Kutoka Usanifu Dijitali Hadi Utoaji wa Kimwili: Kutumia Vichapishi 3D na Roboti NAO Katika Elimu ya Msingi

1. Utangulizi na Muhtasari

Makala hii inatoa mfano wa kuongoza wa kuunganisha roboti kibinadamu NAO na vichapishi 3D katika elimu ya msingi na ya chini ya sekondari (Folkeskolen). Dhana kuu ni kuwawezesha wanafunzi kubadilisha usanifu wa dijitali kuwa utoaji wa kimwili. Takriban madarasa 20 na walimu wao walishiriki katika miradi ambapo watoto walibuni vifuniko vya simu za mkononi na maumbo ya kijiometri kwa ajili ya kuchapishwa 3D, na kuandaa programu za roboti kusoma mashairi kuhusu wakati ujao.

Utafiti huu ni sehemu ya mradi wa "Teknolojia za Baadaye" (Fremtek). Unachunguza jinsi teknolojia hizi zinaweza kuimarisha mazingira ya kujifunza na kuchunguza uandali unaohitajika na upangaji wa kididaktiki kwa walimu. Maswali makuu ya utafiti ni:

• Roboti NAO na vichapishi 3D vinawezaje kusaidia mazingira ya kujifunza ya watoto kwa namna gani?
• Hii inaweka mahitaji gani kwenye upangaji wa kididaktiki na uandali wa walimu?

Mbinu inatokana na Utafiti wa Kimsingi wa Ubunifu (Design-Based Research - DBR), inayofaa kuchunguza jinsi teknolojia na ubunifu wa kufundisa unavyosaidia kujifunza darasani.

2. Teknolojia Zilizochaguliwa

3. Msingi wa Kinadharia: Ujenzi (Constructionism)

Mradi huu unategemea nadharia ya kujifunza ya Ujenzi (Constructionism) (Papert, 1993; Resnick, 2009). Constructionism inasema kuwa kujifunza kuna ufanisi zaidi wakati wanaojifunza wanashiriki kikamilifu katika kujenga vitu halisi, vinavyoweza kushirikiwa katika ulimwengu wa kweli. Falsafa hii ya "kujifunza kwa kutengeneza" inalingana kabisa na kitendo cha kuandaa programu ya harakati ya roboti au kuchapisha kitu kilichobuniwa na mwenyewe cha 3D. Mchakato wa kurekebisha makosa ya densi ya roboti au kuboresha muundo wa 3D ili uweze kuchapishwa unawakilisha kujifunza kwa kina na kurudia.

Resnick (2009) anapanua hii hadi dhana ya ustadi wa dijitali (digital fluency), akibishana kwa uhusiano wa ubunifu na kubuni na teknolojia ya dijitali, kusonga zaidi ya matumizi tu.

4. Mbinu ya Ubunifu wa Kididaktiki-IT

Mradi ulitumia mbinu ya kimuundo ya ubunifu wa kididaktiki-IT (Hansen, 2013) kuongoza upangaji wa walimu. Mbinu hii inahusisha hatua kama:

1. Uchambuzi: Kutambua malengo ya kujifunza na uwezekano wa kiteknolojia.
2. Ubunifu: Kuunda mpango wa somo unaounganisha teknolojia kwa maana ili kufikia malengo maalum ya somo zaidi ya kujifunza zana yenyewe.
3. Maendeleo: Kuandaa nyenzo, programu, na usanidi wa kiufundi.
4. Utekelezaji: Kutekeleza mlolongo wa kufundisha.
5. Tathmini: Kutafakari matokeo ya kujifunza na ufanisi wa mchakato.

Njia hii ya kimuundo ilikuwa muhimu kwa kusonga zaidi ya "kufunuliwa kwa teknolojia" tu hadi kujifunza kwa kuunganishwa kwa teknolojia.

5. Utekelezaji wa Mradi na Misaala ya Utafiti

6. Matokeo na Uvumbuzi Muhimu

Uvumbuzi Muhimu:

• Uwezo: Teknolojia hizi zinaunganisha vizuri tofauti kati ya dijitali na kimwili, zikikuza ujuzi wa dijitali, mawazo ya kikokotozi, na mtazamo wa "mtengenezaji". Zinafanya dhana za kiwango cha juu ziwe halisi na zinawahimiza wanafunzi.
• Kipengele Muhimu cha Mafanikio: Kuunganishwa katika mtaala na malengo wazi ya kujifunza yasiyo ya kiteknolojia ni muhimu sana. Teknolojia lazima iwe njia, si lengo.
• Vikwazo: Bila upangaji sahihi wa kididaktiki, shughuli zinaweza kugeuka kuwa "kubonyeza vitufe" tu au kusababishwa na matatizo ya kiufundi. Uwezo na ujasiri wa mwalimu ni vikwazo vikubwa.
• Malezi ya Kidijitali (Digital Bildung): Mchakato huu unakuza uelewa wa kina wa uhusiano kati ya msimbo wa alama/michoro na michakato ya kimwili, sehemu muhimu ya uraia wa kisasa wa dijitali.

7. Maelezo ya Kiufundi na Mfumo wa Kihisabati

Ubadilishaji kutoka kwa usanifu wa dijitali hadi matokeo ya kimwili unahusisha tabaka kadhaa za kihisabati na kikokotozi:

Kwa Uchapishaji 3D: Muundo wa 3D unafafanuliwa na mtandao wa vipeo na poligoni. Programu ya kukata inabadilisha muundo huu kuwa maagizo ya mashine (G-code). Kigezo muhimu ni urefu wa tabaka $h$, ambacho huathiri muda wa kuchapisha $T$ na ubora wa uso. Muda wa kuchapisha unaweza kukadiriwa kwa kiasi cha nyenzo $V$ kugawanywa na kiwango cha kutoa $E$: $T \approx \frac{V}{E}$. Wanafunzi wanashughulika kwa njia isiyo wazi na mabadiliko ya kupima: $\vec{x}_{\text{printed}} = s \cdot \vec{x}_{\text{model}}$, ambapo $s$ ni kipengele cha kipimo.

Kwa Kuandaa Programu ya Roboti: Katika Choregraphe, wanafunzi huunda mashine zenye hali maalum au miti ya tabia. Harakati za viungo vya roboti zinafafanuliwa na pembe lengwa $\theta_i$ kwa kila mota ya servo $i$. Mlolongo rahisi wa harakati unaweza kuwakilishwa kama ratiba ya seti za pembe: $\Theta(t) = \{\theta_1(t), \theta_2(t), ..., \theta_n(t)\}$. Wanafunzi hujifunza kuhusu upangaji, ushirikiano, na programu zinazoendeshwa na matukio.

Maelezo ya Mchoro (Kurejelea Mchoro 1a katika PDF): Mchoro 1a labda unaonyesha roboti NAO, ukionyesha vihisi vyake (kamera zilizowekwa kichwani, vikokotozi sauti) na vifaa vya utendaji (mikono inayoweza kusongeshwa, miguu, spika, LED ya kifua). Mchoro wa kimuundo unaweza kuonyesha mtiririko: Msimbo wa Mwanafunzi (vizuizi vya Choregraphe) $\rightarrow$ API ya Roboti $\rightarrow$ Maagizo ya Mota $\rightarrow$ Harakati ya Kimwili/Sauti/Mwanga.

8. Mfumo wa Uchambuzi na Mfano wa Misaala

Mfumo: Orodha ya Kuangalia ya Uunganishaji "DIDACTIC" (Inatokana na matokeo ya utafiti)

Ili kutathmini au kupanga somo lililounganishwa na teknolojia, walimu wanaweza kutumia mfumo huu:

1. Define Malengo ya Kujifunza ya Somo (k.m., "Kuelewa kiasi cha kijiometri").
2. Identify the Uwezo wa Teknolojia (k.m., "Kichapishi 3D kinafanya kiasi kiwe halisi").
3. Design the Mlolongo wa Shughuli unaounganisha lengo na zana.
4. Anticipate Vikwazo vya Kiufundi na vya Dhana.
5. Create Vigezo vya Tathmini vinavyohusiana na lengo la somo.
6. Test the Mchakato wa Kiufundi kabla.
7. Iterate based on Maoni ya Darasani.
8. Connect to broader Ujuzi wa Kidijitali concepts.

Mfano wa Misaala: "Roboti Anayejieleza"

• Lengo la Somo: Chambua hali ya hisia ya shairi na kuitoa kupitia utendaji.
• Uwezo wa Teknolojia: Roboti NAO anaweza kuunganisha usemi, mwendo, na mwanga.
• Shughuli: 1) Chambua shairi kwa hisia. 2) Panga mchoro wa vitendo vya roboti (harakati za polepole kwa huzuni, za haraka kwa furaha, LED nyekundu kwa hasira). 3) Tekeleza katika Choregraphe. 4) Wasilisha na tathmini.
• Tathmini: Ubora wa uchambuzi unaothibitisha tabia zilizochaguliwa za roboti, sio utekelezaji wa kiufundi tu.

9. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Utafiti

• Miradi ya Kuvuka Masomo ya STEAM: Kuunganisha vitu vilivyochapishwa 3D na mwingiliano wa roboti (k.m., roboti anayepita kwenye mazingira magumu yaliyochapishwa, kuingiliana na vitu vilivyochapishwa).
• Unganishaji wa Akili Bandia (AI): Kuunganisha vipengele vya kujifunza vya mashine vinavyopatikana kwenye majukwaa kama NAOqi (k.m., kutambua uso, kutambua kitu) ili kuunda miradi ya wanafunzi yenye mwingiliano zaidi na "akili".
• Kuzingatia Tathmini: Kuendeleza mifumo thabiti ya kutathmini maendeleo ya mawazo ya kikokotozi na ujuzi wa dijitali kupitia miradi hii halisi, kusonga zaidi ya ushahidi wa kisa.
• Uwezo wa Kuongezeka na Ufanisi wa Gharama: Kuchunguza matumizi ya vifurushi vya roboti vyenye gharama nafuu (k.m., LEGO SPIKE Prime, Micro:bit) na vichapishi 3D vyenye gharama nafuu zaidi ili kurudia kanuni kuu za kujifunza kwa kiwango kikubwa, kama ilivyopendekezwa na kuenea kwa zana za elimu ya watengenezaji zilizorekodiwa kwenye tovuti kama Instructables.
• Jamii za Walimu za Mazoezi: Kujenga majukwaa endelevu ya mtandaoni kwa ajili ya walimu kushiriki mipango ya masomo, kutatua matatizo ya kiufundi, na kushirikiana katika maendeleo ya mtaala, sawa na hifadhi kama Exploratorium's Tinkering Studio.

10. Marejeo

1. Blikstein, P. (2013). Digital fabrication and 'making' in education: The democratization of invention. In J. Walter-Herrmann & C. Büching (Eds.), FabLabs: Of Machines, Makers and Inventors. Transcript Publishers.
2. Hansen, J. J. (2013). IT-didaktisk design. (Mbinu ya ndani, iliyotajwa katika PDF).
3. Majgaard, G. (2011). Design-based research – when engineering and educational research interact. Proceedings of the 4th International Conference on Computer Supported Education (CSEDU).
4. Papert, S. (1993). The Children's Machine: Rethinking School in the Age of the Computer. BasicBooks.
5. Resnick, M. (2009). Sowing the Seeds for a More Creative Society. International Society for Technology in Education.
6. Aldebaran Robotics. (2014). NAO Robot Technical Overview. [Marejeo kutoka PDF].
7. Fremtek Project. (2014). Future Technologies Research Project. [Marejeo kutoka PDF].

11. Uchambuzi wa Asili na Uhakiki wa Mtaalamu

Uvumbuzi Mkuu: Utafiti huu sio kuhusu roboti au vichapishi; ni uchambuzi muhimu wa mapengo ya utekelezaji katika teknolojia ya elimu. Uvumbuzi halisi ni kwamba mng'ao wa zana za kiteknolojia ya hali ya juu hauna thamani—na mara nyingi huwa na athari mbaya—bila msingi mgumu, usio na mvuto wa ubunifu thabiti wa kididaktiki. Mradi unaonyesha kwa mafanikio kwamba uwezo wa mabadiliko haupo kwenye vifaa, bali kwenye ufungashaji wa kielimu unaolazimisha teknolojia kutumika kwa malengo ya mtaala yaliyopo tayari. Hii inalingana na ukosoaji mpana katika EdTech, kama ule wa ripoti ya OECD ya 2015 "Wanafunzi, Kompyuta na Kujifunza", ambayo haikupata uboreshaji wowote wa alama za PISA kutoka kwa kuwekeza tu kwenye kompyuta, ikisisitiza kuwa jinsi teknolojia inavyotumiwa ndiyo muhimu zaidi.

Mtiririko wa Kimantiki: Mantiki ya utafiti ni sahihi: 1) Tambua dhana yenye mvuto (ubadilishaji wa dijitali-kimwili kama msingi wa ujuzi wa dijitali). 2) Itie msingi katika nadharia iliyothibitishwa (Constructionism). 3) Toa mbinu ya kimuundo ya utekelezaji (ubunifu wa kididaktiki-IT). 4) Jaribu darasani halisi kwa msaada sahihi wa walimu. 5) Tambua kilichofanya kazi (miradi iliyounganishwa na mtaala) na kilichoshindwa (shughuli zilizolenga teknolojia). Mtiririko kutoka nadharia hadi mazoezi hadi uvumbuzi unaoweza kutekelezwa ni wazi na unaweza kurudiwa.

Nguvu na Kasoro: Nguvu yake kuu ni utendaji wake. Haiongezi tu; inatoa ramani (mafunzo ya walimu, mbinu ya ubunifu) na inaonya dhidi ya vikwazo. Matumizi ya Utafiti wa Kimsingi wa Ubunifu yanafaa kwa mazingira haya magumu ya ulimwengu wa kweli. Hata hivyo, uchambuzi una kasoro kubwa. Ushahidi bado ni wa ubora na wa kisa. Je, vipimo vya kabla/baada vya mantiki ya anga au dhana za mawazo ya kikokotozi viko wapi? Madai ya kukuza "malezi ya kidijitali" ni ya kina lakini hayajatathminiwa vyema. Zaidi ya hayo, kutegemea majukwaa ya gharama kubwa na ya kibiashara (NAO, vichapishi maalum vya 3D) kunaleta maswali makubwa kuhusu uendelevu na usawa, ukosoaji wa kawaida katika utafiti wa EdTech ulioangaziwa na wataalamu kama Neil Selwyn. Utafiti unatazama urahisishaji (Blikstein, 2013) lakini haushughuliki na ujinga wa kutumia roboti wa $10,000 ili kufikia hilo.

Uvumbuzi Unaoweza Kutekelezwa: Kwa viongozi wa shule: Wekeza katika maendeleo ya walimu, sio vifaa tu. Kozi ya siku mbili ni mwanzo, lakini jamii endelevu za kujifunza kwa wataalamu ni muhimu. Kwa watengenezaji wa mtaala: Jumuisha ubunifu wa kididaktiki kwenye rasilimali. Usitoze tu "somo la kuchapisha 3D"; toa "somo la hisabati linalotumia kuchapisha 3D." Kwa watafiti: Hatua inayofuata lazima iwe tathmini madhubuti, inayoweza kuhamishwa. Tengeneza zana za kupima matokeo maalum ya kiakili na ya hisia ya kazi za ubadilishaji wa dijitali-kimwili. Mwishowe, uwanja huu lazima ufuatilie kwa bidii mfano wa gharama nafuu, wa chanzo wazi ili kurudia mienendo hii ya kujifunza. Uvumbuzi mkuu—nguvu ya uundaji halisi—inaweza na lazima itenganishwe na vifurushi vya gharama kubwa, vya kibiashara ili kufikia kiwango cha kweli na usawa, mwelekeo unaochunguzwa na mitandao ya kimataifa kama Fab Foundation.