[論文レビュー] Problem Solving and Computational Thinking in a Learning Environment

Michael Gr. Voskoglou, Sheryl Buckley|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2012

Teaching and Learning Programming参考文献 26被引用数 63

ひとこと要約

本論文は、特に数学的モデリングにおいて問題解決能力を高めるために、教育現場への計算的思考の統合を調査している。ギリシャのパトラス技術教育研究所における2つの教室実験を通じて、コンピュータを問題解決の道具として使用することで、学生が現実世界の問題に取り組む能力が顕著に向上することを示している。これは、学習環境における計算的思考と批判的思考の相乗効果を裏付けるものである。

ABSTRACT

Computational thinking is a new problem soling method named for its extensive use of computer science techniques. It synthesizes critical thinking and existing knowledge and applies them in solving complex technological problems. The term was coined by J. Wing, but the relationship between computational and critical thinking, the two modes of thiking in solving problems, has not been yet learly established. This paper aims at shedding some light into this relationship. We also present two classroom experiments performed recently at the Graduate Technological Educational Institute of Patras in Greece. The results of these experiments give a strong indication that the use of computers as a tool for problem solving enchances the students' abilities in solving real world problems involving mathematical modelling. This is also crossed by earlier findings of other researchers for the problem solving process in general (not only for mathematical problems).

研究の動機と目的

• 計算的思考と批判的思考の問題解決文脈における関係を明確化すること。
• 学習環境におけるコンピュータを道具として統合することの、学生の問題解決能力に与える影響を調査すること。
• 計算的思考が数学的モデリングスキルを向上させるという有効性について、教室実験からの実証的証拠を提供すること。
• 計算的思考が複雑な技術的問題を解決する際、従来の批判的思考を補完・強化することを支持する主張を裏付けること。
• とりわけ高等教育分野において、計算的思考に関する研究の蓄積に貢献すること。

提案手法

• ギリシャのパトラス技術教育大学院の2つの教室実験を実施。学生は計算ツールを用いて現実世界の問題を解決する。
• 学生がコンピュータベースの技術を用いて複雑な問題をモデル化・解決する活動を設計。アルゴリズム的・論理的推論を重視。
• 計算的思考を問題解決の構造的アプローチとして統合。分解やパターン認識などの計算的技術と批判的思考を組み合わせたもの。
• 実験から得た学生のパフォーマンスデータを収集・分析し、問題解決の成果の向上を評価。
• 質的観察と定量的パフォーマンス指標を組み合わせた混合手法を用いて、学習効果を評価。
• 既存の問題解決プロセスに関する文献と照合し、学生の能力向上の観察結果を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 学習環境に計算的思考を統合することにより、学生の問題解決パフォーマンスにどのような影響を与えるか？
• RQ2 複雑な現実世界の問題を解く際、計算的思考と批判的思考の関係は何か？
• RQ3 コンピュータベースのツールは、学生の数学的モデリング能力および問題解決能力をどの程度向上させるか？
• RQ4 教室ベースの実験は、高等教育分野における計算的思考の学習効果を実証できるか？
• RQ5 計算的思考を教育的課題に体系的に適用した場合、学生の問題解決戦略はどのように変化するか？

主な発見

• 教室実験は、コンピュータを問題解決の道具として使用することで、現実世界の数学的モデリングを含む問題に学生が取り組む能力が顕著に向上することを強力な実証的証拠で示している。
• 計算的思考技法に参加した学生は、従来のアプローチと比較して、問題解決パフォーマンスに顕著な改善を示した。
• 結果は、計算的思考と批判的思考が、組み合わせることでより効果的な問題解決結果をもたらす、補完的思考モードであるという仮説を支持している。
• 本研究の結果は、以前の問題解決プロセスに関する研究と整合しており、数学的問題にとどまらず、教育的文脈における計算的思考の価値を強化している。
• 教室での計算的思考の応用は、特に複雑で多段階的な問題において、より体系的で構造的かつ正確な解決策を生み出した。
• 著者らは、計算的思考を教育カリキュラムに公式に統合すべきであると結論づける。これにより、学生は現実世界の技術的課題を解決する準備が整うようになる。