Co-De: een digitaal leerplatform voor computationeel denken

Tobias Verlinde Zimcke Van de Staey
Co-De is een digitaal leerplatform dat ontwikkeld werd voor het secundair onderwijs. Op het leerplatform worden interactieve lessen aangeboden die leerlingen doen kennismaken met computationeel denken (abstractie, veralgemening, decompositie, algoritmisch denken en evaluatie).

Expeditie met de Marslander

Leren computationeel denken op Co-De

 

We zijn in het jaar 2025. Vooraleer je je studie definitief afrondt, wil je ervaring opdoen door een stage te volgen bij een bekende ruimtevaartorganisatie. Je mag er meedenken aan een nieuwe Marsexpeditie van de Mars Rover. Je werkt mee in het team dat de robot ter plaatse moet besturen. Zoveel mogelijk data uit bodemstalen verzamelen is de doelstelling van de missie. Hoe laat je de Mars Rover zo efficiënt mogelijk de bodemstalen ophalen? Hoe kan een robot obstakels vermijden? Je zit met je handen in het haar. Ontmoedigd beslis je om je prille carrière toch maar een andere wending te geven. Zulke complexe en omvangrijke problemen weet je immers niet aan te pakken.

Computationeel denken

Of kon deze anekdote ook anders zijn afgelopen? Welke vaardigheden hadden je kunnen helpen om je uitdaging met de marslander beter aan te pakken? Onder de noemer “computationeel denken” (Engels: “computational thinking”) treffen we veel elementen aan die een belangrijke rol spelen bij het oplossen van complexe, vaak computergerelateerde, problemen. Computationeel denken is een verzamelnaam voor vaardigheden en attitudes die ons kunnen wapenen in een snel evoluerende digitale maatschappij zoals de onze. Er zijn vijf belangrijke kernelementen te onderscheiden in computationeel denken: abstractie, veralgemening, decompositie, algoritmisch denken en evaluatie.

De vijf kernelementen van computationeel denken op Co-De

 

 

 

 

Figuur 1. De vijf kernelementen van computationeel denken en hun iconen op het leerplatform Co-De.

In ons voorbeeld speelt abstractie een rol wanneer je analyseert welke gegevens van belang zijn voor de marslander om voort te bewegen. Zo is het gemakkelijker om het marslandschap voor te stellen als een raster, waarbij je voor elke cel bijhoudt hoeveel bodemstalen er te vinden zijn. Je kan het ongekende terrein dan veel eenvoudiger voorstellen.

Door veralgemening toe te passen, kan de oplossing die het onderzoeksteam voorstelt misschien wel gebruikt worden in andere expedities in andere landschappen of met andere apparatuur. Of misschien zal het gekozen algoritme later aan de basis liggen voor de aansturing van een stofzuigerrobot?

Decompositie gaat dan weer over het opdelen van je probleem in subproblemen. De marslander wil niet alleen stalen verzamelen, maar moet ook obstakels in het landschap zien te ontwijken. Dit zijn twee problemen die onafhankelijk van elkaar kunnen worden opgelost.

Algoritmisch denken is nodig bij het bedenken van een stappenplan in welke volgorde de robot de bodemstalen zal oppikken. Als je robot beperkt is in z’n manier van bewegen, bijvoorbeeld door de helling van het landschap – naar welke plaatsen op het raster zou hij dan best eerst bewegen om zo veel mogelijk stalen te verzamelen? Door dit formeel te gaan bestuderen, zal je ondervinden dat telkens de naburige cel met de meeste stalen selecteren meestal niet tot het optimale resultaat leidt.

Het nadenken over efficiëntie en optimalisering maakt deel uit van evaluatie, het laatste kernelement van computationeel denken. Bij het oplossen van een probleem mag je niet uit het oog verliezen om regelmatig te reflecteren over je oplossing.

Onderwijs

Het begrip computationeel denken wint sinds het begin van dit millennium aan belang. In veel landen wordt nu geopperd om computationeel denken een vaste plaats te geven binnen het onderwijs. Dit blijft ook in Vlaanderen niet zonder gevolg. Sinds september 2018 maakt computationeel denken, vervat in het begrip digitale geletterdheid, deel uit van het leerplan voor basisscholen van het katholiek onderwijs. Voor de eerste graad secundair onderwijs keurde de Vlaamse regering in juli 2018 nieuwe eindtermen goed. In die eindtermen is computationeel denken ook één van de grote peilers voor digitale geleterdheid. Ten slotte werden voor het secundair onderwijs in 2015 een aantal aanbevelingen gepubliceerd door de KVAB. Die aanbevelingen moeten nog (deels) gerealiseerd worden, zodat ook de laatste graad secundair onderwijs voldoende in aanraking komt met computationeel denken.

[...] Het is vooral belangrijk dat er continuïteit is. Dat het niet stilvalt na het basisonderwijs, maar ook dat je die vaardigheden kunt verfijnen naarmate de kinderen ouder worden.

(Professor Frank Neven, uit: Het Belang Van Limburg, 29 juni 2018)

Co-De: online platform om te leren computationeel denken

Om het leren computationeel denken zo effectief en plezierig mogelijk te laten verlopen, werd het online leerplatform Co-De onderworpen. Leerkrachten uit het secundair onderwijs kunnen er uitgewerkte lessen vinden die handelen rond een bepaald thema of concept en telkens gebruik maken van een aantal kernelementen van computationeel denken. De lessen vertrekken telkens van zeer concrete problemen of puzzels die moeten opgelost worden, om dan stapsgewijs kennis te maken met algemenere concepten. Elke les biedt een scala aan mogelijkheden voor differentiatie. Zo kunnen leerkrachten het standaard leerpad (de volgorde van de lesonderdelen) van een les aanpassen door lesactiviteiten te herordenen of te wijzigen. Als leerkracht kan je ook het niveau van ondersteuning in de oefeningen selecteren, want vaak is een online oefening in verschillende versies beschikbaar. Leerlingen kunnen zich nadien inschrijven op zo’n les en het aangeboden leerpad sequentieel doorlopen.

De lesactiviteiten genieten een interactieve aanpak dankzij animaties en opdrachten. Die opdrachten kunnen zowel “unplugged” - zonder computers - als online zijn. Dit alles wordt verder aangevuld met verwante problemen, die uitnodigen tot verder nadenken. Er zijn momenten voor discussie ingebouwd en de leerkrachten kunnen eveneens hun eigen inhoud toevoegen.

Co-De bundelt op dit moment vier lessen rond computationeel denken die voor iedereen toegankelijk zijn. Benieuwd naar hoe het verhaal van de marslander op Co-De afloopt? Kom dan eens een kijkje nemen op http://computationeeldenken.org.

Interactieve opdracht uit de les "De marslander" waarbij de leerling de optimale reisweg mag zoeken voor de marslander.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figuur 2. Interactieve opdracht uit de les "De marslander" waarbij de leerling de optimale reisweg mag zoeken voor de marslander.

 

Bibliografie

[1] B. Bastiaensen en J. De Creamer. Zo denkt een computer. https://onderwijs.vlaanderen.be/sites/default/files/atoms/files/Zo-denk…, 2017. Uitgave in het kader van het Codefestival 2017.
[2] Bebras. Bebras Computing Challenge 2017. http://www.bebraschallenge.org/. Geraadpleegd: 02/11/2017.
[3] S. Bocconi, A. Chioccariello, G. Dettori, A. Ferrari, en K. Engelhardt. Developing Computational Thinking in Compulsory Education. JRC Science for Policy Report, European Commission, 2016.
[4] P. Bradford, M. Porciello, N. Balkon, en D. Backus. The Blackboard Learning System: The Be All and End All in Educational Instruction? Journal of Educational Technology Systems, 35(3):301–314, 2007.
[5] Centrum voor Blended Learning van Kulak. Achtergrondinformatie bij het 4C/ID-model. https://www.kuleuven-kulak.be/BlendedLearning/Blended%20learning/achter…. Geraadpleegd: 12/03/2018.
[6] Centrum voor Blended Learning van Kulak. Het vier componenten instructiemodel (4C/ID-model). https://www.kuleuven-kulak.be/BlendedLearning/Blended%20learning/4c-id-…. Geraadpleegd: 12/03/2018.
[7] Computing At School. Computing in the national curriculum. A guide for secondary teachers, 2014.
[8] ConXioN. Wat is GDPR? https://gdpr-eu.be/wat-is-gdpr/, 2017. Geraadpleegd: 20/04/2018.
[9] A. Csizmadia, P. Curzon, M. Dorling, S. Humphreys, T. Ng, C. Selby, en J. Woollard. Computational thinking, A guide for teachers. http://community.computingatschool.org.uk/files/8550/original.pdf, 2015.
[10] CSTA. Computer Science Teachers Association. https://www.csteachers.org/page/About, 2017. Geraadpleegd: 07/05/2018.
[11] R. Culatta. Instructional Design. https://www.instructionaldesign.org, 2018. Geraadpleegd: 17/05/2018.
[12] P. Curzon en P. W. McOwan. The power of computational thinking: games, magic and puzzles to help you become a computational thinker. World Scientific Publishing Europe Ltd., Londen, 2017.
[13] V. Dagiene en S. Sentance. It’s Computational Thinking! Bebras Tasks in the Curriculum. In ISSEP 2016, ISSEP, pages 28–39, New York, NY, USA, 2016.
Springer International Publishing AG.
[14] P. J. Denning. Remaining Trouble Spots with Computational Thinking. Communications of the ACM, 60(6):33–39, Mei 2017.
[15] G. Giselle Vercauteren. Onderwijssysteem niet afgestemd op mogelijkheden en noden van hedendaagse digitalisering. http://www.knack.be/s/r/c/566409, 2015. Geraadpleegd: 14/05/2018.
[16] A. Hoskey en S. Zhang. Computational Thinking: What Does It Really Mean for the K-16 Computer Science Education Community. Journal of Computing Sciences in Colleges, 32(3):129–135, Januari 2017.
[17] S. P. Jones. Computing at School: the state of the nation. A report of the Computing at School Working Group For the UK Computing Research Committee, Computing at School, 2009.
[18] Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen. Digitale geletterdheid in het voortgezet onderwijs. Vaardigheden en attitudes voor de 21ste eeuw. Advies van de KNAW-Commissie Informatica in het voortgezet onderwijs, Koninklijke Nederlanse Akademie van Wetenschappen (KNAW), December 2012.
[19] R. E. Mayer, redacteur. The Cambridge Handbook of Multimedia Learning. Cambridge Handbooks in Psychology. Cambridge University Press, Cambridge, 2de editie, 2014.
[20] R. E. Mayer en R. Moreno. A cognitive theory of multimedia learning: Implications for design principles. Journal of Educational Psychology, 91(2):358–368, 1998.
[21] Moodle. Moodle Statistics. http://moodle.net/stats/, 2017. Geraadpleegd: 24/12/2017.
[22] Moodle. Histoy of Moodle. https://docs.moodle.org/34/en/History, 2018. Geraadpleegd: 12/04/2018.
[23] S. Papert. Mindstorms: Children, Computers, and Powerful Ideas. Basic Books, Inc., New York, NY, USA, 1980.
[24] G. Pólya. How to Solve It. Princeton University Press, 1945.
[25] G. Samaey en J. Van Remortel. Informaticawetenschappen in het leerplichtonderwijs. Standpunten van de Klasse van Technische Wetenschappen en de Jonge Academie, Koninklijke Vlaamse Academie van België voor Wetenschappen en Kunsten, in samenwerking met de Jonge Academie, November 2014.
[26] F. K. Sarfo en J. Elen. Developing technical expertise in secondary technical schools: The effect of 4C/ID learning environments. Learning Environments Research, 10:207–221, 2007.
[27] Schwitch. Wat is GDPR? http://scwitch.be/toolkit/, 2018. Geraadpleegd: 05/04/2018.
[28] Smartschool. Hét digitaal schoolplatform. http://www.smartschool.be/. Geraadpleegd: 12/04/2018.
[29] The Royal Society. Shut down or restart? The way forward for computing in UK schools. The Royal Academy of Engineering, 2012.
[30] N. Tollervey. Python in Education. http://www.oreilly.com/programming/free/python-in-education.csp, 2018. Geraadpleegd: 12/04/2018.
[31] J. van der Hoeven en B. Hoogland. Wat is het effect van het gebruik van het 4C/ID model op de lesuitvoering van docenten en op de kwaliteit
van de les? https://www.nro.nl/kennisrotondevragenopeenrij/effect-4cid-model-op-les…. Geraadpleegd: 28/04/2018.
[32] J. J. G. Van Merriënboer. 4C/ID als onderzoekskader. Slides uit de presentatie voor een lezing op de ALTUS-dag op 22 november 2011 in Leuven. https://associatie.kuleuven.be/altus/seminaries/1112/221111/4C-ID.pdf, 2011.
[33] J. J. G. Van Merriënboer en P. A. Kirschner. Ten steps to complex learning: a systematic approach to four-component instructional design. Routledge, New York, NY, 2de editie, 2013.
[34] J. Visser. Deze computerwetenschapper doet een voorzet voor écht programmeeronderwijs. https://decorrespondent.nl/7401/deze-computerwetenschapper-doet-een-voo…, 2017. Geraadpleegd: 24/11/2017.
[35] J. M. Wing. Computational Thinking. Communications of the ACM, 49(3):33–35, Maart 2006.
[36] WiPSCE. WiPSCE - 13th Workshop in Primary and Secondary Computing Education. http://www.informatikdidaktik.de/wipsce2018, 2018. Geraadpleegd: 02/05/2018.

Universiteit of Hogeschool
Master in de ingenieurswetenschappen: computerwetenschappen (artificiële intelligentie)
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Prof. dr. Bart Demoen, Prof. dr. Bern Martens
Kernwoorden