MALLINNUKSEN OPETUKSEN KEHITTÄMINEN / PROJEKTIKUVAUS 1(5) TR, TK 1. JOHDANTO Mallinnus on tärkeä osa nykyaikaista ohjelmistotuotantoa. Sitä käytetään esimerkiksi ohjelmiston vaatimusten määrittelyyn, ohjelmistoarkkitehtuureiden suunnitteluun sekä järjestelmän käyttäytymisen ja prosessien kuvaamiseen. Tulevaisuudessa mallien rooli osana teollisuuden ohjelmistotuotantoprosesseja tulee olemaan entistä tärkeämpi ja voimakkaampi niin kutsutun malliperustaisen ohjelmistotuotannon (model-driven engineering, MDE), jossa malleja käsitellään dokumentoinnin apuvälineen sijasta ensisijaisina suunnittelun ja toteutuksen kohteina, esiinmarssin myötä. Toisaalta ohjelmistojen mallinnukseen liittyvät muun muassa abstrahoinnin ja abstraktiotasojen käsitteet sekä erilaisten näkökulmien yhtäaikainen käyttö. Näiden asioiden sisäistäminen ja mallinnusteknologioiden käyttäminen voi olla hyvin hankalaa tietojenkäsittelytiedettä aloitteleville opiskelijoille, johtuen mallinnuksen luontaisesta abstraktiudesta ja abstrahoinnin vaikeudesta sekä opetuskäyttöön tarkoitettujen mallinnusteknologioiden puutteesta. Helsingin yliopiston tietojenkäsittelytieteen laitoksella mallinnusta opetetaan kurssilla nimeltä Ohjelmistojen mallintaminen (entinen Ohjelmistotekniikan menetelmät -kurssi). Kurssi on tietojenkäsittelytieteen pääaineopiskelijoiden ja sivuaineopiskelijoiden perusopintoihin sisältyvä pakollinen opintojakso, laajuudeltaan 4 opintopistettä. Kurssilla opitaan tarkastelemaan ohjelmistoa eri näkökulmista, ymmärtämään erilaisten mallien rooli ohjelmistojen määrittelyssä ja kuvaamisessa sekä joitakin keskeisiä mallirakenteita ja näihin perustuvia kuvaustekniikoita. Tämän mallinnuskurssin oppeja tarvitaan myöhemmin monilla eri kursseilla, kuten esimerkiksi Ohjelmistotuotanto, Ohjelmistoarkkitehtuurit tai Palveluperustainen ohjelmistotuotanto. Koska kyky tehokkaaseen, johdonmukaiseen ja tarkoituksenmukaiseen ohjelmistojen mallinnukseen on olennainen osa tietojenkäsittelytieteen opiskelijan ja tulevaisuuden asiantuntijan osaamista, tulisi ohjelmistojen mallinnuksen opetukseen luoda instrumentit, joiden avulla opiskelijat voivat omatoimisesti ja syväsuuntautuneesti kehittää omia mallinnuskykyjään. Tällä hetkellä kurssin laskuharjoitukset ovat vapaaehtoisia ja ne tehdään paperilla, käyttäen perinteisiä laskuharjoitusryhmiä. Tämän hankkeen tarkoituksena onkin toteuttaa palautetta antava, itseoppimista tukeva ja ohjaava teknologinen alusta sekä uudistaa mallinnuskurssin opetustapoja tällaista teknologiaa hyödyntäväksi. Lisäksi hankkeen aikana valmistellaan seurantatutkimusta mallinnuksen opetuksesta ja opetusteknologian vaikutuksesta oppimistuloksiin. Seurantatutkimusta on tarkoitus jatkaa vuosittain myös hankkeen loppumisen jälkeen. 2. TAVOITTEET Ehdotetun hankkeen ensisijaisena tavoitteena on tutkia ja kehittää mallinnuksen opetukseen liittyvää teknologiaa sekä sellaisen käyttöön nojaavia opetusmenetelmiä. Hankkeella on myös laaja-alaisempia tavoitteita, joita voidaan tarkastella pedagogisesta, teknologisesta sekä yhteiskunnallisen vuorovaikuttamisen (YVV) näkökulmista. Nämä näkökulmat ovat voimakkaasti vuorovaikutuksissa keskenään ja vaikuttavat toistensa sisältöön projektin kuluessa. Näitä näkökulmia on selitetty alla. Mitä ja miten opetetaan? Pedagogisesta näkökulmasta tarkasteltuna hankkeessa selvitetään, miten ohjelmistojen mallinnusta tulisi opettaa, mitkä ovat sen haasteet, mitkä ovat ne mallinnuksen peruskäsitteet, jotka tulisi kyseisenlaisella kurssilla opettaa ja millaisia ovat tällaiselle kurssille soveltuvat opetusmenetelmät ja opetusjärjestelyt. Hankkeen alkuvaiheessa määritellään ohjelmistojen mallintamisen opintojaksolle tai jaksoille oppimistavoitteet, jotka perustuvat ohjelmistotuotannon keskeisten nykyisten ja parhaillaan vakiintuvien uusien käsitteiden ymmärtämiseen sekä käytännön toimintatapojen harjoitteluun. Hankkeen aikana järjestettävillä kursseilla opetus Tietojenkäsittelytieteen laitos Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Institutionen för datavetenskap Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten Department of Computer Science Faculty of Science PL 68 (Gustaf Hällströmin katu 2b), 00014 Helsingin yliopisto Puhelin (09) 1911, faksi (09) 1915 1120, www.cs.helsinki.fi PB 68 (Gustaf Hällströms gata 2b), FIN-00014 Helsingfors universitet Telefon +358 9 1911, fax +358 9 1915 1120, www.cs.helsinki.fi/sv P.O. Box 68 (Gustaf Hällströmin katu 2b), FIN-00014 University of Helsinki Telephone +358 9 19111, fax +358 9 1915 1120, www.cs.helsinki.fi/en
2(5) toteutetaan linjakkaan opetuksen periaatteiden mukaisesti niin, että opetuksen suunnittelu, toteutus ja arviointi muodostavat johdonmukaisen kokonaisuuden suhteessa sille asetettuihin tavoitteisiin. Mikäli mahdollista, toteutetaan useita opintojaksoja tai niiden osia, joiden aikana opiskelijoiden oppimista seurataan monin eri tavoin. Aineistoa kerätään yksilö- ja ryhmätehtävistä, oppimateriaalien hyödyntämisestä ja laadusta sekä opetusjärjestelyistä. Erityistä huomiota kiinnitetään opetusteknologian hyödyntämiseen ja hankkeen aikana tuotettavien itseopiskelumateriaalien käytettävyyteen oppimisen tukena. Palautteen ja kertyvän aineiston sekä käytännön kokemuksen myötä sisältöjä, menetelmiä ja asetettuja oppimistavoitteita kehitetään edelleen. Tutkimuksen metodologia on tapaustutkimuksellinen eli siinä keskitytään monesta eri lähteestä kootun aineiston (triangulaatio) analysointiin ja hyödyntämiseen opetuksen kehittämisessä. Opetuksen ja oppimisen tavoitteiden, sisältöjen ja oppimistulosten arviointiin sitoutuvana tutkimusotteena asetelmaa voi kutsua ns. designeksperimentiksi, joka yhdistää sekä kvalitatiivisen ja kvantitatiivisen tutkimusperinteen elementtejä. Millä opetetaan? Teknologisesta näkökulmasta katsottuna hanke tutkii sitä, minkälaisia työvälineitä mallinnuksen opettamiseen on saatavilla ja miten niitä voitaisiin hyödyntää laitoksen opetuksessa. Uuden opetusteknologian kehittäminen tämän taustatutkimuksen pohjalta ja laitoksella suoritettavaan tutkimukseen (CINCO tutkimusryhmän työ mallivarastoista sekä Harri Laineen oma tutkimustyö mallien vertailemisesta ja tarkistamisesta) perustuen on eräs hankkeen päätehtävistä. Miksi opetetaan? Hanke-ehdotuksella on tavoitteita myös yhteiskunnallisen vuorovaikuttamisen saralla. Tällä alueella kiinnostaviksi teemoiksi nousevat teollisuuden näkemykset mallintamisen roolista sekä nykyaikaisessa että tulevaisuuden ohjelmistotuotannossa. Erityisesti laitoksella toimivat kansalliset ja kansainväliset yhteistyöhankkeet sähköisen palvelutalouden alueella (esimerkiksi ICT-Shok yhteistyö ja CINCO-ryhmän tutkimusprojektit) luovat hedelmällisen rajapinnan tietoisuuden lisäämiseksi tällaisista asioista yhteiskunnallisten ja teollisten vaikuttajien suuntaan. Työmuotoina käytetään esimerkiksi kyselyitä nykyisistä valmiuksista tai workshop-tyylisiä tapahtumia uusien trendien tunnettavuuden lisäämiseksi. Edellä mainittuja työmuotoja järjestetään yhdessä muiden hankkeiden kanssa. 3. TULOKSET Opetusteknologia: itseopiskeluympäristön prototyyppi. Opetusmateriaali: Ohjelmistojen mallinnus -kurssin opetusainesanalyysi ja päivitetty opetussuunnitelma, ottaen huomioon itseopiskeluteknologian käytön opiskelun tukena sekä YVV-näkökulman mahdolliset lisävaatimukset. Julkaisut: opinnäytetyöt opetusteknologian käyttämisestä ohjelmistojen mallinnuksen opetuksessa; 1-2 julkaisua (workshop tai konferenssi) projektin tuloksista; raportti projektin lopputuloksesta.
3(5) 4. RESURSSIT Projektin vastuulliset tutkijat: Taina Kaivola, yliopistonlehtori, Helsingin yliopisto Lea Kutvonen, professori (mvs.), dosentti, Tietojenkäsittelytieteen laitos, Helsingin yliopisto Jaakko Kurhila, yliopistonlehtori, Tietojenkäsittelytieteen laitos, Helsingin yliopisto Harri Laine, lehtori, Tietojenkäsittelytieteen laitos, Helsingin yliopisto Toni Ruokolainen, assistentti, Tietojenkäsittelytieteen laitos, Helsingin yliopisto Palkattu henkilöstö: 2 palkattua työntekijää (kaksi opinnäytetyötä vuosien 2009-2010 aikana + mahdollisesti 1 projektityöntekijä (jos opinnäytteen tekijä jatkaa projektityöntekijänä)) Perusteet laitoksen rahoituksella: Opetusteknologian kehittäminen, joka ei sisälly muiden hankkeiden tai projektien ydinsisältöön. Opetuksen kehittäminen ( Ohjelmistojen mallinnus -kurssin kehittäminen saatujen tulosten pohjalta). Yhteiskunnallisen vuorovaikuttamisen kannalta hankkeen tulokset luovat parempia valmiuksia vastaanottaa tutkimustuloksia erityisesti mallinnukseen läheisesti liittyvistä teemoista. Jatko- ja lisärahoitussuunnitelma: Hankkeessa toteutettavat tutkimusaktiviteetit ovat voimakkaasti yliopiston laitoksen vastuualueella. Vastaavanlaista pedagogisen taidon lisäämiseen tähtäävää tutkimusta ei voida ulkoistaa esimerkiksi TEKES tai Akatemia-projekteihin, vaikkakin tällaisissa ulkoisissa hankkeissa voidaan suorittaa tätä tutkimusta tukevia toimenpiteitä. Projektin kesto: 1/2009 12 / 2010. Perusteena projektin 2-vuotisuudelle ovat käytettävä tutkimusmetodiikka (kokeellinen pedagoginen tutkimus), seurantatutkimuksen pohjustaminen ja tutkimukseen liittyvät opinnäytetyöt. 5. PROJEKTIN ORGANISAATIO JA JOHTAMINEN Projektikoordinaattorina toimii assistentti Toni Ruokolainen. Projektin ohjausryhmässä toimivat professori Lea Kutvonen ja yliopistonlehtori Jaakko Kurhila. Projekti voidaan jakaa teemallisesti kahteen rinnakkaisesti osioon: 1) Opetusteknologian kehittäminen (teknologinen näkökulma), jonka tutkimusta johtaa lehtori Harri Laine, sekä 2) Opetusteknologian rooli mallinnuksen opetuksessa (pedagoginen näkökulma), jonka tutkimusta johtaa yliopistonlehtori Taina Kaivola. Opinnäytetöiden ohjaajina toimivat projektin vastuulliset tutkijat. 6. PROJEKTIN SEURANTA JA RAPORTOINTI Projekti raportoi laitoksen johtajalle ja johtoryhmälle kirjallisesti puolivuosittain sekä toimittaa laitoksen B-sarjaan raportin hankkeen lopputuloksista. Tämän lisäksi projekti tulee esittelemään lopputuloksia laitoksen kuukausiiltapäivässä ja kansallisessa workshop-tapahtumassa. Lisäksi julkaisuja (1-2 kpl) tullaan esittelemään soveltuvissa tapahtumissa (kv. workshop opetusteknologian tai yliopistopedagogiikan alalla; esimerkiksi MoDELS-konferenssin yhteydessä järjestettävässä Educators Symposium -workshop-sarjassa)).
4(5) 7. DISSEMINOINTI Kansallinen workshop YVV-näkökulman pohjustamiseksi yhdessä muiden hankkeiden kanssa (CINCO) Opinnäytetyöt (2) 1-2 tieteellistä julkaisua Esitys lopputuloksista laitoksen kk-iltapäivässä Loppuraportti laitoksen B-sarjaan Kansallinen workshop, jossa esitellään hankkeen tuloksia. Yhdessä muiden hankkeiden kanssa. 8. PROJEKTIN TYÖSUUNNITELMA Hankkeen aikana suoritetaan a) mallinnuksen opetuksen kehittämiseen vaadittaa taustatutkimusta, b) 2-vuotinen kokeellinen tutkimus mallinnuksen pedagogiasta, sekä c) toteutetaan mallinnuksen opetukseen soveltuvan itseoppimisympäristön komponentteja. Taustatutkimuksessa selvitetään opetusteknologian, erityisesti niin kutsuttujen itseoppimisympäristöjen ja sähköisten tuutoreiden (engl. Intelligent tutoring system, ITS) nykytila ja niiden käyttökelpoisuus mallinnuksen opetuksessa (katso esimerkiksi [1]). Taustatutkimus tehdään pääosin opinnäytetöiden yhteydessä, jota varten hankerahoituksella palkataan kaksi opinnäytetyön (pro gradu) tekijää (aloina tietojenkäsittelytiede, opetusteknologia, käyttöliittymät ja pedagogiikka). Opinnäytetyön tekijät suorittavat projektin taustatutkimuksen opetusteknologian ja mallinnuksen opetukseen soveltuvan pedagogiikan alueelta. Tämä sisältää erityisesti stateof-the-art analyysin itseoppimisympäristöistä mallinnuksen kontekstissa (sähköiset tuutorit, mallien tarkastajat ja vertailijat, erilaiset lähestymistavat) sekä mallinnuksen didaktiikasta (kansallinen ja kansainvälinen nykytila, miten opetetaan (ongelmalähtöisesti, menetelmälähtöisesti, case-vetoisesti,...)). Opinnäytetöistä toinen on teknologiapainotteinen, kun taas toinen keskittyy enemmän pedagogiseen puoleen. Teknologiseen näkökulmaan painottunut opinnäytetyön tekijä toimii läheisessä yhteistyössä sekä Harri Laineen että Toni Ruokolaisen kanssa. Pedagogiikkaan painottunut opinnäytetyön tekijä toteuttaa pedagogisen tutkimuksen alustamisen, eksperimenttien suunnittelemisen, toteutuksen ja tulosten analysoinnin yhdessä Taina Kaivolan kanssa. Opinnäytetyöprosesseja ja niiden tuloksia käytetään osana opetusteknologian vaatimusanalyysiä sekä suunnitelmana ohjelmiston pedagogisten moduuleiden osalta. Pedagogisesti painottuneen opinnäytetyön yhteydessä suunnitellaan ja toteutetaan mallinnuksen pedagogiikkaan liittyvä kokeellinen tutkimus, jonka tarkoituksena on selvittää mallinnuksen opetuksen problematiikkaa (Mikä on opiskelijoiden lähtötaso ja sisäistämiskyky esimerkiksi abstrahoinnin käsitteen suhteen? Miten mallinnusta tulisi opettaa? Onko opiskelijoiden oppiminen tämän kurssin asioiden suhteen pinta- vai syväsuuntautunutta?), tarkoituksenmukaisuutta (Mitä opiskelijat todella oppivat kurssilla? Mitä tulisi opettaa enemmän / vähemmän?) sekä opetusteknologian vaikutukset oppimiseen. Pedagoginen tutkimus suoritetaan käyttäen soveltuvia metodeja (esimerkiksi alku- ja lopputasotestejä, opintosuoritusten seurantaa, kyselyitä ja haastatteluja) Ohjelmistojen mallinnus -kurssin yhteydessä vuosina 2009 ja 2010. Syksyllä 2009 luennoitavasta kurssista (ja mahdollisesti sitä edeltävien kurssien opintosuoritustiedoista) kerätään tietoja nykyisen kaltaisen opetuksen tuloksista. Vuoden 2010 Ohjelmistojen mallinnus -kurssin oppiainesta, oppimateriaalia ja opetusmetodeja tullaan analysoimaan sekä muuttamaan sitä edeltävän pedagogisen tutkimuksen pohjalta opetusteknologiaa enemmän hyödyntäväksi. Syksyn 2010 kurssissa on siis tarkoitus käyttää hankkeen yhteydessä kehitettyä opetusteknologiaa, jolloin saadaan tietoa opetusteknologian vaikutuksesta mallinnuksen opetuksessa. Pedagoginen seurantatutkimus tehdään opinnäytetyöhön liittyvän tutkimuksen pohjalta vuodesta 2010 alkaen.
5(5) Teknologisesti painottuneessa opinnäytetyössä tehdään edellä mainitun kaltaiseen taustatutkimukseen perustuen vaatimusanalyysi itseopiskeluympäristön palveluista sekä muodostetaan alustava suunnitelma kyseisen järjestelmän toteuttamiseksi käyttäen Eclipse työkaluympäristöä, CINCO tutkimusryhmässä toteutettuja mallivarastoja sekä web-palveluteknologiaa (Web Services). Ohjelmiston vaatimusanalyysi ja suunnittelu tehdään (vuonna 2009 valmistuvan) opinnäytetyön aikana, jonka jälkeen opinnäytetyön tekijä voi (mahdollisesti) jatkaa projektityöntekijänä ohjelmiston toteuttamiseksi. 9. LÄHTEET [1] Nilufar Baghaei, Antonija Mitrovic ja Warwich Irwin: Supporting collaborative learning and problem-solving in a constraint-based CSCL environment for UML class diagrams. Computer-Supported Collaborative Learning, 2:159 190, Springer, 2007.