Supporting teachers in unpredictable robotics learning environments, Dissertations in forestry and natural sciences; 121

Käyttäjästä koodariksi? Uusia näkökulmia opettajan rooliin ja opetuksen tukemiseen moderneissa oppimisympäristöissä\n\nVäitös tietojenkäsittelytieteen alalta\n\nVäittelijä FM Ilkka Jormanainen\n\nVäitösaika ja -paikka 20.9.2013, 12.00, AU100, Aurora II, Joensuun kampus\n\nFM Ilkka Jormanaisen väitöskirjatyössä on kehitetty uusi menetelmä opettajien tukemiseen oppimisympäristöissä, joissa oppimista häiritsevät tekijät ovat hankalasti ennakoitavissa. Väitöstyön keskeisenä osana on kehitetty tietokonepohjaisiin oppimisympäristöihin liitettävä uudenlainen tiedonlouhintamenetelmä, jonka avulla opettaja voi rakentaa ja muokata itse oppilaiden työn edistymistä luokittelevia ja tarkkailevia ohjelmanosia. Menetelmä on osoittautunut tehokkaaksi robotiikka-oppimisympäristöissä, mutta se on sovellettavissa myös moniin muihin modernia teknologiaa hyödyntäviin ympäristöihin.\n\n \n\nUusien oppimisympäristöjen haasteet\n\nUudet oppimisympäristöt korostavat oppilaskeskeisiä ja projektimaisia työskentelytapoja. Näin opettajan rooli muuttuu väistämättä oppilaiden itsenäistä työskentelyä ohjaavaan suuntaan opettajakeskeisen opetustavan sijasta. Tämä saattaa aiheuttaa opettajalle hankaluuksia huomioida mahdollisia ongelmakohtia oppimisprosessissa etenkin, jos oppilaiden pienryhmiä on paljon ja ryhmät etenevät projekteissaan eri tahtiin. Esimerkiksi robotiikkaa hyödyntävissä oppimisympäristöissä oppilaat ohjelmoivat itse rakentamansa robotin tekemään halutun tehtävän. Ohjelmakoodin loogisten virheiden hahmottaminen on aloitteleville ohjelmoijille usein hankalaa, ja robotiikkaprojekteissaan oppilaat saattavat jäädä jumiin muokkaamaan ja testaamaan lähtökohtaisesti toimimatonta koodia ilman että opettaja huomioi asiaa.\n\n\nPerinteisten älykkäiden oppimisjärjestelmien ongelmia\n\nTietokonepohjaiset oppimisympäristöt tuottavat paljon oppilaiden ja oppimisympäristön vuorovaikutukseen liittyvää informaatiota. Tietoja oppilaiden suorittamista toiminnoista voidaan kirjata hyvin tarkkaan, aina yksittäisen painikkeen painallusta myöden. Tätä tietomassaa hyödynnetään perinteisesti älykkäissä oppimisjärjestelmissä (Intelligent Tutoring Systems, ITS) erilaisten oppimisprofiileiden rakentamiseen ja oppilaiden luokitteluun. Tietomassojen käsittelyyn käytetään yleisesti tiedonlouhinnaksi (data mining) kutsuttuja menetelmiä.\n\nTiedonlouhinnan avulla raakamuodossa olevasta tiedosta etsitään ja jalostetaan sovelluskohteen kannalta mielekkäitä ja toistuvia toimintasarjoja. Kun nämä tiedot yhdistetään esimerkiksi aiemmin kerättyihin oppimistuloksiin, saadaan aikaan erityyppisten oppilaiden etenemistä kuvaavia malleja. Nämä mallit toteutetaan osaksi oppimisympäristöä, ja esimerkiksi oppimateriaalia tai oppimisympäristön navigointia voidaan muokata automaattisesti sopivaksi oppilaan oletetun profiilin perusteella.\n\nEdellä kuvattu tiedonlouhintaprosessi edellyttää kuitenkin isoja määriä etukäteen kerättyä tietoa. Tiedonlouhintaan käytettävät ohjelmat pitää "opettaa" löytämään ja ottamaan huomioon halutut asiat tietomassan joukosta. Perinteisesti oppimisympäristön kehittäjät ja sovellusalueen asiantuntijat toteuttavat tiedon jalostuksen ja tuloksena syntyvät mallit osaksi oppimisympäristöä. Tämä vaatii huomattavan määrän etukäteen tehtävää asiantuntijatyötä, eivätkä näin toteutetut mallit välttämättä pysty huomioimaan ennalta arvaamattomia tilanteita esimerkiksi robotiikka-oppimisympäristöissä.\n\n\nUusi toimintamalli oppimisympäristön tiedonlouhintaan\n\nVäitöstyössä on kehitetty uudenlainen lähestymistapa oppimisympäristössä tapahtuvaan tiedonlouhintaan. Sovelluskehittäjän sijaan opettaja laatii tiedonlouhinnassa käytettävät mallit reaaliaikaiseen, robotiikkaympäristöstä kerättävään tietoon pohjautuen.\n\nTyössä kehitetyssä "Open Monitoring Environment" -ympäristössä (OME) opettaja luokittelee normaalin ohjaustyönsä ohessa luokassa tapahtuvaa toimintaa oman, pedagogisesta asiantuntijuudestaan lähtöisin olevan näkemyksen perusteella. Luokittelun avulla opettaja "opettaa" tiedonlouhintajärjestelmää ottamaan huomioon asiat, jotka ovat tärkeitä juuri sen hetkisessä tilanteessa.\n\nLuokitellun materiaalin perusteella opettaja voi missä vaiheessa tahansa luoda mallin, joka pyrkii kuvaamaan robotiikka-oppimisympäristön tapahtumia ja mahdollisia ongelmakohtia. Mallin valmistuttua se otetaan käyttöön välittömästi ilman järjestelmän muokkaamista tai uudelleen käynnistystä. Järjestelmä seuraa mallin perusteella oppilaiden edistymistä ja ilmaisee opettajalle mahdolliset ongelmatilanteet joihin oppilaat ovat joutumassa.\n\nOpettaja voi vapaasti muokata luokittelua ja muodostaa uuden mallin aina tarvittaessa. Näin luokittelumalli kehittyy dynaamisesti tarkemmaksi ja paremmin eri tilanteet huomioon ottavaksi vastakohtana perinteisten älykkäiden oppimisjärjestelmien etukäteen laadituille ja usein hankalasti muokattaville ja staattisille malleille.\n\nVäitöstyössä kehitettyä OME-ympäristöä testattiin tutkimuksen eri vaiheissa erilaisissa robotiikka-oppimisympäristöissä Suomessa ja Etelä-Afrikassa. Tulosten mukaan avoimen tiedonlouhintamenetelmän kautta opettajat pystyivät rakentamaan malleja, jotka ottivat huomioon sellaisia oppimisprosessia hidastavia toimintoja joita olisi ollut hankala hahmottaa ilman OME-ympäristöä.\n\nAvoimeen tiedonlouhintamalliin perustuva oppimisympäristö perustuu ajatukseen, jossa opettaja sulauttaa omaan työhönsä myös normaalisti kehittäjälle kuuluvia tehtäviä. Väitöstyössä kehitetyn oppimisympäristön lisäksi työssä esitetään toimintamalli ja työvälineitä joiden avulla käyttäjäroolien sulauttamista voidaan tukea erilaisissa oppimisympäristöissä.

ISBN-10:
978-952-61-1230-5
Kieli:
eng
Sivumäärä:
[18], 85, [65] s. : kuv., taul
Tekijät:
Jormanainen Ilkka (diss)
Tuotekoodi 021036
15,14 €