[논문 리뷰] Understanding Learners' Problem-Solving Strategies in Concurrent and Parallel Programming: A Game-Based Approach

Jichen Zhu, Katelyn Alderfer외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 10.

Educational Games and Gamification참고 문헌 41인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 게임 기반 학습 환경인 Parallel이 학부생들의 동시 및 병렬 프로그래밍(CPP)에서 자기효능감과 문제 해결 전략에 미치는 영향을 조사한다. 44명의 학생과 6명의 학생이 수행한 생각을 말로 털어내는 프로토콜을 포함한 혼합 방법론을 사용한 연구에서, 플레이어십 이후 자기효능감이 유의미하게 증가했고, 학생들은 시도와 실수, 단일 스레드, 다중 스레드 문제 해결의 세 가지 유형의 전략을 사용한 것으로 나타났으며, 자기효능감이 높을수록 다중 스레드 전략에 더 오랜 시간을 할애하는 것으로 나타났다.

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.

연구 동기 및 목표

• 학부생들이 동시 및 병렬 프로그래밍(CPP)을 위한 게임 기반 학습 환경에 참여함에 따라 자기효능감이 어떻게 변화하는지 이해하기 위해.
• 학생들이 Parallel 게임을 플레이하는 동안 사용하는 문제 해결 전략을 식별하고 분류하기 위해.
• 자기효능감과 CPP에서 다중 스레드 문제 해결 전략 사용 간의 관계를 조사하기 위해.
• 플레이 행동, 특히 전략 사용이 CPP 학습 맥락에서 자기효능감을 측정하는 대체 지표로 활용될 수 있는지 탐색하기 위해.
• 게임 기반 학습이 순차적 프로그래밍에서 동시 프로그래밍으로의 개념적 전환을 어떻게 지원할 수 있는지 경험적 통찰을 기여하기 위해.

제안 방법

• 학부생 44명이 등록한 운영체제 수업에 참여한 사용자 연구를 수행하였다.
• 검증된 척도를 사용하여 자기효능감을 측정하기 위해 사전 및 사후 설문지를 시행하였다.
• 플레이 데이터를 수집하고, 6명의 학생을 대상으로 생각을 말로 털어내는 프로토콜을 활용하여 실시간 문제 해결 과정을 분석하였다.
• 관찰된 문제 해결 행동을 세 가지 유형의 전략으로 분류: 시도와 실수, 단일 스레드 문제 해결, 다중 스레드 문제 해결.
• 각 전략 유형에 할애된 시간을 정량화하고 자기효능감 점수와의 상관관계를 분석하였다.
• 생각을 말로 털어내는 프로토콜의 정성적 분석을 통해 정량적 결과의 전략 진행 과정을 검증하고 맥락화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Parallel 게임을 플레이함으로써 학습자들의 동시 및 병렬 프로그래밍에서 자기효능감은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 학생들은 Parallel 게임을 플레이하는 동안 어떤 문제 해결 전략을 사용하는가?
• RQ3 자기효능감은 다중 스레드 문제 해결 전략을 사용하는 데 할애된 시간과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 플레이 행동, 특히 전략 사용이 CPP 학습 맥락에서 자기효능감의 지표로 기능할 수 있는가?
• RQ5 학습자가 점점 더 복잡한 게임 레벨을 진행함에 따라 문제 해결 접근 방식은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 사전 설문에서 사후 설문으로의 자기효능감 증가가 유의미하게 관찰되어 Parallel 게임 플레이가 긍정적인 영향을 미쳤음을 시사한다.
• 학생들의 문제 해결 전략은 일관되게 세 가지 유형으로 분류되었으며, 시도와 실수, 단일 스레드 문제 해결, 다중 스레드 문제 해결이다.
• 학생들의 사전 자기효능감과 다중 스레드 문제 해결 전략에 할애된 시간 비율 사이에 유의미한 양의 상관관계가 있었다.
• 게임 레벨의 난이도가 증가함에 따라 학생들은 시도와 실수 및 단일 스레드 접근 방식에서 더 복잡하고 조율된 다중 스레드 전략으로 전환하였다.
• 생각을 말로 털어내는 프로토콜 분석 결과, 학생들은 처음에는 시도와 실수에 의존했지만, 게임 인터페이스와 메커니즘에 익숙해지면서 점차 체계적이고 동시적인 사고 방식으로 전환하였다.
• 문제 해결 전략의 진행 과정은 CPP의 증가하는 인지적 요구 수준과 일치했으며, 이는 게임이 병렬성에 대한 개념적 이해를 효과적으로 지원함을 시사한다.