Study, assessment and identification of Educational Robotics experiences at school

The aim of this thesis is to study and model the learning process of K12 classrooms during Educational Robotics (ER) activities. Approaching the study of learning in K12 classrooms during ER activities for modelling purpose, the first question to answer is what kind of variables are identified as representative of learning in the given context; subsequently, the causality principle between input and output should be demonstrated; finally, variables should be observed to provide a measure which could be related to the internal state of the system. In this work answers to these questions are explored by choosing the definition of learning as the process of acquiring knowledge, competence and abilities, by relating ER activities carried out in K12 classroom (procedures) with changes in those variables and by formulating and validating instruments to capture quantitative information about those variables. Some studies reported in literature present a model of learning for different context, none of them describe the ER field. Moreover, in assessing ER activities there are fewer quantitative studies than qualitative studies, and ER itself lacks a formal definition of what it exactly entails. In the present work four case studies are presented. Each case study reports an ER experience in a K12 set of classrooms which employed the developed sensors to measure the outcome of the experience. After testing “traditional sensors” of learning, namely the state-of-the-art procedure to validate those instruments, some final considerations are provided on the metrology and causality issues for modelling.

Lo scopo di questa tesi è lo studio e la modellazione del processo di apprendimento in una classe scolastica impegnata nelle attività di Robotica Educativa. Per poter modellare le esperienze di apprendimento in una classe di Robotica Educativa bisogna identificare quali siano le variabili rappresentative dell'apprendimento in quel dato contesto. Inoltre, bisogna stabilire il principio di causalità che lega le variabili in gioco e stabilire un processo di misura valido e affidabile per poter ottenere delle osservazioni che possano essere messe in relazione con lo stato del sistema in esame. Nel presente lavoro di tesi si identificano come variabili descrittive dell'apprendimento la conoscenza, la competenza e le abilità. Inoltre, il nesso causale tra la variabile di input e di output viene dimostrato tramite procedure che mirano specificatamente a queste variabili. Da ultimo, la misura proposta per la rilevazione delle variabili viene formulata e validata. Alcuni studi in letteratura presentano dei modelli per l'apprendimento, ma nessuno nel contesto della robotica educativa. Inoltre, nel campo della robotica educativa le esperienze di misura quantitativa sono in numero minore rispetto alla valutazione qualitativa. Da ultimo, va notato che una definizione formale di Robotica Educativa ancora non è stata formulata. In questa tesi sono riportati quattro casi studio di esperienze di Robotica Educativa a scuola in cui sono stati impiegati i "sensori tradizionali" dell'apprendimento, cioè quelle procedure per la rilevazione del dato di interesse. I "sensori classici" sono stati prima validati con le tecniche relative allo stato dell'arte nel campo di interesse e poi impiegati come rilevatori di informazione durante le esperienze di robotica educativa. Vengono infine discussi gli aspetti relativi alla metrologia e al principio di causalità nella modellazione di questi fenomeni.