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

The Complexity of Engineering Education in a Mission Driven PBL University

In this extended abstract, we will argue that education in a mission driven university holds particularities that call for the transformation of not only the research base of education but also the way in which education is conceptualised and practiced. Following a PBL approach, we put the students in the centre of educational activity and propose a conceptual framework for engineering education in a mission driven PBL university.<br/