Robot nauczycielem – tego typu wizja była przedmiotem różnych dział gatunku science fiction. Nie ma co zakłamywać rzeczywistości, wciąż jesteśmy daleko od masowej adaptacji tego typu rozwiązań, co nie oznacza jednak, że badania tej technologii pod kątem nauczania nie są prowadzone. Istnieje cała dziedzina poświęcona temu zagadnieniu. Nazywa się child-robot interactions i to właśnie temu ma być poświęcony ten wpis.

Zacznijmy od odrobiny definicji i teorii. Child robot interaction (CRI) to dziedzina badań, która zajmuje się interakcjami społecznymi i emocjonalnymi między dziećmi a robotami. CRI bada, jak dzieci postrzegają, reagują i nawiązują relacje z robotami, a także jak roboty mogą być zaprojektowane i wykorzystane do wspierania rozwoju, edukacji i terapii dzieci. CRI jest interdyscyplinarną dziedziną, która łączy w sobie elementy robotyki, psychologii, pedagogiki, informatyki i sztucznej inteligencji. Niektóre z zastosowań CRI to:

• Roboty teleobecnościowe, które zapewniają interakcję społeczną dla hospitalizowanych dzieci

• Roboty społecznie wspomagające, które pomagają dzieciom w przestrzeganiu diety lub terapii, lub zmniejszają ból i lęk, gdy dzieci są poddawane jakimkolwiek zabiegom lub leczeniu.

• Roboty edukacyjne, które wspierają naukę i rozwój umiejętności dzieci, takich jak język, matematyka, programowanie czy muzyka.

• Roboty terapeutyczne, które pomagają dzieciom z zaburzeniami rozwojowymi, takimi jak autyzm, zwiększyć swoją komunikację, interakcję i zaangażowanie (Belpaeme 2013)

Na potrzeby tego wpisu szczególnie interesuje mnie zastosowanie robotów w kontekście edukacyjnym. Eksperymenty z wykorzystywaniem robotów do edukacji miały miejsce już ponad 30 lat temu (Gaudiello 2016). Uformowanie tego typu działań w spójną dziedzinę naukową zajęło oczywiście więcej czasu, tak więc wyklarowanie się takiej dziedziny miało miejsce z początkiem XXI wieku. W badaniach CRI w kontekście edukacyjnym ważna jest pozycja robota w klasie. Na podstawie tego wyróżniamy trzy typy edukacji z użyciem robota:

• “Nauka robotyki”, w ramach której uczniowie używają robotów do uczenia się treści związanych z robotyką lub inżynierią.

• “Nauka z robotyką”, w której roboty służą jako podstawa procesu uczenia się.

• “Uczenie się przez robotykę”, w którym uczniowie osiągają cele w dowolnym przedmiocie za pomocą robotyki (Martinez-Roig 2023).

Z tych trzech kategorii najciekawszą dla mnie jest ta druga – nauka z robotyką. W przypadku nauki z robotyką oraz uczenia się przez robotykę, robot jest tylko kolejnym narzędziem, nie wpływającym jakoś bardzo na dynamikę i relacje w procesie uczenia. Gdy mamy doczynienia  z tą drugą kategorią „nauka z robotyką”, robot staje się aktywnym aktorem w procesie edukacyjnym, zmieniając dynamikę w klasie. Już nie tylko nauczyciel edukuje i kontroluje grupę, do pomocy ma robota, albo może być nawet przez niego zastąpiony. Jednym z pól w których roboty mogą szczególnie pomóc w edukacji jest według mnie nauka muzyki. Często tego typu zajęcia wymagają repetatywnych powtórzeń, do których dzieci nie zawsze są skłonne, przez co efektywność nauczania może być mniejsza. W artykule z marca tego roku (Martinez-Roig 2023) hiszpańscy naukowcy podsumowali obecny zdań badań, jeżeli chodzi o CRI w edukacji muzycznej. Z szerokiego przeglądu najpopularniejszych baz danych, udało im się znaleźć tylko 4 artykuły które w pełni były poświęcone temu zagadnieniu. Dodatkowo dwa z nich dotyczyły dzieci z autyzmem, tak więc nie były one stricte poświęcone tylko edukacji muzycznej, lecz również na działaniu terapeutycznym. Tak więc stan badań w tym zakresie jest dość ograniczony. Na całe szczęście jest jeszcze jedno badanie, o którym chciałbym tutaj szerzej napisać. Badanie to nie zostało nigdzie opublikowane (może kiedyś ujrzy światło dzienne). Zostało przeprowadzone w maju i czerwcu 2023 roku w przedszkolu muzycznym w Krakowie. Badanie te przeprowadziłem ja wraz z kolegą.

Jak badać CRI w edukacji muzycznej?

Pomysł na przeprowadzenie badania przyszedł dość naturalnie. Na zaliczenie przedmiotu Social Robotics prowadzonego przez prof. Bipina Indhurkye mieliśmy przygotować projekt. Profesor zachęcał nas do przeprowadzenia badań, wzięcia robota i wykonania „czegoś” z nim. Myśląc o tym co ja mógłbym zrobić, od razu pomyślałem o przeprowadzeniu badań związanych z muzyką. Tak się składało, że nawet znałem osoby pracujące w przedszkolu muzycznym, które mogłyby pomóc w przeprowadzeniu tego typu badania. Problem był jeden, plan wydawał się zbyt ambitny, żeby samemu przeprowadzić takie badania, szczególnie że mało kto w grupie wydawał się chętny do takiego sposobu realizacji projektu zaliczeniowego, skupiając się bardziej na zagadnieniach teoretycznych związanych z tą dziedziną. Jednak pewnego dnia kolega Kacper sam zaproponował wspólne zrobienie projektu. Też chciał zrobić „coś” z robotem i zabrać go do jakiegoś miejsca. Tak więc z moim pomysłem i jego chęciami siedliśmy do pracy. Na początku należało wybrać co miałby ten robot w przedszkolu robić. Wiedzieliśmy, że będzie on nauczał rytmiki, jako że mieliśmy bezpośredni kontakt z osobą która uczyła tego przedmiotu w przedszkolu. Aby jak najmniej utrudnić sobie późniejsze programowanie zdecydowaliśmy się na to, żeby robot przeprowadził ćwiczenie o nazwie aktywne słuchanie. Aktywne słuchanie polega na słuchaniu muzyki, z wykonywaniem różnych gestów bądź ruchów korespondujących z muzyką. Ten typ ćwiczenia wydawał się idealny do przeprowadzenia badania, jako że nie wymagał aż tak skomplikowanych animacji robota, a jednocześnie jest to ćwiczenie, przy którym dzieci wyjątkowo szybko tracą koncentrację i zainteresowanie. Często aktywne słuchanie zanudza dzieci do takiego stopnia, że nauczyciel traci kontrolę nad grupą i ciężko cokolwiek więcej zrobić do końca zajęć. Ustaliliśmy również przebieg badania. Zaplanowaliśmy przygotowanie dwóch ćwiczeń aktywnego słuchania do dwóch różnych utworów. Utworami które wybraliśmy były: Pizzicato z baletu Sylvia Leo Delibesa i Kinderszenen op. 15 nr 1 Roberta Schumanna. Pizzicato to utwór dość żywy, który potrafi pobudzić dzieci i potencjalnie nie jest aż tak problematyczny podczas aktywnego słuchania. Kinderszenen to utwór zupełnie inny, powolny, do którego potencjalny układ miał być bardzo spokojny, powolny i monotonny. Tego typu utwór to koszmar dla nauczyciela i coś czego raczej stara się unikać. Pomimo ograniczonej próby i krótkiego czasu trwania badania, chcieliśmy wyeliminować jak najwięcej zmiennych, które mogłyby zakłócić wynik naszych obserwacji, dlatego zdecydowaliśmy się na tak skrajne utwory. Mając wybrane utwory, zaczęliśmy myśleć nad przebiegiem badań. Ustaliliśmy, że wybierzemy się do przedszkola 2 razy bez robota, żeby zaobserwować, jak dzieci reagują na aktywne słuchanie tych dwóch utworów, żeby potem zobaczyć jak zareagują one na to samo ćwiczenie przeprowadzone przez robota. Grupa przedszkolna na której prowadziliśmy badania składała się z dzieci w wieku od 4 do 5 lat. Grupa ta również sprawiała dużo problemów nauczycielce rytmiki. Zajęcia rytmiki w przedszkolu odbywały się pod koniec dnia, także dzieci miały zawsze duże problemy ze skupieniem i słuchaniem poleceń nauczycielki. Robotem, którego użyliśmy do przeprowadzenia badania jest NAO. Nao to humanoidalny robot stworzony w 2008 przez francuską firmę Aldebaran Robotics. Jest to jeden z najpopularniejszych robotów używanych w badaniach CRI.

Robot NAO (zdjęcie własne)

Cele naszego badania zostały sformułowane w następujący sposób:

1. Obserwacja i dokumentacja zachowań dzieci podczas standardowych zajęć rytmicznych prowadzonych przez nauczyciela.
2. Zaprogramowanie robota Nao tak, aby demonstrował choreografię ruchów i angażował się w interaktywny dialog z dziećmi podczas sesji rytmicznych.
3. Ocena reakcji dzieci, poziomu zaangażowania i ogólnego wpływu robota na ich doświadczenie edukacyjne.
4. Ocena potencjalnych korzyści i zastosowań integracji robotów społecznych w edukacji muzycznej dzieci w wieku przedszkolnym.

Przebieg tego badania można podzielić na trzy fazy: przygotowanie, obserwacja oraz interwencja.

Faza I – przygotowanie 

Po pierwsze, projekt ten wymagał wielu przygotowań. Faza ta była jednocześnie badaniem wykonalności. Ze względu na nasz brak doświadczenia w pracy z robotami, nie byliśmy pewni, czy cele, które postawiliśmy przed tym projektem, będą możliwe do osiągnięcia.   Pierwszym krokiem było wybranie utworu, do którego zostanie przeprowadzone aktywne słuchanie. Zdecydowaliśmy się na Pizzicato z baletu Sylvia Leo Delibesa i Kinderszenen op. 15 nr 1 Roberta Schumanna. Wybraliśmy te dwa utwory ze względu na kontrast między nimi. Pizzicato to szybki, żywy utwór na orkiestrę, w tonacji durowej. Z kolei Kinderszenene to utwór powolny, na fortepian, w tonacji molowej. Tego typu utwór to koszmar dla nauczyciela i coś czego raczej stara się unikać. Pomimo ograniczonej próby i krótkiego czasu trwania badania, chcieliśmy wyeliminować jak najwięcej zmiennych, które mogłyby zakłócić wynik naszych obserwacji, dlatego zdecydowaliśmy się na tak skrajne utwory. Po wybraniu utworu nauczyciel rytmiki opracował choreografię. Następnie musieliśmy sprawić, by robot powtórzył tę choreografię. Aby to osiągnąć, użyliśmy programu Choreographe. Udało nam się sprawić, że robot powtarzał zaprojektowaną choreografię i jednocześnie odtwarzał muzykę. Zaimportowaliśmy tę animację do robota i użyliśmy interfejsu, aby ją odtworzyć.

Interfejs do kontroli robota oraz program do tworzenia animacji (zdjęcia własne)

Faza II – obserwacja 

Wiedząc, że nasz cel jest możliwy do osiągnięcia, udaliśmy się do przedszkola, aby obserwować dzieci. Chcieliśmy zobaczyć, jak zachowywałyby się dzieci podczas tego samego ćwiczenia, ale prowadzonego przez nauczyciela. Zanim tam pojechaliśmy, znaliśmy pewne informacje o grupie z rozmowy z nauczycielką. Grupa miała tendencje do złego zachowania, rozpraszania się i szybkiej utraty koncentracji, nie szanowała nauczycielki i nie słuchała instrukcji wydawanych przez nauczycielkę. Pomoc wychowawczyni była zawsze wymagana, aby zapanować nad grupą. Nauczycielka w pojedynkę nie była w stanie kontrolować grupy. To, co wiedzieliśmy już wcześniej, potwierdziło się podczas obserwacji. Początkowo dzieci były nieco onieśmielone naszą obecnością i mniej chętne do złych zachowań, ale z każdą minutą wracały do swoich standardowych nawyków. Kiedy poszliśmy do przedszkola po raz drugi, dzieci zachowywały się naprawdę źle, tylko jedno z nich było aktywnie zaangażowane w ćwiczenia, a reszta była całkowicie rozproszona. Jedno z tych rozkojarzonych dzieci spędziło cały czas ćwiczeń uderzając głową o podłogę.

Faza III – interwencja

Początkowo naszym celem było ustawienie robota tylko na jedno ćwiczenie, obserwacja przebiegu ćwiczenia i zabranie robota. Nie przewidzieliśmy, jak bardzo dzieci będą chciały wejść w interakcję z robotem. Aby spełnić ich oczekiwania, musieliśmy spontanicznie korzystać z interfejsu, aby napisać frazy dla robota do interakcji z dziećmi. Dlatego po pierwszym dniu naszych badań z robotem musieliśmy wrócić do przygotowań, aby całe doświadczenie było pełniejsze za drugim razem. W dniu przerwy pomiędzy sesjami dodaliśmy kilka wstępnie zaprogramowanych animacji w połączeniu z napisanymi przez nas dialogami i lepiej zintegrowaliśmy robota ze scenariuszem całej lekcji.

Wyniki

 Oto główne wyniki naszej obserwacji:

1. dzieci wykazywały znacznie wyższy poziom skupienia w porównaniu z sesjami bez robota.

2. dzieci dokładnie odwzorowywały ruchy robota i pozostawały zaangażowane zarówno podczas pierwszej, jak i kolejnych sesji.

3. dzieci wykazywały wysoki poziom zainteresowania robotem i wyrażały chęć kontynuowania interakcji z nim nawet po zakończeniu sesji (zazwyczaj śpieszyły się do szatni zaraz po zajęciach).

4. zaangażowanie i skupienie dzieci podczas ćwiczeń “aktywnego słuchania” wykazały duży potencjał używania robota jako pomocnika podczas zajęć.

Przeprowadziliśmy również wywiady z nauczycielką i wychowawczyni. Potwierdziły one nasze obserwacje. Ich zdaniem dzieci zachowywały się znacznie lepiej. Chętniej angażowały się w ćwiczenie i pozostawały skupione przez cały czas jego trwania. Najbardziej zaskoczył nas fakt, że efekt działania robota rozciągał się znacznie dalej niż tylko na czas przygotowanego ćwiczenia. Lepsze zachowanie, chęć słuchania instrukcji i znacznie poprawiona koncentracja były zauważalne przez całą lekcję z obecnością robota. Obawialiśmy się, że obecność robota poza zaprogramowanym ćwiczeniem może mieć odwrotny skutek. Sądziliśmy, że dzieci będą rozproszone obecnością robota i mniej zaangażowane w lekcję poza ćwiczeniami prowadzonymi przez robota. Zamiast tego, pomimo że dzieci czasami wpatrywały się w robota siedzącego na podłodze lub próbowały z nim rozmawiać, ogólne skupienie znacznie wzrosło podczas całej lekcji. Trend ten zaobserwowano podczas obu sesji. Wyniki były tak dobre, że wychowawczyni nie była potrzebna podczas drugiej sesji, co było czymś niewyobrażalnym podczas zajęć bez robota. Po raz pierwszy nauczycielka była w stanie samodzielnie zapanować nad całą grupą.

I co z tego?

Tak więc w naszych badaniach zaobserwowaliśmy bardzo pozytywny impakt jaki może mieć robot-pomocnik podczas zajęć. Niestety pomimo optymistycznych rezultatów, roboty w przedszkolach i szkołach to wciąż dość odległa wizja. Na przeszkodzie do szerokiej adaptacji stoi kilka czynników. Pierwsza sprawa to koszty. Nao, robot którego używaliśmy kosztuje ponad 30 tys. zł., a i tak jest to jedna z bardziej przystępnych cenowo opcji na rynku. W szkole bądź przedszkolu zapewne potrzebny byłby więcej niż jeden, tak więc koszty jeszcze bardziej rosną. Ponadto jedną z naszych największych obaw przy realizacji badania było to czy dzieci nie zniszczą robota. Udało nam się tego uniknąć, jednak przy długofalowym stosowaniu NAO w klasie, szanse na zniszczenie go są o wiele większe. Ponadto nie jest to technologia łatwo dostępna. Nauczyciel nie jest w stanie regularnie przygotowywać NAO na zajęcia. Program Choreograpge którego używaliśmy jest wyjątkowo toporny. Do tego kontrola NAO wymagała stworzenia interfejsu w pythonie oraz jego edycji na bieżąco. Poza tym jednoczesne prowadzenie zajęć i kontrolowanie NAO również jest zadaniem praktycznie niemożliwym. Przy używaniu robota na zajęciach, konieczne było to by jeden z nas ciągle stał przy komputerze i na bieżąco kontrolował co się dzieje z robotem oraz nim sterował. Miejmy nadzieję że z dalszym rozwojem technologii, w szczególności widzę potencjał tutaj sztucznej inteligencji,  robot-pomocnik nauczyciela będzie wizją bardziej realną.

Literatura:

Belpaeme, T. et al. (2013). Child-Robot Interaction: Perspectives and Challenges. In: Herrmann, G., Pearson, M.J., Lenz, A., Bremner, P., Spiers, A., Leonards, U. (eds) Social Robotics. ICSR 2013. Lecture Notes in Computer Science(), vol 8239. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-02675-6_45

Gaudiello, Ilaria & Elisabetta, Zibetti. (2016). Learning Robotics, with Robotics, by Robotics: Educational Robotics. 10.1002/9781119335740.

Martinez-Roig R, Cazorla M and Esteve Faubel JM (2023). Social robotics in music education: A systematic review. Front. Educ. 8:1164506. doi: 10.3389/feduc.2023.1164506.