[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究探讨了基于游戏的学习环境 Parallel 如何影响本科生在并发与并行编程（CPP）中的自我效能感和问题解决策略。采用混合方法研究，样本为44名学生，其中6名学生提供了思考 aloud 协议。研究发现，游戏后学生的自我效能感显著提升，且学生采用了三种不同的策略——试错法、单线程法和多线程法；自我效能感越高，学生在多线程策略上投入的时间也越多。

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.

研究动机与目标

• 理解学习者在参与基于游戏的并发与并行编程（CPP）学习环境过程中，自我效能感如何演变。
• 识别并分类学生在游玩 Parallel 游戏时所使用的问题解决策略。
• 考察自我效能感与学生采用多线程问题解决策略之间的关系。
• 探索将游戏行为（尤其是策略使用）作为 CPP 学习情境中自我效能感评估代理指标的潜力。
• 为基于游戏的学习如何支持从顺序编程到并发编程的概念性转变提供实证洞察。

提出的方法

• 在一门操作系统课程中，对44名计算机科学专业本科生开展用户研究。
• 使用经过验证的量表，通过前后测问卷测量学生的自我效能感。
• 收集游戏行为数据，并对其中六名学生使用思考 aloud 协议，分析其实时问题解决过程。
• 将观察到的问题解决行为分类为三种不同策略：试错法、单线程问题解决法和多线程问题解决法。
• 量化每种策略类型所花费的时间，并分析其与自我效能感得分的相关性。
• 通过思考 aloud 文本的定性分析，验证并 contextualize 量化研究发现中的策略发展过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 游玩 Parallel 游戏如何影响学习者在并发与并行编程中的自我效能感？
• RQ2 学生在游玩 Parallel 游戏时采用哪些问题解决策略？
• RQ3 自我效能感与学生在多线程问题解决策略上投入的时间之间存在何种关系？
• RQ4 游戏行为（尤其是策略使用）能否作为 CPP 学习情境中自我效能感的指示指标？
• RQ5 随着游戏关卡难度的提升，学生的问题解决方法如何演变？

主要发现

• 从预调查到后测，自我效能感显著提升，表明游玩 Parallel 游戏产生了可测量的积极影响。
• 学生的问题解决策略被一致归类为三种类型：试错法、单线程问题解决法和多线程问题解决法。
• 学生在游戏前的自我效能感与其在多线程问题解决策略上所花费时间的百分比之间存在显著正相关。
• 随着游戏关卡难度增加，学生从试错法和单线程方法逐步过渡到更复杂、协调性更强的多线程策略。
• 思考 aloud 协议显示，学生最初依赖试错法，但随着对游戏界面和机制的熟悉，逐渐转向系统性、并发性思维。
• 问题解决策略的演进过程与 CPP 的认知需求增长相一致，表明该游戏有效支持了对并行性概念理解的建构。