Effects of regular use of scalable, technology enhanced solution for primary mathematics education

Mathematics is one of the key subjects in any school curriculum and most teachers agree that mathematical skills are important for students to master. There is an abundance of research in learning mathematics and a consensus exists among researchers that technology can enhance the learning process. However, many factors need to be taken into consideration when introducing technology into teaching mathematics. Developing a more natural collaboration between learning technology experts, teachers, and students ensures all stakeholders are considered. Involving teachers early on helps develop enduring commitment to innovations and practical solutions. Moreover, creating a culture of collaboration between experts in the field and teachers brings to bear the best of what both worlds have to offer. This thesis synthesizes six papers and offers additional findings that focus on how technology experts can collaborate with elementary teachers to improve student learning outcomes. We focus on managing educational change in ways that improve the sustainability of innovations. We also explore how technical and teaching experts co-create effective lesson plans. In one of the six papers we collected and reported teachers’ responses to survey questions covering typical usage patterns on a platform. Teachers’ direct feedback was collected and incorporated to improve technical solutions. Moreover, one study was conducted abroad to measure the effect of culture on the teaching and learning process. Evidence of effectiveness of technologically enhanced lessons and corresponding homework was based on multiple studies in grades 1 - 3, covering 379 students. The effectiveness of educational technology was measured based on two variables: student performance in mathematics, based on the learning objectives specified in the curriculum, and arithmetic fluency measured by how rapidly and accurately students solved basic arithmetic operations. Statistically significant findings show that educational technology can improve two target variables when comparing students who did not use educational technology to students who did. An additional effect size analysis was conducted to verify and compare results with previous research. Based on these results, platform use produced the same or better effect than previous studies. Based on teacher feedback and user growth on the platform, we managed to integrate technology into the regular school classroom in meaningful and sustainable ways. We were clearly able to support teachers in their practice in a manner that resulted in noticeable student achievement gains. A survey revealed a need to emphasize new features that were introduced to the platform in teacher training programs. Teachers also reported having a positive attitude towards the platform and the initiative gained wide acceptance among their peers.Matematiikka on yksi tärkeimmistä kouluaineista pelkästään tuntimääräisesti mitattunakin. Matematiikan osaamista ja oppimista pidetään yleisesti tärkeänä ja arvostettuna taitona. Matematiikan oppimisesta on valtavasti tutkimusta ja tutkijoiden keskuudessa vallitsee yhteisymmärrys tietotekniikan positiivisista mahdollisuuksista edistää matematiikan oppimista. Tietotekniikan ja oppimisen vuorovaikutus on kuitenkin monisyinen vyyhti ja sen onnistunut hyödyntäminen vaatii tutkijoiden, opettajien ja oppilaiden välistä tiivistä ja vuorovaikutteista yhteistyötä. Uusien innovaatioiden ja kokeilujen onnistumiselle ja niihin sitoutumiselle luodaan vahva pohja, kun opettajat otetaan mukaan kehitystyöhön ensimetreiltä lähtien. Tällaisen tiiviin yhteistyökulttuurin vaaliminen mahdollistaa käytännön työn ja teorian vahvuuksien hyödyntämisen. Tämä väitöstyö koostuu kuudesta artikkelista. Artikkelit kuvaavat, kuinka tutkijat ja opettajat työskentelivät yhdessä parantaakseen oppilaiden matematiikan oppimista. Tavoitteenamme oli muuttaa koulun käytänteitä pitkäjänteisesti ja kestävällä tavalla. Tutkimme kuinka tutkijat ja opettajat pystyivät yhdessä luomaan onnistuneita ja tehokkaita oppimiskokonaisuuksia. Opettajat olivat koko ajan kehitystyön keskiössä. Yhdessä kuudesta artikkelista tutkittiin kyselytutkimuksen avulla opettajien kokemuksia ja käyttötottumuksia. Näitä vastauksia hyödynnettiin teknisessä kehitystyössä ja hyvien käytänteiden hiomisessa. Yksi väitöskirjan tutkimuksista tehtiin ulkomailla opetus- ja oppimiskulttuureista vaikutusten huomioimiseksi. Sähköisten oppituntien ja kotitehtävien vaikuttavuuden arviointi perustuu useisiin 1.-3. luokilla tehtyihin tutkimuksiin ja kaikkiaan 379 oppilaan vastauksiin. Sähköisten oppituntien vaikuttavuutta arvioitiin kahden eri mittarin perusteella. Ensin matematiikan taitojen perusteella, eli kuinka hyvin kunkin luokka-asteen oppimistavoitteet olivat täyttyneet ja myöhemmin myös laskusujuvuuden perusteella, eli kuinka nopeasti ja tarkasti oppilaat pystyivät laskemaan peruslaskutoimituksia. Tulokset osoittavat, että opetusteknologian avulla pystytään parantamaan oppilaiden suoriutumista edellä mainittujen osa-alueiden osalta verrattuna oppilaisiin, jotka eivät käyttäneet opetusteknologiaa. Tulokset olivat tilastollisesti merkitseviä. Näiden tulosten varmistamiseksi laskettiin vaikuttavuuden suuruus ja sitä verrattiin aiempiin alan tutkimuksiin. Tulosten perusteella sähköisillä oppitunneilla oli sama tai parempi vaikuttavuus kuin aiemmissa tutkimuksissa. Opettajien palautteiden ja kasvavan käyttäjämäärän perusteella voidaan sanoa, että onnistuimme tavoitteessamme integroida opetusteknologiaa mielekkäällä tavalla osaksi koulutyötä. Onnistuimme myös tukemaan ja auttamaan opettajia opetustyössään ja samalla merkittävästi parantamaan oppilaiden suoriutumista. Kyselytutkimuksen perusteella huomasimme, että uusien ominaisuuksien kouluttamiseen tulee kiinnittää enemmän huomiota. Samassa tutkimuksessa opettajat raportoivat olevansa tyytyväisiä alustaan ja sähköiset oppitunnit näyttävät saaneen vankan jalansijan suomalaisessa opettajakunnassa

Bringing Light into the Dark - Improving Students’ Black-Box Testing Competencies using Game-Design Elements

As software becomes increasingly complex, there is a growing need to enhance quality assurance in software engineering. However, the lack of qualified human resources is a barrier to performing software testing activities in software companies. At the same time, software testing can be considered a tedious task and is often not done at the necessary level of detail, e.g., designing test cases. However, it is crucial for novice programmers and testers to acquire and improve their testing competencies, and to utilize testing techniques, e.g., black-box testing. Teaching software testing is often based on theoretical instructions, resulting in limited practical experience. As a result, students may not develop the necessary testing mindset, highlighting the need for more extensive software testing education. To address this issue, this paper utilizes a design science research approach to implement a gamified learning system that promotes black-box testing competencies with empirical insights from a field test

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

Game design research: an introduction to theory & practice

Design research is an active academic field covering disciplines such as architecture, graphic, product, service, interaction, and systems design. Design research aims to understand not only the designed end products but also how design as an activity unfolds. The book demonstrates different approaches to design research in game design research