Σύγκριση και συνδυασμός προγραμματιστικών περιβαλλόντων για εισαγωγή στον Προγραμματισμό.

Transcript

1 Σύγκριση και συνδυασμός προγραμματιστικών περιβαλλόντων για εισαγωγή στον Προγραμματισμό. Μαργαρίτα Καραλιοπούλου 1, Ευάγγελος Κανίδης 2 1 mkaraliop@sch.gr, 2 vkanidis@sch.gr 1Δρ. Εκπαιδευτικός Πληροφορικής, 2 o Γυμνάσιο Παιανίας 2Δρ. Σχολ. Σύμβουλος Πληροφορικής, Β Αθήνας & Ανατολικής Αττικής Περίληψη Η παρούσα εργασία συγκρίνει δυο κατηγορίες προγραμματιστικών περιβαλλόντων, που χρησιμοποιούνται για την εκμάθηση του προγραμματισμού από μαθητές Γυμνασίου. Η μια κατηγορία είναι τα προγραμματιστικά περιβάλλοντα με πλακίδια και η άλλη κατηγορία περιλαμβάνει τα προγραμματιστικά περιβάλλοντα που βασίζονται στη συγγραφή εντολών με τη μορφή κειμένου. Στην εργασία προτείνεται μια διαφορετική προσέγγιση της εκμάθησης του προγραμματισμού από μαθητές γυμνασίου με τη συνδυαστική και παράλληλη χρήση δύο προγραμματιστικών περιβαλλόντων καθένα από διαφορετική κατηγορία. Η προσέγγιση αυτή προσπαθεί να εκμεταλλευτεί τα πλεονεκτήματα που έχουν και οι δύο κατηγορίες για τη βελτίωση της κατανόησης εννοιών του προγραμματισμού. Λέξεις κλειδιά: περιβάλλοντα, προγραμματισμός, πλακίδια Εισαγωγή O προγραμματισμός είναι μια σύνθετη και απαιτητική δραστηριότητα η οποία δυσκολεύει τους μαθητές και, γενικότερα, τους αρχάριους προγραμματιστές κάθε ηλικίας. Οι δυσκολίες αυτές προέρχονται από το γεγονός ότι οι μαθητές, πρέπει να μάθουν να δημιουργούν αλγόριθμους, για την επίλυση προβλημάτων, να καταλάβουν πως εκτελούνται οι αλγόριθμοι αυτοί σε κάποια γλώσσα προγραμματισμού, και φυσικά να μάθουν τις εντολές και το συντακτικό της γλώσσας, στοιχεία τα οποία πολλές φορές τους φαίνονται ότι έχουν δημιουργηθεί αυθαίρετα. Στη διδακτική της Πληροφορικής αποτελούν σημαντικό πεδίο έρευνας η καταλληλότητα της μεθόδου διδασκαλίας, οι δυσκολίες, οι παρανοήσεις και τα λάθη των αρχάριων προγραμματιστών καθώς και το κατά πόσο επηρεάζει το διδακτικό περιβάλλον την όλη διαδικασία (Soloway & Spohrer 1989; Μωράκης & Βουρδουμπά, 2014). Οι δυσκολίες αυτές μπορούν να κουράσουν και να αποθαρρύνουν τους αρχάριους προγραμματιστές. Για το λόγο αυτό, οι εκπαιδευτικοί έχουν διερευνήσει στρατηγικές που διευκολύνουν τους μαθητές στην εκμάθηση του προγραμματισμού (Jenkins, 2002). Οι ερευνητές από το 1960, για να βοηθήσουν τους αρχάριους στην εκμάθηση του προγραμματισμού, έχουν προσπαθήσει να δημιουργήσουν ειδικές προγραμματιστικές γλώσσες και περιβάλλοντα, τα οποία χρησιμοποιούν γραφικά και ένα απλοποιημένο τρόπο προσέγγισης που βρίσκεται κοντά στις εμπειρίες των μαθητών. Συνέπεια αυτής της προσπάθειας για τη δημιουργία καλύτερων προγραμματιστικών περιβαλλόντων για αρχάριους προγραμματιστές, είναι η δημιουργία ενός πλήθους νέων περιβαλλόντων (Guzdial, 2004; Kelleher & Pausch, 2005). Ένα κοινό χαρακτηριστικό σε πολλά από αυτά τα μοντέρνα προγραμματιστικά περιβάλλοντα είναι η χρήση «πλακιδίων» κώδικα τα οποία συναρμολογούνται για να δημιουργηθεί ένα πρόγραμμα. Στη παρούσα εργασία θα διακρίνουμε 2 κατηγορίες προγραμματιστικών περιβαλλόντων: Προγραμματιστικά περιβάλλοντα με πλακίδια (Block based programming/graphical User Interface/Drag and drop editing) Προγραμματιστικά περιβάλλοντα κειμένου (Text-based editing/ Command User Interface) όπου ο χρήστης πρέπει να πληκτρολογήσει τις εντολές.

2 Τα προγραμματιστικά περιβάλλοντα με πλακίδια Τα προγραμματιστικά περιβάλλοντα με πλακίδια ανήκουν στην κατηγορία των περιβαλλόντων που υποστηρίζουν οπτικές γλώσσες προγραμματισμού. Κύριο χαρακτηριστικό τους είναι ότι επιτρέπουν τη δημιουργία προγραμμάτων μέσα από το γραφικό χειρισμό προγραμματιστικών στοιχείων αντί για την συγγραφή σειράς εντολών κειμένου. Συγκεκριμένα, βασίζονται στη μεταφορά προγραμματιστικών δομών με τη μορφή πλακιδίων («τουβλάκια») σε μια περιοχή, ώστε να δομηθεί το πρόγραμμα. Αυτά τα πλακίδια, ενδεχομένως, μπορεί να έχουν υποδοχές οι οποίες να επιτρέπεται να γεμίζουν με άλλα πλακίδια η προεξοχές και εσοχές για να "συνδέονται" με άλλα πλακίδια. Για παράδειγμα, μια δομή επανάληψης μπορεί να έχει υποδοχές για τις εντολές που θα επαναληφθούν. Τα πλακίδια αυτά μπορεί να αντιπροσωπεύουν δομές υψηλού επίπεδου, όπως επαναλήψεις ή χαμηλού επιπέδου όπως η απόδοση τιμής σε μια μεταβλητή. Κάθε πλακίδιο έχει μια ταμπέλα, όπου αναγράφεται η εντολή που αντιπροσωπεύει και συχνά έχει διαφορετικό σχήμα και χρώμα (το οποίο σχετίζεται με την κατηγορία που ανήκει η εντολή) ώστε να βοηθηθεί ο χρήστης να το τοποθετήσει στην κατάλληλη θέση. Τα περιβάλλοντα αυτής της κατηγορίας θεωρείται ότι είναι εύκολα στη χρήση τους για τους μαθητές όλων των ηλικιών, γνωστικών υποβάθρων και ενδιαφερόντων, επιτρέποντάς τους να πειραματιστούν με τα διάφορα συστατικά τους μέρη, απλά ενώνοντας κομμάτια κώδικα μαζί, όπως ακριβώς ενώνουν τουβλάκια τύπου Lego (Resnick et al., 2009). Οι δραστηριότητες οι οποίες υποστηρίζονται από τέτοιου είδους προγραμματιστικά περιβάλλοντα βασίζονται στη θεωρία του κονστρουκτιβισμού, η οποία δίνει έμφαση στην αυτοκαθοδηγούμενη και ενεργή διαδικασία μάθησης (Von Graserfeld, 1983). Το χαρακτηριστικό αυτών των περιβαλλόντων, με πλακίδια που περιέχουν εντολές, δεν είναι καινούργιο. Παλαιότερα, το βρίσκαμε στο περιβάλλον LogoBlocks (Begel, 1996), άλλα έχει επικρατήσει και σε πολλά νεώτερα περιβάλλοντα (GoogleBlockly; Cooper, 2003; Homer, 2014; Resnick and al, 2009). Πολλά από τα περιβάλλοντα αυτά έχουν αποτιμηθεί σε σχολικές τάξεις (Meerbaum-Salant, 2010; Morelli, 2011; Moskal, 2004). Επιπλέον, πολλά από αυτά τα προγραμματιστικά περιβάλλοντα έχουν τα εξής χαρακτηριστικά: Στοχεύουν σε αρχάριους προγραμματιστές, συχνά μαθητές πρωτοβάθμιας ή δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης Τα προγράμματα που δημιουργούνται με τα πλακίδια συχνά αντικατοπτρίζουν τη σύνταξη και τη δομή υπαρκτών προγραμματιστικών γλωσσών. Τοποθετούν τον προγραμματισμό σε ένα πολυμεσικό πλαίσιο με εστίαση στα πολιτιστικά στοιχεία. Οι χρήστες μπορούν να ενσωματώσουν εικαστικά, μουσική και διαδραστικότητα στην εργασία τους, ώστε να δημιουργήσουν παιχνίδια, ιστορίες και εφαρμογές (Price & Barnes, 2015). Τα περιβάλλοντα αυτά έχουν αναπτυχθεί από σπουδαία ερευνητικά κέντρα όπως Massachussetts Institute of Technology (Scratch, the Carnegie Mellon University (Alice, και το University of Kent (Greenfoot, και θεωρούνται βασικά εργαλεία στην πρόκληση ενδιαφέροντος των μαθητών για τον προγραμματισμό. Αυτά τα περιβάλλοντα και όλα που έχουν προκύψει από αυτά, όπως το BYOB, έχουν όλα τα χαρακτηριστικά που χρειάζονται, ώστε να χρησιμοποιηθούν για την εισαγωγή στον προγραμματισμό και ήδη χρησιμοποιούνται όχι μόνο σε μικρούς μαθητές αλλά και σε εισαγωγικά μαθήματα Πανεπιστημίων του εξωτερικού (Federici, 2011). Ενδεικτικά, στην Αγγλία προγραμματιστικά περιβάλλοντα όπως το Scratch, Snap, AppInventor ή το Alice κυριαρχούν στη διδασκαλία στο Δημοτικό και στις πρώτες τάξεις του Γυμνασίου. (Kolling, 2015)

3 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα περιβαλλόντων με πλακίδια Καθώς τα περιβάλλοντα με πλακίδια αντικαθιστούν τον προς σύνταξη κώδικα με συρόμενα συστατικά μέρη (components), αντιμετωπίζουν ικανοποιητικά δυο σημαντικά προβλήματα που έχουν οι μαθητές με τον προγραμματισμό: Να θυμούνται όλες τις εντολές μιας γλώσσας προγραμματισμού. Να θυμούνται την ακριβή σύνταξη των εντολών μιας γλώσσας προγραμματισμού. Η προσέγγιση αυτή μειώνει το γνωστικό φορτίο, που σχετίζεται με τη σύνταξη των εντολών. Στα περιβάλλοντα κειμένου πρέπει κανείς να θυμάται τις εντολές και την ακριβή σύνταξή τους, όπως τις αγκύλες, τις παρενθέσεις, ή τα κενά. Στα περιβάλλοντα με πλακίδια κανείς δεν ασχολείται με θέματα όπως είναι η στοίχιση, στο κατά πάσο πρέπει να χρησιμοποιήσουμε το πλήκτρο tab ή το space για να αφήσουμε κενό, τη σωστή τοποθέτηση των αγκύλων κ.α. Παραδρομές και μικρά συντακτικά λάθη αποσπούν από το στόχο και καθυστερούν τη δημιουργία του προγράμματος και απαιτούν σημαντική νοητική προσπάθεια για αρχάριους ή χαμηλού επιπέδου προγραμματιστές. Στα περιβάλλοντα με πλακίδια τέτοια λάθη είναι αδύνατο να συμβούν, έτσι δε χρειάζεται ούτε νοητική ούτε χειρωνακτική προσπάθεια στο να απομνημονευτούν, ανακληθούν και πληκτρολογηθούν οι εντολές με τη σωστή σύνταξη. Στα περιβάλλοντα με πλακίδια αποφεύγονται και λογικά λάθη σύνταξης: πολλά πλακίδια, τα οποία δεν ταιριάζουν σε τύπο ή σημασιολογία, δεν μπορούν να «ενωθούν» μεταξύ τους. Με τον τρόπο αυτό, αποφεύγονται λάθη τα οποία σε άλλη περίπτωση θα έπρεπε να εντοπιστούν και να διορθωθούν. Για παράδειγμα, ένα πλακίδιο με αριθμητική παράσταση δεν μπορεί να μπει εκεί όπου αναμένεται να τοποθετηθεί κάποιο πλακίδιο εντολής. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα των περιβαλλόντων με πλακίδια είναι ότι είναι πιο εύκολο και πιο γρήγορο οι χρήστες τους να δημιουργήσουν και να χειριστούν ολόκληρες συντακτικές κατασκευές. Είναι πιο εύκολο να προσθέσουμε μια δομή επιλογής ή μια δομή επανάληψης κάνοντας απλά μια κίνηση από το να πληκτρολογήσει κανείς όλες τις εντολές ως κείμενο. Το σύνολο των εντολών μιας επαναληπτικής δομής μπορούν να μεταφερθούν (drag and drop) ως μια οντότητα σε μια νέα επιτρεπτή θέση. Στα περιβάλλοντα κειμένου κάτι τέτοιο θα γινόταν με τη διαδικασία της «αποκοπής και επικόλλησης», με την οποία θα μπορούσε να γίνει το λάθος να μεταφέρουμε κάτι παραπάνω ή κάτι λιγότερο από αυτό το τμήμα του προγράμματος που θα θέλαμε ή ακόμα και να τοποθετηθεί σε λάθος θέση. Στα περιβάλλοντα με πλακίδια οι χρήστες δεν αντιμετωπίζουν τέτοια ζητήματα. Η χρήση αυτών των περιβαλλόντων επιτρέπει στους χρήστες να επικεντρωθούν στην εννοιολογική επίλυση ενός προβλήματος. Έτσι, ένας αρχάριος προγραμματιστής συγκεντρώνει την προσοχή του στο να βρει τον αλγόριθμο για τη λύση του προβλήματος που θέλει και όχι στην ακριβή σύνταξη των εντολών. Αυτό επιβεβαιώνεται και από την εργασία των Price & Barnes (2015), η οποία καταλήγει στο συμπέρασμα ότι τα προγραμματιστικά περιβάλλοντα με πλακίδια μπορεί να βελτιώσουν σημαντικά την επίδοση των αρχάριων προγραμματιστών στη δημιουργία προγραμμάτων κυρίως μέσω της επικέντρωσης τους στην επίτευξη του προγραμματιστικού στόχου αποφεύγοντας άσκοπες ενέργειες. Τέλος πολλά από τα παραπάνω πλεονεκτήματα ευνοούν τόσο τους έμπειρους προγραμματιστές όσο και τους αρχάριους. Για τους έμπειρους προγραμματιστές, όμως, τα πλεονεκτήματα αυτά δεν είναι τόσο σημαντικά που θα τους οδηγήσουν να επιλέξουν ένα τέτοιο περιβάλλον, δεδομένου του είδους της εργασίας τους και του μεγέθους των προγραμμάτων τα οποία καλούνται να δημιουργήσουν. Υπάρχουν περιορισμοί και μειονεκτήματα στα περιβάλλοντα αυτά τα οποίοι υπερτερούν για όλους τους προγραμματιστές, πλην των αρχαρίων. Ένας από τους κύριους περιορισμούς στα περιβάλλοντα με πλακίδια είναι η ταχύτητα εισαγωγής και χειρισμού των πλακιδίων. Αν και είναι εύκολο να μεταφέρουμε πλακίδια, η μετακίνηση μεγάλου πλήθους μπορεί να είναι κουραστική και χρονοβόρα. Για παράδειγμα, το να κάνουμε έναν απλό υπολογισμό όπως η υποτείνουσα ενός τριγώνου χρειάζεσαι να ενώσουμε 8 πλακίδια και κάθε πλακίδιο θέλει μια διαδικασία κινήσεων: να το βρούμε, να το επιλέξουμε, να το βάλουμε στη σωστή θέση. Στα περιβάλλοντα κειμένου, για τον αντίστοιχο κώδικα χρειάζεσαι 13 πληκτρολογήματα δηλαδή σημαντικά λιγότερη διαδραστική προσπάθεια.

4 Η έλλειψη εκφραστικής ελαστικότητας στο τι είναι αυτό που μεταφέρεται προκαλεί επίσης αργό χειρισμό. Δεν υπάρχει, για παράδειγμα, εύκολος τρόπος να επιλέξουμε 2 ή περισσότερα γειτονικά πλακίδια τα οποία είναι ενσωματωμένα στο εσωτερικό μιας δομής ελέγχου και να τα μεταφέρνουμε κάπου αλλού. Τα περιεχόμενα πλακίδια πρέπει να τα «ξεκλειδωθούν» το καθένα ξεχωριστά ή σε ομάδες και μετά να ξαναενωθούν στην καινούργια θέση. Η προσπάθεια η οποία χρειάζεται να δημιουργήσει κανείς και να συντάξει ένα πρόγραμμα είναι άμεσα σχετιζόμενη με το μέγεθός του. Τα μεγάλα προγράμματα χρειάζονται περισσότερο χειρισμό και σιγά σιγά η ζυγαριά γέρνει προς τα περιβάλλοντα κειμένου. Τα περιβάλλοντα με πλακίδια δεν είναι το πιο εύκολο μέσο να γράψεις και να διατηρήσεις μεγάλα προγράμματα. Αυτό είναι το κύριο σημείο, το οποίο περιορίζει τη χρήση των περιβαλλόντων με πλακίδια σε σχετικά έμπειρους και επαγγελματίες προγραμματιστές (Brown, 2015). Υπάρχουν αρκετές σύγχρονες έρευνες οι οποίες συγκρίνουν προγραμματιστικά περιβάλλοντα με πλακίδια με προγραμματιστικά περιβάλλοντα κειμένου. Τα αποτελέσματα των McKay & Kölling, (2013) δείχνουν ότι τα προγραμματιστικά περιβάλλοντα κειμένου είναι πιο κατάλληλα για ορισμένες εργασίες, όπως εισαγωγή και αντικατάσταση εντολών ενώ προγραμματιστικά περιβάλλοντα με πλακίδια είναι πιο κατάλληλα για διαγραφή και μετακίνηση εντολών. O Weintrop (2015) ασχολήθηκε στη διδακτορική του διατριβή με τη σύγκριση περιβαλλόντων προγραμματισμού με πλακίδια, με περιβάλλοντα κειμένου και με υβριδικά περιβάλλοντα που διαθέτουν πλακίδια και δυνατότητα πληκτρολόγησης των εντολών όσον αφορά τις παροχές τους και τα μειονεκτήματα τους σε σχολικό περιβάλλον και αναμένονται με ενδιαφέρον τα αποτελέσματα της έρευνάς του. Οι τελευταίες έρευνες δείχνουν ότι, παρ' όλη την άνοδο της δημοτικότητας των περιβαλλόντων με πλακίδια, υπάρχουν ανοιχτά ερευνητικά ερωτήματα όσον αφορά τα υπέρ και τα κατά των χαρακτηριστικών που προσφέρουν στην πραγματική εφαρμογή τους στην τάξη. Οι περισσότερες εργασίες που είναι υπέρ της αποτελεσματικότητάς τους εστιάζουν στη χρήση τους σε μικρούς μαθητές και μη τυπικό πλαίσιο εκπαίδευσης. Πρόσφατα, οι Weintrop & Wilensky (2015) διεξήγαγαν έρευνα σε μαθητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης ως προς το τι θεωρούν ότι συνεισφέρει στην ευκολία χρήσης των περιβαλλόντων αυτών, καθώς επίσης για το ποιες πιστεύουν ότι είναι οι κύριες διαφορές ανάμεσα σε περιβάλλοντα με πλακίδια και περιβάλλοντα κειμένου. Οι μαθητές απάντησαν ότι η ευκολία χρήσης των περιβαλλόντων με πλακίδια οφείλεται στη χρήση της ετικέτας (ταμπέλας) με τις εντολές πάνω στα πλακίδια, τα διαφορετικά σχήματα και χρώματα των πλακιδίων, ο μηχανισμός «σύρε και άφησε» και η ευκολία περιήγησης στη βιβλιοθήκη των πλακιδίων- εντολών. Αλλά οι μαθητές αναγνώρισαν και μειονεκτήματα στα προγραμματιστικά περιβάλλοντα με πλακίδια, όπως θέματα προγραμματιστικής αυθεντικότητας, εκφραστική δύναμη και πιθανή δυσκολία στο να συντάξουν μεγαλύτερα, πιο πολύπλοκα προβλήματα. Στη σύγκριση των περιβαλλόντων απάντησαν ότι η χρήση πλακιδίων στο προγραμματιστικό περιβάλλον έκανε τον προγραμματισμό πιο εύκολο σε σύγκριση με αυτόν σε αντίστοιχα περιβάλλοντα κειμένου. Από έρευνα που έγινε σχετικά με το περιβάλλον Alice (Parsons & Haden, 2007), σε φοιτητές, προέκυψε ότι οι μαθητευόμενοι δυσκολεύτηκαν να κάνουν το συσχετισμό ανάμεσα στην εργασία στο Alice και τον «πραγματικό» προγραμματισμό. Στην προσπάθειά τους να παρέχουν λιγότερους συντακτικούς περιορισμούς, τα περιβάλλοντα με πλακίδια, γίνονται αντιληπτά ως απλοϊκά και μη σχετικά με τον «πραγματικό» προγραμματισμό. Οι μαθητές δεν αντιλαμβάνονται ότι μαθαίνουν κάποια γλώσσα προγραμματισμού. Μετάβαση από περιβάλλοντα με πλακίδια σε περιβάλλοντα κειμένου Μερικοί ερευνητές θεωρούν τον προγραμματισμό με χρήση πλακιδίων ως μια εισαγωγή στο προγραμματισμό, η οποία τοποθετεί τα θεμέλια για την τελική μετάβαση σε προγραμματισμό με πληκτρολόγηση εντολών. Αυτό παραμένει ένα ανοιχτό ερευνητικό ερώτημα, το οποίο μόλις αρχίζει να απασχολεί την ερευνητική κοινότητα. Οι Powers et al (2007) διαπίστωσαν ότι οι μαθητές είχαν προβλήματα στη μετάβαση από προγραμματισμό με πλακίδια σε προγραμματισμό με σύνταξη εντολών. Διατύπωσαν την άποψη ότι οι μαθητές δεν αναγνώρισαν τη σημασία της ακριβής σύνταξης των εντολών, όταν ξεκίνησαν να πληκτρολογούν εντολές. Επίσης, τα περιβάλλοντα

5 προγραμματισμού με πλακίδια καθώς έχουν μια εμφάνιση που μοιάζει με παιχνίδι- δεν αντιμετωπίζονται από τους μαθητές ως περιβάλλοντα "πραγματικού" προγραμματισμού και, άρα, μειώνουν το κίνητρο για μάθηση. Οι Wagner et al (2013) επαναλαμβάνοντας ασκήσεις, πρώτα χρησιμοποιώντας ένα περιβάλλον με «πλακίδια» και στη συνέχεια ένα περιβάλλον κειμένου, κατέληξαν ότι οι μαθητές μπορούσαν να αντιστοιχίσουν αποτελεσματικά τις διαδικασίες με πλακίδια σε διαδικασίες με κείμενο. Οι Armoni et al (2015) εξέτασαν την επίδραση μιας πρότερης διδασκαλίας προγραμματισμού σε Scratch στην εκμάθηση προγραμματισμού με σύνταξη εντολών. Τα αποτελέσματα έδειξαν μια ελαφρά βελτίωση στην απόδοση των μαθητών που είχαν διδαχθεί Scratch. Συγκεκριμένα, οι μαθητές που διδάχτηκαν Scratch στο Δημοτικό είχαν μεγαλύτερο κίνητρο και αντιλήφτηκαν πιο γρήγορα έννοιες σε προγραμματιστικά περιβάλλοντα κειμένου, όταν έφταναν στο Γυμνάσιο. Διαπιστώνεται ότι αν και τα προγραμματιστικά περιβάλλοντα με πλακίδια είναι πολύ δημοφιλή για εισαγωγή στον προγραμματισμό σε μικρά παιδιά,, η εκμάθηση μιας "πραγματικής" γλώσσας προγραμματισμού αποτελεί στόχο για τους μαθητές που ενδιαφέρονται να ασχοληθούν με τον προγραμματισμό σε μεγαλύτερη ηλικία. Η μετάβαση από ένα περιβάλλον στο άλλο είναι μια δύσκολη πρόκληση για την εκπαιδευτική διαδικασία. Οι προκλήσεις αυτές αναλύονται στην εργασία των Kolling et al (2015) οι οποίοι ανέλυσαν τα γενικά ζητήματα που προκύπτουν κατά τη μετάβαση από ένα οποιοδήποτε περιβάλλον με πλακίδια σε ένα οποιαδήποτε περιβάλλον κειμένου. Προγραμματιστικά περιβάλλοντα με πλακίδια και η Logo Τα περιβάλλοντα με πλακίδια αρχικά σχεδιάστηκαν για παιδιά και θεωρούνται ότι επηρεάστηκαν από τα Logo like προγραμματιστικά περιβάλλοντα. (Freurzeig, 1969; Papert, 1980). H γλώσσα προγραμματισμού Logo εισήγαγε έναν αριθμό από χαρακτηριστικά, τα οποία εμφανίζονται στα προγραμματιστικά περιβάλλοντα με πλακίδια, με αξιοσημείωτο την ύπαρξη των εντολών κίνησης όπως το forward (μπροστά) και turn right (στρίψε δεξιά), της παρουσίας ενός avatar για να υλοποιήσει αυτές τις εντολές (η Logo είχε τη χελώνα, ενώ τα νεώτερα περιβάλλοντα έχουν τα sprites) και συντακτικό της γλώσσας κατάλληλο για αρχάριους προγραμματιστές. Στην Ελλάδα - και ειδικότερα στο γυμνάσιο- το διδακτικό βιβλίο χρησιμοποιεί στη διδασκαλία βασικών δομών προγραμματισμού το προγραμματιστικό περιβάλλον της MicroWorlds Pro, το οποίο είναι ένα Logolike περιβάλλον. Ο Μικρόπουλος (2004) «προτείνει τη γλώσσα Logo ως ένα από ένα από τα πλέον κατάλληλα εργαλεία τόσο για τη διδασκαλία του προγραμματισμού σε επίπεδο Δημοτικού και Γυμνασίου, όσο και ως γνωστικού διερευνητικού εργαλείου για την υποστήριξη άλλων γνωστικών αντικειμένων και την ανάπτυξη πνευματικών δεξιοτήτων». Όμως, πολλές έρευνες δεν κατάφεραν να επιβεβαιώσουν τα αναμενόμενα πλεονεκτήματα της Logo και η κοινότητα της Logo δεν άνθισε, όπως αναμενόταν (disessa, 2000; Mannila et al, 2006). Στη logo, όπως και σε άλλες γλώσσες προγραμματισμού που βασίζονται στη συγγραφή εντολών, οι εντολές του κώδικα διαμορφώνονται ακολουθώντας ένα σύνολο κανόνων σύνταξης. Το γεγονός ότι πρέπει να ακολουθηθούν επακριβώς αυτοί οι κανόνες στη συγγραφή των εντολών του προγράμματος οδηγεί σε συντακτικά λάθη που εμποδίζουν την εκτέλεση των εφαρμογών (Ford, 2008). Έχει γίνει αρκετή έρευνα σχετική με την εμπειρία των μαθητών στη χρήση της γλώσσας Logo. Όμως, μόνο μέσα από τη σύγκριση με ένα άλλο προγραμματιστικό περιβάλλον όπως το Scratch μπορούμε να απομονώσουμε τα χαρακτηριστικά της εμπειρίας των μαθητών που προέρχονται από τον προγραμματισμό από εκείνα που επηρεάζονται από το προγραμματιστικό περιβάλλον. Ο έρευνα Lewis, (2010) πραγματοποίησε έρευνα σχετικά με τα συμπεριφορικά και μαθησιακά αποτελέσματα στη διδασκαλία προγραμματισμού σε μαθητές ετών. Οι μαθητές χωρίστηκαν σε 2 ομάδες, η μια ομάδα διδάχτηκε Scratch και μια άλλη αντίστοιχα μαθήματα στη Logo. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων προέκυψε ότι, παρ' όλα τα θετικά χαρακτηριστικά του Scratch, οι μαθητές και των δύο ομάδων βρήκαν τις ασκήσεις το ίδιο δύσκολες. Επιπλέον, οι μαθητές που διδάχθηκαν τη Logo απέκτησαν, κατά μέσο όρο, μεγαλύτερη ικανότητα στο να προγραμματίζουν. Η γλώσσα προγραμματισμού Logo φάνηκε ικανή να υποστηρίξει το μαθητή στην ανάπτυξη της αυτοπεποίθησης

6 του και του ενδιαφέροντός του στον προγραμματισμό και ειδικότερα στην κατανόηση της δομής επανάληψης. To προγραμματιστικό περιβάλλον scratch βοήθησε λίγο περισσότερο τους μαθητές να μάθουν τη δομή της επιλογής. Η εργασία των Εφόπουλου, Δαγδιδέλλη, & Ευαγγελίδη (2005) καταλήγει στο συμπέρασμα δεν υπάρχει μέχρι σήμερα μια γλώσσα που να αποτελεί ένα απόλυτα παραδεκτό πρότυπο εισαγωγής στον προγραμματισμό για αρχάριους χρήστες. Ο Papert υποστήριζε ότι οι γλώσσες προγραμματισμού θα πρέπει να έχουν ένα χαμηλό "δάπεδο" (ώστε να είναι εύκολο κάποιος να ξεκινήσει) και ένα υψηλό ταβάνι (προκειμένου να προσφέρει δυνατότητες για όλο και πιο πολύπλοκα έργα σε βάθος χρόνου) (Resnick et al, 2009). Γιατί, λοιπόν, να μην πάρουμε το χαμηλό δάπεδο από τη μια και το υψηλό ταβάνι από κάποια άλλη;. Τίθεται, επομένως, το ερώτημα: γιατί πρέπει να διαλέξουμε αναγκαστικά ένα μόνο περιβάλλον προγραμματισμού;. Η εργασία των Dorling and White (2015) καταλήγει στο ότι η χρήση προγραμματιστικών περιβαλλόντων με πλακίδια σε συνδυασμό με περιβάλλοντα κειμένου, τα οποία υποστηρίζουν παρόμοιες γλώσσες προγραμματισμού, συμβάλλει στο να αποκτήσουν οι μαθητές εμπιστοσύνη στις ικανότητές τους, ανεξαρτησία και ενδιαφέρον στην εκμάθηση μιας γλώσσας κειμένου, τόσο στην πρωτοβάθμια, όσο και στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση. Ο Weintrop (2015) στη διατριβή του θέτει και προσπαθεί να απαντήσει το ερώτημα, αν γίνεται να σχεδιαστεί ένα υβριδικό περιβάλλον για εισαγωγή στον προγραμματισμό, το οποίο θα συνδυάζει τα υπέρ προγραμματιστικών περιβαλλόντων με πλακίδια με αυτά των περιβαλλόντων κειμένου, ώστε να εισαχθούν με αποτελεσματικό τρόπο οι αρχάριοι στον προγραμματισμό και στην επιστήμη της Πληροφορικής γενικά. Μια πρόταση για τη Γ Γυμνασίου Στην Ελλάδα σε περίπου 1000 δημοτικά σχολεία που υλοποιούν Ενιαίο Αναμορφωμένο Εκπαιδευτικό Πρόγραμμα (ΕΑΕΠ) διδάσκονται βασικές γνώσεις Πληροφορικής και ΤΠΕ. Σύμφωνα με το παρόν ΔΕΠΠΣ & ΑΠΣ Πληροφορικής, οι μαθητές των δύο τελευταίων τάξεων κάνουν χρήση μιας απλής γλώσσας προγραμματισμού (Logo like) για τον έλεγχο και προγραμματισμό του υπολογιστή. Τα τελευταία χρόνια, συνηθίζουν οι εκπαιδευτικοί να διδάσκουν τον προγραμματισμό στο περιβάλλον προγραμματισμού με πλακίδια Scratch. Στο γυμνάσιο οι μαθητές έρχονται σε επαφή με έννοιες προγραμματισμού στην Γ Γυμνασίου, όπου πάλι διδάσκονται προγραμματισμό σε Logo like περιβάλλον. Συνήθως, διδάσκονται προγραμματισμό στο περιβάλλον της MicroWorlds Pro, το οποίο προτείνεται από το διδακτικό βιβλίο. Οπότε, έχουμε μαθητές της Γ Γυμνασίου οι οποίοι είναι πιθανό να έχουν διδαχθεί ορισμένες έννοιες του προγραμματισμού σε Scratch στο Δημοτικό ή γνωρίζουν πρώτη φορά τον προγραμματισμό στη Γ Γυμνασίου με ένα περιβάλλον εντολών κειμένου. Αξίζει να σημειωθεί ότι και οι μαθητές, που έχουν διδαχθεί προγραμματισμό στο Δημοτικό, έρχονται ξανά σε επαφή με έννοιες του μετά από κενό δύο χρόνων και σε διαφορετικό περιβάλλον. Στην παρούσα εργασία προτείνουμε στη Γ γυμνασίου την παράλληλη εργασία σε ένα περιβάλλον με πλακίδια και σε ένα αντίστοιχο περιβάλλον κειμένου. Θεωρούμε ότι ένας τέτοιος συνδυασμός μπορεί να βοηθήσει, ώστε να αξιοποιηθούν τα θετικά χαρακτηριστικά του κάθε περιβάλλοντος στην εκμάθηση προγραμματιστικών δεξιοτήτων. Η προτεινόμενη διαδικασία είναι (εν συντομία): ο μαθητής καλείται να δώσει τη λύση σε ένα πρόβλημα σε ένα προγραμματιστικό περιβάλλον με πλακίδια. Στη συνέχεια, καλείται να μεταφέρει τη δομημένη λύση του σε μια γλώσσα κειμένου, η οποία έχει κοινά χαρακτηριστικά με τη γλώσσα που κρύβεται πίσω από τα πλακίδια. Συγκεκριμένα, το πρόγραμμα που έφτιαξε σε ένα περιβάλλον με πλακίδια θα αντιστοιχηθεί σε ένα πρόγραμμα, όπου θα χρειαστεί να γράψει ανάλογες εντολές, προσέχοντας μόνο τη σύνταξη τους. Προτείνουμε τη χρήση ενός υβριδικού περιβάλλοντος με πλακίδια το οποίο έχει τη δυνατότητα να προβάλει το πρόγραμμα που δημιουργήθηκε με πλακίδια σε μορφή μια γλώσσας προγραμματισμού. Η γλώσσα προγραμματισμού είναι «κρυμμένη» μέσα στο περιβάλλον προγραμματισμού και ο κώδικας που εμφανίζεται δεν μπορεί να τροποποιηθεί από τον χρήστη.

7 Υλοποίηση δραστηριότητας Η υλοποίηση έγινε με αφορμή την ώρα κώδικα (hour of code Η Ώρα του Κώδικα είναι μια εισαγωγή στην επιστήμη των υπολογιστών διάρκειας μιας ώρας, σχεδιασμένη να απομυθοποιήσει τον κώδικα και να δείξει ότι οποιοσδήποτε μπορεί να μάθει τα βασικά. Χρησιμοποιήσαμε τη δραστηριότητα Γράψε κώδικα με την Άννα και την Έλσα (πρωταγωνίστριες στην ταινία Frozen) προκειμένου να κατανοήσουν οι μαθητές καλύτερα τη δομή της επανάληψης και να έχουν μια πρώτη επαφή με την έννοια της διαδικασίας και την έννοια της μεταβλητής. Στη δραστηριότητας frozen, κάθε block αντιπροσωπεύει μια εντολή. Τα block ενώνονται μεταξύ τους, όπως τα κομμάτια ενός puzzle. Παράλληλα, οι μαθητές είχαν την δυνατότητα να εργαστούν σε μια γλώσσα πληκτρολόγησης εντολών (στο περιβάλλον Microwolds Pro). Η χρήση της παράλληλης γλώσσας αποσκοπούσε τότε στην ένταξη της δραστηριότητας της ώρας κώδικα (Frozen) που χρησιμοποιεί πλακίδια στην «κανονική» ροή της διδασκαλίας του προγραμματισμού με το περιβάλλον Microwolds Pro. Η δραστηριότητα υλοποιήθηκε στην Τρίτη τάξη ενός Γυμνασίου της Ανατολικής Αττικής, σε τρία τμήματα μαθητών, οι οποίοι δεν είχαν διδαχθεί κάποιο περιβάλλον προγραμματισμού με πλακίδια. Διαδικασία που ακολουθήθηκε: Αφού έγινε μια ολιγόλεπτη επίδειξη-παρουσίαση του τρόπου που φτιάχνουμε τον κώδικα στο περιβάλλον frozen δείχνοντας τα δύο πρώτα πάζλ, οι μαθητές ξεκίνησαν να εργάζονται σε ομάδες των δυο. Για την υποστήριξη των δραστηριοτήτων οι μαθητές χρησιμοποίησαν ένα δομημένο φύλλο εργασίας. Εναλλάσσοντας τους ρόλους, ο ένας μαθητής δουλεύει στον υπολογιστή και ο άλλος, μετά από μεταξύ τους συζήτηση, συμπληρώνει στο φύλλο εργασίας τις αντίστοιχες εντολές που θα χρησιμοποιούσαν στο περιβάλλον της MicroWorlds Pro. Σημειώνουμε ότι στη δραστηριότητα του hour of code, o μαθητής μπορεί να δει αν θελήσει και τις εντολές σε γλώσσα JavaScript. Ένα σύντομο παράδειγμα από την υλοποίηση της δραστηριότητας: Ζητείται από τους μαθητές να βοηθήσουν την Άννα, την πρωταγωνίστρια του frozen, να σχεδιάσει ένα ρόμβο στην επιφάνεια εργασίας, με το παγοπέδιλό της. Εικόνα 1: Το περιβάλλον προτείνει στους χρήστες ποιές εντολές-πλακίδια πρέπει να χρησιμοποιήσουν Εικόνα 2: Ο συνδυασμός "μισοψημένου" κώδικα δίνει το επιθυμητό αποτέλεσμα

8 Στη συνέχεια, οι μαθητές καλούνται να γράψουν στο φύλλο εργασίας τους τις αντίστοιχες εντολές για τη δημιουργία του παραλληλογράμμου χρησιμοποιώντας τη γλώσσα προγραμματισμού Logo για το περιβάλλον της MicroWorlds Pro. Στο τέλος, οι μαθητές μπορούν να δουν το πρόγραμμα που κρύβεται πίσω από τα πλακίδια σε JavaScript και να κάνουν έτσι μια πρώτη γνωριμία με την πιο διαδεδομένη γλώσσα προγραμματισμού στον κόσμο: Εικόνα 3: Το πρόγραμμα που δημιούργησαν οι μαθητές, σε JavaScript Το σύνολο της τάξης, ολοκλήρωσε με επιτυχία τη συμπλήρωση των φύλλων εργασίας. Σε μετέπειτα συζήτηση με τον διδάσκοντα, οι μαθητές διατύπωσαν τις παρακάτω απόψεις: Καταλάβαμε ότι έχουμε έναν αλγόριθμο, γραμμένο σε διαφορετικές γλώσσες Το περιβάλλον με τα πλακίδια μοιάζει περισσότερο με παιχνίδι, αλλά στο Microwolds Pro, αισθανθήκαμε προγραμματιστές αφού γράφαμε μόνοι μας τις εντολές Πότε μπορούμε να μάθουμε Java? κ.α. Συμπεράσματα Προοπτικές Η εφαρμογή στην τάξη έδωσε θετικές ενδείξεις ότι η παράλληλη χρήση ενός περιβάλλοντος προγραμματισμού με πλακίδια και ενός περιβάλλοντος με εντολές σε κείμενο διευκολύνει την εκμάθηση εννοιών προγραμματισμού και αποτέλεσε το έναυσμα για μελέτη των σχετικών ερευνών. Οι έρευνες αυτές επιβεβαιώνουν την άποψη που εξέφρασαν οι μαθητές, ότι «Το περιβάλλον με τα πλακίδια μοιάζει περισσότερο με παιχνίδι, αλλά στο Microwolds Pro, αισθανθήκαμε προγραμματιστές αφού γράφαμε μόνοι μας τις εντολές». Η βιβλιογραφική έρευνα που πραγματοποιήθηκε απέδειξε ότι η μελέτη για τη χρήση περιβαλλόντων που χρησιμοποιούν και τους δύο τρόπους αναπαράστασης κώδικα βρίσκεται σήμερα στην κορυφή του ενδιαφέροντος πολλών ερευνητών (state of the art). Ερευνητές δημιουργούν και προτείνουν υβριδικά περιβάλλοντα (frame-based editing), τα οποία χρησιμοποιούν χαρακτηριστικά τόσο από περιβάλλοντα με πλακίδια όσο και από περιβάλλοντα κειμένου. (Kolling, 2015; Brown, 2015) Στους μελλοντικούς στόχους των συγγραφέων είναι μια ευρύτερη εφαρμογή της μεθόδου σε μια ομάδα σχολείων με δομημένες δραστηριότητες και μεθόδους αξιολόγησης της δραστηριότητας. Αναφορές Armoni, M., Meerbaum-Salant, O., and Ben-Ari, M. (2015). From Scratch to Real Programming. ACM Transactions on Computing Education 14(4), article 25. Begel, A. (1996). Logoblocks: A graphical programming language for interacting with the world. Master s thesis, S.B. Thesis, MIT Department of Electrical Engineering and Computer Science. Brown, N.C.C., Kölling, M., and Altadmri, A. (2015) Position paper: Lack of keyboard support cripples blockbased programming. IEEE Symposium on Visual Languages and Human-Centric Computing. October 18 22, Atlanta, Georgia, USA Cooper, S., Dann, W., Pausch, R. (2003). Teaching objects-first in introductory computer science. SIGCSE 2003.

9 DiSessa, A. (2000). Changing minds: Computers, learning, and literacy. Cambridge, MA: MIT Press Dorling, M., and White, D. (2015). Scratch: A Way to Logo and Python. SIGCSE 2015, Proceedings of the 46th SIGCSE technical symposium on Computer science education. Kansas City, Missouri, USA: ACM. Federici, S. (2011). A minimal, extensible, drag-and-drop implementation of the C programming language. In Proceedings of the 2011 conference on Information technology education (SIGITE 11) (pp ). New York: ACM. Feurzeig, W,.. Papert, S., Bloom, M., Grant, R. & Solomon, C.(1969) Programming languages as a conceptual, framework for teaching mathematics. Report No Final report of the first 15 months of the Logo project. Bolt, Beranek and Newman, Cambridge, MA. Ford, J.L. (2008). Scratch Programming for Teens. Canada: Course Technology PTR.. Google Blockly. A Visual Programming Editor. Guzdial, M. (2004). Programming environments for novices. In S. Fincher and M. Petre (Eds.), Computer Science Education Research (pp ). Lisse, The Netherlands: Taylor & Francis. Homer, M. & Noble, J. (2014) Combining Tiled and Textual Views of Code. In Proceedings of 2nd IEEE Working Conference on Software Visualization. Jenkins, T. (2002.) On the difficulty of learning to program. In Proceedings of the 3rd Annual Conference of the LTSN Centre for Information and Computer Sciences. Kelleher, C., & Pausch, R. (2005). Lowering the barriers to programming: A taxonomy of programming environments and languages for novice programmers.acm Computing Surveys (CSUR), 37(2), Kölling, M., Brown N.C.C., and Altadmri, A. (2015) Frame-Based Editing: Easing the Transition from Blocks to Text-Based Programming. In: The 10th Workshop in Primary and Secondary Computing Education, 9-11 Nov 2015, London, UK. Lewis, C. M. (2010). How programming environment shapes perception, learning and goals: Logo vs. Scratch, ACM SIGCSE Bulletin. 41(1), Lyengar, S. Norwood, N.J., Ablex. Powers K., Ecott S., and Hirshfield, L. M., (2007), Through the looking glass: teaching CS0 with Alice, ACM SIGCSE Bulletin, Proc. 38th SIGCSE Technical Symposium on Computer Science Education, SIGCSE '07. 39(1), Mannila, L., Peltomki, M., and Salakoski, T. (2006). What about a simple language? Analyzing the difficulties in learning to program. Computer Science Education, 16,3, McKay, F., & Kölling, M. (2013). Predictive Modelling for HCI Problems in Novice Program Editors. 27th International British Computer Society Human Computer Interaction Conference. London, UK. Meerbaum-Salant, O., Armoni, M., and Ben-Ari, M. (2010). Learning Computer Science Concepts with Scratch. Proceedings of the Sixth international workshop on Computing education research (ICER10), Aaarhus, Denmark, pp Morelli, R., de Lanerolle, T., Lake, P., Limardo, N., Tamotsu, E., and Uche, C. (2011) Can Android App Inventor Bring Computational Thinking to K-12? Proc. 42nd ACM technical symposium on Computer science education (SIGCSE'11).. Moskal, B., Lurie, D., & Cooper, S. (2004). Evaluating the effectiveness of a new instructional approach. In Proceedings of the 35th SIGCSE Technical Symposium on Computer Science Education (Norfolk, Virginia, USA, March 3-7, 2004). SIGCSE '04. ACM, New York, NY, Papert, S. (1980). Mindstorms. Children, Computers and Powerful Ideas. New York: Basic books. Parsons, D., & Haden, P. (2007). Programming osmosis: Knowledge transfer from imperative to visual programming environments. In Conference of the National Advisory Committee on Computing Qualifications. Price, T. W. & Barnes, Τ (2015) Comparing Textual and Block Interfaces in a Novice Programming Environment. In Proceedings of the eleventh annual International Conference on International Computing Education Research (ICER '15). ACM, New York, NY, USA, Resnick, M., Maloney, J., Monroy-Hernandez, A., Rusk, N., Eastmond, E., Brennan, K., Millner, A., Rosenbaum, E., Silver, J., Silverman, B., & Kafai, Y. (2009).Scratch: Programming for All. Communications of the ACM, vol. 52, no. 11, pp Soloway, E., & Spohrer, J. (1988). Studying the novice programmer. Hillsdale, NJ: Erlbaum. Von Graserfeld, E. (1983). Learning as a constructive ctivity. In Bergerson & N. Herscovits (Eds), Proceedings of the Fifth Annual Meeting of the North American Chapter of the PME (Vol1, pp.42-69). Montreal University. Wagner, A., Gray, J., Corley, J., & Wolber, D. (2013). Using app inventor in a K-12 summer camp. In Proceeding of the 44th ACM technical symposium on Computer science education (SIGCSE 13) (pp ). New York: ACM. Weintrop, D. & Wilensky, U. (2015). To Block or not to Block, That is the Question: Students Perceptions of Blocks-based Programming. In Proceedings of the 14th International Conference on Interaction Design and Children. New York, NY, USA: ACM.

10 Weintrop, D. (2015). Comparing Text-based, Blocks-based, and Hybrid Blocks/Text Programming Tools. In Proceedings of the eleventh annual International Conference on International Computing Education Research (ICER '15). ACM, New York, NY, USA, Εφόπουλος, Β., Δαγδιλέλης, Β., Ευαγγελίδης, Γ (2005) Η επιλογή της κατάλληλης εισαγωγικής γλώσσας προγραμματισμού για αρχάριους 3 o Συνέδριο στη Σύρο ΤΠΕ στην εκπαίδευση. Μικρόπουλος, Τ. Α. (2004), Έχει θέση η Logo ως γνωστικό αντικείμενο και ολιστικό πρότυπο στην υποχρεωτική εκπαίδευση; στο Π. Πολίτης (επ.) Διδακτική της Πληροφορικής, Πρακτικά 2ης Διημερίδας με διεθνή συμμετοχή, 65-72, Βόλος Μωράκης, Δ., Βουρδούμπα, Θ. (2014). Οι δυσκολίες των μαθητών της Γ Γυμνασίου στο μάθημα της Πληροφορικής μέσα από τις γραπτές δοκιμασίες τριμήνου. Πρακτικά Εργασιών 8ου Πανελλήνιου Συνεδρίου Καθηγητών Πληροφορικής, Βόλος