Educational robotics as a tool for the development of collaboration skills

Abstract

In today’s increasingly interconnected and collaborative world, the ability to work effectively within a team has become a cornerstone of educational and professional success. As such, cultivating collaboration skills from an early age has emerged as a critical pedagogical priority. This thesis explores how educational robotics—a rapidly expanding domain within STEM education—can be strategically leveraged to enhance collaboration skills in primary education. While robotics has been shown to engage students in hands-on, interdisciplinary learning, it’s potential to explicitly support and assess collaborative competencies remains underdeveloped. Addressing this gap, the research presented herein proposes a comprehensive framework for designing, implementing, and evaluating collaboration-focused robotics instruction in education. The central objective of this research is to develop a robust, empirically validated methodology that systematically fosters and assesses collaboration among young learners. To this end, three principal contributions are made. First, the thesis introduces the CORE methodology—a theoretically grounded instructional framework that promotes collaboration through simultaneous, non-hierarchical group engagement. Unlike traditional task delegation models, CORE emphasizes “reacculturation” and co-creation, guiding students to move beyond assigned roles and instead engage in authentic, shared problem-solving. Drawing on established theories of collaborative learning and communication, CORE encourages students to construct knowledge collectively and dynamically through robotics-based activities. Second, the thesis presents the development and validation of the COPE Test (Collaboration Performance Evaluation Test), a novel, performance-based assessment instrument designed to capture the quality and depth of individual contributions within group tasks. Unlike conventional collaboration assessments, which often rely on self-reporting or teacher observation, the COPE Test provides a structured and quantifiable analysis of student interactions. It employs detailed criteria to evaluate communication, role negotiation, decision-making, and mutual support, thereby offering a nuanced understanding of collaborative behavior in real-time settings. Third, the efficacy of the CORE methodology is evaluated through a series of experimental studies conducted in primary school classrooms. Using the COPE Test as the primary assessment tool, these studies demonstrate significant improvements in students’ collaborative abilities following the implementation of CORE. Quantitative analysis confirms that students engaged in the CORE-based robotics curriculum exhibited enhanced interpersonal communication, more equitable task distribution, and higher group cohesion than those in control conditions. The validation of CORE not only affirms the instructional potential of educational robotics but also offers a replicable model for embedding collaboration skills into diverse curricular contexts. Structured across six chapters, the thesis first establishes the theoretical and empirical foundations of the research, followed by a detailed exposition of the CORE methodology and the COPE Test. It then presents and analyzes experimental results before concluding with a synthesis of findings, implications for educational practice, and recommendations for future research. Ultimately, this thesis makes a significant contribution to both the educational robotics and collaborative learning literatures by providing actionable strategies and validated tools for cultivating one of the most essential skills of the 21st century.

Στον σημερινό, όλο και πιο διασυνδεδεμένο και συνεργατικό κόσμο, η ικανότητα αποτελεσματικής εργασίας σε ομάδα έχει καταστεί θεμέλιος λίθος για την εκπαιδευτική και επαγγελματική επιτυχία. Κατά συνέπεια, η καλλιέργεια δεξιοτήτων συνεργασίας από νεαρή ηλικία έχει αναδειχθεί σε κρίσιμη παιδαγωγική προτεραιότητα. Η παρούσα διατριβή διερευνά πώς η εκπαιδευτική ρομποτική — ένας ταχέως αναπτυσσόμενος τομέας της εκπαίδευσης STEM — μπορεί να αξιοποιηθεί στρατηγικά για την ενίσχυση των συνεργατικών δεξιοτήτων στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση. Παρόλο που έχει αποδειχθεί ότι η ρομποτική ενθαρρύνει τους μαθητές να συμμετέχουν ενεργά σε διαθεματική μάθηση με πρακτική εφαρμογή, η δυνατότητά της να υποστηρίζει και να αξιολογεί ρητά δεξιότητες συνεργατικότητας παραμένει περιορισμένη. Αντιμετωπίζοντας αυτό το κενό, η παρούσα έρευνα προτείνει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για τον σχεδιασμό, την υλοποίηση και την αξιολόγηση διδασκαλίας με επίκεντρο τη συνεργασία μέσω της ρομποτικής στην εκπαίδευση. Ο βασικός στόχος της έρευνας είναι η ανάπτυξη μιας ισχυρής, εμπειρικά επικυρωμένης μεθοδολογίας που να ενισχύει και να αξιολογεί συστηματικά τη συνεργασία μεταξύ των νεαρών μαθητών. Προς αυτή την κατεύθυνση, η διατριβή προσφέρει τρεις βασικές συνεισφορές. Πρώτον, εισάγει τη μεθοδολογία CORE—ένα θεωρητικά θεμελιωμένο διδακτικό πλαίσιο που προάγει τη συνεργασία μέσω ταυτόχρονης, μη ιεραρχικής συμμετοχής των μελών της ομάδας. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά μοντέλα κατανομής ρόλων, η CORE δίνει έμφαση στην «επαναπολιτισμοποίηση» και τη συνδημιουργία, καθοδηγώντας τους μαθητές να υπερβούν τους προκαθορισμένους ρόλους και να εμπλακούν σε αυθεντική, συλλογική επίλυση προβλημάτων. Βασισμένη σε καθιερωμένες θεωρίες συνεργατικής μάθησης και επικοινωνίας, η CORE ενθαρρύνει τη συλλογική και δυναμική οικοδόμηση της γνώσης μέσα από δραστηριότητες εκπαιδευτικής ρομποτικής. Δεύτερον, η διατριβή παρουσιάζει την ανάπτυξη και επικύρωση του COPE Test (Collaboration Performance Evaluation Test), ενός νέου εργαλείου αξιολόγησης βασισμένου στην απόδοση, το οποίο έχει σχεδιαστεί για να αποτυπώνει την ποιότητα και το βάθος των ατομικών συνεισφορών σε ομαδικά καθήκοντα. Σε αντίθεση με τις συμβατικές αξιολογήσεις συνεργασίας, που βασίζονται συχνά σε αυτοαναφορές ή παρατηρήσεις εκπαιδευτικών, το COPE Test παρέχει μια δομημένη και ποσοτικοποιήσιμη ανάλυση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των μαθητών. Εφαρμόζει λεπτομερή κριτήρια για την αξιολόγηση της επικοινωνίας, της διαπραγμάτευσης ρόλων, της λήψης αποφάσεων και της αμοιβαίας υποστήριξης, προσφέροντας έτσι μια λεπτομερή εικόνα της συνεργατικής συμπεριφοράς σε πραγματικό χρόνο. Τρίτον, η αποτελεσματικότητα της μεθοδολογίας CORE αξιολογείται μέσα από μια σειρά πειραματικών μελετών που πραγματοποιήθηκαν σε τάξεις της πρωτοβάθμιας εκπαίδευσης. Με το COPE Test ως βασικό εργαλείο αξιολόγησης, οι μελέτες καταδεικνύουν σημαντική βελτίωση στις συνεργατικές ικανότητες των μαθητών μετά την εφαρμογή της CORE. Η ποσοτική ανάλυση επιβεβαιώνει ότι οι μαθητές που συμμετείχαν στο πρόγραμμα ρομποτικής βασισμένο στη CORE παρουσίασαν ενισχυμένη διαπροσωπική επικοινωνία, δικαιότερη κατανομή καθηκόντων και μεγαλύτερη συνοχή στην ομάδα, σε σύγκριση με ομάδες ελέγχου. Η επικύρωση της CORE υπογραμμίζει όχι μόνο τις διδακτικές δυνατότητες της εκπαιδευτικής ρομποτικής αλλά και προσφέρει ένα αναπαραγώγιμο μοντέλο ενσωμάτωσης συνεργατικών δεξιοτήτων σε διάφορα μαθησιακά περιβάλλοντα. Η διατριβή δομείται σε έξι κεφάλαια: ξεκινά με τη θεωρητική και εμπειρική θεμελίωση της έρευνας, ακολουθούμενη από λεπτομερή παρουσίαση της μεθοδολογίας CORE και του COPE Test. Στη συνέχεια παρουσιάζονται και αναλύονται τα πειραματικά αποτελέσματα, πριν καταλήξει σε μια σύνθεση των ευρημάτων, συζητώντας τις επιπτώσεις για την εκπαιδευτική πρακτική και προτείνοντας κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα. Συνολικά, η διατριβή αυτή συμβάλλει ουσιαστικά στη βιβλιογραφία της εκπαιδευτικής ρομποτικής και της συνεργατικής μάθησης, παρέχοντας εφαρμόσιμες στρατηγικές και επικυρωμένα εργαλεία για την καλλιέργεια μιας από τις πιο κρίσιμες δεξιότητες του 21ου αιώνα.