[论文解读] 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 10

一句话总结

本研究评估了乐高Mindstorms EV3机器人套件在小学阶段（四至七年级）教学计算思维、编程及协作技能方面的有效性。通过采用动手实践、建构主义教学法的结构化课程，包括结构化课程、工作表和评估，该方法显著提升了学生的问题解决能力、项目管理能力和编程技能，其成果体现为成功晋级印度全国世界机器人奥林匹克竞赛。

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.

研究动机与目标

• 调查乐高Mindstorms EV3机器人教育套件在小学阶段儿童中教授计算思维、编程及工程技能的有效性。
• 考察学生在基于机器人学习过程中如何参与问题分解、协作学习及解决方案探索。
• 评估结构化、动手实践课程对学生团队合作、项目管理及时间管理能力发展的影响力。
• 评估可视化编程与实体机器人搭建在提升年轻学习者学习成果中的作用。
• 提供印度机器人教育实施的案例研究，为发展中国家STEM教育的全球知识体系做出贡献。

提出的方法

• 设计并实施了一套使用乐高Mindstorms EV3教育套件的结构化课程，包括课程、工作表及面向小学生的动手实践活动。
• 采用建构主义教学法，结合引导式探究、问题导向学习及协作团队任务。
• 整合可视化编程环境（拖拽式界面），向初学者教授控制流、循环、分支及条件逻辑。
• 通过形成性评估与观察研究，追踪学生表现、问题解决策略及协作动态。
• 组织暑期营以实施课程，并评估学生参与度、技能发展及反馈。
• 以参与并晋级2016年世界机器人奥林匹克竞赛印度国家赛作为学习成果的外部验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 乐高Mindstorms EV3机器人教育套件在促进小学阶段儿童计算思维与编程技能方面有多有效？
• RQ2 学生通过动手机器人教育在问题解决、团队合作及项目管理方面有多大程度的提升？
• RQ3 学生在搭建和编程机器人时，如何开展问题分解与解决方案探索？
• RQ4 学生在基于机器人学习过程中面临的主要挑战是什么，他们如何克服这些挑战？
• RQ5 结构化、动手实践的机器人课程能否带来如竞赛晋级等实际成果？

主要发现

• 78%的学生表示团队合作有助于更有效地解决问题，表明协作学习成效显著。
• 100%的学生认为教师极具帮助，反映出高水平的教学支持与参与度。
• 89%的学生认为计算机编程具有挑战性，凸显了其首次动手编程体验的新颖性与认知负荷。
• 56%的学生将学习计算机编程视为其主要收获，表明已成功掌握基础编程概念。
• 89%的学生表示有兴趣参加高级机器人暑期营，表明其参与度与学习动机持续增强。
• 暑期营学生团队成功晋级2016年世界机器人奥林匹克竞赛印度全国总决赛，成为本课程有效性强有力的实证验证。