Vliv multiparadigmatického programování na výuku číslicových systémů

Ing. Lukáš HAPL, DiS.

Doctoral thesis

An Influence of the Specific Multi-paradigm Programming on Digital Logic Education

Abstract:

Programování ve výuce formálních jazyků a deterministických automatů funguje jako vhodný konstruktivistický prvek. Z předchozích výzkumů vyplývá, že jak znalost programování, tak i trénink v algoritmickém myšlení vedou právě k lepším výsledkům v uvedených oblastech. Kromě užitých imperativních programovacích přístupů též existují programovací jazyky a výzkumy založené na využití deklarativních paradigmat, které jsou přímo určené pro podporu výuky logiky v daných oblastech. Co však absentuje, je využití imperativních jazyků ve spojení s deklarativním přístupem (najednou, ne odděleně jako samostatná paradigmata) v oblasti blízké formálním jazykům a automatům, byť přeci jen trochu odlišné a více elektronicky orientované - oblasti číslicové logiky. Jak bude v práci uvedeno, taková oblast je na mnoha školách s informatickým zaměřením běžně vyučována, i když její nativní spojení s elektronikou mnoha žákům působí obtíže a tím se pro ně stává méně atraktivní. Nejsou zde důkazy o tom, že by přímo výuka základních logických funkcí, kombinační logiky a sekvenční logiky, spadající pod oblast číslicové logiky, mohla být vhodným způsobem podpořena programováním, které by věrně popisovalo funkce logických řešení v uvedených oblastech a zároveň těžilo z imperativního programovacího přístupu. Proto se práce zabývá i návrhem na definování nového programovacího diskurzu, který má spojit samostatná a principiálně různá programovací paradigmata a jeho využitím ve výuce číslicových systémů. A to tak, aby díky tomuto způsobu programování bylo možno popisovat logické systémy čistě s použitím logických funkcí, nikoli s pomocí podmínkových výrazů. Dále bude zkoumán přínos tohoto diskurzu v samotné výuce. Bude zjišťováno, zdali je názorný a působí motivačně. Pomocí vědomostních testů bude zjišťováno, jakých výsledků dosahují žáci ve skupinách s využitím tohoto diskurzu a ve skupinách bez jeho využití. Výsledky budou zasazeny do kontextu předchozích relevantních výzkumů. Navíc jsou zde i další důvody, proč se takovým spojením paradigmat zabývat a tyto důvody jsou v práci diskutovány. Práce si klade za cíl odpovědět na otázku, zdali nastíněné a dále precizované spojení více paradigmat v jednom řešení má smysl ve výuce číslicové logiky na středních školách. Pokud ano, tak jakým způsobem. Práce souhrnně představí řešenou problematiku, navrhovaný způsob řešení zamýšleného diskurzu, pedagogickou teorii, hypotézy k ověření, metodologii i nástroje k ověření.

Abstract:

Theoretical computer science education can be supported by constructivism using programming language(s). It is already known that the knowledge of the programming and the training completed in the area of an algorithmic problem solving lead to better cognitive results in the mentioned educational area. It is also possible to use programming languages based on declarative paradigm to directly support training in the logic area. An Automata-Based paradigm languages can be used to describe automata as well. There is still a lack of usage of an imperative paradigm based programming languages altogether with declarative approach (at once) that could describe digital logic systems on hardware level, however. There is no proof that an ordinary imperative based paradigm languages can support training of digital systems (including Boolean algebra, combinational logic, sequential logic) appropriately. This work deals with the proposal of a new programming discourse that merges two stand-alone programming paradigms (imperative and declarative) with the usage in the digital logic systems training at secondary school. This programming discourse can describe logic systems using imperative way of programming avoiding using "if statements" and using logic functions or boolean logic operators instead. As the next step the motivation aspects and an impact of such influenced training will be measured. Knowledge based performance test will be used to determine the impact as well. The main goal of the work is to answer the question if the specific programming discourse utilizing two different paradigms inherited into the training of the digital logic systems can enhance the training. If so, it must be clearly defined how. For this purpose the work introduces the problem that should be solved, the possible way of how to do it, related pedagogical theory, hypotheses that should be verified, variables for the research, information about the learning materials and the tools to help verify the hypotheses.

Keywords

Číslicové systémy, distanční výuka, DCBLP, informační technologie, programování, CAL

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 7. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 8. 9. 2021
• Supervisor: doc. RNDr. PaedDr. Hashim Habiballa, PhD., Ph.D., doc. RNDr. PaedDr. Hashim Habiballa, PhD., Ph.D.

University of Ostrava

Pedagogical Faculty

Doctoral programme / field:
Specialization - Pedagogy / Information and Communication Technologies in Education