[論文レビュー] An Experimental Study on the Learning Outcome of Teaching Elementary Level Children using Lego Mindstorms EV3 Robotics Education Kit

Vidushi Chaudhary, Vishnu Agrawal+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2016

Teaching and Learning Programming参考文献 8被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、小学校低学年〜中学年（4年生〜7年生）の児童に対して、計算的思考、プログラミング、協働スキルを教えるために、Lego Mindstorms EV3 ロボットキットの有効性を評価している。構造化されたレッスン、ワークシート、評価を含む、実践的で構成主義的なカリキュラムを採用した結果、生徒の問題解決能力、プロジェクト管理能力、プログラミング能力が著しく向上し、インドの全国的ロボットオリンピックに進出するに至った。

ABSTRACT

Skills like computational thinking, problem solving, handling complexity, team-work and project management are essential for future careers and needs to be taught to students at the elementary level itself. Computer programming knowledge and skills, experiencing technology and conducting science and engineering experiments are also important for students at elementary level. However, teaching such skills effectively through active learning can be challenging for educators. In this paper, we present our approach and experiences in teaching such skills to several elementary level children using Lego Mindstorms EV3 robotics education kit. We describe our learning environment consisting of lessons, worksheets, hands-on activities and assessment. We taught students how to design, construct and program robots using components such as motors, sensors, wheels, axles, beams, connectors and gears. Students also gained knowledge on basic programming constructs such as control flow, loops, branches and conditions using a visual programming environment. We carefully observed how students performed various tasks and solved problems. We present experimental results which demonstrates that our teaching methodology consisting of both the course content and pedagogy was effective in imparting the desired skills and knowledge to elementary level children. The students also participated in a competitive World Robot Olympiad India event and qualified during the regional round which is an evidence of the effectiveness of the approach.

研究の動機と目的

• 小学校低学年〜中学年児童に対して、Lego Mindstorms EV3 ロボット教育キットが計算的思考、プログラミング、工学的スキルを教える有効性を調査すること。
• ロボットベースの学習を通じて、生徒が問題の分解、協働学習、解決策の探求にどのように関与するかを検討すること。
• 実践的で構造化されたカリキュラムが、生徒の協働作業、プロジェクト管理、時間管理能力の発達に与える影響を評価すること。
• 視覚的プログラミングと物理的ロボットの組み立てが、若年層の学習効果をどのように向上させるかを評価すること。
• インドにおけるロボット教育の実装事例を提示し、発展途上国におけるSTEM教育分野のグローバルな知的蓄積に貢献すること。

提案手法

• 小学校低学年向けに、レッスン、ワークシート、実践的活動を含む、構造化されたカリキュラムを設計・実装し、Lego Mindstorms EV3 Education Kit を使用した。
• 誘導的探求、問題に基づく学習、協働チームタスクを組み合わせた構成主義的教育的アプローチを採用した。
• 初心者向けに制御フロー、ループ、分岐、条件分岐の概念を教えるために、視覚的プログラミング環境（ドラッグアンドドロップインターフェース）を統合した。
• 形成的評価と観察研究を実施し、生徒の成績、問題解決戦略、協働のダイナミクスを追跡した。
• カリキュラムを提供するためのサマーキャンプを実施し、生徒の関与度、スキルの習得、フィードバックを評価した。
• World Robot Olympiad India 2016 への参加および進出を、学習成果の外部的妥当性の証明として用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Lego Mindstorms EV3 ロボット教育キットは、小学校低学年〜中学年児童の計算的思考およびプログラミング能力の育成にどの程度有効であるか。
• RQ2 実践的ロボット教育を通じて、生徒は問題解決、協働作業、プロジェクト管理の面でどの程度向上するか。
• RQ3 ロボットの構築とプログラミングの過程で、生徒は問題の分解と解決策の探求をどのように行うか。
• RQ4 ロボットベースの学習において、生徒が直面する主な課題は何か。また、それらの課題はどのように克服されるか。
• RQ5 構造化された実践的ロボット教育カリキュラムは、コンテスト進出などの実質的な成果をもたらすことができるか。

主な発見

• 78％の生徒が、チームワークのおかげで問題を効果的に解決できたと報告しており、協働学習の成果が顕著である。
• 100％の生徒が、指導者に対して非常に役立ったと感じており、指導の質の高さと関与度の高さがうかがえる。
• 89％の生徒が、コンピュータプログラミングが難しいと感じており、初めての実践的プログラミング体験の新規性と認知的負荷の高さがうかがえる。
• 56％の生徒が、コンピュータプログラミングの学習を主な収穫と特定しており、基礎的なプログラミング概念の習得に成功していることが示唆される。
• 89％の生徒が、上級ロボットサマーキャンプへの参加を希望しており、継続的な関与とモチベーションの維持が確認された。
• サマーキャンプに参加したチームは、World Robot Olympiad India 2016 の全国予選に進出した。これは、カリキュラムの有効性を強く裏付ける実証的証明である。