Οπτικοποίηση παράλληλων και κατανεμημένων συστημάτων: ολοκληρωμένο περιβάλλον προσομοίωσης παράλληλων και κατανεμημένων συστημάτων για την εφαρμογή μεθόδων οπτικοποίησης στη διδασκαλία του παράλληλου προγραμματισμού

Abstract

The widespread use of parallel computer systems has lead to the development of new architectures, which support various programming models. As a consequence, there emerges the need for the establishment of research and educational standards and the training of students on the use and programming of such systems. The present dissertation aims at enhancing the teaching of parallel programming. To accomplish this, we have defined a series of lessons, developed accompanying programming assignments and created an educational Integrated Development Environment (IDE), which simulates the main architectures of parallel and distributed systems and incorporates original visualization methods. In order to determine the educational value of our teaching approach, we have constructed a composite evaluation model that is based upon two axis: the usability of the programming environment and the learner outcomes. Results from the evaluation analysis, have shown that our teaching method satisfies both theoretical and practical aspects of a parallel programming course. Furthermore, the application of visualization techniques has enriched the educational process: the visualization graphs have supported students efficiently in resolving programming assignments throughout the basic program development stages, promoted expedient learning behaviors and advanced the achievement of knowledge on all cognitive levels according to Bloom’s taxonomy.

Καθώς αυξάνεται η χρήση των παράλληλων υπολογιστικών συστημάτων, αναπτύσσονται νέες αρχιτεκτονικές, που υποστηρίζονται από διαφορετικά προγραμματιστικά μοντέλα. Η νέα αυτή τάση δημιουργεί ανάγκη για την καθιέρωση ερευνητικών και διδακτικών προτύπων και την εκπαίδευση των σπουδαστών πάνω στην χρήση και τον προγραμματισμό των συστημάτων αυτών. Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ενίσχυση της διδασκαλίας του παράλληλου προγραμματισμού, με τον ορισμό μίας σειράς μαθημάτων, την σύνθεση προγραμματιστικών ασκήσεων και την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου εκπαιδευτικού προγραμματιστικού περιβάλλοντος, που προσομοιώνει τις βασικές αρχιτεκτονικές των παράλληλων και κατανεμημένων συστημάτων και ενσωματώνει πρωτότυπες μεθόδους οπτικοποίησης για την στήριξη αυτών των μαθημάτων. Για να καθορίσουμε την παιδαγωγική αξία της διδακτικής μας μεθόδου, ορίσαμε ένα σύνθετο μοντέλο αξιολόγησης ως προς δύο άξονες: την ευχρηστία του προγραμματιστικού περιβάλλοντος και τα μαθησιακά αποτελέσματα. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων της αξιολόγησης, διαπιστώσαμε ότι η διδακτική μέθοδος που εφαρμόσαμε ήταν ολοκληρωμένη ως προς την θεωρητική και πρακτική προσέγγιση του μαθήματος. Επιπλέον, η εφαρμογή των μεθόδων οπτικοποίησης ενίσχυσε σημαντικά την εκπαιδευτική διαδικασία, ενώ τα διαγράμματα υποστήριξαν με επάρκεια τους σπουδαστές στην επίλυση των ασκήσεων κατά τα βασικά στάδια ανάπτυξης των προγραμμάτων, προώθησαν επιθυμητές μορφές μάθησης και προήγαγαν την επίτευξη της γνώσης σε όλα τα επίπεδα του γνωστικού τομέα σύμφωνα με την ταξινομία του Bloom.