Research questions and approaches for computational thinking curricula design

Teaching computational thinking (CT) is argued to be necessary but also admitted to be a very challenging task. The reasons for this, are: i) no general agreement on what computational thinking is; ii) no clear idea nor evidential support on how to teach CT in an effective way. Hence, there is a need to develop a common approach and a shared understanding of the scope of computational thinking and of effective means of teaching CT. Thus, the consequent ambition is to utilize the preliminary and further research outcomes on CT for the education of the prospective teachers of secondary, further and higher/adult education curricula

Question-Asking Patterns during Problem-Based Learning Tutorials: Formal Functional Roles

Question-asking is essential for being, knowing and learning. However, classroom research has confirmed that students do not ask questions spontaneously and teachers ask the most questions, mainly low-level ones. The purpose of this qualitative case-study is to investigate question-asking during problem-based learning (PBL) tutorials, a subject rarely studied. By filling this gap, this study, based on video-recorded data from 20 small-group tutorial sessions, provides fresh perspective and contributes to the field by focusing on formal functional roles. The analysis reveals that despite the high incidence of questions, they are imbalanced regarding their type and who asks them. The study confirms that students do acquire the skill of question-asking during PBL tutorials. However, to maximize the benefits of question-asking for epistemological and ontological development, more innovative learning activities must be designed and realised in tutorials

A socio-cognitive and computational model for decision making and user modelling in social phishing

Systems software quality, and system security in particular, is often compromised by phishing attacks. The latter were relatively easy to detect through phishing content filters, in the past. However, it has been increasingly difficult to stop more recent and sophisticated social phishing attacks. To protect the citizens from new types of phishing attacks, software quality engineers need to provide equally sophisticating preventive technology that models people’s reactions. The authors considered the behaviour of people on the Internet from a socio-cognitive perspective and deduced who could be more prone to be spoofed by social phishing techniques. The authors herein propose a computational and interdisciplinary metamodelling methodology, which can assist in capturing and understanding people’s interactive behaviour when they are online. Online behaviour can reveal Internet users’ knowledge, information, and beliefs in a given social context; these could also constitute significant factors for trust in social phishing circumstances which, in turn, can provide valuable insights and decision making meta-knowledge for recognition of potential victims of phishers. The proposed modelling approach is illustrated and explained using real-life phishing cases. This meta-model can i) help social computing and phishing researchers to understand users’ trust decisions from a socio-cognitive perspective, and ii) open ways to integrate artificial intelligence design techniques within software quality management practices in order to protect citizens from being spoofed by social phishing attacks. Thus, this software design quality approach will increase system security as a proactive maintenance strategy

Mikä on ongelma? Ongelman merkitys ongelmaperustaisen oppimisen kontekstissa - kohti ongelmatietoisia opiskelijoita

Ongelmia näyttää ilmaantuvan kaikkialle niin yhteiskunnalliseen, ammatilliseen kuin henkilökohtaiseen elämään, mutta kysymys on valmistaako koulutus meitä riittävän hyvin tunnistamaan ongelmia ja tarttumaan ongelmiin. Tämä väitöstutkimus kysyy seuraavia kysymyksiä koulutusorganisaatioiden ja opetussuunnitelman kontekstissa: Mitkä ongelmat ovat sopivia lisäämään opiskelijoiden syväoppimista ja ongelman ymmärtämistä? Minkälaiset aktiviteetit voisivat auttaa a) parantamaan opiskelijoiden kysymysten kysymistä ja b) olemaan täydellinen esimerkki sille kuinka keskeinen ongelman valinta (koulutuksellisena innovaationa) on opettamisessa ja oppimisessa ja pitäisi olla koulutuksessa? On olemassa monia koulutuksellisia innovaatioita, mistä jokainen yrittää vakuuttaa ylivertaisuutta suhteessa keinoihin ja päämääriin, ja jokainen innovaatio käsittelee ongelmia tavalla tai toisella. Tämän vuoksi ongelmien käyttäminen koulutuksessa ei ole uusi ajatus. Kuitenkin, on hyödyllistä kysyä minkälaista ’ongelmatietoisuutta’ tietty koulutusinnovaatio voi tuottaa opiskelijoille. Ongelmaperustainen oppiminen (PBL) näyttää olevan houkutteleva ehdokas tuottamaan asiaankuuluvaa ongelmatietoisuutta jokaiselle opiskelijalle. PBL:lla on erityinen suhde ongelmiin: PBL lähtee liikkeelle ongelmasta, laukaisee oppimisen ongelmasta käyttämällä hyvin suunniteltuja mutta huonosti jäsennettyjä ongelmia, ja rakentaa oppimisympäristön yhdistämällä yhteistoiminnallisen pienryhmätyöskentelyn, itsenäisen itseohjautuvan oppimisen vaatimukset, ja käyttämällä erilaisia oppimisresursseja opiskelijoiden oppimisen tukemiseksi. Tämän jäsennetyn ja yhdenmukaisen prosessin tavoitteena on auttaa opiskelijoita tunnistamaan ja ymmärtämään ongelmia sekä kamppailemaan niiden kanssa niin tehokkaasti kuin mahdollista. Kuitenkin PBL:n piirissä ongelmaa (tai ongelmatietoisuutta) on tutkittu rajoitetusti. Tämän tutkimuksen tavoitteena on tutkia ongelman merkitystä PBL kontekstissa jaksottaisen laadullisen monimetoditutkimuksen avulla, mikä koostuu kahdesta kontekstiin tutustumisen havainnointijaksosta, kahdesta empiirisestä tutkimuksesta ja yhdestä kirjallisuuskatsaukseen perustuvasta tutkimuksesta. Ensimmäinen kontekstiin tutustumisen jakso sisälsi kahden vuoden osallistuvan havainnoinnin pienryhmätyöskentelyyn (tutoriaali) PBL-Ammatillinen Kehitys -ohjelmassa (PBL-PD) Tampereella. Toinen kontekstiin tutustumisen jakso sisälsi pienryhmätyöskentelyn (tutoriaali) havainnointia kuukauden ajan kolmessa kokeneessa PBL oppilaitoksessa Tampereella. Ensimmäinen empiirinen tutkimus jatkui suoraan tutkijan tekemillä seitsemän eri ongelman ja eri fysioterapia-opiskelijoiden pienryhmätyöskentelyn audio- ja videokuvauksilla yhdestä kokeneesta PBL oppilaitoksesta noin kahden vuoden ajan. Yhteensä näitä pienryhmätyöskentelysessiota kertyi 20 kappaletta. Ensimmäinen empiirinen tutkimus tutki kysymysten kysymistä PBL tutoriaalin (pienryhmätyöskentely) aikana. Tämä on aihe joka on saanut vähän huomiota osakseen, vaikka kysyminen on ratkaisevaa tunnistettaessa ja ymmärtäessä ongelmia sekä kamppailtaessa ongelmien kanssa. Ilman asianmukaisia kysymyksiä on vaikeaa tehokkaasti käsitellä ongelmia ja oppia niistä. Toista empiiristä tutkimusta varten tutkija suunnitteli puoli-avoimen kyselylomakkeen. Tämän tutkimuksen osallistujat olivat informaatio teknologia-alan opiskelijoita Kreikasta, Suomesta ja Iso-Britanniasta. Tutkija valitsi yhden yliopiston joka maasta ja keräsi tutkimusaineiston kahden kuukauden aikana tutkimuspartnereiden avulla. Nämä yliopistot käyttivät joillakin kursseilla oppimisaktiviteetteja joita voi rinnastaa PBL hybrid malliin eli yhdistelmä ongelma-projekteja ja pienryhmätyöskentelyä. Tämä toinen empiirinen tutkimus keskittyi sopivien ongelman piirteiden käyttöön oppimisprosessissa, mikä on myös aihe joka on saanut vähän huomiota tutkimuksissa. On ratkaisevaa tietää minkälaisia ongelman piirteitä voidaan käyttää kun loogisesti valitaan, suunnitellaan ja yhdistellään sopivia ongelmia ja rakennetaan vakuuttavia opetussuunnitelmia, ohjelmia ja/tai kursseja. Tämä tieto on tärkeää opiskelijoille, oppilaitosten henkilökunnalle ja koulutuspolitiikan päätöksentekijöille. Tämä tutkimus paljasti että ongelmien tarvitsee olla hyvin suunniteltuja mutta huonosti jäsennettyjä täyttääkseen tietyt päämäärät. Tämä tutkimus otti selvää sitä, että missä määrin opiskelijoiden ongelmapiirteiden mieltymykset sopivat yhteen asiantuntijoiden suositusten kanssa siitä, että minkälaiset ongelmat (ja niiden piirteet) ovat sopivia PBL:ään. Kirjallisuuskatsaukseen perustuva tutkimus vertaili kolmea suosittua koulutuksellista innovaatiota: työelämälähtöinen oppiminen, ongelmaperustainen oppiminen, ja ongelmakeskittynyt kasvatus. Monet tutkimukset ovat vertailleet PBL:ää perinteiseen oppiaineperustaiseen, opettajajohtoiseen ja luentoihin pohjautuvaan koulutukselliseen innovaatioon, ja yrittäneet osoittaa että PBL toimii ja on siten tehokas tapa oppia. Kuitenkin PBL:ää on harvoin vertailtu toisenlaisten koulutuksellisten innovaatioiden kanssa. Tämä kirjallisuuskatsaukseen perustuva tutkimus esittää pääpiirteittäin joitakin avaineroja ja -yhtäläisyyksiä ja siten osallistuu kerryttämään tietoa koulutuksellisista innovaatioista. Ensimmäisen empiirisen tutkimuksen tulokset osoittavat että opiskelijat kysyvät pienryhmätyöskentelyn aikana paljon kysymyksiä, mutta vähän transformatiivisia kysymyksiä mitkä haastavat heidän senhetkistä ymmärrystä. Tutorit ja opiskelijat, jotka on valjastettu puheenjohtajan muodollisella roolilla, kysyivät eniten transformatiivisista kysymyksistä, kun taas muut opiskelijat, muodollisen roolin kanssa tai ilman, kysyivät enimmäkseen toisen tyyppisiä kysymyksiä kuten vahvistavia kysymyksiä. Tämän vuoksi joitakin muutoksia tarvitaan jotta kaikki opiskelijat saadaan täysipainoisesti mukaan kysymään enemmän transformatiivisia kysymyksiä, ja siten mahdollisesti saadaan lisättyä pienryhmätyöskentelyn yhteistoiminnallista laatua kun kamppaillaan ongelmien kanssa. Nämä muutokset voivat esimerkiksi tarkoittaa uusien muodollisten toiminnallisten roolien suunnittelemista, mitkä havainnollistavat monitieteistä tiimityötä mitä käytetään oikeassa elämässä. Kuitenkin, oppilaitokset eivät ole kovin innostuneita monitieteisestä työskentelytavasta, vaikka tietynlaisten ongelmien käsittely vaatii juuri monitieteistä otetta koska kestävää ratkaisua ongelmaan ei voida löytää yhden oppiaineen sisältä. Toisen empiirisen tutkimuksen tulokset viittaavat siihen suuntaan että opiskelijat suosivat vähemmän vaativia ongelmia oppimisprosessissa kuin mitä koulutuksen asiantuntijat suosittelevat. Tämä tarkoittaa sitä, että opiskelijat suosivat ongelmia jotka ovat motivoivia mutta eivät tuo ahdistusta; tällaiset ongelmat ovat paremmin jäsentyneitä. Tämä trendi on ongelmallinen koska on olemassa selvä tarve oppia kamppailemaan huonosti jäsentyneiden ongelmien kanssa, tai peräti ongelmien joilla ei ole vakuuttavaa ratkaisua. Tämänlaisia ongelmia alkaa ilmaantua lisää yhteiskunnallisessa, ammatillisessa ja henkilökohtaisen elämän piirissä koska epävarmuus maailmalla lisääntyy. Viime vuosisadan aikana, koulutuksen asiantuntijat tekivät virheen uskoessaan että kamppailu hyvin jäsentyneiden ongelmien kanssa automaattisesti auttoi opiskelijoita kamppailemaan huonosti jäsentyneiden ongelmien kanssa. Kognitiivisen psykologian tutkimukset ovat kumonneet tämän uskomuksen osoittamalla että erityyppiset ongelmat vaativat erilaisia taitoja, tietoja ja/tai käsitteellisen ymmärryksen muutosta mahdollisen ratkaisun tuottamiseksi. Kirjallisuuskatsaukseen perustuvan tutkimuksen tulokset viittaavat siihen että koulutuksellisten innovaatioiden tarvitsee asettaa ongelmat toiminnan keskiöön. Tästä näkökulmasta, ongelmaan keskittynyt kasvatus voidaan ajatella olevan asianmukainen innovaatio mitä voidaan soveltaa oppilaitoksiin ja suositella koulutuspolitiikan tekijöille. Meillä ei ole varaa jatkaa sopimattomien koulutusreformien käyttämistä koulutuksellisiin innovaatioihin mitkä perustuvat prosesseihin, aktiviteetteihin ja materiaaleihin, mutta eivät kehitä opiskelijoiden yhteistoimintakykyä ja -halukkuutta tunnistaa ja tarttua huonosti jäsentyneisiin sekä ei-vielä-ratkaistuihin -ongelmiin. Tämän väitöskirjatutkimuksen tulosten perusteella voidaan vetää sellainen johtopäätös, että on tarve rakentaa vakuuttava silta koulutusorganisaatioiden ja yhteiskunnallisten, ammatillisten sekä henkilökohtaisten maailmojen välille. Tämän sillan tarvitsee kattaa sisältö-, prosessi- ja arvo yhtenevyys. Ongelmat ovat keskeisessä osassa meidän yhteiskunnassa, ammatillisessa ja henkilökohtaisessa elämässä, siksi niiden pitäisi olla keskeisessä osassa myös meidän koulutuksessa. Meillä ei ole varaa koulutukseen joka tuottaa huonoa ongelmatietoisuutta ongelmien tunnistamisen, tarttumisen ja ymmärtämisen merkityksessä. Opiskelijoilla ja opettajilla tai tutoreilla tämä merkitsee sitä että heillä on selvä ajatus siitä mikä on tietämisen arvoista, ja koulutuspolitiikan tekijöille että heillä on selvä ajatus minkälainen koulutus on kaikista arvokkainta.Problems seem to appear everywhere in societal, professional and personal life, but the question is whether education sufficiently prepares us to identify and address problems. The questions that this dissertation asks are the following: In an educational institution’s context and curricula, which problems are considered suitable for increasing students’ deep learning and problem understanding? What kinds of questions do students ask and what should they ask while tackling problems? What kinds of activities could help to a) improve students’ question asking and b) epitomise how central problem selection (as an educational innovation) is in teaching and learning and should be in education? There are many educational innovations, each one accompanied by a claim of superiority concerning their methods and aims and each one handling problems in different ways. Thus, the idea of using problems in education is not new. However, it is worth asking what kinds of ‘problem awareness’ a certain educational innovation can produce for students. Problem-based learning (PBL) seems to be an attractive candidate for producing appropriate problem awareness for every student. PBL has a specific relationship with problems: PBL drives from a problem, triggers learning from a problem by using well-designed but ill-structured problems, and then builds a learning environment by integrating collaborative small-group work, independent self-directed learning demand and the use of various learning resources for supporting students’ learning. This structured and consistent process aims to help students identify, tackle and understand problems as effectively as possible. Yet, studies are limited on the problem (or the problem awareness) itself in PBL. The aim of this thesis is to investigate the meaning of the problem in PBL context through a sequential qualitative multimethod conducted as follows: through two observations for becoming acquainted with the research context, two empirical studies and one literature review study. The first familiarisation phase included two years of participatory observation of small-group work (tutorials) within a PBL-Professional Development programme (PBL-PD) at Tampere, Finland. The second familiarisation phase was a one-month observation of three experienced PBL institutions’ small-group work (tutorials) at Tampere, Finland. For the first empirical study and for approximately two years, I continued audio and video recording seven physiotherapy students’ small-group work with seven different problems in one of these highly experienced PBL-institutions. In total, there were 20 small-group work sessions. The first empirical study examined question-asking during the PBL tutorial (small-group work); this topic has received little attention in studies, although it is crucial for identifying, tackling and understanding problems. That is, without the appropriate questions, it is difficult to effectively handle problems and learn from them. For the second empirical study, I designed a semi-open questionnaire. In this study, the participants were information technology students from Greece, Finland and the United Kingdom. I selected one university from each country and collected data with my co-authors during a two-month period. The institutions use learning activities in some courses that could be considered a PBL hybrid, that is, a combination of problem-projects and small-group work. The second empirical study focussed on suitable features of problems used in the learning process, which is also a topic that has received limited attention in educational research. It is crucial to know what kinds of problem features can be used to logically select, design and integrate appropriate problems to build convincing curricula, programmes and/or courses. This is important for the education stakeholders of students, faculty, staff and educational policy decision makers. This dissertation revealed that problems need to be well-designed but ill-structured to fulfil certain purposes. The research investigated to what extent students’ problem feature preferences match the experts’ recommendations of what kinds of problems (and their features) are considered appropriate within PBL. The literature review study concentrated on comparing and contrasting three currently popular educational innovations: work-based learning, problem-based learning and problem-focussed education. Many studies have compared PBL and traditional subject-based, teacher-directed, and lecture-based educational innovations to show that PBL works and is an effective way of learning. However, PBL has rarely been compared and contrasted to other kinds of educational innovations. This study outlined some key differences and similarities to contribute to the body of knowledge on educational innovations. The results from the first empirical study indicate that students ask a lot of questions during small-group work, but ask only a few transformative questions that challenge their understanding. Tutors and students, with their discussion leader in a formal role, asked most of the transformative questions, while other students with or without a formal role asked mostly other types of questions such as confirmation questions. To engage all students in asking more transformative questions, and thus potentially increase the quality of collaborative small-group work while tackling problems, some changes need to be made. Such changes can, for instance, contribute to designing new kinds of formal functional roles, which represent the multidisciplinary teamwork that occurs in real life. Yet, educational institutions are not very enthusiastic about this kind of multidisciplinary work, although dealing with certain kinds of problems demands multidisciplinary work since the resolution cannot be found in one discipline. The results from the second empirical study imply that students prefer less demanding problems than educational experts recommend in the learning process. That is, students prefer problems that are motivating but do not bring anxiety; these problems tend to be better structured. This trend is problematic since there is a need to learn from tackling ill-structured problems, or even problems that do not have a convincing resolution. These kinds of problems will increasingly arise in the societal, professional and personal spheres now and in the future because of the increasing uncertainty in the world. During the previous century, education specialists made the mistake of believing that accommodating and tackling well-structured problems in learning processes automatically helped students to tackle ill-structured problems. Cognitive psychological studies have proved this wrong, showing that different problem types require different skills, knowledge and/or conceptual changes for potential resolution. The results from the literature review study in this thesis imply that educational innovations need to put problems in the centre. From this perspective, problem-focussed education is considered an appropriate innovation to be adopted by educational institutions and policymakers. We cannot afford to continue using inappropriate educational reforms with educational innovations that are based on processes, activities and materials that do not develop students’ collaborative ability and willingness to identify and address ill-structured and yet-to-be solved problems. Based on the results of these studies, it can be concluded that there is a need to build a convincing bridge between educational institutions and the societal, professional and personal realms. This bridge needs to encompass content and process, and it needs to value correspondence. Problems are central in our societal, professional and personal lives, and they also should be central in our education. We cannot afford education which produces poor problem awareness in the sense of identifying, addressing and understanding problems. For students and teachers or tutors, this means having a clear idea of what is worth knowing, and for education policymakers, this means having a clear idea of what kind of education is of the most worth