Designing and assessing educational robotics activities with the C4STEM framework

Abstract

There is currently a lack of interest in STEM (Science, Technology, Engineering and Maths) subjects at schools and universities although there is increasing demand for STEM staff in Austria. Educational Robotics has proven to be a valuable tool for practical learning, not only about robotics but also about STEM topics in general. There are several programs and projects which are designed to promote young people in the field of STEM and to increase their interest in STEM, but there is a need for a concept with practical guidelines and a validation mechanism to ensure the effective use of educational robotics in STEM. This thesis has developed a concept (C4STEM) with the goals of increasing interest in the field of STEM, increase self-efficacy during workshops, provide students with role models, and motivate them with hands-on activities. The success in achieving these goals will be assessed using questionnaires before and after the workshops. To this end, data from 3417 participants aged from 6 to 18 years were evaluated. The concept includes a framework, templates and an evaluation tool for designing and validating different educational robotics activities on the basis of the same standards. The framework is based on a constructionism approach, problem-based learning, the AVIVA model and design-based research. The framework enables a comparison of the quality of different robotic activities and their implementation in repositories. The evaluation tool validates four necessary factors: interest in STEM, the positive relationship with tutors, the impact of out-of-school activities and the self-efficacy score for checking the quality of educational robotics activities. The thesis presents one case study (as best of) with an innovative design. The results of the validation report on the different quality of the four factors and what has to be optimized in educational robotics activities in order to foster the interest in STEM. The C4STEM framework offers a shareable methodological background for ERA for the purpose of simplifying comparisons, which is underlined with cases in this thesis.

MINT (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik) Fächern fehlt es an Aufmerksamkeit im Bereich der Schulen und Hochschulen, obwohl in Österreich MINT-Personal immer gefragt ist. Bildungsrobotik ist nachweislich ein wertvolles Werkzeug für das praktische Lernen von MINT-Themen. Um einen effektiven Einsatz von Educational Robotics für MINT zu gewährleisten, fehlt den verschiedenen Programmen und Projekten, ein Framework mit Richtlinien für die Praxis und einem Validierungsinstrument, um junge Menschen für MINT zu interessieren und im MINT-Bereich zu fördern. In dieser Arbeit wird ein solches Framework (C4STEM) generiert mit den Zielen, das Interesse am MINT-Bereich zu steigern, die Selbstwirksamkeit zu erhöhen, den Kindern und Jugendlichen Vorbilder zu bieten und sie mit Hilfe praktischer Aktivitäten zu motivieren. Der Erfolg von Educational Robotics-Workshops zur Erreichung dieser Ziele wird unmittelbar überprüft. Insgesamt wurden Daten von 3417 Probanden im Alter von 6 bis 18 Jahren ausgewertet. Das Framework beinhaltet einen Rahmen, Vorlagen und ein Evaluierungsinstrument für die Gestaltung sowie Validierung verschiedener pädagogischer Robotik-Aktivitäten nach den gleichen Standards. Der Rahmen basiert auf einem konstruktivistischen Ansatz, dem problembasierten Lernen, dem AVIVA Modell und der Design Based Research Methode. Das Framework ermöglicht es, die Qualität verschiedener Robotik-Aktivitäten zu vergleichen und in Repositories (Datenbanken) zu implementieren. Das Evaluationstool validiert 4 zentrale Faktoren: das Interesse in MINT, die positive Beziehung zu den Tutoren, die Auswirkung der außerschulischen Aktivitäten und die Bewertung der Selbstwirksamkeit, um die Qualität der Robotik-Aktivitäten im Unterricht zu überprüfen. Die Ergebnisse der Validierung zeigen die unterschiedliche Relevanz der 4 Faktoren und verweisen auf den Optimierungsbedarf bei den pädagogischen Robotik-Aktivitäten, um das Interesse an MINT besser zu fördern. Das C4STEM-Framework bietet einen gemeinsam nutzbaren methodischen Hintergrund für Bildungsrobotik Aktivitäten. Dies erleichtert Vergleiche, um Praxis zu optimieren, welche anhand von Fallbeispielenin der Arbeit dokumentiert wird.