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Conception and evaluation of e-learning units regarding motivation and acquired competencies for theoretical computer science at university level
studies on the topics of automata theory, bisimulation and fixed point theory
Wilhelm-Weidner, Arno
Theoretical computer science is an essential part of computer science study programmes. Many articles from different countries can be found, which are concerned with the high levels of frustration amongst students, motivational problems, and high failure rates in courses on theoretical computer science. There are even indications that theoretical computer science is one of the reasons for the high dropout rates of computer science study programmes.
This dissertation presents a design-based research approach, aiming to improve the learning in university courses on theoretical computer science. For this approach, the author created interactive Learning Units in the learning management system Moodle. As theoretical basis, the cognitive load theory, the cognitive theory of multimedia learning and the cognitive-affective theory of learning with media as well as the Felder-Silverman model of learning styles were analyzed. All these theories were used to derive design recommendations for the Learning Units. Furthermore, existing approaches concerning e-learning in the area of theoretical computer science and meta-analyses on e-learning and blended learning in general were taken into account.
The created Learning Units use text and video as presentation forms and exercises on the content. Students can follow different learning paths on the content. On these paths, they can choose whether they want to be presented with simple examples introducing a new subject before its actual explanation. Another possible choice at several points is to follow a further extension on the content of the explanation if they are more deeply interested.
These Learning Units were intended for self-studying and self-testing using exercises. One pair of Learning Units were created for a course on formal languages and automata, typically attended at the beginning of the study programme, and another pair for a more advanced course on reactive systems. In both cases, the Learning Units were intended as a supplement to be used with otherwise unchanged university courses. Additionally, an evaluation instrument was created for these Learning Units, concentrating on student motivation and competencies. The Learning Units were evaluated in six studies at RWTH Aachen University, Technische Universität Berlin, Universität Duisburg-Essen, Universität Potsdam and Universität Salzburg. Even though participation levels were low in the studies, the Learning Units were seen as helpful by many participants, and the overall results on competencies indicate positive tendencies. Overall, the results on motivation were ambiguous, but suggest possibilities for further research.
After these studies were finished, the created Learning Units were opened for public use. Additionally, they were made available for students in two courses at Universität Duisburg-Essen and Technische Universität Berlin in the summer term 2019. These two approaches were taken to ensure the sustainability of this work. Additionally, the dissertation discusses the possibilities for reusability of the approach for further Learning Units, not only for theoretical computer science but for different areas as well.
Die Theoretische Informatik stellt einen wesentlichen Bestandteil von Informatik-Studiengängen dar. In zahlreichen Artikeln aus unterschiedlichen Ländern finden sich Berichte über hohe Frustration der Studierenden, Motivationsprobleme und hohe Durchfallquoten rund um Module der Theoretischen Informatik. Es gibt sogar Hinweise darauf, dass die Theoretische Informatik einen der Gründe für die hohen Durchfallquoten der Informatik-Studiengänge darstellt.
Diese Dissertation stellt einen Ansatz im Sinne des Design-Based Research vor, der zum Ziel hat, das Lernen der Theoretischen Informatik in Kursen an Universitäten zu verbessen. Dafür wurden durch den Autor im Lernmanagementsystem Moodle theoriegeleitet interaktive Lerneinheiten erstellt. Das theoretische Fundament bestand dabei aus einer Analyse der Cognitive Load Theory, der Cognitive Theory of Multimedia Learning und der Cognitive-Affective Theory of Learning with Media. Zusätzlich wurde das Modell der Lernstile nach Felder und Silverman mit einbezogen. Aus all diesen Theorien wurden Designempfehlungen abgeleitet. Zusätzlich wurden für das Design sowohl bereits existierende Ansätze betrachtet, die E-Learning und Theoretische Informatik verbinden, als auch Meta-Analysen zu E-Learning und Blended Learning.
Die Inhalte können in den erstellten Lerneinheiten als Text oder Video angesehen werden, zusätzlich enthalten die Lerneinheiten auch Aufgaben zu den Inhalten. Studierende können die Inhalte auf verschiedenen Lernpfaden lernen. Dabei können sie wählen, ob sie vor der eigentlichen Erklärung zunächst einführende Beispiele zu einem neuen Themengebiet sehen wollen, oder auch nach der Erklärung eine zusätzliche Vertiefung ansehen, wenn sie weitergehendes Interesse haben.
Die Lerneinheiten wurden zum Selbststudium und auch zur Selbstkontrolle mittels der Aufgaben erstellt. Zwei dieser Lerneinheiten wurden passend zu einem Kurs zu Formalen Sprachen und Automaten erstellt, den Studierende typischerweise zu Beginn ihres Studiums belegen. Zwei weitere Lerneinheiten wurden für einen fortgeschritteneren Kurs zu Reaktiven Systemen erstellt. In beiden Fällen sind die Lerneinheiten dabei als reine Ergänzungen zu den Kursen an Universitäten gedacht. Die Kurse bleiben dabei ansonsten unverändert. Des Weiteren wurde ein speziell auf diese Lerneinheiten zugeschnittenes Instrument zur Evaluation entwickelt, mit Fokus auf Motivation und Kompetenzzuwachs. Die Lerneinheiten wurden in sechs Studien an der RWTH Aachen, der Technischen Universität Berlin, der Universität Duisburg-Essen, der Universität Potsdam und der Universität Salzburg evaluiert. Trotz geringer Beteiligung an den Studien, kommt die Analyse zum Ergebnis, dass viele Teilnehmer die Lerneinheiten als hilfreich angesehen haben und die Ergebnisse bezogen auf Kompetenzen leicht positive Tendenzen zeigen. Die Ergebnisse bezüglich Motivation waren uneindeutig, zeigen aber Möglichkeiten für weitere Forschung auf.
Nach Abschluss der Studien wurden die Lerneinheiten für die Allgemeinheit zugänglich gemacht und im Sommersemester 2019 explizit Studierenden in zwei Kursen der Technischen Universität Berlin und der Universität Duisburg-Essen zur Verfügung gestellt. Beides wurde getan, um die Nachhaltigkeit dieser Arbeit zu sichern. Des Weiteren die Möglichkeit diskutiert, wie der in der Dissertation umgesetzte Ansatz für weitere Lerneinheiten wiederverwendet werden kann, nicht nur für die Theoretische Informatik, sondern auch noch für weitere Bereiche.
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