Tutorial: Cómo enseñar a programar: un enfoque efectivo

Transcripción

1 Tutorial: Cómo enseñar a programar: un enfoque efectivo Prof. Jorge Villalobos, PhD II Congreso Colombiano de Computación Abril / 2007

2 Presentación de los participantes 2

3 Agenda Contexto Reflexiones sobre la problemática Un marco conceptual de trabajo Dimensiones de la solución Aproximación propuesta Algunos resultados obtenidos Un recorrido por los cursos de programación Lecciones aprendidas 3

4 Contexto

5 Los cursos de programación Para IS: CS1, CS2, CS3 Programación 1, Programación 2, Estructuras de datos Para otras carreras: CS1, (CS2) Programación 1, (Programación 2) 5

6 Público de los cursos Volumen de estudiantes en UA: Programación 1: 900 / 35 Programación 2: 400 / 15 Estructuras de Datos: 75 / 3 Estudiantes de todas las carreras 6

7 Situación en 2004 Cursos para IS: Objetos Lenguaje de programación C++ Mortalidad entre 30% - 40% Cursos para otras carreras: Programación imperativa Lenguaje de programación C Mortalidad entre 25% - 30% 7

8 Situación en 2004 Alta deserción Baja demanda de los cursos Alto nivel de plagio Poco interés de los profesores 8

9 Situación en 2004 No se cumplen las expectativas de los estudiantes Problemas en los cursos avanzados Problemas de coordinación entre secciones Problemas de formación de profesores 9

10 Situación en 2004 Manejo de la motivación y la frustración 10

11 Situación en 2004 Manejo de la motivación y la frustración 11

12 Situación en 2004 Manejo de la motivación y la frustración 12

13 Situación en 2004 Manejo de la motivación y la frustración 13

14 Situación en 2004 Manejo de la motivación y la frustración! 14

15 Situación en 2004 Manejo de la motivación y la frustración "## $ % 15

16 Situación en 2004 La interminable redefinición de cosas en la carrera 16

17 Situación en 2004 La impermeabilidad de los primeros cursos El tiempo de clase es muchas veces desperdiciado, tratando de presentar algoritmos o teoría, que podrían ser explicados a través de herramientas computacionales. 17

18 Situación en 2004 Muy orientado a la enseñanza de un lenguaje Aprendizaje por imitación Aproximación de abajo hacia arriba 18

19 Situación en 2004 Desequilibrio de los ejes temáticos Ausencia de diseño de los cursos y de materiales de apoyo Problemas para hacer la evaluación 19

20 Situación en 2004 De parte de los profesores, una sensación compartida de que ya lo habíamos intentado todo 20

21 Situación en 2004 Proyecto CUPI2 Buscando nuevas maneras de enseñar a programar 21

22 Reflexiones sobre la problemática Cómo distinguir los problemas de fondo de los problemas de implementación? Cómo buscar una solución? Qué consecuencias tienen en la carrera los problemas detectados?

23 Algunas reflexiones Cómo discutir, compartir, comparar? Se necesita un marco conceptual sólido 23

24 Algunas reflexiones ejecutar diseñar medir Cómo medir los resultados? Se deben definir variables significativas Se debe contar con mecanismos externos de medición 24

25 Algunas reflexiones Objetos o no objetos? Cómo escoger el lenguaje de programación? Hasta dónde llegar en aspectos tecnológicos? 25

26 Algunas reflexiones Cómo enfrentar el problema de la evaluación? Qué hacer para manejar la motivación de los estudiantes? Cómo administrar y darle seguimiento a un curso masivo? 26

27 Algunas reflexiones Qué es exactamente lo que se espera de un curso de programación? 27

28 Algunas reflexiones Cómo buscar una solución que integre todos los aspectos antes mencionados? Cómo implementar esa solución? Cuánto cuesta? Es viable? Es sostenible? 28

29 Un marco conceptual de trabajo Cómo estructurar la comunicación? Cómo describir los cursos?

30 7 ejes conceptuales Conocimientos Habilidades 30

31 Modelaje y solución de problemas Es la capacidad de abstraer la información de la realidad relevante para un problema, de expresar dicha realidad en términos de algún lenguaje y proponer una solución en términos de modificaciones de dicha abstracción. Se denomina análisis al proceso de crear dicha abstracción a partir de la realidad, y especificación del problema al resultado de expresar el problema en términos de dicha abstracción. 31

32 Algorítmica Es la capacidad de utilizar un conjunto de instrucciones para expresar las modificaciones que se deben hacer sobre la abstracción de la realidad, para llegar a un punto en el cual el problema se considere resuelto. Se denomina diseño de un algoritmo al proceso de construcción de dicho conjunto de instrucciones 32

33 Tecnología y programación Son los elementos tecnológicos necesarios (lenguaje de programación, lenguaje de modelaje, etc.) para expresar, en un lenguaje comprensible por una máquina, la abstracción de la realidad y el algoritmo que resuelve un problema sobre dicha abstracción. Programar es la habilidad de utilizar dicha tecnología para que una máquina sea capaz de resolver el problema 33

34 Herramientas de programación Son las herramientas computacionales (compiladores, editores, depuradores, manejadores de proyectos, etc.) que permiten a una persona desarrollar un programa. Se pueden considerar una implementación particular de la tecnología 34

35 Procesos de software Es el soporte al proceso de programación, que permite garantizar la calidad de la solución, y la capacidad de las personas involucradas a estimar en un futuro el esfuerzo de desarrollar un programa. Aquí se incluyen los estándares de documentación y codificación, el control de tiempo, las técnicas de inspección de código, las técnicas de pruebas de programas, etc. 35

36 Técnicas de programación y metodologías Son las estrategias y guías que ayudan a una persona a crear un programa correcto. Definen un conjunto de etapas, tareas, métricas, consejos, patrones, etc. para que un programador sea capaz de pasar con éxito por todo el ciclo de vida de desarrollo de una aplicación 36

37 Elementos estructuradores y arquitecturas Definen la estructura de la aplicación resultante. A partir de la selección de los elementos estructuradores, hay que seleccionar el proceso de construcción, la metodología, la tecnología y las herramientas. Se consideran elementos estructuradores las funciones, los objetos, los componentes, los servicios, los modelos, etc. La arquitectura de una aplicación es el resultado de expresar a más alto nivel de abstracción los elementos que constituyen un programa 37

38 Ejes vs cursos! " Curso C H Curso Curso 38

39 Ejes vs cursos! " Curso C H Análisis = Diseño Objetivos pedagógicos Curso Análisis Diseño Diseño dado Objetivos pedagógicos Curso Análisis Diseño Diseño por construir Objetivos pedagógicos 39

40 Marco conceptual En este punto ya podemos expresar qué queremos con los cursos (la intención). Falta definir el cómo lograrlo (la implementación). 40

41 Dimensiones de la solución

42 Dimensiones de la solución Modelo pedagógico Formación de profesores Materiales de soporte Herramientas de apoyo y seguimiento Mecanismos de seguimiento Modelo de evaluación! " Curso Curso Curso 42

43 Dimensiones de la solución Formación de profesores Proceso de inducción Acompañamiento de profesores Guías pedagógicas Modelo Ejemplos de pedagógico guiones Ejemplos de buenas prácticas Materiales de soporte Herramientas de apoyo y seguimiento Mecanismos de seguimiento Modelo de evaluación 43

44 Dimensiones de la solución Modelo pedagógico Comunidad de aprendizaje Formación Herramientas de seguimiento de profesoresmanejo de bitácoras Herramientas administrativas Tutoriales para profesores Herramientas de apoyo y seguimiento Materiales de soporte Mecanismos de seguimiento Modelo de evaluación 44

45 Dimensiones de la solución Modelo pedagógico Formación de profesores Herramientas de apoyo y seguimiento Materiales de Estructura del curso soporte Forma de generar las habilidades Forma de manejar la motivación Proceso de aprendizaje Uso de los recursos Mecanismos disponibles de seguimiento Modelo de evaluación 45

46 Dimensiones de la solución Modelo pedagógico Formación de profesores Herramientas de apoyo y seguimiento Libros Ejemplos Hojas de trabajo Tutoriales Talleres Entrenadores Simuladores Frameworks Modelo de evaluación Materiales de soporte Mecanismos de seguimiento 46

47 Dimensiones de la solución Modelo pedagógico Formación de profesores Materiales de soporte Herramientas de apoyo y seguimiento Encuestas Entrevistas Manejo de históricos Modelo de evaluación Mecanismos de seguimiento 47

48 Dimensiones de la solución Modelo pedagógico Formación de profesores Materiales de soporte Herramientas de apoyo y seguimiento Mecanismos de seguimiento Modelo de evaluación Ejercicios Examen práctico Examen teórico Reglas de juego 48

49 Aproximación pedagógica propuesta

50 Enfoque pedagógico El estudiante debe ser el principal protagonista del proceso de aprendizaje 50

51 Enfoque pedagógico Cada profesor debe encontrar la mejor manera de lograr los objetivos, respetando el diseño del curso y las reglas de juego 51

52 Principios, restricciones e hipótesis Generación incremental de habilidades Mostrar y garantizar el equilibro entre los ejes Escalable, sostenible e implementable Nada puede parecer artificial al estudiante Uso correcto de los términos y los conceptos Es posible que un estudiante use un concepto sin un conocimiento profundo del mismo La programación debe enfrentarse como algo enseñable en todos sus ejes Lo importante debe hacer parte de la evaluación Una visión global del problema: una razón para cada cosa 52

53 Aproximación $ % '% # ()* & + 53

54 Diseño de los niveles! " Nivel Nivel Nivel Nivel Nivel Nivel! 54

55 Elemento básico: el ejercicio En un ejercicio: Se introducen nuevos conocimientos en algunos de los ejes Se profundizan conocimientos en algunos de los ejes Se generan nuevas habilidades en algunos de los ejes Se refuerzan habilidades en algunos de los ejes Se utilizan conocimientos y habilidades vistos en ejercicios anteriores Se utilizan elementos que van a ser vistos en ejercicios posteriores, pero que pueden ser entendidos de manera intuitiva y utilizados como parte del ejercicio actual 55

56 Elemento básico: el ejercicio En un ejercicio: Algunos elementos son dados como entrada, otros se deben completar y otros se deben desarrollar 56

57 Programa completo &' (& ' (& ' ( ) % *$ ) *$ Nombre Resumen R1 Crear una tarjeta TARCINE para un cliente Se crea una tarjeta para el cliente identificado con una cédula dada. La tarjeta se debe crear con un monto o carga inicial de $ Si el usuario ya tiene una tarjeta registrada, no se puede crear y se presenta un mensaje de error. Entradas La cédula del cliente Resultados Una tarjeta se ha creado para el cliente indicado. La tarjeta tiene una carga inicial de $ Si el cliente ya tiene registrada una tarjeta, no se crea y se presenta un mensaje explicativo. 57

58 Programa completo (2) 58

59 Programa completo (3) + %, - & % 59

60 Elemento básico: el ejercicio Un ejercicio: Debe ser completo y útil, y consta de: Una especificación funcional Un modelo del mundo del problema Un diseño detallado, que incluya una visión arquitectural Una interfaz gráfica simple El código que implementa la solución El código que implementa las pruebas Algunos elementos son dados como entrada, otros se deben completar y otros se deben desarrollar 60

61 Ejemplo de un ejercicio 61

62 Evaluación del curso Evaluación (por nivel): ejercicio examen escrito examen práctico 62

63 Entrenadores generan habilidades en un solo eje son trasversales a varios niveles 63

64 Entrenadores 64

65 Entrenadores 65

66 LED: Laboratorio de estructuras de datos 66

67 Entrenadores 67

68 Entrenadores 68

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71 Algunos resultados obtenidos

72 Algunos resultados estadísticos 5 indicadores para monitorear el avance del proyecto: Evaluación del profesor (en todas sus dimensiones) en la encuesta a estudiantes que hace semestralmente la Universidad. Evaluación del curso (en todas sus dimensiones) en la encuesta a estudiantes que hace semestralmente la Universidad. Promedio obtenido por los estudiantes en el curso. Mortalidad en el curso, medido como el porcentaje de estudiantes que pierde la materia. Cantidad de tema cubierto en los cursos y tipo de proyectos que los estudiantes son capaces de desarrollar después del curso. 72

73 Algunos resultados estadísticos Curso: Programación 1 73

74 Algunos resultados estadísticos Curso: Programación 1 (para IS) 74

75 Algunos resultados estadísticos Curso: Programación 2 (para IS) 75

76 Publicaciones J. Villalobos, R. Casallas, Teaching/Learning a First Object-Oriented Programming Course outside the CS Curriculum, ECOOP 10th Workshop on Pedagogies and Tools for the Teaching and Learning of Object Oriented Concepts, Nantes, Francia, Julio J. Villalobos, R. Casallas, L. Osorio. "Looking for a New Approach to Teach/Learn a First Computer-Programming Course". International Conference on Engineering and Computer Education (ICECE), Madrid, España, Noviembre J. Villalobos, R. Casallas, K. Marcos. El Reto de Diseñar un Primer Curso de Programación de Computadores". XIII Congreso Iberoamericano de Educación Superior en Computación, Cali, Colombia, Octubre J. Villalobos, D. Pérez, J. Castro, C. Jiménez. Construcción de un Laboratorio Flexible de Estructuras de Datos". XIII Congreso Iberoamericano de Educación Superior en Computación, Cali, Colombia, Octubre

77 Publicaciones 77

78 Publicaciones Introducción a las Estructuras de Datos: Aprendizaje Activo Basado en Casos Agosto

79 Sitio WEB La comunidad CUPI2 79

80 La comunidad Cupi2: profesores. 80

81 La comunidad Cupi2: profesores / # # #' #( 81

82 La comunidad Cupi2: profesores Documentos de diagnóstico Guías pedagógicas Material de inducción de profesores Resultados estadísticos Presentaciones Hojas de trabajo Exámenes Laboratorios 82

83 La comunidad Cupi2: profesores 83

84 84

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87 La comunidad Cupi2: estudiantes 87

88 Un recorrido por los cursos de programación

89 Cómo se desarrolla cada nivel? Cada profesor diseña la estrategia de cada uno de los niveles: actividades de motivación, de trabajo en grupo, de trabajo individual, de reflexión, de puesta en común, de laboratorios, de entrenamiento, etc. Al inicio del nivel se plantea el ejercicio, el cual va a permitir establecer los objetivos pedagógicos El ejercicio también va a definir el contexto de la evaluación 89

90 90

91 Ejercicio nivel 1 91

92 92

93 ), Diseño detallado por eje -, % & ' ( " " ' ' ) " *+ ' &!"#!"# $! " " # 93

94 Ejercicio nivel 2 94

95 95

96 Ejercicio nivel 3 96

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98 Ejercicio nivel 4 98

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100 Ejercicio nivel 5 100

101 101

102 Ejercicio nivel 6 102

103 103

104 Ejercicio nivel 7 104

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106 Ejercicio nivel 8 106

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108 Ejercicio nivel 9 108

109 109

110 Ejercicio nivel

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112 Ejercicio nivel

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115 Ejercicio nivel

116 Ejercicio nivel 16 Huffman + Xerces XML almacenamiento memoria principal Índices AVL Índices

117 Ejercicio nivel

118 Ejercicio nivel

119 Lecciones aprendidas

120 Lecciones aprendidas El problema es complejo y se debe enfrentar de una manera integral Los cambios en los cursos de programación tienen un impacto muy positivo en el resto del currículo La programación puede ser un tema motivante para los estudiantes de todas las carreras 120