Ανάπτυξη υπολογιστικής και επιστημονικής σκέψης μέσα από τον προγραμματισμό ενσώματων αλληλεπιδράσεων με ένα τηλεχειριζόμενο εκπαιδευτικό ρομπότ

Abstract

In recent years, researchers and educators have considered robotics as an inspiring educational tool to promote the comprehension of science, technology, engineering, and mathematics concepts as well as to foster computational thinking and creativity. Contemporary research has explored educational robotics, but it has not examined the development of computational and scientific thinking in the context of programming embodied interactions. In a typical educational robotics activity, children are asked to enliven the robots by creating the appropriate computer programs. The programmer has to think mainly about the goal of the robot and how the robot will interact with the environment. However, there is another important aspect that should also be taken into consideration, and this is if and how the user will physically interact with the robot. Additionally, with the rapid development of digital technologies, such as mobile devices, touchscreens and computer vision, a wide gamut of interfaces is provided to users. Children can interact with digital information more naturally and physically, using personal devices that are appealing to them. Putting forth the notion of “embodied interaction” we are moving away from the conventional keyboard and mouse input devices to touch, speech, hand and full-body interfaces. Recently, there has been a strong push to exploit these interfaces in science and computing education triggered by the views of embodied cognition researchers that physical interactions with the environment through sensorimotor modalities (touch, movement, speech, smell and vision) are essential factors in the construction of knowledge. In this work, we explored the synergy between embodied learning and educational robotics through a series of programming activities. Thus, the main purpose of this dissertation is to investigate whether programming human-robot interfaces and students’ embodied interactions with educational robots can affect the development of their computational and scientific thinking. Two studies were conducted within formal classroom environments. In the first study, we recruited thirty-six middle school students to participate in a six-session robotics curriculum in an attempt to expand their learning in computational thinking. Participants were asked to develop interfaces for the remote control of a robot using diverse interaction styles from low-level to high-level embodiment, such as touch, speech, hand and full-body gestures. We measured students’ perception of computing, examined their computational practices, and assessed the development of their computational thinking skills by analyzing the sophistication of the projects they created during a problem-solving task. We found that students who programmed combinations of low embodiment interfaces or interfaces with no embodiment produced more sophisticated projects and adopted more sophisticated computational practices compared to those who programmed full-body interfaces. These findings suggest that there might be a trade-off between the appeal and the cognitive benefit of rich embodied interaction with a remotely controlled robot. In the second study, we explored the effects of touch and gestural interaction with a tablet and a robot, in the context of a primary education physics course about the notion of friction. For this purpose, fifty-six students participated in a between-groups study that involved four computationally enhanced interventions which correspond to different input and output modalities, respectively: 1) touch-virtual, 2) touch-physical, 3) hand gesture-virtual, and 4) hand gesture-physical. We measured students’ friction knowledge and examined their views. We found that the physical conditions had greater learning impact concerning friction knowledge compared to the virtual way. Additionally, physical manipulation benefited those learners who had misconceptions or limited initial knowledge about friction. We also found that students who used the more familiar touchscreen interface demonstrated similar learning gains and reported higher usability compared to those using the hand-tilt interface. These findings suggest that user interface familiarity should be carefully balanced with user interface congruency, in order to establish accessibility to a scientific concept in a primary education context. Overall, the results of this dissertation suggest that embodiment within robotics can serve as an innovative approach to expand students’ learning in computational and scientific thinking. In this way, the established curriculum of programming an autonomous robot might be complemented with user interactions, as well as with hybrid modes that reflect the variety of human-robot interactions in research and practice. The findings of this dissertation might benefit teachers, assisting them in creating effective robotic interventions with an embodied learning perspective that blends the traditional autonomous robot movement with student enactment.

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να διερευνήσει αν o προγραμματισμός διεπαφών ανθρώπου-ρομπότ και οι μετέπειτα ενσώματες εξ αποστάσεως αλληλεπιδράσεις των μαθητών με εκπαιδευτικά ρομπότ μπορούν να καλλιεργήσουν την ανάπτυξη της υπολογιστικής και επιστημονικής τους σκέψης. Προηγούμενες έρευνες έχουν αναδείξει την εκπαιδευτική ρομποτική ως ένα καινοτόμο εργαλείο για τη διδασκαλία και εκμάθηση επιστημονικών, τεχνολογικών, μαθηματικών και υπολογιστικών εννοιών. Μέσα από διάφορες δραστηριότητες ρομποτικής, οι μαθητές καλούνται αρχικά να δώσουν, μέσω του προγραμματισμού, ζωή στα ρομπότ και στη συνέχεια παρατηρώντας τα να διερευνήσουν αφηρημένες έννοιες, οι οποίες χωρίς τη χρήση των ρομπότ θα ήταν δύσκολο να κατανοηθούν. Ωστόσο, πέρα από το στόχο του ρομπότ και της αλληλεπίδρασης του με το περιβάλλον, μια επιπλέον διάσταση, που θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν, είναι πώς θα αλληλεπιδράσει ο μαθητής με το ρομπότ. Αυτή την προοπτική έρχονται να ενισχύσουν οι ιδέες της ενσώματης μάθησης, κατά την οποία οι ενσώματες αλληλεπιδράσεις με απτικά διαδραστικά αντικείμενα μάθησης, με τη χρήση διαφόρων αισθητηριοκινητικών τρόπων, όπως αφής, κίνησης, ομιλίας, όσφρησης και όρασης, αποτελούν καθοριστικούς παράγοντες στην κατανόηση αφηρημένων εννοιών και την οικοδόμηση της γνώσης. Σε αυτή την εργασία επιδιώχθηκε μια συνέργεια ανάμεσα στην ενσώματη μάθηση και την εκπαιδευτική ρομποτική μέσα από μια σειρά από δραστηριότητες προγραμματισμού. Για τις ανάγκες της διατριβής πραγματοποιήθηκαν δύο έρευνες σε τυπικά σχολικά περιβάλλοντα δευτεροβάθμιας και πρωτοβάθμιας εκπαίδευσης. Στην πρώτη έρευνα ζητήθηκε από τριάντα έξι μαθητές και μαθήτριες ενός Γυμνασίου να αναπτύξουν διεπαφές ανθρώπου-ρομπότ, στις οποίες ο χρήστης αλληλεπιδρά από απόσταση με το ρομπότ, με διαφορετικούς τρόπους ενσώματης αλληλεπίδρασης, όπως μέσω αφής, ομιλίας, χειρονομιών, ή καταδεικτικών κινήσεων ολόκληρου του σώματος. Εξετάσαμε τις υπολογιστικές αντιλήψεις των μαθητών, μελετήσαμε τις υπολογιστικές τους πρακτικές και αξιολογήσαμε την ανάπτυξη της υπολογιστικής τους σκέψης αναλύοντας τα έργα που δημιούργησαν κατά τη διάρκεια μιας δραστηριότητας επίλυσης προβλήματος. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι μαθητές που προγραμμάτισαν πολυτροπικές διεπαφές χαμηλής «σωματοποίησης» (“embodiment”) ή διεπαφές με καθόλου σωματοποίηση δημιούργησαν πιο προχωρημένα έργα και υιοθέτησαν πιο εξελιγμένες υπολογιστικές πρακτικές συγκριτικά με εκείνους που προγραμμάτισαν διεπαφές ολόκληρου σώματος. Τα συγκεκριμένα ευρήματα δείχνουν ότι πρέπει να υπάρχει μια ισορροπία μεταξύ της ελκυστικότητας και του γνωσιακού οφέλους που αποκομίζουν οι μαθητές από τις πλούσιες αισθητηριοκινητικές αλληλεπιδράσεις με ένα τηλεχειριζόμενο εκπαιδευτικό ρομπότ. Στη δεύτερη έρευνα, στο πλαίσιο μιας διδακτικής παρέμβασης στο μάθημα της Φυσικής, ζητήθηκε από πενήντα έξι μαθητές και μαθήτριες δύο Δημοτικών σχολείων να τροποποιήσουν μέσω προγραμματισμού διεπαφές ανθρώπου-ρομπότ, όπου ο χρήστης αλληλεπιδρά με ένα εικονικό ή με ένα φυσικό ρομπότ με δύο διαφορετικούς τρόπους ενσώματης αλληλεπίδρασης, χρησιμοποιώντας είτε την αφή του είτε μέσω χειρονομιών. Δημιουργήσαμε τέσσερις συνθήκες ανάλογα με τον τρόπο αλληλεπίδρασης και την υλική υπόσταση του ρομπότ: 1) αφή-εικονική, 2) αφή-φυσική, 3) χειρονομία-εικονική και 4) χειρονομία-φυσική. Στην προκειμένη περίπτωση, αξιολογήσαμε τις επιστημονικές γνώσεις των μαθητών στην έννοια της τριβής. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι συνθήκες με τα φυσικά ρομπότ είχαν μεγαλύτερο μαθησιακό αντίκτυπο όσον αφορά στις αποκτηθείσες γνώσεις τριβής από ό,τι οι συνθήκες με τα εικονικά ρομπότ. Επιπλέον, οι συνθήκες με τα φυσικά ρομπότ ωφέλησαν περισσότερο τους μαθητές με παρανοήσεις ή περιορισμένες αρχικές γνώσεις στο αντικείμενο της τριβής. Τέλος, οι μαθητές που χρησιμοποίησαν την πιο οικεία απτική “touchscreen” διεπαφή για να κινήσουν τα ρομπότ αποκόμισαν παρόμοια μαθησιακά οφέλη και ανέφεραν μεγαλύτερη «ευχρηστία» (“usability”) από αυτούς που χρησιμοποίησαν τη διεπαφή που βασιζόταν στον αισθητήρα επιτάχυνσης. Τα συγκεκριμένα ευρήματα δείχνουν ότι πρέπει να υπάρχει μια ισορροπία μεταξύ της οικειότητας του μαθητή με τη χρησιμοποιούμενη διεπαφή και της συνάφειας της χειρονομίας με τις νοητικές λειτουργίες και αναπαραστάσεις της προς μάθηση επιστημονικής έννοιας. Συμπερασματικά, τα παραπάνω ευρήματα δείχνουν ότι η σωματοποίηση με τη χρήση εκπαιδευτικών ρομπότ μπορεί να χρησιμεύσει ως μια καινοτόμος προσέγγιση για την ανάπτυξη της υπολογιστικής και επιστημονικής σκέψης των μαθητών. Συνεπώς, η παρούσα διδακτορική διατριβή μπορεί να βοηθήσει στο να αναδειχθούν και να καθοριστούν τα είδη των αισθητηριοκινητικών εμπειριών και οι τρόποι ενσώματης αλληλεπίδρασης με υπολογιστικά αντικείμενα μάθησης που μπορούν να συμβάλλουν στην ανάπτυξη της υπολογιστικής και επιστημονικής σκέψης των μαθητών. Παράλληλα, προσφέρει κατευθύνσεις ώστε τα καθιερωμένα προγράμματα σπουδών τα οποία αφορούν τον προγραμματισμό αυτόνομων ρομπότ να εμπλουτιστούν με τις αλληλεπιδράσεις του χρήστη, καθώς και με υβριδικούς τρόπους έτσι ώστε να αντικατοπτρίζουν την ποικιλία των αλληλεπιδράσεων ανθρώπου-ρομπότ στην έρευνα και στην πράξη. Άρα, σε σχέση με τον τρόπο που υλοποιούνται οι διάφορες παραδοσιακές δραστηριότητες και διαγωνισμοί εκπαιδευτικής ρομποτικής μπορεί να προσφέρει μια διαφορετική υβριδική εκπαιδευτική προσέγγιση, όπου η αυτόνομη κίνηση του ρομπότ συνδυάζεται με την ενσώματη διάδραση του μαθητή.