Σχεδίαση και ανάπτυξη συστήματος απτικής διεπαφής για δραστηριότητες εισαγωγικού προγραμματισμού

Abstract

The aim of the present thesis is: (a) to develop a tangible and a graphical programming system and (b) to explore the impact and effectiveness of these two interfaces. In terms of development and design, this thesis presents a number of design principles and then using these principles presents two systems (tangible - graphic), that can be used by beginners and children. In particular, the tangible system is an active programming language which is based on microprocessors and electronic circuits while the graphical system presents onscreen the same programming space to the user (icons similar in appearance and operation with the tangible blocks).In order to investigate the effectiveness and efficiency of these programming interfaces, this thesis uses both systems in three empirical studies involving children and teenagers (N = 208). To evaluate the students’ performance and preferences, they programmed a Lego Mindstorms NXT robot, based on predetermined programming tasks and free play. Based on the evaluations, this thesis was driven to 15 conclusions – findings - recommendations and introduces a framework for evaluating such systems based on both subjective factors such as usability, collaboration and on objective factors such as performance and creativity. Overall, beyond the proposed design solutions and guidelines, this thesis, concludes that the tangible programming systems can clearly be used in a classroom environment and can have specific advantages over traditional learning programming systems, but much depends on a number of factors such as age and previous experience of the trainees. Finally, the thesis proposes that the targeted use of both approaches (tactile - graphical interface) may be the best solution.

Ευρύτερο αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί: (α) Η ανάπτυξη απτικών και γραφικών συστημάτων στον προγραμματισμό και (β) η διερεύνηση της επίδρασης και της αποδοτικότητας αυτών των διεπαφών. Σε ό,τι αφορά την ανάπτυξη και τη σχεδίαση, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια σειρά από σχεδιαστικές αρχές και, εν συνεχεία, αξιοποιώντας αυτές τις αρχές, παρουσιάζει δυο συστήματα (απτικό – γραφικό) τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν από αρχάριους και παιδιά. Ειδικότερα, το απτικό σύστημα συνιστά μια ενεργή γλώσσα προγραμματισμού η οποία βασίστηκε σε ηλεκτρονικά κυκλώματα και μικροϋπολογιστές, ενώ η γραφική είναι ένα ισομορφικό γραφικό περιβάλλον.Στη συνέχεια, προκειμένου η διατριβή να διερευνήσει την επίδραση και την αποδοτικότητα αυτών των διεπαφών στον προγραμματισμό, αξιοποιεί τα δύο συστήματα σε τρείς εμπειρικές μελέτες με συμμετοχή παιδιών και εφήβων (Ν=208). Για την αξιολόγηση οι μαθητές προγραμμάτισαν ένα Lego Mindstorms ΝΧΤ ρομπότ, αρχικά με ανάθεση προγραμματιστικών προβλημάτων και στη συνέχεια με ελεύθερη αλληλεπίδραση. Σε όλα τα στάδια της αλληλεπίδρασης οι χρήστες χρησιμοποίησαν ισορροπημένα τόσο την απτική όσο και τη γραφική διεπαφή. Έτσι, η διατριβή παρουσιάζει και εισάγει ένα ευρύτερο καινοτόμο πλαίσιο για την αξιολόγηση τέτοιων συστημάτων που βασίζεται τόσο σε υποκειμενικούς παράγοντες όπως η ευχρηστία και η συνεργασία, όσο και σε αντικειμενικούς παράγοντες όπως η απόδοση και η δημιουργικότητα. Συνολικά οι τρείς εμπειρικές μελέτες της διατριβής καταλήγουν σε 15 συμπεράσματα-διαπιστώσεις-προτάσεις.Συνολικά η διατριβή πέρα από τις λύσεις που προτείνει στα σχεδιαστικά θέματα, συμπεραίνει ότι τα συστήματα απτικού προγραμματισμού μπορούν σαφέστατα να αξιοποιηθούν στο περιβάλλον μιας τάξης και έχουν συγκεκριμένα πλεονεκτήματα σε σχέση με τα κλασικά συστήματα εκμάθησης προγραμματιστικών εννοιών, πολλά όμως εξαρτώνται από μια σειρά παραγόντων όπως η ηλικία και η προηγούμενη εμπειρία των εκπαιδευόμενων. Τέλος, η διατριβή καταλήγει στη διαπίστωση ότι η στοχευόμενη αξιοποίηση και των δυο προσεγγίσεων (απτικής - γραφικής διεπαφής) μπορεί να είναι η καλύτερη λύση.