Programmering i naturfag: den algoritmiske tenkeren og utfordringer på veien

Abstract

Temaet for denne masteroppgaven er programmering i naturfag. Programmering ble implementert i læreplanen høsten 2020, og er dermed nytt for mange lærere og elever. På bakgrunn av et økende behov for teknologiske ferdigheter i arbeidslivet må skolen undervise i programmering slik at elevene er forberedt på dagens og fremtidens samfunn. Den algoritmiske tenkeren er en modell for algoritmisk tenkning som inneholder strategier som kan brukes når elever arbeider med programmering i skolen. Vi vet lite om hvordan algoritmisk tenking ser ut og hvilke utfordringer elever møter på i norske klasserom i naturfag der elevene jobber med programmering. Det er derfor nødvendig å undersøke dette slik at programmeringsundervisning i naturfag kan utvikles. Hensikten med denne studien er å undersøke hvordan elever på mellomtrinnet arbeider med programmering i naturfagundervisning, og utfordringer som kan oppstå i planlegging og gjennomføring av slike undervisningsopplegg. Studien vil svare på forskningsspørsmålene:

- Hvilke kjennetegn på algoritmisk tenkning kommer til utrykk i elevers arbeid med programmering i naturfag på mellomtrinnet? - Hvilke utfordringer kommer frem i et undervisningsopplegg med programmering i naturfag på mellomtrinnet?

Dette er en kvalitativ studie der vi har benyttet oss av semistrukturert intervju av to lærere og observasjon av fire klasser som datainnsamlingsmetode. Dataene er analysert gjennom meningskondensering og innholdsanalyse. Studiens resultater viser at flere av elevene benyttet seg av alle strategiene i den algoritmiske tenkeren. Noen av strategiene ble trukket frem i en introduksjonsøkt og andre strategier ble vektlagt underveis i undervisningen. Ettersom flere av elevene benyttet seg av disse strategiene og så ut til å få utbytte av dem, kan det argumenteres for at det å lære elever strategier fra den algoritmiske tenkeren kan bidra til å veilede dem gjennom programmeringen. Det ble brukt en ressursperson med kunnskap innen programmering og algoritmisk tenkning i planleggingen av undervisningsopplegget. For at programmeringsundervisningens faglige og didaktiske hensikt skulle komme frem understrekes viktigheten av kommunikasjon mellom planlegger og lærere. Utfordringer med samarbeid kom til syne der elevene ikke brukte hverandre som ressurs i arbeidet. For at et samarbeid skal fungere er det essensielt at elever vet hvordan de skal samarbeidet. I programmering kan dette gjøres ved å introdusere elever for parprogrammering der begge elevene får utdelt en rolle med eget ansvar. Videre kom utfordringer knyttet til behov for veiledning frem i undervisningen. For at lærere skal veilede elevene i programmeringsundervisning i naturfag kan det være hensiktsmessig å differensiere oppgavene elevene får, samt veilede dem underveis. En av klassene opplevde også teknologiske utfordringer som kom av utladede Spheroballer. For å unngå slike utfordringer er det viktig at lærere har satt seg inn i hvilke teknologiske utfordringer som kan oppstå og hvordan de kan forhindres. I videre forskning kan en rette fokus på elevers opplevelse av bruken av strategier fra den algoritmiske tenkeren og utfordringer de møter i programmering i naturfag. I tillegg ville det vært interessant å følge elever fra et undervisningsopplegg med programmering i naturfag til et annet for å undersøke om og på hvilke måter elever tar med seg strategiene fra den algoritmiske tenkeren videre, og eventuelt hvorfor de gjør det eller ikke.

The theme of this paper is programming in science classrooms. Programming was incorporated to the Norwegian curriculum as of the autumn of 2020, and is therefore still new to teachers and students. Based on an increased need for technological skills in society,schools need to teach programming to prepare the students for both the society of today and the future. The Computational Thinker is a model for computational thinking that presents various strategies for the students to use while working with programming in school. There is little knowledge about how computational thinking appears and what kind of challenges students face in while programming in Norwegian science classrooms. That being the case, it is necessary to investigate this in efforts to improve teaching involving programming in science classrooms. The purpose of this study is to investigate how students in primary school work with programming during science instruction, and challenges that might occur in the planning and implementation of such instruction. The study will answer the following research questions:

- Which characteristics of computational thinking are expressed in primary school students work in programming in science? - Which challenges emerges while teaching programming in primary school science classrooms?

This is a qualitative study using transcripts of semi-structured interviews of two teachers and field notes from observations of four teaching sessions. The data was analysed using meaning condensation and content analysis. The study uncovered that several students utilise all strategies presented in the Computational Thinker. Some of the strategies were employed during the introductory phase, whereas others came in use throughout the session. Considering that many students were applying the strategies, and by observing the positive impact of these, it can be argued that the Computational Thinker might contribute to facilitate the students' learning process when programming. A person with experience in computational thinking was used as an advisor during the planning of the instruction. Throughout this process, sound communication between the advisor and the teachers is of key importance to achieve the academic and didactic purpose of the instruction. Challenges related to cooperation emerged as students stopped utilising each other as resources. For a team to fully function it is essential that students know how to collaborate. When programming, a solution might be to introduce the students to pair programming, wherein both students are assigned a role that each has its own set of responsibilities. Further complications arose from the students' need for guidance as the instruction progressed. For the teachers to properly guide the students in science instruction that involves programming it might be useful to differentiate the tasks that are given to the students whilst continuously providing them with guidance. One of the classes experienced technological issues when some of the Sphero BOLT were discharged. To avoid such issues it is important that teachers are prepared for eventual technological obstacles that might arise, and how to prevent them. Further research could focus on how students experience the use of strategies from the Computational Thinker, including the challenges they encounter over the course of programming within science. Moreover, an interesting aspect to further examine is how and to what extent students utilise the acquired knowledge from the Computational Thinker in other subjects.