Framework for the effective implementation of alternative teaching methods for informatics

Abstract

The dynamic development of the CS field introduces new educational and pedagogical challenges, including the instructional design of teaching and learning. How can we teach our students better in such a growing and demanding field? Moreover, how can we motivate them and together have better learning results? These are the two key questions addressed in this dissertation. There are several teaching methods used by educators and researchers in order to deal with the complexity and the needs of various cases. Alternative Teaching Methods (ATM) that support students’ active involvement in the learning process, according to the constructivism and constructionism principles, could be very helpful. This thesis presents a student-centered framework for effective encompassing ATM in Computer Science Education (CSE). A framework for teaching can provide shared understandings, which can help improve the quality of instructional design, course and lesson planning, learning and assessment.For the conception of the framework, I describe and analyze every known method, practice, strategy and teaching approach in CSE. Through an extensive analysis, I summarize the benefits of ATM and consider known issues of traditional teaching. In addition, I provide empirical evidence that alternative teaching provides increased motivation for learning and better learning outcomes. The empirical evidence comes from five research studies, with various ΑΤΜ researched at different levels of education in Greek settings. Firstly, I conducted an experiment using Peer Learning and Collaboration techniques comparing them to traditional teaching, to secondary education students. Secondly, I researched Social Networks for assisted learning, through an observational study with undergraduate students of a Greek university. Next, I examined the Game Based Learning method, in order to teach basic programming concepts to primary school pupils. The fourth research study I conducted was about the use of Educational Robotics as alternate to teach programming and engineering concepts through a national competition. Finally, I made an experiment with the use of serious games that promote programming learning with a focus on personal learning characteristics. Both previous work and the empirical research of this thesis helped me shape the framework for alternative teaching (ATMF).This thesis provides a number of contributions: Firstly, it presents a high level description/review of alternative teaching methods that are used in CSE, identifying strengths and areas for improvement. Next, it offers empirical evidence that alternative teaching methods in Greek education provide extra motivation for learning and better learning outcomes. Finally, it provides a conceptual framework based both on previous theoretical frameworks and models as well as empirical guidelines, for the effective use of alternative teaching methods in CSE. The framework does not teach computer science; rather, it focuses on computer science teaching. It is also not limited to the teaching of a specific computer science curriculum, neither is it limited to the teaching of a specific programming language nor to a specific programming paradigm and can be adapted to the teaching of any CS topic in any context and any level, from elementary school through high school to the university level.Finally, the generality, limitations and potential of the proposed framework and empirical studies are discussed, and other factors affecting the learner’s performance and motivation, such as personality traits, are briefly considered. Future directions building on the work described herein are presented and discussed.

Η δυναμική εξέλιξη του πεδίου της Πληροφορικής, εισάγει νέες εκπαιδευτικές και παιδαγωγικές προκλήσεις, συμπεριλαμβανομένου του σχεδιασμού και της μεθοδολογικής οργάνωσης της διδασκαλίας και της μάθησης. Πώς μπορούμε να διδάξουμε τους μαθητές μας καλύτερα σε ένα πεδίο όπως της Πληροφορικής, το οποίο αναπτύσσεται ταχύτατα και με ιδιαίτερες απαιτήσεις; Επιπλέον, πώς μπορούμε να τους δώσουμε κίνητρα επιτυγχάνοντας ταυτόχρονα καλύτερα μαθησιακά αποτελέσματα; Αυτά είναι τα δύο κύρια ερωτήματα που καλείται να απαντήσει η παρούσα διδακτορική διατριβή.Οι εκπαιδευτικοί και οι ερευνητές διαθέτουν πληθώρα μεθόδων διδασκαλίας που μπορούν να εφαρμοστούν και οι οποίες στοχεύουν στη μείωση της πολυπλοκότητας και στην υποστήριξη της εκπαίδευσης σε διαφορετικές καταστάσεις στην Εκπαίδευση της Πληροφορικής. Δυστυχώς, αυτές εστιάζουν σε διαφορετικά θέματα και επίπεδα της εκπαιδευτικής διαδικασίας και μεμονωμένα αδυνατούν να παράσχουν ολοκληρωμένες απαντήσεις στα βασικά ερευνητικά μας ερωτήματα. Μια συχνή κατηγοριοποίηση των μεθόδων διδασκαλίας είναι σε παραδοσιακές και σε εναλλακτικές. Κύριο χαρακτηριστικό των εναλλακτικών μεθόδων διδασκαλίας (ΕΜΔ) είναι η τοποθέτηση του μαθητή στο κέντρο της εκπαιδευτικής διαδικασίας. Προς αυτήν την κατεύθυνση, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει ένα μαθητο-κεντρικό πλαίσιο για την αποτελεσματική εφαρμογή ΕΜΔ στην Εκπαίδευση της Πληροφορικής. Ένα πλαίσιο διδασκαλίας που μπορεί να βελτιώσει την ποιότητα του διδακτικού σχεδιασμού, του πλάνου μαθήματος, της μάθησης αλλά και της αξιολόγησης.Για την δημιουργία του Πλαισίου Εναλλακτικών Μεθόδων Διδασκαλίας (ΠΕΜΔ), αρχικά περιγράφω και αναλύω κάθε γνωστή μέθοδο, πρακτική, στρατηγική και προσέγγιση διδασκαλίας στην Εκπαίδευση της Πληροφορικής. Μέσω μιας εκτενούς βιβλιογραφικής ανάλυσης παρουσιάζω τα κύρια πλεονεκτήματα των ΕΜΔ και τα προβλήματα που έχει η παραδοσιακή διδασκαλία. Επιπλέον, παρέχω εμπειρικά στοιχεία που στηρίζουν ότι η εναλλακτική διδασκαλία παρέχει αυξημένα κίνητρα για μάθηση και καλύτερα μαθησιακά αποτελέσματα. Τα εμπειρικά στοιχεία προέρχονται μέσα από πέντε ερευνητικές μελέτες, με διάφορες ΕΜΔ σε διάφορα επίπεδα της Ελληνικής εκπαίδευσης. Στην πρώτη ερευνητική μελέτη, διεξήγαγα ένα πείραμα με τη χρήση μεθόδων Ομότιμης και Συνεργατικής μάθησης σε σχέση με την παραδοσιακή διδασκαλία, σε μαθητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης. Στη μελέτη αυτή αξιολόγησα την απόδοση των μαθητών και εξέτασα τις στάσεις τους απέναντι στην εναλλακτική διδασκαλία. Τα αποτελέσματα έδειξαν καλύτερες επιδόσεις στις ομάδες μαθητών που χρησιμοποιήθηκαν ΕΜΔ, καθώς και ιδιαίτερα θετικές στάσεις. Το συγκεκριμένο πείραμα, χρησιμοποιήθηκε ως είσοδος κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού του ΠΕΜΔ.Η δεύτερη ερευνητική μελέτη, αποτέλεσε επίσης είσοδο στο προτεινόμενο ΠΕΜΔ. Πρόκειται για μια μελέτη παρατήρησης όπου διερεύνησα την αξιοποίηση γνωστού Κοινωνικού Δικτύου, ως υποστηρικτικό εργαλείο στην τριτοβάθμια εκπαίδευση. Μέσα από ποιοτικά και ποσοτικά δεδομένα εξέτασα τρόπους με τους οποίους τα Κοινωνικά Δίκτυα μπορούν να αξιοποιηθούν αποτελεσματικά στη διδασκαλία και τη μάθηση.Στην επόμενη ερευνητική μελέτη, εξέτασα ως μέθοδο διδασκαλίας τα Ψηφιακά Παιχνίδια με σκοπό την εκμάθηση βασικών αρχών προγραμματισμού σε μαθητές δημοτικών σχολείων. Οι μαθητές μέσα από μια ολιγόωρη επίσκεψή τους στο τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του Πανεπιστημίου Πελοποννήσου, προγραμμάτισαν σε ζευγάρια (Pair Programming). Σε αυτήν τη μελέτη διερεύνησα παράγοντες όπως η ικανοποίηση, η αξιολόγηση της γνώσης και η προθυμία χρήσης παιχνιδιών στο μέλλον από τους μαθητές. Επιπλέον, εξέτασα εάν μια σύντομη δραστηριότητα όπως αυτή μπορεί να οδηγήσει σε μακροχρόνια παρακίνηση των μαθητών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι μαθητές απόλαυσαν τον συγκεκριμένο τρόπο διδασκαλίας και ότι θεωρούν πως έμαθαν βασικές αρχές προγραμματισμού. Επίσης προτιμούν τον προγραμματισμό σε ζεύγη και εκτιμούν ότι μπορούν να μάθουν καλύτερα βοηθώντας ο ένας τον άλλον. Τέλος, φαίνεται ότι μια επίσκεψη λίγων ωρών δεν ήταν αρκετή για να παρακινήσει τους μαθητές σε μακροπρόθεσμα αποτελέσματα. Η ερευνητική μελέτη αυτή πραγματοποιήθηκε μετά το σχεδιασμό του ΠΕΜΔ, αποτελώντας μια πρώτη αξιολόγηση του, μέσα από την οποία κάποια στοιχεία του ενισχύθηκαν και επιπλέον κάποια νέα προστέθηκαν. Η τέταρτη ερευνητική εμπειρική μελέτη που διεξήγαγα, σχετίζεται με την αξιοποίηση της Εκπαιδευτικής Ρομποτικής για τη διδασκαλία αρχών προγραμματισμού αλλά και μηχανικής. Για το σκοπό αυτό, κατέγραψα ποιοτικά δεδομένα με τις στάσεις των εκπαιδευτικών σχετικά με τη συμμετοχή των μαθητών τους στον Πανελλήνιο διαγωνισμό Εκπαιδευτικής Ρομποτικής και διερεύνησα την ανάπτυξη δεξιοτήτων, κινήτρων αλλά και πιθανά μαθησιακά οφέλη. Τα αποτελέσματα έδειξαν πολύ υψηλό επίπεδο εμπλοκής και κινητοποίησης τόσο καθηγητών όσο και μαθητών. Με την ρομποτική ως ΕΜΔ αναπτύχθηκαν στους μαθητές ικανότητες όπως συνεργασία, επίλυση προβλημάτων και δημιουργικότητα καθώς επίσης και ανάπτυξη υπολογιστικής σκέψης. Και αυτή η ερευνητική μελέτη πραγματοποιήθηκε μετά το σχεδιασμό του ΠΕΜΔ, αποτελώντας ένα δεύτερο στάδιο αξιολόγησής του. Στην συνέχεια, πραγματοποίησα ένα τελικό πείραμα με τη χρήση σοβαρών παιχνιδιών που προάγουν την εκμάθηση προγραμματισμού, σε μαθητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης και με επίκεντρο τα προσωπικά μαθησιακά χαρακτηριστικά. Αρχικά διερεύνησα τις στάσεις των μαθητών από τις δραστηριότητες των παιχνιδιών με σκοπό να βρεθεί η ποιότητα της μαθησιακής τους εμπειρίας. Στη συνέχεια, οι στάσεις αυτές συσχετίστηκαν με το γνωστικό τους προφίλ και επιπλέον, αξιολογήθηκε η απόδοσή τους από τα παιχνίδια η οποία και συσχετίσθηκε επίσης με το γνωστικό τους στυλ. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα παιχνίδια που αξιοποιήθηκαν μπορούν να αποτελέσουν κατάλληλα περιβάλλοντα μάθησης μέσα στα σχολεία, καθώς παρέχουν μια υψηλής ποιότητας μαθησιακή εμπειρία. Επίσης, το γνωστικό στυλ διαπιστώθηκε ότι είναι ένα σημαντικό μαθησιακό χαρακτηριστικό που θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη χρήση ψηφιακών παιχνιδιών για την εκμάθηση προγραμματισμού. Ως εκ τούτου, η συγκεκριμένη ερευνητική μελέτη αποτέλεσε την τρίτη και τελευταία αξιολόγηση του προτεινόμενου πλαισίου, και όπως και οι προηγούμενες ενίσχυσε κάποια στοιχεία και αφού προσέθεσε κάποια ακόμα, οριστικοποίησε το ΠΕΜΔ. Συνοψίζοντας, τόσο προηγούμενη σχετική έρευνα, όσο και οι πέντε εμπειρικές μελέτες αυτής της διατριβής αποτέλεσαν τις εισόδους για την δημιουργία και τελική διαμόρφωση του ΠΕΜΔ στην Εκπαίδευση της Πληροφορικής. Οι συνεισφορές της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι οι εξής: 1) παρουσιάζει ένα υψηλό επίπεδο βιβλιογραφικής επισκόπησης όλων των γνωστών ΕΜΔ που χρησιμοποιούνται στην Πληροφορική, προσδιορίζοντας τα δυνατά σημεία τους, 2) παρέχει εμπειρικά στοιχεία ότι οι ΕΜΔ στην Ελληνική εκπαίδευση δίνουν επιπλέον κίνητρα για μάθηση αλλά και καλύτερα μαθησιακά αποτελέσματα, και 3) παρουσιάζει ένα εννοιολογικό πλαίσιο που βασίζεται τόσο σε προηγούμενα θεωρητικά πλαίσια και μοντέλα όσο και σε εμπειρικές κατευθυντήριες γραμμές για την αποτελεσματική χρήση των ΕΜΔ στην Εκπαίδευση της Πληροφορικής. Το πλαίσιο εστιάζει στη διδακτική της Πληροφορικής χωρίς να περιορίζεται στη διδασκαλία ενός συγκεκριμένου προγράμματος σπουδών, κάποιας συγκεκριμένης γλώσσας προγραμματισμού ή κάποιου συγκεκριμένου μαθήματος.Τέλος, στην παρούσα διδακτορική διατριβή συζητούνται η γενίκευση, οι περιορισμοί και οι δυνατότητες του προτεινόμενου πλαισίου καθώς και των επιμέρους εμπειρικών μελετών. Επίσης, εξετάζονται σύντομα πρόσθετοι παράγοντες οι οποίοι φαίνεται να επηρεάζουν την απόδοση και τα κίνητρα των μαθητευομένων, όπως τα χαρακτηριστικά της προσωπικότητας. Κλείνοντας, παρουσιάζονται μελλοντικά σχέδια και πιθανές προεκτάσεις που βασίζονται στην παρούσα διδακτορική διατριβή.