Ανάπτυξη υπολογιστικής και επιστημονικής σκέψης μέσα από τον προγραμματισμό ενσώματων αλληλεπιδράσεων με ένα τηλεχειριζόμενο εκπαιδευτικό ρομπότ
Authors: Μερκούρης Αλέξανδρος 
Published: September 2021

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.