Exploring the development of high school students’ computational problem-solving strategies by utilizing three-dimensional (3D) virtual worlds

Abstract

Τhe term of computational thinking (CT) has been increasingly presented in many K-12 curricula across the globe and specifically in computer programming courses. Programming tasks can profoundly support the CT instruction and demonstration of computational competencies encompassing a wide range of cognitive thinking skills, such as problem-solving, critical thinking, logical reasoning, and creativity. To this notion, students can learn on how to use such CT skills for their thinking strategies so as to solve logically and methodically problems with the purpose to apply those strategies with fundamental programming constructs and concepts using interactive environments. Two of the most indicative are the following: (a) visual programming environments and (b) three-dimensional (3D) virtual worlds combined with the visual programming palette of Scratch4SL (S4SL). However, less attention has been paid to investigate if a simulation game (SG) created in interactive environments can affect boys and girls to develop and apply their computational problem-solving strategies that lead from problem formulation to solution expression. The aim of this thesis is to propose a computer simulation game to support CT instruction and investigate its appropriateness and effects on high school students’ learning performance by assessing their computational problem-solving strategies (i.e. computational design, computational practices, and computational performance). The proposed SG was created in OpenSim and in Scratch to support boys and girls demonstrate skills related to CT and understand further on how to use effectively specific programming constructs in several simulated problem-solving learning tasks. This thesis’s findings indicate substantial differences and important points of view on students’ learning performance. More specifically, students from the experimental group who utilized OpenSim with S4SL performed significantly better both in measures of problem-solving and algorithmic thinking than those from the control group who utilized Scratch. Mean scores on post-questionnaires from the experimental group revealed improvements higher than their control group counterparts in two aspects. First, participants from the experimental group created more complete computational instructions with rules to be specified and delivered the learning goals than those from the control group. Second, participants from the former group proposed and applied more correct computational concepts and practices into code than their counterparts. Third, there was a positive normalized gain of those participants who utilized OpenSim with S4SL (41%) in order to determine their skills related to CT than their counterparts who used Scratch (20%). To conclude by synthesizing the findings from both studies, a set of design guidelines and recommendations building upon the experience gained from subsequent design and evaluation is proposed and analyzed.

Η υπολογιστική σκέψη (ΥΣ), αποτελεί έναν επιστημονικό όρο, ο οποίος παρουσιάζεται ολοένα και περισσότερο σε πολλά προγράμματα σπουδών της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης, και ιδιαίτερα για την εισαγωγή των μαθητών στις αρχές της επιστήμης των υπολογιστών. Πιο συγκεκριμένα, τα μαθήματα προγραμματισμού μπορούν να υποστηρίξουν σε ένα μεγάλο βαθμό την ανάπτυξη και χρήση δεξιοτήτων ΥΣ, διότι απαιτούν από τους μαθητές να έχουν ένα ευρύ φάσμα δεξιοτήτων γνωστικής σκέψης, όπως η επίλυση προβλημάτων, η κριτική σκέψη, η λογική συλλογιστική και η δημιουργικότητα. Υπό το πρίσμα αυτό, οι μαθητές (αγόρια και κορίτσια) προσπαθούν να κατανοήσουν το πώς να χρησιμοποιήσουν τέτοιου είδους δεξιότητες για να αναπτύξουν τις στρατηγικές σκέψης τους για να λύσουν προβλήματα με ένα λογικό και μεθοδολογικό τρόπο ακολουθώντας την παιχνιδοκεντρική προσέγγιση στην μάθηση για την επίλυση προσομοιωμένων προβλημάτων του πραγματικού κόσμου με την χρήση διαδραστικών περιβαλλόντων, όπως: (α) τα περιβάλλοντα οπτικού προγραμματισμού και (β) οι τρισδιάστατοι (3D) εικονικοί κόσμοι σε συνδυασμό με την παλέτα οπτικού προγραμματισμού Scratch4SL (S4SL). Ωστόσο, λιγότερη προσοχή έχει δοθεί μέχρι και σήμερα για να διερευνηθεί εάν ένα παιχνίδι προσομοίωσης που μπορεί να δημιουργηθεί σε διαδραστικά περιβάλλοντα επηρεάζει την ανάπτυξη και την εφαρμογή των στρατηγικών επίλυσης προβλημάτων με βάση την ΥΣ των μαθητών. Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να προτείνει ένα παιχνίδι προσομοίωσης το οποίο θα υποστηρίζει την εκμάθηση και αξιοποίηση των βασικών δομών και εννοιών του προγραμματισμού για την επίλυση προβλημάτων με βάση την ΥΣ. Το προτεινόμενο παιχνίδι προσομοίωσης θα αποτελέσει το αντικείμενο μιας πειραματικής αξιολόγησης και ανάλυσης των δεδομένων για την εξαγωγή σημαντικών συμπερασμάτων σχετικά με την μαθησιακή επίδοση με βάση την ΥΣ και συγκεκριμένα μέσα από υπολογιστικούς σχεδιασμούς, υπολογιστικές πρακτικές και υπολογιστικές επιδόσεις. Το παιχνίδι δημιουργήθηκε στο OpenSimulator (OpenSim) και Scratch για να υποστηρίξει τα αγόρια και τα κορίτσια επιδεικνύουν δεξιότητες που σχετίζονται με την ΥΣ για να κατανοήσουν το πώς να χρησιμοποιήσουν αποτελεσματικά συγκεκριμένες δομές προγραμματισμού σε διάφορες προσομοιωμένες μαθησιακές εργασίες επίλυσης προβλημάτων. Τα ευρήματα της παρούσας έρευνας έδειξαν ότι υπήρχαν σημαντικές διαφορές στην επίδοση των μαθητών της πειραματικής ομάδας που χρησιμοποίησαν το OpenSim μαζί με την παλέτα S4SL, σε αντιδιαστολή με τους μαθητές της ομάδα ελέγχου που αξιοποίησαν το Scratch. Πρώτον, φάνηκε ότι κατανόησαν χωροταξικά καλυτέρα τα βασικά μέρη του προβλήματος που έπρεπε να αντιμετωπίσουν μέσα στο OpenSim αξιοποιώντας δεξιότητες λογικής και κριτικής σκέψης για την καλύτερη δυνατή οργάνωση και εκτέλεση των προτεινόμενων σχεδιαστικών λύσεων. Δεύτερον, κατάφεραν να εκφράσουν σε μορφή ψευδοκώδικα και έπειτα να εφαρμόσουν πιο αποδοτικότερες και αποτελεσματικές σχεδιαστικές λύσεις κάνοντας λιγότερα λάθη. Τρίτον, κατόρθωσαν να επιτύχουν μεγαλύτερο μαθησιακό κέρδος (41%) για να προσδιορίσουν τις δεξιότητές τους σχετικά με την ΥΣ έναντι των συμμετεχόντων που χρησιμοποίησαν το Scratch (20%). Τέλος, συνθέτοντας τα ευρήματα των μελετών που διεξήχθησαν, ένα εύρος σημαντικών επιπτώσεων και σχεδιαστικών κατευθύνσεων παρατίθενται και αναλύονται.