抽象的
教育機器人讓學生採用整合的 STEM 方法，幫助學生理解 STEM 概念，並從小提升對 STEM 學科的正面看法。 當 COVID-19 大流行爆發時，面對面教室中的實體機器人變得不可能。 虛擬機器人程式很快就被開發出來，可以與熟悉的編碼平台一起運行，為學生和教師提供可以在任何地方使用的替代機器人解決方案。 在本文中，全球超過一百萬名學生的使用數據將與兩個教師案例研究一起解釋。 這種數據組合提供了對虛擬機器人作為學習工具和教學資源的深入了解。 教師案例研究還揭示了一系列關鍵需求，這些需求有助於在這種不可預測的情況下進行教學。 最後，這些數據表明，虛擬機器人學習環境可以作為實體機器人的共生補充，幫助學生獲得迭代程式設計的信心，增加對教育機器人的興趣，並為教師提供高度靈活的教學選擇。
關鍵字
虛擬機器人、教育機器人、教學機器人、COVID-19 解決方案、STEM 教育、電腦科學、編程
介紹
近年來，在國家報告和政策的推動下，機器人和電腦科學越來越多地融入美國中小學（幼兒園至 12 年級）。 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，每個人都擁有獲得STEM 主題的高品質教育。 國家科學技術委員會 STEM 教育委員會於 2018 年提出了一份報告，概述了 STEM 教育的聯邦策略。 報告指出，「STEM 教育本身的特徵已從一組重疊的學科演變為一種更全面和跨學科的學習和技能發展方法。 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。 它旨在傳授批判性思維和解決問題等技能，以及合作和適應能力等軟技能。” 國家對 STEM 學習的關注伴隨著教育環境中關於如何更好地將科技融入 STEM 主題課堂的研究和創新的增加。
機器人技術為學生提供了探索 STEM 概念的實作方法。 基本的 STEM 主題是中小學教育的重要主題，因為它們是高級大學和研究生學習以及提高勞動力技術技能的重要先決條件（STEM 學習委員會，2018 年）。 一項統合分析（Beniti，2012）表明，一般來說，教育機器人可以增加對特定 STEM 概念的學習。 許多年齡層的研究表明，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），這反過來又提高了學校成績並進一步提高了科學學位成績（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），而機器人技術已被引入小學生以培養探究和學習能力。解決問題的能力，並培養對STEM 主題的正面看法（Cherniak 等人，2019；Ching 等人，2019）。 引入教育機器人技術對年輕學生特別有益，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）。
研究還表明，在教師職前教育中引入機器人技術可以提高教師的自我效能感、內容知識和計算思維技能（Jaipal-Jamani 和 Angeli，2017）。 雖然機器人技術的好處對教師和學生來說都是合乎邏輯的，但在正規教師教育中引入機器人技術仍然有限。 在許多國家，傳統的教師教育專注於科學和數學中基於學科的主題，導致大多數教師在工程和技術方面準備不足（Epstein 和Miller，2011），並且對教授正式教師培訓中未涵蓋的STEM 主題或在STEM 之間建立聯繫缺乏信心學科（Nadelson 等，2013；Kelley & Knowles，2016）。 Bybee (2010) 指出，教師教育中 STEM 主題的這種限制導致工程和技術的代表性不足，特別是在 K-8 教育中。 雖然將機器人技術納入教師教育的好處是顯而易見的（Jaipal-Jamani 和 Angeli，2017），但可以透過實踐社群的持續專業發展和非正式學習來實現替代方案。 Bandura (1977) 表達了社會學習環境的關鍵方面，Lave 和 Wenger (1991) 從這個概念出發概述了實踐社區 (CoP) 的概念。 對於 CoP，成員圍繞某個領域的共同興趣聚集在一起，發展社區，並分享研究和見解，以進一步提高技能和知識，從而開發實踐（Lave & Wenger，1991）。 非正式學習和 CoP 可以取代正規教師教育中的機器人技術，為教師甚至學生提供類似的好處。
不幸的是，COVID-19 大流行對全球面對面學習造成了廣泛的干擾，影響了全世界幾乎所有學生（聯合國，2020）。 實踐學習體驗被暫停，這是大多數機器人 STEM 課程的基礎部分，包括 VEX 教育機器人系列使用的機器人課程。 需要遠距學習解決方案來快速提供虛擬學習環境，該環境仍然可以幫助學生以真實、有意義的方式參與 STEM 主題。 VEX Robotics 很快就創建了 VEXcode VR（以下簡稱「VR」），這是一個具有虛擬機器人的平台，可以以與實體機器人類似的方式使用。
本文將回顧 VR 平台收集的使用數據，以深入了解這個虛擬替代品在這場全球混亂時期的情況。 也將介紹兩個案例研究，為教師如何在遠距學習環境中實施 VR 提供背景。 本文的兩個主要研究問題如下：
- 使用數據和教師案例研究可以揭示有關 COVID-19 爆發後學生使用 VR 學習的哪些見解？
- 教師可以就 VR 課堂實施提供哪些見解？
教育工作者尤其能感受到 COVID-19 造成的混亂。 幾十年來為面對面學習設計的經驗和課程立即被顛覆，但這種破壞也鼓勵教育工作者嘗試新的工具和教學方法。 從領導創新解決方案的教育工作者的角度了解所做的決定和取得的成果，可以深入了解如何結合新技術來加強學生在機器人技術和 STEM 學科方面的學習。
方法
VEXcode VR. 當美國的學校於 2020 年 3 月關閉時，需要一種解決方案來讓學生在遠距工作的同時參與機器人和 STEM 主題。 VR 於 2020 年 4 月 2 日開發並推出，距離大多數學校採用虛擬形式僅幾週。 VR 活動的創建是為了與其他機器人課程保持一致，並提供符合內容標準的跨學科課程。 VEXcode VR 編碼平台與學生通常在實體機器人上使用的編碼環境相同，只是添加了虛擬介面，如圖 1 所示。 學生們創建專案來控制主題「遊樂場」中的虛擬機器人，以取代實體機器人，該主題「遊樂場」會根據活動而變化。 初級編碼學生使用基於區塊的編程，高級學生使用基於 Python 的文本。
圖1。 用於珊瑚礁清潔活動的 VEXcode VR 平台介面。
VR 活動是跨學科的，將控制虛擬機器人的基礎電腦科學技能與科學或數學主題結合。 在這些 VR 活動的過程中，學生不僅學習編程，還學習科學探究、數學思維和技術素養——所有這些都是整合 STEM 框架的組成部分（Kelley & Knowles，2016）。 COVID-19 帶來的獨特情況要求學生能夠在混合、同步或非同步環境中獨立完成課程。 為了實現這一目標，向學生介紹學習目標和活動目標。 然後使用直接指令為序列學習提供逐步指令和有意的支架以促進理解（Stockard 等人，2018；Bowen RS，2017）。 然後，學生會收到一個有針對性的支架，以解決最終的編碼挑戰（Puntambekar 等，2010）。 學生學習機器人技術和編碼用於解決實際的跨學科問題。 例如，在珊瑚礁清理活動中，學生面臨的挑戰是在珊瑚礁周圍駕駛機器人，在太陽能充電電池耗盡之前收集盡可能多的垃圾。 污染是一個全球性問題，將由明天的學生解決，參與這些真實的、基於場景的計畫可以幫助學生跨學科應用電腦科學技能。
圖 2. 珊瑚礁清潔活動的任務背景。
考慮到學生與教師分開，虛擬環境需要盡可能無縫，以減少分心和認知負荷（Sweller，2020；Sentz 等人，2019）。 學生可以將命令拖放到他們的專案中，並觀看他們的機器人在同一視窗中導航 VR 遊樂場。 學生可以一次添加任意數量的塊，每次添加後運行項目，以查看他們的機器人在操場上的移動情況。 這為學生提供了即時回饋和早期的成功感。
此外，遠距學習也帶來了 VR 需要克服的實際障礙。 學校電腦通常對下載應用程式有限制，導致在大多數正常情況下添加程式都成為一個障礙，更不用說當學生遠端使用學校電腦時。 但學生甚至可能無法使用學校計算機來完成作業。 為了最大限度地利用 VR，該程式完全基於網路（無需下載或插件），並且可以在許多不同類型的設備上運行，以增加學生使用它的可能性。
結果
使用數據. 所提供的數據由 Google Analytics 提供。 由於 VEXcode VR 完全基於瀏覽器，因此有許多不同的指標可以深入了解該虛擬機器人環境在全球的使用情況。 自 2020 年 4 月推出以來，VR 用戶數量逐月增加，分佈在 150 多個國家的用戶總數已超過 145 萬人。
圖 3. 全球擁有 VR 用戶的國家。
鑑於 COVID-19 和 VR 發布的時間表，我們也審查了一段時間內的使用情況。 如圖 4 所示，發布後不久用戶數量迅速上升，然後在學生放學的夏季月份中下降。 典型的返校月份（八月/九月）出現顯著增加，並持續到學年剩餘時間。 使用者數量的週期性下降表示週末和假日期間的使用量減少。
圖 4. 自 VR 推出以來一段時間內的用戶數量。
專案是學生為課程或挑戰創建的程序。 不必保存項目即可運行，但會下載已儲存的項目以供用戶稍後返回。 已保存節目超過252萬個。 但是，項目不必保存即可運作。 由於 VR 完全基於瀏覽器，因此透過選擇「開始」即可立即編輯專案並對其進行測試。 該軟體已運行超過 8400 萬次項目，這表明學生經常測試他們的項目。 由於這種即時回饋循環，與使用實體機器人相比，學生有機會以更快的速度進行實驗和迭代。 這個迭代過程對於學生學習來說是一個很好的指示，因為多次迭代已被證明可以保持學生的參與和興趣（Silk 等，2010）。
| VEXcode VR 數據 | |
| 使用者 | 1,457,248 |
| 已儲存的項目 | 2,529,049 |
| 運行專案 | 84,096,608 |
| 國家 | 151 |
表格1。 2020 年 4 月至 2021 年 4 月的所有 VEXcode VR 使用資料。
認證資料． 除了 VR 課程本身及其配套課程之外，VR 還包括名為 CS 的免費教師培訓，並附有 VEXcode VR 教育者認證課程。 自 2020 年 6 月推出以來，已有超過 550 名教育工作者完成了認證，其中包含超過 17 小時的課程和支持，成為 VEX 認證教育工作者。 此認證課程包含 10 個單元的材料，旨在幫助沒有電腦科學或機器人技術經驗的教師做好準備。 內容涵蓋程式設計基礎、如何對 VR 機器人進行編碼、如何透過 VR 活動進行教學以及如何在課堂上實施 VR 等主題。 圖 5 顯示了 2020 年 6 月至 2021 年 3 月期間每月和累積獲得認證的教育工作者數量。 數據趨勢顯示，在返校期間（包括 2020 年 8 月、9 月以及 10 月），獲得認證的教育工作者數量有所增加。
案例研究1
艾梅·德福 (Aimee DeFoe) 是肯塔基大街學校 (Kentucky Avenue School) 的校長，這是美國匹茲堡的一所小型私立學校，結合了傳統和創新的教學方法。 與大多數學校一樣，肯塔基大道學校也受到了 COVID-19 的干擾，必須為 2020 年秋季學年開始確定替代計劃，但不知道情況會如何變化。 今年的前六週完全是虛擬教學，剩下的一年以混合形式進行，學生群體交替進行面對面和遠距教學。 即使學生在家學習，學生繼續參與與課堂環境相同的問題解決和批判性思考活動也至關重要。
Aimee 選擇與她的六年級和七年級學生一起使用 VR 有幾個原因。 由於 VR 是一個完全虛擬的學習環境，學生將能夠在家庭和學校之間切換，而不會影響他們的學習活動的政策變化。 基於區塊的編碼環境對於剛接觸編碼的學生來說不會令人生畏，並且有針對不同經驗水平設計的活動。 她還相信學生會發現 VR 機器人令人興奮和激勵——她發現這是真的。 在反思她希望學生從 VR 中獲得什麼時，Aimee 表示：
我希望使用 VR 能夠像使用實體機器人一樣嚴格、具有挑戰性和令人興奮，我的學生不會覺得他們錯過了一種體驗，而是獲得了一種新的編碼體驗，這種體驗只是一樣令人興奮。 我希望他們能夠感受到與在課堂上一樣的成就感，當他們必須重申並堅持克服挑戰，最終取得成功時。
作為唯一的機器人老師，Aimee 從開學到寒假期間每週給 23 名學生授課一次，共 15 節課。 學生們從「電腦科學一級 - 模組」課程開始。 艾米與學生一起完成第一個單元，但在剩下的課程中，讓學生按照自己的步調學習並充當協調人。 大多數學生完成了七到九個單元，並進行了額外的海洋清潔活動。
Aimee 發現學生對課程中的挑戰非常有動力；以至於有時很難讓他們有系統地完成課程。 一些在註意力或閱讀方面有困難的學生需要額外的支持，並且大於/小於和布爾概念具有挑戰性。 然而，大多數學生都經歷了一定程度的挑戰、奮鬥和成功。 回到課堂後，學生們對與實體機器人一起工作的想法感到興奮。 在使用 VR 後，Aimee 指出：“毫無疑問，每個人離開課堂時都成為了更有自信的程式設計師。”
案例研究2
馬克約翰斯頓 (Mark Johnston) 在美國埃爾帕索的貝萊爾中學 (Bel Air Middle School) 教七年級和八年級學生。 在他的 STEM 1 課程中，Mark 向大約 100 名學生教授有關自動化和機器人技術以及設計和建模的 Project Lead the Way Gateway 課程。 STEM 1 課程結合了 VEX IQ 機器人，透過 VEXcode IQ（低年級學生的塑膠機器人套件）教授基本力學和基礎程式設計。 這門課程是在秋季學期教授的，因此最初的 COVID-19 幹擾並沒有影響他在春季的機器人技術。 然而，2020 年 4 月，馬克看到了 VEX VR 機器人並開始使用它。 「當我看到 VR 使用相同的設定（即 VEXcode）時，我非常興奮，因為我看到了潛力 - 就像我知道的一塊拼圖將與我已經在做的事情完美契合。 當 VR 更新為包含 Python 時，我更加興奮。” 馬克為其他老師製作了教程視頻，在社交媒體平台上吸引了大量追隨者。 透過他自己的非營利教育公司，Mark 為學生提供免費的 VR 夏令營，以及為 2020/21 學年做準備的教師培訓。
不確定的教學環境使得計劃變得困難。 「當我意識到遠距學習將持續到 2020/21 學年時，我決定先教設計，然後教機器人技術… ，但很多事情都懸而未決，很難計劃任何事情。 我不知道我們是否會親自回來或繼續在線——當時幾乎沒有明確的訊息。 我最終只是將機器人技術和設計混合在一起，並提前一兩天進行計劃。” Mark 在學年開始時開始使用 VR（直到 2021 年仍保持 100% 遠端），從網站上選擇不同的活動，效果很好，因為有不同的體驗水平和可編輯的說明。 當電腦科學 1 級 - Blocks 課程發佈時，他帶領學生完整地學習了該課程，但他指出下次他會將課程提煉為更短的講座。 使用 VR 本質上與面對面的機器人課程不同，但 Mark 對於這些課程仍然有一系列關鍵目標：
- 讓學生熟悉 VEXcode
- 建立程式設計信心（自我效能）
- 以非威脅性的方式介紹程式設計思想/詞彙
- 「欺騙」他們在沒有意識到的情況下使用數學；）
- 要求學生在給定約束的情況下解決明確定義的問題
- 引入不明確的問題
- 鼓勵「失敗後再試」的態度
- 保持解決問題的樂趣
雖然虛擬體驗有所不同，但 Mark 發現使用 VR 有明顯的優勢。 與 RobotC（另一種與其他機器人一起使用的編碼語言）相比，學生對使用 VR 進行實驗的恐懼要小得多。 Mark 還通過衡量學生獲得“勝利”所需的時間來確定 STEM 活動的好壞，並指出，“如果學生需要很長時間才能獲得積極的結果，那麼就很難留住他們已訂婚的。”
VR 具有即時性，鼓勵探索並積極參與。 Mark 透過向學生介紹 VR 的例子來描述這種類型的「勝利」：
我：「每個人都打開一個新分頁並造訪 vr.vex.com。 大家都看到網站了嗎？ 好的。 現在讓機器人向前行駛。”
學生：“怎麼樣？”
我：“看看你能否算出…”
學生：“我算出來了！”
然後他們就上癮了！ 到那時，他們中的許多人都在問我如何做各種不同的事情。 他們實際上是在要求我教他們！
結果與討論
VR 作為學習工具。 使用數據和案例研究都提供了第一個研究問題的見解，即 VR 如何在 COVID-19 大流行期間作為學習工具發揮作用。 最簡單的結論是使用量龐大。全球有超過 100 萬名學生使用 VR 平台，這表明虛擬機器人環境在危機情況下可以很好地取代面對面的學習。 考慮到個人用戶數量時，運行項目的數量（84+ 百萬）也是一個令人驚訝的發現。 平均而言，使用者完成了 57 次專案運行，顯示出高度的測試和迭代。 鑑於培養學生「嘗試再嘗試」態度的重要性，這是一個非常有希望的結果。 解決VR活動有多種可能的方法，這是學生學習的重要一課。 當學生了解問題有多種解決方案時，學生要求教師提供回饋的可能性就會增加，並且他們對所學內容有更高的理解（Marzano 等，2011）。
從個案研究中，也證實了 VR 是一種低風險的學習環境。 艾梅指出，她的學生是更有自信的程式設計師，並且期待與實體機器人一起工作。 Mark 注意到，學生在 VEXcode VR 中編碼時不再害怕實驗，並且在這種環境中他們有一種即時的「勝利」感。 當我們將這些教師觀察結果與原始使用數據結合起來時，似乎證實了虛擬機器人環境使學生在學習過程中更自由地進行實驗和迭代，並總體上增加了對機器人技術的積極看法。
老師的教訓。 當我們考慮第二個研究問題（即教師可以為課堂實施 VR 提供哪些見解）時，我們可以從個案研究中發現一些共通點。 這兩個案例研究都揭示了教師在 COVID-19 期間如何做出決策和實施解決方案的信息，以及在虛擬和混合環境中為學生提供有效學習解決方案所需的資訊。 這些主題包括靈活的解決方案、連續性以及課程和支援。 這些發現應被視為所有技術解決方案的要求，因為支持教師支持學生。
考慮到教學條件的不確定性，馬克和艾米都指出，他們需要靈活的解決方案。 遠距學習可以改為面對面學習，或介於兩者之間的某種形式。 VR 可以繼續在任何環境中使用，但其方法也具有靈活性。 學生可以像馬克在活動和課程中使用的那樣，參與由教師主導的結構化課程，也可以像艾米描述的那樣，按照自己的進度進行學生主導的學習。 教師還需要經驗水平的靈活性，無論是在活動還是提供的程式語言類型方面，以滿足所有學生的需求。
兩個案例研究都顯示學習的連續性非常重要。 Aimee 指出，在 VR 中工作後，學生們很高興能與 VEX V5 機器人一起工作，這些機器人在面對面學習恢復時正在等待。 VR 是使用實體機器人的墊腳石，可以提高學生的興奮度和正面的認知。 Mark 也指出，VEXcode 從 VR 到 IQ 的連續性對他來說非常重要：「我無法告訴你，VEX 有一個非常簡單的學習過程，從三年級到大學都使用 VEXcode！ 借助 VR，他們可以在家開始學習！”
課程和支援顯然對於 VR 在這種不斷變化的教學中取得成功至關重要。 VR 單元提供了學生學習的所有內容以及授課所需的材料。 並非所有教師都具有電腦科學和編碼背景。 艾梅指出，除了她的學生之外，基於區塊的課程對她來說並不令人生畏。 馬克也表示，他不習慣教授那麼多電腦科學，必須自己學習課程才能教學。 然而，馬克承認，“如果明天一切恢復‘正常’，我現在就能夠更有信心地教授課堂上的程式設計部分了。” 教師對 VR 課程和程式設計的支援對於 VR 在課堂上的實施至關重要。
數位學習不僅適合學生，也適合學生。教師們也透過科技和社交媒體來了解教學實踐和資源。 近50個國家的教師完成了VR認證。 圍繞 VR 的全球實踐社群正在形成。 馬克開始在社群媒體上發布 VR 視頻，很快就擁有了一千多名粉絲；透過 VR 工作，他結識了斯洛維尼亞和台灣的老師。 當教師分享他們的經驗和實踐時，學生最終會從這些非正式的教師支持小組中受益。 實踐社群可以在當前教育機器人技術的可用性和將該技術納入正規教師教育之間架起一座橋樑。 隨著越來越多的教師透過專業發展（例如完成認證課程的 550 多名教師）或透過非正式學習社群熟悉教育機器人技術，將會向更多學生介紹綜合 STEM 學習。
結論
VEXcode VR 是在一個充滿不確定性且急需立即解決方案的時代創建的。 緊急情況可以產生創新的解決方案。 VR 已覆蓋 150 多個國家/地區的超過 145 萬用戶，他們保存了超過 252 萬個專案並運行了超過 8,400 萬個專案。 儘管這場流行病已經影響了世界各地的學生和教師，但虛擬實境使學生和教師能夠不受物理障礙的影響，接觸機器人和電腦科學概念。 從教師案例研究中，靈活性、連續性、課程和支援等主題被認為對於在這種不確定和具有挑戰性的環境下進行技術教學非常重要。
從這個前所未有的時代向前邁進，從 VR 的創建和實施中學到的經驗教訓表明了其未來的使用途徑。 使用數據與教師案例研究相結合表明，學生在虛擬環境中編碼時感覺迭代的束縛減少了。 這表明 VR 可能是一種有價值的腳手架工具，可以與實體機器人結合使用。 靈活性的需要也支持了這一點；使用 VR 作為學習工具與實體機器人相結合可以提供最佳、靈活的機器人學習環境，其中簡單的家庭選項可以補充面對面的實體機器人課程。 我們期待未來的研究來調查教師如何在大流行後的世界中將虛擬和實體機器人結合起來。
致謝
我們衷心感謝艾米·迪福和馬克·約翰斯頓分享他們的教學經驗和寶貴的見解。