[논문 리뷰] An Experimental Study on the Learning Outcome of Teaching Elementary Level Children using Lego Mindstorms EV3 Robotics Education Kit

Vidushi Chaudhary, Vishnu Agrawal외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 30.

Teaching and Learning Programming참고 문헌 8인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 초등학교 4~7학년 학생들에게 계산적 사고, 프로그래밍 및 협업 능력을 기르는 데에 레고 마인드스토밍스 EV3 로봇 키트의 효과성을 평가한다. 정해진 수업, 워크시트, 평가를 포함한 실습 중심의 구성주의 교육과정을 통해 학생들의 문제 해결 능력, 프로젝트 관리 능력 및 프로그래밍 능력이 크게 향상되었으며, 이는 인도에서 열린 전국 릴레이션 월드 로봇 올림피아드에 진출한 것으로 입증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초등학교 저학년 학생들에게 계산적 사고, 프로그래밍 및 공학 능력을 기를 수 있도록 레고 마인드스토밍스 EV3 교육 키트의 효과성을 조사하기 위해.
• 로봇 기반 학습 과정에서 학생들이 문제 분해, 협업 학습 및 해결책 탐색에 어떻게 참여하는지 분석하기 위해.
• 실습 중심의 체계적인 교육과정이 학생들의 팀워크, 프로젝트 관리 및 시간 관리 능력 발달에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 시각적 프로그래밍과 실제 로봇 조립이 어린이 학습자의 학습 성과를 어떻게 향상시키는지 평가하기 위해.
• 인도에서의 로봇 교육 구현 사례를 제공하여 개발도상국에서의 STEM 교육에 관한 글로벌 지식 기여를 위해.

제안 방법

• 초등학생 대상으로 수업, 워크시트 및 실습 활동을 포함한 체계적인 교육과정을 설계하고 구현하였다. 이 과정에서 레고 마인드스토밍스 EV3 교육 키트를 사용하였다.
• 가이드드 인quiries, 문제 기반 학습 및 협업 기반 팀 과제를 포함한 구성주의 교육 철학을 적용하였다.
• 초보자 대상으로 제어 흐름, 반복문, 분기문 및 조건부 논리 등을 가르치기 위해 시각적 프로그래밍 환경(드래그 앤 드롭 인터페이스)을 통합하였다.
• 형성 평가 및 관찰 연구를 통해 학생들의 성과, 문제 해결 전략 및 협업 역학을 추적하였다.
• 교육과정을 제공하기 위해 여름 캠프를 운영하고, 학생들의 참여도, 능력 향상 및 피드백을 평가하였다.
• 월드 로봇 올림피아드 인도 2016 대회 참가 및 진출 여부를 학습 성과의 외부 검증 기준으로 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레고 마인드스토밍스 EV3 로봇 교육 키트는 초등학교 저학년 학생들의 계산적 사고 및 프로그래밍 능력 향상에 얼마나 효과적인가?
• RQ2 실습 기반의 로봇 교육을 통해 학생들은 문제 해결, 팀워크 및 프로젝트 관리 능력에서 얼마나 향상되는가?
• RQ3 로봇을 조립하고 프로그래밍할 때 학생들은 문제 분해와 해결책 탐색을 어떻게 접근하는가?
• RQ4 로봇 기반 학습 과정에서 학생들이 겪는 주요 과제는 무엇이며, 이를 어떻게 극복하는가?
• RQ5 체계적이고 실습 중심의 로봇 교육 과정이 경연 대회 진출과 같은 구체적 성과로 이어질 수 있는가?

주요 결과

• 78%의 학생들이 팀워크가 문제 해결에 효과적이라고 응답하여 협업 학습의 성과가 뚜렷하게 나타났다.
• 100%의 학생들이 강사의 도움이 매우 유용하다고 평가하여 높은 수준의 지도 지원과 참여도를 반영하였다.
• 89%의 학생들이 컴퓨터 프로그래밍이 어렵다고 느꼈으며, 이는 첫 실습 프로그래밍 경험의 신선함과 높은 인지 부담을 반영한다.
• 56%의 학생들이 프로그래밍 학습을 자신의 주요 수업 수혜로 꼽아 기초 프로그래밍 개념 습득에 성공함을 보여주었다.
• 89%의 학생들이 고급 로봇 여름 캠프에 참가하고 싶다고 응답하여 지속적인 참여도와 동기 부여가 유지됨을 시사한다.
• 여름 캠프에 참가한 팀은 월드 로봇 올림피아드 인도 2016 전국 결승전에 진출하여 교육과정의 효과성에 대한 강력한 경험적 검증이 되었다.