抽象的
教育機器人技術有潛力成為 STEM 教育的基石，因為它能夠透過跨學科課程提供基於專案的實踐學習。 研究表明，學生對 STEM 學習的態度隨著他們在我們教育系統中的進步而下降；培養對 STEM 主題的正面態度對於小學生至關重要。 事實證明，將機器人課程與 STEM 科目相結合可以為學生帶來許多積極的學習益處，同時還可以提高學生對這些主題的看法。 在這項研究中，104 名三至五年級的學生參與了一個研究項目，旨在確定學生在接受六週的機器人課程後對 STEM 主題的看法是否會改變。 學生們接受了預先調查，以評估他們對數學、科學、工程和 21 世紀技能的態度。 然後，每個年級使用 VEX GO 機器人課堂捆綁包以及 VEX GO 課程 STEM 實驗室和活動完成機器人課程。 六週的課程結束後，學生們被提出了相同的調查後問題，以評估他們的態度是否改變了。 結果顯示，所有 STEM 科目的學生態度均顯著改善，創造力、參與度、團隊合作和毅力也明顯改善。
介紹
近年來，在國家報告和政策的推動下，機器人技術越來越多地融入美國各地的中小學。 2015年，美國國家科學基金會表示，獲取科學、技術、工程和數學（STEM）知識和技能對於美國人充分參與技術密集型全球經濟變得越來越重要，並且每個人都必須能夠獲得STEM 主題的高品質教育。 教育機器人技術不僅僅是教育科技中的流行趨勢，研究表明，它可以有效提高學生對 STEM 科目的認知以及學習成果。 一項統合分析（Beniti，2012）發現，總體而言，教育機器人技術增加了對特定 STEM 概念的學習。 針對不同年齡層的研究表明，機器人技術提高了學生對 STEM 科目的興趣和積極看法（Nugent 等人，2010 年；Robinson，2005 年；Rogers & Portsmore，2004 年），進一步的研究發現，這反過來又提高了學校成績並促進了科學發展學位成就（Renninger & Hidi，2011；Wigfield & Cambria，2010；Tai 等人，2006）。 對於高中生來說，機器人技術已被用來支持大學準備和技術職業技能（Boakes，2019；Ziaeeefard 等人，2017；Vela 等人，2020）。
美國國家科學技術委員會STEM 教育委員會在2018 年提出了一份報告，概述了跨學科STEM 教育的聯邦戰略：「STEM 教育本身的特徵已經從一組重疊的學科演變為一種更加綜合和跨學科的方法，以促進跨學科STEM 教育的發展。」學習和技能發展。 這種新方法包括透過現實世界的應用來教授學術概念，並將學校、社區和工作場所的正式和非正式學習結合起來。” 教育機器人不應作為一個獨立的主題來教授，而應充分利用跨學科的課程方法。 研究人員發現，將機器人技術納入現有學校課程有一系列好處，從 STEM 知識的開發和應用，到計算思維和解決問題的技能，再到社交和團隊合作技能（Altin & Pedaste，2013 年；Bers 等人，2014 年；Kandlhofer & Steinbauer，2015；泰勒，2016）。 Benitti（2012）發現，大多數機器人課程都以自己的學科來教授，這使得教師更難以將其融入課堂中。 這項研究的目標之一是使用機器人課程評估學生對 STEM 主題的態度，該課程將機器人構建和編程與符合標準的數學、科學和工程內容相結合。
引入教育機器人技術對年輕學生特別有幫助，他們早在四年級就開始對 STEM 科目形成負面態度（Unfried 等，2014）。 年輕學生受益於整合的學習環境，並透過早期的成功經驗對 STEM 科目形成更積極的態度（McClure 等，2017）。 切爾尼亞克等。 （2019）發現向小學生介紹機器人技術有助於培養探究和解決問題的能力。 Ching 等人的研究中。 （2019），高年級小學生在課外課程中學習了綜合 STEM 機器人課程。 使用調查工具（星期五教育創新研究所，2012），在專案前後測量了學生對數學、科學和工程的態度。 結果顯示，只有數學結構顯著增加。 清等人。確定這些結果與非正式學習環境和短期（一週）試點計畫的其他研究一致（Conrad 等人，2018 年；Leonard 等人，2016 年）。 清等人。也指出了可能影響其他科目無效結果的其他困難：學生們努力建造機器人，需要長達四節 90 分鐘的課程才能完成。 據報導，在其他研究中，理解構建指令和構建機器人是高年級學生面臨的挑戰（Kopcha 等人，2017），研究人員指出，對各種機器人組件的深入理解對於機器人構建來說是必要的（ Slangen）等人，2011）。 清等人。 (2019) 指出，「未來，當學習目標涉及建造原創且功能性的機器人時，強烈建議學生在開始之前對機器人的各個組件有深入的了解」p. 11。 598. 這些見解清楚地表明，對於幼兒來說，儘早獲得 STEM 學習的成功經驗尤其重要，而使用易於學習和建造的機器人套件是實施機器人課程的重要組成部分，以便所有學生都能取得成功。
在這項研究中，我們調查了作為教學日一部分提供的跨學科機器人課程如何影響學生對 STEM 科目的態度。 研究問題是：
- 為期六週的跨學科機器人課程如何影響學生對 STEM 科目的態度？
- 當學生學習機器人課程時，觀察到了哪些可感知的好處或學習？
持續研究機器人技術如何使高年級小學生受益，對於提高學生對 STEM 的認知並有望提高參與度和成果變得越來越重要。 在這項研究中，我們旨在透過調查以下內容為研究做出貢獻：
- 三至五年級的學生
- 機器人課程融入教學日並在六週內完成
- 符合 STEM 標準的跨學科機器人課程
- 專為小學生設計的機器人套件
方法
這項研究是在賓州西部的公立學區進行的，共有 104 名學生，分佈於三個年級。 開發和教授機器人課程的老師擔任學區的基礎技術集成員，並輪流照顧學生。 這項研究包括定量和定性數據。 學生們回答了調查問題，以實證評估他們在機器人課程前後對 STEM 主題的態度。 此外，老師還寫了一本日記，記錄了學生在 STEM 實驗室和完成的活動期間的行為和學習的筆記和反思。
預調查. 為了評估學生對 STEM 主題的看法，學生完成了學生對 STEM 的態度調查 - 高年級小學生（星期五教育創新研究所，2012 年）。 為了幫助學生更輕鬆地完成這個過程，老師以表格形式重新創建了調查項目，並刪除了她認為在回答時會導致學生困惑的中性選項。
描述研究項目的信件和同意書已與學生一起寄回家供家長審查。 為了參與這項研究，學生必須回傳一份簽署的同意書。 該調查工具已列印並分發給現場課堂上的學生。 提交同意書的學生參加了調查，而沒有提交同意書的學生則在此期間接受了另一項活動。 向學生大聲朗讀這些說明，並根據要求定義了一些術語。 這些調查是由三年級、四年級和五年級學生在同一週的週一至週三進行的。
在進行第一項調查時，學生們已經使用「建造簡介」實驗室向學生介紹了機器人套件，並學習了建造太空人角色的課程。 其他 STEM 實驗室尚未建成，而且由於 COVID-19 大流行，學生在過去一年半中沒有接受機器人課程。 這提供了一個機會來評估學生對 STEM 主題的感受，而無需最近的 STEM 課程經驗來影響他們的反應。
老師指出，不同年級的學生對調查的反應不同。 五年級的學生很快就完成了調查，而且問題很少。 四年級的學生詢問了許多術語的定義。 三年級學生在術語方面面臨的挑戰最多，並且完成調查所需的時間最長。
STEM 學習課程與機器人. 基礎技術整合教師收集了許多機器人和程式設計工具供學區使用，但選擇使用 VEX GO 機器人實施為期六週的課程，用於他們在課程結束時能夠上的計算思維和計算機科學課程。2021 學年。 VEX GO 機器人是一套塑膠零件，可供小學生操作，小學生的精細動作要求與高年級學生不同。 該套件採用顏色編碼，可幫助學生了解零件的尺寸，並按類型進行組織：梁、角梁、板、齒輪、滑輪、連接器、支座和銷。 老師使用一個教室包（十個套件）來為她所教的三年級、四年級和五年級的所有部分提供服務。 從課堂實施的角度來看，共享機器人套件意味著學生必須能夠在一個課程中完成課程並收起他們的機器人，以便其他班級稍後可以使用它們。 老師也必須能夠全天針對不同年級的不同教室。
每個年級都完成了六週的機器人 STEM 實驗室。 由於新冠肺炎 (COVID-19) 帶來的非典型學習情況，學生們在 10 天的時間內輪換 3 次面授課程。 並非所有學生被見到的次數完全相同，取決於他們的日程安排和外部因素。 老師透過差異化來解決這個問題：「考慮到這一點，我試著真正為每個教室尋找差異化。 我不想在每個年級都投入那麼多課程，而是真正深入挖掘課程以加深理解。” 五年級的學生最少見。 老師指出，在小學生涯即將結束時教導五年級學生很困難，因為他們在畢業前幾週安排了許多活動。
雖然所有學生都在這六週內完成了一套 VEX GO 機器人 STEM 實驗室和活動，但課程由教師自行決定，以適應不同年齡學生的能力。 例如，所有學生都從建築 STEM 實驗室簡介開始學習機器人課程，因為實驗室介紹了機器人套件。 所有學生還完成了“Look Alike STEM Lab”，該實驗室教授如何將特徵從父母兔子遺傳到小兔子。 每個年級隨後完成一組不同的實驗和活動：
- 三年級：建築入門、外觀相似、有趣的青蛙（2 課）、適應爪、VEX GO 活動：月球車、Pin Game、Engineer It & Build It、模仿、棲息地、生物創建和免費構建時間
- 四年級：建造入門、簡單機器單元（4 課）、相似、適應爪、VEX GO 活動：月球車、Pin 遊戲和免費建造時間
- 五年級：建築入門、外觀相似、有趣的青蛙（2 課）、適應爪、VEX GO 活動：月球車、Pin Game、Engineer It & Build It、模仿、棲息地、生物創建和免費構建時間
STEM 實驗室是結構化活動，引導學生完成跨學科、符合標準的課程，為機器人建構、課堂討論、實驗和迭代改進提供背景。 實驗室的組織方式包括參與、玩耍和分享部分，指導學生完成課程。 活動比 STEM 實驗室更短，主題和結構也更廣泛，通常提供開放式挑戰和更少的說明。
調查後. 課程完成後，即學年結束時，學生以與預調查相同的方式接受後調查。 收集完後調查後，老師匿名並記錄數據以準備分析。
數據分析． 調查項目將採用規定的定量方法進行評估。 對答案選擇進行評分（1 = 非常不同意，2 = 不同意，3 = 同意，4 = 非常同意），並且在需要時對特定項目進行反向編碼。 對每個等級的每個構建體的調查前和調查後平均值進行配對 t 檢定。 使用主題分析對教師日記進行評估，揭示了對學生學習感知以及課程設計/需求的見解。
結果
三年級。 三年級調查前和調查後的結果（表 1）顯示每個調查領域的平均分數增加。 使用雙尾 t 檢定比較每個構建體的前和後平均值，所有結果均顯著 (p < 0.001)。 平均增幅最小的是 21 世紀技能態度構建，這表明學生與最初對這些項目的同意僅略有不同。 學生在調查前的數學態度建構中的平均得分最低，平均得分為 2.27，但在調查後，該平均構建得分會增加 0.25。 科學和工程結構的平均增幅均超過 0.6，顯示學生在課程結束後對增加選擇更有信心。 科學建構預調查平均值為 2.8 至 3.44，顯示學生最初是不同意和同意的混合體（2 和 3），但後來變成了同意和強烈同意的混合體（3 和 4）。
表格1。 三年級調查前和調查後配對 t 檢定結果 (n = 39)。
| 一對 | 多變的 | 意思是 | t | Sig（2尾） |
| 對 1 | 數學預科 | 2.2664 | -8.775 | 0.000 |
| 數學後 | 2.5197 | |||
| 對 2 | 科學預科 | 2.7982 | -21.255 | 0.000 |
| 後科學 | 3.4415 | |||
| 對 3 | 預工程 | 3.1228 | -26.504 | 0.000 |
| 後期工程 | 3.7281 | |||
| 對 4 | 21世紀前的技能 | 3.0000 | -3.894 | 0.000 |
| 後21世紀技能 | 3.0906 |
四年級. 表 2 顯示，四年級學生在所有結構上的平均分數均有所增加，且均顯著增加 (p < 0.001)。 然而，增幅小於三年級學生的增幅（平均變化通常小於 0.3），這表明與年輕學生相比，改變反應的學生較少。 與三年級學生一樣，數學結構在調查前和調查後平均值最低，而 21 世紀技能的平均分數增加最小。 值得注意的是，這些學生的工程建設增幅最大。
表 2. 四年級調查前和調查後配對 t 檢定結果 (n = 34)。
| 一對 | 多變的 | 意思是 | t | Sig（2尾） |
| 對 1 | 數學預科 | 2.0871 | -7.136 | 0.000 |
| 數學後 | 2.2652 | |||
| 對 2 | 科學預科 | 2.9125 | -7.124 | 0.000 |
| 後科學 | 3.1987 | |||
| 對 3 | 預工程 | 3.0673 | -8.151 | 0.000 |
| 後期工程 | 3.3030 | |||
| 對 4 | 21世紀前的技能 | 3.6498 | -4.629 | 0.000 |
| 後21世紀技能 | 3.7003 |
五年級. 五年級學生的建構分數顯示出與三、四年級學生不同的趨勢（表 3）。 該組在工程結構上的平均得分是唯一下降的，儘管這在統計上並不顯著，並且由於平均得分本身較高，所以沒有任何問題。 從調查前到調查後，數學、科學和 21 世紀技能的平均建構分數都有較小程度的增加，且顯著性較小（數學和科學的 p < 0.01，21 世紀的 p < 0.05）。世紀技能）。
表3。 五年級調查前和調查後配對 t 檢定結果 (n = 31)。
| 一對 | 多變的 | 意思是 | t | Sig（2尾） |
| 對 1 | 數學預科 | 2.8167 | -3.427 | 0.002 |
| 數學後 | 2.9042 | |||
| 對 2 | 科學預科 | 3.2333 | -3.751 | 0.001 |
| 後科學 | 3.3111 | |||
| 對 3 | 預工程 | 3.4259 | 0.810 | 0.425 |
| 後期工程 | 3.3370 | |||
| 對 4 | 21世紀前的技能 | 3.8296 | -2.350 | 0.026 |
| 後21世紀技能 | 3.8741 |
討論
學生態度． 這四種構建體的結果顯示出一些令人驚訝的結果。 在預調查中，五年級學生在所有結構上的平均得分均高於三年級學生。 文獻調查結果表明，人們對 STEM 的態度隨著時間的推移而下降。 這些發現是否否定了這一點？ 不必要。 學年結束的性質意味著五年級學生參加畢業前的各種活動的次數減少了，而且課程減少可能減少了今年此時對他們態度的影響。 老師也指出，每個年齡層對調查項目的反應不同。 三年級學生提出了很多問題，回答也普遍熱情，而五年級學生很快就完成了調查，問題很少。 孩子的年齡可能會影響他們在解釋問題和提供答案時的細微差別。 例如，年齡較小的學生對「同意」和「強烈同意」的評價可能與年齡較大的學生不同。 老師在她的筆記中添加了一條專門針對五年級學生的評論，並想知道他們是否帶著期待或試圖取悅她來回答調查項目。 隨著年齡較大的小學生越來越適應期望，他們的自然反應可能會因此而改變。
從結果中可以清楚看出，VEX GO 機器人課程在每個年齡層的差異。 三年級學生在所有領域（數學、科學、工程）的平均分數都有大幅提升。 雖然四年級學生的平均分數沒有三年級學生那麼大，但他們在領域結構上的平均分數仍然持續提高了十分之幾。 然而，五年級學生是唯一在任何結構和顯著性值均小於 p < 0.001 方面沒有顯著變化的學生。 不同年級學生之間的普遍差異表明，機器人課程對低年級學生的態度影響比高年級學生更大，凸顯了儘早開始機器人課程的重要性。
感知學習． 教師的日記記錄了每組學生所做的實驗和活動，以及學生在課程中的許多觀察。 雖然調查工具能夠識別學生的態度，但對日記條目的主題分析確定了與研究文獻一致的感知學習的幾個主題。
創造力. 期刊的一個主題是學生的創造力。 對於三年級學生來說，創造力被大量提及，但在所有三個年級中，創造力都被明確地提到了學生如何參與簡單機器、外觀相似、生物創造和青蛙生命週期。 老師指出：「三年級的人非常興奮能造出一隻青蛙。 這個年級希望盡可能發揮創造力，建立一個棲息地確實可以讓孩子們再次發揮這些技能。” 雖然學習材料有很多目標，但激發學生的創造力是一個有價值的成果，可以帶來許多其他優勢。
參與度. 提供具有有趣和真實主題的結構化實驗室可以激發學生的創造力，有助於提高參與度。 從建築簡介實驗室開始，老師指出學生不想停止工作。 與「相似實驗室」類似，她發現「課堂真的很難結束。 我發現學生們想要不斷地為他們的動物添加更多迭代…我發現孩子們不想清理，而是繼續添加他們的創作。” 儘管三年級的學生被認為是最熱情的，但她描述了即使是五年級的學生也非常熱衷於他們的簡單機器實驗室：「我發現所有學生都很難想把碎片收起來。 我們只是玩得太開心了！”
團隊合作. VEX GO STEM 實驗室旨在以團隊形式完成，為學生分配特定的角色和任務。 三年級學生開始學習適應爪，老師觀察到，“學生們也很高興分成小組，這樣他們就可以一起工作，每個人都有自己的工作。” 對於四年級學生，她同樣指出角色如何幫助學生融入小組並快速上手。 她也指出，學生開始選擇合作進行開放式活動，例如建造棲息地或建造月球車。
老師也注意到學生自發性地在課堂上一起工作的幾個例子。 有些學生用他們的機器人探索新事物，當他們「發現」新東西時，其他學生就會跑過去看看，然後自己嘗試。 從「選擇板」中選擇有趣的活動的學生通常會與其他學生分享，其他學生會切換到該活動。 無論是小組合作還是單獨合作，學生都渴望分享和互相幫助。
堅持。 並非所有活動對學生來說都是容易的。 三年級學生在完成建築入門實驗室後，首先完成了適應爪實驗室。 老師發現實驗室一開始就有點先進，因此將其移到課程順序的後面。 無論他們是否完成了活動，小組都會堅持到最後。
我發現這是關於挫折的一個很好的教訓，讓我明白失敗只是學習的一部分。 我請每個小組描述什麼有效，什麼無效。 我發現很多團體在聽到一些相同的問題後就真正理解了彼此。
所使用的一些活動也被設計為開放式的，為學生帶來需要克服的挑戰。 學生的任務是建造能夠抵禦地震的房屋，但沒有提供建造說明。 雖然其中存在一些挫折感，但學生們利用了這一點並堅持迭代改進循環：
學生們非常喜歡這個挑戰！ 我發現學生團體在嘗試「地震」後意識到了自己的錯誤，並能夠根據有效和無效的方法重新裝修他們的房子。 我非常驚訝的是，當團隊解決了一個令人沮喪但又充滿成就感的挑戰時，團隊卻如此高興和興奮。
課程. 這位教師的日記也揭示了許多關於機器人課程中差異化重要性的見解。 每組學生都完成了建造 STEM 實驗室簡介，其中介紹了 VEX GO 套件及其中的所有部件。 所有學生也完成了 Look Alike STEM 實驗室，該實驗室透過讓學生製作具有不同特徵的父母和小兔子來教導他們有關特徵的知識。 雖然有些實驗是按年級完成的，但依年齡組也有差異。 四年級和五年級學生完成了簡單機器實驗室單元，三年級學生完成了趣味青蛙實驗室。 三年級學生也比高年級學生完成了更多的獨立活動，因為老師指出這些活動有利於低年級學生的技能。 當小組提早完成實驗時，老師也為年齡較大的學生提供了這些活動——當小組以不同的速度工作時，這是課堂上讓學生保持忙碌的必要條件。 實驗室和活動差異化的多種選擇對於在課堂上成功實施機器人專案來說是寶貴的課程資產。
據這位教師的日記稱，跨學科實驗室也是一個好處。 三年級的學生對科學主題實驗室感到興奮，他們可以在那裡建造和進化動物及其棲息地。 三年級學生完成的第一個動物實驗室是“相似實驗室”，在那裡他們能夠創造兔子並傳承特徵。 老師注意到學生們非常喜歡製作動物並想要探索不同的變化。 這使得老師在下一課中選擇了一項名為「生物創造」的活動，以擴展學生的建築創造力。 當學生們在 Fun Frogs 實驗室工作時，她注意到學生們是多麼興奮和富有創造力，而且技能培養的低入學門檻也是一個額外的好處。
孩子們喜歡製作和學習青蛙週期。 我看到孩子們獲得了教科書上學到的科學主題的實務經驗。 我和三年級老師談過，希望明年能在她教授棲息地時進行更多合作，試著教這一點。
四年級學生完成了簡單機器實驗室單元。 老師注意到學生們非常熱情，因為他們了解其他班級的簡單機器知識。 他們詢問工程師如何使用簡單的機器，並給予時間進行研究。 老師指出：
四年級以科學中的簡單機器為中心，因此這個 STEM 實驗室非常適合這個年級。 當我說我們要做槓桿時，我發現孩子的臉亮了起來。 這些學生中的大多數都完成了工作表，但沒有實際調查。 我告訴科學老師，我們明年將進行更多合作，這樣我就可以在她教簡單機器的時候教這個 STEM 實驗室。
五年級學生也完成了簡單機器實驗室單元，但他們的年齡和經驗表明他們與四年級學生的參與方式不同。 老師注意到這群學生很早就完成了任務，並利用「選擇板」活動進行了自己的探索。
五年級需要令人興奮且引人入勝的活動 - 而這個 STEM 實驗室正好符合要求。 我發現學生們想要趴在地板上嘗試如何使用槓桿舉起不同的重量。 我還發現，與四年級不同，這些學生擁有背景知識，透過增加權重並為 STEM 實驗室提供真實的學習體驗，將 STEM 實驗室提升到一個新的水平。
每個年級的學生都受益於機器人課程中的跨學科方法。 能夠將機器人技術與科學、數學或工程聯繫起來不僅有助於吸引學生，還為他們更深入地探索概念奠定了基礎。 教師筆記指出了機器人課程可以與其他學科教授的課程合併或同步的幾個領域，這可能是以真實的方式整合跨學科機器人技術的有價值的下一步。
結論
隨著教育機器人在全國各地教室中的使用不斷增加，研究機器人如何使學生受益以及從機器人課程教學實踐中汲取的經驗教訓至關重要。 這項研究表明，機器人課程改善了所有年級學生對幾乎所有 STEM 科目的態度。 此外，老師也認為學生在創造力、參與、團隊合作和毅力等方面有額外的學習類別。
為了繼續探索教育機器人如何在真實課堂上對學生最有利，我們必須繼續直接向實施課程的老師學習。 回顧整個經歷，老師給了她的整體要點：
我發現，如果孩子想學更多，我們就學得更多。 我希望這是一件令人愉快的事情，而且每個教室都完全不同（這很正常）。 有些學生想要更多地了解如何建造其他人想要脫離並創造自己的怪物或生物的地方。 我發現三年級是如此忙碌——很難結束課程。 四年級學生非常興奮地學習 STEM 課程，例如與自己的科學課程相關的簡單機器。 五年級喜歡編碼、建構和了解火星的挑戰。 我認為最重要的是每個教室有時需要更多時間進行 STEM 實驗室或更多時間進行探索，我給了他們這些時間。 我發現，當孩子們感到興奮時，最好帶著興奮的心情奔跑並深入挖掘，而不是繼續前進。
這項研究也為跨學科機器人課程的實施提供了有意義的見解。 作為一個為期六週的項目，學生能夠完成許多不同的實驗和活動。 這表明課程的長度可以合理地影響其在改變學生 STEM 態度方面的成功程度。 課程支架和差異化也是課程成功的關鍵。 老師發現不同年齡的學生有不同的技能和需求，她可以輕鬆地調整每個年級的課程計畫。 VEX GO 機器人套件本身也非常適合學生的需求。 學生能夠輕鬆地遵循說明、建造零件並了解零件的工作和連接方式。 學生可以在一個班級內完成建造和實驗，並有時間進行清理，這是在正常上課時間的限制下使機器人課程發揮作用的必要條件。 專為小學年齡設計的機器人套件和完整的跨學科課程對於在真實課堂上使用機器人進行教學和學習都至關重要。