Il ruolo del robot nell’ educazione

Il ruolo del robot nella robotica educativa

Il robot rafforza lautostima dello studente che diviene consapevole della propria formazione arrivando a capire e programmare la tecnologia e non subirla e venirne “programmato”.

Il robot richiede allo studente di imparare a comprendere e a superare l’errore che diventa così strumento essenziale di apprendimento.

Morgane Chevalier*, Paolo Rossetti**

I robot hanno fatto il loro ingresso nelle scuole quasi in contemporanea con i primi computer.

Ricordate la tartaruga Jeulin1 alla fine degli anni 70 primi anni 80?

L
a tartaruga
poteva essere programmata utilizzando schede perforate ma anche con un personal computer. Il linguaggio utilizzato era il LOGO, un linguaggio di programmazione non pensato per le scuole, ma che ha permesso di demistificare l’uso e l’interazione con il computer, così come avvenne per il linguaggio BASIC.

Da allora sono molto migliorate, dal punto di vista ergonomico, le interfacce di interazione e di programmazione. Da oltre dieci anni i robot sono entrati nelle scuole. Oggi troviamo in alcune classi robot Lego® EV3 (l’evoluzione di Mindstorm), Thymio II, Beebot®, Mbot® ecc.

Piattaforme diverse che utilizzano ciascuna un proprio linguaggio di programmazione.

Ma l’uso di questi robot è sempre collegato agli aspetti educativi legati allo sviluppo delle capacità di calcolo e alla scoperta dell’informativa? Quale ruolo la scuola attribuisce a questi strumenti?Diverse sono le attività che impiegano i robot in classe. La letteratura scientifica offre diversi contributi. Una meta-analisi2 presenta una panoramica dei risultati della robotica nelle scuole, riportando quanto segue: la maggior parte degli studi scientifici (80%) esplora ricerche legate ai settori della fisica e della matematica. Le competenze che possono essere sviluppate o migliorate grazie alla robotica, riguardano in particolare le capacità di problem solving, la logica e il metodo di ricerca scientifica.

Mitnik3 aggiunge che “la maggior parte delle applicazioni della robotica in materia di istruzione-è concentrata nel supportare l’insegnamento di argomenti legati al campo tecnico. A questo punto, sembra evidente che i robot, come computer, sono considerati strumenti per scoprire l’informatica, l’ingegneria e la robotica. Queste applicazioni si concentrano su alcuni concetti fondamentali. Per esempio, Magnenat4 ha dimostrato che l’utilizzo congiunto del robot e dell’ambiente di programmazione visuale Aseba Thymio II/VPL ha promosso negli studenti la conoscenza del concetto di gestione degli eventi, un concetto centrale nella scienza computazionale ampiamente usato nello sviluppo software di interfacce e per la programmazione di robot. Inoltre, Ko5 ha condotto uno studio longitudinale (di oltre sei anni) per indagare gli effetti misurabili a lungo termine sulla performance degli studenti dell’impiego della robotica nell’insegnamento dell’informatica. Ionita6 riporta che “la robotica diventa un modo interessante per affrontare argomenti didattici”. Sembra che in particolare la robotica sia utilizzata per promuovere l’apprendimento nell’ambito delle “scienze computazionali” (Computer Science), e per lo sviluppo del “pensiero computazionale” (Computational Thinking), così come per la matematica e le scienze. Tuttavia, la letteratura scientifica contiene anche numerosi riferimenti riguardo all’uso di robot per promuovere l’apprendimento di una lingua, nativa o straniera, della letteratura, dell’arte e di altre discipline non tecniche come l’educazione civica, alimentare ecc.

Oltre allo sviluppo di competenze disciplinari, i robot svolgono un ruolo interessante nello sviluppo di competenze trasversali come l’applicazione del metodo scientifico (anticipazione, formulazione e verifica di ipotesi, variabili…) o di strategie d’apprendimento, sviluppando opinioni, capacità di scelta, confronto tra punti di vista. Il robot rafforza anche lautostima dello studente che diviene consapevole della propria formazione arrivando a capire e programmare la tecnologia e non subirla e venirne “programmato”.

Un elemento centrale della robotica educativa è l’enfasi sull’errore: il robot richiede allo studente di imparare a comprendere e a superare l’errore. L’errore diventa strumento essenziale di apprendimento.

Il robot rende l’apprendimento più concreto. Uno studio7 ha spiegato che “il robot permettere ai bambini di sviluppare capacità motorie e la coordinazione occhio-mano, di impegnarsi in attività in cui è richiesta collaborazione e lavoro di squadra. Attraverso la robotica, i bambini possono sperimentare i concetti di ingegneria così come la narrazione e la creazione di contesti per i loro progetti.” Inoltre, le attività di robotica sono molto popolari, perché reificare il comportamento astratto di algoritmi e programmi come artefatti concreti.8 Infatti, “strumenti computazionali tangibili hanno il potenziale di rendere la manipolazione di concetti simbolici e astratti più concreta e comprensibile ai bambini.9 Questi studi pertanto asseriscono che la manipolazione fisica favorisce l’apprendimento di concetti astratti. I robot possono essere considerati il veicolo per trasformare il pensiero in azione.

Possiamo riassumere dicendo che attraverso la robotica educativa, gli studenti diventano protagonisti dellapprendimento, creatori del proprio prodotto; si sentono coinvolti nel processo di apprendimento. La robotica educativa li aiuta a sviluppare le competenze cognitive tipiche del pensiero computazionale, ad imparare a progettare il proprio lavoro, ad incrementare le competenze nella risoluzione di problemi complessi. La robotica educativa non rientra esclusivamente nel campo dellinformatica e della matematica, ma al contrario dimostra di essere unattività interdisciplinare in grado di stimolare gli alunni a mettere in pratica, e quindi rafforzare, anche le capacità logiche, di analisi e di sintesi.

Il ruolo del robot nel processo di apprendimento

Possiamo identificare quattro ruoli giocati10 dai robot nel processo di apprendimento:

a) robot come oggetto di studio

b) robot come tutor

c) robot come pari livello

d) robot come strumento

Infine possiamo riconoscere un quinto ruolo di robot “assistente” per le situazioni di disabilità e a supporto di bisogni educativi speciali.

Il robot come oggetto di studio

Significa porlo al centro dell’interesse dell’allievo, invitare ad osservarlo ad interagirvi, a porsi delle domande, a formulare delle ipotesi. L’argomento di studio diventa la robotica, o la meccatronica ovvero l’elettronica e la meccanica, o la programmazione del robot stesso.

È bene essere consapevoli dei limiti imposti dal tipo di robot a disposizione. Comprendere quali robot mettere in mano a degli alunni. A seconda delle caratteristiche del robot utilizzato si possono studiare alcune nozioni di meccanica e di elettronica. Il limite di questo ruolo sta nell’interesse limitato che può suscitare e sul livello di maturità necessaria per una sua introduzione nei diversi cicli scolastici.

Il robot come oggetto di studio è particolarmente importante per il corpo docente che vuole cimentarsi con l’impiego di robot durante una attività didattica in classe.

Per la formazione continua degli insegnanti istituti di robotica e di scienza dell’educazione (ad es. EPFL ed HEP a Losanna) organizzano corsi periodici sulla formazione degli insegnanti, spiegando i fenomeni fisici e tecnici alla base della robotica fornendo basi di conoscenza scientifiche per aumentare le competenze tecniche del corpo docente e per togliere ogni alone di magia al comportamento dei robot.

Non si tratta di imparare il funzionamento del robot per spiegarlo agli alunni ma per comprenderlo e poi poterlo utilizzare al meglio nel ruolo di strumento di apprendimento, per pianificare e orchestrare al meglio un impiego in aula con gli allievi.

Il robot come strumento di apprendimento

Un secondo ruolo è quello di strumento nelle mani del corpo docente per far apprendere all’allievo un particolare argomento. Il robot come il libro, il quaderno per gli esercizi, il programma di un personal computer, l’esperimento di chimica. In questo ruolo il robot è un oggetto in grado di dare origine ad un trasferimento di quanto appreso da un campo ad un altro. La conoscenza appresa grazie ad una attività formativa con il robot è più generale che nel caso in cui il robot sia l’oggetto di studio. Utilizzato come strumento il robot ha la sua efficacia al di la del contesto d’impiego.

Ad esempio si pensi all’impiego del robot per far apprendere dei vocaboli in una lingua straniera, o dei comportamenti corretti o sbagliati, o per chiarire dei concetti astratti di matematica, geometria, fisica o scienze, per far apprendere nozioni di programmazione dei computer, degli algoritmi ecc.

Nella categoria robot come strumento di apprendimento poniamo anche l’impiego del robot per introdurre praticamente l’osservazione ragionata, il metodo scientifico, la formulazione e la verifica di ipotesi. L’uso come strumento per facilitare il pensiero logico, scientifico e computazionale. O per l’acquisizione di competenze trasversali come il lavoro di gruppo, la leadership, la definizione di strategie e tecniche per la risoluzione di problemi e la collaborazione adottando metodologie didattiche cosiddette “problem-based”.

Si parla quindi di “robotica per l’educazione”, o “robotica pedagogica” o “robotica educativa” intendendo questo ruolo giocato dal robot nelle mani esperte di un docente che lo impiega per affrontare situazioni di apprendimento scolastico cercando di trarne i vantaggi per gli allievi.

È questo il ruolo giocato da robot come Thymio o BeeBot, EV3 ecc. Robot strumenti impiegati dal corpo docente nella pratica quotidiana in aula.

Il ruolo dato al robot e la relativa efficacia dipendono dalle conoscenze del corpo docente sul robot e sulle sue potenzialità didattiche. Obiettivi didattici disciplinari o trasversali possono essere affrontati dai docente utilizzando robot per scopi precisi e attività pianificate, condotte con obiettivi didattici prestabiliti.

Il robot come pari livello dell’allievo

In questo ruolo il robot agisce come compagno di studi dell’allievo. L’interazione tra robot e bambino in questo ruolo è essenziale. Si punta su robot in grado di simulare emozioni contando su una capacità di stimolare alcune emozioni nell’allievo. Da questa interazione con una macchina per sua natura dotata di infinita pazienza e capacità di replicare esattamente sempre i medesimi comportamenti ci si attendono i benefici maggiori. Vi sono robot utilizzati per far svolgere al bambino con difficoltà di apprendimento il ruolo di insegnante che insegna al robot che “impara”11, contribuendo a creare autostima e ad apprendere mentre si cerca di spiegare al robot a compiere una determinata azione complessa.

Il robot come tutor

In alcuni casi il robot viene promosso dal docente, a vero e proprio “tutor” dell’allievo. Il robot possiede in questo caso una conoscenza e le risposte corrette. Funge da supervisore o da stimolo per l’apprendimento dell’allievo, funge da fonte affidabile e sempre presente di informazione. In questo ruolo (es. mostra una posizione fisica da assumere, o esegue un balletto, o ripete un fonema ecc.) bisogna esser consapevoli che si affida una posizione di superiorità al robot rispetto al bambino con tutti i problemi etici ed educativi che questo comporta. (es. perdita di autostima, incapacità a distinguere tra essere animato e inanimato ecc.) Questo ruolo ci sembra particolarmente pericoloso e le conseguenze sono ancora poco studiate in termini scientifici.

Il robot come assistente per bisogni educativi speciali

Infine vi sono numerosi studi12 in cui si sperimenta l’impiego per scopi educativi speciali, come nell’ambito dell’autismo o della riabilitazione (educazione alla motricità), in cui diversi tipi di robot sono impiegati per aiutare a superare difficoltà di apprendimento di emozioni, o per assistere nella ripetizione di fonemi o di movimenti o per sopperire a carenze oggettive degli allievi fornendo servizi agli allievi.

In conclusione: non è il robot che consente di ottenere i benefici della robotica educativa ma l’utilizzo che ne viene fatto. Come suggerito da Dillenbourg13 diventa quindi essenziale prima riflettere su quali obiettivi didattici si vogliono raggiungere con gli allievi e poi pianificare ed implementare un piano adatto per orchestrare le proprie attività didattiche utilizzando la robotica in aula.

* È stata insegnante di scuola primaria in Francia e Svizzera. Ora è insegnante all’HEP-Vaud e una studentessa del PhD in Robotica educativa all’EPFL (Svizzera).

** Ingegnere sistemi informativi e gestionali, specializzato nel miglioramento delle performance delle organizzazioni e nella gestione dell’innovazione. Si occupa di formazione tecnica e di tecnologie per l’apprendimento. Insegna all’Università della Svizzera Italiana Lean Six Sigma. Membro del comitato direttivo della associazione Mobsya per la robotica educativa.

2 Benitti, Fabiane Barreto Vavassori. Exploring the educational potential of robotics in schools: A systematic review. Computers & Education, 2012, vol. 58, no 3, p. 978-988

3 Mitnik, Ruben, Nussbaum, Miguel, et Soto, Alvaro. An autonomous educational mobile robot mediator. Autonomous Robots, 2008, vol. 25, no 4, p. 367-382.

4 Magnenat, Stéphane, SHIN, Jiwon, RIEDO, Fanny, et al. Teaching a core CS concept through robotics. In : Proceedings of the 2014 conference on Innovation & technology in computer science education. ACM, 2014. p. 315-320.

5 Ko, Pat. A longitudinal study of the effects of a high school robotics and computational thinking class on academic achievement (WIP). In : 2013 IEEE Frontiers in Education Conference (FIE). IEEE, 2013. p. 181-183.

6 Ionita, S. et Ionita, A. I. Steps towards a constructionist methodological approach. In : Proceedings of EcoMedia International Conference. 2007. p. 119-125.

7 Bers, Marina Umaschi, Flannery, Louise, Kazakoff, Elizabeth R., et al. Computational thinking and tinkering: Exploration of an early childhood robotics curriculum. Computers & Education, 2014, vol. 72, p. 145-157.

8 Magnenat, Stéphane, Shin, Jiwon, Riedo, Fanny, et al. Teaching a core CS concept through robotics. In : Proceedings of the 2014 conference on Innovation & technology in computer science education. ACM, 2014. p. 315-320.

9 Ryokai, Kimiko, Lee, Michael Jongseon, et Breitbart, Jonathan Micah. Children’s storytelling and programming with robotic characters. In : Proceedings of the seventh ACM conference on Creativity and cognition. ACM, 2009. p. 19-28.

10 Le tre categorie tutor, peer e strumento sono state evidenziate da Omar Mubin, Catherine J Stevens, Suleman Shahid, Abdullah Al Mahmud, e Jian-Jie Dong. A review of the applicability of robots in education. Journal of Technology in Education and Learning , 1, 2013.

12 Robins, B, Dautenhahn, K., te Boekhorst, R. and Billard, A. (2004) Robotic Assistants in Therapy and Education of Children with Autism: Can a Small Humanoid Robot Help Encourage Social Interaction Skills? Special issue of the International Journal of Universal Access in the Information Society (UAIS), Springer-Verlag.

13 Pierre Dillenbourg. Design for Classroom Orchestration. Computers & Education, 69:485–492, 2013.