[論文レビュー] Understanding Learners' Problem-Solving Strategies in Concurrent and Parallel Programming: A Game-Based Approach

Jichen Zhu, Katelyn Alderfer+3 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2020

Educational Games and Gamification参考文献 41被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、並列プログラミング（CPP）における自己効力感と問題解決戦略に、ゲームベース学習環境「Parallel」が与える影響を調査する。44名の学部生と、そのうち6名の学生による「声に出して考える」プロトコルを用いた混合研究手法を採用した結果、ゲームプレイ後、自己効力感が顕著に向上した。また、学生は3つの異なる戦略—試行錯誤、単一スレッド、マルチスレッド問題解決—を用いており、自己効力感が高いほどマルチスレッド戦略に費やす時間が長くなる傾向が見られた。

ABSTRACT

Concurrent and parallel programming (CPP) is an increasingly important subject in Computer Science Education. However, the conceptual shift from sequential programming is notoriously difficult to make. Currently, relatively little research exists on how people learn CPP core concepts. This paper presents our results of using Parallel, an educational game about CPP, focusing on the learners' self-efficacy and how they learn CPP concepts. Based on a study of 44 undergraduate students, our research shows that (a) self-efficacy increased significantly after playing the game; (b) the problem-solving strategies employed by students playing the game can be classified in three main types: trial and error, single-thread, and multi-threaded strategies, and (c) that self-efficacy is correlated with the percentage of time students spend in multithreaded problem-solving.

研究の動機と目的

• ゲームベースの学習環境を用いて並列プログラミング（CPP）に取り組む学習者の自己効力感の変化を理解すること。
• 学生がParallelゲームをプレイする際、使用する問題解決戦略を特定し、分類すること。
• CPPにおける自己効力感とマルチスレッド問題解決戦略の採用との関係を検討すること。
• ゲームプレイ行動、特に戦略の使用がCPP学習状況における自己効力感の指標として機能する可能性を検討すること。
• ゲームベース学習が、順序的プログラミングから並列プログラミングへの概念的転換をどのように支援するか、実証的知見を提供すること。

提案手法

• オペレーティングシステムの授業を履修する44名の学部生を対象に、ユーザー研究を実施した。
• 妥当性が確認された尺度を用いて、自己効力感を測定する事前・事後アンケートを実施した。
• ゲームプレイデータを収集し、6名の学生を対象に「声に出して考える」プロトコルを用いて、リアルタイムでの問題解決プロセスを分析した。
• 観察された問題解決行動を3つの明確な戦略に分類した：試行錯誤、単一スレッド問題解決、マルチスレッド問題解決。
• 各戦略タイプに費やした時間を定量的に測定し、自己効力感スコアとの相関を分析した。
• 「声に出して考える」トランスクリプトの定性的分析を用いて、戦略の進行に関する定量的 findings の検証と文脈化を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Parallelゲームをプレイすることで、学習者の並列プログラミングにおける自己効力感はどのように変化するか？
• RQ2 学生はParallelゲームをプレイする際に、どのような問題解決戦略を用いるか？
• RQ3 自己効力感と、マルチスレッド問題解決戦略に費やす時間との関係は何か？
• RQ4 特に戦略の使用を含むゲームプレイ行動は、CPP学習状況における自己効力感の指標として機能できるか？
• RQ5 難易度が上昇するゲームレベルを進むに従い、学生の問題解決アプローチはどのように進化するか？

主な発見

• 事前アンケートから事後アンケートへの移行で、自己効力感が顕著に向上しており、Parallelゲームのプレイが明確なポジティブな影響を与えたことが示された。
• 学生の問題解決戦略は、一貫して3つのタイプに分類された：試行錯誤、単一スレッド問題解決、マルチスレッド問題解決。
• 事前自己効力感と、マルチスレッド問題解決戦略に費やす時間の割合との間に、顕著な正の相関が確認された。
• ゲームレベルの難易度が上昇するに従い、学生は試行錯誤や単一スレッドアプローチから、より複雑で調整のとれたマルチスレッド戦略へと移行した。
• 「声に出して考える」プロトコルの分析から、学生は当初、試行錯誤に依存していたが、ゲームのインターフェースやメカニズムに慣れると、段階的で並列的な思考へと移行した。
• 問題解決戦略の進行は、CPPの増大する認知的要請と一致しており、ゲームが並列性の概念的理解を効果的に支援していることが示唆された。