Számítógépes gondolkodás a felsőoktatásban

Az előadások a következő témára: "Számítógépes gondolkodás a felsőoktatásban"— Előadás másolata:

1 Számítógépes gondolkodás a felsőoktatásban
Kovácsné Pusztai Kinga people.inf.elte.hu/kinga ELTE IK

2 Tartalom Számítógépes gondolkodás (CT) szükségessége
A CT kialakulása, meghatározása és jellegzetességei Digitális intelligencia A CT helyzete Magyarországon Digitális Oktatási Stratégia CT a felsőoktatásban külföldön Javaslat a CT megjelenésére a felsőoktatásban Alapismeretek Gamification Logikai játékok szerepe, jelentősége az oktatásban Modellezés és szerepe az oktatásban Programozás szerepe és jelentősége Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

3 1. Számítógépes gondolkodás az oktatásban
A XXI. században folytatódik az infokommunikációs technológia (IKT) eszközeinek rohamos terjedése Egyre nagyobb szerepet kap az élethossziglan tartó tanulás A létező foglalkozások 5%-a 5 évente kicserélődik IKT ismeretek nélküli szakmák száma 5%-kal csökken / 2 év Jövedelemtermelő képességük  minimálbér A fejlődés a tudásváltásra / társadalomra is hatással van A megtanult szakmai ismeretek 10 év alatt elévülnek Az Internet kapcsolatok száma évente megduplázódik A munkavállalói Internetes ismeretek x 32 / év Oktatásban paradigmaváltás Lehetséges válasz: számítógépes gondolkodás „Mint új műveltség a XXI. század meghatározó alapelvévé és tanulási képességévé válik.” (J. Wing) Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

4 2. Számítógépes gondolkodás (CT) (2/1) kialakulása, meghatározása
A számítógépes gondolkodás (CT) fogalmának megalkotója: Jeanette Wing (2006-ban, majd 2010-ben) „Egy olyan kognitív folyamat, amely magába foglalja a problémának, valamint lehetséges megoldásainak a megfogalmazását és a reprezentálását oly módon, hogy az hatékonyan végrehajtható legyen egy információ feldolgozó ágens által.” XXI. század közepére a CT a 4. alapvető készség lesz az olvasás, az írás és a számolás mellett A CT általánosan alkalmazható attitűd és alapvető szakértelem legyen Ne csak a tudósoknak, hanem akár gyerekek számára is A nyomtatott sajtó  az írás - olvasás terjedése ~ a CT  az informatika - számítógépek terjedése Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

5 2. Számítógépes gondolkodás (2/2) jellegzetességei
Több, mint programozás Megköveteli a gondolkodás több absztrakciós szintjét Magába foglalja a problémamegoldást, a tervezési rendszereket és az emberi viselkedés megértését Megoldani egy látszólag nehéz problémát: egy egyszerűbb feladattá alakítjuk át (redukáljuk, beágyazzuk, transzformáljuk és szimuláljuk) Egy olyan alapvető, nem gépies készség, amelyre minden embernek szüksége van a modern társadalomban Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

6 3. Digitális intelligencia
IQ és EQ mellett megjelent a DQ Digitális intelligencia: szociális, érzelmi, illetve kognitív képességek, amelyek biztosítják a digitális élet kihívásaihoz való alkalmazkodást és megfelelést Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi Digitális identitás, Digitális jogok, Digitális írástudás, Digitális kommunikáció, Digitális érzelmi intelligencia, Digitális önvédelem, Digitális biztonság, Digitalizáció használata A jövő oktatásának feladata kell, hogy legyen ezen képességek kialakítása és folyamatos fejlesztése is.

7 4. A számítógépes gondolkodás helyzete Magyarországon
Egy felmérés szerint: A pedagógusok kevesebb, mint 20%-a használ - a tanórák több mint 25%-ban - IKT-eszközöket Ez az európai tagállamok között az egyik legalacsonyabb arány Csak 3 ország van mögöttünk Fő okok: A pedagógusok megfelelő képzettségének, motivációjának és támogatásának a hiánya A megfelelő technológiai eszközök korlátozott rendelkezésre állása Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

8 5. Digitális oktatási stratégia
Ambiciózus tervek A digitális eszközök mindennapos használatát illetve az új típusú számítógépes gondolkodást és szemléletmódot néhány éven belül be kell vinni a tantermekbe. Cél: minden magyar embernek lehetősége legyen az alapszintű digitális írástudás elsajátítására térítésmentes képzéseken Négy pilléreként: A köznevelésben: a digitális kompetencia fejlesztés hangsúlyos prioritássá válik A szakképzésben: az adott szakmák kapcsán beépül a szakmára jellemző, korszerű digitális tudás A felsőoktatásban: az online tanulói terek előtérbe kerülnek A felnőttkori tanulásban: megjelenik és széles körben elterjesztésre kerül az e-learning Mindezek megvalósításához mielőbbi paradigmaváltás szükséges a felsőoktatásban az oktatás-tanulás jelenlegi módszertanának terén, amire egy lehetséges választ kínál a számítógépes gondolkodás (CT) alapú oktatás. Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

9 6. Számítógépes gondolkodás a (6/1) felsőoktatásban külföldön
Egyelőre nincs egységes álláspont abban, hogy a felsőoktatásban minden hallgatónak szüksége van-e a számítógépes gondolkodás elsajátítására A nem szakirányú felsőoktatási képzésekben az informatika órák tematikája igen eltérő Egyes szakok hallgatói rögtön valamely programozási nyelven kezdenek el kódolni, máshol pedig teljesen kizárják a programozást Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

10 6. CT a felsőoktatásban (6/2) külföldön - példák
A Carnegie Mellonon :„Informatika alapelvei” ( „Principles of Computation”) Nem informatika szakos hallgatók számára Második héttől Ruby programozási nyelv Ezt követően: iteráció, rekurzió, véletlenszám-generálás és hasonló témák Wheaton Főiskolán „Informatika költőknek” ( „Computing for Poets”) A Massachusetts állambeli Nortonban Mark D. LeBlanc: Python nyelv LeBlanc becslései szerint a félévben beiratkozók mindössze 5%-a int búcsút a kurzusnak, amely azt mutatja, hogy a hallgatók maguk is hasznosnak tartják az ilyenfajta ismeretek elsajátítását Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

11 6. CT a felsőoktatásban (6/3) külföldön - példák
A Marylandi Egyetemen a „Bevezetés a számítógépek és a programozás világába” ( „Introduction to Computers and Programming”) Scratch programozási nyelv elsősorban az általános és középiskolai tanulók számára Véleményük szerint a hallgatók úgy érkeznek az egyetemre, hogy más tantárgyakkal ellentétben a számítógépes jártasságot nem szerzik meg a középiskolás éveikben Az iowai Grinnell Főiskolán „A digitális kor” ( „The Digital Age”) Nem programozási nyelv Mögöttes algoritmikus gondolkodás Számítógépes jártasság Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

12 7. Javaslat a CT megjelenésére a felsőoktatásban
Szükség van egy kurzusra: A felsőoktatásban Nem informatika és nem inf. tanár szakos hallgatók számára Cél: a számítógépes gondolkodás elsajátítása Tartalom: A félévhez szükséges programozó alapismeretek elsajátítása, átismétlése Néhány logikai játék elemzése, implementálása A modellezés témakör ( a leghangsúlyosabb rész ) Kezdettől jelen vannak az ELTE informatika szakos tanárok képzésében Módszertanilag: Tanuló központú aktív tanulással (tükrözött tanulás, flipped learning) Csoport munkában projekt alapú működés során valósul meg Számonkérés: Egy – az órákon nem említett – logikai játék kidolgozása, amely magába foglal egy jól megírt programot dokumentációval Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

13 8. Alapismeretek elsajátítása
A közoktatásban az informatika óra Rendívül későn kezdett Kis óraszámban tanított Nélkülözi a CT tanítását Előnybe részesíti az ECDL és a középszintű érettségi vizsgákra való felkészítést Ezt támasztja alá a Debreceni Egyetem Informatikai Karán végzett kutatás Következtetés: még a Debreceni Programtervező Informatikus szakos hallgatók többsége sem rendelkezik az alapvető programozási ismeretekkel az egyetemi tanulmányaik kezdetén Fontos néhány órában átismételni legalább egy programozási nyelv alapfokú ismeretét Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi Biró, P. & Csernoch, M. (2013b) Első éves informatikus hallgatók algoritmizáló készségei Az ábra azt szemlélteti, hogy a vizsgálatban szereplő 3 feladatra hány jó megoldást adtak a hallgatók ben, illetve 2012-ben

14 9. Gamification Manapság az oktatásban egyre többet halljuk
A Pennsylvaniai egyetemen Kevin Werbach kurzust is indított „Gamification”[20] címmel A szó jelentése „eljátékosítás” A játékok elemeit használja fel oktatási céllal ≠ számítógépes játékokat használunk a tanítás során A játékokból vett elvekkel próbáljuk izgalmasabbá tenni a tanítás - tanulás folyamatát Ezek az elemek például az önállóság, motiváltság, célok, azonnali visszajelzés, siker és kudarc A gamification egyik érdekes alesete: edutainment Az oktatás és a szórakozás szavak összevonásával Különféle koncepciókat játékok segítségével tanítunk meg A gamification elvét tudjuk hasznosítani a tervezett kurzus beadandó feladatánál Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

15 10. Logikai játékok szerepe, (10/1) lehetősége az oktatásban
A játék tanórán való alkalmazása már önmagában motiváló hatású Jelentős szerepet játszik a társas kapcsolatok formálódásában is Játék közben gazdagodik a jellem Nyerni vagy veszteni tudásra Szabályok betartására Együttműködésre Önfegyelemre nevel Ezen képességek birtoklására az életben is nagy szükségük lesz A logikai játékok célhoz kötöttek és nyeréssel, versengéssel kapcsolatosak Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

16 10. Logikai játékok szerepe, (10/2) lehetősége az oktatásban
Játék: pontosan meghatározott szabályok alapján tett lépések sorozata Célja, illetve eredménye: egy vagy több pontosan definiált állapot Mely az egyik fél győzelmét jelenti A véletlennek nincs szerepe A játék kimenetele többé-kevésbé a játékosok ügyességétől függ Játék kimenete Győztes / vesztes Döntetlen is megengedett A logikai játékok alkalmazása során előtérbe kerül Tapasztalatszerzés Megfigyelőképesség Fejlesztik a problémamegoldó gondolkodást Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

17 10. Logikai játékok szerepe, (10/3) lehetősége az oktatásban
A nyerő stratégia megtalálásánál nagy szerepet kapnak a deduktív következtetések Néhány játék után a hallgatókban feltételezések fogalmazódnak meg, amelyek bizonyíthatók, vagy cáfolhatók Fegyelmezettségre, pontosságra tanít Szükségünk van a programozásnál és a valós életben egyaránt Szerepelt az ELTE Tanárképző Főiskola Karon a számítástechnika tanárok tantervében Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

18 10.1. Számkitalálós játék (10/4) Mérlegjáték
Gondoltam egy számra 1 és 50 között. Legkevesebb hány kérdéssel lehet biztosan kitalálni? Mérlegjáték 12 érme közül egy hamis. A hamis érme súlya különbözik a többitől, de nem tudjuk, hogy könnyebb-e náluk vagy nehezebb. Súlyok nélkül, egy kétkarú mérlegen legkevesebb hány méréssel lehet megállapítani, hogy melyik a hamis érme, és könnyebb-e vagy nehezebb, mint a többi. A játékok megoldása a megadott intervallum felezése, illetve harmadolása A játékok feldolgozása Nyerő stratégiák megtalálása A konkrét számok általánosítása Az egyik játékra programírás Jól tud játszani: elkerülő stratégia Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

19 10.2. Számlétra (10/5) és különböző variációi
11 fokú létrán 1 vagy 2 fokot lehet menni. Ketten felváltva lépnek, az nyer, aki az utolsó lépést megteszi (Variációi: létra helyett számegyenesen egymással szemben haladva, gyufákkal) A nyerő stratégia meghatározásához visszafelé látás kell A játékot a kezdő játékos tudja megnyerni, ha a 2-re lép, és utána a társa lépését mindig 3-ra kiegészíti A játékra könnyű jó programot írni, és célszerű a 11, 2 számokat N, M-re általánosítani Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

20 10.3. Nim játék (10/6) Az előző játék továbbfejlesztett változata
Közismert Jóval bonyolultabb A játék kétszemélyes, kezdetben 3 sorban van valahány gyufa. Bármelyik sorból bármennyit elvehetsz, de csak az egyik sorból. Az nyer, aki az utolsó gyufát elveszi. Ennél a játéknál nem egyértelmű, hogy a kezdő vagy a második játékos van nyerő pozícióban A feladat érdekes, de túl bonyolult a program megalkotása, ezért csak a nyerő stratégia meghatározásával foglalkozzunk Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

21 11. Modellezés és szerepe az (11/1) oktatásban
Nagyon hangsúlyos témakör Jelen van a közoktatásban, illetve a felsőoktatásban is Legkönnyebben tud kapcsolódni más tantárgyakhoz (pl. biológia, fizika, kémia) Meghatározása A BME „Számítógépes szimuláció és modellezés” kurzusán a definíció: „A szimuláción a valódi rendszer valamely célszerűen leképezett modelljén végzett vizsgálatok összességét értjük, a modell pedig a valóságos rendszer egyszerűsített, annak a vizsgálat szempontjából lényegi tulajdonságait kiemelő mása.” [23] Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

22 11. Modellezés és szerepe (11/2) az oktatásban
Meghatározása A közoktatásban elterjedt definíció szerint: „A szimulációs modellekkel egy adott rendszernek a sokféle környezeti hatásra adott előre nehezen vagy egyáltalán nem számítható válaszait vizsgálják. A modell és a modellezett rendszer vagy jelenség meghatározott szempontból azonos, ekvivalens, ugyanakkor a modell az eredeti rendszernél egyszerűbb, könnyebben kezelhető, gazdaságosabb, szemléletesebb.”[24] Egy modellezési feladat megoldása során használjuk a számítógépes gondolkodás lényeges elemeit A feladat megértése, a lényeges elemek kiemelése (absztrakció) A feladat felbontása több részfeladatra (dekompozíció) A részeredmények egyesítése (kompozíció) A (rész)feladat megoldásának megtervezése (algoritmikus tervezés) Megoldás valamilyen eszközzel (automatizálás) A kapott eredmény megvizsgálása több szempont alapján (kiértékelés és elemzés) Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

23 11. Modellezés és szerepe (11/3) az oktatásban
A következő, viszonylag egyszerű feladatok már a főiskolai tanárképzésben, illetve a közoktatásban kipróbált, bevált példák Megoldhatók táblázatkezelő segítségével (próbálgatás) Alkalmasak programozási feladatnak is(egzakt, direkt) Egy adatra kézzel is kiszámolhatók, de sok adatnál érdemes segítségül hívni a fent említett eszközöket Fontos: mindkét megoldási mód szemléltetése A valós életben is egy adott probléma jó megoldásához nem egyféle szemlélet és út vezet A megfelelő megközelítési mód és eszköz megválasztása a feladatmegoldás lényeges része Előnyben részesítjük a célirányos próbálgatás módszerét (lásd: „trial and error” módszerek, gépi tanulás terjedése) Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

24 11.1. Modellezés: Ármozgások (11/4)
(1) Egy gyárban a következő két áremelés közül választhatnak az alkalmazottak: évente 6%, vagy az első évben semmi, utána félévente 3%. Melyiket érdemes választani? Függhet-e még valamitől a válasz? (2) Egy áru árát x %-kal emelték. Hány százalékkal csökkentsük, hogy újból az eredeti árat kapjuk? Mindkét feladatot egyszerű egy matematikai egyenlettel kiszámolni, mégse ezt az irányt kövessük Az azonnali megoldás helyett: tipp Majd a többszöri próbálgatás után: vélemény kialakítása Ez alapján a feladatok megoldásának megtalálása Gondolkodási folyamat elindítása a hallgatóknál Heurisztikus készség fejlesztése Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

25 11.1 Ármozgások: (11/5) 2. feladat megoldása
Az áru árát, az emelés mértékét, illetve a leállásnál használt küszöbhatárt (szürke részek) meg kell adni Intervallumfelezéses módszer áru ára: 10 000 Ft emelt ár: Ft emelés: 25% határ: 1 Csökkentés: alsó határ: 12,50% 18,75% 19,53% 19,92% 19,97% felső határ: 25,00% 21,88% 20,31% 20,12% 20,02% középérték: 12,5% 20,00% csökkentett ár: Ft Ft 9 766 Ft 9 961 Ft Ft Ft 9 985 Ft 9 998 Ft Ft Ft különbség: 938 Ft 156 Ft 234 Ft 39 Ft 59 Ft 10 Ft 15 Ft 2 Ft 4 Ft 1 Ft megállás: OK Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

26 11.2 Modellezési példák (11/6)
Trafik: Egy kisboltban, ahol max. 5 ember fér el, minden percben p valószínűséggel jönnek, és q valószínűséggel távoznak az emberek. Az idő hányad részében lesz üres/tele a bolt, illetve átlagosan hány vásárló lesz? Az előző feladathoz hasonlóan érdemes itt is bonyolult matematikai képlet helyett egy tippeléssel, illetve táblázatos közelítéssel megoldani a példát Gazdasági modellek, pl. marhafarm: Egy farmon három féle korú állatot különböztetünk meg, melyeknek évenkénti szaporodása/alakulása egy állapot diagrammal leírható. Minden év végén eladhatunk valahány állatot. Hogyan tudunk egy adott időszak alatt maximális hasznot elérni? Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

27 12. Programozás szerepe (12/1)
A feladatok megoldásának egyik eszköze mindig egy program megírása Programozás tanulása során a hallgatóknál Fejlődik a problémamegoldó készség Az egyes folyamatok átlátása javul Kiegészítő ismeretek jelennek meg, amelyeket Mindennapi életben Leendő munkájuk során is tudnak hasznosítani Bill Gates (Microsoft) „A programozás tanulás megmozgatja az elmét és segít olyan gondolkodásmódot kialakítani, amely az élet valamennyi területén hasznos.” Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

28 12. Programozás szerepe (12/2)
A programozás megtanít logikusan gondolkodni Steve Jobs (Apple): „Mindenkinek meg kell tanulni számítógépet programozni, mert az megtanít gondolkodni” [28] Susan Wojcicki (Google): „Ha képes vagy alkotni a számítástechnikában, meg tudod változtatni a világot.” [29] Egy program megalkotása: önálló termék Viseli a ránk jellemző jegyeket is A programozás során mindenki képes valami újat „alkotni”, még olyan személy is, aki a művészet területein nem annyira tehetséges A programozáskor a hallgatók aktív és kreatív résztvevői az órának Fejlődik a problémamegoldó gondolkodásuk Fejlődik az esztétikai érzékük Jelentős motivációs erő Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

29 Irodalom (I/1) S. Papert. „An exploration in the space of mathematics educations”, International Journal of Computers for Mathematical Learning, 1(1):95-123, L. Zsakó, P. Szlávi, „ICT Competences: Algorithmic Thinking”, Acta Didactica Napocensia Vol. 5., 2012 J.M. Wing, “Computational Thinking,” Communications of the Association for Computing Machinery Viewpoint, March 2006, pp Peter J. Denning, “Beyond computational thinking,” Communications of the Association for Computing Machinery Viewpoint, June 2009, pp J.M. Wing, “Computational Thinking: What and Why?”, November 2010 P. Phillips, „Computational Thinking: A Problem-Solving Tool for Every Classroom”, in NECC 2007. J.M. Wing, „Computational Thinking and Thinking About Computing”, Philosophical Transactions of the Royal Society, vol. 366,July 2008, pp Dr. Magyar Bálint, „A jövő iskolája” ,2004 ( (u. m. : ) Bessenyei István: Képernyő, tanulási környezet, olvasás -- Seymour Papert tanuláselméleti nézetei az olvasás kapcsán, ( (u. m. : ) antipedagogiai-gondolkodasformak-1.pdf (u. m. : ) Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

30 Irodalom (I/2) S. Papert: Mindstorms. Children, Computers and Powerful Ideas, 1980 J. Cuny, L. Snyder, J. Wing , Computational Thinking: A Definition, 2010 Mindenkinek tudnia kellene programozni? ( (u. m. : ) (u. m. : ) Tóth Renáta: Tükrözött osztályterem, az információs társadalom pedagógusának egyik innovatív tanulásszervezési módszere (u. m. : ) lapism_kh_kozep_szobeli_reszletes_tematika_2015maj.pdf (u. m. : ) Biró, P. & Csernoch, M. (2013b) Elsőéves informatikushallgatók algoritmizáló készségei. XXIII. Nemzetközi Számítástechnika és Oktatás Konferencia - SzámOkt 2013, EMT, 154–159. Gamification ( (u. m. : ) Computer Science for the Rest of Us ( majors-takes-many-forms.html) (u. m. : ) (u. m. : ) Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

31 Irodalom (I/3) Kevin Werbach, Dan Hunter: For the Win: How Game Thinking Can Revolutionize Your Business, Wharton Digital Press, 2012. E-learning mindenkinek ( gamification/) (u. m. : ) %C3%81RGYAK/Szamitogepes%20szimulacio%20es%20modellezes%20(GJ)/ (u. m. : ) Szlávi Péter, Zsakó László: Informatika oktatása, 2011 ( tamop412. elte.hu /tananyagok/infokt/)(u. m. : ) dr. Török Turul: Számítógép a matematikaórán, MTA KFKI, 1992. Magyarország Digitális Oktatási Stratégiája, Bp., ( strategiaja.pdf) (u. m. : ) (u. m. : ) WHY YOU SHOULD LEARN TO CODE (AND HOW TO ACTUALLY DO IT!) ( (u. m. : ) Anybody can learn! ( (u. m. : ) Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi

32 Köszönöm a figyelmet! Pusztai Kinga: CT a felsőoktatásban INFODIDACT 2016, Zamárdi