Ongelmalähtöinen oppiminen massakurssilla

1. Taustaa

Informaatioverkostojen koulutusohjelmassa on vuosina 1999-2000 kokeiltu heille räätälöidyllä rinnakkaisperuskurssilla (T-106.219, Informaatioverkostojen Studio 1) ongelmalähtöistä opetusta (Problem-Based Learning).  Ensimmäisenä vuonna koko menetelmä oli täysin uusi niin opiskelijoille kuin opettajillekin ja silloin monenlaisten alkukankeuksien jälkeen saavutettiin suurin piirtein sama tulos kuin normaalikurssillakin.  Toteutusta muutettiin kokemusten perusteella ja syksyllä 2000 tulokset olivat erinomaisia.  Kukaan uudella metodilla opiskellut kurssilainen ei keskeyttänyt ja kurssilaisten keskitulos oli n. 80% maksimipisteistä.  Esitietokartoituksen tähän ryhmään oli valittu 31 henkeä, joilla yhtä poikkeusta lukuunottamatta ei ollut juuri lainkaan aiempaa ohjelmointikokemusta.  Ne kurssilaiset, joilla tällaista kokemusta oli, suorittivat kurssin toisella menetelmällä, käytännössä henkilökohtaisen projektin avulla.

Näin huomattavan hyvä tulos ei voi selittyä vain sillä, että kurssilla olisi ollut erityisen lahjakkaita oppilaita ja he olisivat saaneet ohjausta paljon enemmän kuin normaaliopetuksessa.  Käytetyissä opetusmuodoissa täytyy olla jotakin sellaista, joka on edesauttanut hyvän tuloksen syntymistä ja näin ollen sitä kannattaisi soveltaa muussakin opetuksessa.  Valitettavasti studiokurssilla käytetyt menetelmät eivät sellaisenaan skaalaudu massaopetukseenja siksi tässä kokeilussa onkin tarkoitus selvittää, voidaanko sitä muokata ja yksinkertaistaa siten, että se voidaan toteuttaa suurillakin kursseilla ilman, että menetetään saavutettuja etuja.

1.1 Keskeyttämisen syitä

• Sekä peruskursseilla L1 ja Y1 että niiden edeltäjällä on sama rakenne.  Kurssiin kuuluu kolme osasuoritusta:  Kurssin alkuosassa palautetaan kahden viikon välein pienimuotoisia hyvin määriteltyjä ohjelmointitehtäviä (harjoitustehtävät).  Nämä tarkastetaan automaattisesti tähän tarkoitukseen suunnitellun tarkastusohjelman avulla. Harjoitustehtävien jälkeen opiskelijat tekevät itsenäisesti ohjelmointiprojektin, missä toteutetaan merkittävästi suurempi kokonaisuus aiheesta, joka ei ole yhtä selkeästi määritelty kuin harjoitustehtävät.  Projektityö esitellään ja palautetaan henkilökohtaisesti assistentille. Lisäksi kurssiin kuuluu tentti, joka sisältää sekä pieniä ohjelmointitehtäviä että käsitteiden selvittämistä.
• Syksyn kurssi (L1) alkaa heti luentokauden alussa ja harjoitustehtäviä tehdään joulukuun alkupuolelle saakka.  Projekti alkaa marraskuun puolessa välissä ja se palautetaan tammikuussa ennen kevätlukukauden alkua.  Kevään kurssilla (Y1) harjoitustehtäviä tehdään tammikuun lopusta huhtikuun puoleenväliin saakka ja projekti tulee palauttaa lukukauden loppuun mennessä.
• Kurssilaista n. 20-30 prosenttia keskeyttää kurssin jo harjoitustehtävävaiheessa, ts. eivät tee tätä osuutta loppuun.  Huomattava osa keskeytyksistä tapahtuu jo kurssin alkuvaiheessa parin ensimmäisen kierroksen yhteydessä.
• Niistä opiskelijoista, jotka tekevät kaikki harjoitustehtävät, 20-30 prosenttia ei palauta projektia lainkaan.  Projektitöistä, jotka palautetaan, hyväksytään yli 95%.  Tähän lukuun sisältyvät ne työt, joihin vaaditaan korjauksia ja jotka palautetaan sen jälkeen korjattuna.
• Ne opiskelijat, jotka läpäisevät projektityön, läpäisevät tyypillisesti myös tentin.  Ts.  projektityön läpäisseiden määrä on suurin piirtein sama kuin koko kurssin läpäisseiden määrä.

Toinen merkittävä keskeyttämistekijä on ilmeisesti se, että osalla opiskelijoita valmiudet käsitellä projektia ovat liian vähäiset harjoitustehtävien jälkeen.  Projektiin liittyy suunnitelman tekeminen, jossa pitää hahmotella tekninen perusratkaisu, mutta tämä vaihe jää monilla liian pinnalliseksi ja he eivät pysty käsittelemään väljästi määriteltyä projektiaihetta ja suunnittelemaan teknistä ratkaisua itsenäisesti.

Eräs mahdollinen selittävä tekijä on se, että harjoitustehtävävaiheessa on varsin helppoa kopioida muilta kurssilaisilta valmiita ratkaisuja ja palauttaa ne ominaan.  Henkilökunta jäljittää osan näistä plagiointitapauksista, mutta merkittävä osa jää varmasti pimentoon.  Plagiointia harrastaneen opiskelijan valmiudet projektin tekemiseen voivat olla selvästi heikommat kuin tehtävät itsenäisesti ratkaisseella opiskelijalla.

Yksi tärkeä tekijä voi olla myös se, että suurella massakurssilla on kovin helppoa jättää hommat kesken.  Kukaan ei kiinnitä siihen mitään huomiota.

1.2 Studiokurssin toteutus

• Viikottaiset 3 tunnin tapaamiset, joissa käsiteltiin ns. tapauksia.  Näissä heille annettiin virike tai tehtävä, jota heidän tuli tarkastella tai tarkastella.
• Tapaukset käsiteltiin 7-9 hengen ryhmissä.  Ryhmä valitsi keskuudestaan kullekin tapaukselle puheenjohtajan ja sihteerin.
• Ryhmän mukana oli tutoropettaja.  Hänen keskeinen roolinsa oli toimia asiantuntijana, jolta voi kysyä yksittäisiä asioita.  Tutor ei johtanut keskustelua, mutta hän saattoi välillä esittää rakentavia kysymyksiä, jos näytti siltä, että ryhmän keskustelu ajautuu umpikujaan tai väärille raiteille.
• Jokainen tapaus käsiteltiin ns. 7 askelen menetelmällä:
1. Selvitetään, että kaikki käsitteet ovat selviä ja ryhmä ymmärtää, mistä on kysymys
2. Ryhmä valitsee aiheella työotsikon, joka pyrkii kuvaamaan asian keskeistä ongelma-aluetta.
3. Aivoriihessä ryhmän jäsenet tuovat vapaasti esiin ajatuksia, käsitteitä ja ideoita, joita tapauksen aiheeseen liittyy.  Ne kirjoitetaan liimalapuille ja istunnon sihteeri jäsentelee niistä taululle mielestään mielekkään kokonaisuuden.
4. Ryhmä keskustelee muodostuneesta jäsennyksestä ja muokkaa sitä.  Tavoitteena on kehittää käsiteltävää asiaa selittävä malli, joka sisältää keskeiset käsitteet ja syy-yhteydet.  Jos ollaan ratkaisemassa tehtävää, kehitetään tehtävän periaateratkaisua.
5. Ryhmä määrittelee edellä olevasta kaaviosta itselleen oppimistavoitteet: mitä heidän tulee opiskella lisää voidakseen ymmärtää asian kunnolla ja/tai ratkaistakseen käsillä olevan ongelman.  Tapauksen avaus päättyy tähän vaiheeseen.
6. Jokainen ryhmän jäsen opiskelee viikon aíkana sovitut asiat itsenäisesti ja mahdollisesti työstää ongelman ratkaisua yksityiskohtaisemmaksi.
7. Viikon kuluttua kokoonnutaan ns. purkuun, jossa käydään keskustellen läpi opitut asiat ja ongelman erilaiset ratkaisuesitykset.
• Tapaukset olivat luonteeltaan joko virikkeellisiä tapauksia, joissa ei ollut selvää ratkaistavaa ongelmaa tai suunnittelutapauksia, joissa oli selvä tehtävänanto, mitä tuli suunnitella.  Nämä vuorottelivat viikon välein.
• Kuhunkin suunnittelutapaukseen liittyi essee, jossa opiskelijan tuli selvittää opittuja käsitteitä, sekä esittää suunnittelutehtävän periaateratkaisu itsenäisesti.  On huomattavaa, että ryhmäistunnossa ei voitu ratkaisussa mennä kovin yksintyiskohtaiselle tasolle.
• Esseen palautuksen jälkeen kaikki joutuivat ratkaisemaan itsenäisesti ohjelmointiharjoituksia, joissa toteutettiin Javalla joitakin yksittäisiä osia suunnittelutehtävästä tai vastaavasta ongelmasta.
• Kurssin lopussa jokainen opiskelija toteutti omasta aiheesta laajemman ohjelmointiprojektin.  Projektin tulos demonstroitiin kurssin opettajille ja projektista kirjoitettiin dokumentti.  Projektit olivat kooltaan useita satoja rivejä Java-koodia.
• Kurssiin aikana jokainen opiskelija laatii lisäksi portfolion, jossa hän kokoaa yhteen oppimiaan asioita, esittelee ja arvioi tekemiään tehtäviä, omaa oppimistaan ja kurssin toteutusta.
• Jokainen suoritti myös pienen tentin, jossa testattiin kurssilla esitettyjen käsitteiden teoreettista ymmärtämistä.
• Kurssin aikana pidettiin 3-4 yhteistä tilaisuutta, joissa keskusteltiin tutorien kanssa kurssin tilanteesta ja selvitettiin opiskelijoille heille epäselviksi jääneitä asioita.  Luentoja kurssilla ei ollut.
• Kurssilla ei ollut oppikirjaa.  Lähteeksi esiteltiin muutamia teoksia ja verkko-osoitteita, mutta opiskelijat saivat hakea tietonsa, mistä parhaiten katsoivat.  Tiedon hankkiminen oli heidän omalla vastuullaan.
• Koska kurssilla oli näin runsaasti eri osasuorituksia, siitä sai yhteensä 7.5 opintoviikkoa rinnakkaiskurssin 5 opintoviikon sijasta.

1.3 Studiokurssin analyysiä

Kurssilaisille korostettiin kurssin alussa voimakkaasti kuinka paljon työtä he joutuvat tekemään kurssin aikana.  Näin ollen ainakin osa opiskelijoista varautui tähän suunnitellessaan syksyn muuta ohjelmaa.

Suunnittelutehtävissä oppilaille tuli kurssin aikana tutuksi ongelman ratkaiseminen.  Käsiteltävät tehtävät oli määritelty väljästi ja ryhmässä pystyttiin helpommin keksimään niille jokin tai joitakin käyttökelpoisia ratkaisuja.  Kun tätä vielä jouduttiin syventämään omassa esseessä, tuli ratkaisuprosessi käytyä läpi moneen kertaan ennen oman projektin aloittamista.

Kurssin aikana havaittiin vain yksi kopiointitapaus.  Kopiointi ei muutenkaan tunnu kovin hyvin istuvan siihen ajattelutapaan, joka kurssilla oli, että jokainen ottaa vastuun omasta oppimisestaan, mm. asettaa omat oppimistavoitteet.  Epäilemättä osa opiskelijoista sai muilta paljon apua tehtävien ratkaisuissa, mutta tämä ei johtanut avuttomuuteen omassa projektissa.

Studiokurssin opetusmuodot eivät sellaisenaan skaalaudu massaopetukseen.  Merkittävimpiä rajoitteita ovat:

• Massaopetuksessa ei löydy päteviä tutor-opettajia kaikkiin ryhmiin.  Esimerkiksi L1-kurssille muodostuisi yli 100 ryhmää, joiden kanssa pitäisi olla 3 tunnin tapaaminen kerran viikossa.  Vaikka resursseja tutorien palkkaamiseen jostain löytyisikin, ei löydy riittävästi henkilöitä.
• Korkeakoulusta ei löydy riittävästi ryhmätyöhön soveltuvia tiloja näin suurille määrille ryhmiä.
• Portfolion arvostelu on vaikeampaa ja työläämpää verrattuna tentin arvosteluun. Toisaalta jo työmääränkin vuoksi ei ole järkevää ottaa portfoliota massakurssin yhdeksi pakolliseksi osasuoritukseksi.  Nykyisinkin viisi opintoviikkoa täyttyy selvästi jo muista tehtävistä.

2. Kokeilun toteutus

2.1 Tapaukset

Ryhmä käsittelee viikottaisessa istunnossa annetut tapaukset.  Näiden joukossa on suunnittelutehtäviä ja diagnostisia tehtäviä, joissa pitää selvittää annetun ohjelman toimintaa.  Edellisten tavoitteena on harjoittaa ongelmaratkaisu- ja suunnittelutaitoa.  Jälkimmäisten tavoitteena on selventää, miten tietokoneohjelmat todellisuudessa toimivat.  Tapausten käsittelyssä on seuraavat vaiheet:

1. Järjestäytyminen. Ryhmä valitsee omissa kokoontumisissaan keskuudestaan kutakin tapausta varten puheenjohtajan ja sihteerin.  Puheenjohtajan tehtävänä on pitää istunto kasassa, jotta esillä olevat tehtävät saadaan käsiteltyä.   Sihteeri auttaa istunnon aikana pitämällä kirjaa ja jäsentämällä esille tulevia ajatuksia.  Hän myös kirjaa ylös ratkaisuhdotukset sekä oppimistavoitteet.  Istunnon jälkeen hän toimittaa muistionsa ryhmän muille jäsenille sekä vastuuassistentille.
2. Tehtävään perehtyminen.  Ryhmä selvittää itselleen, mitä tehtävässä tulee tehdä.  Kirjataan ylös mahdolliset epäselvyydet, jotka pitää tarkistaa assistentilta.
3. Aivoriihi. Aivoriihessä ryhmän jäsenet tuovat vapaasti esiin ajatuksia, käsitteitä ja ideoita, joita tapauksen aiheeseen ja tehtäviin liittyy.  Ne kirjoitetaan liimalapuille ja istunnon sihteeri jäsentelee niitä taululle mielestään mielekkääksi kokonaisuudeksi.  Jäsentely voidaan toteuttaa myös niin, että kaikki ryhmän jäsenet osallistuvat siihen taulun ääressä.
4. Suunnittelu / Analyysi.  Riippuen tehtävän luonteesta toimitaan seuraavasti:
1. Suunnittelutehtävässä ryhmä hahmottelee yhdessä ratkaisun perusperiaatteet ja kehittää ratkaisua eteenpäin niin pitkälle kuin tehtävässä on ohjeistettu tai tuntuu mielekkäältä.  Suunnittelutehtäviä ei ole tarkoitus ratkaista niin pitkälle, että ruvettaisiin kirjoittamaan Java-koodia.  Sen sijaan ratkaisuun kuuluu ongelman käsitteellinen analyysi ja sen perusteella luokkien ja olioiden sisällön ja toiminnallisuuden määrittely.  Mahdolliset tietorakenteet määritellään myös.  Suunnittelu pysähtyy viimeistään silloin, kun ruvetaan kirjoittamaan metodien toiminnallisuutta Javalla.
2. Analyysitehtävässä joudutaan selvittämään, miten annettu ohjelma toimii joko oikein tai virheellisesti.  Tällöin keskitytään kuvaamaan sanallisesti ja käsitteellisesti ohjelman toiminta sekä se, mitä ohjelman suorituksen eri vaiheissa tietokoneessa tapahtuu.
5. Oppimistavoitteiden määrittely.  Lopuksi ryhmä määrittelee ne asiat, jotka jokainen selvittää itselleen seuraavaan tapaamiseen mennessä.  Tavoitteet tulee määritellä niin yksityiskohtaisella tasolla, että ne ymmärretään yhteisesti.  On erityisen tärkeää ymmärtää, että oppimistavoitteet ovat yhteisiä ja jokainen opiskelee ne.  Tässä ei ole työnjakoa ryhmän jäsenten kesken.  Tässä yhteydessä kannattaa keskustella myös siitä, mistä lähteistä tietoa kannattaisi etsiä.
6. Itsenäinen opiskelu.  Jokainen ryhmän jäsen opiskelee viikon aikana sovitut asiat käytettävissään olevista tietolähteistä.  Tällöin jokainen myös miettii ratkaistavan tehtävän tai analysoitavan ongelman yksityiskohtia ja ratkoo niitä seuraavaa kokoontumista varten.
7. Purku. Purkuvaiheessa ryhmä keskustelee tehtävien ratkaisuista ja opituista asioista yhdessä.  Tapauksen edellisen kerran puheenjohtaja laatii esityslistan, joka kattaa oppimistavoitteet ja tehtävät.  Purkuvaiheessa on keskeistä käydä läpi asiat siten, että kaikki asiat on ymmärretty.  Sihteeri kirjaa ylös ne asiat, joissa jokin asia on jäänyt epäselväksi.  Ryhmä ottaa ne esille viikkotapaamisessaan assistentin kanssa.
8. Kun tapaus on purettu, siirrytään seuraavan tapauksen avaamiseen, valitaan uusi puheenjohtaja ja sihteeri jne.  Kussakin istunnossa siis puretaan yksi tapaus ja avataan seuraava.  Tyypillinen aika, joka tähän kuluu, on 2-3 tuntia.
9. Tapauksen puheenjohtaja ja/tai sihteeri koostaa tapauksesta lyhyen raportin, joka sisältää seuraavat asiat:
1. Ketkä olivat läsnä avauksessa ja purussa?
2. Mitkä olivat oppimistavoitteet
3. Purkutilaisuudessa läpikäydyt asiat
4. Purkutilanteessa epäselviksi jääneet asiat
Tämä raportti lähetetään ryhmän assistentille ja Lauri Malmille.

2.2 Esseet ja harjoitustehtävät

Ohjelmointiharjoituksissa toteutetaan pieniä Java-ohjelmia, jotka liittyvät käsiteltävien tapausten aihepiiriin.   Nämä tehtävät palautetaan samoin omalle assistentille tai OTUS-järjestelmälle.

2.3 Projekti

2.4 Tentti

2.5 Materiaali

2.6 Kurssin arvosana

    0 - 499 : 0
500 - 619 : 1
620 - 739 : 2
740 - 859 : 3
860 - 979 : 4
980 - 1200 : 5

2.7 Kurssin arvioitu työmäärä

• Tapausten käsittely, 8 * 3 tuntia = 24 tuntia
• Itsenäinen opiskelu, 8 * 8 tuntia = 64 tuntia
• Esseet 4 * 4 tuntia = 16 tuntia
• Ohjelmointiharjoitukset 4 * 12 tuntia = 48 tuntia
• Projekti, 80 tuntia
• Tentiin valmistautuminen ( lyhyt kertaus, kun edellisten jälkeen asiat ovat hanskassa), 8 tuntia
• Yhteensä 240 tuntia.

2.8 Assistenttien osuus (arviolta)

Normaalin ohjelmointineuvonnan kurssilaiset voivat saada L1-kurssin neuvontavastaanotoilta, mikäli oman ryhmän assistentin viikkotapaaminen ei riitä.

Kurssia varten varataan kaksi tuntiassistenttia.  Heidän toimenkuvansa on seuraava:

• Viikottaiset tapaamiset kahden ryhmän kanssa, a 1 tuntia. 10 viikon ajan.  (20 h)
• (Lauri Malmi hoitaa yhden ryhmän)
• Ohjelmointiharjoitusten tarkastaminen (12 hlo, 4 harjoitusta a 30 min. 24 h)
• Esseetehtävien tarkastaminen (12hlo, 4 esseetä a 15 min. 12 h)
• Projektien ohjaus ja tarkastaminen (12 h)