Computational Thinking as a Cognitive Construct: Cognitive Correlates, Assessment & Curriculum Design

Abstract

Computational thinking (CT) has been coined a fundamental 21st skill comparable to literacy and numeracy. As a cognitive ability underlying programming and coding skills, CT has been suggested to be fostered early on in education. Accordingly, the last decade significant research effort has been devoted to developing educational activities for CT, integrated into formal and informal educational settings. However, despite the various research on CT, its definition and the respective assessment approaches are still in their infancy. Consequently, the lack of a consensus definition of CT and the limited validated assessment tools for measuring CT restrain the empirical evaluation of the proposed educational materials. This thesis aims to investigate CT as a cognitive construct and provide an evidence-based definition for it, focusing on the underinvestigated population of elementary school children. To achieve this, first, a review of the literature was conducted to identify concrete CT concepts. Accordingly, a CT curriculum for 3rd and 4th graders was developed, taking into consideration the complexity of the CT concepts and therefore integrating game-based and embodied activities to provide a low-threshold introduction to CT. The novel parts of the curriculum, which are a series of life-size board games, were iteratively evaluated for their usability with adults and children before being integrated into it. After improvements to the games, the curriculum underwent a pilot and an effectiveness evaluation, the latter one designed as a randomized control field trial. In order to measure the effectiveness of the curriculum, a CT assessment tool was developed. Additionally, a correlational analysis was performed in both evaluation phases in order to investigate associations of CT with other cognitive abilities, and therefore complement the nomological network of CT and define the construct. Results on the effectiveness of the curriculum showed positive effects on students’ CT abilities and therefore appropriateness of the curriculum design, the development and evaluation procedures followed. Moreover, the proposed CT assessment seems reliable for measuring CT at elementary school students and can be used in future studies. Results on the cognitive correlates of CT revealed positive associations of CT with verbal reasoning-, non-verbal visuospatial-, and complex numerical abilities. These results, compared to similar research in other age groups, show similarities but also differences. This implies that CT development is supported by different cognitive abilities across age groups. Additionally, the cognitive abilities investigated in this research could only partially explain CT. This further supports the argument that CT is a specific cognitive ability that builds on and recruits a convolute of several other cognitive abilities, which are not yet extensively investigated in relation to CT.

Computational Thinking (CT) Computational Thinking (CT) [Informatisches Denken] ist eine essentielle Fähigkeit des 21. Jahrhunderts, die von Ihrer gesellschaftlichen Bedeutung mit Lesen, Schreiben und Rechnen vergleichbar ist. Diese kognitive Fähigkeit bildet eine Grundlage für Programmier- und Kodierfähigkeiten. Damit ist sie heutzutage zentral für die Ausübung vieler Berufe. Aufgrund dessen gibt es Bestrebungen, CT frühzeitig während der Schulbildung zu fördern. Dementsprechend wurden in den letzten zehn Jahren erhebliche Anstrengungen unternommen, um Bildungsaktivitäten für CT zu entwickeln, die in formelle und informelle Bildungssituationen integriert werden können. Trotz der verschiedenen Forschungen zu CT stecken seine Definition und die entsprechenden Bewertungsansätze noch in den Kinderschuhen. Das Fehlen einer einheitlichen Definition sowie die nur begrenzt validierten Bewertungsinstrumente zur Messung von CT schränken die empirische Evaluation der vorgeschlagenen Lehrmaterialien folglich ein. Das Ziel dieser Arbeit ist es, CT als kognitives Konstrukt zu untersuchen und eine evidenzbasierte Definition dafür zu liefern. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der noch wenig untersuchten Population von Grundschulkindern. In einem ersten Schritt wurde eine Literaturanalyse durchgeführt, um konkrete CT-Konzepte zu identifizieren. Darauf aufbauend wurde ein CT-Lehrplan für Schüler*nnen der 3. und 4. Klasse entwickelt, der die Komplexität der CT-Konzepte berücksichtigt und spielbasierte und verkörperte („embodied“) Aktivitäten integriert, um eine einfache Einführung in CT zu ermöglichen. Hierbei handelt es sich um eine Reihe lebensgroßer Brettspiele. Diese wurden vor ihrer Integration iterativ auf ihre Verwendbarkeit mit Erwachsenen und Kindern bewertet. Nach Verbesserungen der Spiele wurde der Lehrplan einer Pilot- und Effektivitätsbewertung unterzogen, wobei letztere als randomisierte Kontrollfeldstudie konzipiert wurde. Um die Wirksamkeit des Lehrplans zu testen, wurde ein CT-Bewertungsinstrument entwickelt. Zusätzlich wurde in beiden Bewertungsphasen eine Korrelationsanalyse durchgeführt, um Assoziationen von CT mit anderen kognitiven Fähigkeiten zu untersuchen und damit das nomologische Netzwerk von CT zu ergänzen und das Konstrukt zu definieren. Die Ergebnisse zur Wirksamkeit des Lehrplans zeigten positive Auswirkungen auf die CT-Fähigkeiten der Schüler*nnen und damit auf die Angemessenheit des Lehrplandesigns. Darüber hinaus scheint die vorgeschlagene CT-Bewertung für die Messung von CT bei Grundschüler*innen zuverlässig zu sein und kann in zukünftigen Studien verwendet werden. Die Ergebnisse zu den kognitiven Korrelaten von CT zeigten positive Assoziationen von CT mit verbalen Argumentations-, nonverbalen visuellen und komplexen numerischen Fähigkeiten. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit bereits existierenden Studien in anderen Altersgruppen zeigt viele Ähnlichkeiten, aber auch Unterschiede. Dies impliziert, dass die CT-Entwicklung durch unterschiedliche kognitive Fähigkeiten in verschiedenen Altersgruppen unterstützt wird. Darüber hinaus konnten die in dieser Studie untersuchten kognitiven Fähigkeiten CT nur teilweise erklären. Dies stützt ferner das Argument, dass CT eine spezifische kognitive Fähigkeit ist, die auf mehreren anderen kognitiven Fähigkeiten aufbaut und diese rekrutiert, was im Bezug auf CT noch nicht umfassend untersucht wurde.