Enseñanza de programación de estructuras de datos aplicando estrategias didácticas basadas en la teoría de carga cognitiva

Abstract

El presente trabajo de investigación tiene como objetivo diseñar e implementar material didáctico basado en la teoría de la carga cognitiva, particularmente usando el efecto de ejemplos resueltos, en combinación con la identificación de planes de programación, para la materia de estructura de datos con el objetivo de medir la efectividad de dicho material en el aprendizaje de los alumnos que estudian materias afines a las ciencias computacionales de la Universidad Autónoma de Aguascalientes. Las bases teóricas de la investigación son: Teoría de la Carga Cognitiva, Efecto de ejemplo resuelto, Efecto de atención dividida y Planes de programación. La teoría de la carga cognitiva (Sweller et al., 2019) fue desarrollada como una teoría de diseño instruccional basada en aspectos de la arquitectura cognitiva humana. Teniendo como componentes básicos, la memoria de trabajo, la memoria a largo plazo y su relación entre ellas. La capacidad y duración se vuelve limitadas en la memoria de trabajo cuando tiene que procesar información nueva, pero estas limitaciones desaparecen cuando la memoria de trabajo procesa información que previamente fue almacenada en la memoria de largo plazo. La memoria de largo plazo es virtualmente ilimitada en capacidad, almacenando la información en forma de esquemas. Los ejemplos resueltos se centran en los diferentes estados de un problema y en los pasos de la solución, lo que permite a los alumnos inducir soluciones o esquemas generalizados (Sweller et al., 1998). Por lo que estudiar utilizando ejemplos resueltos puede facilitar la construcción de esquemas y transferir el 13 proceso de resolver el problema más que realmente resolver los problemas equivalentes. (Van Merriënboer, 1990) define los planes de programación como: “Secuencias estereotípicas de instrucciones de computadora o plantillas de lenguaje de programación. Esas plantillas pueden estar relacionados con una línea de programa (por ejemplo., PRINT “text”; variable), varias líneas de programa (por ejemplo., una estructura de bucle con inicializaciones adecuadas sobre el bucle y contadores o totales acumulados colocados correctamente dentro del bucle) o programas completos (por ejemplo., una plantilla general de entrada-procesosalida). Por lo tanto, mientras que las plantillas de bajo nivel proporcionan declaraciones para usar en una situación particular, las plantillas de alto nivel son aplicables en una variedad cada vez más amplia de situaciones.” Los planes de programación son plantillas de código, las cuales pueden ser una línea de código (la declaración de una variable, o la operación entre dos variables), varias líneas de código (una estructura de bucle, una estructura condicional) o programas completos (una plantilla de entrada-proceso-salida). Teniendo plantillas con niveles de complejidad variados. Para la medición de la efectividad de la solución desarrollada, se llevó a cabo un cuasiexperimento con dos grupos (Control n = 35, Experimental n = 36) alumnos de 3° semestre de la carrera de Ingeniería en Sistemas Computacionales de la Universidad Autónoma de Aguascalientes. El análisis de diferencias de medias de muestras relacionadas (pre-post) del grupo experimental, mostró que existieron ganancias significativas en el aprendizaje de listas simplemente ligadas, sugiriendo que la herramienta desarrollada a partir de la teoría de la carga cognitiva tuvo un efecto positivo en el aprendizaje de los estudiantes.

This research aims to design and implement teaching material using the Worked Example, and Split Attention effects of Cognitive Load Theory, combining the identification of programming plans, all within the subject of data structures. Included in the objectives is the empirical measurement of the effectiveness of the material with subjects related to computer science at the Autonomous University of Aguascalientes. Cognitive Load Theory was developed as an instructional design theory based on aspects of human cognitive architecture. It identifies as its basic components, working memory, long-term memory, and the relationship between them. Working Memory has limited capacity and duration but it´s the place where new information is processed. These limitations are reduced when Working memory retrieves information that was previously stored in the long-term memory. Long-term memory is said to be virtually unlimited in capacity, storing information in the form of schemas. Worked examples focus on showing the different states and steps of a problem and its solution, allowing students to identify and store generalized solutions or schemas (Sweller et al., 1998). And so, it is theorized that using worked examples can make it easier to build Schemas and transfer the process of solving to long term memory rather than solving the equivalent problems with general problem-solving strategies. Other theoretical aspect of this research where focused on what Van Merriënboer, (1990) defines as programming plans: Stereotypical sequences of computer instructions or programming language templates. Those templates can be related to one program line (e.g., PRINT "text"; variable), multiple program lines (e.g., a loop 15 structure with proper initializations to the loop, and counters or totals correctly placed inside of the loop) or complete programs (e.g., a general input-process-output template). Therefore, while low-level templates provide statements for use in a situation, high-level templates are applicable in an increasingly wide variety of situations. And so, programming plans are code templates, which can be one line of code (the declaration of a variable, or the operation between two variables), several lines of code (a loop structure, a conditional structure) or complete programs ( an input-process-output template). Having templates with varying levels of complexity. To measure the effectiveness of the developed software solution, a quasiexperiment was carried out with two groups (Control n = 35, Experimental n = 36) of 3rd semester students of the Computer Systems Engineering degree at the Autonomous University of Aguascalientes. The corresponding t test of related samples (pre-post) of the experimental group, showed that there were significant gains in learning simple linked lists, suggesting that the tool developed from the theory had a positive effect on student learning.