Ralf Teusner

• Massive Open Online Courses (MOOCs) open up new opportunities to learn a wide variety of skills online and are thus well suited for individual education, especially where proffcient teachers are not available locally. At the same time, modern society is undergoing a digital transformation, requiring the training of large numbers of current and future employees. Abstract thinking, logical reasoning, and the need to formulate instructions for computers are becoming increasingly relevant. A holistic way to train these skills is to learn how to program. Programming, in addition to being a mental discipline, is also considered a craft, and practical training is required to achieve mastery. In order to effectively convey programming skills in MOOCs, practical exercises are incorporated into the course curriculum to offer students the necessary hands-on experience to reach an in-depth understanding of the programming concepts presented. Our preliminary analysis showed that while being an integral and rewarding part of courses, practicalMassive Open Online Courses (MOOCs) open up new opportunities to learn a wide variety of skills online and are thus well suited for individual education, especially where proffcient teachers are not available locally. At the same time, modern society is undergoing a digital transformation, requiring the training of large numbers of current and future employees. Abstract thinking, logical reasoning, and the need to formulate instructions for computers are becoming increasingly relevant. A holistic way to train these skills is to learn how to program. Programming, in addition to being a mental discipline, is also considered a craft, and practical training is required to achieve mastery. In order to effectively convey programming skills in MOOCs, practical exercises are incorporated into the course curriculum to offer students the necessary hands-on experience to reach an in-depth understanding of the programming concepts presented. Our preliminary analysis showed that while being an integral and rewarding part of courses, practical exercises bear the risk of overburdening students who are struggling with conceptual misunderstandings and unknown syntax. In this thesis, we develop, implement, and evaluate different interventions with the aim to improve the learning experience, sustainability, and success of online programming courses. Data from four programming MOOCs, with a total of over 60,000 participants, are employed to determine criteria for practical programming exercises best suited for a given audience. Based on over five million executions and scoring runs from students' task submissions, we deduce exercise difficulties, students' patterns in approaching the exercises, and potential flaws in exercise descriptions as well as preparatory videos. The primary issue in online learning is that students face a social gap caused by their isolated physical situation. Each individual student usually learns alone in front of a computer and suffers from the absence of a pre-determined time structure as provided in traditional school classes. Furthermore, online learning usually presses students into a one-size-fits-all curriculum, which presents the same content to all students, regardless of their individual needs and learning styles. Any means of a personalization of content or individual feedback regarding problems they encounter are mostly ruled out by the discrepancy between the number of learners and the number of instructors. This results in a high demand for self-motivation and determination of MOOC participants. Social distance exists between individual students as well as between students and course instructors. It decreases engagement and poses a threat to learning success. Within this research, we approach the identified issues within MOOCs and suggest scalable technical solutions, improving social interaction and balancing content difficulty. Our contributions include situational interventions, approaches for personalizing educational content as well as concepts for fostering collaborative problem-solving. With these approaches, we reduce counterproductive struggles and create a universal improvement for future programming MOOCs. We evaluate our approaches and methods in detail to improve programming courses for students as well as instructors and to advance the state of knowledge in online education. Data gathered from our experiments show that receiving peer feedback on one's programming problems improves overall course scores by up to 17%. Merely the act of phrasing a question about one's problem improved overall scores by about 14%. The rate of students reaching out for help was significantly improved by situational just-in-time interventions. Request for Comment interventions increased the share of students asking for help by up to 158%. Data from our four MOOCs further provide detailed insight into the learning behavior of students. We outline additional significant findings with regard to student behavior and demographic factors. Our approaches, the technical infrastructure, the numerous educational resources developed, and the data collected provide a solid foundation for future research.…
• MOOCs (Massive Open Online Courses) ermöglichen es jedem Interessierten sich in verschiedenen Fachrichtungen online weiterzubilden. Sie fördern die persönliche individuelle Entwicklung und ermöglichen lebenslanges Lernen auch dort, wo geeignete Lehrer nicht verfügbar sind. Unsere Gesellschaft befindet sich derzeit in der sogenannten "digitalen Transformation". Von vielen Arbeitnehmern werden in diesem Zusammenhang zunehmend Fähigkeiten wie abstraktes Denken und logisches Schlussfolgern erwartet. Das Erlernen einer Programmiersprache ist eine geeignete Möglichkeit, diese Fähigkeiten zu erlangen. Obwohl Programmieren als geistige Disziplin angesehen wird, ist es zu einem gewissen Grad auch ein Handwerk, bei dem sich das individuelle Können insbesondere durch stetige praktische Anwendung entwickelt. Um Programmierkenntnisse effektiv in einem MOOC zu vermitteln, sollten daher praktische Aufgaben von vornherein in den Lehrstoff des Kurses integriert werden, um die vorgestellten Konzepte geeignet zu vertiefen und zu festigen. Neben denMOOCs (Massive Open Online Courses) ermöglichen es jedem Interessierten sich in verschiedenen Fachrichtungen online weiterzubilden. Sie fördern die persönliche individuelle Entwicklung und ermöglichen lebenslanges Lernen auch dort, wo geeignete Lehrer nicht verfügbar sind. Unsere Gesellschaft befindet sich derzeit in der sogenannten "digitalen Transformation". Von vielen Arbeitnehmern werden in diesem Zusammenhang zunehmend Fähigkeiten wie abstraktes Denken und logisches Schlussfolgern erwartet. Das Erlernen einer Programmiersprache ist eine geeignete Möglichkeit, diese Fähigkeiten zu erlangen. Obwohl Programmieren als geistige Disziplin angesehen wird, ist es zu einem gewissen Grad auch ein Handwerk, bei dem sich das individuelle Können insbesondere durch stetige praktische Anwendung entwickelt. Um Programmierkenntnisse effektiv in einem MOOC zu vermitteln, sollten daher praktische Aufgaben von vornherein in den Lehrstoff des Kurses integriert werden, um die vorgestellten Konzepte geeignet zu vertiefen und zu festigen. Neben den positiven Aspekten für die Lernenden weisen praktische Programmieraufgaben jedoch auch ein erhöhtes Frustpotential auf. Kryptische Fehlermeldungen und teils unbekannte Syntax überfordern insbesondere diejenigen Teilnehmer, welche zusätzlich mit konzeptionellen Missverständnissen zu kämpfen haben. Im Rahmen dieser Arbeit entwickeln und analysieren wir mehrere Interventionsmöglichkeiten um die Lernerfahrung und den Lernerfolg von Teilnehmern in Programmier-MOOCs zu verbessern. Daten von über 60.000 Teilnehmern aus vier Programmier-MOOCs bilden die Grundlage für eine Analyse von Kriterien für geeignete Programmieraufgaben für spezifische Teilnehmergruppen. Auf Basis von 5 Millionen Codeausführungen von Teilnehmern leiten wir Schwachstellen in Aufgaben und typische Herangehensweisen der Teilnehmer ab. Die Hauptschwierigkeit beim Lernen in einer virtuellen Umgebung ist die durch physische Isolation hervorgerufene soziale Entkopplung. Jeder Teilnehmer lernt alleine vor einem Bildschirm, ein gemeinsamer Stundenplan wie im klassischen Schulunterricht fehlt. Weiterhin präsentieren bestehende online Kurse den Teilnehmern in der Regel lediglich universell einsetzbare Lerninhalte, welche in keiner Weise auf die jeweiligen Bedürfnisse und Vorerfahrungen der individuellen Teilnehmer angepasst sind. Personalisierte Lerninhalte bzw. individuelles Feedback sind in MOOCs aufgrund der großen Anzahl an Teilnehmern und der nur kleinen Anzahl an Lehrenden oft nur schwer bzw. gar nicht zu realisieren. Daraus resultieren wiederum hohe Anforderungen an das individuelle Durchhaltevermögen und die Selbstmotivation der MOOC-Teilnehmer. Die soziale Entkopplung manifestiert sich sowohl zwischen den Teilnehmern untereinander als auch zwischen den Lehrenden und den Teilnehmern. Negative Folgen sind ein häufig verringertes Engagement und damit eine Gefährdung des Lernerfolgs. In dieser Arbeit schlagen wir als Gegenmaßnahme skalierbare technische Lösungen vor, um die soziale Interaktion zu verbessern und inhaltliche Schwierigkeiten zu überwinden. Unsere wissenschaftlichen Beiträge umfassen situationsabhängige Interventionen, Ansätze zur Personalisierung von Lerninhalten, sowie Konzepte und Anreize zur Verbesserung der Kollaboration der Teilnehmer untereinander. Mit diesen Maßnahmen schaffen wir es, kontraproduktive Blockaden beim Lernen zu lösen und stellen damit einen universell einsetzbaren Ansatz zur Verbesserung von zukünftigen Progammier-MOOCs bereit. Die aus unseren Experimenten gesammelten Daten zeigen, dass bei Programmierproblemen gewährtes Feedback von anderen Teilnehmern die Gesamtpunktzahl innerhalb des Teilnehmerfeldes durchschnittlich um bis zu 17% verbessert. Bereits das Formulieren des jeweiligen individuellen Problems verbesserte die Gesamtpunktzahl um etwa 14%. Durch situative Interventionen konnte weiterhin der Anteil der Teilnehmer, die nach Hilfe fragen, um bis zu 158% gesteigert werden. Die gesammelten Daten aus unseren vier MOOCs ermöglichen darüber hinaus detaillierte Einblicke in das Lernverhalten der Teilnehmer. Wir zeigen zusätzlich Erkenntnisse in Bezug auf das Verhalten der Teilnehmer und zu demografischen Faktoren auf. Die in dieser Arbeit beschriebenen Ansätze, die geschaffene technische Infrastruktur, das entworfene Lehrmaterial, sowie der umfangreiche gesammelte Datenbestand bilden darüber hinaus eine vielversprechende Grundlage für weitere zukünftige Forschung.…