Development of a platform for learning programming using robots

Abstract

Motivating and fostering student engagement in their education can present considerable challenges, particularly within online learning environments. Educational Robotics has exhibited a multitude of benefits within the educational setting, encompassing not only the facilitation of teaching but also the development of various abilities such as creativity, problem-solving, and teamwork. In recent years, numerous methodologies have been developed, leveraging technological advancements to enhance the pedagogical process and augment students' aptitude for acquiring knowledge. Two educational approaches that have gained attention in recent years are game-based learning and gamification. These pedagogical approaches seek to optimize the learning experience by integrating game elements and concepts. Learning to code has become increasingly important in the digital age. Technology's widespread usage made coding a desirable ability. It helps people understand and shape the digital world, offering many personal and professional growth opportunities. People are realizing the importance of teaching the next generation computational thinking and computer skills. Programmers are needed in software engineering, data analysis, academia, and many other fields of science. This demand has led to programming concepts being taught in most modern engineering programs. There is also agreement that Robotics Engineering programs should include software engineering. This dissertation introduces an innovative, freely accessible teaching platform that aims to enhance the learning of Python programming and essential concepts in robotics. A novel Python programming framework was developed according to the Platform's requirements, allowing users to manage a robot remotely via the Internet. The adaptability of this framework allows for its possible utilisation with any robotic system capable of executing Python code. The robot can be operated through Python code or by using Blocky, a client-side open-source JavaScript library designed to develop block-based visual programming. The Platform can be used with any programming language Blockly supports with modest adjustments. Literary sources influence the teaching approach utilised in the Platform and has resemblances to analogous endeavors, particularly with those that utilise virtual robotics. However, a significant distinction exists in the Platform, which allows users to remote control an actual robot, facilitating a more creative, engaging, and pleasurable educational experience. One of the objectives of this dissertation was to utilise the benefits of robotics inside the educational setting. Among these benefits is fostering creativity and innovation, as well as promoting computational thinking. This educational tool integrates elements of both game-based learning and gamification. Implementing this methodology amplifies the learner's satisfaction and active engagement in the pedagogical process while strengthening the comprehension of the fundamental concepts being taught. Furthermore, the employment of both Blockly and Python allows users to develop coding abilities in two separate coding environments, hence facilitating their familiarity and proficiency in the programming language being taught. Moreover, the Platform has the potential to be utilised in e-learning or blended learning environments, as well as in conventional classroom settings. Among this dissertation's objectives is to evaluate the impact of employing the Platform in conjunction with two robots. The results of the conducted surveys indicate that the Platform intrigues its users and has a favourable influence on their views towards programming and robotics. Moreover, it exhibits a significant positive influence on their understanding of programming.

Η παρακίνηση και η ενθάρρυνση της συμμετοχής των μαθητών στην εκπαιδευτική διαδικασία μπορεί να παρουσιάσει σημαντικές προκλήσεις, ιδιαίτερα σε διαδικτυακά περιβάλλοντα μάθησης. Η Εκπαιδευτική Ρομποτική έχει παρουσιάσει μια πληθώρα πλεονεκτημάτων όταν χρησιμοποιείται εντός του εκπαιδευτικού περιβάλλοντος, που περιλαμβάνει όχι μόνο τη διευκόλυνση της διδασκαλίας αλλά και την ανάπτυξη διαφόρων ικανοτήτων όπως η δημιουργικότητα, η επίλυση προβλημάτων και η ομαδική εργασία. Τα τελευταία χρόνια, έχουν αναπτυχθεί πολυάριθμες μεθοδολογίες, που αξιοποιούν τις τεχνολογικές εξελίξεις με στόχο την ενίσχυση της παιδαγωγικής διαδικασίας και της ικανότητας των μαθητών να αποκτούν γνώση. Δύο παραδείγματα εκπαιδευτικών προσεγγίσεων που έχουν κερδίσει την προσοχή τα τελευταία χρόνια είναι η μάθηση με βάση το παιχνίδι και η παιχνιδιοποίηση. Αυτές οι παιδαγωγικές προσεγγίσεις επιδιώκουν να βελτιστοποιήσουν τη μαθησιακή εμπειρία ενσωματώνοντας στοιχεία και έννοιες του παιχνιδιού. Η εκμάθηση προγραμματισμού γίνεται όλο και πιο σημαντική στην ψηφιακή εποχή. Η ευρεία χρήση της τεχνολογίας έκανε τον προγραμματισμό επιθυμητό προσόν. Βοηθά τους ανθρώπους να κατανοήσουν και να διαμορφώσουν τον ψηφιακό κόσμο, προσφέροντας πολλές ευκαιρίες για προσωπική και επαγγελματική ανάπτυξη. Οι άνθρωποι συνειδητοποιούν τη σημασία της διδασκαλίας της επόμενης γενιάς υπολογιστικής σκέψης και δεξιοτήτων υπολογιστών. Χρειάζονται προγραμματιστές στη μηχανική λογισμικού, στην ανάλυση δεδομένων, στον ακαδημαϊκό χώρο και σε πολλούς άλλους τομείς της επιστήμης. Αυτή η απαίτηση έχει οδηγήσει στο να διδάσκονται έννοιες προγραμματισμού στα περισσότερα σύγχρονα προγράμματα σχολών μηχανικών πληροφορικής. Επίσης είναι κοινώς αποδεκτό ότι τα προγράμματα ρομποτικής μηχανικής θα πρέπει να περιλαμβάνουν και μηχανική λογισμικού. Αυτή η διατριβή εισάγει μια καινοτόμο, ελεύθερα προσβάσιμη πλατφόρμα διδασκαλίας που στοχεύει να βελτιώσει την εκμάθηση του προγραμματισμού Python και βασικών εννοιών στη ρομποτική. Ένα νέο πλαίσιο προγραμματισμού Python αναπτύχθηκε σύμφωνα με τις απαιτήσεις της πλατφόρμας, επιτρέποντας στους χρήστες να διαχειρίζονται ένα ρομπότ εξ αποστάσεως μέσω του Διαδικτύου. Η προσαρμοστικότητα αυτού του πλαισίου επιτρέπει την πιθανή χρήση του με οποιοδήποτε ρομποτικό σύστημα ικανό να εκτελέσει κώδικα Python. Ο χρήστης μπορεί να χειριστεί το ρομπότ μέσω της χρήσης κώδικα Python ή μέσω του Blocky, μιας βιβλιοθήκης JavaScript ανοιχτού κώδικα από την πλευρά του πελάτη που έχει σχεδιαστεί για την ανάπτυξη οπτικού προγραμματισμού που βασίζεται σε μπλοκ. Με μικρές προσαρμογές, η πλατφόρμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί με οποιαδήποτε γλώσσα προγραμματισμού που υποστηρίζεται από το Blockly. Βιβλιογραφικές πηγές επηρεάζουν τη διδακτική προσέγγιση που χρησιμοποιείται στην Πλατφόρμα και έχει ομοιότητες με ανάλογες προσπάθειες, ιδιαίτερα με εκείνες που χρησιμοποιούν εικονική ρομποτική. Ωστόσο, υπάρχει μια σημαντική διάκριση στην Πλατφόρμα, η οποία επιτρέπει στους χρήστες να ελέγχουν από απόσταση ένα πραγματικό ρομπότ, διευκολύνοντας μια πιο δημιουργική, συναρπαστική και ευχάριστη εκπαιδευτική εμπειρία. Ένας από τους στόχους αυτής της διατριβής ήταν να αξιοποιήσει τα οφέλη της ρομποτικής στο εκπαιδευτικό περιβάλλον. Μεταξύ αυτών των πλεονεκτημάτων είναι η ενθάρρυνση της δημιουργικότητας και της καινοτομίας, καθώς και η προώθηση της υπολογιστικής σκέψης. Αυτό το εκπαιδευτικό εργαλείο ενσωματώνει στοιχεία τόσο της μάθησης που βασίζεται στο παιχνίδι όσο και της παιχνιδιοποίησης. Η εφαρμογή αυτής της μεθοδολογίας ενισχύει τον βαθμό ικανοποίησης και την ενεργό εμπλοκή του εκπαιδευόμενου στην παιδαγωγική διαδικασία, ενισχύοντας την κατανόηση των θεμελιωδών ιδεών που διδάσκονται. Επιπλέον, η χρήση τόσο του Blockly όσο και της Python παρέχει στους χρήστες την ευκαιρία να αναπτύξουν ικανότητες κωδικοποίησης σε δύο ξεχωριστά περιβάλλοντα κωδικοποίησης, διευκολύνοντας έτσι την εξοικείωση και την επάρκειά τους στη γλώσσα προγραμματισμού που διδάσκεται. Επιπροσθέτως, η πλατφόρμα έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί σε περιβάλλοντα ηλεκτρονικής μάθησης ή μικτής μάθησης, καθώς και σε συμβατικές τάξεις. Μεταξύ των στόχων αυτής της διατριβής είναι να αξιολογήσει τον αντίκτυπο της χρήσης της πλατφόρμας σε συνδυασμό με δύο ρομπότ. Τα αποτελέσματα των ερευνών που διεξήχθησαν δείχνουν ότι η πλατφόρμα προκαλεί το ενδιαφέρον των χρηστών και έχει ευνοϊκή επιρροή στις απόψεις τους για τον προγραμματισμό και τη ρομποτική. Επιπλέον, επιδεικνύει σημαντική θετική επίδραση στην κατανόησή τους για τον προγραμματισμό.