Why Teach Educational Robotics?

De laatste jaren is de belangstelling voor educatieve robotica sterk toegenomen, aangezien leerkrachten en scholen het potentieel van robotica omarmen om praktische en boeiende manieren te bieden om design, techniek en technologie te onderwijzenⁱ. Educatieve robotica wordt ook gezien als een manier om leerlingen te laten kennismaken met en aan te zetten tot een loopbaan in de wereld van wetenschap, technologie, engineering en wiskunde (STEM)ⁱⁱ. Het gebruik van educatieve robotica is nu betaalbaarden en robuuster dankzij alle toegenomen aandacht voor en investeringen in dit medium. De daaruit voortvloeiende technologische vooruitgang draagt in grote mate bij tot de toegankelijkheid van dit instrumentⁱⁱⁱ. Sommigen beschouwen robotica nu zelfs als een middel dat in het klaslokaal een vergelijkbare rol speelt als computers vroeger, vanaf het begin van de jaren 90 en de introductie van CD-ROM's en Microsoft PowerPoint in de klaslokalen^iv. 

De groeiende aanwezigheid van educatieve robotica brengt belangrijke vragen met zich mee. Wat zijn de beste toepassingen van dit nieuwe en opwindende instrument? Hoe kunnen we best practica vaststellen? Hoe kunnen we het doel van educatieve robotica in de klas conceptualiseren? Deze vragen kunnen ingewikkelder zijn dan ze op het eerste gezicht lijken. En het beantwoorden ervan kan eerst meer vragen opleveren dan toen we begonnen. Bijvoorbeeld, gebruiken leerlingen educatieve robotica als een medium om hun ideeën en denkwijzen weer te geven, of creëren leerlingen ideeën en denkwijzen door interactie met het medium? Zijn educatieve robotica een manier voor leerlingen om hun competentie te tonen, of zijn ze een infrastructuur waarop leerlingen nieuwe competenties opbouwen^v? Misschien kan het beschouwen van een aspect van computergebruik in de klas helpen om meer licht te werpen op het onderwerp. 

Een medium kan een verschillende reikwijdte hebben op basis van de toepassing ervan. Schilderkunst kan worden gezien als een medium, waarmee een schutting kan worden geschilderd of de Sixtijnse Kapel. De verscheidenheid van computers als medium is wellicht nog groter; een computer kan in het klaslokaal worden gebruikt met een zeer beperkte reikwijdte, als rekenmachine of als tekstverwerker, maar kan ook worden gezien en omarmd als een op zichzelf staand krachtig communicatiemiddel. Zoals Mark Guzdial heeft opgemerkt, kunnen computers worden opgevat als een moderne vorm van Gutenbergs drukpers^vi en als een manier om over andere domeinen na te denken. Als zodanig hebben technologieën zoals computermodellering en algoritmen een aanzienlijke invloed gehad op ons begrip van de gebieden wiskunde en wetenschap^vii.

Wat is dan het bereik van Educatieve Robotica? Educatieve Robotica kunnen worden gebruikt als vooraf gebouwde objecten die zeer specifieke taken uitvoeren, terwijl sommige Educatieve Robotica systemen leerlingen in staat stellen actieve deelnemers te worden in het ontwerpen van hun leerproces - en ook scheppers van computationele artefacten, in plaats van passieve gebruikers van apparaten die anderen voor hen hebben gemaakt^viii. Dit biedt een unieke reeks mogelijkheden voor leerkrachten. Educatieve Robotica wordt zo een medium dat leerlingen de kans geeft hun stem en keuze in het leren uit te oefenen en hen niet alleen te betrekken in het oplossen van problemen, maar ook in het vinden van problemen, het bouwen van problemen, het analyseren van problemen, en het plannen en monitoren van probleemoplossende inspanningen. Educatieve Robotica wordt dan iets veel groters - een medium om leerlingen voor te bereiden op de complexiteit van de uitdagingen die hen te wachten staan als ze zich voorbereiden op banen die nu nog niet bestaan^ix, en ook een manier om andere waardevolle vaardigheden te incorporeren (bv. communicatie en samenwerking) die behoren tot het bredere spectrum van 21ste -eeuwse vaardigheden. 

De inspanningen van scholen om het medium Educatieve Robotica in te voeren, lijken evenveel verschijningsvormen te hebben opgeleverd als verschillende motivaties die de initiatieven aanwakkeren. Sommige scholen gebruiken dit instrument als een geïntegreerd onderdeel van een op zichzelf staand vak informatica of techniek, terwijl andere scholen deze moderne oplossing gebruiken als aanvulling op traditionele vakken. Weer andere scholen gebruiken ze als naschoolse activiteiten die dan inspelen op de motiverende effecten van "gamificatie" en wedstrijden om de deelname en betrokkenheid van de leerlingen te verhogen. Net zoals scholen geleerd hebben het gebruik van computers niet te beperken tot dure rekenmachines, mag het gebruik van educatieve robotica niet beperkt worden door vermeende beperkingen. 

Het is de moeite waard om de volgende toepassingen van educatieve robotica in detail te onderzoeken:

• Om onze wereld te begrijpen
• Geïntegreerd STEM-onderwijs op nieuwe manieren onderwijzen
• Computationeel denken aanleren
• Om vertrouwd te raken met iteratie en te leren van mislukkingen
• Blootgesteld worden aan en leren over de banen van de toekomst 

Om onze wereld te begrijpen

Wetenschap is het verklaren van de natuurlijke wereld. Leerlingen die wetenschappelijk onderlegd zijn, zijn in staat zowel de concepten als de praktijk van de wetenschap te begrijpen. Daarom biedt het onderwijzen van wetenschap aan leerlingen een kans om de wereld waarin zij leven te begrijpen. Dit is de reden waarom middelbare scholen in het hele land vakken als astronomie, biologie en scheikunde in hun leerplannen opnemen. Maar hoe zit het met robotica? Het is duidelijk dat robots alomtegenwoordig zijn in ons dagelijks leven, en dat die verspreiding nog toeneemt. Verbeteringen in de technologie die met robots wordt geassocieerd, heeft geleid tot een exponentiële groei van het rekenvermogen en de gegevensopslag^xi. Dit heeft geresulteerd in robots die in staat zijn te leren en beslissingen te nemen op basis van de ervaringen van andere robots. Robots zijn niet langer machines die eenvoudige functies uitvoeren. Bovendien is de stijgende vraag naar robots en robottechnologie branche overschrijdend. Ja, in fabrieken zijn veel robots te vinden, maar robots worden nu ook steeds vaker gebruikt in onderwijs- en amusementsomgevingen. Het is heel goed mogelijk dat robots in de nabije toekomst veel ouderen zullen helpen zelfstandig thuis te blijven wonen, waardoor een nieuw gebied van "co-robots" zal ontstaan^xii. 

Scholen geven terecht les over planeten en sterren die lichtjaren ver weg staan... maar niet over de technologie waarmee velen dagelijks in aanraking komen. Dit is een uitdaging, maar ook een kans. Onderwijs is de motor van wetenschap en innovatie. De studie van biologie blijft leiden tot betere behandelingen en de uitroeiing van ziekten en aandoeningen^xiii. Als robotica een kernvak zou worden op onze scholen, zou het een soortgelijke impact kunnen hebben. 

Geïntegreerd STEM-onderwijs op nieuwe manieren onderwijzen

Onderwijsonderzoekers suggereren dat leerkrachten vaak moeite hebben om verbanden te leggen tussen technische disciplines^xiv. Daarom zullen leerlingen het moeilijk hebben om concepten die vaak geïsoleerd worden onderwezen, over te dragen naar de geïntegreerde context die ze op de beoordelingsexamens zullen zien. Een ander onbedoeld gevolg van het geïsoleerd onderwijzen van wetenschappelijke concepten is de neiging om een leeromgeving te creëren waarin leerlingen niet meer betrokken zijn. De authentieke voorbeelden van wetenschap die zij in hun dagelijks leven zien, vertonen een diepe integratie in alle technische disciplines, in plaats van singulariteit. Het doel van technisch onderwijs is leerlingen te helpen informatie te ordenen binnen en tussen disciplines, om in staat te zijn diepe, structurele overeenkomsten en patronen in deze informatie te identificeren en ermee te redeneren; het hoogtepunt zou idealiter moeten resulteren in het vermogen om deze organisatie van kennis toe te passen op complexe situaties en problemen in het dagelijks leven^xv. 

Educatieve Robotica kan helpen deze uitdagingen aan te gaan door te functioneren als een facilitator voor leraren en scholen bij het organiseren van STEM instructie. Aangezien educatieve robotica veel verder gaat dan speelgoed dat eenvoudige instructies kan krijgen, kunnen klaslokalen die gebruik maken van educatieve robotica leerlingen stevige uitdagingen bieden op het gebied van engineering en programmeren. 

Computationeel denken aanleren

De afgelopen jaren hebben veel Europese landen hun wettelijk verplichte onderwijsprogramma herzien en basisconcepten op het gebied van computerwetenschappen geïntroduceerd. Dit heeft de weg vrijgemaakt voor de ontwikkeling van de vaardigheden van leerlingen op het gebied van computationeel denken (Computational Thinking afgekort CT). Computationeel denken wordt algemeen beschouwd als een integraal onderdeel van elk technisch klaslokaal^xviii.

"Een primaire motivatie voor het introduceren van computationeel denken praktijken in wetenschaps- en wiskundeklassen is de snel veranderende aard van deze disciplines zoals ze worden beoefend in de professionele wereld."   (BAILEY BORWEIN 2011; FOST ER 2006; HENDERSON et al. 2007) 

"In de afgelopen 20 jaar heeft bijna elk gebied dat verband houdt met wetenschap en wiskunde de groei van een computationele tegenhanger gezien."  (WEINTROP et al. 2017) 

De toename van de populariteit van computationeel denken als concept, zowel binnen als buiten de scholen, heeft ertoe geleid dat scholen effectieve instrumenten proberen te vinden om computationeel denken te integreren en aan hun leerlingen te onderwijzen. Een overeenkomstig doel is de deelname te verbreden aan de lessen - in het bijzonder computerwetenschappen - die zich sterk in computationeel denken verdiepen; het aanpakken van de geslachtskloof in dit vakgebied is ook een consistent doel geweest.  Educatieve robotica kan een effectief instrument zijn om computationeel denken te onderwijzen en tegelijkertijd de participatiedoelen te helpen verbreden.

Recente ontwikkelingen op het gebied van educatieve robotica hebben de kosten verlaagd en het gebruiksgemak verhoogd, waardoor ze toegankelijker zijn geworden voor leerlingen en steeds meer worden gezien als een betrouwbare manier om abstracte technische concepten te leren. Het verband tussen informatica en robotica is dan ook duidelijk; leerlingen kunnen hun robots programmeren om complexe taken uit te voeren, zowel in de klas als op wedstrijdvelden. Het uitvoeren van complexe taken mag dan wel het doel zijn, de middelen bestaan uit het ontleden van deze taken in kleinere onderdelen en deze vervolgens iteratief samen te bouwen om een oplossing te creëren. In de klas is de steiger van dat proces van vitaal belang, en ook hier kan Educatieve Robotica effectief zijn in het vergemakkelijken van zowel de decompositie als de steiger van complexe taken^{xxii xxiii}. Het effectief onderwijzen van computationeel denken resulteert ook in het vermogen om computationeel denken in verschillende domeinen toe te passen. Het vermogen om effectief generaliseerbare computationeel denken-vaardigheden aan te leren en tegelijkertijd manieren aan te reiken om de studenten die deze domeinen betreden te helpen diversifiëren, maakt dat educatieve robotica een belangrijke bijdrage levert aan de integratie van computationeel denken in scholen. 

Om vertrouwd te raken met interactie en te leren van mislukkingen 

Engineering design en de wetenschappelijke methode zijn verwante fenomenen, maar bevatten belangrijke verschillen. In de wetenschap wordt de nadruk gelegd op het vinden van algemene regels die de werking van onze wereld en ons universum beschrijven, terwijl het bij engineering gaat om het vinden van oplossingen voor een bepaald probleem die voldoen aan alle beperkingen binnen dat probleem^xxiv. Sommigen hebben dit onderscheid samengevat met de uitspraak "wetenschappers onderzoeken, maar ingenieurs creëren"^xxv.Wanneer wij het creatieve proces beschouwen, moeten wij erkennen dat het vaak in belangrijke mate afhankelijk is van iteratie. 

Meervoudige iteraties zijn van cruciaal belang voor ingenieursideeën en -activiteiten die ontworpen zijn om bepaalde doelstellingen te bereiken, of het nu gaat om het voldoen aan/overtreffen van de verwachtingen van de klant of het deelnemen aan een competitieve uitdaging. De vereiste meervoudige iteraties die inherent zijn aan educatieve robotica-activiteiten zijn erkend als in staat om de interesse van leerlingen en hun blijvende betrokkenheid te behouden. ^xxviOok de samenstelling van de robotica-pakketten zelf, met veel verschillende stukken die snel in elkaar gezet en weer uit elkaar gehaald kunnen worden, bevordert een houding van iteratie. Omdat meerdere iteraties vaak betrekking hebben op de belangrijke levensles van "probeer, probeer opnieuw", hebben leerlingen er enorm veel baat bij te leren dat "mislukkingen" kunnen worden omarmd als een deel van het proces. Een andere breed toepasbare les die voortkomt uit een meer abstracte kijk op de bijkomende voordelen van het gereedschap is de neiging van educatieve robotica om meerdere oplossingen voor te stellen voor zelfs de eenvoudigste uitdagingen. Wat kan de horizon van een leerling meer verbreden dan te beseffen dat er inderdaad meerdere oplossingen zijn voor hetzelfde probleem? We hebben gezien dat dit interessante voordelen oplevert: een grotere waarschijnlijkheid dat leerlingen feedback vragen aan docenten en een grotere waarschijnlijkheid dat leerlingen begrijpen dat wat ze leren belangrijk is.^xxvii De voordelen worden vanaf daar alleen maar groter - docenten die leerlingen op deze manier betrekken, kunnen leiden tot een hogere zelfeffectiviteit van leerlingen, het belangrijkste element dat leidt tot die grotere bereidheid om te leren van mislukkingen. ^xxviii

Blootgesteld worden aan en leren over de banen van de toekomst

Een belangrijk kenmerk van de huidige bezorgdheid, in tegenstelling tot de normale stroom van baanvernietiging en banengroei van vroeger, is "polarisatie van de werkgelegenheid". Deze term heeft betrekking op de uitholling van de werkgelegenheidskansen, d.w.z. dat er veel vraag is naar hooggekwalificeerde en laaggekwalificeerde banen, maar dat de kansen voor middelmatig gekwalificeerde en middelmatig betaalde banen zijn afgenomen. Dit belangrijke probleem kan worden herleid tot de automatisering van routinewerk, en de antwoorden omvatten het erkennen van de onvermijdelijkheid van automatisering door creatief te werken aan verhoging van de werkgelegenheid. De bedrijven die met succes op deze golf reageren, zijn die bedrijven die flexibel en vloeiend zijn, die met de technologie leren werken in plaats van te vluchten voor of zich te verzetten tegen haar ontmoedigende aanwezigheid en impact^xxxiii. Als onderwijzer is het van vitaal belang dat ook wij creatief reageren en innovatieve oplossingen zoeken voor de onzekerheid van de toekomst. Het is aan de lagere en middelbare onderwijssystemen om de realiteiten aan de horizon te erkennen en relevante en waardevolle vaardigheden aan te leren, wat in het huidige geval kan betekenen dat computers gewoon niet goed zijn in dingen. Hiertoe behoren creativiteit, intermenselijke vaardigheden en probleemoplossing, allemaal vaardigheden die kunnen worden gecultiveerd door een geraffineerd gebruik van educatieve robotica^xxxiv. 

Bron: VEX Robotics

ⁱ  Alimisis , Dimitris, editor. Teacher Education on Robotics-Enhanced Constructivist Pedagogical Methods . School of Pedagogical and Technological Education , 2009.

^{ii iii}  Eben B. Witherspoon, Ross M. Higashi, Christian D. Schunn, Emily C. Baehr, and Robin Shoop. 2017. Developing Computational Thinking Through a Virtual Robotics Programming Curriculum. ACM Trans. Comput. Educ. 18, 1, Article 4 (October 2017), 20 pages

^iv  “Computers in the Classroom.” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 10 June 2018, en.wikipedia.org/wiki/Computers_in_the_classroom. v David Weintrop and Uri Wilensky. 2017. Comparing Block-Based and Text-Based Programming in High School Computer Science Classrooms. ACM Trans. Comput. Educ. 18, 1, Article 3 (October 2017), 25 pages.

^v  Guzdial, Mark. Learner-Centered Design of Computing Education: Research on Computing for Everyone. Morgan andamp; Claypool Publishers, 2016. vii Weintrop, D., Beheshti, E., Horn, M. et al. J Sci Educ Technol (2016) 25: 127. https://doi.org/10.1007/s10956- 015-9581-5

^viii  Martin, F., Mikhak, B., Resnick, M., Silverman, B. and Berg, R. (2000). To Mindstorms and Beyond: Evolution of a Construction Kit for Magical Machines, Morgan Kaufmann Series in Interactive Technologies, Robots for kids: exploring new technologies for learning, Pages: 9 - 33

^ix  Herold, Benjamin. “The Future of Work Is Uncertain, Schools Should Worry Now.” Education Week, Sept. 2017.

^x  Hawes, Nick. “The Reality of Robots in Everyday Life.” The University of Birmingham , 2018, www.birmingham.ac.uk/research/perspective/reality-of-robots.aspx.

^xi  Dang, Sanjit. “The Robot Revolution Is Just Beginning.” TechCrunch, TechCrunch, 4 June 2018, techcrunch.com/2018/06/03/the-robot-revolution-is-just-beginning/. xii Johnson, R Colin. “‘Co-Robots’ Help Boost Human Productivity.” Electronic Engineering Times , 12 Aug. 2012.

^xiii  “5 Groundbreaking Breakthroughs in Biology.” Brainscape Blog, Brainscape Blog, 26 May 2017, www.brainscape.com/blog/2015/06/biology-breakthroughs-and-discoveries/.

^xiv  Kelly, Todd R, and J. Geoff Knowles. “A Conceptual Framework for Integrated STEM Education.” International Journal of STEM Education , 19 July 2016.

^xv  Honey, Margaret, et al. STEM Integration in K-12 Education: Status, Prospects, and an Agenda for Research. The National Academies Press, 2014.

^xxii  Eben B. Witherspoon, Ross M. Higashi, Christian D. Schunn, Emily C. Baehr, and Robin Shoop. 2017.

Developing Computational Thinking Through a Virtual Robotics Programming Curriculum. ACM Trans. Comput.

Educ. 18, 1, Article 4 (October 2017), 20 pages

^xxiii  Liu, A., Schunn, C. D., Flot, J., andamp; Shoop, R. (2013) The role of physicality in rich programming environments.. Computer Science Education, 23(4), 315-331

^xxiv  Specialty, School. “The Scientific Method vs. The Engineering Design Process.” Schoolyard, 15 Nov. 2017, blog.schoolspecialty.com scientific-method-vs-engineering-design-process/.

^xxv  Katehi, Linda P. B., and Greg Pearson. Engineering in K-12 Education: Understanding the Status and Improving

the Prospects. National Academies Press, 2009.

^xxvi  Silk, E. M., Higashi, R., Shoop, R., andamp; Schunn, C. D. (2010). Designing technology activities that teach mathematics. The Technology Teacher , 69 (4), 21-27

^xxvii  Marzano, Robert J., Debra Pickering, and Tammy Heflebower. The Highly Engaged Classroom. Bloomington, IN: Marzano Research, 2011. Print.

^xxviii  Marzano, Robert J., Debra Pickering, and Tammy Heflebower. The Highly Engaged Classroom. Bloomington, IN: Marzano Research, 2011. Print.

^xxxiii  Raman, Amy BernsteinAnand. “The Great Decoupling: An Interview with Erik Brynjolfsson and Andrew McAfee.” Harvard Business Review, 13 Mar. 2017, hbr.org/2015/06/the-great-decoupling.

^xxxiv  Raman, Amy BernsteinAnand. “The Great Decoupling: An Interview with Erik Brynjolfsson and Andrew McAfee.” Harvard Business Review, 13 Mar. 2017, hbr.org/2015/06/the-great-decoupling.