A learning environment for teaching maze algorithms

Abstract

Die Lehre algorithmischen Denkens, einer der grundlegenden Fähigkeiten der Informatik, ist eine herausfordernde Aufgabe. Das Propädeutikum für angehende Studierende der Informatik an der Technischen Universität Wien nutzt dazu ein Computerprogramm namens Theseus das die Ausführung von Algorithmen zur Lösung von Labyrinthen darstellt um so die Diskussion von Algorithmen greifbarer zu machen. Theseus beschreibt die ausgeführten Algorithmen allerdings nicht explizit, sodass die Studenten nicht einsehen können was "in" diesen passiert während am Bildschirm die Suche nach dem Zielpunkt eines Labyrinths veranschaulicht wird. Diese Diplomarbeit untersucht wie eine interaktive Lernumgebung nicht nur die Ausführung sondern auch die Formulierung von Algorithmen ermöglichen kann um so die Lehre algorithmischen Denkens zu unterstützen und den Lerneffekt für Studierende zu erhöhen. Nach Analyse des didaktischen Handlungsspielraums und der Auswahl eines geeigneten, an der konstruktionistischen Lerntheorie ausgerichteten Vorgehens beschreibt diese Arbeit die konkrete Implementierung einer neuen, online verfügbaren Lernumgebung namens Ariadne welche eine visuelle Programmiersprache zur Beschreibung von Algorithmen integriert. Studenten und Lehrer können damit die von Ariadne vordefinierten Algorithmen zur Lösungssuche in Labyrinthen verstehen, sie verändern und sogar völlig neue Algorithmen entwerfen.

Teaching algorithmic thinking, which is one of the fundamental skills in computer science, is a challenging task. Preparatory courses for budding students of computer science at the Vienna University of Technology use a computer program called Theseus to visualise the execution of maze solving algorithms, thus making the discussion of algorithms more tangible. However, Theseus does not explicitly describe the executed algorithms and students are left to wonder what is happening "inside" them while the search for a maze's finish is visualised on screen. This thesis investigates how an interactive learning environment can not only execute but also formulate maze algorithms in order to support the teaching of algorithmic thinking and increase the learning effect for students. After performing an analysis of various didactic options and selecting a suitable approach that is aligned with the constructionist learning theory, the actual implementation of a new online learning environment called Ariadne is described, which integrates a visual programming language for describing algorithms. This allows students and teachers to understand Ariadne's pre-defined maze solving algorithms, to modify them and to even create new algorithms from scratch.