Teaching, Learning and Assessing Computational Thinking through Programming with Scratch in Primary Schools

This doctoral thesis explores the teaching and learning of a competence referred to as ‘computational thinking’ (CT) in the context of Scratch—an especially popular programming environment intended for young learners—in primary school classrooms. CT is an emerging topic in compulsory education that despite age-old roots in the discipline of computing has only recently begun to mature and gain a foothold in school curricula worldwide. It can be perceived as a multifaceted competence that students can learn by programming in age-appropriate ways (e.g. game design, robotics). In practice, however, CT’s journey to arrive in schools has been challenging. From a theoretical viewpoint, the challenges include the lack of uniformly defined concrete educational goals for CT and research-based pedagogical models for teaching and learning CT through programming. Consequently, large-scale studies have revealed shortcomings in teachers’ emphasis on CT and programming education at the grass-roots level. This study sheds light on the topic in four main ways. First, it specifies the educational goals of CT in the context of programming at the primary school level. Second, the study evaluates ways to assess students’ CT in Scratch. Third, it develops new methods for assessing students’ CT. Fourth, the study presents empirical evidence from a case study conducted at the 4th grade level. Acquired through artefact analysis and programming process analysis, the evidence encompasses findings regarding students’ conceptual and practical encounters with CT through creative pair programming with Scratch in authentic classrooms. The main findings of the study include comprehensive rubrics for ‘CT-fostering’ programming contents that students can manipulate and programming activities they can carry out in Scratch. They also include research-based evidence for teaching and learning CT in Scratch in addition to methods of assessing CT in Scratch in primary school classrooms. The broader contributions of the thesis include a tactile, curriculum-oriented outline of what CT can mean for primary education, particularly through programming education. Additionally, the contributions encompass rich evidence-based insight concerning ways CT can be taught and learnt collaboratively in Scratch and how such assessment practices that can enhance students’ CT learning in classrooms (i.e. clarifying learning goals, evincing student understanding and providing feedback) can potentially be facilitated in the classroom. Keywords: computational thinking, programming, Scratch, assessment, pair programming, primary educationTässä väitöskirjassa tutkitaan “ohjelmoinnilliseksi ajatteluksi” (eng. computational thinking) lanseeratun osaamiskokonaisuuden oppimista, opettamista ja arviointia erityisesti lapsille ja nuorille kohdistetun ja suositun Scratch-ohjelmoinnin kontekstissa peruskoulun luokkahuonetilanteissa. Ohjelmoinnillinen ajattelu on perusasteen koulutuksessa uusi aihepiiri, jonka tieteellinen kypsyminen ja käytännön jalkautuminen eri maiden opetussuunnitelmiin on vasta käynnistynyt viime vuosina huolimatta aihepiirin ikivanhoista kytköksistä tietojenkäsittelyn tieteenalaan. Ohjelmoinnillinen ajattelu voidaan tulkita monitahoisena osaamisena, jota oppilaat voivat oppia ohjelmoimalla ikätasolleen sopivalla tavalla (esim. peliohjelmointi, robotiikka). Ohjelmoinnillisen ajattelun taival koulumaailmaan on ollut kuitenkin käytännössä haastava. Teoreettisesta näkökulmasta aihepiiriä haastavat puutteet yhdenmukaisesti määritellyistä konkreettisista kasvatustavoitteista sekä tutkimusperustaisista pedagogisista malleista sen oppimiseen ja opettamiseen ohjelmoinnin kautta. Suurten otantojen tutkimukset ovat myös osoittaneet opettajien kamppailevan ohjelmoinnillisen ajattelun ja ohjelmoinnin opetuksen painotuksessa ruohonjuuritasolla. Tämä tutkimus valaisee aihepiiriä neljällä keskeisellä tavalla. Ensin tutkimus täsmentää ohjelmoinnillisen ajattelun kasvatustavoitteita ohjelmoinnin kontekstissa peruskouluasteella. Toiseksi tutkimus tarkastelee erilaisia menetelmiä ohjelmoinnillisen ajattelun oppimisen arviointiin Scratchissa. Kolmanneksi tutkimuksessa kehitetään uusia menetelmiä oppilaiden ohjelmoinnillisen ajattelun osaamiseen arviointiin. Neljänneksi tutkimuksessa esitellään empiiristä aineistoa neljännellä luokalla toteutetusta tapaustutkimuksesta. Aineistoa käsiteltiin oppilaiden Scratch-ohjelmointiprojektien ja -prosessien analyysien keinoin. Aineisto kuvastaa, kuinka oppilaat olivat tekemisissä ohjelmoinnillisen ajattelun tiedollisten ja taidollisten osa-alueiden kanssa käyttäessään Scratchia luovaan pariohjelmointiin autenttisissa luokkahuonetilanteissa. Tutkimuksen päälöydöksiin kuuluvat kattavat koosteet ohjelmoinnillisen ajattelun oppimista tukevista ohjelmointisisällöistä ja -käytänteistä Scratch-ohjelmoinnin kontekstissa. Löydöksiin kuuluu myös empiiristä näyttöä ohjelmoinnillisen ajattelun oppimisesta ja opettamisesta Scratchin kautta peruskoulun neljännellä luokka-asteella sekä oppilaiden ohjelmoinnillisen ajattelun oppimisen arviointiin soveltuvia menetelmiä. Yleisellä tasolla tämän väitöskirjan edistysaskeleisiin kuuluu konkreettinen, opetussuunnitelmaan suuntautunut hahmotelma ohjelmoinnillisen ajattelun merkityksestä perusopetuksessa erityisesti ohjelmoinnin opetuksen kautta. Edistysaskeleisiin kuuluu lisäksi rikasta tutkimusperäistä tietoa ohjelmoinnillisen ajattelun opettamisesta ja yhteistoiminnallisesta oppimisesta luovan Scratch-ohjelmoinnin kautta sekä luokkahuonetilanteisiin tarkoitetuista arviointikäytänteistä, joilla voidaan teoriassa tukea oppilaiden ohjelmoinnillisen ajattelun oppimista (ts. oppimistavoitteiden kirkastaminen, osaamistason selvittäminen, palautteenanto). Avainsanat: ohjelmoinnillinen ajattelu, ohjelmointi, Scratch, arviointi, pariohjelmointi, perusopetu