Διδακτικές προσεγγίσεις προγραμματισμού

Στόχοι των μαθημάτων Προγραμματισμού

Που αποσκοπεί η διδασκαλία μαθημάτων προγραμματισμού;

• στην οικοδόμηση γνώσεων για τις προγραμματιστικές έννοιες/δομές,
• στην καλλιέργεια ικανοτήτων για τη σχεδίαση και την υλοποίηση λύσεων,
• στην καλλιέργεια ικανοτήτων για την επίλυση προβλημάτων χρησιμοποιώντας ποικίλα εργαλεία.

Κλασσική (Παραδοσιακή) Διδακτική Προσέγγιση

• Παρουσίαση των βασικών προγραμματιστικών εννοιών/δομών μέσω μιας συγκεκριμένης γλώσσας προγραμματισμού
• Έμφαση στην επίλυση προβλημάτων που αφορούν στην επεξεργασία αριθμητικών δεδομένων

Προβλήματα

• Οι μαθητές σκέφτονται στα «στενά πλαίσια» μιας γλώσσας προγραμματισμού και θεωρούν ότι η επίλυση ενός προβλήματος μέσω του υπολογιστή σχετίζεται κυρίως με την «κωδικοποίηση» της λύσης του σε μια γλώσσα προγραμματισμού.
• Οι μαθητές αντιμετωπίζουν δυσκολίες:

1. στην κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του υπολογιστή,
2. στη σχεδίαση/υλοποίηση της λύσης ενός προβλήματος, και
3. στην κατανόηση της λειτουργίας και στην εφαρμογή βασικών προγραμματιστικών δομών.

Μαθησιακές δυσκολίες

Έννοια της μεταβλητής

• Διατήρηση πολλών τιμών - Ιστορία αναθέσεων (Αναλογία «κουτιού» - μεταβλητής)

• Μη αρχικοποίηση τιμών (Αναλογία «κουτιού» - μεταβλητής)

• Διαγραφή της τιμής όταν ανατίθεται σε μία άλλη μεταβλητή (Αναλογία «κουτιού» - μεταβλητής)

• Απόδοση της μαθηματικής ισότητας στην εντολή ανάθεσης τιμής (Πρότερη γνώση από τα μαθηματικά - σύμβολο ισότητας)

• Ανάθεση αριθμητικής έκφρασης ως τιμή της μεταβλητής (Εσφαλμένη αντίληψη για την εκτέλεση της εντολής ανάθεσης τιμής)

• Διασύνδεση μεταβλητών (Έννοια της ισότητας - ταυτότητας)

• Εμφάνιση της τιμής της μεταβλητής (Εσφαλμένη αντίληψη για τη λειτουργία της εντολής εμφάνισης τιμής)

• Προσδιορισμός και καθορισμός του τύπου των μεταβλητών

Εντολές εισόδου - εξόδου

Σύνταξη των εντολών εισόδου - εξόδου

• Συνδυασμός μηνυμάτων - μεταβλητών
• Χρησιμοποίηση διαφορετικού τύπου μορφοποιήσεων για διαφορετικού τύπου μεταβλητές

(Συντακτικό γλωσσών προγραμματισμού)

• Αντιστοίχιση τιμών εισόδου βάσει του ονόματος των μεταβλητών (Εσφαλμένη αντίληψη για τη λειτουργία των εντολών)

Δομές επιλογής

• Ομαδοποίηση εντολών σε εμφωλευμένες δομές επιλογής

• Κατανόηση της λειτουργίας
  • Εκτέλεση του σώματος εντολών ανεξάρτητα από την τιμή της συνθήκης ελέγχου
  • Τερματισμός της εκτέλεσης του προγράμματος σε περίπτωση μη αληθείας της συνθήκης ελέγχου

(Εσφαλμένη αντίληψη για τη λειτουργία των εντολών)

Δομές επανάληψης

• Καθορισμός της συνθήκης ελέγχου όταν απαιτείται λογική έκφραση με περισσότερες από μία μεταβλητές ελέγχου
• Μη αρχικοποίηση και ανανέωση της τιμής των μεταβλητών ελέγχου
• Μη αναγνώριση του ατέρμονα βρόχου και της μη εκτέλεσης της επανάληψης
• Καθορισμός του βήματος ανανέωσης της μεταβλητής-μετρητή στη «Για» («For») μέσω εντολής ανάθεσης τιμής

(Διαφορετική αντίληψη και αναπαράσταση της επαναληπτικής διαδικασίας στην καθημερινή ζωή – Τρόπος λειτουργίας των επαναληπτικών δομών)

Πίνακες

• Διάκριση του δείκτη και του αντίστοιχου στοιχείου του πίνακα

• Επεξεργασία στοιχείων ενός δισδιάστατου πίνακα κατά γραμμές ή στήλες

(Οπτική αναπαράσταση του πίνακα)

Εναλλακτικές Διδακτικές Προσεγγίσεις σε εισαγωγικά μαθήματα προγραμματισμού

Έμφαση στη διαδικασία επίλυσης προβλημάτων

οι μαθητές εξοικειώνονται με τα βασικά στάδια της διαδικασίας επίλυσης προβλημάτων τόσο σε μαθήματα του προγραμματισμού όσο και σε μαθήματα όπως η Τεχνολογία Λογισμικού, τα Πληροφοριακά Συστήματα, κ.λπ.

Έμφαση στη σχεδίαση προγραμμάτων

οι μαθητές αποκτούν ικανότητες στη σχεδίαση προγραμμάτων και στην αξιολόγηση εναλλακτικών λύσεων στο πλαίσιο ενός προβλήματος

Χρησιμοποίηση εναλλακτικών μορφών αναπαράστασης της λύσης

οι μαθητές χρησιμοποιούν ψευδοκώδικα ή άλλες μορφές για την αναπαράσταση της λύσης

Χρησιμοποίηση παραδειγμάτων

οι μαθητές κατανοούν χαρακτηριστικά των προγραμματιστικών δομών μέσα από σύντομα παραδείγματα

Πειραματισμός και διερεύνηση

οι μαθητές διερευνούν και πειραματίζονται με τις προγραμματιστικές δομές εκτελώντας προγράμματα στον υπολογιστή

Συνεργατική μάθηση

οι μαθητές συνεργάζονται στη σχεδίαση και υλοποίηση της λύσης προβλημάτων

Αξιοποίηση εκπαιδευτικών εργαλείων

• αναπτύσσονται και αξιοποιούνται στη διδακτική διαδικασία εκπαιδευτικά εργαλεία που στοχεύουν κυρίως στην ελαχιστοποίηση των συντακτικών λεπτομερειών,
• στον περιορισμό του υποστηριζόμενου ρεπερτορίου εντολών με απλή σύνταξη και σημασιολογία,
• στη στήριξη της διαδικασίας εκσφαλμάτωσης προγραμμάτων και
• στην κατανόηση των λαθών καθώς και
• στην οπτική/ηχητική προσομοίωση εκτέλεσης των προγραμμάτων

Μαθησιακές δυσκολίες για τη διδασκαλία του προγραμματισμού

τι προτείνετε...

Εναλλακτικές διδακτικές προσεγγίσεις

«Μαύρο Κουτί»

Διαδικασία

1. εκτέλεση απλών προγραμμάτων (των οποίων οι μαθητές δε γνωρίζουν τον κώδικα και τη λειτουργία – «μαύρα κουτιά»),
2. «διάλογος» με τον υπολογιστή - είσοδος δεδομένων,
3. μελέτη του κώδικα του προγράμματος,
4. απαντήσεις σε ερωτήσεις σχετικά με τις εντολές που χρησιμοποιούνται,
5. επίλυση αποριών με το διδάσκοντα.

Χαρακτηριστικά

• ενεργητική συμμετοχή των μαθητών
• διερεύνηση των νέων εννοιών από τους ίδιους τους μαθητές
• εξοικείωση των μαθητών με τις νέες έννοιες κατά την εκπόνηση δραστηριοτήτων στο εργαστήριο

Παράδειγμα Εφαρμογής

• Όταν οι μαθητές πρόκειται να διδαχθούν την έννοια της μεταβλητής και τη λειτουργία των εντολών εισόδου-εξόδου και ανάθεσης τιμής, τους δίνεται μία σειρά από απλά προγράμματα που περιλαμβάνουν σχετικές εντολές, διαφέρουν ελάχιστα μεταξύ τους και καλύπτουν τα χαρακτηριστικά των εννοιών που διδάσκονται.

• Οι μαθητές, στο 1ο μέρος της δραστηριότητας, καλούνται να απαντήσουν σε ερωτήσεις όπως «τι πληκτρολογήσατε ως είσοδο στο τάδε μήνυμα», «τι είδους μηνύματα εμφανίστηκαν στην οθόνη που ήταν σχετικά με την είσοδο που δώσατε», κ.λ.π.

• Στο 2ο μέρος οι μαθητές μελετούν τον κώδικα και απαντούν σε ερωτήσεις όπως «που αποθηκεύτηκε η τιμή που πληκτρολογήσατε», «ποια πρόταση/εντολή προκάλεσε την είσοδο της τιμής», κ.λ.π.

Προσέγγιση βασισμένη στις «Διερευνήσεις»

Διαδικασία

1. μελέτη του κώδικα του προγράμματος,
2. απαντήσεις σε ερωτήσεις σχετικές με τη λειτουργία και τα αποτελέσματα της εκτέλεσης των προγραμματιστικών δομών που χρησιμοποιούνται,
3. πρόβλεψη της «συμπεριφοράς» του προγράμματος σε είσοδο δεδομένων,
4. εκτέλεση του προγράμματος,
5. σύγκριση και έλεγχος των απαντήσεων του 3ου βήματος και των αποτελεσμάτων της εκτέλεσης του προγράμματος.

Σε περίπτωση που οι προβλέψεις δεν ανταποκρίνονται στα πραγματικά αποτελέσματα, τότε οι μαθητές καθοδηγούμενοι από ειδικά σχεδιασμένες ερωτήσεις/εργασίες καλούνται να εξηγήσουν/τεκμηριώσουν τις απαντήσεις τους.

Χαρακτηριστικά

• Η ανάπτυξη αποτελεσματικών νοητικών μοντέλων (effective mental models) για τη λειτουργία του υπολογιστή και τις βασικές προγραμματιστικές έννοιες/δομές

• Η προώθηση της εννοιολογικής αλλαγής όσον αφορά στις αναπαραστάσεις που έχουν οι αρχάριοι για τις δυνατότητες του υπολογιστή και τη λειτουργία των προγραμματιστικών δομών

• Η ανάπτυξη δεξιοτήτων για τη διεκπεραίωση συγκεκριμένων διαδικασιών όπως δοκιμή του προγράμματος

Παράδειγμα Εφαρμογής

• Προκειμένου οι μαθητές να καταλάβουν πώς οι μεταβλητές αλλάζουν τιμή χρησιμοποιώντας εντολές ανάθεσης τιμής, μπορεί να τους δοθεί ένα πρόγραμμα (αρχικά ο κώδικας του προγράμματος σε έντυπη μορφή και στη συνέχεια το εκτελέσιμο αρχείο σε ηλεκτρονική) το οποίο περιέχει σχετικές εντολές και συνδυάζει μεταβλητές με εντολές ανάθεσης τιμής.

• Αρχικά, ζητείται από τους μαθητές να μελετήσουν τον κώδικα του προγράμματος, να προβλέψουν τις αρχικές τιμές των μεταβλητών, να περιγράψουν το αποτέλεσμα της εκτέλεσης κάθε εντολής και να προβλέψουν τις τελικές τιμές των μεταβλητών.

• Στη συνέχεια, καλούνται να εκτελέσουν το πρόγραμμα και να εξηγήσουν τις τυχόν διαφορές που υπάρχουν ανάμεσα στις προβλέψεις τους και στα πραγματικά αποτελέσματα.

Προσέγγιση βασισμένη στη συνεργασία δύο ατόμων

Διαδικασία

1. το ένα μέλος της ομάδας, παίζει το ρόλο του «οδηγού» (driver) και έχει τον έλεγχο του μολυβιού/ποντικιού/ πληκτρολογίου στην ανάπτυξη του προγράμματος,
2. το δεύτερο μέλος είναι ο «παρατηρητής» (observer) που διαρκώς ελέγχει το έργο του «οδηγού» θέτοντας ερωτήσεις, διερευνώντας εναλλακτικές λύσεις, παρατηρώντας ελλείψεις, κ.λπ.
3. οι ρόλοι του «οδηγού» και του «παρατηρητή» εναλλάσσονται μεταξύ των δύο ατόμων.

Χαρακτηριστικά

• καλλιέργεια ικανοτήτων στη σχεδίαση και υλοποίηση λύσεων,

• ανάπτυξη στοχαστικών διαδικασιών.

• καλλιέργεια ικανοτήτων συνεργασίας και αλληλοβοήθειας

Προσέγγιση βασισμένη στα «ελάχιστα» παραδείγματα

Καθένα από τα παραδείγματα επικεντρώνεται σε μία συγκεκριμένη έννοια του προγραμματισμού ή προγραμματιστική δομή και είναι μικρό σε έκταση.

Τα βασικά συστατικά των «ελάχιστων» παραδειγμάτων είναι

• μία ερώτηση/περιγραφή που χαρακτηρίζει το παράδειγμα
• ο κώδικας του παραδείγματος που περιέχει τις σχετικές εντολές
• το αποτέλεσμα της εκτέλεσης του κώδικα για κάποια είσοδο τιμών
• σχόλια, επεξηγήσεις και επισημάνσεις σχετικά με την έννοια που παρουσιάζεται και τη λειτουργία των εντολών

Παράδειγμα εφαρμογής

• Έστω ότι ο διδάσκοντας θέλει να εξηγήσει πότε είναι απαραίτητο να αρχικοποιούνται οι μεταβλητές.

• Κατασκευάζει ένα παράδειγμα που περιέχει την ερώτηση (π.χ. «πότε πρέπει να δίνονται αρχικές τιμές στις μεταβλητές;»), τον κώδικα ενός παραδείγματος (π.χ. για το άθροισμα δέκα αριθμών),
• το αποτέλεσμα της εκτέλεσης για ενδεικτικές τιμές εισόδου, και σχόλια που επισημαίνουν την αναγκαιότητα της αρχικοποίησης της αντίστοιχης μεταβλητής.

Μαθησιακοί στόχοι που επιτυγχάνονται

Ικανότητες - Αντιλήψεις - Στάσεις που καλλιεργούνται

Παράδειγμα σχεδίου Ανάπτυξη εφαρμογών