Slutrapport för projektet Programmeringsundervisning i skolor med webbaserad konstprogrammering Annika Silvervarg, Linköping universitet Inledning Dagens barn och ungdomar är flitiga användare av datorer, smarta mobiler och surfplattor. De är duktiga på att använda tekniken men har begränsad kunskap om hur det fungerar under huven. För att bli bättre teknikanvändare, men framförallt för att kunna bli framtidens teknikproducenter, förespråkar nu många att barn och ungdomar bör lära sig att programmera. Det är inte rimligt att alla barn och ungdomar idag ska bli yrkesprogrammerare, men alla bör ha grundläggande kunskaper och förståelse för vad det innebär, och ges möjlighet att prova på. I Sveriges tas nu många initiativ till coder dojos där frivilliga personer eller organisationer bjuder in barn att under handledning få prova på programmering. En del teknikkunniga föräldrar hjälper också sina barn att utforska programmering hemma. Ett sätt att nå fler barn är att introducera programmering i skolan. Ett mål med programmeringsundervisning för barn är att möjliggöra för fler barn och ungdomar att få förståelse för och möjlighet att själv producera den teknik de i allt större utsträckning konsumerar via datorer, surfplattor och telefoner. Ett sekundärt mål är ofta att väcka intresse för programmering hos en bredare grupp och bidra till ökad digital delaktighet där fler kan vara med och utveckla den framtida tekniken. Det saknas dock kunskap om vad barn lär sig genom olika insatser och hur det påverkar deras intresse och attityd till att lära sig programmera samt hur man bästa ska utvärdera detta. Mål och syfte Projektet syfte är att generera kunskap om hur barn kan lära sig programmera i skolmiljö, samt vilka metoder som kan användas för att undersöka vad barnen lär sig om datorprogram och programmering och om deras intresse för och attityd till programmering ändras när de får programmera. Resultaten kan användas för att bättre utforma och följa upp effekterna av programmeringsundervisning för barn och som underlag för fortsatta undersökningar. Projektbeskrivning Huvudfokus för projektet har varit att genomföra en grundlig undersökning i klassrum där eleverna utför olika programmeringsövningar. Detta har inneburit att ta fram en teknisk plattform och övningar för programmeringsundervisning samt att utforma olika instrument för att utvärdera elevers lärande och attityder. Vi utgick ifrån konstprogrammering, dvs bildskapande med kod, då vi tror att det är en bra bas för introduktion till programmering. Ett skäl är persistensen i bilden. Programmet får en fysisk form som kan skrivas ut och finns kvar även när strömmen är avstängd. Ett annat är att barn och ungdomar ägnar mycket tid åt att skapa bilder på olika sätt och att de flesta har stor vana vid att måla. En annan
Figur 1. Plattformen CodeArt som eleverna fick arbeta med (t.v. editor där kod skrivs in, t.h. canvas där konst frambringas). fördel är att bildskapande med kod utgår ifrån kompakta program som ger ett riktigt resultat med väldigt få rader kod. Ytterligare ett skäl är att bildskapande med kod även kan göras med mycket avancerad programmering och därmed låta intresserade utforska mer komplicerade programmeringssätt. Slutligen är procedurell generering av grafiska element en viktig del i vår produktion av t ex spel, filmer och snart alla ingenjörsämnen samt arkitektur och design. Projektet bygger på konstprogrammeringsspråket Processing, som utvecklats på MIT för introduktion till programmering. Det är en vanligt förekommande plattform för bildskapande med kod och det finns stora mängder kod tillgängligt t.ex. via tjänster som openprocessing.org. Koden kan köras i många olika fria tjänster för webbaserad utveckling via processing.js och kräver ingen installation av lärare eller elever. Vi använde och anpassade en befintlig plattform som finns vid Institutionen för Datavetenskap vid Linköpings universitet. codeart.ida.liu.se körs i en browser och är öppen för vem som helst att använda. Figur 1 visar plattformen med kod till vänster och den genererade bilden till höger. Vi utvecklade ett undervisningsmaterial baserat på Processing med 11 uppgifter som syftade till att illustrera olika programmeringskomponenter. Uppgifterna bestod av kodskelett som eleverna instruerades att ändra och utforska med hjälp av en guidande text. Utgångspunkten vid utformning av materialet var att eleverna genom att göra relativt enkla program ska se kraften i programmering och få en grundläggande förståelse för olika programmeringsbegrepp. Uppgifterna och materialet var också tänkt att fungera utan att en lärare höll genomgångar och utan att kräva mycket handledning. Uppgifterna finns bifogade i Bilaga 1. För att undersöka effekterna av programmeringsundervisningen togs ett batteri av undersökningsmetoder fram. Enkäter för att undersöka attityd och syn på egenförmåga att lära sig programmera togs fram och pilottestades två gånger, se Bilaga 2 och 3. Intervjufrågor för fokusgruppsintervjuer togs också fram och pilottestades vid ett tillfälle, se Bilaga 4. Enkätfrågor om vad programmering och kod är utformades, se Bilaga 5. Vi skapade även ett observationsprotokoll att använda under lektionerna, se Bilaga 6. Kunskapstest utformades som dels ett digitalt skriftligt prov
bestående av fritext och flervalsfrågor, se Bilaga 7, dels som en fri uppgift där eleverna skulle skriva helt ny kod utan att utgå ifrån ett exempel, se Bilaga 8. Som underlag för utformningen av dessa instrument gjordes genomgångar av forskningsresultat rörande attityd och egenförmåga och hur man på bästa sätt mäter sådana. Samt en litteraturstudie om forskning kring hur man lär sig programmera och vad tidigare studier om programmeringsundervisning har visat. Programmeringsundervisningen och undersökningen genomfördes i två klasser i åk6 om totalt 65 elever. Dessa fick under första lektionen svara på enkäter om attityd, egenförmåga och kunskap om vad programmering är. De fick därefter under andra halvan den första lektionen (ca 30 min) samt två hela lektioner (vardera 60 min) utföra uppgifter under handledning av 3 personer anställda inom projektet. Under dessa lektioner genomfördes observationer av två personer. Den sista lektionen fick eleverna göra testuppgiften där de skulle skriva ny kod. Därefter fick de fylla i samma enkäter som vid första lektionen. Under ytterligare en lektion fick sedan hälften av deltagarna delta i fokusgruppsintervjuer. De insamlade data analyserades genom både kvantitativa statistiska metoder (för enkäterna och kunskapstest) och kvalitativa metoder (för observation och intervju). Resultaten redovisade i två rapporter: Programmering i skolmiljö - En studie i mellanstadieelevers uppfattade egenförmåga och attityd till att lära sig programmera av Christina von Tell och Konstprogrammering i skolor: en litteratur och Interventionsstudie av Karl Hörnell, se Bilaga 10 resp 11. Leverabler Projektet levererar 11 övningar på grundläggande programmeringsbegrepp och tekniker, samt en anpassad plattform för konstprogrammering att användas av elever och lärare i skolklasser. Dessa finns tillgängliga via codeart.ida.liu.se och Bilaga 1. Projektet levererar också ett antal metoder för utvärdering av programmeringsundervisning som kan användas för olika typer av insatser, t ex coderdojos eller klassrumsundervisning. Enkätfrågorna om syn på egenförmåga har t ex anpassats för att användas i samband med coderdojos där man använder Scratch, se Bilaga 9. Projektet har också levererat kunskap om hur barn lär sig programmera och vad som är viktigt om man vill introduceras programmeringsundervisning i skolan, se rapporten som utgör Bilaga 11 samt kunskap om elevers attityd till programmering och syn på sin egen förmåga samt hur de ser på programmering i skolan, se rapporten som utgör Bilaga 10. En översikt av dessa ges i avsnittet Resultat. Resultat Vad är ungas attityd till lära sig programmera? För att fånga elevernas attityd till programmering ställdes 4 enkätfrågor kring aspekterna Tråkigt-Kul, Töntigt-Coolt, Oviktigt-Viktigt, Svårt-Lätt som besvarades på en 5-gradig skala. Svaren sammanställdes till ett medelvärde för varje elev, se Figur 2. I figuren motsvarar varje streck en individs medelvärde, 1 betyder Mycket negativ, 2 Lite negativ, 3 Neutral, 4 Lite positiv och 5 Mycket positiv. Överlag är det fler positiva än negativa elever och i snitt är killar lite mer positiva än tjejer. Om man jämför de som aldrig provat på att programmera förut men de som provat på lite är snittet för attityden 3,92 (lite positiv) för de som provat på, och 3,19 (neutral) för de som inte provat innan.
5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Killar 3,64 Tjejer 3,17 Figur 2. Diagram som visar medelvärden för elevers attityd till programmering där 1 är Mycket Negativ och 5 är Mycket positiv. Varje stapel representerar en individs värde och röda staplar är tjejer och blåa är killar. Hur ser unga på sin egen förmåga att lära sig programmera? Elevernas syn på sin egenförmåga att lära sig programmera undersöktes genom 11 enkätfrågor där eleverna svarade på en femgradig skala där 1 motsvarade Mycket svag, 2 Svag, 3 Neutral, 4 Ganska stark och 5 Mycket stark tro på den egna förmågan. Figur 3 visar medelvärdet för varje individ. Killarna hade i medel 2,89 (nära neutral) och tjejerna 2,56 (mellan lite svag och neutral). Överlag är det fler elever som har svag än stark syn på sin egenförmåga och det är fler killar som har stark syn på sin egenförmåga än tjejer. Om man tittar på gruppen som har provat på programmering tidigare så är de i medelvärde 3,1 jämfört med 2,55 för de som ej provat innan. En större andel (7 av 13) av de som har provat på tidigare har stark egenförmåga jämfört med (7 av 41) av de som ej provat på. En korrelationsanalys mellan egenförmåga och attityd visar att dessa har ett positivt samband. Majoriteten av de elever som klassificerades ha Positiv till Mycket positiv attityd till att lära sig programmera hade Stark eller Ganska stark egenförmåga till att lära sig programmera (73,33 %). Av de med Negativ till Mycket negativ attityd hade en majoritet Svag eller Ganska svag egenförmåga i att lära sig programmera (78,15%). Intervjuer med eleverna visade också att egenförmågan varierar beroende på attitydstillhörighet. De med negativ attityd uppgav att de glömt bort det mesta och trodde att de skulle glömma bort det igen även om de lärde sig mer. De tror dock att det går att lära sig mer programmering och att det troligtvis blir lite lättare när de väl kommer in det, men att lära sig skriva avancerad kod upplever de ligga alldeles för långt bort för deras förmåga. De med positiv attityd till programmering tror sig kunna bli riktigt bra på att programmera och kanske till och med skriva avancerad kod i framtiden förutsatt att de får öva mer.
5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Killar Tjejer Figur 3. Diagram som visar medelvärden för elevers syn på sin egenförmåga att lära sig programmera där 1 är Mycket Svag och 5 är Mycket Stark. Varje stapel representerar en individs värde och röda staplar är tjejer och blåa är killar. Hur ser de på programmering (i skolmiljön)? Upplägget och innehållet i uppgifterna fungerade tyvärr inte fullt ut i skolmiljön. Materialet hade utformats för att vara självinstruerande och förklara olika programmeringskoncept och var inspirerat av Barnhack men med mindre text och mer varierade uppgifter. Det visade sig att uppgifternas svårighetsgrad ökade för fort och utan att eleverna riktigt förstått de begrepp som gåtts igenom. En elev sa följande under en intervju: Och sen så efter halva lektionen, första, så var det ganska roligt för då var uppgifterna ändå ganska enkla så man kunde lösa dem själv och känna att åh vad glad jag är för nu har jag löst den här själv då känner man sig duktig. Men när man kom till uppgift sju och sådär, då tyckte man att det var svårare och man fick hjälp hela tiden och det blev faktiskt ganska tråkigt. Självstudieformatet var problematiskt då de som inte var så intresserade och det inte gick så bra för slutade försöka. Detta kan också ha varit ett resultat av att detta inte var vanlig undervisning med en lärare enligt en av lärarna vi diskuterade detta med. Ett annat problem var att tillfällena var få och långa (60 min) och på grund av nationella prov och påsklov blev det ett glapp mellan tillfällena. Detta togs upp av eleverna under intervjuerna. Ytterligare ett problem var att programmeringsmiljön coderat.ida.liu.se inte är utvecklat för att vara ett utbildningsystem utan snarare vänder sig till dem som har lite programmeringserfarenhet. Det innebär att det inte ger stöd för felsökning för nybörjare. Att skriva riktig kod innebar för många elever stora problem med syntax. Det fanns en märkbar skillnad jämfört med när vi pilottestade under coderdojos då föräldrar ofta satt bredvid och elever deltog frivilligt baserat på intresse.
1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 PRE POST 0 Hur fungerar ett datorprogram? Vad gör man när man programmerar? Vad är kod? Figur 4. Den blå staplarna visar vad eleverna i snitt svarat på frågorna innan de fick prova på programmering och de orangea vad de svarade efter tre lektioner. 0 motsvarar ett helt felaktigt svar, 0,5 ett delvis korrekt svar och 1 ett helt korrekt svar. Enkätfrågorna som undersökte vad eleverna kunde om programmering och vad datorprogram är visade på en markant ökning när det gäller förståelse för vad programmering är, se Figur 4 som visar på medelvärden för alla deltagare före och efter att de fått programmera. Detta tycks vara både positivt och negativt, bra i den meningen att fler förstår vad programmering är men dåligt eftersom intervjuerna visade att många var besvikna. Nedan följer några citat från intervjuerna med de som hade negativ attityd till programmering: Asså typ mer action eller vad man ska säga. Jag förväntade mig inte siffror. Jag visste att det fanns något som hette programmera. Men jag trodde inte att det var såhär. Det som framhölls som negativt med att lära sig programmera var främst att det var komplicerat, långtråkigt och svårt att veta hur man ska göra. Det som framhölls som positivt var främst att kunna göra animeringar och många andra saker samt färgläggning. Oavsett attitydtillhörelse, hade alla elever en positiv syn på programmering i framtiden och tycker att det är viktigt att folk lär sig det, även om de med negativ attityd inte nödvändigtvis anser att de själva behöver göra det. Jag tror det kan vara viktigt faktiskt eftersom, som jag sade förut, datorer och ipads, teknologi liksom, det är väl viktigt för alla kommer att använda det och det kommer användas mer och mer medan tiden går för det utvecklas hela tiden. För programmeringen har ju utvecklats nu på senaste tiden så den stoppar väl inte så man kan ju behöva veta mer om det.
Vet man hur man gör kan det vara väldigt viktigt men det är också väldigt svårt. Hur kan/bör programmering introduceras i skolan? Majoriteten av deltagarna i fokusgrupperna, med undantag för några, tycktes nå en konsensus om att programmering bör vara ett valfritt ämne i skolan, liknande elevens val, men att de ändå ska finnas där. De diskuterade dock fördelar med att ha programmering som ett obligatoriskt ämne och kom fram till att det vore en god idé att lära ut det till barn i ung ålder, detta för att det blir lättare att lära sig i längden då. Några av de med negativ attityd till att lära sig programmera framhöll att de skulle vilja bli bedömda i programmering men inte betygssatta. Från litteraturstudien framkom fyra viktiga aspekter som också stämmer med våra observationer. Den första är att det är viktigt med låga trösklar, detta för att stärk elevens syn på egenförmåga och tro på att kunna lära sig programmera. Det andra är att fokusera på konceptuell förståelse framför syntax, något som speglas i att det nu finns flera projekt som undersöker att lära ut Computational thinking som en grund snarare än programmering i sig. Det tredje är att ha tillgång till bra lärmiljöer/lärplattformar, som t ex erbjuder visualisering, metaforer, förenklad syntax, hjälp och tips. Den fjärde är att det kan vara bättre att börja i låga årskurser då synen på den egna förmågan grundas tidigt och kan bli ett hinder för de som ser sig själva som dåliga på detta. Utvärdering och analys Utvärdering av resultat Projektet har framförallt uppnått sitt syfte om att ta fram metoder som kan användas för att undersöka vad barnen lär sig om datorprogram och programmering och om deras intresse för och attityd till programmering. Tyvärr var upplägget och det material som användes i studien inte så bra att det gick att svara på huruvida intresset för och attityd till programmering ändras när de får programmera i skolan. Samtidigt så visade det på flera av de problem man måste bemöta när man övergår från frivilliga lärsituationer, såsom coderdojos, till en obligatorisk aktivitet med begränsad lärartillgång. Förslag på förbättringar För fortsatta studier är val av teknisk plattform och utformning av undervisningsmaterial väsentlig. Något som efterfrågades av flera elever var mer genomgångar och att komplettera materialet med små videofilmer kan vara ett sätt att uppnå detta och fortfarande tillåta elever att arbeta i sin egen takt och utan att en lärare måste ha stora kunskaper om programmering. Exempel bör vara enklare och (i alla fall i början) dölja syntaktiska detaljer och fokusera mer på konceptuell förståelse och algoritmiskt tänkande. Hela utvecklingsmiljön bör vara mer tillåtande och stödjande. Framtida arbeten Vid Institutionen för Datavetenskap vid Linköpings universitet kommer vi att arbeta vidare med att utveckla codeart som en utvecklingsmiljö och att ta fram nya kodexempel som på ett enklare sätt visar på kraften med programmering men döljer en del av de komplexa och mer matematiska detaljerna i koden. Det vore också mycket intressant att undersöka olika programmeringsmaterial och plattformar och se hur de fungerar i skolan med mer fokus även på lärarens roll. Från skolan som deltog i detta
projekt finns det intresse för att prova på Scratch under en längre period i flera klasser i åk4 och en sådan studie kommer eventuellt att göras under 2016.