Computational thinking through programming: a conceptual model for teaching and learning computational thinking

Abstract

Computational Thinking (CT) through programming attracts increased attention as it is considered an ideal medium for the development of 21st century skills. CT initiatives have emerged around the world and there is a rapid increase in relevant research studies. The accumulation of research plethora leads to the need for a conceptual model of CT that could map the domain, facilitating comprehensive understanding of the domain’s challenges. The aim of this thesis is a) to develop a conceptual model based on a systematic literature review that maps CT through programming in K-12 and higher education and b) to investigate the relationships between certain instances of the model, namely of the effects of scaffolding programming games and attitudes towards programming, on the development of students’ Computational Thinking. Regarding the first aim of this thesis, the proposed Computational Thinking through Programming in K-12 education (CTPK-12) conceptual model emerges from the synthesis of 101 studies and the identification of CT Areas. The proposed model consists of six CT Areas (namely Knowledge Base, Learning Strategies, Assessment, Tools, Factors and Capacity Building) and their relationships. Some of the relationships between areas have not yet been sufficiently explored in the literature such as which learning strategies enable the development of CT. The revised model for higher education is derived from a systematic mapping of 41 studies. This model includes the same CT Areas and relationships as CTPK-12, however it differs in sub-areas and instances. Knowledge Base Area, Assessment Area and Tools Area have significantly evolved throughout the years, while Capacity Building Area has only recently emerged. In addition, the introduction of CT to undergraduate students and preservice teachers differs mainly in the tools used and the CT elements that are assessed. Regarding the second aim, students were introduced to CT under two distinct experimental conditions: a scaffolding version of a programming game and a non-scaffolding version of the same game. Results report statistically significant differences between the pre-intervention and post-intervention CT scores for all students and statistically significant improvement in learning outcomes in favor of the scaffolding group. In addition, the study hypothesized that attitudes towards programming would have an impact on students’ CT. Although this hypothesis has not been confirmed, the results suggest that students who have a less positive attitude towards programming could particularly benefit from scaffolding aspects in programming games.

Η Υπολογιστική Σκέψη (ΥΣ) μέσω προγραμματισμού προσελκύει αυξημένη προσοχή τα τελευταία χρόνια, καθώς θεωρείται ιδανικό μέσο για την ανάπτυξη των δεξιοτήτων του 21ου αιώνα. Πρωτοβουλίες Υπολογιστικής Σκέψης έχουν αναδυθεί σε όλο τον κόσμο και ταυτόχρονα παρατηρείται ταχεία αύξηση των σχετικών ερευνητικών μελετών. Η συσσώρευση πληθώρας ερευνών οδηγεί στην ανάγκη για ένα εννοιολογικό μοντέλο Υπολογιστικής Σκέψης που θα μπορούσε να χαρτογραφήσει τον τομέα, διευκολύνοντας την ολοκληρωμένη κατανόηση των προκλήσεων του. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι α) η ανάπτυξη ενός εννοιολογικού μοντέλου βασισμένου σε μια συστηματική βιβλιογραφική επισκόπηση που χαρτογραφεί την Υπολογιστική Σκέψη μέσω προγραμματισμού στην υποχρεωτική και στην τριτοβάθμια εκπαίδευση και β) η διερεύνηση των σχέσεων μεταξύ ορισμένων στιγμιότυπων του μοντέλου, συγκεκριμένα των επιδράσεων της στρατηγικής μάθησης σκαλωσιάς και της στάσης προς στον προγραμματισμό, στην ανάπτυξη της Υπολογιστικής Σκέψης των μαθητών. Όσον αφορά τον πρώτο στόχο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, το προτεινόμενο εννοιολογικό μοντέλο Υπολογιστικής Σκέψης μέσω Προγραμματισμού στην υποχρεωτική εκπαίδευση προκύπτει από τη σύνθεση 101 μελετών και τον προσδιορισμό των Περιοχών Υπολογιστικής Σκέψης και των μεταξύ τους σχέσεων. Το προτεινόμενο μοντέλο αποτελείται από έξι Περιοχές Υπολογιστικής Σκέψης (συγκεκριμένα: Γνωσιακή Βάση, Στρατηγικές Μάθησης, Αξιολόγηση, Εργαλεία, Παράγοντες και Ανάπτυξη Ικανοτήτων) και τις σχέσεις τους. Ορισμένες από τις σχέσεις μεταξύ των περιοχών δεν έχουν ακόμη διερευνηθεί επαρκώς στη βιβλιογραφία, όπως ποιες στρατηγικές μάθησης επιτρέπουν την ανάπτυξη της Υπολογιστικής Σκέψης. Το αναθεωρημένο μοντέλο για την τριτοβάθμια εκπαίδευση προέρχεται από μια συστηματική χαρτογράφηση 41 μελετών. Αυτό το μοντέλο περιλαμβάνει τις ίδιες περιοχές Υπολογιστικής Σκέψης και σχέσεις με το μοντέλο που αναπτύχθηκε για την υποχρεωτική εκπαίδευση. Ωστόσο, τα δύο μοντέλα διαφέρουν σε επίπεδο υπο-περιοχών. Η Περιοχή Γνωσιακής Βάσης, η Περιοχή Αξιολόγησης και η Περιοχή Εργαλείων έχουν εξελιχθεί σημαντικά κατά τη διάρκεια των ετών, ενώ η Περιοχή Ανάπτυξης Ικανοτήτων μόλις πρόσφατα εμφανίστηκε. Επιπλέον, η εισαγωγή της Υπολογιστικής Σκέψης στους φοιτητές των Παιδαγωγικών Τμημάτων σε σχέση με των υπολοίπων, διαφέρει κυρίως ως προς τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται και τα στοιχεία Υπολογιστικής Σκέψης που αξιολογούνται. Όσον αφορά τον δεύτερο στόχο, οι μαθητές εισήχθησαν στην Υπολογιστική Σκέψη υπό δύο διακριτές πειραματικές συνθήκες: μια έκδοση ενός παιχνιδιού Υπολογιστικής Σκέψης με χαρακτηριστικά σκαλωσιάς και μια έκδοση του ίδιου παιχνιδιού, όπου τα χαρακτηριστικά σκαλωσιάς απουσιάζουν. Τα αποτελέσματα αναφέρουν στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ των βαθμολογιών Υπολογιστικής Σκέψης πριν από την παρέμβαση και μετά την παρέμβαση για όλους τους μαθητές και στατιστικά σημαντική βελτίωση στα μαθησιακά αποτελέσματα υπέρ της πειραματικής ομάδας σκαλωσιάς. Επιπλέον, η μελέτη υπέθεσε ότι οι στάσεις προς τον προγραμματισμό θα είχαν αντίκτυπο στην Υπολογιστική Σκέψη των μαθητών. Αν και αυτή η υπόθεση δεν έχει επιβεβαιωθεί, τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι οι μαθητές που έχουν λιγότερο θετική στάση προς τον προγραμματισμό θα μπορούσαν να επωφεληθούν ιδιαίτερα από τις στρατηγικές σκαλωσιάς στα παιχνίδια Υπολογιστικής Σκέψης.