Εκπαιδευτική ρομποτική και αναδυόμενες μαθηματικές έννοιες: ανάπτυξη χωρικής σκέψης με παιδιά προσχολικής ηλικίας

Abstract

Initial stimulus for this research work and therefore for the pre- sent thesis has been the traditional "turtle geometry" of Logo and the practices it introduced in the field of mathematical - and not only - edu- cation. The creative "momentum" of the "turtle" has changed the way we can talk today about both the experiential learning processes of children and their ability to actively engage in collaborative problem-solving sce- narios with the aid of computational thinking.More specifically, we are concerned about the prospects and learn- ing opportunities emerging from the engagement of pre-school children in Educational robotics scenarios with the aim of developing spatial skills in the context of a teaching experiment. Our experiment is structured upon distinct but interdependent stages (initial stage with an individual interview, going on with classroom intervention, ending up with the final individual interview including specific spatial tasks). Throughout the course of the teaching experiment, a total of 20 children were involved. The main objective of the research was to determine whether specific spatial skills and strategies seem to emerge when children are engaged in projects that require programming the movement of robots in micro- space environments as well as what problem-solving strategies and tools they are looking at. Our main assumptions, based on the exploitation of the results of the qualitative analysis, the interpretation of which was carried out in the context of socio-cultural theory, are sufficiently docu- mented. As an additional supportive tool, the multiple implications of Vygotsky's theoretical work, and especially the approaches that have emerged concerning the analysis of classroom communication, such as the work of Rogoff (1998, 2003) and Kumpulainen & Wray (1997). Basic concepts and pillars of our interpretive framework are the importance of the “more experienced other" in the contextualization of knowledge, the dynamics of interactions, the social framework, the tools for "mediating" thinking and cognitive processes.In summary, our findings particularly highlight the potential of Ed- ucational robotics for the development of skills that allow children to rec- ognize and describe, directly or with the aid of various forms of feedback, topological/spatial relationships in the environment that surrounds them (inside, out, left, right, next, between, close, far, round, front, back, side by side, down / over, etc.). In addition, the ability to approach and measure spatial relationships by quantifying space and topology through the invention and use of informal and ad hoc tools, is clearly demon- strated thanks to the exploitation of "programming" practices required for synthesising efficient pseudocode (eg. use of programming cards and blocks in software environment, justification of choices by matching each step of the robot with every single programming command etc.). Other elements emerging from the analysis of the episodes were the develop- ment of skills of understanding and deploying spatial code as well as the orientation skills in space when different points of reference exist, through embodiment-based strategies. In addition, one more interestingfinding, which mainly concerns the strategies for solving a spatial prob- lem, is that most children in many cases have gone through self-assess- ment and redefined the problem, adapted to new data, altered the initial attempts to resolve and often moved between other-self-regulation as a natural consequence of the above processes.

Αρχικό ερέθισμα και νοητή έμπνευση για την έρευνα και συνεπώς για τη συγκεκριμένη διατριβή, αποτέλεσε η παραδοσιακή «γεωμετρία χελώνας» της Logo και οι πρακτικές που εισήγαγε στη μαθηματική -και όχι μόνο- εκπαίδευση. Η δημιουργική «ορμή» της «χελώνας» άλλαξε τον τρόπο με τον οποίο μπορούμε σήμερα να μιλάμε τόσο για τις διαδικασίες βιωματικής μάθησης των παιδιών όσο και για τη δυνατότητά τους να εμπλέκονται ενεργά σε σενάρια συνεργατικής επίλυσης προβλημάτων με τη βοήθεια αλγοριθμικής σκέψης και πράξης.Πιο συγκεκριμένα, μας απασχόλησαν οι προοπτικές και οι μαθησιακές ευκαιρίες που αναδύονται από την εμπλοκή παιδιών προσχολικής ηλικίας σε σενάρια ρομποτικής με στόχο την ανάπτυξη χωρικών δεξιοτήτων στο πλαίσιο ενός διδακτικού πειράματος. Όπως παρουσιάζεται αναλυτικότερα και στη συνέχεια, η παρέμβασή μας διαρθρώνεται σε διακριτές αλλά αλληλοτροφοδοτούμενες φάσεις (πρώτη φάση ατομικής συνέντευξης, διεξαγωγή της κατεξοχήν διδακτικής παρέμβασης, τελική ατομική συνέντευξη κι εκτέλεση συγκεκριμένων χωρικών έργων). Σε όλη τη διάρκεια του διδακτικού πειράματός, συμμετείχαν αδιάλειπτα συνολικά 20 παιδιά και ο ερευνητής με παράλληλο ρόλο εμψυχωτή χωρίς τη παρέμβαση της νηπιαγωγού σε καμία χρονική στιγμή.Βασικός στόχος της έρευνας ήταν το να καταγραφεί κατά πόσο συγκεκριμένες χωρικές δεξιότητες και στρατηγικές φαίνεται να αναδύονται όταν τα παιδιά εμπλέκονται σε έργα που απαιτούν τον προγραμματισμό ορισμένης κίνησης συσκευών σε περιβάλλοντα μικροχώρου καθώς και ποιες είναι οι πρακτικές επίλυσης προβλήματος και τα εργαλεία στα οποία ανατρέχουν. Όπως θα φανεί και στη συνέχεια, αναδύονται υποθέσεις εργασίας με βάση την αξιοποίηση των αποτελεσμάτων της ποιοτικής ανάλυσης η ερμηνεία των οποίων έγινε στο πλαίσιο της κοινωνικοπολιτισμικής θεωρίας. Επιπλέον υποστηρικτικό εργαλείο, οι πολλαπλές προεκτάσεις του θεωρητικού έργου του Vygotsky και κυρίως οι προσεγγίσεις που έχουν αναδειχθεί και αφορούν την ανάλυση συνομιλιών μεταξύ παιδιών ευρύτερα όπως για παράδειγμα οι μέθοδοι των Rogoff (1998, 2003) και Complained & Way (1997). Βασικές έννοιες και άξονες του ερμηνευτικού μας πλαισίου, η σημασία του «εμπειρότερου άλλου» στη συνδιαμόρφωση της γνώσης, η δυναμική των αλληλεπιδράσεων, του κοινωνικού πλαισίου, των εργαλείων για τη «διαμεσολάβηση» της σκέψης και των γνωστικών διεργασιών.Συνοπτικά, τα ευρήματα αφορούν ιδιαίτερα τις δυνατότητες ανάπτυξης δεξιοτήτων που επιτρέπουν στα παιδιά να αναγνωρίζουν και να περιγράφουν, άμεσα ή έστω και με διάφορες μορφές ανατροφοδότησης, τοπολογικές χωρικές σχέσεις στο περιβάλλον (μέσα, έξω, αριστερά, δεξιά, δίπλα, ανάμεσα, κοντά, μακριά, γύρω, μπροστά, πίσω, δίπλα σε, κάτω/πάνω από κ.α.). Επιπλέον, αναδεικνύεται η ικανότητα να προσεγγίζουν μετρικά τις διαδρομές και τις διάφορες χωρικές σχέσεις ποσοτικοποιώντας το τοπολογικό στοιχείο με εφεύρεση και χρήση άτυπων και εργαλείων και αυτό κυρίως χάρη στην αξιοποίηση των πρακτικών «προγραμματισμού» που απαιτούνται για τη σύνθεσηορθού ψευδοκώδικα (π.χ. χρήση καρτών προγραμματισμού, και εικονοεντολών προγραμματισμού σε περιβάλλον λογισμικού, ακριβής αιτιολόγηση κίνησης με ένα προς ένα αντιστοίχιση βήματος ρομπότ με τις εντολές προγραμματισμού, αντιστοίχιση βήματος ρομπότ με τα τεταρτημόρια της μακέτας,, επικάλυψη απόστασης με το σώμα του ρομπότ κ.α.). Άλλα στοιχεία που αναδύονται μέσα από την ανάλυση των επεισοδίων ήταν η ανάπτυξη δεξιοτήτων κατανόησης και χρήσης χωρικού κώδικα (με έμφαση στο δεικτικό-περιγραφικό μοντέλο και λιγότερο σε σχέση με τοπολογική προσέγγιση) καθώς και η δεξιότητα προσανατολισμού στο χώρο με διαφορετικά συστήματα αναφοράς μέσω στρατηγικών ενσώματης κατανόησης θέσεων και σχέσεων στο περιβάλλον. Επιπλέον, μια ακόμα ενδιαφέρουσα διαπίστωση που αφορά κυρίως τις στρατηγικές επίλυσης χωρικού προβλήματος είναι και το ότι τα παιδιά σε σημαντικά υψηλό ποσοστό περιπτώσεων προχώρησαν σε επανέλεγχο προσπάθειας και επαναπροσδιορισμό του προβλήματος, αναπροσαρμόστηκαν σε νέα δεδομένα, τροποποίησαν τις αρχικές απόπειρες επίλυσης και συχνά προτίμησαν αλληλοδιδακτικές πρακτικές ως φυσικό επακόλουθο των παραπάνω διαδικασιών. Τέλος, ένα στοιχείο που εγγράφεται στα θετικά με επίδραση στην εξέλιξη των διαδικασιών του διδακτικού πειράματος αλλά και στη γνωστική εξέλιξη των παιδιών που συμμετείχαν, σε ζητήματα και έννοιες χώρου, ήταν η συνδυαστική χρήση εργαλείων διαφορετικής λειτουργικής πολυπλοκότητας (Bee-Bot & Lego NTX) και η κατά περίπτωση ανάδειξη και αξιοποίηση του πολύσημου χαρακτήρα τους.