Expeditie met de Marslander

Leren computationeel denken op Co-De

We zijn in het jaar 2025. Vooraleer je je studie definitief afrondt, wil je ervaring opdoen door een stage te volgen bij een bekende ruimtevaartorganisatie. Je mag er meedenken aan een nieuwe Marsexpeditie van de Mars Rover. Je werkt mee in het team dat de robot ter plaatse moet besturen. Zoveel mogelijk data uit bodemstalen verzamelen is de doelstelling van de missie. Hoe laat je de Mars Rover zo efficiënt mogelijk de bodemstalen ophalen? Hoe kan een robot obstakels vermijden? Je zit met je handen in het haar. Ontmoedigd beslis je om je prille carrière toch maar een andere wending te geven. Zulke complexe en omvangrijke problemen weet je immers niet aan te pakken.

Computationeel denken

Of kon deze anekdote ook anders zijn afgelopen? Welke vaardigheden hadden je kunnen helpen om je uitdaging met de marslander beter aan te pakken? Onder de noemer “computationeel denken” (Engels: “computational thinking”) treffen we veel elementen aan die een belangrijke rol spelen bij het oplossen van complexe, vaak computergerelateerde, problemen. Computationeel denken is een verzamelnaam voor vaardigheden en attitudes die ons kunnen wapenen in een snel evoluerende digitale maatschappij zoals de onze. Er zijn vijf belangrijke kernelementen te onderscheiden in computationeel denken: abstractie, veralgemening, decompositie, algoritmisch denken en evaluatie.

Figuur 1. De vijf kernelementen van computationeel denken en hun iconen op het leerplatform Co-De.

In ons voorbeeld speelt abstractie een rol wanneer je analyseert welke gegevens van belang zijn voor de marslander om voort te bewegen. Zo is het gemakkelijker om het marslandschap voor te stellen als een raster, waarbij je voor elke cel bijhoudt hoeveel bodemstalen er te vinden zijn. Je kan het ongekende terrein dan veel eenvoudiger voorstellen.

Door veralgemening toe te passen, kan de oplossing die het onderzoeksteam voorstelt misschien wel gebruikt worden in andere expedities in andere landschappen of met andere apparatuur. Of misschien zal het gekozen algoritme later aan de basis liggen voor de aansturing van een stofzuigerrobot?

Decompositie gaat dan weer over het opdelen van je probleem in subproblemen. De marslander wil niet alleen stalen verzamelen, maar moet ook obstakels in het landschap zien te ontwijken. Dit zijn twee problemen die onafhankelijk van elkaar kunnen worden opgelost.

Algoritmisch denken is nodig bij het bedenken van een stappenplan in welke volgorde de robot de bodemstalen zal oppikken. Als je robot beperkt is in z’n manier van bewegen, bijvoorbeeld door de helling van het landschap – naar welke plaatsen op het raster zou hij dan best eerst bewegen om zo veel mogelijk stalen te verzamelen? Door dit formeel te gaan bestuderen, zal je ondervinden dat telkens de naburige cel met de meeste stalen selecteren meestal niet tot het optimale resultaat leidt.

Het nadenken over efficiëntie en optimalisering maakt deel uit van evaluatie, het laatste kernelement van computationeel denken. Bij het oplossen van een probleem mag je niet uit het oog verliezen om regelmatig te reflecteren over je oplossing.

Onderwijs

Het begrip computationeel denken wint sinds het begin van dit millennium aan belang. In veel landen wordt nu geopperd om computationeel denken een vaste plaats te geven binnen het onderwijs. Dit blijft ook in Vlaanderen niet zonder gevolg. Sinds september 2018 maakt computationeel denken, vervat in het begrip digitale geletterdheid, deel uit van het leerplan voor basisscholen van het katholiek onderwijs. Voor de eerste graad secundair onderwijs keurde de Vlaamse regering in juli 2018 nieuwe eindtermen goed. In die eindtermen is computationeel denken ook één van de grote peilers voor digitale geleterdheid. Ten slotte werden voor het secundair onderwijs in 2015 een aantal aanbevelingen gepubliceerd door de KVAB. Die aanbevelingen moeten nog (deels) gerealiseerd worden, zodat ook de laatste graad secundair onderwijs voldoende in aanraking komt met computationeel denken.

[...] Het is vooral belangrijk dat er continuïteit is. Dat het niet stilvalt na het basisonderwijs, maar ook dat je die vaardigheden kunt verfijnen naarmate de kinderen ouder worden.

(Professor Frank Neven, uit: Het Belang Van Limburg, 29 juni 2018)

Co-De: online platform om te leren computationeel denken

Om het leren computationeel denken zo effectief en plezierig mogelijk te laten verlopen, werd het online leerplatform Co-De onderworpen. Leerkrachten uit het secundair onderwijs kunnen er uitgewerkte lessen vinden die handelen rond een bepaald thema of concept en telkens gebruik maken van een aantal kernelementen van computationeel denken. De lessen vertrekken telkens van zeer concrete problemen of puzzels die moeten opgelost worden, om dan stapsgewijs kennis te maken met algemenere concepten. Elke les biedt een scala aan mogelijkheden voor differentiatie. Zo kunnen leerkrachten het standaard leerpad (de volgorde van de lesonderdelen) van een les aanpassen door lesactiviteiten te herordenen of te wijzigen. Als leerkracht kan je ook het niveau van ondersteuning in de oefeningen selecteren, want vaak is een online oefening in verschillende versies beschikbaar. Leerlingen kunnen zich nadien inschrijven op zo’n les en het aangeboden leerpad sequentieel doorlopen.

De lesactiviteiten genieten een interactieve aanpak dankzij animaties en opdrachten. Die opdrachten kunnen zowel “unplugged” - zonder computers - als online zijn. Dit alles wordt verder aangevuld met verwante problemen, die uitnodigen tot verder nadenken. Er zijn momenten voor discussie ingebouwd en de leerkrachten kunnen eveneens hun eigen inhoud toevoegen.

Co-De bundelt op dit moment vier lessen rond computationeel denken die voor iedereen toegankelijk zijn. Benieuwd naar hoe het verhaal van de marslander op Co-De afloopt? Kom dan eens een kijkje nemen op http://computationeeldenken.org.

Figuur 2. Interactieve opdracht uit de les "De marslander" waarbij de leerling de optimale reisweg mag zoeken voor de marslander.