Programming in Introductory Physics: an Online Learning Platform to Support Teachers

Abstract

Den norske regjeringen har bestemt at fra 2021 vil programmering være lagt til fysikk planen ved norske videregående skoler (USS). Lærere har vært i stand til å delta på ProFag (https://www.mn.uio.no/kurt/livslang-lering/profag) og andre tiltak for å lære å bruke programmering i sine respektive kurs. Dermed kan utvikling av verktøy for å hjelpe i denne overgangen være avgjørende for å lykkes i avanserte kurs som fysikk.

Imidlertid mangler der verktøy spesielt for å introdusere programmering i helt grunnleggende fysikk kurs. I tillegg har de tilgjengelige verktøyene som introduserer programmering generelt, mangler i funksjonalitet for å lage tilpassede oppgaver.

For å hjelpe til med å løse disse problemene ble det gjennomført en Design Science Research (DSR) prosess. Ved å designe et verktøy, en online læringsplattform (OLP), som kunne introdusere programmering i et introduksjonskurs i fysikk, var det mulig å identifisere hvilke elementer som var viktige i et slikt verktøy. Det ble også designet designet inn en funksjon for å la brukeren lage egne programmeringsoppgaver. Dette gjorde det mulig å finne ut hvordan et brukergrensesnitt (UI) kan tilpasses fysikklærere. For å få et godt svar på begge disse problemene, ble designet, elaborert og evaluert på tre forskjellige målgrupper: universitetsstudenter (pilot), eksperter som jobber med dette feltet (expert), og fysikklærere uten noe tidligere kompetanse på dette feltet (main).

Totalt 18 elementer ble funnet å være avgjørende i utformingen av et verktøy som prøver å introdusere programmering i et grunnleggende fysikk kurs. Det ble også avdekket at ved å opprettet et brukergrensesnitt for å lage programmeringsoppgaver som passer til slik grunnleggende fysikk, var det viktig å ha muligheten til å skjule distraherende kode og for å kunne teste oppgaven i et realistisk miljø mens man former oppgaven. I tillegg var det viktig at man laget brukergrensesnittet slik at utformingen av oppgaver tilsvarer måten oppgave-skaperne vanligvis lager oppgaver. For gruppen av fysikklærere var det mest interessant å bruke forhåndsoppgaver enn å lage dem selv. Imidlertid var de interessert i å endre eksisterende oppgaver.

Bortsett fra det som ble funnet ut i fra evalueringen, har OLPen som ble utviklet her også som mål å inspirere til forskningsarbeid og utvikling av verktøy som eksplisitt er laget for å introdusere programmering i spesifikke emner. OLP-artefakten som ble designet og utviklet i løpet av arbeid med denne oppgaven er tilgjengelig som en online demo (https://master-thesis-artifact.now.sh/) og som kildekode (https://github.com/niklasmh/master-thesis-artifact)

The Norwegian government has decided that as of 2021, programming will be added to the physics curriculum at Norwegian upper secondary schools (USS). Teachers have been able to attend ProFag (https://www.mn.uio.no/kurt/livslang-lering/profag) and other initiatives to learn how to implement programming in their respective courses. Thus, developing tools to aid in this transition could be essential for success in advanced courses like physics.

However, there is a lack of tools specifically made for introducing programming in introductory physics courses. Also, the available tools for introducing programming generally lack the functionality of creating custom tasks.

To attempt to help solve these problems, a design science research (DSR) process was conducted. By designing a tool, an online learning platform (OLP), that could introduce programming in an introductory physics course, it was possible to identify which elements that were important in such a tool. The OLP was also designed to allow the user to create programming tasks. This made it possible to find out how a user interface (UI) could be designed to benefit the physics teachers. In order to get a justified answer on both of these problems, the OLP was further designed and evaluated on three different audiences: university students (pilot), experts working with this field (expert), and physics teachers with no prior expertise in this field (main).

A total of 18 elements were found to be crucial in the design of a tool that attempts to introduce programming in an introductory physics course. It was also found that when creating a UI for creating programming tasks suited for introductory physics, it was important to have the option to hide any distracting code and to be able to test the task in a realistic environment while creating. Additionally, making the UI support the way task creators usually create tasks was also important. It was also found that physics teachers are more interested in using premade tasks than creating them themselves. However, they were interested in modifying existing tasks.

Besides what was found during the evaluation, the OLP that was made also aims to inspire work on research and development of tools explicitly made for introducing programming in specific topics. The OLP artifact designed and developed during the work with this thesis is available as an online demo (https://master-thesis-artifact.now.sh) and source code (https://github.com/niklasmh/master-thesis-artifact).