Mielenkiinto erilaisia tietokoneavusteisia oppimisympäristöjä kohtaan on viime vuosina kasvanut räjähdysmäisesti. Samalla myös ympäristöjä on kehitetty voimakkaasti ja uusia ympäristöjä on ryhdytty toteuttamaan erilaisten oppimisteorioiden pohjalta. Erityisesti WWW on edustanut eräänlaista teknistä alustaa uusien ympäristöjen suunnittelun pohjalle.
Oppimisteorioiden pohjalta syntyneet järjestelmät [WebCT, FLE] ovat ensisijaisesti tähdänneet tietyn teorian tai tiettyjen teorioiden mukaiseen toiminnallisuuteen siten, että oppimisympäristön keskeisenä tehtävänä on ollut tukea oppismisteorian mukaisia oppimistekoja. Ympäristöihin on lisätty sellaisia ominaisuuksia, joilla on uskottu saavutettavan haluttu käyttäytyminen. Yksittäisten ominaisuuksien lisääminen on johtanut integroituihin järjestelmiin, joissa jokainen yksityiskohta on toteutettu kiinteäksi osaksi ympäristöä.
Hieman toisenlaisista lähtökohdista suunniteltuja oppimisympäristöjä edustavat sellaiset järjestelmät, jotka ovat lähteneet jonkin tietyn kurssin erityistarpeista. Tällaisia järjestelmiä on tyypillisesti kehitetty yhdessä kurssin kanssa. Lähtökohtana on ollut jokin erityinen ongelma kurssin kehittämisen kannalta katsottuna - esimerkiksi kurssin suuri opiskelijamäärä. Ongelman kärjistyminen on johtanut vaihtoehtoisten menetelmien käyttöön perinteisten menetelmien rinnalla tai niiden sijasta. Tietokoneet ovat tässä yhteydessä tarjonneet varteenotettavan vaihtoehdon perinteisen luokkaopetuksen rinnalle.
Yksinkertaisimmillaan tällaiset tietokoneavusteiset menetelmät voivat olla hyvinkin kaukana itse opetuksesta. Järjestelmät ovat kuitenkin ajan myötä kehittyneet yhä kattavammiksi. Alussa tietokoneiden käyttö on saattanut rajoittua hallinnollisten rutiinien hoitamiseen, kuten ilmoittautumisjärjestelyihin ja erilaisiin kurssikohtaisiin kirjanpitoihin (esimerkiksi tenttiarvosanojen kirjanpito). Kehityskaari on kuitenkin jatkunut siitä edelleen tiedottamiseen, materiaalin jakeluun, harjoitustehtävien jakeluun, vastaanottamiseen ja jopa niiden automaattiseen tarkastamiseen.
Järjestelmien keskeisenä tavoitteena on ollut sellaisten rutiinitoimenpiteiden automatisointi, jotka on mahdollista automatisoida. Ajan myötä kuitenkin järjestelmien kehittyessä niiden ominaisuudet ovat lisääntyneet siinä määrin, että niille on alkanut kertyä myös aivan uudenlaista lisäarvoa perinteiseen lähiopetukseen verrattuna. Rutiinien automatisointi tietysti jo sinällään on lisäarvo, koska tällöin arvokasta lähiopetusaikaa säästyy. Tässä paperissa on kuitenkin esimerkin avulla tarkoitus tuoda esille mitä muuta lisäarvoa tietokoneavusteiset oppimisympäristöt voivat tarjota. Esimerkiksi on valittu Teknillisen korkeakoulun, Tietojenkäsittelyopin laboratoriossa kehitetty WWW-TRAKLA -järjestelmä, jonka kehitystyö liittyy kiinteästi Tietorakenteet ja algoritmit -kurssin kehittämiseen.
Teknillisen korkeakoulun Tietojenkäsittelyopin laboratoriossa on 90-luvun alkupuolelta lähtien kehitetty ns. TRAKLA-järjestelmää[1], joka on erityisesti tarkoitettu kurssin Tietorakenteet ja algoritmit kotilaskujen automaattiseen tarkastamiseen. Järjestelmää on edelleenkehitetty 90-luvun loppupuolella WWW-pohjaiseksi[2]. Samalla WWW:tä ja muita telemaattisia palveluita on ryhdytty voimakkaasti hyödyntämään myös muilla kurssin osa-alueilla. Tästä mainittakoon esimerkkeinä WWW-pohjaisen palautejärjestelmän kehittäminen, tiedottaminen, kurssimateriaalin ja tehtävien jakaminen , sähköpostivastaanotot sekä uutisryhmän käyttö tiedottamiseen ja keskusteluun. WWW-TRAKLAsta on tällöin tullut osa laajempaa TAO-ympäristöä.
Lähtökohtana on ollut avoimen ja hajautetun oppimisympäristön luominen, jossa opiskelijat ja opettajat voivat käyttää ja hyödyntää samoja tuttuja välineitä (sähköpostiohjelma, WWW-selain, uutisryhmäohjelma jne.) niin kurssilla kuin muussakin kommunikaatiossa. Näiden ns. asiakaspään ohjelmien käyttö ei vaadi erityistä koulutusta, koska niiden käyttö opetetaan opiskelijoille jo ensimmäisen vuoden Tietokone työvälineenä -kurssilla.
Palvelinohjelmistojen osalta on pyritty hyödyntämään jo olemassa olevia palvelimia mahdollisimman pitkälle. Esimerkiksi tähän saakka yksi uutisryhmä on riittänyt kurssin tarpeisiin. Uutisryhmä sijaitsee samassa uutisryhmäpalvelimessa, jossa muidenkin kurssien uutisryhmät sijaitsevat. Samoin on laita sähköposti- ja WWW-palvelimien osalta. Ainoa palvelin, joka on jouduttu toteuttamaan itse on tehtävien automaattiseen jakeluun ja tarkastamiseen tarkoitettu TRAKLA-palvelin.
Teknisesti vaativin osa koko ympäristöä on TRAKLA-järjestelmä. TRAKLA-järjestelmää on alunperin lähdetty kehittämään massakurssin tarpeisiin. Kurssille on osallistunut vuosittain noin 600 opiskelijaa, jolloin tehtävien teettämisen ensisijaisena ongelmana on ollut niiden tarkastaminen. TRAKLA tarkastaakin vuosittain yli 20000 yksittäistä tehtävää.
Tehtävien automaattinen tarkastaminen kurssilla on mahdollista, koska osa tehtävistä perustuu jonkin tietyn algoritmin toiminnan simuloimiseen. Opiskelija esittää tehtävän ratkaisun välivaiheina, jotka koostuvat algoritmin manipuloiman tietorakenteen tiloista. Näitä tiloja voidaan verrata tarkastuksessa vastaavan tietokoneen suorittaman algoritmin saavuttamiin välivaiheisiin eli malliratkaisuun.
Ne tehtävät, joita ei voida tarkastaa käsin, tarkastetaan ihmistyövoimalla. Tässä yhteydessä kurssilla on tänä vuonna kokeilu, jossa tähän tarkastukseen käytetään resursseina kurssin opiskelijoita. Opiskelijat ratkovat ryhmissä suunnittelutehtäviä, jotka palautetaan HTML-muodossa (URL). Ryhmät joutuvat lisäksi arvioimaan viiden muun ryhmän vastaavan tehtävän suunnitelmaa. Ratkaisut kopioidaan kurssin WWW-palvelimelle ja opiskelijoille lähetetään arvioitavien ratkaisujen osoitteet sähköpostilla. Arvioinneista tehdään yhteenvedot, jotka myös palautetaan sähköisessä muodossa.
Erilaisten oppimisympäristöjen tuomaa lisäarvoa voidaan arvioida monella eri tavalla. Tässä lähestymistavaksi on valittu hyötynäkökulma ja vertailukohdaksi on valittu perinteinen lähiopetus ilman mitään telemaattisia apuvälineitä. Lisäarvoa on lähdetty pohtimaan järjestelmän tuoman välittömän tai välillisen hyödyn pohjalta sekä opettajan että opiskelijan näkökulmasta katsottuna. Koska lähtökohtana on ollut erityisesti Tietorakenteet ja algoritmit -kurssin kehittäminen, on käytetyt välineet ja menetelmätkin valittu juuri tämän kurssin kehitystarpeita vastaaviksi. Koska kyseessä on kuitenkin täysin avoin ja hajautettu järjestelmä, on käytetyt menetelmät sovellettavissa ainakin osittain myös muille kursseille.
Puhuttaessa lisäarvosta on usein lähtökohtana se, että tietokoneavusteinen opetus tuo uuden ja entistä tehokkaamman menetelmän jonkin perinteisen menetelmän tilalle. Kannattaa kuitenkin huomata, että TAO voidaan nähdä myös mahdollisuutena, joka tuo uuden menetelmän perinteisen menetelmän rinnalle. Sen sijaan, että korvattaisiin perinteisiä menetelmiä uusilla tietokoneavusteisilla menetelmillä, TAO voidaankin tuoda kurssille eräänä uutena vaihtoehtona. Näin opiskelijalle voidaan tarjota todellinen vaihtoehtoinen oppimisstrategia lähes samoilla resursseilla kuin aikasemminkin.
Kuten jo aiemmin mainittiin, TRAKLA-järjestelmää on lähdetty kehittämään massakurssin tarpeita vastaavaksi. Opiskelijamäärien kasvaessa, myös erilaisten hallinnollisten rutiinien viemä aika kasvaa. Tällaisia rutiineja ovat mm. ilmoittautumisjärjestelyt, erilaiset piste- ja arvosanakirjanpidot sekä tilastot ja kurssin etenemisen seuranta. Tällöin automatisoinnilla voidaan saavuttaa merkittävää ajansäästöä, joka puolestaan voidaan kohdentaa varsinaiseen opetustyöhön, riippumatta siitä käsittääkö tämä opetustyö tietokoneavusteisten välineiden käyttöä vai onko se puhdasta lähiopetusta perinteisillä välineillä. Monissa tapauksissa automatisoinnilla voidaan tuottaa myös sellaista lisäarvoa, jota ei perinteisillä menetelmillä ole käytännössä mahdollista saavuttaa. Tällöin erilaisten oppimisympäristöjen käyttö on perusteltua myös kursseilla, joilla opiskelijamäärä on pieni.
Kotitehtävien vastausten kopiointi toisilta opiskelijoilta on ongelma, joka tulee vastaan erityisesti suurilla kursseilla, mutta myös pienemmillä. Luontevia järjestelyjä kopiointiongelman poistamiseksi ovat esimerkiksi ryhmätyön salliminen tai yksilölliset kotitehtävät. Perinteisessä opetuksessa yksilöllisten tehtävien vastausten tarkastaminen kuitenkin johtaa työn moninkertaistumiseen.
TRAKLA-järjestelmässä tehtävät voidaan räätälöidä jokaiselle opiskeljalle erilaiseksi. Tämä vastaa simulaatiotehtävässä sitä, että simuloitavan algoritmin syöte voidaan satunnaisesti räätälöidä jokaiselle opiskelijalle henkilökohtaiseksi. Tällöin myös tehtävän vastaus on jokaisen opiskelijan kohdalla hiukan erilainen. Vastauksen kopioiminen toiselta opiskelijalta on tällöin hyödytöntä. Menettely mahdollistaa tällöin myös järkevän yhteistyön opiskelijoiden kesken. Opiskelija voi neuvoa toveriaan vaikkapa ratkaisemalla esimerkinomaisesti oman tehtävänsä. Sekä neuvova että neuvottava opiskelija hyötyvät yhteistyöstä.
Koska järjestelmä osaa ratkaista jokaisen opiskelijan yksilöllisen tehtävän automaattisen tarkastuksen yhteydessä, voidaan sillä tuottaa myös mallivastaukset tehtäviin. Mallivastaukset lähetetään opiskelijoille tyypillisesti tehtäväkierroksen päätyttyä. Tästä poikkeuksena ovat ns. demotehtävät, joihin opiskelija saa mallivastauksen jo tehtäväkierroksen aikana. Demotehtävistä ei saa pisteitä, mutta ne toimivat järjestelmässä esimerkkeinä annetun tehtävän ratkaisusta. Opiskelija voi tällöin esimerkkiä tutkimalla selvitä myös itsenäisesti annetusta tehtävästä paremmin kuin pelkkiä kirjan esimerkkejä tutkimalla.
Opiskelijoilta tulevan palautteen kerääminen koetaan usein ongelmaksi tai unohdetaan kursseilla kokonaan. Yksinkertaisimmillaankin TAO-ympäristöt tarjoavat erittäin hyviä keinoja palautteen keräämiseen eikä tällaisen palautteen kerääminen ole edes teknisesti vaativaa. Palautetta voidaan kerätä niin uutisryhmissä, sähköpostilla kuin yksinkertaisella WWW-lomakkeella. WWW-lomake voidaan sijoittaa kurssin kotisivulle jo kurssin alussa. Tällöin opiskelijat voivat antaa vapaamuotoista palautetta jo kurssin aikana. Yleensä vapaaehtoisuuteen perustuva palaute on jopa rakentavampaa kuin esimerkiksi luentotilanteessa kerätty palaute. Ainakin palautteen antajalla on tällöin jotakin sanottavaa. Myös kurssien päätteeksi kerättävä palaute on mahdollista kerätä WWW-lomakkeella.
Myös palautteeseen vastaaminen voidaan hoitaa telemaattisia välineitä hyödyntäen. Palautteeseen voidaan vastata henkilökohtaisesti tai sama viesti voidaan lähettää kurssin uutisryhmään, jos sillä on yleisempää mielenkiintoa. Myös erilaiset yleisimmin kysyttyjen kysymysten listat on mahdolista toteuttaa ja sijoittaa esimerkiksi WWW-sivuille.
Telemaattisia välineitä voi luonnollisesti käyttää myös kurssimateriaalin jakeluun perinteisten tapojen rinnalla. WWW tuo kuitenkin jakelukanavana yhden merkittävän lisän tähän prosessiin, nimittäin materiaalin päivittämisen helppouden. Materiaalia voidaan päivittää tarpeen mukaan ja päivitetty materiaali on opiskelijan tavoitettavissa välittömästi. Erityisen hyvin tämä toimii silloin, kun materiaalia ei ole tarkoitettukaan esimerkiksi tulostettavaksi vaan se on rakennettu erityisesti WWW-sivustoksi. Tällöin materiaalia voidaan täydentää esimerkiksi kurssin kuluessa ja opiskelijat voivat antaa siitä palautetta.
Tietokoneavusteisia oppimisympäristöjä puolustetaan yleisesti niiden avoimuudella, jolla opetuksellisesta näkökulmasta katsottuna tarkoitetaan niiden riippumattomuutta ajasta ja paikasta. Opiskelijalle tämä näkyy siinä, että hän voi ratkoa kotitehtäviä esimerkiksi iltaisin kotonaan ja saada myös palautetta. TRAKLA-järjestelmän osalta tilastot osoittavat, että tämä ominaisuus on myös erittäin tärkeä opiskelijan kannalta. Opiskelijat todella opiskelevat kellon ympäri. Ainoa hiljaisempi heti on kello 4-7 välillä aamulla. Esimerkiksi aamu kymmenestä aina aamuyölle kello yhteen saakka palautuksia tulee kohtuullisen tasaisesti. Seuraavassa on tämänvuotisen Tietorakenteet ja algoritmit -kurssin jakauma (noin kurssin puolivälissä) palautusten osalta.
Periodical student activity by time (# = 50 returned exercises) 0 ####### 1 ##### 2 ## 3 ## 4 # 5 # 6 # 7 # 8 ## 9 ### 10 ###### 11 ####### 12 ####### 13 ######### 14 ######### 15 ########## 16 ######### 17 ########### 18 ########## 19 ######### 20 ########## 21 ######### 22 ######### 23 ########
Oppimisympäristön avoimuus konkretisoituu vasta siinä vaiheessa, kun järjestelmä pystyy antamaan opiskelijalle myös palautetta. Mitä nopeammin palaute tehdystä työstä tulee, sitä enemmän se hyödyttää opiskelijaa. Jos palaute tulee päivien tai jopa viikkojen päästä, opiskelijan mielenkiinto tehtävään on jo mennyt tai ainakin tehtävän yksityiskohdat ovat kadonneet mielestä.
TRAKLA-järjestelmässä opiskelija saa tehtävistä välittömästi palautteen. Kun tähän on vielä yhdistetty mahdollisuus korjata jo palautettua vastausta, päästään järjestelmään, jossa tietokoneavusteisen oppimisympäristön mahdollistamaa toiminnallisuutta on mahdotonta toteuttaa perinteisin keinoin, jos opiskelijoita on enemmän kuin opettajia. Tilanne on siis melko lähellä henkilökohtaista ohjaamista ja opettamista, vaikka tietysti täytyykin muistaa, että tietokoneen antama palaute ei ylläkään ihmisen antaman palautteen tasolle. Joka tapauksessa voidaan sanoa, että mitä vahvempi vuorovaikutus opiskelijan ja oppimisympäristön (niin ihmiset kuin tietokoneetkin) välillä on, sen parempi.
Eräs tietokoneavusteisen opetuksen tuomia lisäominaisuuksia opetukseen on entistä paremman visuaalisen havaintomateriaalin käyttömahdollisuus. Lisäarvon kannalta tätä voisi luonnehtia siten, että perinteisen opetuksen kuva voidaan korvata animaatiolla tai muulla liikkuvalla tai muokattavalla kuvalla.
TRAKLA-järjestelmässä visuaalinen puoli on tullut mukaan WWW:n myötä. Aikaisemmin tehtävät palautettiin sähköpostilla määrämuodossa. Nykyisin tämän rinnalla toimii WWW-pohjainen käyttöliittymä, jolla tehtäviä voi ratkoa myös graafisessa muodossa. Tämä lienee tervetullut lisä erityisesti visuaalisesti oppimivien opikelijoiden kohdalla.
Tässä paperissa on pohdittu tietokoneavusteisen opetuksen tuomaa lisäarvoa perinteiseen lähiopetukseen verrattuna. Lisäarvo voidaan saavuttaa joko korvaamalla perinteiset menetelmät sopivilla TAO-menetelmillä tai tuomalla TAO perinteisten menetelmien rinnalle yhdeksi vaihtoehdoksi. Tällöin lisäarvo näkyy opiskelijalle todellisen vaihtoehtoisen oppimisstrategian myötä. Opettajalle lisäarvo näkyy opetuksen tehostumisena lähes samoilla resursseilla kuin aiemminkin.
Tyypillisesti lisäarvoksi mielletään opetuksen tehostuminen ajansäästön myötä. Tämä on kuitenkin vain osa totuutta. TAO-menetelmillä voidaan saavuttaa myös sellaista lisäarvoa, jota perinteisillä menetelmillä olisi käytännössä mahdotonta toteuttaa. Tällaista lisäarvoa on esimerkiksi
Osa lisäarvosta on luonnollisesti sellaista, joka vaatii uusien teknisten järjestelmien kehittämistä ja ylläpitoa. Tyypillisesti kuitenkin erityisesti järjestelmän kehittäminen on resursseja vaativaa. Ylläpidon vaatimat resurssit ovat sellaisia, jotka maksavat itsensä takaisin järjestelmän tuoman ajansäästön myötä. Tämä kuitenkin sillä edellytyksellä, että järjestelmän kehittämisen lähtökohtana on ollut nimen omaan tietyn kurssin tarpeet tai vähintäänkin järjestelmän tuoma lisäarvo on sellaista, joka kohteena olevalla kurssilla halutaan saavuttaa. TAO-ympäristöjen käyttöönotto tulisikin siis olla vahvasti sidoksissa kurssien kehittämiseen.
TRAKLA-järjestelmän kehittämisen kanssa on tilanne ollut onnekas, koska järjestelmää on kehitetty pääasiassa oppilastöinä. Järjestelmä on jo siis kehitysvaiheessaankin ollut opetustilanne.
[1] J. Hyvönen, L.Malmi: TRAKLA - A System for Teaching Algorithms Using Email and a Graphical Editor. Proceedings of HYPERMEDIA in Vaasa'93, pp. 141-147, 1993.
[2] A. Korhonen: World Wide Web (WWW) tietorakenteiden ja algoritmien tietokoneavusteisessa opetuksessa, Master's Thesis, Department of Computer Science, Helsinki University of Technology, 1997.