育创新研究所，2012），在项目前后测量了学生对数学、科学和工程的态度。 结果显示，只有数学结构显着增加。 清等人。确定这些结果与非正式学习环境和短期（一周）试点项目的其他研究一致（Conrad 等人，2018 年；Leonard 等人，2016 年）。 清等人。还指出了可能影响其他科目无效结果的其他困难：学生们努力建造机器人，需要长达四节 90 分钟的课程才能完成。 据报道，在其他研究中，理解构建指令和构建机器人是高年级学生面临的挑战（Kopcha 等人，2017），研究人员指出，对各种机器人组件的深入理解对于机器人构建来说是必要的（Slangen）等人，2011）。 清等人。 (2019) 指出，“未来，当学习目标涉及构建原创且功能性的机器人时，强烈建议学生在开始之前对机器人的各个组件有深入的了解”p. 11。 598. 这些见解清楚地表明，对于幼儿来说，尽早获得 STEM 学习的成功经验尤为重要，而使用易于学习和构建的机器人套件是实施机器人课程的重要组成部分，以便所有学生都能取得成功。
在这项研究中，我们调查了作为教学日一部分提供的跨学科机器人课程如何影响学生对 STEM 科目的态度。 研究问题是：
- 为期六周的跨学科机器人课程如何影响学生对 STEM 科目的态度？
- 当学生学习机器人课程时，观察到了哪些可感知的好处或学习？
持续研究机器人技术如何使高年级小学生受益，对于提高学生对 STEM 的认知并有望提高参与度和成果变得越来越重要。 在这项研究中，我们旨在通过调查以下内容为研究做出贡献：
- 三至五年级的学生
- 机器人课程融入教学日并在六周内完成
- 符合 STEM 标准的跨学科机器人课程
- 专为小学生设计的机器人套件
方法
这项研究是在宾夕法尼亚州西部的一个公立学区进行的，共有 104 名学生，分布于三个年级。 开发和教授机器人课程的老师担任学区的基础技术集成员，并轮流照顾学生。 这项研究包括定量和定性数据。 学生们回答了调查问题，以实证评估他们在机器人课程前后对 STEM 主题的态度。 此外，老师还写了一本日记，记录了学生在 STEM 实验室和完成的活动期间的行为和学习的笔记和反思。
预调查. 为了评估学生对 STEM 主题的看法，学生完成了学生对 STEM 的态度调查 - 高年级小学生（星期五教育创新研究所，2012 年）。 为了帮助学生更轻松地完成这个过程，老师以表格形式重新创建了调查项目，并删除了她认为在回答时会导致学生困惑的中性选项。
描述研究项目的信件和同意书已与学生一起寄回家供家长审查。 为了参与这项研究，学生必须返回一份签署的同意书。 该调查工具已打印并分发给现场课堂上的学生。 提交同意书的学生参加了调查，而没有提交同意书的学生则在此期间接受了另一项活动。 向学生大声朗读这些说明，并根据要求定义了一些术语。 这些调查是由三年级、四年级和五年级学生在同一周的周一至周三进行的。
在进行第一项调查时，学生们已经使用“构建简介”实验室向学生介绍了机器人套件，并学习了构建宇航员角色的课程。 其他 STEM 实验室尚未建成，而且由于 COVID-19 大流行，学生在过去一年半中没有接受机器人课程。 这提供了一个机会来评估学生对 STEM 主题的感受，而无需最近的 STEM 课程经验来影响他们的反应。
老师指出，不同年级的学生对调查的反应不同。 五年级的学生很快就完成了调查，而且问题很少。 四年级的学生询问了许多术语的定义。 三年级学生在术语方面面临的挑战最多，并且完成调查所需的时间最长。
STEM 学习课程与机器人． 基础技术集成教师收集了许多机器人和编程工具供学区使用，但选择使用 VEX GO 机器人实施为期六周的课程，用于他们在课程结束时能够上的计算思维和计算机科学课程。 2021 学年。 VEX GO 机器人是一套塑料部件，可供小学生操作，小学生的精细运动要求与高年级学生不同。 该套件采用颜色编码，可帮助学生了解零件的尺寸，并按类型进行组织：梁、角梁、板、齿轮、滑轮、连接器、支座和销。 老师使用一个教室包（十个套件）来为她所教的三年级、四年级和五年级的所有部分提供服务。 从课堂实施的角度来看，共享机器人套件意味着学生必须能够在一个课时内完成课程并收起他们的机器人，以便其他班级稍后可以使用它们。 老师还必须能够全天针对不同年级的不同教室。
每个年级都完成了六周的机器人 STEM 实验室。 由于新冠肺炎 (COVID-19) 带来的非典型学习情况，学生们在 10 天的时间内轮换 3 次面授课程。 并非所有学生被见到的次数完全相同，具体取决于他们的日程安排和外部因素。 老师通过差异化来解决这个问题：“考虑到这一点，我试图真正为每个教室寻找差异化。 我不想在每个年级都投入那么多课程，而是真正深入挖掘课程以加深理解。” 五年级的学生最少见。 老师指出，在小学生涯即将结束时教五年级学生很困难，因为他们在毕业前几周安排了很多活动。
虽然所有学生都在这六周内完成了一套 VEX GO 机器人 STEM 实验室和活动，但课程由教师自行决定，以适应不同年龄学生的能力。 例如，所有学生都从建筑 STEM 实验室简介开始学习机器人课程，因为该实验室介绍了机器人套件。 所有学生还完成了 Look Alike STEM 实验室，该实验室教授如何将特征从父母兔子遗传到小兔子。 每个年级随后完成一组不同的实验和活动：
- 三年级：建筑入门、外观相似、有趣的青蛙（2 课）、适应爪、VEX GO 活动：月球车、Pin Game、Engineer It & Build It、模仿、栖息地、生物创建和免费构建时间
- 四年级：搭建入门、简单机器单元（4 课）、相似、适应爪、VEX GO 活动：月球车、Pin 游戏和免费搭建时间
- 五年级：建筑入门、外观相似、有趣的青蛙（2 课）、适应爪、VEX GO 活动：月球车、Pin Game、Engineer It & Build It、模仿、栖息地、生物创建和免费构建时间
STEM 实验室是结构化活动，引导学生完成跨学科、符合标准的课程，为机器人构建、课堂讨论、实验和迭代改进提供背景。 实验室的组织方式包括参与、玩耍和分享部分，指导学生完成课程。 活动比 STEM 实验室更短，主题和结构也更广泛，通常提供开放式挑战和更少的说明。
调查后. 课程完成后，即学年结束时，学生以与预调查相同的方式接受后调查。 收集完后调查后，老师匿名并记录数据以准备分析。
数据分析． 调查项目将采用规定的定量方法进行评估。 对答案选择进行评分（1 = 非常不同意，2 = 不同意，3 = 同意，4 = 非常同意），并且在需要时对特定项目进行反向编码。 对每个等级的每个构建体的调查前和调查后均值进行配对 t 检验。 使用主题分析对教师日记进行评估，揭示了对学生学习感知以及课程设计/需求的见解。
结果
三年级。 三年级调查前和调查后的结果（表 1）显示每个调查领域的平均分数有所增加。 使用双尾 t 检验比较每个构建体的前和后均值，所有结果均显着 (p < 0.001)。 平均增幅最小的是 21 世纪技能态度构建，这表明学生与最初对这些项目的同意仅略有不同。 学生在调查前的数学态度构建中的平均得分最低，平均得分为 2.27，但在调查后，该平均构建得分会增加 0.25。 科学和工程结构的平均增幅均超过 0.6，表明学生在课程结束后对增加选择更有信心。 科学构建预调查平均值为 2.8 至 3.44，表明学生最初是不同意和同意的混合体（2 和 3），但后来变成了同意和强烈同意的混合体（3 和 4）。
表格1。 三年级调查前和调查后配对 t 检验结果 (n = 39)。
| 一对 | 多变的 | 意思是 | t | Sig（2尾） |
| 对 1 | 数学预科 | 2.2664 | -8.775 | 0.000 |
| 数学后 | 2.5197 | |||
| 对 2 | 科学预科 | 2.7982 | -21.255 | 0.000 |
| 后科学 | 3.4415 | |||
| 对 3 | 预工程 | 3.1228 | -26.504 | 0.000 |
| 后期工程 | 3.7281 | |||
| 对 4 | 21世纪前的技能 | 3.0000 | -3.894 | 0.000 |
| 后21世纪技能 | 3.0906 |
四年级. 表 2 显示，四年级学生在所有结构上的平均分数均有所增加，而且均显着增加 (p < 0.001)。 然而，增幅小于三年级学生的增幅（平均变化通常小于 0.3），这表明与年轻学生相比，改变反应的学生较少。 与三年级学生一样，数学结构在调查前和调查后均值最低，而 21 世纪技能的平均分增幅最小。 值得注意的是，这些学生的工程建设增幅最大。
表 2. 四年级调查前和调查后配对 t 检验结果 (n = 34)。
| 一对 | 多变的 | 意思是 | t | Sig（2尾） |
| 对 1 | 数学预科 | 2.0871 | -7.136 | 0.000 |
| 数学后 | 2.2652 | |||
| 对 2 | 科学预科 | 2.9125 | -7.124 | 0.000 |
| 后科学 | 3.1987 | |||
| 对 3 | 预工程 | 3.0673 | -8.151 | 0.000 |
| 后期工程 | 3.3030 | |||
| 对 4 | 21世纪前的技能 | 3.6498 | -4.629 | 0.000 |
| 后21世纪技能 | 3.7003 |
五年级. 五年级学生的构建分数显示出与三四年级学生不同的趋势（表 3）。 该组在工程结构上的平均得分是唯一下降的，尽管这在统计上并不显着，并且由于平均得分本身较高，所以没有任何问题。 从调查前到调查后，数学、科学和 21 世纪技能的平均构建分数都有较小程度的增加，并且显着性较小（数学和科学的 p < 0.01，21 世纪的 p < 0.05）。世纪技能）。
表3。 五年级调查前和调查后配对 t 检验结果 (n = 31)。
| 一对 | 多变的 | 意思是 | t | Sig（2尾） |
| 对 1 | 数学预科 | 2.8167 | -3.427 | 0.002 |
| 数学后 | 2.9042 | |||
| 对 2 | 科学预科 | 3.2333 | -3.751 | 0.001 |
| 后科学 | 3.3111 | |||
| 对 3 | 预工程 | 3.4259 | 0.810 | 0.425 |
| 后期工程 | 3.3370 | |||
| 对 4 | 21世纪前的技能 | 3.8296 | -2.350 | 0.026 |
| 后21世纪技能 | 3.8741 |
讨论
学生态度． 这四种构建体的结果显示出一些令人惊讶的结果。 预调查中，五年级学生在所有结构上的平均得分均高于三年级学生。 文献调查结果表明，人们对 STEM 的态度随着时间的推移而下降。 这些发现是否否定了这一点？ 不必要。 学年结束的性质意味着五年级学生参加毕业前的各种活动的次数减少了，而且课程减少可能减少了今年此时对他们态度的影响。 老师还指出，每个年龄段对调查项目的反应不同。 三年级学生提出了很多问题，回答也普遍热情，而五年级学生则很快完成了调查，问题很少。 孩子们的年龄可能会影响他们在解释问题和提供答案时的细微差别。 例如，年龄较小的学生对“同意”和“强烈同意”的评价可能与年龄较大的学生不同。 老师在她的笔记中添加了一条专门针对五年级学生的评论，并想知道他们是否带着期待或试图取悦她来回答调查项目。 随着年龄较大的小学生越来越适应期望，他们的自然反应可能会因此而改变。
从结果中可以清楚地看出，VEX GO 机器人课程在每个年龄段的差异。 三年级学生在所有领域（数学、科学、工程）的平均分数都有大幅提高。 虽然四年级学生的平均分数没有三年级学生那么大，但他们在领域结构上的平均分数仍然持续提高了十分之几。 然而，五年级学生是唯一在任何结构和显着性值均小于 p < 0.001 方面没有显着变化的学生。 不同年级学生之间的普遍差异表明，机器人课程对低年级学生的态度影响比高年级学生更大，凸显了尽早开始机器人课程的重要性。
感知学习． 教师的日记记录了每组学生所做的实验和活动，以及学生在课程中的许多观察。 虽然调查工具能够识别学生的态度，但对日记条目的主题分析确定了与研究文献一致的感知学习的几个主题。
创造力. 该期刊的一个主题是学生的创造力。 对于三年级学生来说，创造力被大量提及，但在所有三个年级中，创造力都被明确地提到了学生如何参与简单机器、外观相似、生物创造和青蛙生命周期。 老师指出：“三年级的人非常兴奋能造出一只青蛙。 这个年级希望尽可能发挥创造力，建立一个栖息地确实可以让孩子们再次发挥这些技能。” 虽然学习材料有很多目标，但激发学生的创造力是一个有价值的成果，可以带来许多其他优势。
参与度. 提供具有有趣和真实主题的结构化实验室可以激发学生的创造力，从而有助于提高参与度。 从建筑简介实验室开始，老师指出学生们不想停止工作。 与“相似实验室”类似，她发现“课堂真的很难结束。 我发现学生们想要不断地为他们的动物添加更多迭代…我发现孩子们不想清理，而是继续添加他们的创作。” 尽管三年级的学生被认为是最热情的，但她描述了即使是五年级的学生也非常热衷于他们的简单机器实验室：“我发现所有学生都很难想把碎片收起来。 我们只是玩得太开心了！”
团队合作. VEX GO STEM 实验室旨在以团队形式完成，为学生分配特定的角色和任务。 三年级学生开始学习适应爪，老师观察到，“学生们也很高兴分成小组，这样他们就可以一起工作，每个人都有自己的工作。” 对于四年级学生，她同样指出角色如何帮助学生融入小组并快速上手。 她还指出，学生们开始选择合作开展开放式活动，例如建造栖息地或建造月球车。
老师还注意到学生自发地在课堂上一起工作的几个例子。 一些学生用他们的机器人探索新事物，当他们“发现”新东西时，其他学生就会跑过去看看，然后自己尝试。 从“选择板”中选择一项有趣的活动的学生通常会与其他学生分享，其他学生会切换到该活动。 无论是小组合作还是单独合作，学生们都渴望分享和互相帮助。
坚持。 并非所有活动对学生来说都是容易的。 三年级学生在完成建筑入门实验室之后，首先完成了适应爪实验室。 老师发现实验室一开始就有点先进，因此将其移到课程顺序的后面。 无论他们是否完成了活动，小组都会坚持到最后。
我发现这是关于挫折的一个很好的教训，让我明白失败只是学习的一部分。 我让每个小组描述什么有效，什么无效。 我发现很多团体在听到一些相同的问题后就真正理解了彼此。
所使用的一些活动也被设计为开放式的，给学生带来需要克服的挑战。 学生们的任务是建造能够抵御地震的房屋，但没有提供建造说明。 虽然其中存在一些挫败感，但学生们利用了这一点并坚持迭代改进循环：
学生们非常喜欢这个挑战！ 我发现学生团体在尝试“地震”后意识到了自己的错误，并能够根据有效和无效的方法重新装修他们的房子。 我非常惊讶的是，当团队解决了一个令人沮丧但又充满成就感的挑战时，团队却如此高兴和兴奋。
课程. 这位教师的日记还揭示了许多关于机器人课程中差异化重要性的见解。 每组学生都完成了构建 STEM 实验室简介，其中介绍了 VEX GO 套件及其中的所有部件。 所有学生还完成了 Look Alike STEM 实验室，该实验室通过让学生制作具有不同特征的父母和小兔子来教授他们有关特征的知识。 虽然有些实验是按年级完成的，但按年龄组也有差异。 四年级和五年级学生完成了简单机器实验室单元，三年级学生完成了趣味青蛙实验室。 三年级学生也比高年级学生完成了更多的独立活动，因为老师指出这些活动有利于低年级学生的技能。 当小组提早完成实验时，老师还为年龄较大的学生提供了这些活动——当小组以不同的速度工作时，这是课堂上让学生保持忙碌的必要条件。 实验室和活动差异化的多种选择对于在课堂上成功实施机器人项目来说是宝贵的课程资产。
据这位教师的日记称，跨学科实验室也是一个好处。 三年级的学生对科学主题实验室感到兴奋，他们可以在那里建造和进化动物及其栖息地。 三年级学生完成的第一个动物实验室是“相似实验室”，在那里他们能够创造兔子并传承特征。 老师注意到学生们非常喜欢制作动物并想要探索不同的变化。 这使得老师在下一课中选择了一项名为“生物创造”的活动，以扩展学生的建筑创造力。 当学生们在 Fun Frogs 实验室工作时，她注意到学生们是多么兴奋和富有创造力，而且技能培养的准入门槛低也是一个额外的好处。
孩子们喜欢制作和学习青蛙周期。 我看到孩子们获得了教科书上学到的科学主题的实践经验。 我和三年级老师谈过，希望明年能在她教授栖息地时进行更多合作，尝试教授这一点。
四年级学生完成了简单机器实验室单元。 老师注意到学生们非常热情，因为他们了解其他班级的简单机器知识。 他们询问工程师如何使用简单的机器，并给予时间进行研究。 老师指出：
四年级以科学中的简单机器为中心，因此这个 STEM 实验室非常适合这个年级。 当我说我们要制作杠杆时，我发现孩子的脸亮了起来。 这些学生中的大多数都完成了工作表，但没有进行实际调查。 我告诉科学老师，我们明年将进行更多合作，这样我就可以在她教简单机器的时候教这个 STEM 实验室。
五年级学生也完成了简单机器实验室单元，但他们的年龄和经验表明他们与四年级学生的参与方式不同。 老师注意到这组学生很早就完成了任务，并利用“选择板”活动进行了自己的探索。
五年级需要令人兴奋和引人入胜的活动 - 而这个 STEM 实验室正好满足这个要求。 我发现学生们想要趴在地板上尝试如何使用杠杆举起不同的重量。 我还发现，与四年级不同，这些学生拥有背景知识，通过增加权重并为 STEM 实验室提供真实的学习体验，将 STEM 实验室提升到一个新的水平。
每个年级的学生都受益于机器人课程中的跨学科方法。 能够将机器人技术与科学、数学或工程联系起来不仅有助于吸引学生，还为他们更深入地探索概念奠定了基础。 教师笔记指出了机器人课程可以与其他学科教授的课程合并或同步的几个领域，这可能是以真实的方式整合跨学科机器人技术的有价值的下一步。
结论
随着教育机器人在全国各地教室中的使用不断增加，研究机器人如何使学生受益以及从机器人课程教学实践中汲取的经验教训至关重要。 这项研究表明，机器人课程改善了所有年级学生对几乎所有 STEM 科目的态度。 此外，老师还认为学生在创造力、参与度、团队合作和毅力等方面有额外的学习类别。
为了继续探索教育机器人如何在真实课堂上对学生最有利，我们必须继续直接向实施课程的老师学习。 回顾整个经历，老师给出了她的总体要点：
我发现，如果孩子们想学更多，我们就学得更多。 我希望这是一件令人愉快的事情，而且每个教室都完全不同（这很正常）。 一些学生想要更多地了解如何建造其他人想要脱离并创造自己的怪物或生物的地方。 我发现三年级是如此忙碌——很难结束课程。 四年级学生非常兴奋地学习 STEM 课程，比如与他们自己的科学课程相关的简单机器。 五年级喜欢编码、构建和了解火星的挑战。 我认为最重要的是每个教室有时需要更多时间进行 STEM 实验室或更多时间进行探索，我给了他们这些时间。 我发现，当孩子们感到兴奋时，最好带着兴奋的心情奔跑并深入挖掘，而不是继续前进。
这项研究还为跨学科机器人课程的实施提供了有意义的见解。 作为一个为期六周的项目，学生能够完成许多不同的实验和活动。 这表明课程的长度可以合理地影响其在改变学生 STEM 态度方面的成功程度。 课程支架和差异化也是课程成功的关键。 老师发现不同年龄段的学生有不同的技能和需求，她可以轻松地调整每个年级的课程计划。 VEX GO 机器人套件本身也非常适合学生的需求。 学生能够轻松地遵循说明、构建零件并了解零件的工作和连接方式。 学生可以在一个班级内完成构建和实验，并有时间进行清理，这是在正常上课时间的限制下使机器人课程发挥作用的必要条件。 专为小学年龄段设计的机器人套件和完整的跨学科课程对于在真实课堂上使用机器人进行教学和学习都至关重要。