Robotica educativa. Una ricerca

lunedì, settembre 12, 2011
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ROBOTICA EDUCATIVA

di Maurizio Garbati

Nuove tecnologie e nuovi ambienti di apprendimento

Al sistema formativo ipersollecitato dalla  tecnologia, e soprattutto da tutta quella parte definita digitale, vengono poste nuove e sempre più complesse sfide che l’istituzione, ai diversi gradi di formazione, non può ignorare. Sono mutate le condizioni materiali della comunicazione e della conoscenza ed insieme a queste e con queste sono mutate le forme del sapere . La tecnologia digitale ha assunto un ruolo fondamentale in tutti i settori delle attività umane e in questa prospettiva la robotica gioca un ruolo importante nello sviluppo delle nuove tecnologie. Siamo solo agli inizi e credo nessuno possa dire con certezza  quale evoluzione avrà nei prossimi anni. Un dato certo è che i robot stanno cominciando a far parte sempre più della nostra vita quotidiana. Ci riferiamo alle  diversificate estensioni delle applicazioni robotiche: dai contesti europei, e più in generale del mondo occidentale, nei quali i robot hanno compiti che potemmo collegare al miglioramento della qualità della vita aiutando l’uomo in lavori ripetitivi o pesanti e in ambiti  specifici d’uso, alle realtà del Giappone dove si studiano robot da compagnia per aiutare ragazzi e anziani. Nelle applicazioni dell’intelligenza artificiale come in robotica oggi non si cerca specificatamente di creare dei sistemi cibernetici  simulatori di esseri umani o della loro capacità di ragionare e pensare come l’uomo, ma di realizzare strumenti in grado di integrarsi nei sistemi già in uso. Già oggi assistiamo ad una grande disponibilità di apparati tecnologici che integrano al loro interno dotazioni con  capacità di calcolo. In pratica il computer muterà le sue potenzialità originali e nella sua progettazione i tecnologici lo porranno in relazione diretta ad azioni di interazione con l’ambiente esterno attraverso dispositivi di input, i sensori, e di output, gli attuatori.

Un efficace insegnamento-apprendimento deve tener conto del reale vissuto dei ragazzi e dovrebbe avere una priorità: aiutare a comprendere in modo profondo ed efficace la nuova tecnologia. Non di meno oggi disponiamo comunque di strumenti operativi  come il computer che non è solo una semplice macchina, ma con  altri strumenti tecnologici veri e propri apparati di conoscenza. Oggi scienza e  tecnologia sono  fortemente intrecciate tra loro. Sappiamo come la ricerca su come è fatta la realtà, cioè la scienza, influenza e a sua volta è influenzata dalla ricerca rivolta a costruire tecnologie utili. Dobbiamo sviluppare, con i nostri ragazzi che apprendono, l’idea di edutainment con tutte le sue potenzialità  nell’avvicinare tutti alle nuove tecnologie. Un insegnamento incentrato su chi apprende (learner centered), sui suoi bisogni cognitivi, metacognitivi, ma anche sociali e affettivi. Le tecnologie sono diventate risorse fondamentali nei nuovi ambienti d’apprendimento che fanno riferimento a un quadro teorico di matrice costruttivista. Nello scenario delle nuove tecnologie dell’apprendimento la robotica educativa sta assumendo un ruolo cruciale ai diversi livelli della formazione. Da diversi anni portiamo avanti esperienze di laboratorio di progettazione micro robotica, che in seguito chiameremo di Robotica educativa., con attività di ricerca orientate  allo studio delle relazioni e degli atteggiamenti dei ragazzi nei confronti di creature cibernetiche in grado di esibire un comportamento. L’utilizzo di giocattoli computazionali è fondamentale per rispondere alle nuove realtà   tecnologiche:  i kit cibernetici utilizzano opportunamente mattoncini intelligenti (RCX-NXT microcomputer), sensori e motori. Abbiamo tutto ciò che serve per costruire sistemi intelligenti che sono in grado di esibire un comportamento e  avvicinare gli studenti a concetti importanti appartenenti alla scienza della complessità quali comportamento emergente e sistemi dinamici complessi. Si tratta di simulare con i robot alcune funzioni cognitive e pertanto di  confrontare le prestazioni esibite dal sistema robotico con la funzione cognitiva che si vuole comprendere.

In sintesi è ormai chiaro, per chi si occupa di  problematiche educative, rendersi conto come la società attuale pone problemi nuovi nel campo dell’educazione,  ma nel contempo offre anche nuovi strumenti operativi come il computer e concettuali attraverso la simulazione e la teoria dei sistemi dinamici complessi. Chi opera in ambiti educativi non può  non tenerne conto e in questo lavoro cercheremo di definire  e documentare le implicazioni dal punto di vista formativo di  una serie di strumenti didattici innovativi sviluppati negli ultimi anni basati sul concetto di agente. Si tratta dei recenti robot giocattolo con mattoncini programmabili, utilizzati ai diversi livelli del sistema educativo, strumenti fondamentali per avvicinare gli utenti a concetti importanti appartenenti a quell’area definita della complessità. I set cibernetici sono risorse cruciali : «veri oggetti su cui riflettere» che, attraverso la simulazione e la costruzione di modelli, favoriscono un apprendimento attivo e costruttivo, problematico e contestuale. In questo lavoro vengono illustrati aspetti essenziali di un’attività di Robotica educativa: dal quadro teorico di riferimento, che la legittima da un punto di vista pedagogico, a concetti innovativi in contesti educativi, quali comportamenti emergenti, sistemi dinamici complessi e sistemi che apprendono.

Il contesto teorico

“I bambini adorano costruire oggetti, così mi dissi, scegliamo un set di costruzioni e aggiungiamogli tutto quello che serve per creare dei modelli cibernetici. I bambini dovranno essere in grado di costruire una tartaruga dotata di motori e sensori e avere il modo di scrivere programmi Logo per guidarla; ma se desiderano fabbricare un drago o un camion o un letto ribaltabile, devono avere anche quella possibilità. L’unico limite deve essere quello della loro immaginazione e delle loro capacità tecniche. Nel caso dei primi esperimenti condotti sulla scorta di questo indirizzo, i motori e i sensori dovettero essere collegati a un computer tramite un’interfaccia. In tempi più recenti siamo riusciti a costruire computer abbastanza piccoli da poter essere inseriti nei modelli stessi. La differenza è sostanziale; ora l’intelligenza si trova in realtà all’interno del modello non in un computer fuori scala. Inoltre i modelli possono essere autonomi. Possono muoversi a piacimento senza un cordone ombelicale. Tutto insomma appare più reale”.

(S.Papert, “I bambini e il computer”)

Seymour Papert, uno studioso che opera presso il prestigioso MIT (Massachussets Institute Technology) di Boston, uno dei centri di ricerca che maggiormente si occupa di sviluppo tecnologico e degli effetti che questo ha sulle dinamiche culturali della società odierna. E’ uno dei pionieri dell’intelligenza artificiale che agli inizi degli anni Sessanta è entrato al MIT fondando con Marvin Minsky il gruppo che si occupava di Intelligenza artificiale. È stato merito soprattutto del costruzionismo di Papert l’aver messo in luce il ruolo degli artefatti cognitivi nella costruzione della conoscenza: questa è il risultato di un impegno attivo col mondo attraverso la creazione e manipolazione di artefatti tangibili (siano essi castelli di sabbia, programmi di computer, costruzioni LEGO, composizioni musicali, ecc.), che rivestano un particolare significato personale e che siano oggetti su cui riflettere. In altre parole secondo S. Papert la costruzione che ha luogo nella testa risulta più efficace se è supportata dalla costruzione di qualcosa di concreto. Da un punto di vista teorico il contributo si può ricondurre alla formulazione dell’idea di costruzionismo, un’interpretazione e rivisitazione di quelle che erano le osservazioni portate dagli psicologi cognitivisti, il cui uso pedagogico attuale si fa risalire alla dottrina di Piaget. Papert oltre ad offrire un grosso contributo teorico, presenta anche invenzioni pratiche come il linguaggio Logo e l’estensione di questo ad un vero e proprio set di robotica, in modo da offrire ai bambini non solo strumenti per concretizzare il pensiero astratto, ma anche per realizzare “creature artificiali”.

Micromondi

Uno degli aspetti  più importanti della ricerca tecnologico/educativa è quello dei micromondi e degli ambienti artificiali di apprendimento. Secondo  Papert  la capacità di apprendimento oggi necessaria al mondo moderno, viene stimolata da due tendenze in sinergia, caratteristiche della nostra epoca. La prima è la tendenza  definita “tecnologica”, per cui i mezzi di comunicazione, dalla televisione al computer, rendono possibile il miglioramento delle condizioni di apprendimento, nel mondo del lavoro, nel gioco e nella comunità scolastica. La seconda  tendenza è più propriamente “epistemologica” e riguarda gli aspetti del sapere, non più concepito come  un unico modo di conoscere e quindi di apprendere standard, ma tanti modi diversificati che stanno alla base della  conoscenza e dei meccanismi dell’apprendimento, quanti sono effettivamente le capacità espressive e intellettive della persona. Quella del “micromondo”, è un’idea originale  che Papert sviluppa nella reale convinzione che mentre nel periodo prescolare tutti acquisiscono le competenze linguistiche del proprio ambiente culturale, in un contesto più  formale non tutti sono in grado di acquisire nuove abilità. A tal proposito Papert propone un ambiente scolastico in cui si possono realizzare situazioni di apprendimento che siano in grado di riprodurre l’apprendimento naturale.  Il linguaggio logo rappresenta l’essenza dell’opera di Papert  in quanto è proprio nel linguaggio Logo che il bambino impara, giocando, a pilotare una “tartaruga virtuale” che muovendosi descrive figure  che si basano su precise relazioni geometriche. Recentemente al linguaggio Logo è stato associato il laboratorio del “Lego-Robot”: ora i bambini non si limitano a programmare i movimenti della tartaruga, ma possono progettare nuovi mondi e nuovi personaggi, costruirli e verificarne la funzionalità.

Essendo Logo   un gioco basato sulla logica di programmazione del computer,  ha subito  da parte del suo ideatore diverse trasformazioni fino ad essere LEGO-LOGO. In concreto un gioco che il ragazzo programma dialogando con il proprio computer e fa muovere ed agire un robot/automa esterno al computer. In concreto l’obiettivo del  suo creatore è insegnare a “sviluppare progetti, inventare soluzioni, elaborare concetti”. Gli esempi di uso di micromondi forniti da Papert mettono in evidenza come il computer debba essere usato quale ambiente d’apprendimento che aiuta a costruirsi nuove idee; il docente che usa i micromondi si trasforma in promotore di attività in cui i bambini progettano e imparano esplicitando e discutendo teorie sul mondo con cui interagiscono. La classe funziona come una comunità di pratiche scientifiche in cui i bambini comunicano e condividono le loro idee, giuste o sbagliate che siano.

Robotica per l’edutainment

Non è nuova l’idea che educazione ed apprendimento possano essere associati a esperienze ludiche, divertenti e gradevoli. Altri studi nel settore (Astleitner e Wiesner 2004, Deimann, e Keller 2006) affermano che la motivazione è un elemento fondamentale che influenza significativamente l’apprendimento. Ciò è particolarmente vero per i bambini. Una delle strategie per aumentare la motivazione è quella di presentare il materiale didattico come un gioco, offrendo un ambiente di apprendimento che intrattenga gradevolmente e proficuamente gli alunni. Questo concetto prende il nome di “edutainment”, termine coniato da Bob Heyman come una fusione della parola educazione e intrattenimento.

GIAPPONE

In Giappone, l’edutainment ha una notevole importanza dal punto di vista accademico. Ne è un esempio l’Istituto per la Ricerca sull’ Edutainment che organizza dei forum dedicati alla sua applicazione nelle scuole Commercialmente parlando, i maggiori protagonisti in Giappone sono Sega, Nintendo e Sony.

STATI UNITI

Uno dei pionieri nell’ associare educazione e gioco fu Seymour Papert che andò al MIT nel 1963. Nel 1967, iniziò a lavorare, con colleghi in Scozia e in Svezia, sul progetto Logo “per il preciso proposito di incoraggiare i bambini ad imparare.” In seguito sviluppò Lego Mindstorms che inoltre, come abbiamo già visto, ha un ruolo importante nella visione di Sony. Da un punto di vista positivo, l’approccio di Papert ha condotto, nelle università americane di ingegneria e di scienza come il MIT, il Carnegie Mellon e Stanford, all’ esercizio di apprendere facendo. Questo tipo di approccio, tra l’altro strettamente associato a laboratori di ricerca come lo Xerox Palo Alto Research Campus (PARC), ha portato ad affermazioni come quella di Negroponte, “Demo or die”, con l’effetto positivo di far conseguire risultati pratici agli studenti.

EUROPA

La posizione dell’Europa rispetto all’ edutainment, è molto complessa. Una delle tendenze, è semplicemente quella di seguire l’approccio degli Stati Uniti. Infatti, anche in Europa esistono molti laboratori di robotica, come il laboratorio al Politecnico di Milano fondato nel 1973, che ha una sezione molto competente per l’edutainment, “dove i kit di Lego Mindstorm vengono usati per insegnare concetti base sullo sviluppo dei progetti, sulla programmazione, sui sensori, sui sistemi di feedback e sul lavoro di gruppo”, Abbiamo visto in precedenza che in Giappone la robotica ha un ruolo molto rilevante per l’edutainment. Essa ha un ruolo molto significativo anche in Europa, infatti, la Danimarca vanta “forti capacità nella tecnologia robotica adattiva e nella robotica per l’edutainment”. In Germania, l’ex GMD (ora Fraunhofer) in Sankt Augustin possiede il portale internazionale ufficiale di robotica per l’edutainment.

Il 27 e 28 settembre 2000, al Fraunhofer’s Institute for Autonomous Intelligent Systems (AIS), Thomas Christaller organizzò il primo dibattito internazionale sulla robotica per 1′edutainment e fece un’importante ricerca di mercato nella quale notò che i robot, che in precedenza erano stati limitati a semplici compiti di automazione nelle industrie, ora avevano un ruolo sempre maggiore nelle scuole, nelle università e nella vita di tutti i giorni. Egli portò l’attenzione su di un’iniziativa, che sviluppa kit robotici di “The Cool Science Institute” , a Baden-Württemberg e in Bavaria. Si tratta di un concetto educativo di discipline di informatica e di ingegneria per le scuole, iniziato 15 anni fa al MIT per aiutare gli studenti a capire sistemi complessi  Nel 2000, LEGO insieme alle classi elementari di 40 scuole australiane introdusse il RoboCup Junior 2000 Competition che aiutava gli studenti ad apprendere, a visualizzare e a risolvere problemi in team. Occore però fare una distinzione fondamentale tra le attività all’interno delle istituzioni della memoria culturale, come ad esempio i musei, e usare surrogati di contenuto culturale per le attività al di fuori delle istituzioni stesse. Suggeriamo che è principalmente in quest’ultimo, che l’intrattenimento deve avere un ruolo speciale.

Robotica

La robotica è la disciplina che sviluppa sistemi artificiali che presentano sia le prestazioni dei sistemi informatici sia le prestazioni che derivano dalla interazione con l’ambiente, tramite sensori e attuatori. Molti hanno sentito parlare di robot, ne hanno visto qualcuno in immagini e ne conoscono gli impieghi. Ma la visione che si ha al momento della robotica spesso non è completa né corretta. Questo perché si tratta di una scienza recente, che si stà sviluppando: il tutto porta ad un’oggettiva carenza di divulgazione. In questo, la fantascienza, la letteratura hanno anticipato il lavoro scientifico vero e proprio, e questo non è accaduto solo nel nostro settore, ma in molti altri ambiti disciplinari. Come già accaduto in precedenza, per altre innovazioni tecnologiche, fu la letteratura a delineare i tratti salienti di una scienza non ancora esistente. La parola robot viene da una rappresentazione teatrale che fu scritta nel corso degli anni Trenta dello scorso secolo. Poi, la parola Robotica, per intendere la scienza che studia e costruisce robot è stata coniata dallo scrittore di fantascienza Isaac Asimov, in un racconto nel quale introduce per la prima volta le tre leggi della Robotica.

L’inventore americano Joseph F. Engelberger, considerato tra i padri fondatori della robotica, restò talmente affascinato dall’idea di poter costruire “creature artificiali” in grado di aiutare l’uomo e liberarlo dall’onere di compiti ingrati e pesanti, da dedicare la sua vita a questa idea. Oggi un sistema robotico deve risolvere un compito concreto in una situazione reale e dovrà quindi considerare l’approssimazione con cui il mondo è a noi noto e modellizzabile. La ricerca orientata allo sviluppo di attuatori e sensori che permettano di ottenere in modo omogeneo con molti gradi di libertà e in grado di recepire una grande mole di informazioni sensoriali è un imperativo per l’avanzamento della robotica. Oggi la scienza è fortemente intrecciata con i risultati della tecnologia attraverso uno scambio reciproco e continuo. La biologia, le neuroscienze, la genetica, hanno fatto grandi progressi e sono emersi nuovi modelli del comportamento che sono direttamente ispirati al sistema nervoso, le reti neurali.

Tutto ciò che conosciamo sul cervello e sul corpo influenza le tecnologie. Parliamo di robot guidati da reti neurali, robot che evolvono e apprendono (robotica evolutiva). Le ricerche si basano sulla consapevolezza che i sistemi artificiali non debbono essere progettati: un robot che sia controllato da una rete neurale invece che da un programma progettato da un essere umano, come erano i robot fino a oggi, ha il vantaggio che ha imparato da solo quello che sa fare è in sintesi in grado di evolvere e autorganizzarsi. Per questo il robot avrà un comportamento più evoluto e flessibile, capace di adattarsi alle circostanze e di affrontare problemi nuovi. Le aree fondamentali della robotica sono i sistemi di visione e percezione artificiale, la manipolazione, la navigazione e i sistemi per l’automazione della produzione, nella casa e della città i sistemi artificiali di supporto al nostro corpo.

Robotica in contesti educativi

In questi ultimi anni diversi lavori di ricerca provenienti soprattutto dall’area delle tecnologie didattiche hanno posto l’attenzione sui nuovi ambienti e strumenti per l’apprendimento scolastico che possiamo anche definire contesti di “apprendimento motivanti”. Cercheremo di dimostrare che lo sviluppo di questi nuovi ambienti educativi ha seguito un percorso coerente strettamente intrecciato con l’attività di ricerca in ambiti diversi che vanno dalla Psicologia alla Robotica evolutiva. Il loro contributo fondamentale è stato quello di aver riconsiderato e proposto la robotica anche dal punto di vista educativo e questa area di interesse va sotto il nome di Robotica Educativa. Disciplina ancora giovane, che dispone tuttavia di un buon patrimonio di ricerca, di valide esperienze e proposte curricolari ai diversi livelli dell’insegnamento. Attinge a contributi provenienti da discipline diverse quali la cibernetica, l’Intelligenza Artificiale, l’informatica, la biologia, ma anche la psicologia e le neuroscienze. Sul piano cognitivo l’utilizzo dei prodotti Lego, dai primi kit meccanici ai recenti set cibernetici impone un’attenta riflessione che coinvolge il docente e le metodologie dell’apprendimento. Si tratta di utilizzare una componentistica, creata prioritariamente per altre finalità in un contesto educativo e ciò inevitabilmente richiede una sua legittimazione quale scelta pedagogica, impone di affrontare i risolvere problemi organizzativi e logistici attraverso l’allestimento di spazi strutturati e una attitudine a intervenire sia sugli strumenti che sul contesto. In questo lavoro, senza voler entrare nel merito dell’organizzazione pratica dell’esperienza, frutto di un lavoro di ricerca ormai ventennale, faremo riferimento comunque agli spazi strutturati per accogliere l’attività: il laboratorio di progettazione microrobotica. L’esperienza negli anni ha sviluppato e sperimentato, in un contesto di scuola secondaria, materiali didattici tecnologicamente avanzati connotandosi come innovazione di percorsi di insegnamento-apprendimento in area tecnologica. Un lavoro realizzato in una prospettiva che vede lo studente come attivo co-costruttore di conoscenze, orientato al perseguimento di una crescente riflessione, consapevolezza, auto-valutazione dei propri processi. Un’innovazione coerente con i procedimenti del pensiero tecnologico, che utilizza il laboratorio di microrobotica inteso come ambiente d’apprendimento, spazio strutturato in cui gli studenti possono realizzare: attività di documentazione, condivisione, riflessione e metacognizione.

L’utilizzo di set cibernetici sono risorse cruciali nei nuovi ambienti d’apprendimento: veri “oggetti su cui riflettere” che, attraverso la semplice simulazione e la costruzione di modelli, generano “integrazione cognitiva” attraverso un apprendimento attivo e costruttivo, problematico e contestuale. Una proposta che, implicitamente, tocca in modo chiaramente trasversale modelli, metodi, discipline. I ragazzi acquisiscono una vasta gamma di conoscenze e familiarizzano con quei sistemi che rientrano nella categoria dei cosiddetti sistemi dinamici complessi. L’esperienza di Microrobotica si caratterizza sostanzialmente come attività di sperimentazione metodologica che tiene conto dei seguenti criteri di organicità e coerenza:

* possibilità di un reale inserimento nella pratica scolastica;

* grado di interattività e di coinvolgimento alunni;

* efficace integrazione degli aspetti multimediali;

* favorisce l’apprendimento “projet-based”;

* coinvolgimento di più ambiti disciplinari;

* rilevanza concettuale e formativa dei contenuti/abilità;

* possibilità di organizzare i percorsi didattici per livelli;

* attività collaborative: “condivisione della conoscenza” (shared minds):ì;

* attività coooperative : “condivisione dei compiti” (division of labour).

Sul piano della sua spendibilità formativa il laboratorio di progettazione microrobotica, coerentemente con i procedimenti del pensiero tecnologico, si caratterizza per:

* la ricerca di scelte razionali e di ottimizzazione delle stesse in attività di   progettazione/realizzazione;

* l’utilizzo di linguaggi specifici della tecnologia;

* la costruzione di modelli per la lettura di un fatto o fenomeno in area tecnologica;

* la possibilità di progettare e realizzare modelli analogici di sistemi complessi, dove il principio dell’analogia non si riscontra tanto nella corrispondenza di materiali, quanto piuttosto nella visualizzazione tangibile di rapporti topologici, funzionali, di relazione e di sequenzialità logica;

* la valorizzazione dello strumento informatico visto non solo come fine, ma mezzo per nuovi e più stimolanti apprendimenti attraverso l’introduzione e la definizione di un ambiente di programmazione fortemente orientato alle esigenze che emergono nei diversi contesti costruttivi;

* l’utilizzo di metodologie didattiche quali: la scoperta guidata e il problem-solving abitua i ragazzi a lavorare in gruppo per individuare i problemi, scegliere soluzioni, verificare i risultati.

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