Een robotstofzuiger
Thema: Voortbeweging
Leeftijd: Lager onderwijs
Het filmfragment toont een workshop uitgevoerd door een leraar met als doel het stimuleren van de motivatie en de geletterdheid van leerlingen voor STEM.
De workshop vond plaats op campus Tielt van VIVES hogeschool met het vijfde leerjaar van een basisschool uit de buurt. In de klas zitten 19 leerlingen (10 jongens-9 meisjes). Onderzoekend leren was vrij nieuw voor de leerlingen, evenals programmeren.
De workshop sluit aan bij het project 'Mechatronica. Bouw je eigen avatar!' dat scholen wil ondersteunen en begeleiden bij het implementeren van robottechnologie in het kader van STEM-onderwijs.
De workshop ‘Een robotstofzuiger’ duurt ca. 100 minuten. Hier vind je meer info om zelf met de workshop aan de slag te gaan.
In het filmfragment komt het volgende aan bod:
- De leerlingen maken kennis met het concept van programmeren. Hun voorkennis wordt bevraagd, ze ervaren programmeertaal via een buitenspel, waarna hun ervaringen worden besproken. (0:00-2:45)
- Vervolgens gaan de leerlingen in groepjes aan de slag met enkele voorbereidende opdrachten om de beginselen van programmeren onder de knie te krijgen. Via vraagstelling wordt ieder groepje gestimuleerd om na te denken en te verwoorden hoe ze de opdrachten kunnen volbrengen. (2:46-6:42)
- Tussentijds vindt een klassikaal moment plaats om de belangrijkste knelpunten van de groepjes aan te kaarten. Het concept van programmeren wordt vastgezet en de leerlingen krijgen een probleemstelling voorgelegd: Hoe kunnen we een robot een volledige kamer laten stofzuigen? (6:42-8:40)
- Op basis van de verworven vaardigheden en inzichten trachten de groepjes leerlingen hun robot te programmeren, zodat die voldoet aan de probleemstelling. (8:40-10:20)
- Afrondend is er een klassikale bespreking over de leerlingen hun ervaringen. (10:20-10:59)
Centraal staat de probleemstelling: “Hoe kunnen we een robot een volledige kamer laten stofzuigen?”
Deze probleemstelling komt niet meteen aan bod. Er is sprake van een stapsgewijze aanpak: De leerlingen maken eerst kennis met het concept van programmeren om vervolgens de verworven inzichten en vaardigheden toe te passen om de probleemstelling op te lossen. De inzichten en vaardigheden hebben hier betrekking op programmeren, namelijk: via programmeertaal een reeks van acties/instructies vastleggen die een robot uitvoert.
De activiteit stimuleert ook de ontwikkeling van een onderzoekende houding via het aanspreken van de onderzoeksvaardigheden van de leerlingen (zie kerncomponenten). De leerlingen zoeken zelf uit hoe ze een robot kunnen programmeren.
- Wiskunde
Meten - begripsvorming-wiskundetaal-feitenkennis
2.1 De leerlingen kennen de belangrijkste grootheden en maateenheden m.b.t. lengte, …, hoekgrootte en ze kunnen daarbij de relatie leggen tussen de grootheid en de maateenheid.
2.8 De leerlingen schatten met behulp van referentiepunten.
Strategieën en probleemoplossende vaardigheden
4.2 De leerlingen zijn in staat om de geleerde begrippen, inzichten, procedures, met betrekking tot getallen, meten en meetkunde, zoals in de respectievelijke eindtermen vermeld, efficiënt te hanteren in betekenisvolle toepassingssituaties, zowel binnen als buiten de klas.
- Wetenschappen en techniek
Techniek – techniek als menselijke activiteit
2.12 De leerlingen kunnen keuzen maken bij het gebruiken of realiseren van een technisch systeem, rekening houdend met de behoefte, met de vereisten en met de beschikbare hulpmiddelen.
2.15 De leerlingen kunnen technische systemen in verschillende toepassingsgebieden van techniek gebruiken en/of realiseren.
In deze activiteit staat techniek centraal: De leerlingen worden gevraagd om hun eigen robot(stofzuiger) te ontwerpen. Hiervoor maken de leerlingen gebruik van technologie (o.m. tablet) om eigen technologie, een robot(stofzuiger), te ontwikkelen door te programmeren.
Leerlingen ontdekken al doende hoe ze een robot kunnen programmeren, en verwerven inzicht in het concept van programmeren. Ze passen hierbij onderzoeksvaardigheden toe. Ze kijken bv. wat er gebeurt als ze een bepaalde handeling uitvoeren en interpreteren wat ze observeren om hun ontwerp van de robot te verbeteren zodat deze tegemoet komt aan de vooropgestelde criteria. Dergelijk optimaliseren van het ontwerp wordt engineering genoemd.
Wiskunde komt in de activiteit aan bod doordat de voortbeweging van de robot in de programmeertaal moet uitgedrukt worden via rotaties (uitgedrukt in graden). De leerlingen moeten afstanden schatten en vervolgens inschatten hoeveel rotaties er nodig zijn om een bepaalde afstand af te leggen.
De activiteit/workshop situeert zich op verschillende niveaus van leren. Kinderen rond deze leeftijd hebben nog veel houvast nodig en concrete ervaringen binnen hun leerproces. Bijvoorbeeld, het begrip ‘programmeertaal’ wordt uitgelegd aan de hand van een concrete lichamelijke ervaring (instructies geven om iemand te sturen). Dit sluit goed aan bij het idee van onderzoekend leren. Kinderen kunnen op die manier gemakkelijker het verband zien met wat programmeertaal effectief is in de huidige context zonder dat een expliciete en moeilijke uitleg vereist is (en leerlingen kan demotiveren). Programmeren is handelen op mentaal niveau. Voor kinderen uit de lagere school is dit uitdagend. Kinderen gaan deze cognitief veeleisende activiteit vaak compenseren door het inzetten van trial-&-error = er is weliswaar een doel waar men naar toe wil maar de manier waarop men dit bereikt, is vaak nog proberen en zien wat het oplevert, wat heel efficiënt kan zijn. Anderzijds worden kinderen voortdurend gestimuleerd om zich als-dan-relaties voor te stellen (dit is nu eenmaal eigen aan programmeren). Voor heel wat kinderen op deze leeftijd kan dit een uitdagend leermoment zijn (ook soms moeilijk). De begeleidende rol van de leerkracht is noodzakelijk. De leergesprekken op het einde van het fragment gaan kinderen ondersteunen in het vastzetten van hun ervaringen en opgedane kennis.
In de workshop ligt de focus op het verwerven van inzichten en vaardigheden m.b.t. programmeren. De workshop begint met het verkennen van de voorkennis van de leerlingen (0:00-0:45), waarna de leerlingen het begrip van programmeertaal op een laagdrempelige manier toepassen in een buitenspel. Om hun geblinddoekte vriend wegwijs te maken doorheen de tuin geven de leerlingen instructies die hun vriend aanzetten tot achtereenvolgende acties (bv. ga vooruit, draai 90° naar links). Op die manier ervaren de leerlingen wat programmeertaal inhoudt op basis van het voortbewegen van het eigen lichaam. (0:46-2:45)
In de workshop staat het programmeren van een robot centraal. Een robot spreekt tot de verbeelding, maar vinden we ook terug in alledaagse situaties, zoals een stofzuiger. Deze levensechte context wordt al binnengebracht in de voorbereidende opdrachten (2:46-6:42). Bij de voorstelling van de probleemstelling gebeurt dit uitdrukkelijk, wat zich uit in (h)erkenning bij de leerlingen (7:58-8:40). Deze context zorgt ervoor dat het programmeren betekenis krijgt voor de leerlingen.
Robots zijn meer en meer een onderdeel van het dagelijkse leven, en tegelijkertijd spreken ze tot de verbeelding, bv. via de actualiteit. De leraar kiest hier voor een toepassing van de robot in een alledaagse situatie ‘het stofzuigen van onze kamer’. Op 7:58 kan je zien dat de leerlingen deze situatie en de bijhorende probleemstelling (h)erkennen. De context prikkelt dus de leerlingen.
De betrokkenheid van de leerlingen wordt ook gestimuleerd via vraagstelling (zie denk- en doe-vragen) en door de stapsgewijze opbouw van de workshop waardoor de leerlingen al doende het programmeren onder de knie kunnen krijgen. Er wordt vertrokken vanuit de voortbeweging van het eigen lichaam, waarna de voortbeweging van de robot eerst via eenvoudige opdrachten wordt verkend om tot slot een probleemstelling op te lossen.
Ook de keuze van de materialen zorgt voor enthousiasme. Dit zien we uitdrukkelijk bij één leerling m.b.t. het gebruik van tablets op 2:50.
De leraar start de activiteit met het bevragen van de leerlingen hun kennis over het concept dat centraal staat in de activiteit, namelijk programmeren. In het filmpje zie je een stukje uit dit verkennend gesprek (0:00-0:44). De leraar stelt vragen, waarbij hij inspeelt op de antwoorden van de leerlingen o.a. door de leerlingen verder te laten bouwen op elkaars antwoorden.
“…”
“Dat is wat we gaan doen, maar daarmee weet ik nog niet wat programmeren is? Wat doe je eigenlijk bij programmeren?”
“Dingen instellen.”
“Wat moet ik me voorstellen. Wat zou je hier kunnen instellen bij deze robot?”
“Hoe die vooruit rijdt.”
“Bijvoorbeeld hoe die vooruit rijdt. Wat kan je nog instellen?”
“…”
De leraar gaat langs bij de groepjes. Hij speelt in op de situaties die zich voordoen. Op 2:46 spreekt hij een groepje leerlingen aan, aangezien hij ziet dat hun robot te ver gereden is. Via vraagstelling wil hij dat de leerlingen zelf aangeven dat dit een probleem is: “Wat is het probleem?”, “Ben je al aan het bed?”. Hij wil hen zo stimuleren om op nieuw te proberen en doordacht te programmeren. Dit doet hij stapsgewijs met hen:
- Nadenken over het probleem: “En nu, wat moet hij doen? Wat moet hij eigenlijk doen?”, “Naar voor rijden? Tot waar moet hij vooruit rijden?”
- Nadenken over oplossingen: “Hoe heb je het nu ingesteld?”, “Wat zie je op uw steen om te vertrekken?”, “Wat zijn dit hier? Die 2 symbolen, waaraan doet dat denken?”
Het begrip ‘rotaties’ legt de leraar uit, aangezien dit voor de leerlingen niet duidelijk is. Op basis hiervan zet hij de leerlingen ook terug aan tot handelen.
Vanuit het langsgaan bij de groepjes brengt de leraar de belangrijkste problemen (in het bijzonder: het creëren van een reeks van opeenvolgende instructies) van de leerlingen samen in een klassikale bespreking. Hij zorgt er dus voor dat hij vanuit de ervaringen van de leerlingen begeleiding aanbiedt.
De leraar kiest voor een stapsgewijze opbouw. De leerlingen gaan eerst aan de slag met eenvoudige opdrachten, bv. rijden tot aan het bed, om uiteindelijk de complexere probleemstelling aan te pakken (= de gehele kamer rondrijden). De eenvoudige opdrachten zorgen ervoor dat de leerlingen telkens eerst hun aandacht richten op het programmeren van een bepaalde instructie. Dit helpt hen om niet te vervallen in trial-&-error, maar bij iedere opdracht goed te kijken naar wat er gebeurt om vervolgens hun programma bij te sturen.
De leraar geeft de leerlingen tijd om in groep aan de slag te gaan met de opdrachten. 5:42-6:42 zie je een groepje gebruik maken van deze tijd om systematisch te werken:
- samen nadenken over een oplossing en deze uitvoeren;
- de oplossing uittesten en kijken wat er gebeurt (gegevens verzamelen);
- vanuit deze observatie nadenken wat dit betekent (gegevens analyseren en interpreteren);
- om de oplossing bij te sturen in functie van de opdracht (probleemstelling).
De leraar begeleidt de leerlingen ook uitdrukkelijk om systematisch te onderzoeken (zie volgende vraag).
Vanaf 2:46 zie je de leraar een groepje leerlingen begeleiden tijdens de opdracht ‘rijden tot aan het bed’. Onder impuls van de leraar koppelen de leerlingen hun oplossing terug naar de probleemstelling. De vaststelling is dat de robot te ver is gereden. Vervolgens begeleidt de leraar de leerlingen om na te denken over een nieuwe oplossing. Hij vertelt hen wat een rotatie inhoudt en zet hen dan aan om doordacht te programmeren (≠ lukraak zaken instellen) (4:32-5:41):
De leraar vraagt de leerlingen om na te denken hoe ver de robot rijdt in het geval van 1 rotatie en stelt voor om dit te testen. Vanuit de observatie (niet ver genoeg) vraagt hij de leerlingen om aan te geven hoe de robot wel verder kan rijden. Het gevolg is dat één leerling de afgelegde afstand schat, terwijl een andere leerling aangeeft om eens te kijken hoe ver de robot rijdt bij 5 rotaties (= eerlijk onderzoeken).
- “… Dat is een rotatie. Op het moment dat je nu op start duwt hoe ver gaat hij dan rijden?”
- “… Gaan we eens kijken hoe ver dit precies is?”
- “Ja, is hij ver genoeg?”
- “Neen, zet hem weer op zijn plaats.”
- “… Hoe kan je tot aan het bed geraken?”
Dit gebeurt op verschillende momenten doorheen de activiteit. Voorbeelden:
- Na afloop van het buitenspel peilt de leraar naar de ervaringen van de leerlingen. Hij vraagt onder meer door over waarom de leerlingen het spel leuk vonden. (2:17-2:46)
- Wanneer de leerlingen in kleine groepjes aan de slag zijn met de programmeeropdrachten, dan zet hij één van de groepjes aan om stil te staan bij wat ze aan het doen zijn. Hij stimuleert hen om kritisch te zijn ten opzichte van hun oplossing: de robot is immers te ver gereden. (3:08-3:47)
- Eenmaal de leerlingen enkele eenvoudige opdrachten hebben uitgevoerd, brengt de leraar de leerlingen samen. Op 6:52 hoor je de leraar vragen: “Als ik nu op start duw, wat gaan mijn robot dan doen?”. Vervolgens laat hij verschillende leerlingen aan het woord om telkens de vraag door te spelen. Op deze manier staat hij samen met de leerlingen stil bij één van de belangrijkste problemen waar de leerlingen tot dan toe tegenaan liepen, namelijk: het instellen van een opeenvolging van instructies. Hij zet dit ook vast: “Tot nu toe was het soms … Eigenlijk vertrekken we altijd van hetzelfde punt.”
- Aan het einde van de activiteit vindt een laatste reflectiemoment plaats. De leraar vraagt onder meer wat er moeilijk was. Vanuit deze vraag staan de leerlingen stil bij hun aanpak (hoe verliep het zoeken naar een oplossing). (10:20-10:59)
Tijdens een aantal klassikale momenten zet de leraar de leerlingen via vraagstelling aan tot het verwoorden van hun gedachten op basis van hun voorkennis (bv. 0:00-2:45) of ervaringen vanuit de activiteit (bv. 6:42-8:40). Op die manier delen de leerlingen hun gedachten in de eerste plaats met de leraar. De leraar zorgt er echter voor dat hij de leerlingen laat verder bouwen op elkaars antwoorden. Dit gebeurt bijvoorbeeld naar aanleiding van de vraag: “Als ik nu op start duw bij mijn robot, wat gaan mijn robot dan doen?” (6:52-7:40)
Het groepswerk stimuleert de leerlingen om onderling hun ideeën en gedachten uit te wisselen (bv. 8:40-10:20). Wanneer de leraar de groepjes begeleidt, delen de leerlingen hun gedachten met de leraar en elkaar. Opdat dit laatste het geval zou zijn, moedigt de leraar de leerlingen hier ook uitdrukkelijk toe aan: “Maar je legt het nu uit aan mij, maar ik weet het al. Leg het maar uit aan de rest van de groep.” (3:46-3:55)
Tijdens de klassikale momenten willen steeds enkele leerlingen graag antwoorden op de vragen. Sommige leerlingen leggen daarbij een groot enthousiasme aan de dag. Rond 1:50 zie je een leerling zijn vinger steeds hoger in de lucht steken, zwaaien met zijn vinger en uiteindelijk recht gaan staan. We horen de leerlingen ook af en toe, “o o o”, zeggen uit enthousiasme om aan het woord te mogen komen.
Op 2:46 wisselen enkele leerlingen een verraste blik uit wanneer ze horen dat ze aan de slag mogen met de robots in kleine groep. Dat dit zal verlopen via tablets wekt bij een andere leerling uitdrukkelijk enthousiasme op (2:50).
Tijdens het groepswerk tonen de leerlingen een grote betrokkenheid. Op 6:26 horen we het gegiechel van een groepje wanneer ze hun robot testen.
Wanneer de leraar de probleemstelling aanbrengt vanuit de alledaagse situatie van ‘onze kamer stofzuigen’, verschijnt bij heel wat leerlingen een glimlach op het gezicht vanuit (h)erkenning. Deze wordt benadrukt door een gezamenlijk: “o ja!”. (7:58-8:08)
De eenvoudige opdrachten (bv. rijden tot aan de nachtkast) en de probleemstelling (hoe kunnen we de volledige kamer stofzuigen?) zijn gegeven. De leerlingen richten hierop hun aandacht. 3:07-3:46 doet een groepje leerlingen dit onder sterke impuls van de leraar. Dit gebeurt ook zelfstandig in kleine groep, bijvoorbeeld tussen 5:42 en 6:22 tijdens het bedenken en uitvoeren van de oplossing in de vorm van een programma voor de robot: op 5:46 horen we een leerlinge verwoorden dat de robot tot aan het nachtkastje moet rijden en op 6:17 duidt een andere leerlinge dit nog eens aan.
Tussen 3:46 en 5:41 bedenken de leerlingen eerst hoe hun programma er moet uitzien om ‘tot aan het bed te rijden’, vooraleer de robot te programmeren. Dit gebeurt onder impuls en begeleiding van de leraar. Uiteindelijk suggereert een leerling: “Gaan we een keer 5 proberen?” vanuit de afstand die de robot heeft afgelegd op basis van 1 rotatie.
De groepjes leerlingen gaan onmiddellijk aan de slag met het aangeboden materiaal, nadat ze een opdracht kregen. Het bedenken van hoe ze de robot kunnen programmeren, gebeurt hand in hand met het uitvoeren van de oplossing. Dit zie je bijvoorbeeld gebeuren tussen 5:42 en 6:22.
Vanuit het testen van de robot denken de leerlingen telkens opnieuw na hoe ze de opdracht/probleemstelling tot een goed einde kunnen brengen. Ze bedenken een nieuwe oplossing vanuit hun observaties en interpretaties (zie analyseren en interpreteren).
De leerlingen formuleren in het filmpje geen voorspellingen in de vorm van verwachte uitkomsten. Op 9:01 horen we een leerlinge wel zeggen: “Nu zou Nicole (naam robot) best vooruit rijden, of ze loopt tegen de kleerkast.” Zij formuleert een veronderstelling vanuit wat ze eerder waarnam tijdens het testen van de robot.
De leerlingen programmeren hun robot in functie van een opdracht/probleemstelling (bv. 5:42-6:22) en testen vervolgens hun robot uit (bv. 6:22-6:28). Tijdens dit testen kijken de leerlingen wat er gebeurt. De leerlingen verzamelen op die manier gegevens in de vorm van observaties. Deze observaties worden niet vastgelegd of verwoord. De leerlingen gaan onmiddellijk over tot analyseren en interpreteren (zie analyseren en interpreteren).
Een voorbeeld: Vanaf 5:42 zie je een groepje leerlingen een oplossing bedenken en uitvoeren om hun robot tot aan de nachtkast te laten rijden. Ze testen hun robot uit en kijken wat er gebeurt (6:22-6:28). Vervolgens analyseren en interpreteren de leerlingen hun observaties. Ze merken dat het resultaat geen volwaardige oplossing biedt voor de opdracht (= analyse). Een leerling vertelt wat er fout gelopen is (= interpretatie): “Neen, hij moest nog een keer naar links!”. Samen gaan ze vervolgens op zoek naar een verbeterde oplossing, waarbij de robot nog eens naar links rijdt (6:32-6:42)
In het filmpje horen we de leerlingen vragen beantwoorden van de leraar. De leerlingen formuleren echter geen samenvattende conclusies. De resultaten, de oplossingen in de vorm van programma’s, worden niet besproken door de leerlingen in het licht van de opdrachten/probleemstelling. De leraar filtert de belangrijkste problemen van de leerlingen m.b.t. programmeren en formuleert zelf vanuit de antwoorden van de leerlingen conclusies over wat programmeren is, bijvoorbeeld 2:24-2:45 en 7:41-7:52.
Op 9:21 geeft een leerlinge spontaan aan dat haar groepje een goed team vormt. Een beetje later stelt een andere leerlinge het resultaat van haar groepje in vraag, nadat ze de robot getest hebben: “Hebben jullie 1,5x achteruit genomen?”
Tijdens het laatste terugblikmoment beantwoordt een leerling de vraag van de leraar, “Wat was er moeilijk?”, met een antwoord dat beschrijft hoe zijn groepje te werk is gegaan om de oplossing te vinden voor de opdrachten/probleemstelling (10:24-10:49). De aanpak die hij beschrijft, houdt het volgende in:
- Een aantal graden instellen
- Oplossing uittesten
- Kijken wat er gebeurt
- Het aantal graden bijsturen in functie van de opdracht/probleemstelling.
De leerlingen maken kennis met programmeren via het aansturen van een vriendje op basis van instructies in de tuin. Op dit buitenspel wordt teruggeblikt (2:17-2:45), vooraleer de leerlingen aan de slag gaan met het programmeren van een robot. Tijdens de terugblik verwoordt een leerling vanuit zijn ervaringen met het buitenspel: “Dat je precies zo’n robot was, die niets kon zien.” De leraar zet vanuit de antwoorden van de leerlingen de transfer (eigen lichaam > robot) vast.
De leerlingen delen hun ervaringen tijdens de verschillende klassikale besprekingen onder impuls van de vragen die de leraar stelt. Deze vragen richten zich eerder op de ervaringen van de leerlingen dan op hun resultaten.
