Promoting Programming Learning. Engagement, Automatic Assessment with Immediate Feedback in Visualizations

The skill of programming is a key asset for every computer science student. Many studies have shown that this is a hard skill to learn and the outcomes of programming courses have often been substandard. Thus, a range of methods and tools have been developed to assist students’ learning processes. One of the biggest fields in computer science education is the use of visualizations as a learning aid and many visualization based tools have been developed to aid the learning process during last few decades. Studies conducted in this thesis focus on two different visualizationbased tools TRAKLA2 and ViLLE. This thesis includes results from multiple empirical studies about what kind of effects the introduction and usage of these tools have on students’ opinions and performance, and what kind of implications there are from a teacher’s point of view. The results from studies in this thesis show that students preferred to do web-based exercises, and felt that those exercises contributed to their learning. The usage of the tool motivated students to work harder during their course, which was shown in overall course performance and drop-out statistics. We have also shown that visualization-based tools can be used to enhance the learning process, and one of the key factors is the higher and active level of engagement (see. Engagement Taxonomy by Naps et al., 2002). The automatic grading accompanied with immediate feedback helps students to overcome obstacles during the learning process, and to grasp the key element in the learning task. These kinds of tools can help us to cope with the fact that many programming courses are overcrowded with limited teaching resources. These tools allows us to tackle this problem by utilizing automatic assessment in exercises that are most suitable to be done in the web (like tracing and simulation) since its supports students’ independent learning regardless of time and place. In summary, we can use our course’s resources more efficiently to increase the quality of the learning experience of the students and the teaching experience of the teacher, and even increase performance of the students. There are also methodological results from this thesis which contribute to developing insight into the conduct of empirical evaluations of new tools or techniques. When we evaluate a new tool, especially one accompanied with visualization, we need to give a proper introduction to it and to the graphical notation used by tool. The standard procedure should also include capturing the screen with audio to confirm that the participants of the experiment are doing what they are supposed to do. By taken such measures in the study of the learning impact of visualization support for learning, we can avoid drawing false conclusion from our experiments. As computer science educators, we face two important challenges. Firstly, we need to start to deliver the message in our own institution and all over the world about the new – scientifically proven – innovations in teaching like TRAKLA2 and ViLLE. Secondly, we have the relevant experience of conducting teaching related experiment, and thus we can support our colleagues to learn essential know-how of the research based improvement of their teaching. This change can transform academic teaching into publications and by utilizing this approach we can significantly increase the adoption of the new tools and techniques, and overall increase the knowledge of best-practices. In future, we need to combine our forces and tackle these universal and common problems together by creating multi-national and multiinstitutional research projects. We need to create a community and a platform in which we can share these best practices and at the same time conduct multi-national research projects easily.

Tool-supported invariant-based programming

The development of correct programs is a core problem in computer science. Although formal verification methods for establishing correctness with mathematical rigor are available, programmers often find these difficult to put into practice. One hurdle is deriving the loop invariants and proving that the code maintains them. So called correct-by-construction methods aim to alleviate this issue by integrating verification into the programming workflow. Invariant-based programming is a practical correct-by-construction method in which the programmer first establishes the invariant structure, and then incrementally extends the program in steps of adding code and proving after each addition that the code is consistent with the invariants. In this way, the program is kept internally consistent throughout its development, and the construction of the correctness arguments (proofs) becomes an integral part of the programming workflow. A characteristic of the approach is that programs are described as invariant diagrams, a graphical notation similar to the state charts familiar to programmers. Invariant-based programming is a new method that has not been evaluated in large scale studies yet. The most important prerequisite for feasibility on a larger scale is a high degree of automation. The goal of the Socos project has been to build tools to assist the construction and verification of programs using the method. This thesis describes the implementation and evaluation of a prototype tool in the context of the Socos project. The tool supports the drawing of the diagrams, automatic derivation and discharging of verification conditions, and interactive proofs. It is used to develop programs that are correct by construction. The tool consists of a diagrammatic environment connected to a verification condition generator and an existing state-of-the-art theorem prover. Its core is a semantics for translating diagrams into verification conditions, which are sent to the underlying theorem prover. We describe a concrete method for 1) deriving sufficient conditions for total correctness of an invariant diagram; 2) sending the conditions to the theorem prover for simplification; and 3) reporting the results of the simplification to the programmer in a way that is consistent with the invariantbased programming workflow and that allows errors in the program specification to be efficiently detected. The tool uses an efficient automatic proof strategy to prove as many conditions as possible automatically and lets the remaining conditions be proved interactively. The tool is based on the verification system PVS and i uses the SMT (Satisfiability Modulo Theories) solver Yices as a catch-all decision procedure. Conditions that were not discharged automatically may be proved interactively using the PVS proof assistant. The programming workflow is very similar to the process by which a mathematical theory is developed inside a computer supported theorem prover environment such as PVS. The programmer reduces a large verification problem with the aid of the tool into a set of smaller problems (lemmas), and he can substantially improve the degree of proof automation by developing specialized background theories and proof strategies to support the specification and verification of a specific class of programs. We demonstrate this workflow by describing in detail the construction of a verified sorting algorithm. Tool-supported verification often has little to no presence in computer science (CS) curricula. Furthermore, program verification is frequently introduced as an advanced and purely theoretical topic that is not connected to the workflow taught in the early and practically oriented programming courses. Our hypothesis is that verification could be introduced early in the CS education, and that verification tools could be used in the classroom to support the teaching of formal methods. A prototype of Socos has been used in a course at Åbo Akademi University targeted at first and second year undergraduate students. We evaluate the use of Socos in the course as part of a case study carried out in 2007.

Smooth height/age curves from stem analysis with linear programming

[Abstract]

Repeatability in automatic sorting of curved Norway spruce saw logs

Abstract

Taajuusmuuttajan ohjelmiston testaus

Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää menetelmiä ja ohjeitataajuusmuuttajan sulautetun ohjelmiston kehityksen aikaiseen testaukseen. Soveltuvia menetelmiä etsittiin tutkimalla laajasti kirjallisuutta sekä selvittämälläyrityksen testauskäytäntöä. Tutkittuja kirjallisuudesta löytyneitä menetelmä olivat testauskehykset, simulointi ja staattinen sekä automaattinen testaus. Kirjallisuudesta etsittiin myös menetelmiä, joiden avulla testausprosessia voidaan helpottaa tai muuten parantaa. Tällaisista menetelmistä tutkittiin muun muassa testidatan valintaa, testauslähtöistä kehitystä sekä testattavuuden parantamista. Lisäksi selvitettiin uudelleenkäytettävien testien ohjelmointiin soveltuvia ohjelmointikieliä. Haastatteluiden ja dokumentaation avulla saatiin hyvä käsitys yrityksessä vallitsevasta testauskäytännöstä sekä sen ongelmakohdista. Testauksen ongelmiksi havaittiin testausprosessin järjestelmällisyyden puute sekä tarve suunnittelijoiden testauskoulutukseen. Testausprosessin parantamiseksi esitetään moduulitestauskehyksen käyttöönottoa. Lisäksi suunnittelijoiden testauskoulutuksella arvioidaan olevan suuri vaikutus koko testausprosessiin. Testitapausten suunnitteluun esitetään menetelmiä, joiden avulla voidaan suunnitella kattavampia testejä.

Optimisation of data analysis method for a fluidized bed combustion test rig

Nowadays the used fuel variety in power boilers is widening and new boiler constructions and running models have to be developed. This research and development is done in small pilot plants where more faster analyse about the boiler mass and heat balance is needed to be able to find and do the right decisions already during the test run. The barrier on determining boiler balance during test runs is the long process of chemical analyses of collected input and outputmatter samples. The present work is concentrating on finding a way to determinethe boiler balance without chemical analyses and optimise the test rig to get the best possible accuracy for heat and mass balance of the boiler. The purpose of this work was to create an automatic boiler balance calculation method for 4 MW CFB/BFB pilot boiler of Kvaerner Pulping Oy located in Messukylä in Tampere. The calculation was created in the data management computer of pilot plants automation system. The calculation is made in Microsoft Excel environment, which gives a good base and functions for handling large databases and calculations without any delicate programming. The automation system in pilot plant was reconstructed und updated by Metso Automation Oy during year 2001 and the new system MetsoDNA has good data management properties, which is necessary for big calculations as boiler balance calculation. Two possible methods for calculating boiler balance during test run were found. Either the fuel flow is determined, which is usedto calculate the boiler's mass balance, or the unburned carbon loss is estimated and the mass balance of the boiler is calculated on the basis of boiler's heat balance. Both of the methods have their own weaknesses, so they were constructed parallel in the calculation and the decision of the used method was left to user. User also needs to define the used fuels and some solid mass flowsthat aren't measured automatically by the automation system. With sensitivity analysis was found that the most essential values for accurate boiler balance determination are flue gas oxygen content, the boiler's measured heat output and lower heating value of the fuel. The theoretical part of this work concentrates in the error management of these measurements and analyses and on measurement accuracy and boiler balance calculation in theory. The empirical part of this work concentrates on the creation of the balance calculation for the boiler in issue and on describing the work environment.

Robotisoidun hitsaussolun toiminnan kehittäminen ohutlevytuotteita valmistavassa yrityksessä

Robotisoitu hitsaus tarjoaa mahdollisuuden tasaiseen laatuun ja miehittämättömään tuotantoon. Se ei ole kuitenkaan yhtä joustava menetelmä kuin käsinhitsaus ja siihen liittyy yleensä paljon asetus- ja ohjelmointikustannuksia. Tässä diplomityössä selvitetään, mitkä ovat robotisoidun ohutlevyjen hitsauksen erityispiirteet ja mitä seikkoja tulee huomioida robotisoidun hitsaussolun kehittämisessä. Ohutlevytuotteiden tulee soveltua robotisoituun hitsaukseen. Ne ovat ohuita ja taipuisia kappaleita, joten liitosten tarkka kohdistaminen voi olla vaikeaa. Tämä edellyttää suunnittelulta menetelmän erityispiirteiden ymmärtämistä ja valmistukselta erinomaista laaduntuottokykyä. Materiaaleina ohutlevyt ovat pääosin hyvin hitsattavia kaikilla tavanomaisilla menetelmillä.Haitallisten muodonmuutosten välttämiseksi kannattaa suosia hitsausprosesseja, joilla on mahdollisimman pieni lämmöntuonti. Saavutettu hitsausnopeus riippuu prosessin lisäksi myös liitosten kokoonpanon tarkkuudesta. Työnkokeellisessa osassa selvitetään erään robottihitsaussolun kehitystyötä. Tavoitteena oli nostaa solun nopeus ja kapasiteetti vastaamaan yrityksen muun tuotannon tasoa. Solua varten kehitettiin erityinen automaattisesti toimiva hitsauskiinnitin, jonka toimintaperiaate esitellään. Kiinnitin kohdistaaohutlevystä valmistetun kotelon pohjan sivut riittävän tarkasti, jotta ne voidaan hitsata robotilla.

Python as a programming language for the introductory programming courses

Tämä kandidaatintyö tutkii tietotekniikan perusopetuksessa keskeisen aiheen,ohjelmoinnin, alkeisopetusta ja siihen liittyviä ongelmia. Työssä perehdytään ohjelmoinnin perusopetusmenetelmiin ja opetuksen lähestymistapoihin, sekä ratkaisuihin, joilla opetusta voidaan tehostaa. Näitä ratkaisuja työssä ovat mm. ohjelmointikielen valinta, käytettävän kehitysympäristön löytäminen sekä kurssia tukevien opetusapuvälineiden etsiminen. Lisäksi kurssin läpivientiin liittyvien toimintojen, kuten harjoitusten ja mahdollisten viikkotehtävien valinta kuuluu osaksitätä työtä. Työ itsessään lähestyy aihetta tutkimalla Pythonin soveltuvuutta ohjelmoinnin alkeisopetukseen mm. vertailemalla sitä muihin olemassa oleviin yleisiin opetuskieliin, kuten C, C++ tai Java. Se tarkastelee kielen hyviä ja huonoja puolia, sekä tutkii, voidaanko Pythonia hyödyntää luontevasti pääasiallisena opetuskielenä. Lisäksi työ perehtyy siihen, mitä kaikkea kurssilla tulisi opettaa, sekä siihen, kuinka kurssin läpivienti olisi tehokkainta toteuttaa ja minkälaiset tekniset puitteet kurssin toteuttamista varten olisi järkevää valita.

Simulation Supported Robot Programming using XML

The main objective of this master's thesis is to study robot programming using simulation software, and also how to embed the simulation software into company's own robot controlling software. The further goal is to study a new communication interface to the assembly line's components -more precisely how to connect the robot cell into this new communication system. Conveyor lines are already available where the conveyors use the new communication standard. The robot cell is not yet capable of communicating with to other devices using the new communication protocols. The main problem among robot manufacturers is that they all have their own communication systems and programming languages. There has not been any common programming language to program all the different robot manufacturers robots, until the RRS (Realistic Robot Simulation) standards were developed. The RRS - II makes it possible to create the robot programs in the simulation software and it gives a common user interface for different robot manufacturers robots. This thesis will present the RRS - II standard and the robot manufacturers situation for the RRS - II support. Thesis presents how the simulation software can be embedded into company's own robot controlling software and also how the robot cell can be connected to the CAMX (Computer Aided Manufacturing using XML) communication system.

Virtalähdejärjestelmän ohjauksen suunnittelu

Virtalähdejärjestelmä koostuu itsenäisesti toimivista virtalähdeyksiköistä. Virtalähdeyksiköt ovat rinnankytketty syöttämään virtaa kuormaan. Tämä diplomityö käsittelee virtalähdeyksiköiden ohjaamiseen liittyviä ongelmia ja ratkaisuja. Työssä suunnitellaan virtalähdejärjestelmän ohjauselektroniikkaa sekä mikrokontrollerin ohjelmakoodia. Lisäksi kehitetään ratkaisuja virtalähteen hallintaan ja automaattiseen ohjaukseen. Huomiota kiinnitetään vikasietoisuuteen ja käyttäjäystävällisyyteen.

Automatic meter reading – benefits and applications

In liberalized electricity markets, which have taken place in many countries over the world, the electricity distribution companies operate in the competitive conditions. Therefore, accurate information about the customers’ energy consumption plays an essential role for the budget keeping of the distribution company and for correct planning and operation of the distribution network. This master’s thesis is focused on the description of the possible benefits for the electric utilities and residential customers from the automatic meter reading system usage. Major benefits of the AMR, illustrated in the thesis, are distribution network management, power quality monitoring, load modelling, and detection of the illegal usage of the electricity. By the example of the power system state estimation, it was illustrated that even the partial installation of the AMR in the customer side leads to more accurate data about the voltage and power levels in the whole network. The thesis also contains the description of the present situation of the AMR integration in Russia.

Matkustajainformaatiojärjestelmän toteuttaminen junaan

Matkustajainformaatio junassa koostuu vaunujen ulkopuolisilla kylkinäytöillä esitettävistä junan lähtö-, väli- ja määräasematiedoista yhdessä junan ja vaunujen myyntinumeroiden kanssa sekä vaunujen sisäpuolella automaattisista kuulutuksista ja matkustamon näytöillä esitettävästä staattisesta ja vaihtuvasta informaatiosta. Työssä toteutetaan matkustajainformaatiojärjestelmä käytettäväksi matkustajunissa. Järjestelmään syötetään ennen matkan alkua junan tiedot, jonka jälkeen se toimii automaattisesti ilman tarvetta junahenkilökunnan toimenpiteille. Poikkeustilanteissa junahenkilökunta voi estää järjestelmän toiminnan tai valita esiohjelmointuja erikoiskuulutuksia. Toteuttamismenetelmäksi valittiin C-ohjelmointikieli Linux-käyttöjärjestelmällä varustetulla sulautetulla rautatiekäyttöön suunnitellulla laitealustalla.

Ketterien sovelluskehityskäytäntöjen soveltaminen J2EE-kehitykseen

Yritysohjelmistojen kehittäminen on monesti aikataulukriittistä ja tuottavuusvaatimukset ovat korkeita. Työssä kehitettiin tyypillisen web-käyttöliittymän omaavan J2EE-sovelluksen koontiin soveltuva koontimenetelmä, joka hyödyntää XP:n (Extreme Programming) sovelluskehityskäytäntöjä. Tärkeimpiä näistä on automatisoitu testaus, jonka päätyypit ovat automatisoitu yksikkö- ja integrointitestaus. Työn aikana asetettiin tavoitteet koontimenetelmälle sekä evaluointiin ja valittiin markkinoilla olevista työkaluista toimeksiantajan ympäristöön sopiva joukko. Koontimenetelmän toteutuksen tarkastelussa havaittiin, että XP:n käytännöt soveltuvat J2EE-sovelluskehitykseen ja tarpeelliset työkalut tähän ovat olemassa.