Programming as a serious game for building early analytical and reasoning skills

Abstract

Analytical thinking is a basic, transversal skill that helps individuals excel academically and professionally across themes, subject areas, and sectors. It is increasingly in demand by employers in the knowledge economy of today and tomorrow according to ET2020, the New Skills for New Jobs initiative, and the Digital Agenda for Europe. Important aspects of analytical thinking include the ability the think methodically, to deconstruct a problem to smaller parts, and to synthesize a viable solution; the ability to make favorable decisions with positive outcomes; and the capacity to transfer critical thinking in learning contexts to real-life situations. The above are strategy elements used by players for making advancements in game play; furthermore, they are an integral part of good practices in programming, which is an inherently structured activity that applies universal logic. This work investigates how programming games rooted in logical thinking puzzles can promote critical thinking mindsets among young learners in primary education. The work introduces a methodological learning approach based on programming games that combine active, experiential learning and collaboration in social learning loops towards building reasoning and algorithmic thinking patterns at an early age. The approach combines semi-structured exploration in aphaeretic environments that introduce only relevant information allowing learners to build intuition on potential solutions to puzzles, precise algorithmic synthesis through visual presentations of programming commands with an emphasis on logical structure rather than programming syntax, visual real-time feedback on synthesis efforts, solution comparison for exposing learners optimization aspects, and gamification elements for promoting engagement and knowledge development. The methodology was evaluated in real-life contexts at schools in Greece, the Czech Republic, and Romania with the objective of establishing how collaborative programming games deployed in the classroom promote learning engagement, scaffolding of knowledge, and collective achievement. Findings demonstrate that gamification elements in the form of rewards positively impact engagement in higher order thinking activities. Most importantly, findings show that the method of integration of programming games in learning is significant. Collaborative organization of work can enhance collective results and foster higher exercise completion rates. Direction, both by the teacher in the form of briefing and de-briefing before and after engagement and by game mechanics in the form of semi-structured exploration, visual presentation of commands, feedback, and presentation of optimal solutions, further enhances learner achievement when integrated into wider collaborative class practices. Finally, the linking of programming game themes to school curricula can promote their easier integration into school learning and, as a result, elevated learner focus on analytical thinking activities.

Η αναλυτική σκέψη αναγνωρίζεται σαν μια από τις βασικές εγκάρσιες δεξιότητες που βοηθούν στις καλές επιδόσεις στην ακαδημαϊκή και επαγγελματική εξέλιξη ενός ατόμου ανεξάρτητα από τον τομέα ή και γνωστικό αντικείμενο στο οποίο επικεντρώνεται. Βρίσκεται σε συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση από τους εργοδότες στην οικονομία της γνώσης του σήμερα και του αύριο σύμφωνα με τις πρωτοβουλίες Εκπαίδευση και Κατάρτιση 2020 (Education and Training 2020, Νέες Δεξιότητες για Νέες Δεξιότητες για Νέες Θέσεις Εργασίας (New Skills for New Jobs) της Ευρωπαϊκής Επιτροπής, και Ψηφιακή Ατζέντα για την Ευρώπη (Digital Agenda for Europe). Σημαντικές πτυχές της αναλυτικής σκέψης περιλαμβάνουν την μεθοδικότητα, την αποδόμηση ενός προβλήματος σε μικρότερα μέρη, και τη σύνδεσης μιας βιώσιμη λύσης σε δεδομένο πρόβλημα. Άλλα στοιχεία της αναλυτικής σκέψης είναι η ικανότητα λήψης αποφάσεων που οδηγούν σε θετικό αποτέλεσμα και η ικανότητα μεταβίβασης του κριτικού τρόπου σκέψης από πλαίσια μάθησης σε καταστάσεις της πραγματικής ζωής. Τα παραπάνω είναι στοιχεία στρατηγικής που εφαρμόζονται από χρήστες κατά την εξέλιξη ενός ψηφιακού, ή και άλλου, παιχνιδιού. Επιπλέον, αποτελούν αναπόσπαστο μέρος των ορθών πρακτικών στον προγραμματισμό, ο οποίος είναι μια εγγενώς δομημένη δραστηριότητα βασισμένη σε καθολική λογική. Η εργασία αυτή διερευνά το πώς παιχνίδια προγραμματισμού βασισμένα σε ασκήσεις λογικής μπορούν να προάγουν την κριτική σκέψη σε νέους μαθητές στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση. Η εργασία εισάγει μια μεθοδολογική μαθησιακή προσέγγιση βασισμένη σε παιχνίδια προγραμματισμού που συνδυάζουν ενεργές, βιωματικές διαδικασίες και συνεργασία σε κύκλους κοινωνικής μάθησης με σκοπό την οικοδόμηση συλλογιστικής και αλγοριθμικής σκέψης σε νεαρή ηλικία. Η μέθοδος αυτή συνδυάζει ημι-δομημένη εξερεύνηση σε αφαιρετικό περιβάλλον που εισάγει μόνο σχετική με ένα πρόβλημα πληροφορία επιτρέποντας στους μαθητές να αναπτύξουν διαίσθηση σχετικά με πιθανές λύσεις, ακριβή σύνθεση αλγοριθμικής λύσης με γραφικές αναπαραστάσεις εντολών προγραμματισμού που δίνουν έμφαση στην λογική δομή και όχι στην προγραμματιστική σύνταξη, γραφική ανατροφοδότηση σε πραγματικό χρόνο σχετικά με τα αποτελέσματα της προσπάθειας σύνθεσης, σύγκριση λύσεων με σκοπό την έκθεση ενός μαθητή στην έννοια της βελτιστοποίησης, και παιγνιώδη στοιχεία (gamification) για την προώθηση της ενασχόλησης με τη μάθηση και της ανάπτυξης της γνώσης. Η μεθοδολογία αξιολογήθηκε σε πραγματικές συνθήκες μάθησης σε σχολεία στην Ελλάδα, την Τσεχία, και τη Ρουμανία με στόχο τη διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο συνεργατικά παιχνίδια προγραμματισμού μέσα στην τάξη προωθούν την ενεργή συμμετοχή στη μάθηση, τη σταδιακή αύξηση της γνώσης (scaffolding), και τη βελτίωση των συλλογικών μαθησιακών επιτευγμάτων μιας τάξης. Τα ευρήματα δείχνουν ότι τα στοιχεία παιχνιδιού με τη μορφή της ανταμοιβής επηρεάζουν θετικά την εμπλοκή σε δραστηριότητες αναλυτικής σκέψης. Δείχνουν επιπλέον ότι η μέθοδος της ενσωμάτωσης των παιχνιδιών προγραμματισμού στη μάθηση είναι σημαντικός. Η συνεργατική οργάνωση της εργασίας μπορεί να ενισχύσει τα συλλογικά αποτελέσματα και την προώθηση υψηλότερων ποσοστών ολοκλήρωσης μαθησιακών ασκήσεων. Η καθοδήγηση, τόσο από το δάσκαλο με τη μορφή ενημέρωσης και απολογισμού πριν και μετά την εμπλοκή σε μαθησιακά παιχνίδια όσο και από την ψηφιακή εφαρμογή με τη μορφή ημι-δομημένης εξερεύνησης, γραφικής παρουσίαση εντολών, ανατροφοδότησης, και παρουσίασης βέλτιστων λύσεων, ενισχύει περαιτέρω τη επίτευξη των μαθησιακών στόχων όταν ενταχθεί σε ευρύτερες πρακτικές συνεργασίας μέσα στην τάξη. Τέλος, η σύνδεση του θέματος ενός παιχνιδιού προγραμματισμού με το σχολικό πρόγραμμα σπουδών μπορεί να προάγει την ευκολότερη ένταξή του παιχνιδιού σε διαδικασίες μάθησης στο σχολείο με συνέπεια την αυξημένη εστίαση των μαθητών σε δραστηριότητες ανάπτυξης της αναλυτικής σκέψης.