Konstruktivistische Lernansätze in der Algorithmen-Visualisierung für ProgrammieranfängerInnen

Algorithmen sind wesentlicher Teil der Information und damit auch ein wichtiges Thema in der Programmierausbildung. Bei der Vermittlung dieser Inhalte kommen häufig visuelle Darstellungen zum Einsatz, die gegenüber rein textuellen Materialien einen besseren Lerneffekt versprechen [1]. Neben statischen Darstellungen existieren dabei auch interaktive Formen, die eine aktive Beteiligung der Lernenden, z.B. im Selbststudium, erfordern. Der genaue Lernerfolg dieser Visualisierungen ist dabei nicht mit eindeutigem Ergebnis untersucht [2][3]. Bekannt ist aber, dass ein Zusammenhang der visuellen Form bzw. Repräsentation [4] und des Engagements, insbesondere im Kontrast zwischen passivem Viewing und aktivem Constructing den Lernprozess beeinflusst [5]. Das Verständnis von Algorithmen scheint durch diese konstruktivistischen Ansätze höher [6]. Dieser Zusammenhang wird in dieser Arbeit genauer untersucht. Im Fokus steht dabei die gegenüberstellende Evaluation zweier Visualisierungskonzepte, die auf einem Viewing- bzw. Constructing-Lernansatz basieren.

Da die Knoten-Link Graphen insbesondere Bäume bessere Visualisierung von der Komplexität der Datenstruktur versprechen [7][8], werden für diese Arbeit binäre Suchbäume ausgewählt.

Im Rahmen der Arbeit werden zwei konkurrierende Visualisierungsformen für die Darstellung des Insert-Algorithmus implementiert. Aufbauend auf Erfahrungen aus verwandten Arbeiten [5][9][10] werden dabei gezielt eine Viewing- sowie eine Constructing-zentrierte Umsetzung angestrebt. Beide Versionen werden im Anschluss in einer Remote-Studie untersucht. Ziel ist der Vergleich des kurzfristig erfassbaren Lerneffekts beider Varianten auf NutzerInnen der intendierten Zielgruppe.

Unterscheidet sich der Lerneffekt von konstruktivistisch aufgebauten Algorithmenvisualisierungen signifikant von dem passiven Viewing-Ansatz?

• Sammeln relevanter Literatur zum Thema Lernansätze und Visualisierung von Algorithmen und Datenstrukturen
• Ausarbeitung eines Visualisierungs- und Evaluationskonzepts
• Umsetzung der zwei konkurrierenden Visualisierungsansätze als Webanwendung
• Erhebung des Lerneffekts beider Ansätze mittels Remote-Studie

• Kenntnisse der komplexen Datenstrukturen und deren Algorithmen
• Programmierkenntnisse in JavaScript, HTML5/CSS
• Interesse an pädagogischen Lernansätzen

[1] V. C. Hall, J. Bailey, and C. Tillman, “Can student-generated illustrations be worth ten thousand words?,” J. Educ. Psychol., vol. 89, no. 4, pp. 677–681, Dec. 1997, DOI: 10.1037/0022-0663.89.4.677.

[2] Chi, Michelene T. H., Joshua Adams, Emily B. Bogusch, Christiana Bruchok, Seokmin Kang, Matthew Lancaster, Roy Levy, et al. 2018. “Translating the ICAP Theory of Cognitive Engagement Into Practice.” Cognitive Science 42 (6): 1777–1832.

[3] M. Byrne, R. Catrambone and J. Stasko (1996, Januar). Do Algorithm Animations Aid Learning?

[4] C. D. Hundhausen, “Toward effective algorithm visualization artifacts: designing for participation and negotiation in an undergraduate algorithms course,” in CHI 98 Conference Summary on Human Factors in Computing Systems, Los Angeles California USA, Apr. 1998, pp. 54–55. DOI: 10.1145/286498.286526.

[5] T. Naps et al., “Exploring the Role of Visualization and Engagement in Computer Science Education,” SIGCSE Bulletin, vol. 35, pp. 131–152, May 2003.

[6] L. Ma, J. Ferguson, M. Roper, and M. Wood, “Investigating and improving the models of programming concepts held by novice programmers,” Comput. Sci. Educ., vol. 21, no. 1, pp. 57–80, Mar. 2011, DOI: 10.1080/08993408.2011.554722.

[7] V. Karavirta and C. A. Shaffer, “Creating Engaging Online Learning Material with the JSAV JavaScript Algorithm Visualization Library,” IEEE Trans. Learn. Technol., vol. 9, no. 2, pp. 171–183, Apr. 2016, DOI: 10.1109/TLT.2015.2490673.

[8] J. Abello, F. van Ham, and N. Krishnan, “ASK-GraphView: A Large Scale Graph Visualization System,” IEEE Trans. Vis. Comput. Graph., vol. 12, no. 5, pp. 669–676, Sep. 2006, DOI: 10.1109/TVCG.2006.120.

[9] A. W. Lawrence, “Empirical studies of the value of algorithm animation in algorithm understanding,” Georgia Institute of Technology, Atlanta, 1993. Accessed: Sep. 21, 2021. [Online]. Available: https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.472.7440&rep=rep1&type=pdf

[10] L. Végh and V. Stoffová, “Algorithm Animations for Teaching and Learning the Main Ideas of Basic Sortings,” Inform. Educ., vol. 16, no. 1, pp. 121–140, Apr. 2017, DOI: 10.15388/infedu.2017.07.