Astronoomiamäng: päikesesüsteemi ja avakosmose tutvustus põhineb robotitel Bee-Bot / Code and Go (või sarnasel)

Lühike sisukokkuvõte: See tegevus annab ülevaate, kuidas kavandada ja läbi viia tegevusi eelkooliealistele lastele (3–7-aastased). Tegevuse eesmärk on luua MATIK-õppe digipädevuste hindamise mudel ning koostada õppemooduleid MATIK-pädevuste arendamiseks erinevate õpetamistasemete (lapsepõlv ja alglasside esimene õppeaasta) õpetajate seas, kasutades õpperobotit. Õpperobootika on osutunud kasulikuks ja tõhusaks vahendiks klassiruumis kognitiivsete oskuste arendamiseks, loovuse parandamiseks või õpetajate pakutud ülesannete lahendamiseks. Tavaliselt võetakse õpperobootika kasutusele algkoolis (> 6-aastased), kuid usume, et robootika ja muude tehnoloogiaga seotud tegevuste varajane juurutamine muutub üha vajalikumaks. Märksõnad: Mängustamine, haridusrobot, liitreaalsus (AR), päikesesüsteem Ressursside loend: Iga õpilaste meeskonna (2–4 liiget) kohta üks programmeeritav õpperobot (Bee-Bot või Code & Go robot); printer ja papp/paber; üks juhtseade (iPad või Android-tahvelarvuti liitreaalsuse kogemuseks), millesse on paigaldatud liitreaalsuse vaatamise rakendus, igale õpilaste meeskonnale. Tegevust saab läbi viia põrandal või laual.

Haridusrobootika on osutunud kasulikuks ja tõhusaks vahendiks klassiruumis kognitiivsete oskuste arendamiseks, loovuse parandamiseks või õpetajate pakutud ülesannete lahendamiseks. Tavaliselt võetakse see kasutusele algkoolis (> 6-aastased), kuid usume, et robootika ja muude tehnoloogiaga seotud tegevuste varajane juurutamine muutub üha vajalikumaks. Meie väljapakutud tegevusi on edukalt testitud mitmes asutuses. Meie soovitus on esimeses etapis harjutada raalmõtlemist ilma seadmeteta (lahti ühendatud robootika). Teema jaoks on, olenevalt laste isikuomadustest, ettepanek “edasijõudnuile”, mis hõlmab teise etapi jaoks liitreaalsust. 1. Päikesesüsteem ja lasteaia õppekavad Ametlikes õppekavades nähakse päikesesüsteemi ja kosmosega seotud elementide tundmaõppimist ette juba varakult. Lasteaias räägitakse lastele lihtsal viisil mõnedest päikesesüsteemi elementidest ja omadustest, näiteks sellest, et see on saanud oma nime süsteemi keskpunktis oleva tähe järgi ja et see on „väga vana“ (umbes 4600 miljonit aastat vana). Või et Päikese ümber tiirlevad erinevad taevakehad.  Päikesel kui tähel on oma valgus ja see genereerib suurel hulgal energiat erinevalt planeetidest, mis ise valgust ei genereeri. Selles etapis saab lastele tutvustada ka planeetide tüüpe ja suuremaid planeete. Päikesele kõige lähemalt alustades võime mainida järgmisi planeete: Merkuur, Veenus, Maa ja Marss. Samuti saavad lapsed teada, et need neli Päikesele kõige lähemal asuvat planeeti on väikesed ja kivimipõhised, erinevalt ülejäänud neljast Päikesest kaugemal asuvast planeedist, mis on gaasihiiud. Selles etapis võivad õpetajad näidata vaheldumisi fotosid ja lastele kohandatud päikesesüsteemi kujutisi (joonis 1).

Lapsed peaksid teadma ka ülejäänud nelja suurt planeeti: Jupiter, Saturn, Uraan ja Neptuun. Samuti saavad lapsed õppida tundma asteroide. Nelja suure planeedi taga on asteroidide vöö, mida nimetatakse Kuiperi vööks (päikesesüsteemi kaugemas piirkonnas Neptuuni taga asuv tähte ümbritsev ketas, palju ulatuslikum, 20 korda laiem ja 20–200 korda massiivsem kui Marsi taga asuv asteroidide vöö).

Selle tegevuse teoreetilises osas saame arutada ka teiste päikesesüsteemis esinevate taevakehade olemasolu: lisaks suurtele planeetidele väike- ja kääbusplaneedid, looduslikud satelliidid, asteroidid (meteoriidid on asteroidide killud) ja komeedid (jää-, kivimi- ja gaasiosakesed; joonis 2). 

Põhitegevusse on kaasatud mõned väikeplaneedid või kääbusplaneedid. Nende hulgas on Pluuto, mida peeti kuni 2006. aastani päikesesüsteemi väikseimaks planeediks ja mida nüüd liigitatakse kääbusplaneediks. Kuna Pluuto on teiste kääbusplaneetidega võrreldes suur, peetakse seda „Kuiperi vöö kuningaks“. Pluuto on suuruselt väga sarnane Cerese, Makemake ja Erisega. Lisaks Maa ümber tiirlevale satelliidile Kuule võib selgitada, et teistel planeetidel on „oma kuud“ (looduslikud satelliidid, mis tiirlevad nende ümber), igaühel oma nimi, kuigi sellel tasemel pole vaja õppida nende nimesid. Merkuuril ja Veenusel pole ühtegi looduslikku satelliiti. Marsil on kaks, hiiglaslikul Jupiteril 67 (nende hulgas üks suurimaid kannab nime Europa).  Saturnil on 61, Uraanil 27 ja Neptuunil 13.

Teised mõisted, mida saab selles õppeetapis seletada, on planeetide tiirlemine ümber Päikese (orbiit), mis erineb Päikese ja planeetide pöörlemisest ümber oma telje. Siinkohal võib tutvustada Nicolaus Copernicust (15. sajand) ja Galileo Galileid (16. sajand). Kuu puhul saab rääkida näiteks muutusest, mida on võimalik tuvastada Maa loodusliku satelliidi nähtaval pinnal Kuu faaside ajal, selgitades, kuidas meie nähtav osa (Kuu pinna nähtav valgustatud osa) muutub vastavalt selle asukohale Maa ja Päikese suhtes. Nii saavad lapsed õppida mõisteid noorkuu, poolkuu, kahanev kuu ja täiskuu. Siinkohal võib kasutusele võtta mõiste „varjutus“: päikesevarjutus, kui Kuu möödub Päikese eest ja heidab oma varju Maale, ja kuuvarjutus, kui Kuu läbib Maa varju. Samuti saab tutvustada Kuu ja selle faasidega seotud kultuurinähtusi.

Selles haridusetapis saab juba tutvustada muid inimestega seotud teemasid, nagu kosmosereisid või kosmosesse lennutatud objektid. Neist esimeses osas tuleb mainida, et kosmosereisid on need, mis toimuvad avakosmosesse. Pidagem meeles, et kui need reisid lähevad kaugemale Maa ja Kuu orbiidist, nimetatakse neid planeetidevahelisteks reisideks, jättes tähtedevaheliste reiside nimetuse neile, mis väljuvad päikesesüsteemist. Seda tüüpi reise ja esemete (nagu sidesatelliitide või kosmosesondide) üleslennutamist on siiani tehtud erinevatel eesmärkidel: teadus, sõda, side ja nüüd isegi turism. Selle teemaga seoses saab rääkida uutest väljakutsetest, nagu stabiilsete baaside rajamine Kuule või esimese baaslaagri loomine Marsile.

Selles jaotises kirjeldatakse tegevust, selle pedagoogilisi eesmärke ja materjale, mis pakutakse välja tegevuse edasi arendamiseks. Tegevus on mõeldud läbiviimiseks koos programmeeritava õpperobotiga (PÕR), mida on praegu müügil erinevaid (joonis 3).  Selle etapi jaoks väljapakutud PÕR on laste ja õpetajate jaoks hõlpsasti programmeeritav, ilma et oleks vaja kasutada tahvelarvuteid või muid seadmeid. Õpetajad saavad tegevuse materjale edasi arendada „traditsiooniliste“ vahenditega või kasutades võimalust oma digioskusi täiendada. PÕRi ja tehnoloogiate (nagu liitreaalsus) kasutuselevõtu eesmärk selles tegevuses on parandada õpetamise tõhusust (tekitades õpilastes suuremat huvi ja motivatsiooni ning kaasates neid aktiivselt õppimisse), edendada suuremat individuaalset ja kollektiivset suhtlust õpilastega (õpetaja-õpilane), hõlbustades samas ka koostööd soodustava keskkonna loomist, suhtlust ja koostööd laste vahel. Lisaks osalemise ja kaasamise soodustamisele aitavad programmeeritavate õpperobotite kasutuselevõtt ja väljapakutud tegevused arendada arvutuslikku mõtlemist, samal ajal kui õpilased töötavad nägemus-ruumilise töötlusega.

Esimese sammuna tuleb alati paika panna läbiviidava tegevuse pedagoogilised eesmärgid, lähtudes õppekava sätetest. Sel juhul aitab põhitegevus (ja kavandatavad täiendavad või rikastavad meetmed) kaasa selle etapi või haridustsükli eesmärgiks olevate oskuste omandamisele, eelkõige selles osas, mis hõlmab „keskkonnateadmiste valdkonna“ üldeesmärke ja ühe rikastamise ettepaneku abil ka „enese tundmise valdkonda“. Keskkonnaalaste teadmiste valdkonna eesmärkide seas on looduskeskkonna vaatlemine ja uurimine, loovuse arendamine ja muu hulgas ka teaduse vallas esimeste teadmiste saamine.

• tunda mõningaid universumi ja päikesesüsteemi elemente (planeete ja mõningaid taevakehi, sh planeedi Maa asukohta ja omadusi võrreldes teiste päikesesüsteemi planeetidega), planeetide tiirlemist ümber Päikese ja pöörlemist ümber enda telje, Kuud (faasid ja varjutused) ja teiste planeetide ümber tiirlevate teiste „kuude“ või looduslike satelliitide olemasolu;
• õppida tundma kosmosereise, kosmose uurimiseks kasutatavaid leiutisi ja tehnoloogiaid (nagu raketid või rahvusvaheline kosmosejaam) ja meie igapäevaelu mõjutavaid tehnoloogiaid (näiteks sidesatelliidid);
• harjutada mõõtmise ja võrdlemise põhimõisteid (suur/väike, suurem kui / kaugem kui / külmem kui);
• luua ise tegevust rikastavaid elemente (vastavalt kavandatud väljakutsetele);
• hoolitseda materjalide ja robotite eest;
• aidata abi vajavatel klassikaaslastel robotit programmeerida ja pidada kinni paika pandud järjekorrast.

Võib tunduda ilmne, kuid enne tunniga alustamist on oluline kontrollida, kas robotid on korralikult laetud. Mõni õpperobot on akutoitel, teisi laetakse USB-ühenduse kaudu. Mängulaud/hiirematt. Otseprintimiseks on allalaaditav mudel PDF-vormingus. Samuti on võimalik alla laadida kaarte, mille abil saab ehitada kohandatud mati või laua (kasutades programmi Indesing, Coreldraw, Illustrator vms; joonis 4). Näitena on kaasas 4 × 4 ruudu suurused matid, kuid võimalik on ehitada käsitsi suurema arvu mänguruutudega matte, korrates mõnda elementi (näiteks lisades asteroide, et piiritleda alad, mida pole võimalik läbida). Allalaaditav mudel on mõeldud konkreetse õpperoboti jaoks, seega on ruudud ja mängu osad 12,5 cm suurused – see on vahemaa, mille valitud robot (Code&Go®) läbib iga sammuga (näiteks roboti Bee-Bot puhul on see vahemaa 15 cm).

„Tavalisi kaarte“ kasutatakse näiteks selleks, et öelda lastele, kuhu nad peaksid oma roboti liigutama (joonis 4, all). Neid kasutatakse ka selleks, et saaksite kommenteerida/küsida valitud üldteemaga seotud küsimusi. Näiteks teema sissejuhatuseks: mis on tehissatelliit ja milleks seda kasutatakse. Planeetide kuvamiseks liitreaalsuses saab kasutada spetsiaalseid kaarte. Sel juhul on vaja kasutada uut visualiseerimist võimaldavat komponenti, näiteks nutitelefoni või tahvelarvutit (vt „Tegevuse täiustamine“). Kaardid ja muud komponendid tuleb trükkida (tint/laser) või muul viisil valmistada (käsitööna või kasutades professionaalset teenust, nt PrintNinja^[1] või BoardgamesMaker^[2]). Kontrollige, kas teil on kõik selle teema jaoks vajalikud mängukaardid, mida soovite tunnis arendada. Otsustage, kas kavatsete kasutada mängumatti või valitud roboti liikumise mõõtudega märke. Kui kavatsete teha täiendavaid tegevusi, kontrollige vajalike materjalide olemasolu (nt markerid, voolimismass, papp jne). Valmistage ette tunni käigus käsitletavale teemale vastav narratiiv (planeetide, kuufaaside, kosmosereiside jms tundma õppimiseks). Kontrollige, kas narratiiv (räägitav lugu) ja kavandatav tegevus (mäng) sisaldavad kõiki soovitud kontseptuaalseid ja pedagoogilisi elemente, et täita tunni pedagoogilisi eesmärke.

Tegevusel pole ühtset edasiarenduse alternatiivi, seega on teil enne lastega tunni või töötoa ettevalmistamist mitu valikut. Kui mängumati tüüp on kindlaks määratud, tuleb järgmise sammuna otsustada, kas tegevuse eesmärk on uurimine, koostöö või võistlus ning seejärel edastada „mängureeglid“, mida tuleb järgida. Oluline on paika panna mehaanika ja see õpilastele edastada (kuidas valida „sihtkohti“, kuhu robot suunatakse, kas õpilased peavad ootama oma korda või mängu mängitakse korraga, kas mängu mängimise eest saab tunnustuse või auhinna). Võimalus on alustada „uurimisest“ ning järgmistes tundides määratleda õpitava ja mõistetava sisu. Roboti kasutamist on lihtne alustada õpetaja ette valmistatud matiga ja valida täringu või kaartide abil „sihtkohad“, et lapsed saaksid planeete õppida. Lapsed peavad programmeerima roboti liikuma ühelt planeedilt teisele kas individuaalselt, paaris või rühmas. Lapsed saavad kaartide abil luua ka oma ahela ja seejärel robotiga nende kaartide peal liikuda, nagu oleks see mängumatt (joonis 5). 

Materjal on koostatud selliselt, et see hõlbustaks õpilaste kaasamist ja erinevate, kuid omavahel seotud tegevuste arendamist, tuginedes muudetud mehaanika ja mängukomponentide kasutamisele. Väljapakutud tegevuse materjalid võimaldavad hõlpsasti lisada täiendavaid tegevusi olenevalt iga klassi õppevajadusest. Täiendamise või täiustamise võimalusi on palju. Selles jaotises teeme õpetajatele ettepaneku tutvustada liitreaalsust (LR). LR võimaldab õpilastele turvalises keskkonnas tutvustada „teistsugust reaalsust“, mida hõlbustab õpetajate valduses olev tehnoloogia. Samuti aitab see pakkuda lastele tegevuses õpitavate elementide (st planeetide) õiget ruumilist (3D) vaadet lisaks staatilistele piltidele. Euroopa haridustöötajate digitaalse pädevuse raamistiku (DigCompEdu) terminoloogiat kasutades käsitleme tegevuste rikastamise etappe nende jaoks, kelle digioskused on tasemel A1 (algaja) ja A2 (avastaja), kuid kes soovivad katsetada oma tegevuses uusi formaate ja pedagoogilisi meetodeid. LRi kaasamiseks vajalikud elemendid hõlmavad nii riist- kui tarkvara. Riistvara all mõeldakse liitreaalsuse visualiseerimiseks kasutatavat seadet, mille ekraanil ühitatakse kujutised reaalsest keskkonnast (jäädvustatakse seadme kaameraga) ja virtuaalsed pildid, mis täiendavad stseeni (näiteks tahvlilt kerkib välja 3D-planeet). See seade võib olla mis tahes nutitelefon või tahvelarvuti, kuigi kui kasutatakse vanemat või madala kvaliteediga seadet, võib jõudlus olla väga kehv ja rikkuda kogemuse

Tarkvara on seadmesse paigaldatud rakendus, mis tuleb selle kujutise ülekatte kuvamiseks ekraanil käivitada. Siin on põhimõtteliselt kaks võimalust. Erasmus+ projekti STEAM UpGrade veebisaidil pakume allalaaditavat rakendust, mis töötab automaatselt päikesesüsteemi tahvli jaoks mõeldud osadega, seostades iga tüki vastava planeedi või objekti animeeritud 3D-mudeliga.  Kui soovite kohandada muude piltide (tahvli osade) seostamist mis tahes muude 3D-mudelitega, peaksite kasutama üldkasutatavaid rakendusi, nagu MyWebAR^[5] või ARViewer^[6], millel võivad olla teatud piirangud. Ühest küljest, isegi kui tegu on rakendustega, mis on mõeldud piiratud tehniliste teadmistega kasutajatele, võib nende kasutamine olla keeruline, kui neid soovitakse rohkem kohandada. Teisest küljest võivad nende rakenduste tasuta versioonidel olla piirangud piltide tüübi (näiteks MyWebAR lubab tasuta versioonis kasutada ainult QR-koode) või kuvatavate erinevate mudelite arvu osas. Planeedi liitreaalsuse kujutisega võib kaasneda ka helisalvestis ja/või tekst kas täiendava teabe andmiseks või ülesande määramiseks.

• Kosmoseprügi ehk praht (mis on kosmoseprügi ja miks see meile ohtlik on?); tehissatelliidid ja kosmosesondid (milleks neid kasutatakse?).  

• Elu teisel planeedil (mida võtaksite Marsi laagrisse kaasa? Millised reeglid seaksite selles laagris elamiseks?)

Hariduslike erivajadustega (HEV) õpilased võivad saada kasu haridusrobotite kasutusest ja väljapakutud tegevustest, kuid vajalik on teha mõned muudatused. Andekate laste jaoks pole esitletud PÕRi mudel kõige soovitatavam, kuna seda on liiga lihtne programmeerida. Soovitatav on kasutada alg- ja isegi keskkooli tegevusteks väljapakutud roboteid. Nendel juhtudel oleks vaja hinnata kõrgema raskusastmega väljapakutud mängude (väljakutsete) mugavust. Näiteks panna õpilased vahemaid visuaalselt arvutama, mitte kaarte kasutama. Õpiraskustega õpilaste puhul tuleb enne roboti valimist arvesse võtta iga lapse omadusi, eriti ATH laste puhul. Näiteks peaksite panema tähele, kas helid või välgud häirivad teatud asjade suhtes tundlikke lapsi. ATH laste puhul võib roboti kasutamine parandada nende tähelepanu ja impulsikontrolli. Mõlemal juhul on alati soovitatav, et lapsed õpiksid robotit juhtima enne rühmategevusi, et anda neile suuremat kontrolli ja parandada nende enesekindlust. Üks probleem, mis seda tüüpi õpperobotite mudelite kasutamise alguses sageli esile kerkib, on et laps ei mõista, et absoluutselt kõik roboti sooritatavad liigutused tuleb programmeerida. Roboti liikumine tuleb jagada kõikideks programmeerimise etappideks. See on programmeerimise funktsioon, millest lapsed peaksid hästi aru saama. Arusaadavuse hõlbustamiseks tasub alustuseks kasutada väikeseid kaarte liikumise suuna märkimiseks või planeerida liigutused enne nuppudega programmeerimist (joonis 7)

Alguses on kõige levinum täheldatav viga „pööramise nupu“ vajutamine ja eeldus, et robot pöörab ja liigub edasi. Lapsed peavad mõistma, et pööramine ja edasi liikumine on kaks erinevat käsku, mis tuleb programmeerida. Selle sammu mitte mõistmine toob kaasa vigu, mis võivad lõppeda frustratsiooni tekkimisega, eriti erivajadustega laste puhul. Seetõttu on väga oluline harjutada seni, kuni kogu rühm on sellest aru saanud.

Selle MATIK-õppe töötoa eesmärk on tutvustada tööeelses õppes ja täiendõppes lasteaia (ja algkooli) õpetajatele õpperoboteid ja mängu osade kujundamist erinevate programmide abil (näited: Paint 3D, Illustrator, Photoshop, GIMP). See tegevus tutvustab riist- ja tarkvara valdkonna õppeuuringutega seotud kontseptsioone varasema robootikakogemuseta õpetajatele, pakkudes neile näiteid ja arutelusid tegelike klassiruumi tegevuste jaoks.  Tegevust saab edasi arendada erinevate mänguvariantidega, olenevalt laste võimetest ja lasterühmas saadaolevate robotite arvust. Soovitame ühte robotit kuni nelja lapse kohta.  Me ei soovita lastel üksi mängida (v.a. erivajadused). Nii peavad lapsed materjale jagama ja ootama oma korda.   Töötoa alguses testitakse kõiki materjale.  Osalejad saavad algteavet roboti ja kasutatavate materjalide kohta. Lisaks peavad nad materjalide eest hoolt kandma, et saaksid järgmistel päevadel teha uusi tegevusi. Just nagu astronaudid kosmosesse reisides, töötavad ka lapsed rühmades, aidates üksteist ja hoolitsedes materjalide eest.

Töötoa alguses antakse osalejatele tegevuse käigus vajalikud materjalid, terminid ja mõisted: päikesesüsteemiga seotud teooria kontseptsioonid. Tegevuse esimestel minutitel selgitatakse roboti (millest saab meie kosmoselaev) nuppude tähendust. Enne päikesesüsteemi materjalide kasutuselevõttu tuleb teha mitmeid harjutusi, veendumaks, et lapsed on hästi aru saanud, kuidas roboti samme programmeeritakse. Tegevuse käigus annavad märgid ja muud auhinnad lastele tagasisidet nende edusammude kohta. Soovitatav on tegevust läbi viia umbes 45 minutit, jättes tunni lõppu alati paar minutit lastelt kommentaaride küsimiseks: kas neile meeldis robotit programmeerida, kas neil tekkis probleeme ja kuidas nad need lahendasid, mis neile õpitu juures kõige rohkem meeldis jne.

• 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).