E-ROB:E-LEARNING PER LA

ROBOTICA EDUCATIVA

Incontro con gli Insegnanti degli istituti comprensivi di Pisa24 Maggio 2016

Definizione di Funzioni Esecutive

Insieme di processi cognitivi di “ordine superiore” che permettono di pianificare, iniziare e portare a termine comportamenti diretti ad uno scopo, attraverso un insieme di azioni coordinate e strategiche.

(Funzioni cognitive di “ordine superiore” includono attività di integrazione e sintesi di informazioni, pianificazione, organizzazione, ecc; Funzioni cognitive “basilari” includono l’elaborazione di informazioni di tipo sensoriale)

Le funzioni esecutive sono un complesso sistema di processi che regolano la pianificazione, il

controllo e la coordinazione del sistema cognitivo, e che governano l'attivazione e la modulazione di

schemi e processi cognitivi:

•l'organizzazione delle azioni in sequenze gerarchiche di mete ed obiettivi;

•lo spostamento flessibile dell‘attenzione sulle informazioni rilevate;

•l'attivazione di strategie appropriate e l'inibizione di risposte non adeguate.

L'impiego delle funzioni esecutive è indispensabile in tutti i tipi di problem solving, non solo in quelli

più complicati ed astratti, come la soluzione di problemi matematici, ma anche nell'acquisizione

delle abilità sociali. La comprensione delle persone è una di queste, perché la sensibilità ad

obiettivi, emozioni o desideri altrui richiede uno sganciamento dell'attenzione dai propri stati mentali

interni.

PIANIFICAZIONE

partenza arrivo

REGOLE: -numero di mosse massimo-una pallina alla volta-Numero di palline nei bastoni

Si possono identificare 4 principali componenti delle FE

INIBIZIONE

GIORNONOTT

E

CLASSIFICAZIONE / FLESSIBILITA’ COGNITIVA

Se è nera, la forma corrispondenteSe è bianca il contrario

MEMORIA DI LAVORO

Visuo-spaziale

Verbale

Miyake, 2000; Diamond, 2013, Marzocchi, 2011

The ability to self-control own cognition is ascribed

to Executive Functions (EF) and they are predictive of

several cognitive milestones and school

readiness in early childhood.

Le FE sono sottese da specifici circuiti cerebrali

CORTECCIA PRE-FRONTALE E ALTRE REGIONI CON LE QUALI E' INTERCONNESSA

Dorso laterale

Aree distinte per Funzioni Esecutive Calde o Fredde

Dorso lateraleInibizioneMemoria di lavoroflessibilità..

FE “fredde”

FE “CALDE”Ventro LateralePresa di decisione sociale e emozionale

PRIMA:

•Le FE sono silenti fino a 12aa e sono mature a 20 anni;

•I test per adulti sono troppo complessi per essere

somministrati a bambini (Golden, 1981).

Corpo Calloso

INIBIZIONE: Tra I 10-12 mesi, il bambino è in grado di recuperare

l'oggetto nascosto sotto B anche se lo ha trovato più volte sotto A

(A non B error) , anche dopo un intervallo di 5 secondi

A

B

Predice lo sviluppo cognitivo successivo

CAPACITA' DI AUTO-CONTROLLO/INIBIZIONE BAMBINO

INDICE STATO SALUTEADULTO

Importanza per qualità vita

PROCEEDINGS NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES, 2011

Importanza dell’INIBIZIONE per qualità vita

Classificazione/astrazione cognitiva Less Is More

Executive Function and Symbolic Representation inPreschool Children. Stephanie M. Carlson, Angela C. Davis, and Jamie G. Leach (2005)

Maggiore abilità di posticipare la gratificazione

Memoria di lavoro

Sviluppa nel corso di tutta la vita, ma l’incremento maggiore si verifica nei primi 10 anni.

5 aa→ mantiene ed elabora due unità

10 aa→ mantiene ed elabora 4 o 5 unità (può lavorare con istruzioni su 4-fasi, mantenere 4 termini nuovi ecc).

Correla con il successo scolastico (deficit della memoria di lavoro nei

bambini con DSA)

Importanza per qualità vita

OGGI:

•Le FE si sviluppano già a partire da 12 mesi e i principali cambiamenti si verificano in età prescolare e scolare fino all’adolescenza;

•Le FE sono necessarie per l’adattamento sociale e il successo scolastico;

•La corteccia pre-frontale sviluppa in particolare durante la prima e seconda infanzia e fino all'adolescenza ( volume della sostanza grigia, di spessore corticale di volume della sostanza bianca) ma non è funzionalmente silente nei primissimi anni di vita (attivazione in fMRI della corteccia pre frontale nei lattanti);

• Lo sviluppo delle FE ha un’organizzazione gerarchica: inibizione e memoria di lavoro emergono molto presto nello sviluppo (nel lattante); la flessibilità nell'età pre-scolare e continua durante l'adolescenza (Garon et al., 2008 , Diamond, 2011).

Le FE possono essere potenziate mediante modifiche sull’ambiente e Interventi sul bambino rispettando il ritmo di

sviluppo delle diverse componenti

Un intervento di potenziamento delle FE in età prescolare ha un

elevato potenziale preventivo (Melby-Lervag e Hulme, 2013).

1. MINDFULNESS (es. arti marziali);2. TRAINING CON PROGRAMMI PC (es.

teleriabilitazione);3. PROGRAMMI SCOLASTICI PRE-SCOLARI (es.

Montessori, Tools of the Mind).

Importanza di interventi educativi precoci sulle FE

SCIENCE, 2011

Potenziamento delle FE in età prescolare

Software e Video Giochi (breve durata)

Attività di gruppo Low cost (lunga durata)

Es. Thorell et al., 2009; Bergman Nutley et al., 2011; Grunewaldt et al, 20013

VANTAGGI:- esercizi autoadattivi di difficoltà crescente- possibilità d’intervenire su singole componenti delle FE

SVANTAGGI:- FE “cool”- poco Ecologici- ruolo passivo del bambino- scarsa generalizzabilità- costi elevati/resource consuming

Es. Diamond et al., 2007; Traverso et al., 2015

VANTAGGI:- bassi costi e facile riproducibilità- uso delle FE su oggetti/contesti concreti- possibile intervenire su FE “hot”

SVANTAGGI:- non sempre difficoltà incrementabile on-line- non sempre possibile agire su specifiche componenti delle FE

Bee-bots: un semplice robot

I comandi sono programmati attraverso i tasti posizionati sul dorso del robot.

Secondo i principi del Costruzionismo (Papert) e del Costruttivismo (Piaget)....manipolare oggetti concreti rende l’apprendimento più efficace e permette la costruzione di modelli mentali flessibili e in continuo aggiornamento.

Secondo i principi del Costruttivismo sociale (Vigotskij) e l’apprendimento sociale (Bandura)....l’apprendimento avviene all’interno di un contesto sociale, grazie all’aiuto dell’altro, che siano adulti o dei pari, e attraverso l’osservazione del comportamento altrui.

ROBOTICA EDUCATIVA e APPRENDIMENTO

cosa è?

attività in cui i robot vengono utilizzati per scopi educativi, attraverso una didattica innovativa che concretizza ambienti di apprendimento sperimentali e legati a contesti reali.

promuove l’interesse non solo per le nuove tecnologie e una modalità di apprendimento basata sul pensiero critico, il problem-solving, la creatività e la cooperazione all’interno di un contesto

sociale.

→ una modalità di apprendimento attiva e basata sulla

sperimentazione e sull’utilizzo di “objects to think with”

(Papert, 1980; 1993) e di feedback concreti (teoria costruttivista

di Piaget; Piaget & Inhelder, 1966);

A differenza del gioco elettronico o telecomandato, si ipotizza che la RE favorisca:

→ lo sviluppo della teoria della mente attraverso prime richieste

di “mettersi nei panni di”, mediate dal robot (es. l’attribuzione di

una memoria);

→ la visualizzazione e la verifica concreta delle operazioni

mentali in un contesto di GRUPPO.

Durante la RE il bambino deve prima pensare e poi agire,

secondo una serialità, tipica del pensiero logico, che siamo

invitati a potenziare, soprattutto nel processo educativo

Permette di integrare e scomporre nello stesso strumento la difficoltà del compito e i

fattori neuropsicologici in essa coinvolti

-da operazioni semplici di imaging di due elementi in serie;

-ad esercizi di inibizione;

-a compiti complessi che richiedono updating, inibizione, pianificazione e controllo.

Usai et al., 2013: dall’infanzia all’età adolesceziale si assiste alla progressiva organizzazione fattoriale delle FE da modelli a due fattori (inibizione e working

memory, Miller et al., 2012) a modelli a tre fattori, con tre variabili latenti sottostanti (inhibition, working memory and shifting; Miyake et al., 2000; Lehto et al., 2003)

Tuttavia … la Letteratura sulla RE

- Impatto della Robotica Educativa sul funzionamento scolastico (Eguchi, 2010; Benitti, 2012)

- Impatto della Robotica Educativa sulle capacità socio-relazionali (Benitti, 2012; Johnson,2003)

- Impatto della Robotica Educativa sulle capacità cognitive (Mioduser, 2010; Alimisis, 2013; Kazakoff, 2013; Bers, 2014)

Studio Pilota

Obbiettivi dello StudioLo studio pilota effettuato nella scuola dell’infanzia Haring nel territorio pisano è stato volto ad indagare gli effetti di un laboratorio di Robotica Educativa sulle:

- abilità di memoria spaziale - attenzione- capacità visuo-spaziali- inibizione e controllo cognitivo

Struttura dei Laboratori: AttivitàOgni laboratorio ha previsto attività e giochi in gruppo all’interno di un contesto narrativo sempre differente per stimolare l’attenzione e la motivazione. Le attività prevedono l’incremento graduale della difficoltà al fine di avvicinare progressivamente il bambino agli obbiettivi attraverso l’apprendimento senza errori.

inibizione cognitiva categorizzazione

set-shinftingmemoria prospettica

ABILITA’ VISUO-SPAZIALI

FUNZIONI COGNITIVE SUPERIORI

attività di familiarizzazione e comprensione dei comandi

imagery visuo-spaziale

planning,flessibilità

pianificazione strategica, inibizione motoria

Struttura dei Laboratori: AttivitàBee scopre chi sono i suoi vicini. Ogni bambino sceglie di abitare in un

dato posto della strada e posiziona lì il

suo cartoncino di riconoscimento. Il

bambino che ha in mano Bee-bot deve

andare a trovare gli altri bambini e far

conoscere a Bee tutti i suoi vicini.

Infatti, arrivando nella posizione dove

si trova il cartellino, Bee-bot lo farà

cadere rivelando il nome scritto sul

cartellino e scoprendo così chi sono i

suoi vicini.

A caccia di fiori (inibizione)Si lavora con il tappeto con le forme. Bee ha fame! Deve raccogliere più polline possibile muovendosi tra i vari fiori a seconda del criterio dato (forma o colore) Attenzione però! I fiori con la forma a triangolo non sono ancora sbocciati e quindi vanno evitati!

Partita di calcio (attività finale di sintesi)I bambini, con l’utilizzo delle cover di Bee-bot, vengono divisi nelle due squadre. Vengono posizionate sul tappeto delle porte e uno alla volta i bambini devono provare a fare calciare a Bee una pallina in modo da farla andare in porta.

Metodo: Disegno dello studio e Timelines

T0 T1 T2

Baseline Pre-Lab RobEdu Post-Lab RobEdu

5 settimane 5 settimane (2 volte a settimana

75 minuti cad.)

Lab Robotica Educativa

13 bambini tra 5 e 6 anni (3° anno scuola materna) M:F=5:8

Metodo: Disegno dello studio e Timelines

DATI QUANTITATIVI DI MIGLIORAMENTOProtocollo previsto per ogni time-point (T0-T1-T2):

Valutazione delle abilità visuospaziali★ Memoria a breve termine visuospaziale (test Corsi span avanti e indietro)★ Orientamento spaziale su mappe visive (test Trova la strada NEPSY-II)

Valutazione dell’attenzione e dell’inibizione★ Controllo del comportamento della risposta automatica (Simon test)★ Inibizione (test Inibizione NEPSY-II)★ Attenzione visiva sostenuta (test Leiter-R)

T0 T1 T2

Baseline Pre-Lab RobEdu Post-Lab RobEdu

5 settimane 5 settimane

Lab Robotica Educativa

BREVE DESCRIZIONE DELLE PROVE UTILIZZATE

Corsi span test

test Trova la strada NEPSY-II

test Inibizione NEPSY-II

Simon test

Primo set: “Questo gioco funziona così. Se dico “Pippo dice batti le mani” tu devi battere le mani. Ma se dico solo “batti le mani” tu devi stare fermo. Proviamo?”Secondo set: “Attenzione, ora il gioco diventa più difficile, perché io faccio tutto quello che dico! Ma tu lo devi fare solo se senti “Pippo dice”. Proviamo?

test Attenzione sostenuta visiva Leiter-R

DATI QUALITATIVIScala qualitativa di osservazione del comportamento

(compilata per ciascun bambino a conclusione di ogni Lab. RobEdu) Attenzione e MotivazioneRimane attento per la maggior parte del labNon si distrae quando programma beePartecipa in modo attivoRispetta il turnoRelazione con i pariCooperaSegue suggerimenti compagniSi relaziona bene con gli altriControllo del ComportamentoAutocorrezione di un comando durante la programRispetta le regoleTolleranza alla frustrazioneAbilità di InibizioneInibisce un comportamento (uso tasto pausa)Inibisce risposte automatiche

1= osservato

0.5= osservato, ma non in modo sistematico-1= non osservato, pur essendoci stata possibilità

1 GRUPPO: TASKS DI PROGRAMMAZIONE

Task 1

Task 2

Task 3

Task 4

Task 5

Attribuzione del punteggio:0 = Competenza non acquisita 0,5= Competenza acquisita parzialmente (uso della mano o dell’ape come supporto alla programmazione)1= Competenza consolidata

9 tasks a complessità crescente

DATI QUALITATIVI: mini-testMisura di apprendimento della programmazione con Bee

2 GRUPPO: TASKS DI IMAGERY

Task 6

Task 7

Task 8

Task 9

3 GRUPPO: TASK DI INIBIZIONE

DATI QUALITATIVI: mini-testMisura di apprendimento della programmazione con Bee

span avanti span indietro

span

Memoria a breve termine visuospaziale: Corsi TestSpan di memoria

T0T1T2

* p< .01

RISULTATI: prove psicometriche area VISUO-SPAZIALE

*

n° e

rror

i T0T1T2

RISULTATI: prove psicometriche FUNZIONI ESECUTIVE Inibizione: Test inibizione NEPSY-II

Numero di errori commessi

*

* p< .05

n° e

rror

i

*T0T1T2

RISULTATI: prove psicometriche FUNZIONI ESECUTIVE

*

Controllo del comportamento della risposta automatica: Simon testNumero di errori commessi

Primo set Secondo set

* p< .05

seco

ndi

*T0T1T2

RISULTATI: prove psicometricheda escludere per effetto test-retest

*

num

ero

di ta

rget

trov

ati

Inibizione: Test inibizione NEPSY-II

Tempo impiegato in secondi

Attenzione visiva sostenuta: Leiter-R

Numero di target trovati

*

* p< .01

RISULTATI: prove psicometriche con assenza di effetti significativi

Denominazione veloce: Test inibizione NEPSY-IINumero di errori commessi e tempi esecutivi

n° e

rror

i

seco

ndi

T0T1T2

rispo

ste

corr

ette

Orientamento spaziale su mappe visive: test Trova la strada NEPSY-IIRisposte corrette

T0T1T2

RISULTATI: prove psicometriche con assenza di effetti significativi

* * *

➢ Relazione tra pari: Z=-2.47, p=.013

➢ Controllo comportamento Z=-2.94, p=.003

➢ Capacità di inibire risposte automatiche Z=-2.21, p=.027

RISULTATI: Scala qualitativa di osservazione del comportamento

RISULTATI: andamentomini-test

1. Sebbene la pianificazione sia una componente delle FE ancora emergente a 5 anni, i bambini in età prescolare imparano, con un breve intervento di RE, a pianificare azioni di complessità crescente attuando al contempo strategie di controllo e aggiramento dell’ostacolo.

2. La programmazione della navigazione di un semplice robot può potenziare i processi di controllo e mantenimento dell’informazione nel dominio visuo-spaziale con un incremento significativo della memoria di lavoro attiva visuo-spaziale (Corsi span Indietro).

Spunti Conclusivi

3. L’attività di programmazione del robot e l’analisi dei risultati concreti possono favorire i processi di Inibizione e controllo del comportamento.

4. Sebbene in questo studio non sia stato fatto un confronto diretto, la RE si distingue dal gioco elettronico in quanto ri-propone nel gioco il ruolo attivo del soggetto, la pianificazione dell’attività e la concretizzazione dei risultati nell’ambiente reale, relazionale e di apprendimento.

E-ROB:E-LEARNING PER LA

ROBOTICA EDUCATIVA

Incontro con gli Insegnanti degli istituti comprensivi di Pisa24 Maggio 2016

PATROCINIO ENTE FINANZIATORE

Istituto di Biorobotica – Scuola Superiore Sant’AnnaFrancesca Cecchi, Emanuela Castro, Cecilia Laschi, Paolo Dario

IRCCS Fondazione Stella MarisGiuseppina Sgandurra, Chiara Pecini, Emanuela Inguaggiato, Maria Chiara Di Lieto, Giovanni Cioni

PARTNER DEL PROGETTO

E-ROB si propone di...

Documentare scientificamente il ruolo educativo della robotica per il potenziamento dell'apprendimento scolastico e di abilità cognitive e relazionali

Favorire, sfruttando la flessibilità dei sistemi tecnologici, la didattica inclusiva per i bambini con disagio/disabilità;

Favorire l’uso delle nuove tecnologie e diffondere su larga scala la piattaforma e-learning di e-Rob

200 bambini della prima classe delle scuole primarie di Pisa

includendo 20 bambini con BES che frequentano le classi aderenti

ON LINE….

Sito tematico: presentazione ed aggiornamenti sul progetto, news, eventi e novità legati al mondo della Robotica Educativa.

Sistema di e-learning: piattaforma online con materiale didattico di supporto (video, tutorial, materiale scaricabile per le attività,forum ...)

ATTIVITA’Inserite in un con contesto narrativo sempre differente e organizzate con un incremento graduale della difficoltà per avvicinare progressivamente ciascun bambino agli obbiettivi attraverso l’apprendimento senza errori.

imagery visuo-spaziale

ABILITA’ VISUO-SPAZIALI

FUNZIONI COGNITIVE SUPERIORI

memoria di lavoro

inibizione cognitiva e comportamentale

pianificazione e flessibilità cognitiva

elaborazione fonologica e numerica

APPRENDIMENTI SCOLASTICI

IPOTESI:10 settimane, 20 incontri (1h cad.)

Lavoro in piccolo gruppo

Problematiche:

senso-motorie,linguistiche,attentive,cognitive,relazionali e/o sociali.

ADATTAMENTO BES

Robot e/o interfacce adattati

Attività semplificate

prove standardizzate

VALUTAZIONI PRIMA-DOPO

Memoria di lavoro visuo-spaziale

Orientamento visuo-spaziale su mappe

Attenzione visiva

Inibizione comportamentale e cognitiva

Tutti i bambini parteciperanno alla valutazione in forma

anonima e individuale.

DISEGNO DEL PROGETTO

valutazioni valutazioni valutazioni

laboratori di e-ROB

Gruppo 1

Gruppo 2

valutazioni valutazioni valutazioni

laboratori di e-ROB

TEMPI PREVISTI

Settembre 2016Gennaio

valutazioni valutazioni

Aprile 2017

valutazioni

Dicembrelaboratori di e-ROB

Gruppo 1

Gruppo 2

IPOTESI:26/09 - 1/10: valutazioni gruppo 1-2;3-8/10: inizio attività gruppo 1;5-10/12: ultima settimana attività gruppo 1;12-17/12: valutazioni gruppo 1-2;9-14/01: inizio attività gruppo 2;27-31/03: ultima settimana attività gruppo 2;3-7/04: valutazione gruppo 2.

Settembre 2016Ottobre Dicembre

valutazioni valutazioni

Aprile 2017

valutazioni

laboratori di e-ROB

NELLA PRATICA:

1. Iscrizione degli insegnanti(numero di alunni, presenza BES, numero di robot disponibili);

1. Accesso alla piattaforma e-learning;

2. Organizzazione operativa delle valutazioni pre e post;

3. Servizio di tutoraggio agli insegnanti sempre disponibile;

4. Impegno in ore: 10 settimane, 2 incontri per settimana di 1 ora ciascuno;

5. 8/10 Bee-bot per classe (ipotizzando gruppi di 6 bambini con 2 Bee-bot)

DOMANDE….

1. I kit robotici;

2. Le tempistiche (indicazione entro Giugno delle classi disponibili con indicazione dei bambini BES e la possibilità di iniziare le valutazioni come programmato);

3. L’impegno in ore

GRAZIE PER LA COLLABORAZIONE!

Equipe Fondazione Stella Maris Equipe Istituto Biorobotica - SSA

Dr.ssa G.Sgandurra gsandurra@fms.unipi.it; Dr.ssa C. Pecini cpecini@fsm.unipi.it;

Ing. F. Cecchi f.cecchi@sssup.it