Et astronomispill: Introdusere solsystemet og verdensrommet basert på Bee-bot/Code og Go-robotene (eller lignende)

Sammendrag: Denne aktiviteten gir en oversikt over hvordan man kan designe og implementere aktiviteter for førskolebarn (3-7 år). Målet med aktiviteten er på den ene siden å lage en modell for evaluering av digitale kompetanser for STEAM-læring, samt å generere moduler for læring for utvikling av STEAM-kompetanser blant lærere på ulike nivåer for undervisning (barndom og første år i grunnskole) ved å bruke en pedagogisk robot. Pedagogisk robotikk har vist seg å være et nyttig og effektivt verktøy i klasserommet for utvikling av kognitive ferdigheter, forbedring av kreativitet eller løsning av utfordringer foreslått av lærere. Det introduseres vanligvis i grunnskolen (>6 år), men vi tror at tidlig innføring av grunnleggende robotikk og andre aktiviteter som involverer teknologi blir stadig mer nødvendig. Nøkkelord: Gameification, pedagogisk robot, utvidet virkelighet (AR), solsystem Ressurslisten: Én programmerbar pedagogisk robot (Bee-bot eller Code & Go-robot) for hvert team (2-4 medlemmer) av elever; printer og papp/papir; én kontrollerende enhet (iPad eller Android-nettbrett for en AR-opplevelse) for hvert student-team med en Augmented Reality-app for visning installert. Kan utføres på gulvet eller på et bord.

Pedagogisk robotikk har vist seg å være et nyttig og effektivt verktøy i klasserommet for utvikling av kognitive ferdigheter, forbedring av kreativitet eller løsning av utfordringer foreslått av lærere. Det introduseres vanligvis i grunnskolen (>6 år), men vi tror at tidlig innføring av grunnleggende robotikk og andre aktiviteter som involverer teknologi blir stadig mer nødvendig. Våre aktivitetsforslag har blitt testet med suksess i flere institusjoner. Vår anbefaling er å jobbe med kalkulerende tenking basert på datamaskin, uten enheter (frakoblet robotikk), i fase 1. Det er et forslag til berikelse som inkluderer Augmented Reality for en fase 2, avhengig av barnas egenskaper. 1. Solsystemet og læreplanene i barnehagen

De offisielle læreplanene inkluderer forpliktelsen til å lære om solsystemet og elementer knyttet til verdensrommet fra en tidlig alder. I barnehagen er barn allerede på en grunnleggende måte informert om noen elementer og egenskaper ved solsystemet, for eksempel at det har fått navnet sitt fra stjernen som okkuperer midten av systemet og at den er "veldig gammel" (ca. 4600 millioner år gammel). Eller at ulike astronomiske- eller himmellegemer går i bane rundt solen. 

Solen, som er en stjerne, har sitt eget lys og genererer en stor mengde energi i motsetning til planetene som ikke genererer sitt eget lys. På dette stadiet kan barn også bli introdusert for typene planeter så vel som de største planetene. I rekkefølge av nærhet til solen kan vi nevne endoplanetene: Merkur, Venus, Jorden og Mars. Barn kan også lære at disse 4 planetene nærmest Solen er små og steinete, i motsetning til de andre 4 planetene lengst fra Solen, som er gassgiganter. På dette stadiet kan lærere veksle mellom presentasjonen av fotografier og barns tilpasninger av solsystemet. (Fig. 1).

Barn bør også vite om de fire store eksoplanetene: Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun. Barn kan også lære om asteroider: Bak de fire eksoplaneten er det et asteroidebelte kalt Kuiper-beltet (circumstellar disk i det ytre solsystemet bak Neptun, mye mer omfattende, 20 ganger bredere og 20 til 200 ganger mer massivt enn asteroidebeltet bak Mars).

I de teoretiske sesjonene innen denne aktiviteten kan vi også diskutere eksistensen av andre himmellegemer som er tilstede i solsystemet: i tillegg til de største planetene, de mindre planetene eller dvergplanetene, naturlige satellitter, asteroider (meteoritter er fragmenter av asteroider) og kometer (fragmenter av is, stein og gass; Fig.2).

II hovedaktiviteten er noen mindre planeter eller dvergplaneter inkludert. Blant dem finner vi Pluto, som frem til 2006 var ansett som den minste planeten i solsystemet, og nå er klassifisert som en dvergplanet. På grunn av sin store størrelse, sammenlignet med de andre dvergplanetene regnes Pluto som "kongen av Kuiper-beltet". Pluto er veldig lik Ceres, Makemake og Eris i størrelse. I tillegg til Månen, satellitten som går i bane rundt jorden, kan det forklares at andre planeter har sine "egne måner" (naturlige satellitter som går i bane rundt dem), hver med sitt eget navn, selv om det på dette nivået ikke er nødvendig å lære navnene deres. Når det gjelder naturlige satellitter, så har Merkur og Venus ingen. Mars har 2, giganten Jupiter har 67 (en av de største av dem heter "Europa").  Saturn har 61, Uranus 27 og Neptun 13.

Andre begreper som kan forklares på dette utdanningsstadiet er rotasjonen av planetene rundt Solen (bane), som er forskjellig fra rotasjonen til Solen og planetene på deres egen akse (rotasjon). Nicolaus Copernicus (1400-tallet) og Galileo Galilei (1500-tallet) kan introduseres på dette punktet. Når det gjelder Månen er andre elementer som kan introduseres de synlige endringene som kan oppdages på det synlige ansiktet til Eraths naturlige satellitt under en "månesyklus" ("månefasene"), som forklarer hvordan delen vi ser (den synlige opplyste delen av måneoverflaten) varierer i henhold til dens posisjon i forhold til jorden og solen. På denne måten kan barn lære begrepene nymåne, halvmåne, avtagende måne og fullmåne. På dette tidspunktet kan begrepet «formørkelse» introduseres: solformørkelse når månen passerer foran solen og kaster skyggen sin på jorden; og måneformørkelse når månen passerer gjennom jordens skygge. Kulturelle elementer knyttet til Månen og dens faser kan også introduseres.

På dette stadiet i utdanningen kan andre antropiske problemstillinger allerede introduseres, for eksempel romfart eller gjenstander som skytes ut i verdensrommet. Når det gjelder den første saken er romreiser de som finner sted i verdensrommet. La oss huske at når disse turene overskrider jordens og månens bane kalles de inter-planetære turer og overlater navnet på de inter-stellare turer til de som forlater solsystemet. Denne typen turer og oppskyting av gjenstander (som kommunikasjonssatellitter eller romsonder) har blitt utført til dags dato for forskjellige formål: vitenskapelige, militære, kommunikasjon, og nå... til og med for turisme. Rundt dette temaet dukker det opp nye utfordringer som etablering av stabile baser på månen, eller opprettelsen av den første baseleiren på Mars.

Denne delen beskriver en aktivitet, dens pedagogiske mål og materialene som foreslås utviklet. Aktiviteten er designet for å kunne gjennomføres sammen med en programmerbar pedagogisk robot (PER), slik som mange av de som er tilgjengelige på markedet i dag (fig. 3).  Den foreslåtte PER for dette stadiet er lett programmerbar av barn og lærere uten behov for å bruke nettbrett eller andre enheter. Lærere vil kunne utvikle aktivitetsmateriellet med «tradisjonelle» midler eller ved å utnytte muligheten til å forbedre sine digitale ferdigheter. Introduksjonen av PER og teknologier (som AR) i denne aktiviteten søker å forbedre effektiviteten av innvending i undervisning (generere større interesse, motivasjon og aktivt engasjement hos elevene under læring), fremme større individuell og kollektiv interaksjon med elever (lærer-elev), samtidig som de legger til rette for generering av samarbeidsmiljøer, kommunikasjon og samarbeid mellom barn. I tillegg til å oppmuntre til deltakelse og involvering, fasilitere innføringen av PER og de foreslåtte aktivitetene utviklingen av kalkulerende tenking basert på datamaskin, samtidig som det arbeides med visuell-romlig prosessering.

Det første trinnet er alltid å etablere de pedagogiske målene for aktiviteten som skal gjennomføres basert på det obligatoriske i læreplanen. I dette tilfellet bidrar den grunnleggende aktiviteten (og de foreslåtte komplementære eller berikende handlingene) til å oppnå målet for ferdigheter på dette stadiet eller syklusen for utdanning; spesielt til en del av de generelle målene for "området av kunnskap for miljøet" og gjennom et av forslagene til berikelse, for «området for selvkunnskap». Blant annet er målene for området kunnskap om miljøet å observere og utforske det naturlige miljøet; å utvikle kreativitet og initiere i kunnskap om vitenskaper.

•  Å kjenne noen elementer i universet, solsystemet (planeter og noen himmellegemer inkludert posisjonen og egenskapene til planeten Jorden sammenlignet med de andre planetene i solsystemet); rotasjonen av planetene rundt solen og om seg selv; månen (faser og formørkelser) og eksistensen av andre "måner" eller naturlige satellitter som kretser rundt andre planeter.
• Å lære om romfart, oppfinnelser og teknologier som brukes til å utforske verdensrommet (som raketter eller den internasjonale romstasjonen) og for våre daglige liv (som kommunikasjonssatellitter).
• Å utøve grunnleggende forestillinger om måling og sammenligninger basert på: stor/liten, større enn/lenger enn, kaldere enn/ etc....
•   Å bygge deres egne berikende elementer av aktiviteten. (ifølge de foreslåtte utfordringer)
•  Å ta vare på materialene og robotene.
• Å hjelpe klassekamerater som trenger det med å programmere roboten og respektere hvem sin tur det er.

Roboten PER) vil bli valgt avhengig av tilgjengelige økonomiske ressurser, antall elever, osv. Noen få kommersielle PER er tilgjengelig på markedet (fig. 3). Programmering av roboter er veldig enkelt og krever bare å spesifisere handlingene roboten må gjøre, for eksempel hvor mange skritt roboten må ta forover eller bakover, svinge til venstre eller høyre, eller utføre andre handlinger (for eksempel generere støy eller musikk, slå på lys osv.) Disse handlingene spesifiseres ved å klikke gjentatte ganger på knappene som er integrert i dekselet deres (minste nødvendige bevegelser: fremover, bakover, sving til venstre, sving til høyre). Robotprodusentens nettsider eller instruksjonsbrosjyrer gir detaljer om hvordan du bruker roboten.

Det kan virke opplagt, men det er viktig å sjekke om robotene er skikkelig ladet før du starter økten. Noen pedagogiske roboter er batteridrevne, mens andre lades via USB-tilkobling. Spillebrett/musematte. Det finnes en nedlastbar modell i pdf-format for direkte utskrift. Du kan også laste ned kortene som du kan bygge en tilpasset matte eller brett med (ved å bruke Indesing, Coreldraw, Illustrator, etc.; Fig.4). Som et eksempel er 4x4 rutematter gitt, men det er mulig å bygge matter manuelt med et større antall spillruter og gjenta noen elementer (for eksempel legge til asteroider for å avgrense områder der det ikke er mulig å passere). Den nedlastbare modellen er dimensjonert for en spesifikk pedagogisk robot, så rutene og spillebrikkene er 12,5 cm ruter, som er den avstanden som den valgte roboten (Code&Go®) reiser i hver puls (for eksempel i tilfellet med Bee-bot-roboten, er denne avstanden 20 cm).

«Vanlige kort» brukes for eksempel for å kunne fortelle barna hvor de skal ta roboten sin til (fig. 4, ned). De brukes også for å kunne kommentere/spørre om enkelte spørsmål knyttet til det generelle emnet som er valgt. For eksempel for å introdusere et emne: hva en kunstig satellitt er og hva den brukes til. "Spesielle diagrammer" kan brukes til å vise planetene i utvidet virkelighet. I dette tilfellet er det nødvendig å bruke en ny komponent som tillater visualisering, for eksempel en smarttelefon eller et nettbrett (se Forbedre aktiviteten). Kortene og andre komponenter må skrives ut (blekk/laser) eller produseres på annen måte (håndlaget eller leie en profesjonell tjeneste (som PrintNinja)^[1] eller BoardgamesMaker^[2]). Sjekk at du har alle spillekortene som trengs for emnet du ønsker å utvikle i økten. Bestem om du skal bruke en spillematte eller om du skal bruke symboler med den valgte robotens forskyvningsdimensjon. I tilfelle du skal utføre komplementære aktiviteter, sjekk at du har de nødvendige materialene (f.eks. tusjer, modelleringsleire, papp osv.). Forbered en fortelling som passer til emnet som skal dekkes under økten (for å lære om planetene, månens faser, romfart osv.). Sjekk at handlingen i historien (fortelling) og den foreslåtte aktiviteten (spillet) integrerer alle de ønskede konseptuelle og pedagogiske elementene for å møte de pedagogiske målene for økten.

Det er ikke ett enkelt alternativ for utvikling av aktiviteten, så det er flere valg før du forbereder en økt eller workshop med barna. Når typen spillematte som skal spilles med er bestemt er neste trinn å bestemme om aktiviteten som skal utvikles skal være utforskende, samarbeidende eller konkurransepreget, for deretter å kommunisere "spillereglene" som skal følges. Mekanikken må defineres og kommuniseres (hvordan velge «destinasjonene» som roboten skal dirigeres til, om det er noen svinger eller om spillet skal spilles samtidig, om det vil være noen form for anerkjennelse eller belønning). Det er mulig å starte med å "utforske", og i påfølgende økter kan innholdet som skal læres og forstås skisseres. Det er enkelt å begynne å bruke roboten med en forhåndsdesignet matte fra læreren og velge "destinasjoner" ved å bruke terninger eller velge kort, slik at barna kan lære planetene. Barn må programmere roboten til å bevege seg fra én planet til en annen, og programmeringen kan være individuelt, i par eller i grupper. Barn kan også lage sin egen krets ved hjelp av kortene og deretter bruke roboten til å flytte på disse kortene som om det var en lekematte (fig. 5).

Se så gjennom hva de har lært ved å lage en kort-basert matte der de blir bedt om å sette planetene i rekkefølge ved å bruke «Sol»-kortet som utgangspunkt. Barna vil programmere trinnene som roboten skal ta for å komme seg fra et valgt punkt til et annet. Flytt for eksempel roboten fra Jorden til Jupiter uten å gå gjennom kortet/symbolet som representerer asteroider. Barna vil programmere trinnene som roboten må ta for å komme seg fra et valgt punkt til et annet. Flytt for eksempel roboten fra Jorden til Jupiter uten å gå gjennom kortet/symbolet som representerer asteroider. Når barna har lært å bruke roboten og er kjent med planetene, himmellegemene, begreper som rotasjon eller månens faser kan aktiviteter av større kompleksitet gjennomføres (høyere lekenivå eller introdusere konkurranseevne/samarbeid) ved å inkludere komponenter til spillet som de populære utmerkelsene, gi belønninger osv.  Når planetene er kjent og etter å ha tatt opp romfart i klasserommet kan en aktivitet basert på «aktiv læring» foreslås (prosjektbasert læring, problembasert læring, læring ved oppdagelse, etc...). For eksempel å sette opp en "base/leir på Mars" (i klasserommet), som starter med et enkelt drivende spørsmål som: hva trenger vi for å sette opp leiren og bo på Mars? I dette tilfellet kan barn for eksempel bruke PER som en oppdagelsesrobot for å transportere det de vil ta fra en leir til en annen. I hver utfordring eller aktivitetsforslag bør læreren tydelig si:

Materialet er utformet på en slik måte for å fasilitere involvering fra elevene og fasilitere utviklingen av ulike, men relaterte aktiviteter basert på bruk av modifisert mekanikk og spillkomponenter. Materialet i aktivitetsforslaget tillater en enkel introduksjon av nye komplementære handlinger, avhengig av utdanningsbehovene til hver klasse. Mulighetene for komplementaritet eller forbedring er mange. I denne delen foreslår vi at lærere introduserer Utvidet Virkelighet (AR). AR vil tillate elevene å bli introdusert til en "annerledes virkelighet" tilrettelagt av teknologi i læreres hender i et trygt miljø. Det vil også bidra til å gi barna en korrekt romlig (3D) visning av elementene som skal læres i aktiviteten (dvs. planetene) i stedet for å bare vise statiske bilder. Ved å bruke terminologien til European Framework for Digital Competence of Educators (DiGCompEdu), tar vi for oss aktivitetsberikende trinn for de som fremdeles har digitale ferdigheter på nivåene A1 (nybegynner) og A2 (utforsker), men som ønsker å eksperimentere med nye formater og pedagogiske metoder i sine aktiviteter. Elementene som er nødvendige for å inkorporere AR vil bestå av både maskinvare og programvare. Maskinvare refererer til enheten som brukes til visualisering av utvidet virkelighet, der den må ha en skjerm med bilder av det virkelige miljøet (fanget med enhetens kamera) og virtuelle bilder som utfyller scenen (for eksempel en 3D-planet som dukker opp fra brettet) er overlappet. Denne enheten kan være en hvilken som helst smarttelefon eller nettbrett, men hvis en eldre enhet eller en enhet av lavere kvalitet benyttes kan ytelsen være svært lav og ødelegge opplevelsen.

Programvare refererer til applikasjonen installert inne i enheten som må kjøres for å utføre dette bildeoverlegget på skjermen. Det er i utgangspunktet to alternativer her. På Erasmus+ STEAM UpGrade-prosjektnettstedet tilbyr vi en nedlastbar app som fungerer automatisk med brikkene som er gitt for solsystem-tavlen og knytter en animert 3D-modell av den tilsvarende planeten eller objektet til hver brikke.   I tilfelle du ønsker å tilpasse assosiasjonen av andre bilder (deler av tavlen) med andre 3D-modeller må du ty til generiske apper som MyWebAR^[5] eller ARViewer^[6], som kan ha noen begrensninger . På den ene siden, selv om de er applikasjoner beregnet på brukere uten mye teknisk kunnskap, kan de være kompliserte å bruke hvis vi ønsker genuin tilpasning. På den andre siden kan gratisversjonene av disse applikasjonene ha begrensninger for hvilke type bilder (for eksempel tillater MyWebAR kun bruk av QR-koder i gratisversjonen) eller i antall forskjellige modeller som kan vises. Det utvidede bildet av planeten kan også være ledsaget av stemmeinnspilling og/eller tekst, enten for å gi litt komplementær informasjon, eller for å gi en utfordring.

• Rom-søppel eller søppel (hva er rom-søppel og hvorfor er det farlig for oss?); kunstige satellitter og romsonder (hva brukes de til?).

• Å bo på en annen planet (hva ville du tatt med deg til en leir på Mars? Hvilke regler ville du satt for å bo i den leiren?) …

Elever med spesielle pedagogiske behov (SEN) kan ha nytte av bruk av pedagogiske roboter og aktiviteter som den som er foreslått, selv om endringer vil måtte gjøres.

Når det gjelder begavede barn er ikke den presenterte modellen av PER den mest anbefalte fordi den er for enkel å programmere. Det anbefales å bruke robotene som er foreslått for grunnskoleaktiviteter og til og med ungdomsskoleaktiviteter. I disse tilfellene vil det være nødvendig å vurdere hvor praktisk det er å lage forslag til spill (utfordringer) som introduserer en høyere vanskelighetsgrad. For eksempel å få dem til å beregne avstander visuelt, uten bruk av kort.

Når det gjelder elever med lærevansker må egenskapene til hvert barn vurderes før roboten velges, spesielt når det gjelder ASD-barn. Du bør for eksempel merke deg om lydene eller blinkene forstyrrer barn med en viss følsomhet. Når det gjelder barn med ADHD kan bruken av roboten forbedre deres oppmerksomhet og impulskontroll. I begge tilfeller er det alltid lurt at disse barna lærer å betjene roboten før de gjør aktivitetene med gruppen slik at de får bedre kontroll og selvtillit.

Et av problemene som ofte oppstår i begynnelsen av bruken av denne typen pedagogiske robotmodeller er at barnet forstår at absolutt alle bevegelsene som skal utføres av roboten må programmeres. Bevegelsen som skal utføres av roboten må brytes ned til alle trinnene i programmeringen. Dette er en funksjon ved programmering som bør forstås godt av barn. For å forsikre forståelse er det lurt å starte med å bruke små kort for å markere bevegelsesretningen, eller å planlegge bevegelsene før programmering med knappene (fig. 7).

I begynnelsen var konsekvensen av å trykke på "snu-knappen" og tro at roboten snur seg og beveger seg fremover den vanligste feilen som ble observert. Nei, barn må forstå at rotér og forover er to forskjellige kommandoer som må programmeres. Å ikke forstå dette trinnet fører til feil som kan ende opp med å generere frustrasjon, spesielt hos barn med spesielle behov. Det er derfor svært viktig å øve til «hele gruppen» har forstått dette.

Denne STEAM-workshopen for læring gjennom aktivitet er ment for å gjøre førskolelærere (og grunnskolelærere) kjent med Educational Robots (ER) og utformingen av spillebrikker ved hjelp av forskjellige programmer (eksempler: Paint 3D, Illustrator, Photoshop, GIMP). Spesielt introduserer denne aktiviteten maskinvare og programvare for ER-relaterte konsepter til lærere uten noen tidligere robotikk-erfaring, og gir dem noen eksempler og diskusjoner om faktiske klasseromsaktiviteter.  Denne aktiviteten kan utvikles med forskjellige variasjoner av spill, avhengig av barnas egenskaper og antall tilgjengelige roboter for gruppen av barn. Vi anbefaler et forhold på 1 robot: Maks 4 barn. Vi anbefaler ikke at barn leker alene (med unntak av spesielle behov). På denne måten må barna dele materiell og vente på deres tur til å snakke.

I begynnelsen av workshopen vil alt materiell bli testet.  Deltakerne får grunnleggende informasjon om roboten og materialene som skal brukes. Samt behovet for å ta vare på materialene for å kunne gjøre nye aktiviteter på påfølgende dager. Akkurat som astronauter gjør når de reiser til verdensrommet, jobber de i grupper, hjelper andre lag, og tar vare på materialer.

I begynnelsen av workshopen forsyner vi deltakerne med materialene, begrepene og konseptene som trengs under aktiviteten: teoretiske konsepter knyttet til solsystemet.

De første minuttene av aktiviteten vil gå ut på å forklare betydningen av knappene på roboten (som skal være romskipet vårt). Før man begynner å bruke solsystemets materialer må det gjennomføres flere øvelser for å sjekke at de har forstått godt nok hvordan stegene til roboten er programmert. Under aktiviteten gir utmerkelser og andre elementer tilbakemelding til barna på deres fremgang. Det anbefales at aktiviteten gjennomføres i ca. 45 minutter, og at man alltid reserver noen minutter på slutten av timen for å samle inn barnas kommentarer: hvis de likte å programmere roboten; om de hadde problemer og hvordan de hjalp seg selv; hva de likte best med det de lærte, osv.

• San Martin, J. Peribañez, E. (2021); Robótica y tecnologías emergentes aplicadas a la innovación educativa; Ed. Dykinson; ISBN 9788413779928
• Benitti, F. (2019); Exploring the educational potential of robotics in schools: A systematic review; Computers and Education, 58(3):978–988; https://doi.org/10.1016/j.compedu.2011.10.006
• Ümmü Gülsüm Durukan, Ebru Turan Güntepe & Necla Dönmez Usta (2022); Evaluation of the Effectiveness of Augmented Reality-Based Teaching Material: The Solar System; International Journal of Human–Computer Interaction; DOI: 10.1080/10447318.2022.2121041
• Leoste, J. Pastor, L. San Martín, J. Garre, C. Seitlinger, P. Martino, P. Peribañez, E. (2020); Using Robots for Digital Storytelling. A Game Design Framework for Teaching Human Rights to Primary School Students; International Conference on Robotics in Education (RiE).