Educational robotics competitions as out-of-school learning setting for STEM education: An empirical study on students’ learning of problem solving skills through participation in the World Robot Olympiad

• Main Author: Pöhner, Nicolai
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2021
• Subjects: Fachdidaktik; Außerschulische Bildung; ddc:000; ddc:370
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/24317; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-243179; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-243179; https://doi.org/10.25972/OPUS-24317; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/24317/Poehner_Nicolai_Dissertation_20210816.pdf

Educational robotics is an innovative approach to teaching and learning a variety of different concepts and skills as well as motivating students in the field of Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) education. This especially applies to educational robotics competitions such as, for example, the FIRST LEGO League, the RoboCup Junior, or the World Robot Olympiad as out-of-school and goal-oriented approach to educational robotics. These competitions have gained greatly in popularity in recent years and thousands of students participate in these competitions worldwide each year. Moreover, the corresponding technology became more accessible for teachers and students to use it in their classrooms and has arguably a high potential to impact the nature of science education at all levels. One skill, which is said to be benefitting from educational robotics, is problem solving. This thesis understands problem solving skills as engineering design skills (in contrast to scientific inquiry). Problem solving skills count as important skills as demanded by industry leaders and policy makers in the context of 21st century skills, which are relevant for students to be well-prepared for their future working life in today’s world, shaped by an ongoing process of automation, globalization, and digitalization. The overall aim of this thesis is to try to answer the question if educational robotics competitions such as the World Robot Olympiad (WRO) have a positive impact on students’ learning in terms of their problem solving skills (as part of 21st century skills). In detail, this thesis focuses on a) if students can improve their problem solving skills through participation in educational robotics competitions, b) how this skill development is accomplished, and c) the teachers’ support of their students during their learning process in the competition. The corresponding empirical studies were conducted throughout the seasons of 2018 and 2019 of the WRO in Germany. The results show overall positive effects of the participation in the WRO on students’ learning of problem solving skills. They display an increase of students’ problem solving skills, which is not moderated by other variables such as the competition’s category or age group, the students’ gender or experience, or the success of the teams at the competition. Moreover, the results indicate that students develop their problem solving skills by using a systematic engineering design process and sophisticated problem solving strategies. Lastly, the teacher’s role in the educational robotics competitions as manager and guide (in terms of the constructionist learning theory) of the students’ learning process (especially regarding the affective level) is underlined by the results of this thesis. All in all, this thesis contributes to the research gap concerning the lack of systematic evaluation of educational robotics to promote students’ learning by providing more (methodologically) sophisticated research on this topic. Thereby, this thesis follows the call for more rigorous (quantitative) research by the educational robotics community, which is necessary to validate the impact of educational robotics. === Die Robotik stellt einen handlungsorientierten („hands-on“) Zugang zur Bildung in Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik (MINT) dar. Dabei fördert sie das Lernen von Schülerinnen und Schülern nicht nur auf kognitiver Ebene, sondern trägt auch zu einer erhöhten Motivation und erhöhtem Interesse bei (affektive Ebene). In den letzten Jahren erfreuen sich gerade Roboterwettbewerbe als außerschulisches Lernangebot steigender Beliebtheit und verzeichnen weltweit jährlich wachsende Teilnehmerzahlen. Beispiele dafür sind die FIRST LEGO League, der RoboCup Junior und die World Robot Olympiad. Zudem steigt auch die Verfügbarkeit der nötigen Robotersysteme für Schülerinnen und Schüler sowie Lehrkräfte, um sie in der Schule einzusetzen und damit verschiedenste Lerninhalte in allen Jahrgangsstufen zu vermitteln. Ein Lerninhalt, der durch die Robotik besonders gefördert werden können soll, ist das Problemlösen. Problemlösen wird in dieser Arbeit als ingenieurwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise verstanden (im Gegensatz zu naturwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweisen). Das Problemlösen gilt dabei als eine wichtige Fähigkeit im Kontext von sog. 21st century skills. Diese beschreiben wichtige Fähigkeiten für die Arbeitswelt von morgen. Sie resultieren aus einer fortschreitenden Automatisierung, Globalisierung und Digitalisierung unserer Welt und werden regelmäßig von Vertretern von Industrie und Politik gefordert. Eine Forschungslücke stellt aber weiterhin die unzureichende systematische wissenschaftliche Forschung und Evaluation hinsichtlich des positiven Einflusses der Robotik auf das Lernen dar. Die fehlende Systematik geht dabei vor allem die Verwendung wenig aussagekräftiger Methodik (z.B. deskriptive Erfahrungsberichte von einzelnen Lehrkräften) zurück. Das übergreifende Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, ob eine Teilnahme an der World Robot Olympiad (WRO) (als Beispiel für einen beliebten Roboterwettbewerb) einen positiven Einfluss auf die Problemlösefähigkeiten (als Teil der 21st century skills) der Schülerinnen und Schüler hat. Dabei wird im Detail untersucht, a) ob die Problemlösefähigkeiten der Schülerinnen und Schüler durch eine Teilnahme an Roboterwettbewerben verbessert werden können, b) wie diese Verbesserung zustande kommt und c) wie die Team-Coaches die Schülerinnen und Schüler während ihres Lernprozesses unterstützen. Die dazu durchgeführten empirischen Studien fanden in den beiden Jahren 2018 und 2019 im Rahmen der WRO in Deutschland statt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen einen insgesamt positiven Einfluss einer Teilnahme an der WRO auf die Problemlösefähigkeiten der Schülerinnen und Schüler. Dies zeigt sich in einer Verbesserung ihrer Problemlösefähigkeiten durch die Teilnahme, die nicht durch andere Variablen wie der Kategorie und Altersklasse der WRO, dem Geschlecht und der Erfahrung der Schülerinnen und Schüler sowie deren Erfolg beim Roboterwettbewerb moderiert wurde. Die Verbesserung der Problemlösefähigkeiten erfolgt durch die Verwendung von systematischen ingenieurwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweisen sowie fortgeschrittenen Problemlösestrategien. Die Rolle des Team-Coaches als Manager und Lernbegleiter (im Sinne einer konstruktionistischen Didaktik) im Roboterwettbewerb (besonders bezüglich der affektiven Ebene) wird durch die Ergebnisse der Arbeit ebenfalls unterstrichen. Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass diese Arbeit einen Beitrag hinsichtlich der Forschungslücke leistet und damit dem Aufruf der Community nach weiterer (quantitativer) wissenschaftlicher Forschung nachkommt, der nötig ist, um den positiven Einfluss der Robotik auf das Lernen der Schülerinnen und Schüler zu bestätigen.