Μελέτη διεπαφών στις τεχνολογίες STEM και στην εκπαίδευση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων μικροελεγκτών

Abstract

The main aim of this PhD thesis is to study the user interfaces involved in educational activities and investigate how these interfaces may affect knowledge acquisition. Specifically, interfaces can be tangible utilizing real components, or graphical employing simulators. Initial, a meta-analysis was conducted related to STEM activities to extract the effect size of intervention utilizing technological tools. The findings indicated that skills development benefits more than knowledge or attitudes. In addition to this, a meta-analysis was conducted on the teaching of electronic circuits to extract the effect size. The results indicate that the greatest benefits for students arise when activities combine tangible and graphical user interfaces. Also, participants in higher education seem to gain more significant benefits compared to students at lower levels, with a particular emphasis on enhanced knowledge acquisition over skills and attitudes. Furthermore, three educational interventions on the PIC18F4550 microcontroller were designed and took place with sample sizes of 32, 277 and 134 students respectively. The first intervention consisted of six advanced exercises, comparing tangible and graphical interfaces. The second involved eight exercises comparing tangible, graphical, and sequencing interfaces. The third focused on comparing a sequencing mixed interface approach. The findings suggest that when the difficulty level of the activities is increased, neither interface seems to be more beneficial. Students’ attitudes remained unaffected by the interface used, and finally, participants perceived the simulator’s usability to be higher when starting with a graphical interface and transitioning to a tangible interface. Moreover, three educational interventions using Arduino Uno were conducted with sample sizes of 58, 110 and 61 students respectively. The first intervention aimed to investigate the impact of printed circuits boards, while the second compared these boards with both simulation and breadboard. The third intervention focused on exploring the acceptance of the technology through Arduino. The findings show that the use of printed circuit boards enhances the programming module, indicating that they can be regarded as a useful tool in teaching microcontrollers by enhancing the educational experience. Lastly, the perceived usability is closely linked to the behavioral intention to use Arduino or Micro:bit in the future. Finally, a proposed 15-question tool to assess Arduino basic coding knowledge was developed and validated.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη των διεπαφών χρήστη με τις οποίες μπορεί κάποιος να πάρει μέρος σε εκπαιδευτικές δραστηριότητες αλλά και η διερεύνηση για το πως οι διεπαφές αυτές μπορούν να επηρεάσουν την απόκτηση γνώσεων. Πιο συγκεκριμένα, οι διεπαφές μπορεί να είναι απτικές χρησιμοποιώντας πραγματικά εξαρτήματα ή γραφικές χρησιμοποιώντας προσομοιωτές σε ψηφιακά μέσα. Έτσι, αρχικά εκτελέστηκε μία μετά-ανάλυση για STEM δραστηριότητες ώστε να εξαχθεί το μέγεθος της επίδρασης των παρεμβάσεων που αξιοποίησαν τεχνολογικά μέσα, με τα ευρήματα να δείχνουν ότι σε αυτό το πλαίσιο εκπαίδευσης ωφελείται περισσότερο η ανάπτυξη δεξιοτήτων σε σχέση με την ανάπτυξη γνώσεων ή στάσεων. Στη συνέχεια, εκτελέστηκε μία μετά-ανάλυση για την διδασκαλία ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και την εξαγωγή του μεγέθους επίδρασης. Τα ευρήματα δείχνουν πως όταν οι δραστηριότητες πραγματοποιούνται συνδυάζοντας απτική και γραφική διεπαφή τότε εμφανίζονται τα μεγαλύτερη οφέλη για τους μαθητές. Επιπλέον, οι συμμετέχοντες στην τριτοβάθμια εκπαίδευση φαίνεται πως ωφελούνται περισσότερο συγκριτικά με τους μαθητές της πρωτοβάθμιας και δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης, ενώ η απόκτηση γνώσεων είναι αυτή που ενισχύεται περισσότερο σε σχέση με τις δεξιότητες και τις στάσεις.Ακόμη, πραγματοποιήθηκαν τρεις εκπαιδευτικές παρεμβάσεις για τον μικροελεγκτή PIC18F4550, με δείγμα 32, 277 και 134 φοιτητών αντίστοιχα. Η μία στόχευε μέσα από σειρά έξι προχωρημένων ασκήσεων στην σύγκριση απτικής και γραφικής διεπαφής, η άλλη στην σύγκριση απτικής, γραφικής και αλληλουχίας διεπαφών μέσω οχτώ ασκήσεων, ενώ η τελευταία στην σύγκριση της αλληλουχίας μεικτής προσέγγισης διεπαφών. Από τα ευρήματα προκύπτει πως όταν το επίπεδο δυσκολίας των δραστηριοτήτων είναι αυξημένο, καμία διεπαφή δεν είναι πιο ωφέλιμη, οι στάσεις των φοιτητών δεν φαίνεται να επηρεάζονται από την διεπαφή που χρησιμοποιούν, ενώ τέλος, η αντίληψη των συμμετεχόντων περί της χρηστικότητας του προσομοιωτή είναι υψηλότερη όταν ξεκινάνε μία παρέμβαση με γραφική διεπαφή και τελειώνουν με απτική διεπαφή. Επιπροσθέτως, πραγματοποιήθηκαν τρεις εκπαιδευτικές παρεμβάσεις αξιοποιώντας το Arduino Uno, με δείγμα 58, 110 και 61 φοιτητών αντίστοιχα. Η μία στόχευε στην διερεύνηση της επίδρασης τυπωμένων πλακετών που δημιουργήθηκαν για τις ανάγκες της διατριβής, αλλά και στην μέτρηση της χρηστικότητάς τους, η άλλη στην σύγκριση των πλακετών με προσομοίωση και ράστερ, ενώ η τρίτη στην διερεύνηση της αποδοχής της τεχνολογίας μέσω του Arduino και του Micro:bit. Από τα ευρήματα προκύπτει ότι η χρήση τυπωμένων πλακετών ωφελεί την ενότητα του προγραμματισμού, οι τυπωμένες πλακέτες μπορούν να θεωρηθούν ένα χρήσιμο εργαλείο στην διδασκαλία μικροελεγκτών ενισχύοντας την εκπαιδευτική εμπειρία, ενώ η αντιλαμβανόμενη ευχρηστία συνδέεται στενά με την πρόθεση να χρησιμοποιηθεί το Arduino ή το Micro:bit στο μέλλον. Τέλος, αναπτύχθηκε και επικυρώθηκε ένα προτεινόμενο εργαλείο 15 ερωτήσεων για την αξιολόγηση των βασικών γνώσεων προγραμματισμού στο Arduino.