Building, analyzing and interpreting classroom engagement: Apps and machine-learning models for an affordable programming education
Sınıfiçi angajmanın oluşturulması, analizi ve yorumlaması: Ulaşılabilir bir programlama eğitimi için uygulamalar ve makine öğrenmesi modelleri
- Tez No: 816363
- Danışmanlar: PROF. DR. TEVFİK METİN SEZGİN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Eğitim ve Öğretim, Computer Engineering and Computer Science and Control, Education and Training
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 205
Özet
Öğrencilerin sınıf-içi angajmanlarını (ilgi ve motivasyon) sürdürmeleri eğitimlerinin başarısı için büyük önem taşımaktadır. Programlama eğitimindeki güncel örnekler, fiziksel etkileşim içeren aktiviteleri teşvik etmenin ve programlamanın gerçek hayattaki iyi örneklerini göstermenin, öğrencilerin angajmanını artırmak için etkili yöntemler olduğunu göstermiştir. Ancak, sosyo-ekonomik olarak dezavantajlı bölgelerde bulunan okullar genellikle bu tür etkileşimi destekleyecek yeterli dijital altyapıya sahip değildir. Buna karşın, akıllı telefon gibi mobil cihazların uygun maliyetleri ile yaygınlaşması, programlama eğitiminin erişilebilirliğini artırma potansiyeline sahiptir. Ek olarak, mobil cihazlar üzerinde çalışabilecek yapay zeka modelleri, işbirlikli programlama aktivitelerinde kullanılabilecek fiziksel objelerin tanınmasını ve kullanılmasını sağlayabilir. Bu bağlamda, araştırmamın ilk hedefi, öğrencilerin işbirliği içinde çalışmasını destekleyen mobil cihazlar kullanılarak uygun maliyetli bir fiziksel programlama eğitim ortamı geliştirmektir. Sınıf içi angajmanı destekleyecek bu araçları oluşturmanın yanı sıra, sınıf içindeki angajmanı analiz etmek ve yorumlamak da öğretim sürecinin önemli bir bileşenidir. Sınıf içi angajmanın analizi, duygusal, davranışsal ve bilişsel durumların çok bilesenli bir değerlendirmesini gerektirir. Ancak, çok kipli bir sınıf içi angajman veri seti ve analiz modeli oluşturmak için sınırlı sayıda araştırma yapılmıştır. Bu boşluğu doldurmak için ikinci hedefim, grup etkinliklerinde öğretmenlerin iş yükünü hafifletmek için tek bir kamera kullanarak çok kipli bir angajman değerlendirme aracı oluşturmaktır. Bu tez, İnsan-Bilgisayar Etkileşimi (HCI), Yapay Zeka (AI) ve eğitim teknolojisi araştırma alanlarına altı açıdan katkıda bulunmaktadır: 1. İteratif kullanıcı çalışmalarından elde edilen bilgilerle şekillenen, kullanıcı odaklı, uygun maliyetli bir akıllı fiziksel programlama ortamı geliştirilmiş ve tüm kaynakları açık-kaynak olarak sunulmuştur. 2. Geniş katılımlı kullanıcı deneyimi çalışmaları gerçekleştirilmiş ve geliştiriciler için akıllı fiziksel programlama ortamları geliştirmek için bir dizi tasarım önerisi sunulmuştur. 3. Öğretmenlerin programlama ortamımızı MEB Programlama müfredatı kapsamında kullanabilmeleri için bir dizi aktivite geliştirilmiştir. 4. Öğrencilerin kendi değerlendirme puanları kullanılarak sınıf içi angajman düzeylerini tahmin etmek için yaklaşık sekiz saatlik sesli ve görsel verilerden oluşan yeni bir çok kipli veri seti toplanmış ve açık kaynak olarak sunulmuştur. 5. Angajmanı çok bilesenli olarak ele alan çok kipli makine öğrenme modelleri geliştirilmiştir. Görüntü modelleri, kişiye dayalı ilgi düzeyi tahmininde %84'e kadar test doğruluk oranı elde etmiştir. Akış halindeki videolarda çalışabilen gerçek zamanlı video modeli ise %71 test doğruluk oranına ulaşmıştır. 6. Öğrencilerin angajmanlarını zaman içinde görüntülemelerine ve model çıktılarını yorumlamalarını destekleyecek, öğrenci odaklı etkileşimli bir kontrol paneli geliştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Ensuring students remain engaged in the classroom is crucial for their success in any given topic. In programming education, promoting hands-on interactions and demonstrating real-world use cases are effective methods to foster engagement. However, schools located in socio-economically disadvantaged areas often lack adequate digital infrastructure, such as computer laboratories, to support such engagement-building tasks. Nevertheless, utilizing mobile devices can support programming education due to their availability and affordability. Additionally, mobile devices can help augment the tangible materials to use in collaborative programming experiences. In this respect, the first goal of my research is to develop an affordable tangible programming education environment using mobile devices that supports the collaborative work of students. On top of building tools to foster engagement, analyzing and interpreting student engagement is also a critical component of the teaching process. Analyzing classroom engagement requires a multi-component evaluation of affective, behavioral, and cognitive states. Yet, limited research has been conducted to create a multimodal classroom engagement dataset and analysis model. To fill this gap, my second goal is to build a multimodal engagement evaluation tool using a single camera to ease teachers' workload in group activities. Overall my thesis contributes to Human-Computer Interaction (HCI), Artificial Intelligence (AI), and educational technology research areas with six research outputs: 1. An open-source, user-centered, AI-powered, affordable tangible programming environment that was informed by iterative user studies. 2. A set of design considerations for developing paper-based intelligent tangible programming environments which are informed by iterative and classroom-wide user experience studies. 3. A set of curricular activities to help teachers adapt our programming environment into Turkish national curricula. 4. An open-source audio-visual dataset comprising eight-hour-long video recordings of thirty-three students to predict classroom engagement levels using their self-evaluation scores. 5. Multimodal machine-learning models that can address the multi-component definition of engagement. The image models achieved up to 84% test accuracy on person-based engagement level prediction. The real-time video model that can run on streaming videos achieved 71% test accuracy. 6. A student-centric interactive dashboard to help students view their engagement over time and interpret the results of engagement model prediction.
Benzer Tezler
- Genetik biliminin lise öğrencileri tarafından öğrenilmesinde simülasyonun rolü
Teaching mendelian genetics by using a computer simulation in high school classrooms
SELEN KARAAĞAÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Eğitim ve ÖğretimMarmara ÜniversitesiOrtaöğretim Fen ve Matematik Alanları Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA ÇAKIR
- Kurum teftiş raporlarına göre ilköğretim okullarının sorunları
Problems of the primary schools according to association inspection reports
AYHAN CAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Eğitim ve ÖğretimSelçuk ÜniversitesiEğitim Bilimleri Bölümü
YRD. DOÇ. ATİLA YILDIRIM
- Eğitim yapılarında pedagojik ve mekânsal konfigürasyonu anlamaya yönelik model önerisi
A model proposal for understanding pedagogical and spatial configuration in educational buildings
BÜŞRA GÖKSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
MimarlıkSüleyman Demirel ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BERNA GÜÇ
- Mimari tasarıma yaklaşım ve dil kullanımı konularına mimarlık eğitiminin etkisi
The effects of architectural education on design approach and language
CEREN ÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN LÜTFÜ KAHVECİOĞLU
- Türk resim sanatında alegorik, metaforik ve sembolik eğilimler
Allegorical, metaphorical and symbolic tendencies in Turkish painting
ZİŞAN GÜR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Güzel SanatlarKırıkkale ÜniversitesiResim Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ŞUAYYİP YÜCEL