一个移动应用程序,允许孩子在童年早期程序的机器人

文摘

在信息时代出生的孩子是数字原生代;这个特征应该被利用来改善学习过程通过使用技术。本文解决了设计、施工、和评价TITIBOTS的过程,编程辅助工具为移动设备,允许孩子在童年早期使用机器人创建计划和执行它们。我们目前的结果在不同的场景中使用TITIBOTS 4 - 6岁儿童。获得的洞察力的开发和评估工具在创建应用程序时可能是有用的在童年早期儿童。结果是承诺;孩子喜欢并愿意继续使用应用程序编程机器人解决特定的任务,发展21世纪的技能。

1。介绍

信息时代是人类历史上一段时间的使用技术工具广泛和几乎所有的人类活动是基于信息计算机化(1]。在信息时代出生的孩子被称为数字原生代(2]。将活动促进21世纪技能(3)在学习过程中帮助数字原生代培养抽象思维能力和应用在有组织的方式4- - - - - -6]。

许多作者讨论了编程作为数字原生代的能力的重要性。Papert [4,5]描述的编程工具开发一组全面的互联功能,如解决问题、团队合作、持久性、逻辑数学思维,抽象,和创造力。雷斯尼克(7)认为编程的新知识。他指出,“除了写作和阅读,编程帮助组织思想和表达想法。“此外,所获得的技能与编程和机器人技术发展的一个关键方面是孩子,他们的未来的职业3,8]。

有全球赤字的科学,技术,工程和数学(STEM)专业(9]。因此,国家来推广它们的挑战。干细胞的概念是复杂的;然而,他们可能在刺激的方式,如机器人(10)和移动应用程序。

介绍了设计、施工、评估过程TITIBOTS,移动编程辅助工具(PAT) [11),允许孩子在儿童早期开发计划和执行使用机器人。TITIBOTS图标化接口,它集成了可视化编程,机器人技术,在一个工具和移动设备。此外,在此过程中主要的问题和经验教训。

TITIBOTS开发和评估应用一些人机交互技术,如参与设计,原型设计经验(12),和可用性测试12,13]。

推动这项工作的主要研究问题是评估的可能性4至6岁儿童使用基于移动机器人接口和帕特。本研究工作的主要困难是创建一个图形界面使用4和6岁之间的孩子。类似的工作已经在过去的几年中进行的。然而,这些项目是主要集中在大一点的孩子。提出移动帕特结合机器人促进复杂概念的一个有趣的探索涉及感觉、电机、和社会情感技能(8,10]。

TITIBOTS在哥斯达黎加和开展的评估有超过50的参与孩子在童年早期不同评价阶段。这个评估显示,在童年早期儿童通过TITIBOTS能够使用移动应用程序的机器人。

2。机器人编程帮助孩子的工具

本节介绍了总结进行系统性文献回顾的结果找拍机器人程序可用的12岁以下的儿童。评审是在三个学术数据库进行:ACM和IEEE数字图书馆和施普林格链接。

搜索查询包括以下关键词:编程环境,编程工具,编程接口,编程语言,机器人,机器人技术,和孩子。建立了选择标准找到原始研究论文实证研究在现实语境。

在1970年代,Papert和他的学生在麻省理工学院创建的标志,一种编程语言和机器人4]。标志在1980年代获得了大受欢迎。1985年麻省理工学院研究人员改变了机器人图形表示。1988年之后的十年中,雷斯尼克和Ocko发达在麻省理工学院媒体实验室一个传感器和致动器系统称为乐高TC的标志。这个想法是一个商业上的成功和工具达到成千上万的教室14]。

皮姆LCSI(于1993年被释放15]。也一度皮姆合并的可能性编程一个机器人。1994年,RCX砖(一个可编程设备和帕特)被释放了。这帕特是基于图标,并允许用户创建图(程序)控制RCX [14]。

乐高我们集合,由乐高在2005年设计的,由一组机械部件用于构建和设计乐高模型。基于图标的乐高我们有一个易于使用,帕特(16]。LEGO Mindstorms NXT砖在2006年被释放。可视化编程环境,允许一个新手程序员轻松地创建项目(17]。小版本的NXT是商业上可用。这些砖被称为Pico-Cricket和他们有一个帕特称为PicoBlocks联系起来。然而,这种砖在2010年停产(18]。麻省理工学院也接近他们的可编程砖基础编程接口称为LogoBlocks(与一个谜14]。

2007年miniBloq出现了。它是一个开源的多平台基于c++图形帕特。它使用符号可视化,实时,可能的编码错误19]。迷人的出现在2010年。妩媚是乐高Mindstorm NXT的编程环境。它是基于划痕和支持leJOS NXJ [20.]。MoWay,发布于2012年,是一个小型自主机器人有自己的编程语言(21]。

乐高头脑风暴的砖EV3出现在2013年。它可以用一个遥控器控制和一个移动应用程序称为“机器人指挥官”,这是用于iOS和Android设备(22]。

2013年,不知道车间了。奇迹的主要目标是,两个小机器人,破折号和点,教孩子5岁以上基本的编程概念通过互动游戏23]。同样是在2013年,Yacob等人首先提出的。首先是一个实实在在的编程接口之间的儿童4和724]。

希望号出现在2014年。实验舱的机器人装备4 - 7岁儿童使用有形编程接口(25]。实验舱是研究的结果由滨伯斯和她的研究小组DevTech塔夫斯大学。

表1总结了系统的文献回顾的结果。编程工具最类似于TITIBOTs实验舱,大哥,想知道,和软件乐高我们,因为他们的重点是6岁以下的儿童。实验舱首先使用的接口而不是移动系统,我们不使用机器人,不知道应用程序可以使用限制性的机器人。TITIBOTS使用开放的命令集,允许使用任何机器人,它是基于图标的设计使用一个界面,允许孩子不知道如何阅读。

大多数的系统提出了在这一节是由私人公司商业化。因此,目前没有证据表明他们的表现在学术文献。此外,纵向研究尚未进行评估的总体影响教育的过程。

3所示。TITIBOTS

TITIBOTS是移动编程帮助儿童儿童早期开发的工具。它允许孩子使用一个机器人创建计划和执行它们。

4 - 6岁儿童是我们的目标用户。通常,这一年龄段的儿童仍然不能读或写。TITIBOTS提供了一个简单的图形用户界面使用的图形化方法。设计的目的是对儿童是直观的和可用的。它是适合移动设备和设计允许使用任何机器人以开放的命令集。

图1显示TITIBOTS的主要组件:机器人和移动应用程序。我们实现了一个易于使用的向导,允许配置和机器人之间的连接和移动应用程序。平板电脑和机器人之间的通信是通过蓝牙。老师可以配置系统,添加或删除的机器人。这个版本的系统上运行Android设备。一旦平板电脑与机器人,孩子可以创建一个程序拖拽可用的命令,最后他/她可以把这个表寄给机器人来执行。TITIBOTS架构(见图2)由两个主要组件:(1)一个移动应用程序在平板电脑上运行,显示了一个简单的接口命令和帕特的工作区。命令包括以下:(我)控制:开始和结束(白色的命令,见图1)(2)运动(运动):前进、后退、左和右(蓝色的命令,见图1)(3)操作(操作):打开,关闭,把握和发布(绿色和红色命令,见图1)(2)机器人的程序解释和执行命令发送从移动设备通过蓝牙连接到机器人。

老师指定可用命令对每个工作会议。开发阶段的方法允许老师使用手势解锁新命令一旦他或她认为孩子取得了一定程度的有效性和可用的命令(见图3)。

基本的编程概念解决算法和sequentialization工具的使用。算法是一组指令执行任务(步骤)。重要的是要强调算法编程的核心。因此,每个程序是一个简单的指令列表计算机必须遵循一定的顺序(sequentialization)。

在机器人的概念解决效应器,致动器,运动,和处理。效果器和执行机构组件的一个机器人。一个效应对应环境影响或修改任何设备。致动器是任何效应机制,允许执行一个动作,例如,伺服系统和灯。运动系统允许机器人在环境中移动在处理系统允许机器人环境中的表达和实现对象。

为了评估TITIBOTS软件界面,我们设计和建造一个Mindstorm NXT机器人。我们的机器人可以移动,打开和关闭一盏灯,并提供一个爪,可以开启和关闭。我们设计和评估我们的系统与奥马尔Dengo基金会合作(FOD),这是一个非营利性的哥斯达黎加组织创建于1987年。教育专家在FOD的功能性和非功能性需求提供了一组参与设计过程。该系统应根据收集的要求(我)用一个比喻,让孩子清楚地了解,(2)提供一组命令(8 - 10),机器人可以执行,(3)实现控制结构(26),(iv)在本地存储最后程序例程,(v)指导用户在一个纠正的编程过程中,(vi)通过蓝牙连接的机器人,(七)允许从文本到语音(TTS)功能,(八)至少,有执行机构:伺服系统和灯。

此外,幼儿教师定义几个任务编程的孩子。大部分的运动任务序列(即。,move the robot from one place to another or move objects).

4所示。评价

TITIBOTS设计使用一个以用户为中心的设计遵循ISO 13407 (27]。此外,我们执行一个概念验证和原型的评估。评估过程包括四个阶段,可以观察到在图4。

我们一群草图进行活动(28)设计TITIBOTS的初步版本。评估过程的第一阶段是一个概念验证,专家和幼儿园教师、图解和交互验证。当我们取得了共识,和孩子们最好的交互方案进行评估。

第二阶段是有孩子的肖像和交互验证。在这个阶段,我们创建了一个草图表示接口,肖像,交互模式。收集的信息我们开发了第一个TITIBOTS的功能原型。

在第三阶段中,我们评估TITIBOTS功能有孩子。为此,我们创建了一个为孩子们的挑战,用观察来评估他们的行为。本评价的主要目的是看孩子的反应与工具,查找困难。

最后,TITIBOTS的原型是评估在一个真实的场景。我们的测试场景是一个车间在FOD 4到5岁的孩子。最后两个阶段进行4和5岁之间的儿童,因为我们想测试原型与年轻的终端用户。我们遵循尼尔森提出的方法进行可用性测试与用户(29日]。

表2显示与可用性相关的指标为每个属性(属性和验收标准29日,30.]。收集定量和定性数据,我们使用以下测量仪器(29日,30.]:(我)半结构式访谈:旨在获取用户个人信息(2)记忆测试:问卷测量的数量成功记忆系统功能(3)录音:视频和音频录音的飞行员(iv)评估者的小册子:一本小册子,实验者进行评估过程做笔记,描述了识别问题,填写信息平均完成任务和时间的任务(v)满意度问卷调查:问卷调查和两个点用于用户的主观评价。

在以下部分中,我们将介绍使用的工具和程序TITIBOTS以及参与者的评价和结果。

表3显示了参与者的评价TITIBOTS /活动,由性别和年龄分布,图5显示了图形用户个人信息通过半结构式访谈中,这是在13个孩子进行基于场景的可用性测试(第三和第四阶段)。

4.1。验证

为了验证接口设计、形象和互动,我们创建了一组工具和验证表单,颜色,和可能的交互和40的孩子。执行验证我们实验室进行测试31日]。达到一个好的验证,我们执行严格控制的观察和定性数据。

以下4.4.1。参与者

这个实验是在哥斯达黎加小学。两组儿童中验证,两组4至6岁的孩子。参与者的选择是通过一个非概率抽样,故意模式基于教师的可用性。三个评价者进行的验证和一个人负责物流方面。

4.1.2。设置和工具

验证进行了校园,入口10英尺远的教室。设置由四个桌子幼儿互相五英尺的距离。孩子们在教室里,直到他们被称为一个负责任的物流和显示一张书桌和一个评估者进行了验证。

验证中使用的元素是一个物理原型的接口和一个验证指南。评估者使用指南做笔记并遵循这个过程。她检查问卷符合孩子们的反应。物理接口由一个表的图标设计编程,三表的版本序列选择评估,与交互模式评估和三个表。

图6显示了交互模式和序列选择评估。图6(一)显示了插入互动。在这种交互,用户按下他/她想要的地方插入一个命令和选项出现。图6 (b)显示了拖放交互。的命令被选中并拖拽到用户想要插入的地方。最后,图6 (c)显示了这一系列操作选项:猴爪印,虚线,没有向导。

4.1.3。过程

活动持续了四个小时,每个孩子的速度约24分钟,三个孩子。评估者首先做了自我介绍,问孩子他/她的年龄。然后,提出了仪器和过程解释道。进行了三种不同的验证:图标验证(10图标),界面指导设计和交互模式。

的帮助下一个图形设计师和fod专业我们建造10图标,让孩子们去执行行动中所描述的要求。研究员问孩子每个图标的含义,注释如果孩子是正确的或错误的孩子和任何其他解释说。

第二个验证是指导设计的接口。三种不同的方法被设计为了确定如何引导孩子们在接口:虚线,猴爪印,一个接口没有指南(见图6 (c))。三个选项都是呈现给每一个孩子,他们被要求解释的序列顺序一组图标。每一个评估者提出了随机顺序的三种可能性。

第三个验证关注交互。再一次,有三个选项:插入(图6(一)),拖拽(图6 (b))和指导模式。插入互动要求孩子点选择的地方,然后出现的可能性,孩子选择操作或命令来插入。拖拽选项允许孩子们点一个图标,将其拖动到所需的位置,然后把它。每次指导交互允许两个选项。这个验证活动每个孩子(即只执行一次。13每交互模式进行验证)。

4.1.4。结果

我们专注于孩子们的理解能力的界面和交互工具。我们把结果按年龄;30%的儿童被认为是作为对照组。因此,我们有25%的孩子4岁,5岁25%,20%的6岁,和30%的控制。

表4显示第一个验证的结果。开始和结束的图标是不认可。掌握并释放23%的正确性。识别所有的其他命令都超过60%。至于界面和交互设计我们发现结果没有显著的不同。

使用结果验证几个变化工具的设计实现,最重要的变化(我)减少图形加载的界面(即。,decreasing background colors and figures, removing visual distractions to allow focus on the relevant elements),(2)执行视觉闭包(注意),并使用主要和次要的颜色,(3)扩大图标大小。

4.2。测试过程与最终用户

这个评价是在车间进行7的孩子。我们给每个孩子一个平板和一个机器人。然后,孩子们被要求试着完成三个不同的任务。

4.2.1。准备参与者

尼尔森(后32推荐的评估可用性与3 - 5参与者,我们设计了两组四个孩子。然而,由于一个最后一分钟的问题,一个孩子没有参与评价。评估是由共有11人,其中包括7观察员,1中介,3机器人专家,和一个摄影师。中介向孩子们解释说。观察人士看到,孩子们试图达到给定的目标。机器人专家在场修复机器人如果必要的。

4.2.2。设置和工具

评估是由FOD的中央办公室,在机器人实验室。四个工作空间都在地板上使用胶带,相隔78英寸(见图7)。中央空间用于设置相机和观察者的移动而不干扰孩子的工作。我们定义教程和观察指导的每个活动。

4.2.3。过程

评估过程是在两个会话(1小时20分钟每一个)。在第一个会话中,技术中介进行。老师解释了TITIBOTS的一般功能,互动,每条指令的含义。在第二个会话中,休闲中介进行;在这个中介老师玩的孩子,和每个游戏介绍了指令,TITIBOTS允许的。每次会议前班主任做了一个受欢迎的活动;介绍了船员的每个成员。介绍后,老师问每个孩子如果他们平板电脑(用户配置文件)。

评价旨在评估如果孩子能够实现每个任务在30分钟的时间内。任务如下:(1)移动机器人从起始点,在一条直线,穿过一条隧道(隧道内必须把灯)。(2)移动机器人从起始点,直线,抓住最后一个球的游戏区域,并返回到起点。(3)在一条直线球移动,抓住它,左转,移动,并释放球。

中介活动开始和挑战后解释说,每个孩子开始挑战,观察者看活动并做着笔记。的会话进行满意度问卷调查。

4.2.4。结果

观测进行以评估软件的可用性(33),以确定使用TITIBOTS时老师的干预的必要性,和是否有助于学习过程有一个强有力的指导。可用性指标如表所示5。

三个挑战是为孩子们解决。然而,我们不希望他们得出结论提供的时间框架中所有三个挑战。评价表明,该应用程序具有良好的可用性。界面显示,能够简单、直观。此外,在应用程序中所有的参与者表现出兴趣,活动后要继续使用它。

我们观察到休闲中介工具的使用有很大的影响和成就水平的挑战。休闲中介会话中使用的应用程序更简单。否则,技术中介会话中,孩子们使用远程控制(即应用程序。几次,把一个命令,并将其发送给机器人)。这正是我们不想让孩子们去做,因为我们希望他们在他们的头脑里创建的顺序步骤,编写整个序列的工具,然后再把它传递给机器人。

两个参与者nonmediated会话结束了沮丧和没有完成挑战。另一方面,所有的孩子都在介导会话继续尝试,直到时间结束。正如预期的那样,孩子们只能完成第一个挑战,一半的儿童nonmediated会话和所有的调解会议。主要的区别是,那些收到中介成功用更少的努力,更少的时间。

我们发现一些问题在我们的系统评价。例如,机器人的爪子容易打碎。这种被迫重新设计软件,以避免一个开放的命令如果爪已经打开了。蓝牙连接不稳定;该软件设计自动重新连接。命令需要放置在双(如开关,捕捉和释放)被孩子们更容易理解的形式比键盘(向前和向后,左和右)。软件界面进行了重新设计,分配所有成对的命令。最后,实时反馈是要求从应用程序让用户知道正在发生什么。

4.3。部署和使用的设置

一旦我们测试TITIBOTS的适当的功能和设计,我们安排FOD创建4-5-year-old机械车间的儿童使用的工具和编程概念被引入。

4.3.1。参与者

6个孩子的车间设计。最初,孩子们三个男孩和三个女孩;然而,由于最后一分钟问题一个女孩替代品的一个男孩。女孩们四年和三个月到五年不等,六个月。这两个男孩是四年四个月和四年十个月。

4.3.2。设置、工具和过程

车间进行FOD中央办公室,这是专为8小时分布在4天。图8在不同的活动显示了车间的一些照片。

在研讨会期间,老师和孩子们玩,并且每个游戏介绍了指令TITIBOTS工具允许每一天。第一天老师问每个孩子如果有平板电脑(用户配置文件)。最后一天的评估;它由三个挑战在60分钟:(1)移动机器人从起始点,在一条直线,穿过一条隧道(隧道内的球员必须把灯)。(2)移动机器人从起始点,直线,抓住最后一个球的游戏区域,并返回到起点。(3)在一条直线球移动,抓住它,左转,移动,并释放球。我们有两个观察者的参与在整个车间,看孩子的动作和表情。的挑战是解释说,每个孩子开始挑战,观察者记录活动并做着笔记。会话结束时进行满意度问卷要求机器人和应用程序。

4.3.3。结果

最重要的研讨会的结果(从评估者的报告、记录和可用性指标)是孩子们永远快乐和细心的帕特。他们发现它易于使用和有趣,根据满意度调查问卷。此外,他们没有问题理解的命令或其他杂项等按钮清除屏幕,加载程序,断开(根据可用性属性:难忘的人)。可用性指标获得在测试如表所示6。

FOD的专家认为这个车间实现是成功的,因为他们认为所有的参与者的基本知识活动实现的。除此之外,老师和观察员认为每个孩子模仿机器人的事件和行动的命令是至关重要的学习过程。

我们发现年长的参与者实现了非凡的成功率。我们认为太容易的任务。年轻的参与者(4岁)有困难;然而,与年长的帮助。这让我们相信,一个车间集成4 - 5岁的孩子是有益的。每个会话(两个小时)的时间框架的限制被认为是孩子,因为在会话结束他们都筋疲力尽了。

5。讨论

评估过程显示的问题设计、可用性和功能。所有这些问题都解决,获得一个更有用的帕特。评估者的报告、记录和可用性指标表明,TITIBOTS:它符合需求的专家和儿童很容易和愉快的使用。

当比较第三和第四阶段的评估,我们认为造成的错误帕特和机器人被显著降低。这个结果,我们认为,我们的系统可以部署在正常的学习活动。

结果表明,TITIBOTS允许孩子玩和项目为了解决特定任务的机器人。此外,指标,在预期的利率是由任务的复杂性,而不是使用TITIBOTS。

满意度指标显示,100%的孩子喜欢的编程工具和机器人(13个孩子在第三和第四阶段)。此外,31%发现工具很难使用在观察和记录(尽管这不是反映)。相反,77%的儿童状态,机器人很容易使用。作为满意度问卷调查的一部分,孩子们被要求画出他们最喜欢的活动,62%的孩子画了一个机器人和一只猴子,画了一个平板电脑,8%和31%画了一个平板电脑和一个机器人。当被要求描述他们的作品,他们说他们喜欢猴子的机器人,喜欢告诉他们该做什么。

即使孩子们基本解决了的问题,移动机器人直线或开灯关灯,我们相信,更高层次的困难问题也可以解决。然而,所花费的时间在这个评价不提供足够的经验证据来支持这种说法。进一步评估将使我们能够完全确定的影响我们的孩子从4岁起使用的工具。我们证明了编程概念可以学会从四岁的孩子,可能更年轻。然而,在这个年龄段所需的努力让孩子们关注并试图解决一个问题是足够高的。

此外,他们很难在现实生活中的应用他们所学到的问题,因为我们正在努力开发机器人编程的抽象思维。我们的目标是要教孩子们如何看待和解决问题在一个结构化的方法,使用算法将有利于他们后来解决任何问题,出现在他们的生活,但后者不能被证实。此外,编程是未来识字和我们正在从小。

一个明显的影响,可以感知到的时间我们执行这个评价是教师能保持孩子的注意通过使用技术的时间更长。一些研究支持这一发现4,7,8,32,33];然而,我们应用它不仅保持孩子们的注意力,还教他们概念通常难以被理解的儿童时代,当在其他方面了。

移动信息系统的贡献是手机界面的设计和评价儿童童年早期编程机器人在一个直观和简单的方法。

TITIBOTS使编程和机器人教学龄前儿童在获得乐趣的同时玩;促进技能发展等解决问题的能力,逻辑数学思想,抽象,在中长期和创造力。

6。结论

在本文中,我们提出了TITIBOTS,帕特,让孩子们在童年早期使用平板电脑和创建项目执行与机器人(允许使用任何机器人)。我们跟着一个广泛的设计和评价的过程。我们使用一些技术来评估的可用性,包括参与设计、经验原型,和可用性测试。

我们认为项目的开发是成功的。4 - 6年发现儿童TITIBOTS易于使用。他们操纵工具来推断意义和使用图标和命令。此外,孩子们总是感兴趣,快乐,和细心而使用帕特,但最重要的是,他们有乐趣。很明显的我们,这个帕特允许孩子们玩耍和项目为了解决特定任务的机器人。

评估TITIBOTS也被认为是成功的,因为它是可能的,孩子学习基本的编程概念,如顺序解决问题。他们能够用言语表达他们的想法,当被问到。我们相信使用混凝土和体育锻炼(没有该工具)和孩子们促进开发环境的使用。孩子们使用工具获得了第一种方法解决给定问题的基本过程,常见的编程步骤:计划、实现(编写程序)和测试(向机器人发送的命令)。设计教学活动是成功的,引起孩子的注意,为每一个达到了预期目标。

研究表明,儿童的教学过程中使用机器人完成,孩子学习具体的课程内容在干细胞领域。在我们的研究中,我们没有测试任何,但它将作为本研究的未来工作的一部分。

通过TITIBOTS,孩子现在开发软和技术技能,是必要的。此外,我们认为修改环境和设计适当的我们可以为孩子们创建战略合作在解决一个给定的问题。这是我们进一步研究的一部分:TITIBOTS协作的版本。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由ECCI-UCR(医学院Ciencias de la Computacion e Informatica)和CITIC-UCR (Centro de Investigaciones en Tecnologias de la一样均出自同一名设计师给y手),批准号834 - b3 - 260。由于是由于FOD (Fundacion奥马尔Dengo)帮助我们在TITIBOTS的验证和评价。

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