Δημιουργία και αξιοποίηση μοντέλων μηχανικής μάθησης (machine learning) από μαθητές προσχολικής ηλικίας

Κερασοβίτη, Πηνελόπη

Creation and utilization of machine learning models by preschool students

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Κερασοβίτη, Πηνελόπη

Date

2022-07-01

Advisor

Troussas, Christos

ΚΕΡΑΣΟΒΙΤΗ_ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ_ΨΗΜΕΠ_signed.pdf (3.700Mb)

Keywords

Μηχανική μάθηση ; Ικανότητες (competencies) ; Εκπαιδευτική ρομποτική ; Περιβαλλοντική εκπαίδευση ; Δημιουργικότητα

Abstract

Η παρούσα ερευνητική εργασία εντάσσεται στη θεματική περιοχή της εκπαιδευτικής τεχνολογίας και αφορά στα πιθανά οφέλη που προκύπτουν σε επίπεδο ψηφιακών ικανοτήτων (competencies) κατά τη δημιουργία και αξιοποίηση μοντέλων μηχανικής μάθησης από μαθητές προσχολικής ηλικίας, με σκοπό την επίλυση του περιβαλλοντικού ζητήματος της κυκλικής οικονομίας (ανακύκλωση και επαναχρησιμοποίηση άδειων συσκευασιών). Η έρευνα ακολουθεί τις αρχές της Έρευνας Σχεδιασμού (DBR), ενώ η ανάλυση των παραχθέντων δεδομένων έγινε με τη μέθοδο της εμπειρικά θεμελιωμένης θεωρίας (grounded theory). Το δείγμα αποτέλεσαν 6 μαθητές προσχολικής ηλικίας (5 έως 6 ετών), που φοιτούν σε δημόσιο νηπιαγωγείο του Νομού Αττικής. Ως θεματική του πειράματος διδασκαλίας επιλέχθηκε το περιβαλλοντικό ζήτημα της ανακύκλωσης και επαναχρησιμοποίησης άδειων συσκευασιών (κυκλική οικονομία), στο πλαίσιο του οποίου οι μαθητές εκπαίδευσαν μοντέλα μηχανικής μάθησης, τα οποία και αξιοποίησαν στα παρακάτω ψηφιακά δομήματα: 1) Μία εφαρμογή που υποδεικνύει στο χρήστη το σωστό κάδο ανακύκλωσης, ανάλογα με το υλικό κατασκευής της άδειας συσκευασίας 2) Μία εφαρμογή για κινητά και φορητές συσκευές, που προτείνει στο χρήστη ιδέες επαναχρησιμοποίησης της άδειας συσκευασίας 3) Ένα «έξυπνο» ρομπότ, που αναγνωρίζει το υλικό των άδειων συσκευασιών και τις μεταφέρει στο σωστό κάδο ανακύκλωσης. Όπως προκύπτει έπειτα και από την ανάλυση των δεδομένων που αντλήθηκαν, οι μαθητές δημιουργούν ποικίλες νοηματοδοτήσεις κατά τη δημιουργία μοντέλων μηχανικής μάθησης, ενώ παράλληλα - παρόλο που συχνά αποδίδουν στη μηχανή ανθρώπινες ιδιότητες - φαίνεται να κατανοούν ότι η εκπαίδευση ενός ML μοντέλου είναι ουσιαστικά μία διαδικασία διδασκαλίας και μάθησης. Παράλληλα, φαίνεται ότι ο τρόπος με τον οποίο οι μαθητές ενεπλάκησαν στο πείραμα διδασκαλίας, αφού κλήθηκαν να αξιοποιήσουν άμεσα τα μοντέλα που δημιούργησαν, ενσωματώνοντάς τα σε εφαρμογές σχετιζόμενες με την κυκλική οικονομία, οδήγησε στην καλλιέργεια δεξιοτήτων δημιουργικής επίλυσης προβλημάτων, με αποτέλεσμα οι μαθητές/-τριες να μπορούν στη συνέχεια να σκεφτούν και να περιγράψουν και άλλες πιθανές εφαρμογές της μηχανικής μάθησης. Τέλος, μολονότι πρόκειται για μία μικρής κλίμακας έρευνα, τόσο λόγω χρονικών περιορισμών, όσο και λόγω του μεγέθους του δείγματος, μπορεί να θέσει τα θεμέλια για περαιτέρω διερεύνηση της αξιοποίησης της μηχανικής μάθησης στην προσχολική εκπαίδευση, εντός σχολικού πλαισίου και με σκοπό την επίτευξη συγκεκριμένων προσδοκώμενων μαθησιακών αποτελεσμάτων.

Abstract

This research paper is part of the thematic area of educational technology and concerns the potential benefits that arise at the level of digital competencies during the creation and utilization of machine learning models by preschool students, in order to solve the environmental problem of circular economy (recycling and reuse of empty packaging). The research follows the principles of Design-based Research (DBR), while the analysis of the generated data was done with the method of empirically grounded theory. The sample consisted of 6 preschool students (5 to 6 years old). The environmental issue of recycling and reuse of empty packaging (circular economy) was chosen as the theme of the teaching experiment, in which the students trained machine learning models, which they used in: 1) An application that indicates to the user the correct recycling bin, depending on the construction material of the empty packages 2) An application for smartphones and mobile devices, which offers the user ideas for reusing the empty packages 3) An AI-interfaced robot, which recognizes the material of empty packages and takes them to the correct recycling bin. As can be seen from the analysis of the data obtained, students create a variety of meanings when creating machine learning models, while at the same time - although they often attribute human characteristics to the machine - they seem to understand that training an ML model is essentially a teaching- and-learning process. At the same time, it seems that the way in which the students got involved in the teaching experiment, after being called upon to directly utilize the models they created, integrating them into applications related to the circular economy, led to the cultivation of creative problem solving skills - resulting in students to be able to think about and describe other possible applications of machine learning. Finally, although it is a small-scale research, both due to time constraints and due to the size of the sample, it can lay the foundation for further investigation of the use of machine learning in preschool education, within a school context and in order to achieve specific learning outcomes.