Utilizing educational technology in computer science and programming courses : theory and practice

There is one thing the Computer Science Education researchers seem to agree: programming is a difficult skill to learn. Educational technology can potentially solve a number of difficulties associated with programming and computer science education by automating assessment, providing immediate feedback and by gamifying the learning process. Still, there are two very important issues to solve regarding the use of technology: what tools to use, and how to apply them? In this thesis, I present a model for successfully adapting educational technology to computer science and programming courses. The model is based on several years of studies conducted while developing and utilizing an exercise-based educational tool in various courses. The focus of the model is in improving student performance, measured by two easily quantifiable factors: the pass rate of the course and the average grade obtained from the course. The final model consists of five features that need to be considered in order to adapt technology effectively into a computer science course: active learning and continuous assessment, heterogeneous exercise types, electronic examination, tutorial-based learning, and continuous feedback cycle. Additionally, I recommend that student mentoring is provided and cognitive load of adapting the tools considered when applying the model. The features are classified as core components, supportive components or evaluation components based on their role in the complete model. Based on the results, it seems that adapting the complete model can increase the pass rate statistically significantly and provide higher grades when compared with a “traditional” programming course. The results also indicate that although adapting the model partially can create some improvements to the performance, all features are required for the full effect to take place. Naturally, there are some limits in the model. First, I do not consider it as the only possible model for adapting educational technology into programming or computer science courses. Second, there are various other factors in addition to students’ performance for creating a satisfying learning experience that need to be considered when refactoring courses. Still, the model presented can provide significantly better results, and as such, it works as a base for future improvements in computer science education.Ohjelmoinnin oppimisen vaikeus on yksi harvoja asioita, joista lähes kaikki tietojenkäsittelyn opetuksen tutkijat ovat jokseenkin yksimielisiä. Opetusteknologian avulla on mahdollista ratkaista useita ohjelmoinnin oppimiseen liittyviä ongelmia esimerkiksi hyödyntämällä automaattista arviointia, välitöntä palautetta ja pelillisyyttä. Teknologiaan liittyy kuitenkin kaksi olennaista kysymystä: mitä työkaluja käyttää ja miten ottaa ne kursseilla tehokkaasti käyttöön? Tässä väitöskirjassa esitellään malli opetusteknologian tehokkaaseen hyödyntämiseen tietojenkäsittelyn ja ohjelmoinnin kursseilla. Malli perustuu tehtäväpohjaisen oppimisjärjestelmän runsaan vuosikymmenen pituiseen kehitys- ja tutkimusprosessiin. Mallin painopiste on opiskelijoiden suoriutumisen parantamisessa. Tätä arvioidaan kahdella kvantitatiivisella mittarilla: kurssin läpäisyprosentilla ja arvosanojen keskiarvolla. Malli koostuu viidestä tekijästä, jotka on otettava huomioon tuotaessa opetusteknologiaa ohjelmoinnin kursseille. Näitä ovat aktiivinen oppiminen ja jatkuva arviointi, heterogeeniset tehtävätyypit, sähköinen tentti, tutoriaalipohjainen oppiminen sekä jatkuva palautesykli. Lisäksi opiskelijamentoroinnin järjestäminen kursseilla ja järjestelmän käyttöönottoon liittyvän kognitiivisen kuorman arviointi tukevat mallin käyttöä. Malliin liittyvät tekijät on tässä työssä lajiteltu kolmeen kategoriaan: ydinkomponentteihin, tukikomponentteihin ja arviontiin liittyviin komponentteihin. Tulosten perusteella vaikuttaa siltä, että mallin käyttöönotto parantaa kurssien läpäisyprosenttia tilastollisesti merkittävästi ja nostaa arvosanojen keskiarvoa ”perinteiseen” kurssimalliin verrattuna. Vaikka mallin yksittäistenkin ominaisuuksien käyttöönotto voi sinällään parantaa kurssin tuloksia, väitöskirjaan kuuluvien tutkimusten perusteella näyttää siltä, että parhaat tulokset saavutetaan ottamalla malli käyttöön kokonaisuudessaan. On selvää, että malli ei ratkaise kaikkia opetusteknologian käyttöönottoon liittyviä kysymyksiä. Ensinnäkään esitetyn mallin ei ole tarkoituskaan olla ainoa mahdollinen tapa hyödyntää opetusteknologiaa ohjelmoinnin ja tietojenkäsittelyn kursseilla. Toiseksi tyydyttävään oppimiskokemukseen liittyy opiskelijoiden suoriutumisen lisäksi paljon muitakin tekijöitä, jotka tulee huomioida kurssien uudelleensuunnittelussa. Esitetty malli mahdollistaa kuitenkin merkittävästi parempien tulosten saavuttamisen kursseilla ja tarjoaa sellaisena perustan entistä parempaan opetukseen

Blended learning in large class introductory programming courses: an empirical study in the context of an Ethiopian university

This study was motivated by a desire to address the challenges of introductory programming courses. Ethiopian universities teach such courses in large classes (80+ students) and students complain about the difficulty of the courses and teaching variation of instructors. The study was set to explore optimum course and learning environment design approaches. The research question raised was: how can a blended learning approach be used to improve large class teaching of programming? In an action design research approach, the study was initiated with redesigning two consecutive courses and a supportive blended learning environment on the basis of existing learning theories and educational design frameworks. Two cycles of action research were conducted for a dual goal of refinement and evaluation of the intervention. The action research was conducted during the 2012/13 academic year with 240 students at the beginning. A predominantly quantitative first cycle of action research produced a mixed outcome. The students’ marks from assessment activities were fairly close to results from two other international universities. A pre- and post-implementation survey of students’ approach to learning showed a slight class level change towards the deep learning approach. Conversely, some students were found at-risk (not progressing well) and certain technologies, particularly program visualisation tools, were found underutilised. The second action research cycle aimed to explain the result from the first round. A grounded action research evaluation of data from focus group discussions, interviews and participants’ memos identified plausible factors for meaningful programming learning in a large class. These factors were use of collaborative and pair programming; alignment of learning and assignment activities; integrated use of e-learning; and use of large class strategies like student mentors and team teaching. A critical realist interpretation of the result of the action research suggested that students can learn programming in large classes, 200+ in this study, with a course and learning environment design that keeps them engaged in learning and assessment activities. The study concludes that improved learning of programming can be possible with the use of students as mentors and changed role-dynamics of instructors, which presupposes adaptation of suitable pedagogical approaches and use of technologies.School of ComputingD. Litt. et Phil. (Information Systems