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Rethink Loreto: we build our Smart City!

La proposta progettuale “Rethink Loreto: we build our Smart City!” descrive un'esperienza innovativa che mira a coniugare l'educazione civica e lo sviluppo delle competenze digitali e delle soft skills negli studenti.
Gli studenti sono stati i progettisti di una versione “smart” della loro città, Loreto (AN), capace di rispondere allo stesso tempo ai loro bisogni di cittadinanza attiva e alle sfide...

  by Lorenzo Cesaretti
CATEGORIA
Robotica
Lego Wedo 1

Introduzione

La proposta progettuale “Rethink Loreto: we build our Smart City!” descrive un'esperienza innovativa che mira a coniugare l'educazione civica e lo sviluppo delle competenze digitali e delle soft skills negli studenti.
Gli studenti sono stati i progettisti di una versione “smart” della loro città, Loreto (AN), capace di rispondere allo stesso tempo ai loro bisogni di cittadinanza attiva e alle sfide poste dalla realtà, in particolare quelle di carattere energetico e ambientale.
Gli strumenti con i quali la “città del futuro” ha preso forma sono stati:
- la progettazione collaborativa dei suoi elementi costitutivi da parte degli studenti;
- l'uso di kit robotici e di kit tecnologici e altri materiali di recupero per creare modelli realistici delle Smart City;
- attività di project-based learning per affrontare temi ambientali, di educazione civica e curricolari;
- l'introduzione di nuove competenze tecniche e scientifiche nella scuola e l'utilizzo di canali social e istituzionali per diffondere nel territorio le progettualità degli studenti.

Il progetto è stato finanziato dal MIUR nell’ambito del Bando DM 435/2015 “Promozione della cittadinanza digitale”: AVVISO n.1227 del 16.11.15; è stato svolto presso l’Istituto Comprensivo Solari di Loreto, ed ha coinvolto come partner l’Università Politecnica delle Marche, la startup TALENT e il Comune di Loreto.
Alla conferenza ICERI 2016 di Siviglia è stato presentato un articolo dal titolo “Rethink Loreto: we build our smart city!” A STEM education experience for introducing smart city concept with educational robotics.

Obiettivi e Competenze

1. Stimolare negli studenti lo sviluppo delle competenze relative al pensiero computazionale, al coding, alle abilità costruttive, alla robotica e all’uso delle tecnologie digitali;
2. Promuovere la maturazione delle soft skills (competenze trasversali) con particolare attenzione al pensiero critico, alle abilità di analisi, al problem solving, alla capacità progettuale, al lavoro di gruppo e alle abilità interpersonali e comunicative;
3. Accrescere l’efficacia delle pratiche educative e didattiche della scuola capofila attraverso l’introduzione di metodologie e strumenti didattici innovativi e la formazione specifica dei docenti negli stessi temi, con effetti positivi sui processi di apprendimento degli studenti;
4. Promuovere negli studenti a partire dall’infanzia la cultura della partecipazione reale e digitale alla comunità di appartenenza e una coscienza ambientale attenta alle problematiche ambientali (fonti energetiche, inquinamento, comunicazione…).

Strumenti

● Scratch
● Lego Education Wedo
● Materiali di recupero per la realizzazione del plastico della città
● Un computer ogni 3 studenti

Metodologia didattica

● L'approccio pedagogico di riferimento alla base del progetto è quello del Costruzionismo, una teoria pedagogica-educativa sviluppata dal matematico e pedagogista Seymour Papert elaborata a partire dalla teoria dell'apprendimento di Jean Piaget (Costruttivismo), che intende l'apprendimento come una costruzione e ricostruzione di rappresentazioni mentali piuttosto che come una trasmissione di conoscenze. L'apprendimento efficiente si verifica a partire dall'uso di materiali manipolativi (gli artefatti cognitivi) che entrano in un'attività di costruzione di un prodotto significativo. In essa, la costruzione della conoscenza è il risultato naturale di un'esperienza di creazione ideativa, sperimentazione, osservazione diretta degli effetti delle proprie azioni e condivisione, in un contesto altamente motivante. In questa prospettiva, le tecnologie e gli ambienti di apprendimento innovativi consentono di espandere le possibilità di apprendimento degli studenti.

● Si fa inoltre riferimento alle teorie psicologiche sulle intelligenze multiple, e in particolare alla concettualizzazione dello psicologo statunitense Howard Gardner, come framework concettuale alla base dei laboratori. Le attività dei laboratori tecnologici saranno intese, tra l'altro, come opportunità di auto-scoperta delle abilità prevalenti di ciascuno studente, a partire dall'idea che ogni persona sia caratterizzata da un profilo distintivo in cui si combinano intelligenze distinte (matematica, linguistica, visuo-spaziale, corporeo-cinestetica, interpersonale, intrapersonale ecc). Tali aree di abilità, pur avendo in parte delle basi innate, possono essere sviluppate attraverso l'esperienza; inoltre, l'autoconsapevolezza delle proprie aree di eccellenza e di debolezza può aiutare lo studente a riconoscere il proprio valore personale e quindi a progettare un proprio percorso di crescita, di studio e di carriera.

● Il Project-based Learning (apprendimento basato su progetti) è un insieme di pratiche caratterizzato da una “attenzione sul momento progettuale, ovvero sulla ricerca (solitamente collaborativa) di soluzioni effettive e operative rispetto al problema posto in partenza, puntando se possibile ad applicazioni concrete o cercando di costruire “prodotti” (...) ricorrendo sistematicamente alle nuove tecnologie” (M. Riotta). Tale metodologia nasce dall’elaborazione della pedagogia e filosofia costruttivista di Papert, Schank e Resnick, dalle teorie sul coinvolgimento attivo e sulla motivazione degli studenti e dalla teoria delle intelligenze multiple di Howard Gardner. Le strategie didattiche basate sul project based-learning sono state sistematizzate dal lavoro del Buck Institute for Education, sono oggetto di studio di centri di ricerca sulla didattica e recentemente si stanno poco a poco diffondendo nei contesti scolastici sia in ambito internazionale che in Italia.

I laboratori tecnologici all’interno del progetto “Rethink Loreto” si sono basati su un approccio bottom-up, tipico del tinkering. Infatti Resnick (2013), uno dei creatori di Scratch scrive: “Sometimes, tinkerers start without a goal. Instead of the top-down approach of traditional planning, tinkerers use a bottom-up approach. […] Other times, tinkerers have a general goal, but they are not quite sure how to get there. They might start with a tentative plan, but they continually adapt and renegotiate their plans based on their interactions with the materials and people they are working with.”

Linee guida delle attività

I laboratori tecnologici in classe sono stati preceduti da una fase di brainstorming guidata dal docente, che ha avuto come obiettivo l’individuazione di progetti da realizzare significativi per gli studenti. Infatti, come si può leggere in “Invent to Learn” di Sylvia Martinez e Gary Stager (2013):
“The power of making something comes from a question or impulse that the learner has, and is not imposed from the outside. […] We seek to liberate learners from their dependency on being taught”
(La forza nel realizzare qualcosa deriva da una domanda o da un impulso che ha lo studente, e non è imposto dall’esterno. Noi cerchiamo di liberare i discenti dalla loro dipendenza nell’essere “istruiti”).
Martinez e Stager riprendono quanto proposto in precedenza da Seymour Papert (1986):
“From constructivist theories of psychology we take a view of learning as a reconstruction rather than as a transmission of knowledge. Then we extend the idea of manipulative materials to the idea that learning is most effective when part of an activity the learner experiences as constructing a meaningful product”.
(Dalle teorie psicologiche costruttiviste abbiamo una visione dell’apprendimento come una ricostruzione piuttosto che come una trasmissione di sapere. Quindi estendiamo l’idea dei materiali manipolativi all’idea che l’apprendimento sia più efficace quando parte di un’attività che lo studente vive come costruzione di un prodotto significativo.”)

Da questi brainstorming sono emerse molteplici idee, riguardanti principalmente la produzione di energia elettrica, la pulizia della città, l’abbattimento delle barriere architettoniche, la progettazione di una città a misura di bambino.
Ad esempio gli studenti hanno pensato di realizzare robot “operatori ecologici” (con il compito di pulire strade e pareti degli edifici); di abbellire la città con proiezioni di opere d’arte sui muri degli stabili; di produrre energia pulita utilizzando pale eoliche e pannelli solari; di differenziare automaticamente i rifiuti grazie a cestini intelligenti, di permettere ai turisti di arrivare alla Basilica di Loreto (la principale attrazione turistica della città) senza fatica, grazie ad una funicolare; di costruire corsie sopraelevate per permettere alle ambulanze e ai mezzi di soccorso di muoversi con più facilità e rapidità.

Dopo aver raccolto le idee sono iniziati gli incontri tecnologici, facilitati dalla presenza degli educatori della startup TALENT, che hanno avuto la seguente progressione didattica:
- I ruoli nella progettazione robotica
- La differenza tra uomo e macchina
- La differenza tra macchina e robot
- Gli elementi base della programmazione di un robot
- Progettiamo un elemento della smart city
- Miglioriamo la smart city

 

INCONTRO 1: I RUOLI NELLA PROGETTAZIONE ROBOTICA
Il tema principale del primo incontro è stato l’importanza dei ruoli nel lavoro di gruppo.
Abbiamo presentato i ruoli della progettazione robotica:
- Progettista: interpreta e istruzioni di montaggio del robot e le comunica agli altri; è il responsabile del progetto.
- Magazziniere: cerca i pezzi corretti dentro la scatola e li passa al tecnico assemblatore. È il responsabile del kit Lego, e (in teoria) dovrebbe essere l’unico a mettere le mani dentro la scatola.
- Tecnico assemblatore: assembla i pezzi seguendo le indicazioni del progettista.
- Validatore: controlla il corretto assemblaggio del robot, passo dopo passo, e il corretto lavoro del gruppo nel complesso (es. il rispetto dei ruoli).

Per far sì che gli alunni possano sperimentare tutti i ruoli, ogni 8-10 minuti l’insegnante dà un segnale che indica il cambio dei ruoli facendo ruotare i ragazzi attorno al tavolo.
Abbiamo introdotto anche questa regola: gli unici due studenti che possono guardare le istruzioni sono il progettista e il validatore, che quindi devono essere così bravi da riuscire a spiegare tutti i vari passaggi in maniera esclusivamente verbale.

Gli studenti sono stati suddivisi in gruppi di lavoro e hanno potuto costruire il loro primo robot con il kit Lego Wedo: il coccodrillo. Sono stati fatti anche dei primi test di programmazione in Scratch, riflettendo sul motore e sui comandi che devono essere impostati per far aprire e chiudere la bocca (in particolare quindi sulla direzione da assegnare al blocco “porta direzione motor a …”).

Anche se il coccodrillo non costituisce un elemento utile alla Smart City, poiché gli studenti non avevano mai utilizzato prima il kit Wedo è stato fondamentale far prendere confidenza nei primi incontri proprio costruendo dei robot standard con le istruzioni, così da osservare meccanismi e strutture meccaniche di base da poter replicare in seguito.

 

INCONTRO 2: DIFFERENZE TRA UOMO E LA MACCHINA
Durante il secondo incontro i bambini hanno lavorato sul concetto di macchina, riflettendo sulle differenze tra l’uomo e la macchina.
Inizialmente si è cercato di schematizzare il modello di funzionamento del corpo umano, con un focus su quattro elementi e sulle loro funzioni e relazioni: muscoli, cervello, scheletro e sensi. I sensi permettono all’essere umano di interagire con l’ambiente, le informazioni raccolte dagli organi di senso vengono “processate” dal cervello che a sua volta ci permette di inviare comandi ai muscoli volontari, responsabili del movimento e sorretti dallo scheletro.
Ma una macchina che cos’è? E quali sono le differenze tra il corpo umano e una macchina?
Si può indirizzare il brainstorming degli studenti ragionando sulle caratteristiche di specifiche macchine, ad esempio il ventilatore o l’aspirapolvere (ovviamente non il robot Roomba). Le macchine sono caratterizzate da meccanismi, possono avere sia una parte meccanica che una parte elettrica, un tasto di accensione e spegnimento, ma sicuramente non possono prendere decisioni da sole, in quanto non contraddistinte da intelligenza.

Si può infine far riflettere gli alunni su definizione di macchina, come ad esempio quella che si trova in Garzanti Linguistica:
“Sistema costituito da uno o più meccanismi; più in generale, qualsiasi sistema fisico o fisico-chimico costruito per compiere operazioni che imitano, estendono, potenziano le capacità umane (p.e. maglio) oppure costruito per trasformare l’energia”

E una macchina quando si può definire utile? E quando inutile? Una delle peculiarità degli elementi immaginati dai bambini per la smart city sicuramente è l’utilità per l’uomo, cioè oggetti o macchine con una qualche funzione specifica che possa migliorare le condizioni di vita della specie umana. Ma siamo così sicuri di saper decidere se qualcosa è utile o inutile?
Bruno Munari ha riflettuto in passato su questi concetti, costruendo le cosiddette macchine inutili (pubblicate anche in “Le macchine di Munari” del 1942). Un esempio di macchina inutile è il seguente, il misuratore automatico del tempo di cottura per uova sode (testo e immagine sono state presi da https://www.nazioneindiana.com/2010/09/05/bruno-munari-misuratore/):

“Prendete un esperto giocatore di lippa e fategli calare lentamente l’uovo rosso (1) nella pentola (2) piena di acqua bollente.
Voi intanto vi sarete alzati di buon mattino
(grazie alla macchina per addomesticare le sveglie)
e avrete legato un fiasco spagliato all'estremità di un bastone da passeggio (3),
questo fiasco serve come galleggiante e,
all'immersione dell’uovo si alzerà spostando il bastone che funge da leva
e che si abbassa (4) premendo una lametta sul cordoncino (5).
Il suddetto viene tagliato in due e le tartarughe siamesi Annetta e Luciana (6) scivoleranno sul piano inclinato (7), fatto con mollica di pane indurita,
e andranno a sbattere contro la lampadina da milleduecentotre candele (8) facendola scoppiare.
Lo scoppio improvviso spaventa la chiocciola (9) Maria Lumèga di Monselice (viale Maria Marianna n. 247,4. Casa propria) che stava pensando ai bei tempi quando faceva la giornalaia (vi racconterò poi altri particolari).
La chiocciola fugge verso la foglia di lattuga dove si ferma a rifocillarsi (10).
All'arrivo della Lumèga l’uovo è pronto.”

Si possono trovare anche video di macchine inutili, come ad esempio questo:
https://www.youtube.com/watch?v=FLHb8fz9tmg

Agli alunni è stato chiesto di progettare una macchina inutile, utilizzando al massimo 8 pezzi del kit Wedo. Terminata la costruzione ogni gruppo ha presentato la propria macchina, caratterizzata da un nome e da una descrizione.
Dopo aver terminato le presentazioni ogni gruppo ha lavorato alla creazione delle istruzioni per la propria macchina. Ma come si possono realizzare? Con dei disegni? Con una spiegazione testuale? O con un mix delle due strategie? Queste domande sicuramente metteranno in crisi gli studenti, ed ogni gruppo sceglierà la propria strategia risolutiva.
Terminate le istruzioni le macchine smontate e corredate di documentazione verranno scambiate tra i gruppi. Ogni team quindi dovrà tentare (probabilmente con grande difficoltà) di ricostruire la macchina progettata da qualcun altro!
Alcune immagini relative a macchine inutili costruite dai bambini si possono vedere di seguito (a sinistra “Il porta cani” e a destra “Lo schiaccia teste”).

INCONTRO 3: DIFFERENZE TRA MACCHINA E ROBOT
Nel precedente incontro sono state realizzate macchine non motorizzate, quindi non in grado di accendersi e spegnersi. L’obiettivo di questa lezione sarà effettuare esperimenti così da comprendere le differenze tra macchine e robot, in particolare la presenza di intelligenza (programmata dall’uomo) nel robot. Alla fine della lezione si arriverà quindi a definire il robot come una macchina in grado di svolgere lavori al posto dell’uomo in autonomia, prendendo decisioni grazie all’intelligenza che gli viene fornita dal programmatore.

Gli studenti suddivisi in team inizialmente costruiscono macchine e le programmano affinchè si accendano e spengano con i tasti della tastiera (come il ventilatore nell’immagine sottostante), o che siano in grado di mostrare dei valori (come il misuratore di distanze creato con il sensore di movimento del kit Wedo).

Di seguito vengono mostrati due script di esempio per accendere e spegnere il motore del ventilatore, e per attivare la lettura del sensore (il valore del sensore viene mostrato sullo schermo grazie al personaggio gatto in Scratch).

Terminati gli esperimenti con queste macchine gli alunni si sono cimentati nella costruzione di un altro robot con le istruzioni Lego: il robot portiere.

Il robot portiere è stato programmato così da far emergere comportamenti “intelligenti”. Lo script a sinistra ad esempio accende i motori quando si preme il tasto “a” della tastiera, e quando il robot subisce gol il movimento termina (il gol viene rilevato grazie al sensore di movimento posto dietro il palo della porta). Lo script a destra permette di realizzare una vera e propria gara tra il portiere e un giocatore: ogni volta che il robot subisce gol compare il fumetto “Gooool” sullo schermo del pc, si incrementa un contatore di gol (la variabile punteggio), e se i gol sono 10 il gioco finisce con un messaggio per l’utente: “Bravo, hai fatto 10 gol. Hai vinto!”. 

INCONTRO 4: INTRODUZIONE DEI CONCETTI BASE DI PROGRAMMAZIONE
Il quarto incontro è stato dedicato al rafforzamento di alcuni concetti di programmazione che gli studenti avevamo precedentemente incontrato, come ad esempio il la ripetizione ciclica e condizionata di istruzioni.
Gli alunni hanno costruito il robot gigante e in seguito hanno affrontato alcune sfide di programmazione.

La prima difficoltà è stata far andare il gigante a destra e sinistra per una volta e poi ripetendo ciclicamente il movimento (utilizzando il blocco “ripeti n volte” di Scratch).
In seguito si è lavorato sull’attivazione del motore (in particolare sull’accensione ciclica) se il gigante vede passare qualcuno davanti a sé (quindi se la distanza misurata dal sensore di movimento è minore di 20). Ecco un esempio di soluzione di questo problema:

INCONTRO 5: PROGETTIAMO UN ELEMENTO DELLA SMART CITY
Dopo aver preso confidenza con i kit Lego Wedo, con alcuni concetti della programmazione e con alcuni concetti di robotica, il quinto incontro è stato caratterizzato dalla creazione creativa degli elementi della smart city precedentemente proposti dagli alunni tramite brainstorming.
Ogni team quindi ha progettato il proprio oggetto, partendo da alcune indicazioni fornite per facilitare l’assemblaggio meccanico e la costruzione dei meccanismi dei robot. Ad esempio, per costruire una macchina elettrica si è consigliato di partire dal leone:

Per costruire un cestino intelligente, si è consigliato di partire dal robot coccodrillo:

Per costruire un robot operatore ecologico, si è consigliato di partire dal robot portiere:

Per creare la funicolare sono state consigliate le istruzioni che si trovano a questo link:
http://stefans-robots.net/en/wedo-cable-car.php

Per realizzare la pala eolica, si è consigliato di partire dal robot calciatore:

Gli studenti hanno comunque potuto scegliere in libertà se partire da delle istruzioni standard e poi modificare l’artefatto a proprio piacimento, o se costruire da zero il proprio robot. La regola principale dell’attività è stata liberare la fantasia e la creatività!

 

INCONTRO 6: MIGLIORIAMO LA SMART CITY!
Nell’ultimo incontro ogni team ha avuto altro tempo per migliorare e programmare il proprio robot.
Infine ogni gruppo ha presentato al resto della classe la propria realizzazione, facendo muovere il robot all’interno del plastico.

In parallelo agli incontri tecnologici gli alunni hanno lavorato alla realizzazione del plastico della smart city. Ecco alcune immagini che mostrano il lavoro svolto e un plastico realizzato da una delle classi coinvolte!

Al termine di ogni incontro è sempre stato inserito un momento di debriefing: è stato lasciato spazio alla discussione di quanto fatto durante l’intero incontro, permettendo ai bambini di raccontare agli altri il lavoro svolto, le difficoltà incontrate e di esprimere le proprie sensazioni ed emozioni.

Risultati attesi

1. Il miglioramento dei processi di apprendimento, delle performance scolastiche e della motivazione scolastica negli studenti coinvolti nel progetto; queste variabili saranno misurate attraverso prove preparate dai docenti;
2. Lo sviluppo di nuove conoscenze e competenze degli studenti sulla robotica, le tecnologie digitali, il coding e il pensiero computazionale; esse saranno valutate dal partner tecnologico in collaborazione con il partner accademico;
3. L’acquisizione da parte dei docenti dell’istituto capofila di nuove conoscenze e competenze in campo metodologico e tecnologico che li metta in condizione di svolgere in maniera autonoma ulteriori progetti didattici nelle classi dell’istituto; esse saranno valutate dal partner tecnologico in collaborazione con il partner accademico;
4. L’aumento della consapevolezza degli studenti commisurato all’età riguardo alle tematiche dell’ambiente, alla comunità di appartenenza e alle principali problematiche energetiche e ambientali che la società sta affrontando; sarà rilevata con il parere del personale docente.

Una prima analisi dei risultati ottenuti è stata presentata a Siviglia durante la conferenza ICERI 2016 (Scaradozzi D., 2016).
A questo link si può leggere l’abstract dell’articolo.
https://library.iated.org/view/SCARADOZZI2016RET

Per l’articolo completo contattateci all’indirizzo talent@weturtle.org.

Riferimenti e links

Ringraziamo la dirigente Milena Brandoni e tutte le insegnanti dell’Istituto Comprensivo Solari di Loreto per la disponibilità e la voglia di mettersi in gioco mostrata. Non sarebbe stato possibile realizzare il progetto senza il loro fondamentale contributo.

 

Martinez S., Stager G., “Invent to learn”, Constructing Modern knowledge Press, 2013, p. 32
Munari B., “Le macchine di Munari”, Einaudi, Torino 1942
Papert S., “Constructionism: a new opportunity for elementary Science Education”, MIT Media Laboratory, 1986, citato in Martinez, Stager, “Invent to learn”
Resnick, Rosenbaum, 2013, “Designing for tinkerability”, in Honey, Canter, “Design, Make, Play: Growing the Next Generation of STEM Innovators”.
D. Scaradozzi, L. Screpanti, L. Cesaretti, E. Mazzieri, M. Storti, M. Brandoni, A. Longhi, “Rethink Loreto: we build our smart city!” A STEM education experience for introducing smart city concept with educational robotics, The 9th annual International Conference of Education, Research and Innovation, ICERI2016, Seville, Spain
http://www.garzantilinguistica.it/ricerca/?q=macchina

 

L’attività sulle macchine inutili è stata suggerita da Emanuele Micheli di Scuola di Robotica.
http://www.scuoladirobotica.it/

Comune di Loreto http://www.comune.loreto.an.it/

Università Politecnica delle Marche http://www.univpm.it/Entra/

TALENT https://www.facebook.com/TALENT.apprendere.tecnologicamente



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