Inovace vybraných předmětů matematiky, fyziky a informatiky za účelem zvýšení úspěšnosti ve studiu

Návrh projektu v IP 2017, okruh A1 Kvalitní vzdělávací činnost, části A1.1 a A1.2


Vybrané výstupy projektu

Výukové materiály

K předmětu KMA/P113 (K113) Repetitorium matematiky byly vytvořeny interaktivní testy, které jsou dostupné na portálu Moodle.

K předmětu KMA/P227 (K215) Teorie grafů byla vytvořena sbírka úloh, která je dostupná na odkaze

K předmětu KMA/P232 (K216) Vybrané partie z matematiky byla vytvořena sbírka neřešených úloh s návody k řešení a výsledky, a to jak pro prezenční formu studia, tak v rozšířené podobě pro kombinovanou formu studia. Materiály jsou dostupné na portálu Moodle (o zápis na kurz je nutné požádat vyučující předmětu).

K předmětu KFY/P313 (K314) Fyzika II resp. KFY/P411 (K301) Kmity a vlny. Optika byla vytvořena sbírka úloh a dokument s výsledky (případně řešeními).

Analýza příčin neúspěšnosti ve studiu matematiky

Analýza neúspěšnosti studentů PřF UJEP pro předmět KMA/P113 (K113) Repetitorium matematiky

Předmět KMA/P113 (resp. KMA/K113 pro kombinovanou formu studia) je zařazen hned na úvod bakalářského studia do zimního semestru 1. ročníku a je zakončen zápočtem. Je určen pro všechny studenty, kteří ve svém studiu absolvují matematické disciplíny, jakožto vyrovnání znalostí matematiky ze střední školy mezi jednotlivými studenty. Předmět nepředstavuje co do obsahu nikterak náročnou disciplínu z hlediska matematiky, avšak vzhledem k velmi rozdílné úrovni matematických znalostí a dovedností nastupujících do bakalářského studia vykazuje poměrně významnou neúspěšnost, která se následně promítá i do neúspěšnosti v jiných matematických disciplínách (např. v Úvodu do matematiky, v Lineární algebře a geometrii a dalších).

Příčiny neúspěšnosti lze hledat ve dvou oblastech. Jde jednak o úroveň znalostí a dovedností v oblasti středoškolské matematiky při vstupu do studia. V tomto předmětu, více než v jiných, se musí studenti opírat o zkušenosti z předcházejících stupňů vzdělávání. Dále pak jde obecně o studijní a pracovní návyky, které si studenti teprve vytvářejí, avšak povaha tohoto předmětu vyžaduje dlouhodobou a soustavnou přípravu.

V zimním semestru ak. roku 2017/2018 se do předmětu KMA/P113 přihlásilo celkem 135 studentů (resp. 65 studentů v kombinované formě pro předmět KMA/K113). Z toho 78 získalo zápočet v řádném nebo opravném termínu. Z 57 studentů, kteří zápočet nezískali, jich 6 oficiálně ukončilo studium v průběhu semestru a 18 studentů absolvovalo (neúspěšně) alespoň jeden zápočtový test. Zbylých 33 studentů přestalo kurz navštěvovat v průběhu studia nebo se na závěrečný test nedostavili.

Pro tuto oblast středoškolské matematiky je dostupná řada materiálů a i v minulosti vznikl text určený právě pro tento kurz. Avšak problém spatřujeme především v tom, že studenti obtížně rozkládají poměrně obsáhlou a pracnou náplň do celého semestru. Proto by v rámci tohoto projektu měl vzniknout Moodle kurz (e-learningová podpora výuky na kacer.ujep.cz), který pomůže se sebeřízením studentů formou self-testů a tematickým rozdělením obsahu, které odpovídá tématům jednotlivých cvičení v průběhu semestru a umožní tak vyučujícím přiřazovat k jednotlivým lekcím příslušné e-learningové aktivity.

Analýza neúspěšnosti v předmětu Teorie grafů

Analýza se zabývá akademickým rokem 2016/2017, přičemž sleduje obě formy studia – prezenční a kombinovanou u předmětu Teorie grafů (KMA/P227 a KMA/K215).

Data
P227

Celkový počet zapsaných studentů: 70
Počet studentů, kteří zanechali studia: 15

  • z nich ani jeden nesplnil podmínky pro udělení zápočtu
  • 4 studenti se aktivně (tj. chyběli méně než pětkrát) zúčastňovali výuky

Počet studentů, kteří získali zápočet: 21
Počet studentů, kteří úspěšně vykonali zkoušku: 21

  • hodnocení
    • výborně: 1
    • velmi dobře: 4
    • dobře: 16
  • termíny
    • první: 13
    • druhý: 6
    • třetí: 2
K215

Celkový počet zapsaných studentů: 18
Počet studentů, kteří zanechali studia: 2

  • z nich ani jeden nesplnil podmínky pro udělení zápočtu

Počet studentů, kteří získali zápočet: 4
Počet studentů, kteří úspěšně vykonali zkoušku: 3

  • hodnocení
    • výborně: 0
    • velmi dobře: 1
    • dobře: 2
  • termíny
    • první: 3
    • druhý: 0
    • třetí: 0
Interpretace získaných dat

Z výše uvedeného je zřejmé, že úspěšnost u tohoto předmětu se pohybuje kolem 30 % u studentů v prezenční formě studia a 17 % v kombinované formě studia. Za povšimnutí stojí také fakt, že daleko větší obtíží je získat zápočet než vykonat zkoušku. V podstatě každý, kdo získá zápočet, vykoná zkoušku. Obsahově předmět odpovídá předmětům vyučovaným na jiných univerzitách, tedy neúspěch nelze přičítat disciplíně jako takové. Domnívám se na základě rozboru písemných prací studentů a rozhovorů s nimi, že příčin jako takových je více.

  1. Předmět je nasazen do prvního roku studia, tedy pro řadu studentů může být přechod ze střední školy na vysokou školu poměrně obtížný. Způsob kontrol, jak je zaveden na vysokých školách, neodpovídá dlouhodobému systematickému „tlaku“, který je na středních školách.
  2. Předmět Teorie grafů je matematickou disciplínou a
    • je vyučován jako matematická disciplína. V případě studentů informačních systémů, se možná jedná o pro ně neobvyklý přístup, neboť systém definice-věta-důkaz jim nemusí být vlastní. Korektní provedení důkazu bývá obvykle časově náročnější a na přednáškách je proto méně prostoru pro příklady. Přestože v přednášce se objevují pouze (objektivně) jednoduché důkazy, jejich pochopení a následné zvládnutí může být pro studenty, kteří se tomu aktivně nevěnují, poměrně náročné.
    • je obsahově zkoušen jako matematická disciplína. Vzhledem k počtu zapsaných studentů je zkouška písemná a v případě nejasností s ústním vysvětlením. Zkouška je vždy monotematická a její skladba je následující: (1) definice; (2) standardní úloha (obvykle jsou dvě); (3) důkaz nějakého tvrzení; (4) nestandardní úloha. Všechny úlohy jsou poměrově bodované. Pro hodnocení známkou dobře stačí, když student zvládne části (1) a (2). Za každou další zvládnutou část se zlepšuje hodnocení výkonu. Domnívám se, že skladba zkoušky koresponduje s celkovým hodnocením studentů. Studenti IS mají obtíže s důkazy a na této úloze v řadě případů ztrácejí body, neboť v řadě případů se snaží zpaměti přepsat důkaz. Stejně tak i v případě nestandardní úlohy v řadě případů něco opominou.
  3. V případě kombinované formy studia je situace do značné míry ztížena tím, že předmět není zcela pokryt jedním učebním textem. Zatímco pro výkladovou část existuje učební text, pro část věnovanou cvičení již tomu tak není. Text ke cvičením vzniká postupně a je stále rozšiřován o další úlohy, které se objevily na cvičeních.
  4. V případě kombinované formy studia je kontaktní část výuky realizována pomocí čtyř setkání. Tato setkání by měla sloužit především k řešení problémů, se kterými se studenti setkali v rámci samostudia. Obvyklé to však není, a aby nevyšla tato setkání nazmar, tak se přednáší. Přestože je to několikrát zdůrazňováno, tak kontaktní část výuky, byť by se pouze přednášelo, nemůže pokrýt obsah celého kurzu, což však studenti někdy opomíjejí.
Závěr

Lze říci, že aby klesla celková neúspěšnost ve studiu Teorie grafů, bylo by záhodno lépe motivovat studenty k průběžnému studiu a to jak v prezenční, tak v kombinované formě studia. V případě kombinované formy studia je také záhodno rozšířit portfolio nabízených učebních zdrojů tak, aby byl pokryt obsah více různými výukovými formami.

Analýza neúspěšnosti studentů předmětu Vybrané partie z matematiky (KMA/P232, KMA/K216)

Předmět Vybrané partie z matematiky je vyučován v letním semestru prvního ročníku prezenčního studia oborů Aplikované nanotechnologie, Informatika (dvouoborové), Aplikované počítačové modelování a Informační systémy (pro poslední dva obory i v kombinované formě). Jeho obsahem jsou některé typy diferenciálních rovnic prvního a druhého řádu a diferenciální počet funkcí dvou a více proměnných. Předmět je ukončen zápočtem.

Hlavní příčiny neúspěšnosti studentů lze spatřovat především v obtížnosti probírané látky, která bezprostředně navazuje na látku vyučovanou v zimním semestru (diferenciální a integrální počet funkcí jedné proměnné), a nízké časové dotaci předmětu – v prezenční formě studia jedna hodina přednášky a jedna hodina cvičení týdně, v kombinované formě studia čtyři hodiny přednášky a čtyři hodiny cvičení za semestr.

V letním semestru akademického roku 2016/2017 mělo předmět zapsáno 38 studentů v prezenční formě studia, z nichž 21 získalo zápočet ve standardním termínu, dalších 10 po opravné písemné práci. Celkem 7 studentů zápočet nezískalo. Mezi úspěšnými studenty byla převážná část těch, kteří průběžně počítali zadané úlohy nebo úlohy ze sbírek a výsledky konzultovali s vyučujícím nebo tutorem, kterého mají k dispozici.

V tomtéž semestru si předmět zapsalo 7 studentů v kombinované formě studia, z nichž 4 získali zápočet a 3 zápočet nezískali. Příčinou nezískání zápočtu zde bez výjimky bylo nedostavení se k zápočtové písemné práci, kterému předcházela absence studentů na výuce.

Jako podpora pro zvýšení úspěšnosti byla pro studenty v prezenční formě studia vypracována sbírka úloh k jednotlivým probíraným tématům. Úlohy jsou neřešené, obsahují ale návod k řešení a výsledky. Pro studenty v kombinované formě studia byly vytvořeny rozšířené sylaby jednotlivých témat, které zahrnují seznam základních pojmů, dostupné literatury k daným pojmům a typové úlohy, které je nutno umět vyřešit. Dále vznikla komplexní sbírka neřešených úloh k předmětu. Všechny materiály jsou dostupné na STAGu a Moodlu katedry informatiky.

Vytvořené materiály poskytují dostatečné množství úloh na samostatné procvičování probírané látky, bez kterého se studenti vzhledem k obtížnosti předmětu a jeho nízké časové dotaci neobejdou.

Analýza neúspěšnosti studentů katedry fyziky pro předměty KFY/P411 (K301) Kmity a vlny. Optika a KFY/P313 (K314) Fyzika II

Předmět KFY/P411 (K301) Kmity a vlny. Optika je zařazen v zimním semestru 2. ročníku bakalářského studia a je realizován v prezenční (resp. kombinované) formě studia v rozsahu 4 h přednášky a 2 h cvičení týdně (resp. 16 h přednášky + 8 h cvičení týdně u kombinovaného studia). Předmět patří k těm nejobtížnějším a zároveň ke stěžejním disciplínám, s jehož splněním mívají studenti jak prezenčního, tak i kombinovaného studia často potíže. Jejich příčinou je jednak velký rozsah učiva a jednak nedostatek vhodné literatury přiměřené obtížnosti k procvičování učiva, ze které by studenti mohli čerpat, aniž by museli kombinovat několik různých zdrojů, které jsou navíc často určeny pro studenty jiného zaměření. V zimním semestru ak. roku 2016/17 bylo v prezenčním studiu zapsáno na tento předmět 6 studentů, z nichž pouze tři získali zápočet a dva z nich pak úspěšně složili i zkoušku. V kombinovaném studiu bylo v témže ak. roce zapsáno 8 studentů, z nichž zápočet získali také tři studenti, ale pouze jeden z nich úspěšně složil zkoušku.

Předmět KFY/P313 (K314) Fyzika II je také zařazen v zimním semestru 2. ročníku bakalářského studia a je realizován v prezenční (resp. kombinované) formě studia v rozsahu 4 h přednášky a 2 h cvičení týdně (resp. 12 h přednášky + 8 h cvičení týdně u kombinovaného studia). Tento předmět zahrnuje pouze některé vybrané partie z optiky, kterým je věnováno cca 1/3 výukového času. Předmět také patří k těm obtížnějším a zároveň představuje stěžejní disciplínu, s jejímž splněním mívají studenti jak prezenčního, tak i kombinovaného studia potíže, které mají stejné příčiny, jež byly již uvedeny výše. V zimním semestru ak. roku 2016/17 bylo v prezenčním studiu zapsáno 5 studentů, z nichž čtyři získali zápočet a tři z nich úspěšně složili také zkoušku. V kombinovaném studiu byli v témže ak. roce zapsáni 3 studenti, z nichž zápočet i zkoušku získali dva.

Sbírka úloh k výše uvedeným předmětům, která byla vytvořena v rámci projektu, poskytne studentům vymezený okruh vhodných problémů, které by měli umět vyřešit. Díky řešeným obtížnějším úlohám budou i studenti kombinovaného studia schopni řešit samostatně složitější úlohy, což dává dobrý předpoklad pro jejich větší úspěšnost jak při získávání zápočtů, tak při skládání zkoušky.

Analýza příčin neúspěšnosti ve studiu informatiky předmětů Programování I a II (KI/PGL1, KI/KPGL1, KI/PGL2, KI/KPGL2) a předmětů Úvod do číslicových systémů (KI/UCS, KI/UCS), Číslicové systémy (KI/CIS, KI/KCIS) a Programování hardwaru (KI/PGH, KI/KPGH)

Předměty Programování I a II jsou úvodními předměty programování v rámci celého studia oborů Informační systémy a Informatika (dvouoborové). Jsou však součástí i dalších studijních oborů. Obsahem těchto předmětů je úvod do procedurálního a objektového programování v jazyce C#.

Relativně velká neúspěšnost studentů v těchto předmětech má podle našeho názoru hned několik příčin:

  • nevyrovnaná úroveň výuky programování a algoritmizace na středních školách (na mnoha školách je nicméně nízká resp. nulová)
  • nedostatek materiálů (především sbírek příkladů) vhodných pro moderní výuku programování
  • nízká motivace studentů

U předmětů zaměřených na hardware a jeho programování (KI/UCS, KI/CIS a KI/PGH) je neúspěšnost studentů výsledkem podobných příčin, přičemž motivace je ještě výrazně ovlivněna dostupným technickým vybavením.

Některé z těchto příčin lze odvodit i z výsledků dotazníkového šetření, které jsme provedli mezi studenty na konci roku 2017 (viz příloha). Toto šetření se zaměřilo především na subjektivní zkušenosti studentů s výukou programování (co chybí) resp. na očekávání studentů (co by chtěli programovat a v čem). Šetření bylo zaměřeno na studenty druhých a vyšších ročníků.

Šetření potvrdilo, že studenti postrádají praktičtější příklady (více než 60 % studentů) s pestřejším pokrytím různých oblastí programování (40 %). To je dáno především tím, že studenti by rádi vytvářeli aplikace různých typů (výraznější podíl mají webové, mobilní a desktopové aplikace s grafickým uživatelským prostředím, nezanedbatelný je i podíl aplikací pro Internet věcí). Tato očekávání příliš nezávisejí na primární specializaci studentů (hardware/software). U studentů orientovaných na hardware je (jak bylo lze očekávat) větší zájem o aplikace pro Internet věcí (cca 40 %), ale i u nich hardwarově orientované aplikace netvoří majoritu.

Relativní spokojenost s vybavením katedry informatiky (jen 13 % studentů je nespokojeno) je pravděpodobně již ovlivněna nákupem sad Raspberry PI (součást tohoto projektu). Nespokojenost u studentů se zaměřením na programování hardware zůstává stále o něco vyšší (22 %). Jedním z důvodů je omezenější možnost využití vlastního notebooku.

Nákup sad Raspberry PI, které jsou svým hardwarem i softwarem zaměřeny na výuku programování, mohou tedy výrazně posílit motivaci studentů v obou typech předmětů. Nabízejí totiž podporu relativně jednoduchého programování ve všech oblastech preferovaných našimi studenty: od WWW aplikací (na straně serveru i klienta), přes jednoduché desktopové aplikace, až po aplikace pro Internet věcí. Navíc pro Raspberry PI existují didakticky hodnotné publikace a WWW stránky (i když prozatím výrazně převažují anglicky psané zdroje).