’Computational Thinking’ i bioteknologi

Materialet er leveret af fagkonsulent Ole Fristed Kunnerup som supplement til vejledningen for faget.

Om Computational Thinking (CT)

Computational thinking (CT) blev introduceret som begreb i 1980 af Seymour Papert, som beskrev det i bogen “Mindstorms – children, computers, and powerful ideas”. Begrebet blev taget op af Jeannette Wing i 2006 og defineret som: Computational thinking is the thought processes involved in formulating a problem and expressing its solution(s) in such a way that a computer – human or machine – can effectively carry it out.

Siden er CT internationalt hastigt blevet en del af almendannelsen i skolen på alle klassetrin - og gymnasiereformen i Danmark anno 2016 indeholder nogle tiltag på området: dels omkring det nye fag ’Informatik’ og dels vedrørende generelle kompetencer indenfor digital dannelse. (Efter ”Gymnasiepædagogik – en grundbog”, Michael E. Caspersen, kap. 4.15, 3.udg, 2017).

Center for Computational Thinking and Design (CCTD) på Aarhus Universitet arbejder med forsknings- og uddannelsesmæssige perspektiver på “21st entury learning skills”, og har i den forbindelse taget initiativ til og deltaget i projektet ”Computational Thinking i gymnasiefag”.

Projektet blev gennemført i 2017 og støttet økonomisk af RegionMidt.

Eksempelmateriale på CCTD's hjemmeside

De nedenfor beskrevne eksempler er udviklet som del af dette projekt i et samarbejde med CCTD og ni midtjyske gymnasier. Eksemplerne består af computermodeller og tilhørende elevaktiviteter, og er afprøvet på 15 hold med i alt 210 elever.

Principperne for design af undervisningsforløbene er baseret på CMC modellen, hvor Coding, Modelling og Content integreres. Generelt kombinerer et forløb aktiviteter og læringsmål fra både bioteknologi-faget og CT i arbejdet med den centrale computermodel. Eleven arbejder med fænomener, begreber og principper fra både faget og fra CT ud fra computermodellen, hvilket betyder at:

• De faglige fænomener, begreber og principper anvendes til at lære CT.
• De CT-faglige fænomener, begreber og principper anvendes til at lære faget.

Computermodeller

Computermodellerne er programmeret i programmerings- og modelleringsmiljøet NetLogo. NetLogo er agentbaseret og udmærker sig ved at have et intuitivt programmeringssprog og lav tærskel med hensyn til at bruge, ændre og skabe nyt i modellen. NetLogo giver eleverne mulighed for at arbejde med komplekse problemstillinger omkring modellering, som går på tværs af fag.

Om forløbene

Forløbene starter med en introduktion til værktøjet (NetLogo) i form af to korte videoer som eleverne ser. Formålet med dette trin er at gøre eleverne så fortrolige med og nysgerrige på programmeringsmiljøet, at de har mod på de næste trin i forløbet. Disse er:

• Fri Leg: Formålet med dette trin er at stimulere elevernes nysgerrighed og ultimativt lade dem forme deres egen mening om hvilke faglige fænomener, begreber og principper, modellen udtrykker.
• Model & Fag: Formålet med dette trin er, at eleverne erkender, hvorfor og hvordan modellen er faglig relevant for at udforske en problemstilling i faget.
• Interface & Kode: Formålet med dette trin er at få eleverne til at forklare og udforske sammenhængen mellem modellens udtryk i brugergrænsefladen (dvs. de faglige fænomeners adfærd i interface) og modellens underliggende programmering (kode).
• Ændringer til koden: Formålet med dette trin er at gøre eleverne fortrolige med at udforske og ændre i koden, med deraf følgende ændringer i modellens interface, herunder agenternes adfærd - både individuelt og kollektivt.

Omfang og forudsætning

Et helt undervisningsforløb med elevaktiviteter forventes at tage mellem 75-90 minutter.

Som lærer vil man sikkert have brug for en optakt til forløbet i form af gennemgang af bioteknologisk relevant teori om emnet, og sikkert også en form for evaluering af aktiviteterne og perspektivering til det faglige stof i bioteknologi efterfølgende.

Kort beskrivelse af computermodellerne

Reaktionshastighed

Der fokuseres på nogle af de faktorer der påvirker reaktionshastigheden af en kemisk reaktion. Eleverne får gennem arbejdet med modellen mulighed for at se effekten af, hvad der sker på det mikroskopiske niveau, i det makroskopiske niveau, og for at se hvad et indgreb på det mikroskopiske niveau betyder for det makroskopiske fænomen. Eleverne introduceres derved til udvalgte elementer af computational thinking: abstraktion, modellering og algoritmer (sekvens, iteration og selektion).

Cellemembran

Modellen præsenterer to typer af transport over en cellemembran, henholdsvis passiv diffusion ved osmose (vandmolekyler) og passiv diffusion ved hjælp af en ligandstyret ionkanal (transportprotein til natrium-ioner). Igennem arbejdet med en simpel repræsentation af disse transportformer over cellemembranen kan eleverne bruge, ændre i og tilføje elementer til simuleringen. Eleverne introduceres derved til udvalgte elementer af computational thinking: abstraktion, modellering og algoritmer (sekvens, iteration og selektion).

Undervisningsforløb, modeller og videoer

Forløbsbeskrivelserne, modeller til download og de vejledende videoer kan findes på nedenstående hjemmeside:

Reaktionshastighed CCTD’s hjemmeside under ’Projects’

Cellemembran CCTD’s hjemmeside under ’Projects’.