1 of 64

Vakdidactiek Informatica

Het Analyseren van de effectiviteit van lesactiviteiten met behulp van de Semantic Wave!

The Semantic Wave

Jasper Dukers

*Delen van dit college zijn gebaseerd op Maton, K. (2013)

1

2 of 64

Programma & Leerdoelen

2

3 of 64

Hoe bouw je expertise op in een onderwerp?
Wat is de Semantic Wave?
Crazy Characters
Golven binnen golven
Box Variabelen
Wat zijn slechte leerervaringen?
Copy Code
Twee routes riching expertise
Hoe kom je tot betere lessen

3

Programma

4 of 64

Na dit college...

Kan ik uitleggen wat de semantic wave theorie is en wat de rol van semantic gravity en semantic density hierin is.
Kan ik een semantic wave schetsen van een les, activiteit of uitleg.
Kan ik met de inzichten van de semantic wave verbeteringen maken in mijn lessen en lesactiviteiten.
Kan ik voorbeelden geven van semantic waves die tot slechte leerervaringen leiden.
Kan ik via de twee verschillende routes (Semantic Density & Semantic Gravity) leeractiviteiten ontwikkelen die tot expertise leiden .

4

Leerdoelen

5 of 64

Hoe word je expert in iets?

5

6 of 64

Expertise van een onderwerp (kennis en vaardigheden)

Om concepten of een onderwerp zoals bijvoorbeeld programmeren te doorgronden, moet er zowel:

Beheersing zijn van de technische taal, en

Grondig begrip van abstracte concepten.

6

7 of 64

Expertise van een onderwerp (kennis en vaardigheden)

Abstracte, technische concepten en taal aan...

Een term als "de while-lus..." heeft precieze, diepgewortelde technische details en betekenis voor een ervaren programmeur.

Het geheim van goed onderwijs zit in het verbinden van:

Concrete alledaagse concepten en taal.

7

8 of 64

Wat is de Semantic Wave?

8

9 of 64

Semantic Waves

Is een educatieve theorie ontwikkeld door Maton (2013) (legitimationcodetheory.com).
Is een simpele maar krachtige theorie over hoe concepten te doceren.
Is succesvol toegepast binnen vele disciplines en recentelijk binnen informatica onderwijs (Curzon et al, 2018, Curzon, 2019, Waite et al, 2019, Curzon and Grover).

Maton, K. (2013). Making semantic waves: A key to cumulative knowledge-building. Linguistics and Education, 24(1), 8–22. https://doi.org/10.1016/j.linged.2012.11.005

9

10 of 64

Een goede leerervaring volgt een golf patroon

10

Abstracte concepten

Moeilijk om te begrijpen

Makkelijk om te begrijpen

Verstrekkende tijd

Voorbeelden

Diagramen

Metaforen

Het is als ...

Dingen die de leerling al goed weet of makkelijk begrijpt

(Wat we proberen uit te leggen)

UNPACKING

Uitleggen in termen van concrete dingen

REPACKING�link terug naar de abstracte ideeën

Concrete dingen

Alledaagse taal

Technische taal

11 of 64

Wat kunnen semantic waves doen?

Het is een manier om ...

na te denken over wat een goede uitleg/leerervaring is, zowel geschreven, multimedia of gesproken.
na te denken over waarom een metafoor of unplugged lesactiviteit werkt (en waarom soms juist niet)
lesplannen, leeractiviteiten of andere resources te evalueren.

11

12 of 64

De semantic wave van de

Crazy Character activiteit

12

13 of 64

Crazy Character activiteit

M. Berry, J.Woolard, J. Chippendahal, Z. Ross, and J.Waite. 2019. Barefoot Computing. (2019). Retrieved June 12, 2019 from https://www.barefootcomputing.org/

Een van de eerst ontwikkelde unplugged activities voor informatica.

Gericht op leerlingen van 5 tot 8 jaar.

Leerlingen volgen mondelinge instructie om zo een gek verzonnen karakter te tekenen. (Zie figuur).

De instructies zijn expres niet heel specifiek waarna leerlingen het algoritme moeten verbeteren.

Na een klassikale activiteit, gaan de leerlingen aan de slag om hun eigen algoritme te maken.

13

14 of 64

Semantic wave van unplugged activity Crazy Characters

Jane Waite, Karl Maton, Paul Curzon, and Lucinda Tuttiett. 2019. Unplugged Computing and Semantic Waves: Analysing Crazy Characters. In Proceedings of the 1st UK & Ireland Computing Education Research Conference (Canterbury, United Kingdom) (UKICER). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, Article 4, 7 pages. https://doi.org/10.1145/3351287.3351291

14

“The semantic profile for Crazy Characters The semantic profile for the introduction part of the Crazy Characters lesson plan is shown in Figure 4. It is broadly a U shape but with staged return coming out of the U. We go through each of the steps of the lesson plan one by one to explain the wave.

Signalling. Initially the teacher explains to students that a special new word is going to be used. Learners are signalled that something important is coming, that a concept high up the semantic profile is on the way. Learners are NOT provided with a definition at this stage. Instead, curiosity and expectancy are kept high, so they can form their own understanding of the term later through practical experience. There is no practical concrete activity going on here so semantic gravity is weaker.

Concept Introduction. The term ‘algorithm’ is introduced as the teacher starts to use the word; the teacher is instructed in the lesson plan that they should NOT explain what the word means at this point. There is no practical activity here (weaker semantic gravity) but it is clear that the term is a complex and technical one (stronger semantic density).

Connecting. In the plan, the teacher is instructed to say they are going to use the algorithm now. This clear connection of the concept to the activity is very important. The connection enables learners to add the knowledge they gain during the practical activity to their emerging understanding of the meaning of the concept. As shown in Figure 4, the semantic profile line drops, like a bungee rope, as we connect the theory to the practical activity (strengthening the semantic gravity as the context is introduced). If there was no connection, the line on the profile would break.

Concrete activity. Next, the teacher is asked to read out the steps to enable the learners to draw the crazy character. The wave is low on the profile: it is a concrete activity (stronger semantic gravity) and likely to be expressed through relatively simple meanings (weaker semantic density) ... unless learners start to use the term ‘algorithm’, in which case there would be little spikes in semantic density

Counter expectancy. The teacher is instructed to be very vague with the instructions given to learners. The aim is that when she asks the pupils to share their drawings, the image will be very different and she can say that she did not expect this to be the case and ask why. This is called counter expectancy. This means that the context in which the learners are developing their understanding is challenged and alternative options are raised. This increases the meaning of the concept. On the semantic profile, this is shown as a staged step up (widening the context weakens semantic gravity; adding meaning strengthens semantic density).

Staged return. Next, the teacher is required to ask the learners how they could improve the algorithm. Learners start to think about making the algorithm more precise but this is still in a relatively specific context. On the graph, this shows as another staged step upwards (adding meaning strengthens semantic density).

Packing. Finally, the plan instructs the teacher to ask a generic question of ‘What was the algorithm?’ This is a more general view of the activity requiring the learner to ‘pack’ their accumulated understanding from the practical activity. This is moving up the profile, further away from a specific context and adding more meanings (reducing context-dependence weakens semantic gravity).

The rest of the lesson. We have only profiled the first activity of the full lesson here. Broadly, the rest of the lesson follows a similar set of patterns. However, the highly prescriptive nature of the introduction is loosened as the learners create their own crazy character algorithms. Included in this is the introduction of a further concept, that of debugging, as they ask their friends to implement their algorithms as drawings and then together they debug the algorithm in order to produce the same imagined character.”

15 of 64

Activiteit 1

Schets de golf van dit college tot nu toe

15

16 of 64

Schets de golfvorm van dit college tot nu toe.

16

Abstracte concepten

Moeilijk om te begrijpen

Makkelijk om te begrijpen

Verstrekkende tijd

Dingen die de leerling al goed weet of makkelijk begrijpt

(Wat we proberen uit te leggen)

Technische taal

1

3

2

4

6

5

7

8

17 of 64

Activiteit 1: Schets de golfvorm van de introductie van dit college tot nu toe.

Stappen van college tot nu toe:

Introductie lesdoelen
Uitwerken van meesterschap in verschillende componenten
Introduceer de term semantic wave - een theorie van Maton
Geef een overzicht van enkele praktische toepassingen die een docent ermee kan doen
Uitleggen van semantic wave in termen van een diagram
Introduceer crazy characters activiteit
Bespreek lesplan en geef aan dat er een golf gevolgd is
Geef uitleg over activiteit 1

17

18 of 64

Schets de golfvorm van dit college tot nu toe.

18

Abstracte concepten

Moeilijk om te begrijpen

Makkelijk om te begrijpen

Verstrekkende tijd

Dingen die de leerling al goed weet of makkelijk begrijpt

(Wat we proberen uit te leggen)

Technische taal

Introductie term semantic wave

Overzicht praktische toepassingen

Opbreken in componenten

Doorlopen van het golf diagram

Crazy characters

Uitleggen van de golf (ik)

Tekenen van de golf (JIJ)

Concrete dingen

Alledaagse taal

19 of 64

Golven binnen golven

19

20 of 64

Goede uitleg van complexe concepten hebben golven binnen golven

K. Maton, S. Hood, and S. Shay. 2016. Knowledge-building : educational studies in legitimation code theory . Routledge, New York.

Semantische golven maken het mogelijk om kennis op te bouwen, terwijl flatlines een belemmering vormen voor kennisopbouw(Maton et al., 2016).

Semantische golven maken kennisopbouw mogelijk door opeenvolgende verbonden golven.

Unpacking & repacking juist ook door leerlingen laten doen

20

21 of 64

Goede uitleg van complexe concepten hebben golven binnen golfen

21

Abstracte concepten

Moeilijk om te begrijpen

Makkelijk om te begrijpen

Verstrekkende tijd

Dingen die de leerling al goed weet of makkelijk begrijpt

(Wat we proberen uit te leggen)

Technische taal

Concrete dingen

Alledaagse taal

Unpacking

Repacking

22 of 64

Activiteit 2

De Box Variabelen

22

23 of 64

Misconceptions bij Container Analogie

Mordechai Ben-Ari. 1998. Constructivism in computer science education. In Proceedings of the twenty-ninth SIGCSE technical symposium on Computer science education (SIGCSE '98). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 257–261. DOI:https://doi.org/10.1145/273133.274308

Variabelen uitleggen mbv Container analogie
Een variabele is gelijk aan een doos
Deze doos heeft een naam en je kan er iets in stoppen
Analogie gaat mis bij het verplaatsen van waarden
Of leerlingen denken dat er meerdere waardes in een variabele kunnen zitten.

23

24 of 64

Activiteit 2: Variabelen

Bekijk de Box Variabelen activiteit of de kennisclip over variabelen

Schets hierbij de semantic wave.
Geef aan waar unpacking of repacking plaatsvindt en beschrijf hoe dit dan bereikt wordt.
Hoe gaat deze activiteit om tegen voorgaande misconceptie?

24

25 of 64

Teaching London Computing. (n.d.). Box Variables Video. Retrieved March 19, 2021, from https://www.youtube.com/watch?v=PXyrHRRcDVY

25

26 of 64

Golf van Box Variable activiteit

26

Abstracte concepten

Moeilijk om te begrijpen

Makkelijk om te begrijpen

Verstrekkende tijd

Dingen die de leerling al goed weet of makkelijk begrijpt

(Wat we proberen uit te leggen)

Technische taal

Concrete dingen

Alledaagse taal

Docent vat de stof samen

Leerdoelen

Box

Shredder

Copier

Introductie

rollenspel

Voorbeeld

code

Uitleggen wat de uitvoer van de code is

Beter als leerling repacking doet

27 of 64

Hoe ziet het profiel eruit van een slechte leerervaring?

27

28 of 64

1) High flatlining

Uitleg uitsluitend in technische taal en gaat over abstracte onderwerpen.

Experts onder elkaar doen dit. Ze pakken de betekenissen helemaal niet uit, omdat ze kunnen aannemen dat de ander de taal en concepten beheerst. Alle experts weten precies wat het allemaal betekent. Veel wikipedia-artikelen en stackoverflow-berichten hebben deze vorm.

Er is weinig unpacking or repacking van kennis.

28

29 of 64

1) High flatlining - Semantic wave

29

Abstracte concepten

Moeilijk om te begrijpen

Makkelijk om te begrijpen

Dingen die de leerling al goed weet of makkelijk begrijpt

(De taal van experts)

Technische taal

Concrete voorbeelden

Alledaagse taal

30 of 64

1) High flatlining - Voorbeeld

“The while construct consists of a block of code and a condition/expression. The condition/expression is evaluated, and if the condition/expression is true, the code within the block is executed. This repeats until the condition/ expression becomes false.” - Wikipedia.

Gaat dit over gebouwen, sporten, spionnen of leugendetectors?
Als je nog niet wist wat een while constructie was, dan weet je nu pas wat het is als je alles in paars al snapte.

30

31 of 64

2) Low flatlining

De leerervaring omvat alleen concrete, eenvoudigere kennis, vaak uitgedrukt in alledaagse taal, zonder expliciete links naar de abstracte, technische kennis van de leerresultaten.

Er is weinig unpacking of repacking van kennis.

31

32 of 64

2) Low flatlining - Semantic wave

32

Abstracte concepten

Moeilijk om te begrijpen

Makkelijk om te begrijpen

Dingen die de leerling al goed weet of makkelijk begrijpt

(De taal van experts)

Technische taal

Concrete voorbeelden

Alledaagse taal

Geen link naar technische taal of concepten

33 of 64

2) Low flatlining - Voorbeeld

“Een recept heeft altijd dezelfde vorm. We beginnen met de naam van het gerecht dat we gaan maken (Gebakken EI). Daarna komen de ingrediënten. Boter en EI en je hebt ook een pan nodig. Hierna volgen alle stappen die je moet uitvoeren om tot een gebakken ei te komen (Bijvoorbeeld: “zet de pan op het fornuis”.

Leren we nu iets over informatica of over koken?
Op deze manier leren we niets van de recepten-analogy (Een analogy die goed werkt mits goed gebruikt)

33

34 of 64

3) Down escalators

Abstracte, technische concepten worden uitgepakt in meer concrete en eenvoudigere kennis, maar worden na de activiteit niet opnieuw gekoppeld.

Er is geen repacking. Uitleg van startende leerlingen informatica hebben vaak dit profiel.

34

35 of 64

3) Down escalators - Semantic wave

35

Abstracte concepten

Moeilijk om te begrijpen

Makkelijk om te begrijpen

Dingen die de leerling al goed weet of makkelijk begrijpt

(Wat we willen uitleggen)

Technische taal

Concrete voorbeelden

Alledaagse taal

Introductie 1^ste concept

Introductie 2^d^e concept

Introductie 3^de concept

36 of 64

PAUZE

Photo by Wilhelm Gunkel on Unsplash

36

37 of 64

Flatlining & down escalators

Een voorbeeld

37

38 of 64

Hoe je programmeren vooral niet moet doceren

We gaan leren programmeren. Tik de volgende code over en voer het uit. Wat doet het?
“Copy code” wordt gezien als een minder effectieve manier om programmeren te doceren
Hoe zou de semantische golf van zo`n activiteit eruit zien?

38

39 of 64

De uitvoer van het programma

cs4fn Curves From Rectangles: inspired by Riley’s images

39

40 of 64

3) Down escalators - Semantic wave

40

Abstracte concepten

Moeilijk om te begrijpen

Makkelijk om te begrijpen

Dingen die de leerling al goed weet of makkelijk begrijpt

(Wat we willen uitleggen)

Technische taal

Alledaagse taal

Instructies van activiteit

Concreet maar technisch voorbeeld in technische taal

Zie het effect van het voorbeeld in de echte wereld (De foto)

41 of 64

Activiteit 3

Bedenk een aantal verbetervoorstellen

41

42 of 64

Geef een aantal suggesties / activiteiten ter verbetering van de leerrendement

Denk na over:

Hoe de flatlining te vermijden
Hoe unpacking en repacking ingezet kan worden
Het vermijden van down escalators
Wie het repacking doet
Abstracte concepten en technische taal vs concrete voorbeelden en alledaagse taal

42

43 of 64

Een betere semantische golf is een betere leerervaring

Copy Code

Doe het eerst unplugged (bijvoorbeeld op papier)
Gebruik eerst pseudocode
Laat leerlingen hun eigen kunstafbeelding maken
Geef ze programmacode en laat ze voorspellingen van de output maken
Laat ze Mickey Mouse maken! (BvB)
Vraag ze veranderingen te maken en te voorspellen wat er gebeurt
….

43

44 of 64

Geef een aantal suggesties / activiteiten ter verbetering van de leerrendement

Denk na over:

Hoe de flatlining te vermijden
Hoe unpacking en repacking ingezet kan worden
Het vermijden van down escalators
Wie het repacking doet
Abstracte concepten en technische taal vs concrete voorbeelden en alledaagse taal

44

45 of 64

Twee routes richting expertise / kennis constructie

45

46 of 64

Semantic Density: hoe technisch is de taal

Semantic Gravity: hoe abstract/concreet is het voorbeeld

46

Alledaagse taal &�Abstracte concepten

(bijv. “Alles wat een computer doet omvat het opvolgen van door de mens gemaakte instructies”)

Semantic Gravity

SG-

Zwakker

Alledaagse taal &�Concrete voorbeelden

(bijv. “Een pizza recept is een set aan instructies die gevolgd worden om een pizza te maken”)

Technische taal &�Abstracte concepten

(bijv. “Computers volgen algoritmen”)

Technische taal &�Concrete voorbeelden

(bijv. “Een algoritme is als een recept”)

Sterker

SG+

Semantic

Density

Makkelijk te begrijpen voor experts

Zwakker

SD-

Sterker

SD+

TAAL

Voorbeelden

Makkelijk te begrijpen voor beginners

47 of 64

Twee routes richting expertise - beide zijn nodig

47

Alledaagse taal &�Abstracte concepten

(bijv. “Alles wat een computer doet omvat het opvolgen van door de mens gemaakte instructies”)

Semantic Gravity

SG-

Zwakker

Alledaagse taal &�Concrete voorbeelden

(bijv. “Een pizza recept is een set aan instructies die gevolgd worden om een pizza te maken”)

Technische taal &�Abstracte concepten

(bijv. “Computers volgen algoritmen”)

Technische taal &�Concrete voorbeelden

(bijv. “Een algoritme is als een recept”)

Sterker

SG+

Semantic

Density

Makkelijk te begrijpen voor experts

Zwakker

SD-

Sterker

SD+

TAAL

Voorbeelden

Makkelijk te begrijpen voor beginners

48 of 64

Activiteit

While-loop
IP-nummer
Binair zoeken
Boolean
Recursie
...

Informatica

Bedenk voor een van onderstaande concept een manier om via beide routes naar expertise te komen.

48

49 of 64

Hoe kom je tot betere lessen?

49

50 of 64

Het analyseren van de semantic wave kan je lessen verbeteren

Het nadenken over semantische golven toegepast binnen een lesactiviteiten:

Helpt ons in te zien waarom een specifieke invulling van een activiteit wel of niet goed werkt.
Waarom een andere invulling een mogelijke verbetering kan zijn.
Hoe zowel goede als slechte invullingen verbeterd kunnen worden.

50

51 of 64

Hoe je lesactiviteit te verbeteren?

Controleer of je lesplan (en activiteiten) een golf volgt:

Vermijd flatlining van je studenten
Zorg voor golven binnen golven

Voeg zowel unpacking en repacking activiteiten toe:

Link voorbeelden / alledaagse taal aan technische taal / abstracte concepten

Zorg dat studenten het repacken doen (en niet alleen jij)
Wees je bewust van beide routes naar expertise:

via concrete voorbeelden EN via alledaagse taal

51

52 of 64

Improving explanations and learning activities in computing using semantic waves

National Center for Computing Education - Pedagogy Quick Reads - Improving explanations and learning activities in computing using semantic waves

52

53 of 64

Activiteit 4

Maak een analyse van de semantic wave van een van je eigen lesplannen

53

54 of 64

Activiteit

Maak van je eigen lesplan een semantic wave

Zoek naar flatlining, down escalators en golven binnen golven

Welke route naar expertise wordt voornamelijk gebruikt

Waar is er sprake van unpacking en repacking?

Gebruik eventueel deze bronnen:

54

55 of 64

Na het college

55

56 of 64

Doen na het college

Lezen Computer Science Education (2018): 8.2
Lezen Unplugged Computing and Semantic Waves: Analysing Crazy Characters. https://doi.org/10.1145/3351287.3351291)
Lezen quick read Semantic Wave. https://raspberrypi-education.s3-eu-west-1.amazonaws.com/Quick+Reads/Pedagogy+Quick+Read+6+-+Semantic+Waves.pdf
(Af)maken opdracht 8.1

Zie planning voor voorbereiding volgend college.

56

57 of 64

VAKBIJEENKOMST: ACTIEF AAN DE SLAG MET KUNSTMATIGE INTELLIGENTIE - 14 April

Data en tijden: Donderdag 14 april

Doelgroep: Docenten, leraren in opleiding of studenten Informatica

Aanbieder: Vaksteunpunt Informatica van Bètapartners

Locatie: Metis Montessori Lyceum, Mauritskade 58, 1092 AD Amsterdam

Agenda: �16:00 – 17:00 – Amsterdam Intelligence, hoe amstedam AI inzet – Maarten Sukel�17:00 – 18:00 – Aan de slag met lesmateriaal 1 – Krijn Hoogendorp�18:00 – 19:00 – Diner�19:00 – 20:00 – Aan de slag met lesmateriaal 2 – Michiel Smits / Jasper Dukers

57

58 of 64

Gebruikte bronnen en referenties

58

59 of 64

Bagge, P. (n.d.). Variables labels and values. Retrieved March 19, 2021, from https://www.youtube.com/watch?v=krdrnRWXQGo

Maton, K. (2013). Making semantic waves: A key to cumulative knowledge-building. Linguistics and Education, 24(1), 8–22. https://doi.org/10.1016/j.linged.2012.11.005

National Center for Computing Education. (2020). Using semantic waves to improve explanations and learning activities in computing. https://raspberrypi-education.s3-eu-west-1.amazonaws.com/Quick+Reads/Pedagogy+Quick+Read+6+-+Semantic+Waves.pdf

Paul Curzon. (2019a, March 3). Learning to Learn (to program). Teaching London Computing: A RESOURCE HUB from CAS LONDON & CS4FN. https://teachinglondoncomputing.org/learning-to-learn-to-program/

Paul Curzon. (2019b, June 20). Semantic Waves. Teaching London Computing: A RESOURCE HUB from CAS LONDON & CS4FN. https://teachinglondoncomputing.org/semantic-waves/semantic-waves-tip9/

Sentance, S., Barendsen, E., & Schulte, C. (Eds.). (2018). Computer science education: perspectives on teaching and learning in school. Bloomsbury Academic.

Teaching London Computing. (n.d.). Box Variables Video. Retrieved March 19, 2021, from https://www.youtube.com/watch?v=PXyrHRRcDVY

Waite, J., Maton, K., Curzon, P., & Tuttiett, L. (2019). Unplugged Computing and Semantic Waves: Analysing Crazy Characters. Proceedings of the 1st UK & Ireland Computing Education Research Conference, 1–7. https://doi.org/10.1145/3351287.3351291

Mordechai Ben-Ari. 1998. Constructivism in computer science education. In Proceedings of the twenty-ninth SIGCSE technical symposium on Computer science education (SIGCSE '98). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 257–261. DOI:https://doi.org/10.1145/273133.274308

59

Gebruikte bronnen en referenties

60 of 64

Bijlagen

60

61 of 64

Voorbereiding op dit college

Docent:

Uitprinten van quick read
Meenemen materiaal voor uitvoeren van unplugged activities

Student:

Geen

61

62 of 64

Back-up

62

63 of 64

Achtergrond

Informatica wordt wereldwijd op scholen aangeboden

Er is beperkte ervaring met solide vakdidactiek

We hebben simpele tools nodig om ons helpen om de effectiviteit van leeractiviteiten te bepalen

Semantic waves geven een educatieve tool die hierbij kan helpen.

63

64 of 64

Bagge, P. (n.d.). Variables labels and values. Retrieved March 19, 2021, from https://www.youtube.com/watch?v=krdrnRWXQGo

64