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Focus on Language in Introductory Programming

Esche, Svana (2024)
Focus on Language in Introductory Programming.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027043
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

This thesis analyzes the relationship between natural language and reasoning when introducing programming in postsecondary education. The particular focus is on the insights that emerge when this relationship is made explicit in teaching-learning situations. As a major result, natural language does indeed play an important role in these teaching-learning situations but deserves further research attention.

Making the described relationship explicit is itself a new meta-perspective for thinking about research and teaching in computing education. Developing this new meta-perspective is an important contribution of this work. As far as we know, this meta-perspective has not yet been synthesized as such and at the same time supported by empirical evidence in postsecondary education. Another contribution is the insight that diagnosing and using students' terms as part of language are particularly fruitful for research and teaching. Further research should pursue this new approach in order to shed light on well-known problems from a new perspective.

For the empirical evidence of these insights, this thesis used a mixed methods research design in which four studies were conducted. The mixed methods research design combined qualitative approaches such as qualitative content analysis with quantitative approaches such as experiments with students as participants. This approach enabled a comprehensive and multi-layered analysis of the results. We included all actors in the teaching-learning situations in order to obtain a more comprehensive analysis.

All four studies were conducted according to the respective gold standard as far as possible. This includes rigorous measurements and large sample sizes. The four studies were divided into an exploratory basis study and three subsequent application studies. The Basis Study focused on students, uncovered the terms they used and indicated a possible relationship between programming language and natural language. In addition, it led to new insights about correct conceptions and misconceptions of programming languages. Furthermore, the methodological approach of this study is itself a contribution, as it shows how a qualitative analysis of terms can be carried out with large samples. Application Study I examined instructional videos as a teaching method used by instructors. As a basis for instructional videos to support students, the implementation of language focus across multiple representations turned out not to be convincing. Thus, the hypothesis about the positive impact of these language-based videos on students' code writing and self-efficacy could be rejected with reasonable certainty. In the Application Study II, we turn our attention to teaching staff in general and their competences in supporting students. We developed and evaluated a rubric, which is a guide that lists specific criteria for grading by category and level. The rubric serves as an assessment scheme for the quality in their responses, focusing on language. Finally, in the Application Study III, a test of testing programming aptitude was developed and validated based on converting programming thinking into natural language. The resulting Natural Language Computing Test, or NLCT, has proven to be highly accurate, valid, and reliable. As a minor weakness, the NLCT did not prove to be a predictor of success at the end of the course.

To summarize, the four studies conducted have shown that the potential of this new meta-perspective lies in the way in which the relationship described is carried out. The use of terms as a link between programming language and natural language seems to be particularly promising. In contrast, the use of multiple representations of programming language, natural language and visualization has shown to be less promising.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Esche, Svana
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Focus on Language in Introductory Programming
Sprache: Englisch
Referenten: Weihe, Prof. Dr. Karsten ; Schroeder, Prof. Dr. Ulrik
Publikationsjahr: 26 April 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: xiv, 129 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 17 April 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027043
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27043
Kurzbeschreibung (Abstract):

This thesis analyzes the relationship between natural language and reasoning when introducing programming in postsecondary education. The particular focus is on the insights that emerge when this relationship is made explicit in teaching-learning situations. As a major result, natural language does indeed play an important role in these teaching-learning situations but deserves further research attention.

Making the described relationship explicit is itself a new meta-perspective for thinking about research and teaching in computing education. Developing this new meta-perspective is an important contribution of this work. As far as we know, this meta-perspective has not yet been synthesized as such and at the same time supported by empirical evidence in postsecondary education. Another contribution is the insight that diagnosing and using students' terms as part of language are particularly fruitful for research and teaching. Further research should pursue this new approach in order to shed light on well-known problems from a new perspective.

For the empirical evidence of these insights, this thesis used a mixed methods research design in which four studies were conducted. The mixed methods research design combined qualitative approaches such as qualitative content analysis with quantitative approaches such as experiments with students as participants. This approach enabled a comprehensive and multi-layered analysis of the results. We included all actors in the teaching-learning situations in order to obtain a more comprehensive analysis.

All four studies were conducted according to the respective gold standard as far as possible. This includes rigorous measurements and large sample sizes. The four studies were divided into an exploratory basis study and three subsequent application studies. The Basis Study focused on students, uncovered the terms they used and indicated a possible relationship between programming language and natural language. In addition, it led to new insights about correct conceptions and misconceptions of programming languages. Furthermore, the methodological approach of this study is itself a contribution, as it shows how a qualitative analysis of terms can be carried out with large samples. Application Study I examined instructional videos as a teaching method used by instructors. As a basis for instructional videos to support students, the implementation of language focus across multiple representations turned out not to be convincing. Thus, the hypothesis about the positive impact of these language-based videos on students' code writing and self-efficacy could be rejected with reasonable certainty. In the Application Study II, we turn our attention to teaching staff in general and their competences in supporting students. We developed and evaluated a rubric, which is a guide that lists specific criteria for grading by category and level. The rubric serves as an assessment scheme for the quality in their responses, focusing on language. Finally, in the Application Study III, a test of testing programming aptitude was developed and validated based on converting programming thinking into natural language. The resulting Natural Language Computing Test, or NLCT, has proven to be highly accurate, valid, and reliable. As a minor weakness, the NLCT did not prove to be a predictor of success at the end of the course.

To summarize, the four studies conducted have shown that the potential of this new meta-perspective lies in the way in which the relationship described is carried out. The use of terms as a link between programming language and natural language seems to be particularly promising. In contrast, the use of multiple representations of programming language, natural language and visualization has shown to be less promising.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

In der vorliegenden Arbeit geht es um die Analyse der Beziehung zwischen natürlicher Sprache und Programmiersprachen in der Hochschullehre der Informatik. Schwerpunkt dieser Arbeit sind die Erkenntnisse, die sich ergeben, wenn diese Beziehung in Lehr-Lern-Situationen explizit gemacht wird. Die Auswertung der Ergebnisse belegt, dass natürliche Sprache in Lehr-Lern-Situationen tatsächlich eine wichtige Rolle spielt, die jedoch weitere Aufmerksamkeit in der Forschung verdient.

Die beschriebene Beziehung explizit zu machen ist selbst eine neue Meta-Perspektive für die Reflexion von Forschung und Lehre in der Informatikdidaktik. Die Entwicklung dieser neuen Meta-Perspektive ist ein wichtiger Beitrag dieser Arbeit. Soweit bekannt wurde diese Meta-Perspektive noch nicht als solche zusammengefasst und gleichzeitig durch empirische Belege in der Hochschuldidaktik der Informatik unterstützt. Ein weiterer Beitrag ist die Erkenntnis, dass die Diagnose und Verwendung von Begriffen, die Studierende verwenden, als Teil von Sprache für Forschung und Lehre besonders fruchtbar sind. Weitere Forschungen könnten diesen neuen Ansatz verfolgen, um bekannte Probleme aus einer neuen Perspektive zu beleuchten.

Für den empirischen Nachweis dieser Erkenntnisse in dieser Arbeit wurde ein methodischer Ansatz aus dem Bereich der Mixed Methods verwendet, welcher insgesamt die Durchführung von vier Studien umfasste. Dieser methodische Ansatz kombinierte qualitative Ansätze wie die qualitative Inhaltsanalyse mit quantitativen Ansätzen wie Experimenten mit Studierenden als Teilnehmende. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass eine umfassende und vielschichtige Analyse der Ergebnisse ermöglicht wird. Des Weiteren wurden alle Akteure, die in den üblichen Lehr-Lern-Situationen an Hochschulen involviert sind, einbezogen. Diese Integration zielte darauf ab, eine umfassendere Analyse zu erhalten.

Alle vier Studien wurden so weit wie möglich nach dem jeweiligen wissenschaftlichen Goldstandard durchgeführt. Dazu gehören beispielsweise rigorose Messungen und große Stichprobengrößen. Die vier Studien bestehen aus einer explorativen Basisstudie und drei anschließenden Anwendungsstudien. Die Basisstudie nahm Studierende als Akteure in den Fokus. Hierbei deckte diese Studie die von den Studierenden verwendeten Begriffe auf und zeigte eine mögliche Beziehung zwischen Programmiersprache und natürlicher Sprache auf. Darüber hinaus führte die Basisstudie zu neuen Erkenntnissen über korrekte Vorstellungen und Fehlvorstellungen im Bereich der Programmiersprachen. Zudem ist der methodische Ansatz dieser Studie ein selbstständiger, wissenschaftlicher Beitrag, da er zeigt, wie eine qualitative Analyse von Begriffen mit großen Stichproben durchgeführt werden kann. Anwendungsstudie I untersuchte Lehrvideos, welche eine von vielen möglichen Lehrmethoden von Dozierenden darstellen. Als didaktische Grundlage für Lehrvideos, die auf die Unterstützung von Studierenden abzielen, erwies sich die Umsetzung des Sprachfokus über die Verwendung mehrerer Repräsentationsebenen als nicht überzeugend. Somit konnte die Hypothese über die positive Wirkung dieser sprachbasierten Videos auf das Schreiben von Programmcode und die Selbstwirksamkeit der Studierenden mit ziemlicher Sicherheit verworfen werden. Anwendungsstudie II fokussierte sich auf das Lehrpersonal im Allgemeinen und deren Kompetenzen bei der Unterstützung der Studierenden. Es wurde ein Rubric als tabellarisches Bewertungsschema entwickelt und evaluiert. Dieses stellt einen Leitfaden dar, der spezifische Kriterien für die Bewertung nach Kategorie und Niveau auflistet. Das Rubric dient als Bewertungsschema für die Qualität der Antworten, wobei gemäß Forschungsthema ein sprachlicher Schwerpunkt gesetzt wurde. Schließlich wurde in der Anwendungsstudie III ein Test zur Messung der Eignung und den Vorerfahrungen zum Programmierlernen ent-wickelt und validiert, der auf der Umwandlung von Programmieraufgaben in natürliche Sprache basiert. Der daraus resultierende Text namens Natural Language Computing Test (NLCT) hat sich als äußerst genau, valide und reliabel erwiesen. Dennoch erwies sich der NLCT nicht als guter Prädiktor für den Erfolg am Ende des Programmierkurses.

Zusammenfassend lässt sich anführen, dass die vier durchgeführten Studien gezeigt haben, dass das Potenzial dieser neuen Meta-Perspektive in der Art und Weise liegt, wie die beschriebene Beziehung durchgeführt wird. Die Verwendung von Begriffen als Bindeglied zwischen Programmiersprache und natürlicher Sprache scheint besonders vielversprechend zu sein. Im Gegensatz dazu hat sich die Verwendung mehrerer Repräsentationsebenen von Programmiersprache, natürlicher Sprache und Visualisierung als weniger vielversprechend erwiesen.

Deutsch
Freie Schlagworte: Informatikdidaktik
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-270435
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
300 Sozialwissenschaften > 370 Erziehung, Schul- und Bildungswesen
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 20 Fachbereich Informatik
20 Fachbereich Informatik > Algorithmik
20 Fachbereich Informatik > Didaktik der Informatik
Hinterlegungsdatum: 26 Apr 2024 12:15
Letzte Änderung: 30 Apr 2024 09:17
PPN:
Referenten: Weihe, Prof. Dr. Karsten ; Schroeder, Prof. Dr. Ulrik
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 17 April 2024
Export:
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