[論文レビュー] Introduction to Computational Thinking: a new high school curriculum using CodeWorld

Fernando Alegre, John Underwoood+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2019

Teaching and Learning Programming被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Haskellに基づく言語を用いてプログラミングと数学的推論を教えるCodeWorld環境を活用した高校向け計算的思考カリキュラム、『計算的思考の導入（ICT）』を提示する。この9年生向けのコースは、構文よりも概念的基盤に重点を置き、教材知識の平均増加率が24%に達し、難易度が高く感じられても、学生の前向きな態度が見られた。

ABSTRACT

The Louisiana Department of Education partnered with the Gordon A. Cain Center at LSU to pilot a Computing High School Graduation Pathway. The first course in the pathway, Introduction to Computational Thinking (ICT), is designed to teach programming and reinforce mathematical practice skills of nine-grade students, with an emphasis on promoting higher order thinking. In 2017-18, about 200 students and five teachers participated in the pilot, in 2018-2019 the participation increased to 400 students, and in the current 2019-2020 year about 800 students in 11 schools are involved. Professional development starts with a five-week intensive summer institute, which is complemented with follow-up Saturday sessions and coaching support during the academic year. After describing the course content and briefly the teacher training, we discuss the data we have collected in the last two years. The overall student reception of the course has been positive, but the course was categorized by most students as hard. However, the Computing Attitude Survey analysis indicates that the difficulty of the course did not demotivate the students. The pre-post test content assessments show that students learned not only the language, but also general principles of programming, logic and modeling, as well as use of variables, expressions and functions. Lessons learned during the pilot phase motivated changes, such as emphasizing during PD the need to provide timely feedback to students, provide detailed rubrics for the projects and reorganize the lessons to increase the initial engagement with the material. After two years of running pilots, the course is becoming student-centered, where most of the code and image samples provided in the lessons are based on code created by previous students.

研究の動機と目的

• 一般の高校生を対象に、プログラミングを代数、幾何学、科学モデリングと結びつける計算的思考カリキュラムの開発。
• 非CS専門の教員（例：数学・理科教員）が効果的にこのコースを実施できるようにするための教師研修モデルの構築。
• 生徒中心でプログラミングに焦点を当てたカリキュラムの設計を通し、支援が不足している集団における高次思考と概念的理解を促進すること。
• 複数の学区にまたがる大規模なパイロットにおいて、生徒の学習効果と態度の変化を評価すること。

提案手法

• コースは、簡略化されたHaskellの変種に基づく、WebベースのIDE「CodeWorld」を用い、視覚的および数学的モデリングを通じてプログラミングの概念を教える。
• 授業は計算的思考の原則に基づき構成され、構文は必要に応じて導入され、最初の段階では式、変数、関数に焦点を当てる。
• 教員研修は5週間の夏季インスティテュートで構成され、教員は生徒の課題を遂行し、ペアでのフィードバックを実践し、授業計画を策定する。
• カリキュラムは、ペアプログラミングや共同でのシーン作成を通じて、抽象化、分解、反復的開発を強調する。
• 評価には、事前・事後テストとしての「コーディングの概念的基盤テスト」と、学習と態度の変化を測定するための「コンピューティング態度調査（CAS）」が含まれる。
• データ分析には、事前・事後テストの比較にウィルコクソン符号順位検定を用い、態度と学習効果の相関関係を調査するための相関分析が用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ICTカリキュラムは、生徒のプログラミング、論理的思考、モデリングの概念的理解をどの程度向上させるか？
• RQ2 本コースは、難易度が高く感じられても、生徒のコンピューティングに対する態度にどのような変化をもたらすか？
• RQ3 教員研修は、指導の質と生徒の学習成果にどのような影響を与えるか？
• RQ4 計算的思考の学習効果と生徒のコンピューティングに対する態度の間には、どのような相関関係があるか？

主な発見

• 生徒は『コーディングの概念的基盤テスト』において、平均で24%の有意な上昇を示し、事後テストの得点は29.5%から53.8%に上昇した。
• ウィルコクソン符号順位検定により、事前・事後テストの分布に有意差があることが確認された（p < 2.2 × 10^(-16)）。
• 変数、式と関数、CodeWorld固有の内容、数学的モデリングの4つのテストカテゴリーすべてで、事後テストの平均得点が事前テストの平均得点を上回った。
• 『コンピューティング態度調査』では、生徒の態度にほとんど変化がなかった（変化量0.02）、事前・事後テストの相関が強く（R = 0.54、p = 1.3 × 10^(-10)）安定していた。
• 生徒のコース終了後の態度と、内容テストにおける学習効果の間には、正の相関関係が認められた（R = 0.29、p = 0.001）。
• 全員が難易度を「難しい」と評価したにもかかわらず、学習意欲が低下せず、大多数の生徒が肯定的な体験を報告した。