Διδακτική της πληροφορικής στην δευτεροβάθμια εκπαίδευση και μέθοδοι αξιολόγησής της με χρήση τεχνητής νοημοσύνης

Abstract

The teaching of Informatics in secondary education constitutes a distinct field, as it combines a constantly evolving subject area, laboratory and theoretical requirements, elements of digital culture and social dimensions, cognitive difficulties in understanding core concepts, and at the same time the need for creativity, collaboration, and interdisciplinary approaches. More specifically, with regard to learning programming, the typical teaching approach is usually based on the use of high-level programming languages and a programming environment or text editor in order to write and execute programs for solving simple computational problems. Nowadays, however, an alternative approach for introducing lower secondary school students to programming is educational robotics, which connects programming with the physical world and offers a more experiential, engaging, and collaborative learning environment. As research on Informatics teaching techniques continues to evolve, the reasonable question also arises of how these techniques can be evaluated so that their weaknesses can be identified and improved. Traditionally, the use of student questionnaires constitutes a reliable way of assessing the teaching process, as it allows the teacher to investigate the extent to which the learning objectives were achieved and how students experienced the lesson. More recently, machine learning techniques from the field of artificial intelligence offer new evaluation possibilities, which can be applied early in the school year in order to identify weaknesses both in the teaching technique and in students’ learning progress, thus allowing timely corrective interventions. Within this context, the present research approaches the design and evaluation of teaching as a unified process, aiming at a more comprehensive way of assessing teaching techniques through the combination of traditional and contemporary methods. The present research focuses on the design, organization, implementation, and evaluation of an alternative teaching scenario for learning programming by lower secondary school students, based on educational robotics, the flipped classroom model, and the use of an asynchronous distance learning environment under conditions of limited weekly instructional time. This teaching scenario aims to transfer part of the learning process outside the classroom, so that students can access the educational material independently of time and place and work through it at their own pace, while face-to-face instructional time is used mainly for collaboration, inquiry, experimentation, construction, and programming of robotic systems. Within this framework, a variation of the Jigsaw technique was also developed, specifically adapted to the requirements of educational robotics, with the aim of organizing student collaboration in groups more effectively and supporting their active participation in problem solving. This teaching intervention was initially evaluated by the students themselves through a questionnaire, in order to investigate the degree to which this specific learning environment responded to their needs for learning programming. The results showed that students responded positively to the process of learning programming through educational robotics, that the possibility of seeing the results of their programs through the movement of a robot enhanced both their understanding and their interest, and that the organization of the lesson within a flipped classroom environment supported their access to the material, study at their own pace, communication, and collaboration. At the same time, it was found that content formats such as examples with images and videos significantly helped students understand programming more effectively. The research then proceeded to make use of data from the learning process in order to develop a machine learning model aimed at predicting students’ final performance in the Informatics course. Although such techniques have been studied mainly in post-secondary education, where large datasets are usually available, in the present research they were applied at the secondary education level despite the limitations imposed by the small size of the dataset. Students’ initial grades from quizzes and assignments, together with demographic data, were used in order to build and test different predictive models. The results showed that, even within this context, it is possible to develop a sufficiently accurate model for predicting student performance. The CHAID algorithm demonstrated the best overall performance in terms of accuracy (82.14%) and AUC value, compared with other algorithms tested, such as QUEST, C5, BN, and RF. At the same time, the most important predictor of final performance was identified, offering useful indications of which elements of the educational material and learning activities appear to have the greatest instructional value. Overall, the present research highlights that learning programming in lower secondary education can be effectively supported through an alternative, student-centered, and technologically enriched teaching framework that combines educational robotics, the flipped classroom, collaborative learning, and the use of data derived from the learning process itself. At the same time, it shows that the combination of questionnaires and machine learning techniques can offer a more comprehensive way of evaluating teaching techniques, strengthening both the improvement of teaching and the timely support of students within everyday school practice.

Η διδακτική της Πληροφορικής στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση αποτελεί ένα ιδιαίτερο πεδίο, καθώς συνδυάζει ένα διαρκώς εξελισσόμενο γνωστικό αντικείμενο, εργαστηριακές και θεωρητικές απαιτήσεις, στοιχεία ψηφιακής κουλτούρας και κοινωνικών διαστάσεων, γνωστικές δυσκολίες στην κατανόηση βασικών εννοιών και ταυτόχρονα την ανάγκη για δημιουργικότητα, συνεργασία και διαθεματικές προσεγγίσεις. Ειδικότερα, όσον αφορά την εκμάθηση προγραμματισμού, ο τυπικός τρόπος διδασκαλίας στηρίζεται συνήθως στη χρήση γλωσσών προγραμματισμού υψηλού επιπέδου και ενός προγραμματιστικού περιβάλλοντος ή επεξεργαστή κειμένου, προκειμένου να συνταχθούν και να εκτελεστούν προγράμματα για την επίλυση απλών υπολογιστικών προβλημάτων. Στις μέρες μας, ωστόσο, μία εναλλακτική προσέγγιση για την εισαγωγή μαθητών γυμνασίου στον προγραμματισμό είναι η εκπαιδευτική ρομποτική, η οποία συνδέει τον προγραμματισμό με τον φυσικό κόσμο και προσφέρει ένα περισσότερο βιωματικό, ελκυστικό και συνεργατικό μαθησιακό περιβάλλον. Καθώς όμως η έρευνα γύρω από τις διδακτικές τεχνικές της Πληροφορικής εξελίσσεται, ανακύπτει εύλογα και το ερώτημα με ποιους τρόπους μπορούν αυτές να αξιολογηθούν, ώστε να εντοπίζονται οι αδυναμίες τους και να βελτιώνονται. Παραδοσιακά, η χρήση ερωτηματολογίων προς τους μαθητές αποτελεί έναν αξιόπιστο τρόπο αποτίμησης της διδακτικής διαδικασίας, καθώς επιτρέπει στον εκπαιδευτικό να διερευνήσει σε ποιο βαθμό επιτεύχθηκαν οι μαθησιακοί στόχοι και πώς βίωσαν οι μαθητές το μάθημα. Πιο σύγχρονα, τεχνικές μηχανικής μάθησης από τον χώρο της τεχνητής νοημοσύνης προσφέρουν νέες δυνατότητες αξιολόγησης, οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν από νωρίς στη σχολική χρονιά, ώστε να εντοπιστούν αδυναμίες τόσο της διδακτικής τεχνικής όσο και της μαθητικής πορείας και να γίνουν έγκαιρες διορθωτικές παρεμβάσεις. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα εργασία προσεγγίζει ενιαία τον σχεδιασμό και την αξιολόγηση της διδασκαλίας, επιδιώκοντας έναν πιο ολοκληρωμένο τρόπο αποτίμησης διδακτικών τεχνικών μέσα από τον συνδυασμό παραδοσιακών και σύγχρονων μεθόδων. Η παρούσα έρευνα εστιάζει στον σχεδιασμό, την οργάνωση, την εφαρμογή και την αξιολόγηση ενός εναλλακτικού διδακτικού σεναρίου για την εκμάθηση προγραμματισμού από μαθητές γυμνασίου, το οποίο βασίζεται στην εκπαιδευτική ρομποτική, στο μοντέλο της ανεστραμμένης τάξης και στη χρήση ενός περιβάλλοντος ασύγχρονης τηλεκπαίδευσης, σε συνθήκες περιορισμένου εβδομαδιαίου διδακτικού χρόνου. Το διδακτικό αυτό σενάριο επιδιώκει να μεταφέρει μέρος της μελέτης εκτός τάξης, ώστε οι μαθητές να έχουν πρόσβαση στο εκπαιδευτικό υλικό ανεξάρτητα από χρόνο και τόπο και να το επεξεργάζονται με τον δικό τους ρυθμό, ενώ ο χρόνος της δια ζώσης διδασκαλίας να αξιοποιείται κυρίως για συνεργασία, διερεύνηση, πειραματισμό, κατασκευή και προγραμματισμό ρομποτικών συστημάτων. Στο πλαίσιο αυτό, αναπτύχθηκε και μία παραλλαγή της τεχνικής Jigsaw, προσαρμοσμένη ειδικά στις απαιτήσεις της εκπαιδευτικής ρομποτικής, με στόχο την αποτελεσματικότερη οργάνωση της συνεργασίας των μαθητών σε ομάδες και τη στήριξη της ενεργού συμμετοχής τους στην επίλυση προβλημάτων. Η διδακτική αυτή παρέμβαση αξιολογήθηκε αρχικά από τους ίδιους τους μαθητές μέσω ερωτηματολογίου, ώστε να διερευνηθεί ο βαθμός στον οποίο το συγκεκριμένο μαθησιακό περιβάλλον ανταποκρίθηκε στις ανάγκες τους για την εκμάθηση προγραμματισμού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι μαθητές αντιμετώπισαν θετικά τη διαδικασία εκμάθησης προγραμματισμού μέσω της εκπαιδευτικής ρομποτικής, ότι η δυνατότητα να βλέπουν τα αποτελέσματα των προγραμμάτων τους στην κίνηση ενός ρομπότ ενίσχυσε την κατανόηση και το ενδιαφέρον τους, ενώ η οργάνωση του μαθήματος σε περιβάλλον ανεστραμμένης τάξης υποστήριξε την πρόσβασή τους στο υλικό, τη μελέτη με τον δικό τους ρυθμό, την επικοινωνία και τη συνεργασία. Παράλληλα, διαπιστώθηκε ότι μορφές περιεχομένου όπως τα παραδείγματα με εικόνες και βίντεο βοήθησαν σημαντικά τους μαθητές να κατανοήσουν καλύτερα τον προγραμματισμό. Στη συνέχεια, η έρευνα προχώρησε στην αξιοποίηση των δεδομένων της μαθησιακής διαδικασίας για τη δημιουργία ενός μοντέλου μηχανικής μάθησης με στόχο την πρόβλεψη της τελικής επίδοσης των μαθητών στο μάθημα της Πληροφορικής. Αν και οι τεχνικές αυτές έχουν μελετηθεί κυρίως στη μεταδευτεροβάθμια εκπαίδευση, όπου υπάρχουν συνήθως μεγάλα σύνολα δεδομένων, στην παρούσα εργασία εφαρμόστηκαν σε επίπεδο δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης, παρά τους περιορισμούς που θέτει το μικρό μέγεθος των δεδομένων. Χρησιμοποιήθηκαν οι αρχικές βαθμολογίες των μαθητών από κουίζ και εργασίες, καθώς και δημογραφικά στοιχεία, ώστε να δημιουργηθούν και να δοκιμαστούν διαφορετικά προγνωστικά μοντέλα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, ακόμη και σε αυτό το πλαίσιο, είναι δυνατό να αναπτυχθεί ένα αρκετά ακριβές μοντέλο πρόβλεψης της επίδοσης των μαθητών. Ο αλγόριθμος CHAID παρουσίασε την καλύτερη συνολική απόδοση ως προς την ακρίβεια (82.14%) και την τιμή AUC, σε σύγκριση με άλλους αλγορίθμους που δοκιμάστηκαν, όπως Quest, C5, BN και RF, ενώ παράλληλα αναδείχθηκε και ο σημαντικότερος προγνωστικός παράγοντας της τελικής επίδοσης, προσφέροντας χρήσιμες ενδείξεις για το ποια στοιχεία του εκπαιδευτικού υλικού και των δραστηριοτήτων φαίνεται να έχουν μεγαλύτερη διδακτική αξία .Συνολικά, η παρούσα έρευνα αναδεικνύει ότι η εκμάθηση προγραμματισμού στο Γυμνάσιο μπορεί να υποστηριχθεί αποτελεσματικά μέσα από ένα εναλλακτικό, μαθητοκεντρικό και τεχνολογικά εμπλουτισμένο διδακτικό πλαίσιο, το οποίο συνδυάζει την εκπαιδευτική ρομποτική, την ανεστραμμένη τάξη, την ομαδοσυνεργατική μάθηση και την αξιοποίηση δεδομένων από την ίδια τη μαθησιακή διαδικασία. Παράλληλα, δείχνει ότι ο συνδυασμός ερωτηματολογίων και τεχνικών μηχανικής μάθησης μπορεί να προσφέρει έναν πιο ολοκληρωμένο τρόπο αξιολόγησης διδακτικών τεχνικών, ενισχύοντας τόσο τη βελτίωση της διδασκαλίας όσο και την έγκαιρη υποστήριξη των μαθητών στο πλαίσιο της σχολικής πράξης.