Intelligent Support for Computer Science Education : Pedagogy Enhanced by Artificial Intelligence (Hardcover)

About the Authors? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Contributors? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Preface? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Acknowledgments? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? Section I??? Four Scientific Pillars Chapter?? 1 Introduction? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.1???????? AN INTERDISCIPLINARY PERSPECTIVE? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.2???????? THE STRUCTURE OF THE BOOK? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Chapter? 2 Related Work?With Stellan Ohlsson 2.1???????? COGNITION AND MULTIPLE MODES OF LEARNING? ? ? ? ? 2.1.1???????? Background? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.1.2???????? Nine Modes of Learning? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2.1.2.1???????? Discussion? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.2???????? PRAGMATICS AND DIALOGUE PROCESSING? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.3???????? INTRODUCTORY COMPUTER SCIENCE EDUCATION? ? ? ? ? 2.3.1???????? Elementary and Secondary Education? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.3.2???????? From high school to college? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.3.3???????? Post-Secondary Education for CS Majors? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.4???????? INTELLIGENT TUTORING SYSTEMS (ITSS)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.4.1???????? Natural Language Processing (NLP) for ITSs? ? ? ? ? ? 2.4.2???????? Modes of learning and ITSs? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.4.2.1???????? Positive and negative feedback? ? ? ? ? ? ? ? ?? 2.4.2.2???????? Worked-Out ?Examples? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.4.2.3???????? Analogy? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 2.5???????? ITSS FOR COMPUTER SCIENCE AND NLP? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.5.1???????? ITSs for CS? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.5.1.1???????? NLP in ITSs for CS? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? Section II From Human Tutoring to ChiQat-Tutor Chapter 3 Human tutoring dialogues and their analysis? ? ? ? With Stellan Ohlsson, Mehrdad Alizadeh, Lin Chen, and Rachel Harsley 3.1???????? DATA COLLECTION? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.1.1???????? Learning? outcomes? in human tutoring? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.1.2???????? Measuring learning gains? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.1.3???????? Learning e?ects? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.2???????? TRANSCRIPTION AND ANNOTATION? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.2.1???????? Annotation? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.2.1.1???????? Validating the corpus annotation? ? ? ? ? ? ? ? 3.3???????? DISTRIBUTIONAL ANALYSIS? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.3.1???????? Elementary Dialogue Acts? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.3.2???????? Student Initiative? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.3.3???????? Episodic Strategies? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.4???????? INSIGHTS FROM THE CORPUS: PEDAGOGICAL MOVES? AND LEARNING? ? 3.4.1???????? Individual Dialog Acts (Type ?1 Models)? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.4.2???????? Sequences of Dialogue Acts (Type ?2 Models)? ? ? ? ? ? 3.4.2.1???????? Bigram Models? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.4.2.2???????? Trigram Models? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.4.3???????? Episodic? strategies? (Type 3 Models)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.4.3.1???????? Worked-out examples? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.4.3.2???????? Analogies? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.5???????? SUMMARY: INSIGHTS FROM HUMAN TUTORING ANAL YSIS? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Chapter? 4 ChiQat Tutor and its architecture? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? With Omar AlZoubi and Christopher Brown 4.1???????? THE DOMAIN MODEL? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.1.1???????? Problem definitions? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 4.1.2??? Solution definitions 4.1.3??? Worked-Out Examples 4.1.4??? The Procedural Knowledge Model 4.2???????? USER INTERFACE? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.3???????? A BIRD’S EYE VIEW OF CHIQAT TUTOR IN ACTION? ? ? ? ? 4.3.1???????? Solution evaluator? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.4???????? TUTOR MODULE? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.4.1???????? Code? feedback:? syntax and executability? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.4.2???????? Reactive? & Proactive feedback? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.4.2.1???????? Reactive procedural feedback? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.4.2.2???????? Proactive procedural feedback? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.5???????? TRAINING THE PKM GRAPHS? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Chapter? 5 Evaluation in the classroom? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? With Rachel Harsley and Stellan Ohlsson 5.1???????? EVALUATION METRICS? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5.2???????? LEARNING WITH PROACTIVE AND REACTIVE FEEDBACK 5.2.1???????? Insights on learning from student behavior and perceptions of ChiQat-Tutor-v1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5.2.1.1???????? Student ?behavior? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5.2.1.2???????? Student ?satisfaction? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5.2.2??????????? Chiqat-Tutor, Version? 1: Summary of findings? ? ? 5.3???????? LEARNING WITH WORKED OUT EXAMPLES AND ANAL OGY? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5.3.1???????? WOE? and Analogy Conditions? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5.3.1.1???????? Standard WOEs? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5.3.1.2???????? Length and usage ?of WOEs? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5.3.1.3???????? Analogical? content in WOEs? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? 5.3.2??? Learning Linked Lists among non-majors 5.3.3??? Learning Linked Lists among majors 5.3.4??? Learning and Initial Student Knowledge 5.3.4.1??? Mining the logs: Predicting Knowledge 5.3.5???? Chiqat-Tutor, Version? 2: Summary of findings? ? ?? Section III Extending ChiQat-Tutor Chapter 6 Beyond Linked Lists: Binary Search Trees and Recursion? ?? With Mehrdad Alizadeh and Omar AlZoubi 6.1?? BINARY SEARCH TREES 6.1.1??? Pilot evaluation 6.2?? RECURSION 6.2.1??? Models for Teaching Recursion 6.2.1.1??? Conceptual Models 6.2.1.2??? Program Visualization 6.2.2??? A Hybrid Model for Teaching Recursion ChiQat-Tutor 6.2.3??? Evaluation of the recursion module 6.2.3.1??? Experimental Protocol 6.2.3.2??? Experiments at CMU Qatar 6.2.3.3??? Experiments at UIC 6.2.4??? Analysis of students’ interactions with the system 160 6.3?? SUMMARY? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? Chapter 7 A practical guide to extending ChiQat Tutor? ? ? 7.1???????? AN IMPLEMENTATION ARCHITECTURE? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 7.2???????? CASE STUDY: THE STACK TUTOR PLUGIN? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 7.2.1???????? Stack Plugin Design? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 7.2.2???????? Class ?structure? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 7.2.3???????? Setting up the stage? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 7.2.4???????? Graphical interface? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 7.2.5???????? Stack problem logic and feedback? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Chapter 8 Conclusions? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 8.1???????? WHERE WE ARE, AND LESSONS LEARNED? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 8.2???????? FUTURE WORK? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 8.2.1???????? Extending the curriculum? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 8.2.2???????? Enhancing communication with the student? ? ? ? ? ? 8.2.3???????? Mining the user logs, and deep learning? ? ? ? ? ? ? ? ?? Appendix A A primer on data structures? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? Appendix? B Pre /post tests? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Appendix C Annotation Manuals? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Appendix D Linked List Problem Set? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Appendix? E Stack Plugin Full Code? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Bibliography? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?