Harjoitustyön kehittäminen ohjelmoinnin perusteet kurssille

Työn tarkoituksena on luoda uusi harjoitustyö Ohjelmoinnin perusteet –kurssille. Harjoitustyön tavoitteena oli olla nykyistä työtä mielekkäämpi, sekä sidottu käytäntöön. Näiden avulla tavoiteltiin kurssin harjoitustyön suorittavien opiskelijoiden osuuden kasvattamista. Lopputuloksena on kolmeosainen harjoitustyö, jossa opiskelija suorittaa kuvamanipulointia sekä hyödyntää avoimia rajapintoja. Tulevaisuuteen jää haasteeksi harjoitustyön tarkastaminen ja siihen liittyvät ongelmat, sekä työn jatkokehitys.

Digitaalisen tarinankerronnan hyödyntäminen peruskouluissa

Työn tavoitteena on selvittää, minkälaisia mahdollisuuksia digitaalinen tarinankerronta antaa peruskouluissa. Työssä käsitellään digitaalinen tarinankerronta ja se, miten sitä hyödynnetään opetuksessa. Työn taustana on opetushallituksen laatima opetussuunnitelma 2016. Opetussuunnitelmassa uutena on ohjelmointi, jota käsitellään työssä vähän tarkemmin. Tulevaisuudessa teknologia, kuten koodaus ja robotiikka sekä lisätty todellisuus voivat tukea luovuutta, innovatiivisuutta ja ongelmanratkaisukykyä. Työ on kirjallisuuskatsaus, jossa aihetta analysoidaan lähdekirjallisuuden avulla. Digitaalisella tarinankerronnalla luokkahuoneessa on rajattomat mahdollisuudet. Digitaalinen tarinankerronta tukee uuden opetussuunnitelman tavoitteita. Digitaalisen tarinankerronnan avulla voidaan osallistaa lapset oppimisprosessiin, heidän omia vahvuuksia saadaan esille sekä he pääsevät itse oivaltamaan ja ratkomaan ongelmia. Ohjelmointi, robotiikka ja lisätty todellisuus antavat uusia työkaluja opetukseen. Ohjelmointi on älyllisesti motivoiva ajattelutapa. Teknologian käyttö opetuksessa lisää opiskelumotivaatiota ja yhdessä tekemisen iloa.

Ohjelmoinnin opetus peruskoulussa: toiminnallisuutta ja graafista ohjelmointikieltä hyödyntävien opetusmenetelmien vertailu

Ohjelmoinnin opettaminen yleissivistävänä oppiaineena on viime aikoina herättänyt kiinnostusta Suomessa ja muualla maailmassa. Esimerkiksi Suomen opetushallituksen määrittämien, vuonna 2016 käyttöön otettavien peruskoulun opintosuunnitelman perusteiden mukaan, ohjelmointitaitoja aletaan opettaa suomalaisissa peruskouluissa ensimmäiseltä luokalta alkaen. Ohjelmointia ei olla lisäämässä omaksi oppiaineekseen, vaan sen opetuksen on tarkoitus tapahtua muiden oppiaineiden, kuten matematiikan yhteydessä. Tämä tutkimus käsittelee yleissivistävää ohjelmoinnin opetusta yleisesti, käy läpi yleisimpiä haasteita ohjelmoinnin oppimisessa ja tarkastelee erilaisten opetusmenetelmien soveltuvuutta erityisesti nuorten oppilaiden opettamiseen. Tutkimusta varten toteutettiin verkkoympäristössä toimiva, noin 9–12-vuotiaille oppilaille suunnattu graafista ohjelmointikieltä ja visuaalisuutta tehokkaasti hyödyntävä oppimissovellus. Oppimissovelluksen avulla toteutettiin alakoulun neljänsien luokkien kanssa vertailututkimus, jossa graafisella ohjelmointikielellä tapahtuvan opetuksen toimivuutta vertailtiin toiseen opetusmenetelmään, jossa oppilaat tutustuivat ohjelmoinnin perusteisiin toiminnallisten leikkien avulla. Vertailututkimuksessa kahden neljännen luokan oppilaat suorittivat samankaltaisia, ohjelmoinnin peruskäsitteisiin liittyviä ohjelmointitehtäviä molemmilla opetus-menetelmillä. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää alakouluoppilaiden nykyistä ohjelmointiosaamista, sitä minkälaisen vastaanoton ohjelmoinnin opetus alakouluoppilailta saa, onko erilaisilla opetusmenetelmillä merkitystä opetuksen toteutuksen kannalta ja näkyykö eri opetusmenetelmillä opetettujen luokkien oppimistuloksissa eroja. Oppilaat suhtautuivat kumpaankin opetusmenetelmään myönteisesti, ja osoittivat kiinnostusta ohjelmoinnin opiskeluun. Sisällöllisesti oppitunneille oli varattu turhan paljon materiaalia, mutta esimerkiksi yhden keskeisimmän aiheen, eli toiston käsitteen oppimisessa aktiivisilla leikeillä harjoitellut luokka osoitti huomattavasti graafisella ohjelmointikielellä harjoitellutta luokkaa parempaa osaamista oppitunnin jälkeen. Ohjelmakoodin peräkkäisyyteen liittyvä osaaminen oli neljäsluokkalaisilla hyvin hallussa jo ennen ohjelmointiharjoituksia. Aiheeseen liittyvän taustatutkimuksen ja luokkien opettajien haastatteluiden perusteella havaittiin koulujen valmiuksien opetussuunnitelmauudistuksen mukaiseen ohjelmoinnin opettamiseen olevan vielä heikolla tasolla.

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.

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.

Teaching mathematics and programming : new approaches with empirical evaluation

Programming and mathematics are core areas of computer science (CS) and consequently also important parts of CS education. Introductory instruction in these two topics is, however, not without problems. Studies show that CS students find programming difficult to learn and that teaching mathematical topics to CS novices is challenging. One reason for the latter is the disconnection between mathematics and programming found in many CS curricula, which results in students not seeing the relevance of the subject for their studies. In addition, reports indicate that students' mathematical capability and maturity levels are dropping. The challenges faced when teaching mathematics and programming at CS departments can also be traced back to gaps in students' prior education. In Finland the high school curriculum does not include CS as a subject; instead, focus is on learning to use the computer and its applications as tools. Similarly, many of the mathematics courses emphasize application of formulas, while logic, formalisms and proofs, which are important in CS, are avoided. Consequently, high school graduates are not well prepared for studies in CS. Motivated by these challenges, the goal of the present work is to describe new approaches to teaching mathematics and programming aimed at addressing these issues: Structured derivations is a logic-based approach to teaching mathematics, where formalisms and justifications are made explicit. The aim is to help students become better at communicating their reasoning using mathematical language and logical notation at the same time as they become more confident with formalisms. The Python programming language was originally designed with education in mind, and has a simple syntax compared to many other popular languages. The aim of using it in instruction is to address algorithms and their implementation in a way that allows focus to be put on learning algorithmic thinking and programming instead of on learning a complex syntax. Invariant based programming is a diagrammatic approach to developing programs that are correct by construction. The approach is based on elementary propositional and predicate logic, and makes explicit the underlying mathematical foundations of programming. The aim is also to show how mathematics in general, and logic in particular, can be used to create better programs.

Developing an introductory object-oriented programming course

The state of the object-oriented programming course in Lappeenranta University of Technology had reached the point, where it required changes to provide better learning opportunities and thus the learning outcomes. Based on the student feedback the course was partially dated and ineffective. The components of the course were analysed and the ineffective elements were removed and new methods were introduced to improve the course. The major changes included the change from traditional teaching methods to reverse classroom method and the use of Java as the programming language. The changes were measured by the student feedback, lecturer’s observations and comparison to previous years. The feedback suggested that the changes were successful; the course received higher overall grade than before.

Higher education and national identity : Polish student activism in Russia 1832-1863

Doctoral dissertation, University of Helsinki

Psychosocial aspects of cleft lip and palate. Implications for parental education

Lectio praecursoria

Two Cultures of Arts Education, Finland and Canada? An integrated View

Taidekasvatuksen kaksi kulttuuria, Suomi ja Kanada? Integroitu näkemys Tutkimuksessa kuvataan kanadalaisen Learning Through The Arts –pedagogiikan mukainen suomalainen kokeiluhanke, jonka aikana taiteilija–opettaja-parit opettivat yhdessä eri oppiaineita koululuokille: esim. matematiikkaa tanssien, biologiaa maalaten tai yhdistäen eri taiteenlajeja projektimuotoiseen oppimiseen. Hanketta arvioitaessa nousee esille, ei niinkään yksittäisten taiteilijoiden ja opettajien toiminta, vaan pikemminkin Kanadan ja Suomen rakenteelliset sekä kulttuuriset eroavuudet. Tutkimus sivuaa myös Suomessa käytävää keskustelua taiteen hyödyllisyydestä ja pohtii samalla taito- ja taideaineiden asemaa koulussa. Työn teoreettisessa osassa integroidaan opetussuunnitelmateoriaa, kasvatuksen historiaa ja filosofiaa, tähdentäen taidekasvatuksen merkitystä osana koko ihmisen kasvatusta. Opetussuunnitelmateorian osalta tarkastellaan romanttista ja klassista opetussuunnitelmaa, jotka eroavat toisistaan menetelmiensä, sisältöjensä, tavoitteidensa sekä arvioinnin osalta. Ns. kovat ja pehmeät aineet tai matemaattis-luonnontieteelliset aineet vastakohtanaan humanismi, voidaan ymmärtää sekä historiallisia että epistemologisia taustojaan vasten. Pepperin maailmanhypoteesien mukaisesti on kasvatuksen ongelmien ratkaisemiseksi hahmotettavissa neljä selvästi toisistaan eroavaa lähestymistapaa: formismi; organisismi; mekanisismi; sekä kontekstualismi. Kantin filosofiaan viitaten tutkimus puolustaa käsitystä taiteesta rationaalisena ja propositionaalisena kokonaisuutena, joka ei ole vain kommunikaation väline, vaan yksi todellisuuden kohtaamisen lajeista, tiedon ja etiikan rinnalla. Näin ajateltuna taito- ja taidekasvatuksen tulisi olla luonteeltaan aina myös kulttuurikasvatusta. Tutkimuksen tulosten perusteella voidaan väittää, että moniammatillinen yhteistyö monipuolistaa koulun opetusta. Mikäli huolehditaan siitä, että taiteilijat saavat riittävästi koulutusta opettamiseen liittyvissä asioissa, on mahdollista käyttää taiteilijoita opettajien rinnalla koulutyössä.