The impact of augmented reality for training computational thinking

Abstract

This thesis demonstrates how the requirements of an educational resource can be organized to explore the potential of Computational Thinking (CT) in conjunction with visualization techniques and Augmented Reality. We developed systems and conducted experiments to support our thesis and published work on Learning Resources (LR) for learners to train the skills that characterize the CT and allow for solving problems. The goal of this Ph.D. work is to provide a better understanding of how to effectively explore and understand how AR can help in the task of Computer Programming. To find a formal support to design and develop the referred LR, and also to conduct the final experiments, an ontology (OntoCnE) was used to characterize the domains of Computer Programming and Computational Thinking. This doctoral project is intended to demonstrate that creating adequate AR-based tools to train CT can aid in better understanding, analyzing, and solving problems in a digital society. The development of Computational Thinking skills requires the creation and use of appropriate educational resources. One of the main focus of this work was the teaching and learning of Computational Thinking in schools. The impact of AR on this process was investigated aiming at creating resources that can improve fundamental skills in an attractive way for students. With AR it was also possible to demonstrate the effects that a program performs on the state of the system with a tool that assists in the visualization of the behavior of data structures while executing the program operations. It is believed that individuals acquire new ways of thinking or behaving through appropriate learning resources. Therefore, a significant investment in educating young people in Computational Thinking is necessary. The Learning Resources proposed and discussed in the thesis are intended to train CT skills and provide visual representations and interactivity to engage students. To evaluate the effectiveness of the approach, some questionnaires were applied before and after using the Learning Resources enhanced with AR. Finally, the impact of the approach was assessed in school teaching environments.

Esta tese demonstra como os requisitos de um recurso educativo podem ser organizados para explorar o potencial do Pensamento Computacional em conjunto com técnicas de visualização e Realidade Aumentada. Desenvolvemos sistemas e conduzimos experiências para apoiar a nossa tese, tendo publicado trabalhos sobre Recursos de Aprendizagem para estudantes treinarem as competências que caracterizam o Pensamento Computacional e que permitem resolver problemas. O objetivo deste trabalho de doutoramento é proporcionar um melhor entendimento de como explorar eficazmente e compreender como a Realidade Aumentada pode auxiliar na tarefa de Programação de Computadores. Para encontrar um suporte formal para projetar e desenvolver o referido Recurso de Aprendizagem, e também para conduzir as experiências finais, foi utilizada uma ontologia (OntoCnE) para caracterizar os domínios da Programação de Computadores e do Pensamento Computacional. Este projeto de doutoramento pretende demonstrar que a criação de ferramentas adequadas baseadas em Realidade Aumentada para treinar o Pensamento Computacional pode auxiliar na compreensão, análise e resolução de problemas numa sociedade digital. O desenvolvimento das competências de Pensamento Computacional requer a criação e utilização de recursos educativos apropriados. Um dos principais focos deste trabalho foi o ensino e aprendizagem do Pensamento Computacional nas escolas. O impacto da Realidade Aumentada neste processo foi investigado com o objetivo de criar recursos que possam melhorar competências fundamentais de uma forma atrativa para os estudantes. Com a Realidade Aumentada, foi também possível demonstrar os efeitos que um programa realiza no estado do sistema com uma ferramenta que auxilia na visualização do comportamento das estruturas de dados durante a execução das operações do programa. Acredita-se que os indivíduos adquirem novas formas de pensar ou comportar-se através de recursos de aprendizagem apropriados. Portanto, um investimento significativo na educação dos jovens em Pensamento Computacional é necessário. Os Recursos de Aprendizagem propostos e discutidos na dissertação têm como objetivo treinar competências de Pensamento Computacional e fornecer representações visuais e interatividade para envolver os estudantes. Para avaliar a eficácia da abordagem, foram aplicados questionários antes e após a utilização dos Recursos de Aprendizagem aprimorados com Realidade Aumentada. Por fim, o impacto da abordagem foi avaliado em ambientes de ensino escolar.