抽象的
教育机器人让学生采用集成的 STEM 方法，帮助学生理解 STEM 概念，并从小提高对 STEM 学科的积极看法。 当 COVID-19 大流行爆发时，面对面教室中的物理机器人变得不可能。 虚拟机器人程序很快被开发出来，可以与熟悉的编码平台一起运行，为学生和教师提供可以在任何地方使用的替代机器人解决方案。 在本文中，全球超过一百万学生的使用数据将与两个教师案例研究一起进行解释。 这种数据组合提供了对虚拟机器人作为学习工具和教学资源的深入了解。 教师案例研究还揭示了一系列关键需求，这些需求有助于在这种不可预测的情况下进行教学。 最后，这些数据表明，虚拟机器人学习环境可以作为物理机器人的共生补充，帮助学生获得迭代编程的信心，增加对教育机器人的兴趣，并为教师提供高度灵活的教学选择。
关键词
虚拟机器人、教育机器人、教学机器人、COVID-19 解决方案、STEM 教育、计算机科学、编程
介绍
近年来，在国家报告和政策的推动下，机器人技术和计算机科学越来越多地融入美国中小学（幼儿园至 12 年级）。 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，每个人都拥有获得 STEM 主题的高质量教育。 国家科学技术委员会 STEM 教育委员会于 2018 年提出了一份报告，概述了 STEM 教育的联邦战略。 该报告指出，“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学习和技能发展方法。 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。 它旨在传授批判性思维和解决问题等技能，以及合作和适应能力等软技能。” 国家对 STEM 学习的关注伴随着教育环境中关于如何更好地将技术融入 STEM 主题课堂的研究和创新的增加。
机器人技术为学生提供了探索 STEM 概念的实践方法。 基本的 STEM 主题是中小学教育的重要主题，因为它们是高级大学和研究生学习以及提高劳动力技术技能的重要先决条件（STEM 学习委员会，2018 年）。 一项荟萃分析（Beniti，2012）表明，一般来说，教育机器人可以增加对特定 STEM 概念的学习。 许多年龄段的研究表明，机器人技术提高了学生对 STEM 科目的兴趣和积极看法（Nugent 等人，2010 年；Robinson，2005 年；Rogers & Portsmore，2004 年），这反过来又提高了学校成绩并进一步提高了科学学位成绩（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），而机器人技术已被引入小学生以培养探究和学习能力。解决问题的能力，并培养对 STEM 主题的积极看法（Cherniak 等人，2019；Ching 等人，2019）。 引入教育机器人技术对年轻学生特别有益，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）。
研究还表明，在教师职前教育中引入机器人技术可以提高教师的自我效能感、内容知识和计算思维技能（Jaipal-Jamani 和 Angeli，2017）。 虽然机器人技术的好处对教师和学生来说都是合乎逻辑的，但在正规教师教育中引入机器人技术仍然有限。 在许多国家，传统的教师教育侧重于科学和数学中基于学科的主题，导致大多数教师在工程和技术方面准备不足（Epstein 和 Miller，2011），并且对教授正式教师培训中未涵盖的 STEM 主题或在 STEM 之间建立联系缺乏信心学科（Nadelson 等，2013；Kelley & Knowles，2016）。 Bybee (2010) 指出，教师教育中 STEM 主题的这种局限性导致工程和技术的代表性不足，特别是在 K-8 教育中。 虽然将机器人技术纳入教师教育的好处是显而易见的（Jaipal-Jamani 和 Angeli，2017），但可以通过实践社区的持续专业发展和非正式学习来实现替代方案。 Bandura (1977) 表达了社会学习环境的关键方面，Lave 和 Wenger (1991) 从这个概念出发概述了实践社区 (CoP) 的概念。 对于 CoP，成员围绕某个领域的共同兴趣聚集在一起，发展社区，并分享研究和见解，以进一步提高技能和知识，从而开发实践（Lave & Wenger，1991）。 非正式学习和 CoP 可以代替正规教师教育中的机器人技术，为教师乃至学生提供类似的好处。
不幸的是，COVID-19 大流行对全球面对面学习造成了广泛的干扰，影响了全世界几乎所有学生（联合国，2020）。 实践学习体验被暂停，这是大多数机器人 STEM 课程的基础部分，包括 VEX 教育机器人系列使用的机器人课程。 需要远程学习解决方案来快速提供虚拟学习环境，该环境仍然可以帮助学生以真实、有意义的方式参与 STEM 主题。 VEX Robotics 很快创建了 VEXcode VR（以下简称“VR”），这是一个具有虚拟机器人的平台，可以以与物理机器人类似的方式使用。
本文将回顾 VR 平台收集的使用数据，以深入了解这个虚拟替代品在这场全球混乱期间的情况。 还将介绍两个案例研究，为教师如何在远程学习环境中实施 VR 提供背景。 本文的两个主要研究问题如下：
- 使用数据和教师案例研究可以揭示有关 COVID-19 爆发后学生使用 VR 学习的哪些见解？
- 教师可以就 VR 课堂实施提供哪些见解？
教育工作者尤其能感受到 COVID-19 造成的混乱。 几十年来为面对面学习设计的经验和课程立即被颠覆，但这种破坏也鼓励教育工作者尝试新的工具和教学方法。 从领导创新解决方案的教育工作者的角度了解所做的决定和取得的成果，可以深入了解如何结合新技术来加强学生在机器人技术和 STEM 学科方面的学习。
方法
VEXcode VR. 当美国的学校于 2020 年 3 月关闭时，需要一种解决方案来让学生在远程工作的同时参与机器人技术和 STEM 主题。 VR 于 2020 年 4 月 2 日开发并推出，距离大多数学校采用虚拟形式仅几周。 VR 活动的创建是为了与其他机器人课程保持一致，并提供符合内容标准的跨学科课程。 VEXcode VR 编码平台与学生通常在物理机器人上使用的编码环境相同，只是添加了虚拟界面，如图 1 所示。 学生们创建项目来控制主题“游乐场”中的虚拟机器人，以代替物理机器人，该主题“游乐场”会根据活动而变化。 初级编码学生使用基于块的编程，高级学生使用基于 Python 的文本。
图1。 用于珊瑚礁清理活动的 VEXcode VR 平台界面。
VR 活动是跨学科的，将控制虚拟机器人的基础计算机科学技能与科学或数学主题结合起来。 在这些 VR 活动的过程中，学生不仅学习编程，还学习科学探究、数学思维和技术素养——所有这些都是集成 STEM 框架的组成部分（Kelley & Knowles，2016）。 COVID-19 带来的独特情况要求学生能够在混合、同步或异步环境中独立完成课程。 为了实现这一目标，向学生介绍学习目标和活动的目标。 然后使用直接指令为序列学习提供逐步指令和有意的支架以促进理解（Stockard 等人，2018；Bowen RS，2017）。 然后，学生会收到有针对性的支架，以解决最终的编码挑战（Puntambekar 等，2010）。 学生学习机器人技术和编码用于解决实际的跨学科问题。 例如，在珊瑚礁清理活动中，学生们面临的挑战是在珊瑚礁周围驾驶机器人，在太阳能充电电池耗尽之前收集尽可能多的垃圾。 污染是一个全球性问题，将由明天的学生解决，参与这些真实的、基于场景的项目可以帮助学生跨学科应用计算机科学技能。
图 2. 珊瑚礁清理活动的任务背景。
考虑到学生与教师分开，虚拟环境需要尽可能无缝，以减少注意力分散和认知负荷（Sweller，2020；Sentz 等人，2019）。 学生可以将命令拖放到他们的项目中，并观看他们的机器人在同一窗口中导航 VR 游乐场。 学生可以一次添加任意数量的块，每次添加后运行项目，以查看他们的机器人在操场上的移动情况。 这为学生提供了即时反馈和早期的成功感。
此外，远程学习还带来了 VR 需要克服的实际障碍。 学校计算机通常对下载应用程序有限制，导致在大多数正常情况下添加程序都成为一个障碍，更不用说当学生远程使用学校计算机时。 但学生甚至可能无法使用学校计算机来完成作业。 为了最大限度地利用 VR，该程序完全基于网络（无需下载或插件），并且可以在许多不同类型的设备上运行，以增加学生使用它的可能性。
结果
使用数据. 所提供的数据由 Google Analytics 提供。 由于 VEXcode VR 完全基于浏览器，因此有许多不同的指标可以深入了解该虚拟机器人环境在全球的使用情况。 自 2020 年 4 月推出以来，VR 用户数量逐月增加，分布在 150 多个国家/地区的用户总数已超过 145 万。
图 3. 全球拥有 VR 用户的国家。
鉴于 COVID-19 和 VR 发布的时间表，我们还审查了一段时间内的使用情况。 如图 4 所示，发布后不久用户数量迅速上升，然后在学生放学的夏季月份中下降。 典型的返校月份（八月/九月）出现显着增加，并持续到学年剩余时间。 用户数量的周期性下降表明周末和节假日期间的使用量减少。
图 4. 自 VR 推出以来一段时间内的用户数量。
项目是学生为课程或挑战创建的程序。 不必保存项目即可运行，但会下载保存的项目以供用户稍后返回。 已保存节目超过252万个。 但是，项目不必保存即可运行。 由于 VR 完全基于浏览器，因此通过选择“开始”即可立即编辑项目并对其进行测试。 该软件已运行超过 8400 万次项目，这表明学生经常测试他们的项目。 由于这种即时反馈循环，与使用物理机器人相比，学生有机会以更快的速度进行实验和迭代。 这种迭代过程对于学生学习来说是一个很好的指示，因为多次迭代已被证明可以保持学生的参与度和兴趣（Silk 等，2010）。
| VEXcode VR 数据 | |
| 用户 | 1,457,248 |
| 已保存的项目 | 2,529,049 |
| 运行项目 | 84,096,608 |
| 国家 | 151 |
表格1。 2020 年 4 月至 2021 年 4 月的所有 VEXcode VR 使用数据。
认证资料． 除了 VR 程序本身及其配套课程之外，VR 还包括名为 CS 的免费教师培训，带有 VEXcode VR 教育者认证课程。 自 2020 年 6 月推出以来，已有超过 550 名教育工作者完成了认证，其中包含超过 17 个小时的课程和支持，成为 VEX 认证教育工作者。 该认证课程包含 10 个单元的材料，旨在帮助没有计算机科学或机器人技术经验的教师做好准备。 内容涵盖编程基础知识、如何对 VR 机器人进行编码、如何通过 VR 活动进行教学以及如何在课堂上实施 VR 等主题。 图 5 显示了 2020 年 6 月至 2021 年 3 月期间每月和累计获得认证的教育工作者数量。 数据趋势显示，在返校期间（包括 2020 年 8 月、9 月以及 10 月），获得认证的教育工作者数量有所增加。
案例研究1
艾梅·德福 (Aimee DeFoe) 是肯塔基大街学校 (Kentucky Avenue School) 的校长，这是美国匹兹堡的一所小型私立学校，结合了传统和创新的教学方法。 与大多数学校一样，肯塔基大道学校也受到了 COVID-19 的干扰，必须为 2020 年秋季学年开始确定替代计划，但不知道情况会如何变化。 今年的前六周完全是虚拟教学，剩下的一年以混合形式进行，学生群体交替进行面对面和远程教学。 即使学生在家学习，学生继续参与与课堂环境相同的问题解决和批判性思维活动也至关重要。
Aimee 选择与她的六年级和七年级学生一起使用 VR 有几个原因。 由于 VR 是一个完全虚拟的学习环境，学生将能够在家庭和学校之间切换，而不会影响他们的学习活动的政策变化。 基于块的编码环境对于刚接触编码的学生来说不会令人生畏，并且有针对不同经验水平设计的活动。 她还相信学生会发现 VR 机器人令人兴奋和激励——她发现这是事实。 在反思她希望学生从 VR 中获得什么时，Aimee 表示：
我希望使用 VR 能够像使用物理机器人一样严格、具有挑战性和令人兴奋，并且我的学生不会觉得他们错过了一种体验，而是获得了一种新的编码体验，这种体验只是一样令人兴奋。 我希望他们能够感受到与在课堂上一样的成就感，当他们必须重申并坚持克服挑战，最终取得成功时。
作为唯一的机器人老师，Aimee 从开学到寒假期间每周给 23 名学生授课一次，共计 15 节课。 学生们从“计算机科学一级 - 模块”课程开始。 艾米与学生一起完成第一个单元，但在剩下的课程中，让学生按照自己的节奏学习并充当协调人。 大多数学生完成了七到九个单元，并进行了额外的海洋清理活动。
Aimee 发现学生们对课程中的挑战非常有动力；以至于有时很难让他们系统地完成课程。 一些在注意力或阅读方面有困难的学生需要额外的支持，并且大于/小于和布尔概念具有挑战性。 然而，大多数学生都经历了一定程度的挑战、奋斗和成功。 回到课堂后，学生们对与物理机器人一起工作的想法感到兴奋。 在使用 VR 后，Aimee 指出：“毫无疑问，每个人离开课堂时都成为了更加自信的程序员。”
案例研究2
马克·约翰斯顿 (Mark Johnston) 在美国埃尔帕索的贝莱尔中学 (Bel Air Middle School) 教七年级和八年级学生。 在他的 STEM 1 课程中，Mark 向大约 100 名学生教授有关自动化和机器人技术以及设计和建模的 Project Lead the Way Gateway 课程。 STEM 1 课程结合了 VEX IQ 机器人，通过 VEXcode IQ（面向低年级学生的塑料机器人套件）教授基本力学和基础编码。 这门课程是在秋季学期教授的，因此最初的 COVID-19 干扰并没有影响他在春季的机器人技术。 然而，2020 年 4 月，马克看到了 VEX VR 机器人并开始使用它。 “当我看到 VR 使用相同的设置（即 VEXcode）时，我非常兴奋，因为我看到了潜力 - 就像我知道的一块拼图将与我已经在做的事情完美契合。 当 VR 更新为包含 Python 时，我更加兴奋。” 马克为其他老师制作了教程视频，在社交媒体平台上吸引了大量追随者。 通过他自己的非营利教育公司，Mark 为学生提供免费的 VR 夏令营，以及为 2020/21 学年做准备的教师培训。
不确定的教学环境使得计划变得困难。 “当我意识到远程学习将持续到 2020/21 学年时，我决定先教设计，然后教机器人技术… ，但很多事情都悬而未决，很难计划任何事情。 我不知道我们是否会亲自回来或继续在线——当时几乎没有明确的信息。 我最终只是将机器人技术和设计混合在一起，并提前一两天进行计划。” Mark 在学年开始时开始使用 VR（直到 2021 年仍保持 100% 远程），从网站上选择不同的活动，效果很好，因为有不同的体验水平和可编辑的说明。 当计算机科学 1 级 - Blocks 课程发布时，他带领学生完整地学习了该课程，但他指出下次他会将课程提炼为更短的讲座。 使用 VR 本质上与面对面的机器人课程不同，但 Mark 对于这些课程仍然有一系列关键目标：
- 让学生熟悉 VEXcode
- 建立编程信心（自我效能）
- 以非威胁性的方式介绍编程思想/词汇
- “欺骗”他们在没有意识到的情况下使用数学；）
- 要求学生在给定约束的情况下解决明确定义的问题
- 引入不明确的问题
- 鼓励“失败后再试”的态度
- 保持解决问题的乐趣
虽然虚拟体验有所不同，但 Mark 发现使用 VR 具有明显的优势。 与 RobotC（另一种与其他机器人一起使用的编码语言）相比，学生们对使用 VR 进行实验的恐惧要小得多。 Mark 还通过衡量学生获得“胜利”所需的时间来确定 STEM 活动的好坏，并指出，“如果学生需要很长时间才能获得积极的结果，那么就很难留住他们已订婚的。”
VR 具有即时性，鼓励探索和积极参与。 Mark 通过向学生介绍 VR 的例子来描述这种类型的“胜利”：
我：“每个人都打开一个新选项卡并访问 vr.vex.com。 大家都看到网站了吗？ 好的。 现在让机器人向前行驶。”
学生：“怎么样？”
我：“看看你能否算出…”
学生：“我算出来了！”
然后他们就上瘾了！ 到那时，他们中的许多人都在问我如何做各种不同的事情。 他们实际上是在要求我教他们！
结果与讨论
VR 作为学习工具。 使用数据和案例研究都提供了对第一个研究问题的见解，即 VR 如何在 COVID-19 大流行期间作为学习工具发挥作用。 最简单的结论是使用量巨大。全球有超过 100 万学生使用 VR 平台，这表明虚拟机器人环境在危机情况下可以很好地替代面对面的学习。 考虑到个人用户数量时，运行项目的数量（84+ 百万）也是一个令人惊讶的发现。 平均而言，用户完成了 57 次项目运行，显示出高度的测试和迭代。 鉴于培养学生“尝试再尝试”态度的重要性，这是一个非常有希望的结果。 解决VR活动有多种可能的方法，这是学生学习的重要一课。 当学生了解问题有多种解决方案时，学生要求教师提供反馈的可能性就会增加，并且他们对所学内容有更高的理解（Marzano 等，2011）。
从案例研究中，也证实了 VR 是一种低风险的学习环境。 艾梅指出，她的学生是更加自信的程序员，并且期待与物理机器人一起工作。 Mark 注意到，学生们在 VEXcode VR 中编码时不再害怕实验，并且在这种环境中他们有一种即时的“胜利”感。 当我们将这些教师观察结果与原始使用数据结合起来时，似乎证实了虚拟机器人环境使学生在学习过程中更自由地进行实验和迭代，并总体上增加了对机器人技术的积极看法。
老师的教训。 当我们考虑第二个研究问题（即教师可以为课堂实施 VR 提供哪些见解）时，我们可以从案例研究中发现一些共性。 这两个案例研究都揭示了教师在 COVID-19 期间如何做出决策和实施解决方案的信息，以及在虚拟和混合环境中为学生提供有效学习解决方案所需的信息。 这些主题包括灵活的解决方案、连续性以及课程和支持。 这些发现应被视为所有技术解决方案的要求，因为支持教师支持学生。
考虑到教学条件的不确定性，马克和艾米都指出，他们需要灵活的解决方案。 远程学习可以改为面对面学习，或介于两者之间的某种形式。 VR 可以继续在任何环境中使用，但其方法也具有灵活性。 学生可以像马克在活动和课程中使用的那样，参与由教师主导的结构化课程，也可以像艾米描述的那样，按照自己的进度进行学生主导的学习。 教师还需要经验水平的灵活性，无论是在活动还是提供的编程语言类型方面，以满足所有学生的需求。
两个案例研究都表明学习的连续性非常重要。 Aimee 指出，在 VR 中工作后，学生们很高兴能与 VEX V5 机器人一起工作，这些机器人在面对面学习恢复时正在等待。 VR 是使用物理机器人的垫脚石，可以提高学生的兴奋度和积极的认知。 Mark 还指出，VEXcode 从 VR 到 IQ 的连续性对他来说非常重要：“我无法告诉你，VEX 有一个非常简单的学习过程，从三年级到大学都使用 VEXcode！ 借助 VR，他们可以在家开始学习！”
课程和支持显然对于 VR 在这种不断变化的教学中取得成功至关重要。 VR 单元提供了学生学习的所有内容以及授课所需的材料。 并非所有教师都具有计算机科学和编码背景。 艾梅指出，除了她的学生之外，基于区块的课程对她来说也并不令人生畏。 马克还表示，他不习惯教授那么多计算机科学，必须自己学习课程才能教学。 然而，马克承认，“如果明天一切恢复‘正常’，我现在就能够更有信心地教授课堂上的编程部分了。” 教师对 VR 课程和编程的支持对于 VR 在课堂上的实施至关重要。
数字学习不仅适合学生，也适合学生。教师们还通过技术和社交媒体来了解教学实践和资源。 近50个国家的教师完成了VR认证。 围绕 VR 的全球实践社区正在形成。 马克开始在社交媒体上发布 VR 视频，很快就拥有了一千多名粉丝；通过 VR 工作，他结识了斯洛文尼亚和台湾的老师。 当教师分享他们的经验和实践时，学生最终会从这些非正式的教师支持小组中受益。 实践社区可以在当前教育机器人技术的可用性和将该技术纳入正规教师教育之间架起一座桥梁。 随着越来越多的教师通过专业发展（例如完成认证课程的 550 多名教师）或通过非正式学习社区熟悉教育机器人技术，将会向更多学生介绍综合 STEM 学习。
结论
VEXcode VR 是在一个充满不确定性且急需立即解决方案的时代创建的。 紧急情况可以产生创新的解决方案。 VR 已覆盖 150 多个国家/地区的超过 145 万用户，他们保存了超过 252 万个项目并运行了超过 8400 万个项目。 尽管这一流行病已经影响了世界各地的学生和教师，但虚拟现实使学生和教师能够不受物理障碍的影响，接触机器人和计算机科学概念。 从教师案例研究中，灵活性、连续性、课程和支持等主题被认为对于在这种不确定和具有挑战性的环境下进行技术教学非常重要。
从这个前所未有的时代向前迈进，从 VR 的创建和实施中汲取的经验教训表明了其未来的使用途径。 使用数据与教师案例研究相结合表明，学生在虚拟环境中编码时感觉迭代的束缚减少了。 这表明 VR 可能是一种有价值的脚手架工具，可以与物理机器人结合使用。 灵活性的需要也支持了这一点；使用 VR 作为学习工具与物理机器人相结合可以提供最佳、灵活的机器人学习环境，其中简单的家庭选项可以补充面对面的物理机器人课程。 我们期待未来的研究来调查教师如何在大流行后的世界中将虚拟和物理机器人结合起来。
致谢
我们衷心感谢艾米·迪福和马克·约翰斯顿分享他们的教学经验和宝贵的见解。