<< WebHome

---

PRZED-PUBLIKACJA (PREPRINT): Wzrost w szybkości nauczania GNU/Linuksa: małe studium opracowanie

(Growth in the speed of learning GNU/Linux: a small case study)

English version published 2007, in "Wybrane aspekty technologii informacyjnej w edukacji", Dorota Siemieniecka, Agnieszka Siemińska-Łosko, Toruń:Wydawnictwo Adam Marszalek, EAN: 9788374416962

ABSTRACT:

Two successive winter semesters of teaching shell level basic usage of the GNU/Linux computer operating system to two separate groups of students, using an online generator of exercises with highly randomised content and answers (WWW Interactive Multipurpose Server, WIMS) and providing numerous positive feedback mechanisms for individual and community learning, quantitatively showed that the second group of students achieved statistically equivalent grades to the first group of students (grades differing by about 1 standard error in the mean), while requiring a third less time (34% +/- 12% at 95% confidence) to carry out the exercises. The "theoretical duration" for the first group of students to complete the full set of exercises was 240 minutes, dropping to 157 minutes for the second group.

WPROWADZENIE

W technicznym rozwoju informatyki, często się mówi o Prawa Moore'a (Moore 1965), według którym, pojemność pamięci lub szybkość procesory rosną w sposób eksponencjalnym, tzn. zostają dwa razy większy lub szybkiejszy co 18 miesięcy. Wiele efekty mogliby kontrybuować do tej prawy empirycznej, ale efekty dodatnich sprzężenia zwrotnych najprawdopodobnie w tym mają rolę: im szybszy są komputery i im więcej mają oni pamięć, tym lepiej może zaprojektować, produkować i sprzedać następne pokolenia materiały. Oczekiwanie od sam Prawy Moore'a nachęcą producenci do szanownia tej sam prawy.

W oprogramowania wolnym, kultura środowiska programistów i techniczny aspekty oprogramowania są bardzo otwarte i wolne - w sensach prawnych i socjologicznych - implikują, że może oczekiwać aby wiele efekty sprzężenia zwrotnych dodatnich tworzą podobny efekty wzrostu eksponencjalnego, jak argumentuje np Heylighen (2007).

Jeśli nauczanie wolnego oprogramowania, i szczególnie nauczanie najbardziej znany system operacyjny wolny, GNU/Linux, jest zrobiony w podobnych warunkach do rozwoju systemu sam, moglibyśmy oczekiwać aby efekty sprzężenia zwrotnych dodatnich też będą być obecny w skuteczności nauczania.

Jednakże, mierzyć wiedzę studentów jest trudny wykonywać w sposobie obiektywnym i kontrolowanym. Pytania w egzaminach napisanych muszą być zmienony każdego roku, aby studenci nie będą tylko uczyć na pamięć odpowiedzi do starych pytania. To utrudniuje możliwość bezpośrednio porównania wyniki od jednego semestru do następnego, bo równość dydaktycznej zawartości pytań zależe na subiektywnym ocenie wykładowcy przygotują tych pytania. Uniknąć oszukiwania przez studentów w egzaminach napisanych też jest bardzo trudny. Egzaminy ustny unikną ten ostatni problem, i dają poczucie pewności do wykładowcy czy student rozumie temat czy nie, ale koniecznie są bardzo subiektywny: egzaminator jest człowiekiem i cały dziedzinie psychologia udokumentuje jego subiektywność.

W następnych sekcjach są zaprezentowane: metoda nauczania, która umożliwie względnie obiektywne obliczenia rozwoju umiejętności studentów, i opis czynniki dodatnich sprzężenia zwrotnych (socjalno-konstruktywna postawa pedagogiczna); wyniki; i podsumowanie.

METODA

Oprogramowanie uczanie elektroniczny: WIMS

WWW Interactive Multipurpose Server (WIMS, Xiao 1999) jest oprogramowanie uczanie elektronicznego ("e-learning", "Learning Content Management System (LCMS)", "Virtual Learning Environment (VLE)"). Ono ma strukturę, którą mogłby rozwiązać problemu obiektywności mierzenia rocznowo zmian między pokoleniami studentów, i do niektórym stopniu, zredukowanie technicznej możliwość oszukiwania (przez użycie parametry losowych w generowanie pytania) i zmniejszenia chęci do oszukiwania (przez socjalno-konstruktywnej postawą pedagogiczną).

W ćwiczeniach ,,Unix i internet" wprowadzony przez autora aktualnego artykułu w semestrach zimnych 2005/2006 i 2006/2007, ćzwiczenia przygotowane przez autora byli używane w systemie WIMS na lokalnym serwerze (Roukema 2005). Tematy ćwiczeń chodzą od podstawy pojęcia GNU/linuksa do ćwiczeń w powłoki ("shell") używając wyrażenia regularnych. Między typy pytanie są: kilka na wielokrotnego wyboru, wiele mają wolną odpowiedź numericzną, kilka są z typu pasowanie, np w ćwiczeniu 2a, student ma pasować 26 odpowiedzi do 26 pytania przez graficznego interfejsu.

Cała kurs ma 4 ,,kartki", każdy z jednym czy dwomi ,,ćwiczeniami". Student ma zrobić ćwiczenie wielu razy i na końcę ich zrobić bez zadużo błędów, aby mieć ocenę maksimalną.

Ocena wynosi poziom ukończeniu (x na skalę od 0 do 1) z parametrem ,,jakości" y (mniej-więcej, ile często student daje dobrą odpowiedzi w ostatnich próbach), też między 0 i 1, aby ocena na danym ćwiczeniu jest gi = xi yi0.3 gdzie i jest numer ćwiczenia. Kiedy kartka ma dwie ćwiczenia, ocena wynosi średnia wartość ceny z indywydualnych ćwiczeń, ewentualnie uważony według ważności i trudności. Od czterych kartki, średnia ocena jest konwertowana do wartości na skalę od 0 do 10 (dla celów uczelni, ocene są konwertowane do skali od 0 do 4, pozwolają dodawanie 1 punkt testują i nachęcają student do kreatywności).

Jeden z celów użycie parametry losowy w ćwiczeniach jest, że zamiast się uczyć pytanie na pamięci, powinna być łatwiejszy rozumieć pojęcie problemu w sposobie kognitywnym. Tablice 1 pokazuje ilości parametry losowych, i ilości pytań z typu wolna odpowiedź czy wielokrotny wybór w danym ćwiczeniu.

Student ma zrobić każdy ćwiczenie (losowie wybierane od zbioru ćwiczeń, z różnymi wartościami parametrów losowych) wielu (między 10 i 100) raz, według ważności i trudności ćwiczenia, aby mieć pełny punkty ukończeniu (parameter x). Jeśli student często robi błędy, wtedy musi więcej raz zrobić ćwiczenie niż dobrego studenta aby mieć xi = 1.0, i będzie stracić w parametrze jakości yi. Więc aby mieć ocenę gi blisko 1.0 dla danego ćwiczenia, student musi dobrze mieć schemat ćwiczenia zrejestrowany w pamięci mózgu na krótki termin (mniej niż 24 godziny). Pamięć na długi termin jest stymulowana i testowana przez standardową metodą nauczanie: wcześniejszy ćwiczenia testują elementarny pojęcia i umiejętności, i późniejszy ćwiczenia wymagają rozumienie tych sam elementy i ich używają dla celów więcej awansowanych.

ćwiczenie	parametry	wolna-odp.	wielokr.-wybór	raz	waga
1a	1	0	4	10	1
1b	6	1	0	2	2.5
2a	16	1	0	3	1
3a	10	0	2	10	1
3b	55	10	2	4	2.5
4a	28	1	0	5	1
4b	68	6	0	5	1

Tablica 1

Kiedy student robi błęd, chociaż straci na parametrze ,,jakości" y, nie straci ani przybiera punkty x. Jeśli chce wyższy parameter y, może wolnie jeszcze powtórzyć ćwiczenie (z nowymi losowymi parametrami), i jeśli więcej często daje dobre odpowiedzi, jego parameter y rosnie.

Jeśli studenci dobrze uczą i rozumiają materiały, możemy oczekiwać aby większość studenci będą mieć ostatni ocena g blisko 10.0, niezależnie czy uczą pojęcia szybkie czy wolnie.

Inny parameter dotyczy szybkość nauczania. Serwer WIMS'a oblicze ile czas, ti, jest używany przez każdego student na każdym ćwiczeniu. Kiedy student decyduje anulować aktualną serię ćwiczeń bez zaliczeń, np. bo jeszcze się uczy o co chodzi (jest to pozwolony przez system WIMS), jest to traktowana jako serią "noscore", tzn. bez zaliczeń, i nie ma zmiana w xi ani w yi (oprócz jeśli student ,,przesadza", w sensie wewnętrznym modelu WIMS'a, wtedy yi może zmniejszyć).

Jeśli jest zmian w szybkości nauczanie, powinna to się pokazywać w parametrze ti, lub w sumie tth, która reprezentuje ,,teoretyczny" czas potrzebny dla ukończenie całości ćwiczeń, na bazie czas na prawdę używany przez studentów kiedy zaliczyli te ćwiczenia. Jak ćwiczenia są powtórzone (ale z różnymi wartościami losowymi) kilka raz, tth wynosi wartość kilka raz więcej niż sum indywydualnych wartości ti.

Czynniki dodatnich sprzężenia zwrotnych

W celu socjalno-konstruktywnej postawy pedagogicznej (i szczególnie, nachęcanie studentów do metakognitywistyki), byli wiele czynniki dodatnich sprzężenia zwrotnych, zaczynając od natury sam systemu GNU/linuksa, która wszysce mogą zgodnie z prawą modifykować i redystrybuować wolnie (za darmo czy nie, na wybór), z tylko kilka ograniczenia aby wolność licencji nie zostałby usłabiony (Free Software Foundation 1991).

Zajęcia byli wprowadzony w sali fizycznym z komputerami, używająć system GNU/linux na CD ,,Knoppix" (wersja 4.01), bez korzystania systemu operacyjnego instalowanego na twardym dysku. Studenci byli nachęcony do użycie tych sam CD w ich komputerach w domu. Studenci mieli dostęp do system WIMS (ale bez zaliczenia) od zewnątrz instytutu, bez ograniczenia.

Używana była strona wiki dostępny w internecie bez ograniczenia. Internetowa grupa dyskusyjna też była używana, ale w praktyce, studenci mało korzystali z ją, oprócz np dla koordonywaniu podpisania indeksy po końcy zajęcia.

W czasu zajęcia, studenci mieli pełną wolność korzystanie z internetu bez ograniczenia, też wolnie rozmawiali razem w fizycznym przestrzeni sali. Z powodu losowego systemu generowania szczegółów pytań w systemie WIMS, ryzyko oszukiwania przez komunikację między studentami jest, w zasadzie, minimalizowane. Na przykład, jeśli odpowiedź do danego pytania X u studencie A jest 1234.5, wtedy student A może proponować do studenta B, który też robi tego samego pytanie X, napisać 1234.5 jako odpowiedzi. Jednakże, jest prawie pewne, że 1234.5 jest tylko dobra odpowiedź dla studenta A i nie dla studenta B, bo parametry losowy mają różne wartości prawie każdy raz. Jedyny pomoc praktyczny od studenta A do studenta B jest wyjaśnić co jest sens pytanie, jaka jest metoda to rozumieć, aby student B może sam się uczyć (chyba, że student A będzie 10 czy 50 raz rozwiązać szczególnych pytania studenta B, co byłby dużo więcej nudny dla studenta A niż wyjaśnić zasady do studenta B).

Jeden przykład konkretnej realizacji dodatnego sprzężenie zwrotnego na wiki był dodawanie przez student, w głównym stronie www zajęcia, URI (Universal Resource Identifier) innej strony www dotyczący zawartość zajęć (lista podstawowych komendy w powłoki linuksa), znależona spontanicznie przez ten sam student, aby inny studenci mogli w przyszłości z niego korzystać. Chociaż od całych dodatnych sprzężenia możemy oczekiwać efekty pomagają studenci szybkiejszy i więcej głęboki się uczyć, ten przykład ma ewidentne znaczenie między semestrami.

WYNIKI

Średnie wartości oceń gi i czasów ti dla całych studentów (8 w 2005/6 zimo, 19 podzielonych w dwóch grupach w 2006/7 zimo) są:

2005/6 zimo	gi	ti (minuty)
1	9.87	74
2	9.9	48
3	9.75	31
4	9.49	87
	g = 9,75 (średnia)	tth = 240 (razem)

Tablica 2

2006/7 zimo	gi	ti (minuty)
1	9.74	57
2	9.84	24
3	9.81	23
4	9.42	53
	g = 9,70 (średnia)	tth = 157 (razem)

Tablica 3

2006/7 lato (niekończony!)	gi	ti (minuty)
1	9.92	117
2*	9.85	25
3	9.87	24
4	9.2	42
	g = 9,47 (średnia)	tth = 208 (razem)

Tablica 4 [Studenci też zrobili dodatkowy ćwiczeń w kartki 2 (Delta(ti) = 25.8); jest to ignorowany tutaj.]

Bardzo ewidentny są dwie własności: (i) ocena ogólna g jest bardzo stabilna: obie grupy mają prawie równie opanowywali materiały GNU/linuksowych przedstawionych w ćwiczeniach, i (ii) studenci w drugim semestrze się uczyli przekonywać statystycznie identycznych ćwiczenia, do tego sam poziom wiedzy, około 34% szybkiejszy niż pierwszej grupy.

Czy ta druga róźnica jest statystycznie znacząca?

Jeśli traktujemy każdy z czterech kartki jako statystycznie niezależny test szybkości studentów, wtedy możemy zdefiniować stosunek

si = ti (2006/7 zimo) / ti (2005/6 zimo)

Średnia wartość si jest <s> = 0.66 i odchylenie standardowe w średni jest 0.06. To znacze, że stosunek wynosi 0.66 +/- 0.12 na poziom zaufności 95%, i si jest mniej niż 1.0 do poziom zaufności 5.5 sigma, (więcej niż 99.999%), jeśli założemy, że dystrybucja si jest gaussowa.

Podobny stosunek dla oceń daje średni stosunek 0.995 +/- 0.004, zgodnie z żadnym zmianem do około 68% poziom zaufności (pod założenia dystrybucji gaussowej).

PODSUMOWANIE

Od dwóch semestrów nauczanie podstawy system GNU/linux do 8 i 19 studentów odpowiednio używając wzorów generowania losowych ćwiczenia w sposobie statystycznie identycznym między semestrami, przez system uczanie elektronicznego WIMS, mamy obiektywne dane pokazują, (i) że studenci z dwóch grupy równie dobrze opanowywali materiały dydaktycznych, i (ii), że w drugim semestrze, uczyli przekonywać zajęcia w znaczające szybkiejsze okres, tj. w około 34% +/- 12% mniej czasu na 95% poziom zaufności.

W innych słowach, po pierwszego semestr, byłby teoretycznie możliwe (ignorująć dodatkowych efekty nauczanie takich jak stres egzaminacyjny), że studenci wykonywaliby całych ćwiczenia w jednym egzaminu w czterych godzinach (240 minutach), mając ostatną ocenę 9.75 od maksimum 10.0, i rok później, że nowa grupa studentów wykonywaliby tych sam ćwiczenie (oprócz różnych wartości losowe w ćwiceniach) jedna trzecia raz szybkiejszy, tzn. w ok. 2,5 godzinach (157 minutach) zamiast 4 godzinach, mając jednakże (prawie) tą samą ocenę, 9.70 od 10.0.

Ewidentnie, jest trudno wnioskować jaki był powód tego przyspieszenie: dane są za małe aby zrobić więcej niż spekulować lub odnotować spójność między danymi i hypotezami. Liczny czynniki dodatnich sprzężenie zwrótnych byliby spójne z tym efektem, taka jak komunikacja między studentami z kolejnych semestrów przez metody elektronicznych takich jak wiki lub (legalnie) kopiowanie i dystrybuowania ,,live-CD" z system operacyjnym ,,Knoppix" (odmian GNU/linux). Rzeczywista hipoteza jest, że wiedza w społecznym środowiska studentów dotycząca GNU/linuks rosnął między semestrami, razem z ogólnym społecznym rozwojem wiedzy tej. Ten ostatni czynnik też jest czynnik dodatnego sprzężenia zwrótnego, ponieważ społeczne środowiska studentów w fizycznym przestrzeni i w cyberprzestrzeni zazębiają się. Jednakże, w zasadzie też jest możliwe np, że studenci z drugiego semestru byli selekcjonowane w systematycznie innym sposobu, aby są więcej dolny.

Czy jest możliwe testować czy ten system nauczanie podstawy system GNU/linux jest na prawdę przykład analogia w nauczanie dla prawy Moore'a (Moore 1965) lub eksponencjalny rozwój oprogramowania wolnego jak uważa np Heylighen (2007)? W pryszłościowych latach, najprawdopodobnie wybór ćwiczeń używane będzie ewoluować, ale zawsze będzie możliwe, np raz w 3 latach, testować studenci na orygynalnych wzorach - z statystycznymi identycznymi cechami ale losowie generowanych - i testować hipotezę rozwój eksponencjalnego (lub ewentualnie rozwój według prawę logistycznej).

BIBLIOGRAFIA

Free Software Foundation, 1991, Powszechna Licencja Publiczna GNU: Tłumaczenie GNU General Public License, Wersja 2, czerwiec 1991, http://gnu.org.pl/text/licencja-gnu.html

Heylighen, Francis, 2007, Why is Open Access Development so Successful? Stigmergic organization and the economics of information, in B. Lutterbeck, M. Baerwolff & R. A. Gehring (eds.), Open Source Jahrbuch 2007, Lehmanns Media, 2007 (arXiv:cs.CY/0612071) http://arxiv.org/abs/cs.CY/0612071

Moore, Gordon E., 1965, Cramming more components onto integrated circuits, Electronics, 38, 8 http://download.intel.com/research/silicon/moorespaper.pdf

Roukema, Boudewijn F., 2005, Ćwiczenia Unix i Internet w WIMS, http://adjani.astro.uni.torun.pl/wims/

Xiao, Gang, 1999, WWW Interactive Multipurpose Server, WIMS, http://wims.unice.fr/wims/

-- BoudRoukema - 07 Apr 2007