IN1020 Introduksjon til datateknologi En rapport fra introduksjonen høsten 2017 Dag Langmyhr, Omid Mirmotahari, Andreas Petlund, Kristin Skar, Håkon Kvale Stensland 15. august 2018
Innhold 1 Planlegging 1 1.1 Læringsmålene.................................... 1 1.2 Hovedstruktur.................................... 2 1.2.1 Programmering............................... 2 1.3 Faglærere....................................... 2 1.4 Lærebok........................................ 2 1.5 Forelesningene.................................... 2 1.5.1 Populærvitenskapelige forelesninger.................. 3 1.5.2 Gjesteforelesninger............................. 4 1.6 Gruppeøvelser.................................... 4 1.7 Obligatoriske oppgaver............................... 4 1.7.1 Fagfelleretting................................ 4 1.8 Eksamen........................................ 4 2 Gjennomføring 5 2.1 Forelesningene.................................... 5 2.1.1 De populærvitenskapelige forelesningene............... 5 2.1.2 Gjesteforelesningen............................. 5 2.2 Gruppeøvelsene................................... 5 2.3 De obligatoriske oppgavene............................ 5 2.3.1 Oppgave 1: kretskonstruksjon...................... 5 2.3.2 Oppgave 2: assemblerprogrammering................. 6 2.3.3 Oppgave 3: datanett............................. 6 2.4 Informasjon og kommunikasjon......................... 6 2.4.1 Nettforum................................... 6 2.5 Eksamen........................................ 7 2.5.1 «Sensur».................................... 7 2.5.2 Begrunnelser................................. 7 2.5.3 Utsatt og ny prøve.............................. 7 3 Studentenes tilbakemelding 9 3.1 Generelt inntrykk.................................. 9 3.2 Vanskelighetsgrad.................................. 10 3.3 Arbeidsmengde.................................... 10 3.4 Forelesningene.................................... 10 3.5 Perler fra kommentarene.............................. 11 4 Konklusjoner 13 4.1 Hovedstruktur.................................... 13 4.1.1 Lærebok.................................... 13 4.2 Forelesningene.................................... 13 4.2.1 Populærvitenskapelige forelesninger.................. 13 4.2.2 Gjesteforelesningen............................. 14 4.3 Gruppeøvelsene................................... 14 iii
4.4 Obligatoriske oppgaver............................... 14 4.5 Informasjon og kommunikasjon......................... 14 4.6 Eksamen........................................ 14 iv
Kapittel 1 Planlegging Kurset IN1020 Introduksjon til datateknologi er et helt nytt emne ved Ifi. Det ble først foreslått av Studielaben på allmøtet 17.9.2015 om felles førsteår i de nye studieprogrammene. Emnet ble beskrevet slik: Informatikk: Teori og maskinarkitektur (TEMA) Kunnskap om hvordan en datamaskin er bygget opp og hva som gjør at programmer kan bli effektive. Temaer som: formelle bevis/metoder, utsagnslogikk boolsk algebra, førsteordens logikk, transistor, integrerte kretser, digitale porter, datamaskinarkitektur inkludert virkningen av minnehierarki og cache, pipeline, flere-kjerne CPU, bus, maskinkode. 1.1 Læringsmålene Etter allmøtet ble det satt ned en arbeidsgruppe for å utarbeide læringsmål; den besto av Ole Herman Schumacher Elgesem (student) Dag Langmyhr Omid Mirmotahari Kristin Skar Michael Welzl Etter diverse diskusjoner kom gruppen frem til at emnet burde hete Introduksjon til datateknologi og ha disse læringsmålene: Etter å ha tatt IN1020: har du grunnleggende kjennskap til de viktigste komponentene i en datamaskin, hvilken funksjon de har og kunnskap om hvordan de virker sammen. kan du skrive enkel kode i maskinspråk og kjenner til hvordan denne utføres av en prosessor har du bred kunnskap om kommunikasjon gjennom datanettverk har du kunnskap om hvordan moderne distribuerte tjenester som sosiale nettverk og virtuelle datamaskiner i skyen fungerer har du kjennskap til ulike typer sikkerhetsproblemer og hvordan man kan beskytte seg 1
1.2 Hovedstruktur Utifra læringsmålene mente arbeidsgruppen at emnet burde bestå av fire omtrent like store deler: Digitalteknikk og datamaskinarkitektur Digital representasjon og assemblerprogrammering Datanett Datasikkerhet På den måten kunne emnet både dekke bredden i fagstoffet og også gå litt nærmere inn på enkelte sentrale felt. 1.2.1 Programmering Det var hele tiden klart at IN1020 ikke skulle være et programmeringskurs, både fordi programmering ikke var nevnt blant læringsmålene, men også fordi vi var redde for at to programmeringskurs første semester, med to ulike programmeringsspråk, ville forvirre studentene. 1.3 Faglærere Det var ikke unaturlig at gruppen som hadde definert læringsmålene og dermed hadde en oppfatning om hvordan et slikt emne burde undervises, selv var faglærere de første gangene emnet skulle undervises. Michael Welzl skulle ha forskningsfri høsten 2017, så hans faggruppe delegerte derfor oppgaven til Andreas Petlund og Håkon Kvale Stensland, slik at faglærerne for de ulike delene av emnet ble Digitalteknikk og datamaskinarkitektur: Omid Mirmotahari Digital representasjon og assemblerprogrammering: Dag Langmyhr Datanett: Andreas Petlund og Håkon Kvale Stensland Datasikkerhet: Kristin Skar 1.4 Lærebok Gruppene brukte noe tid på å lete etter egnet lærebok, men vi fant ingen som dekket et emne slik vi planla det. De lærebøkene vi så på, falt gjerne i én av to grøfter i forhold til vårt behov: de var enten for overflatiske og altomfattende, eller så dreide mesteparten av boken seg om programmering. Arbeidsgruppen bestemte seg da for å droppe lærebok og heller sørge for at vårt eget undervisningsmateriell ville være tilstrekkelig. Vi tenkte også at studentene kanskje ville være takknemlige for å slippe den utgiften. 1.5 Forelesningene Vi var enige om å undervise fagstoffet tema for tema, men med ett unntak: digitalteknikk/datamaskinarkitektur og assemblerprogrammering ble blandet fordi vi mente at disse feltene var så avhengig av hverandre at det ville berike undervisningen om de ble undervist tettere. Dette har vært gjort i emnet IN2270 Datamaskinarkitektur med godt resultat. Det var også enighet om at vi burde ha 2+1 timer forelesning hver uke. Dobbelttimen skulle være den viktigste, mens enkelttimen skulle tjene to formål: 2
I løpet av semesteret ville vi miste to dobbelttimer pga andre arrangementer (programseminaret på Sundvollen og dagen@ifi). Da kunne vi flytte det viktige fagstoffet til én eller to enkelttimer. Vi ønsket å tilby studentene populærvitenskapelige forelesninger; se nedenfor. Forelesningsplanen ble da som vist i tabell 1.1. Uke Dobbelttime Enkelttime 33 Info om kurset 34 Popvit: Datahistorie Datamaskinens anatomi 35 Digital representasjon Boolsk algebra 36 Logiske porter og ALU Popvit: Transistoren 37 CPUen og maskinkode Sekvensielle kretser 38 39 Assemblerkode Popvit: Fonter 40 Datamaskinarkitektur Minnehierarki 41 Operativsystemer Popvit: Kryptering 42 Lagdeling i Internett 43 Bruk av lagene i Internett Popvit: Historien om datanett 44 Tjenester i Internett Popvit: Peer2peer 45 Sikkerhetsmål og -tiltak 46 Tilgangskontroll Gjesteforelesning: UiOs tjenester for sensitive data 47 48 Oppsummering Tabell 1.1: Forelesninger i IN1020 høsten 2017 Vi var enige i at vi skulle foreta screencast-opptak (dvs opptak av presentasjonen med tegning på skjermen samt av foreleserens stemme) av forelesningene og at de skulle gjøres tilgjengelig for studentene. 1.5.1 Populærvitenskapelige forelesninger Arbeidsgruppen bestemte seg for å tilby flere populærvitenskapelige forelesninger. Disse skulle være faglig relevante, og således nyttig for studentenes forståelse av fagstoffet, men dårlig egnet for spørsmål på eksamen. Vi mente at det var mest redelig overfor studentene at de var klar over dette. Vi planla i alt fem slike popvit-forelesninger: Hvordan fant man på å lage datamaskiner, og hvorfor er de blitt som de er? Hvordan ble transistoren til? Fonter et eksempel på en teknologi alle bruker men få vet hvordan fungerer Kryptering til hverdag og fest Peer2peer fra Napster til TOR 3
1.5.2 Gjesteforelesninger Arbeidsgruppen mente det ville være interessant for studentene å høre om hvordan det foreleste fagstoffet benyttes i det «virkelige» liv. Vi fant plass til én slik gjesteforelesning: Gard O Sundby Thomassen ved USIT er prosjektleder for TSD (tjenester for sensitive data) som tilbyr lagring av, og muligheter for beregninger på, sensitive forskningsdata. 1.6 Gruppeøvelser IN1020 skulle være et ganske praktisk emne, så vi fant at en dobbelttime ukentlige øvelser var passe. Disse øvelsene skulle skje på datarom og oppgavene ble utformet slik at de egnet seg til å løses i smågrupper på en datamaskin. Vi la vekt på at en god del av oppgavene skulle løses i Linux slik at studentene ble vant til å bruke også dette operativsystemet. 1.7 Obligatoriske oppgaver Arbeidsgruppen vurderte ulike modeller for obligatoriske oppgaver, og vi fant ut at tre oppgaver som alle må godkjennes, var et passende antall, både med tanke på emnets faginnhold og studentenes samlede arbeidsmengde. 1.7.1 Fagfelleretting Arbeidsgruppen besluttet at første obligatoriske oppgave skulle benytte såkalt fagfelleretting («peer review») etter følgende opplegg: 1. Alle studentene leverer et svar på oppgaven. 2. Så blir hver besvarelse sendt anonymt til tre andre studenter som retter den og gir tilbakemelding i henhold til et detaljert skjema. 3. Hvis en student får OK fra minst to andre studenter, og retter sine tre tilsendte besvarelser, får vedkommende godkjent denne oppgaven. Gruppelærernes oppgave i denne formen for retting blir å føre oppsyn med rettingen, og å vurdere de besvarelsene som ikke får to OK fra medstudentene. 1.8 Eksamen Siden IN1020 er et breddekurs og fordi det ikke gis karakterer men bare bestått/ ikke bestått, mente arbeidsgruppen at digital eksamen med kun automatrettede oppgaver (dvs flervalgsoppgaver) var en god løsning. Vi skal ikke stikke under en stol at det å unngå alt styret rundt tradisjonell sensurering bidro til dette ønsket. 4
Kapittel 2 Gjennomføring Faglærernes generelle oppfatning er at gjennomføringen av kurset var ganske vellykket med tanke på at det var et helt nytt emne, men at det absolutt er rom for forbedringer. 2.1 Forelesningene Forelesningene ble greit gjennomført med godt oppmøte gjennom hele semesteret. Screencast-opptakene med TechSmith Relay fungerte bra, med unntak av én forelesning. Presentasjonene ble lagt ut rett før eller rett etter forelesningene. 2.1.1 De populærvitenskapelige forelesningene Popvit-forelesningen ble godt mottatt av de som var til stede, men det var skuffende få: kun 30 40 personer. 2.1.2 Gjesteforelesningen Denne var også vellykket, men også her var det veldig få til stede. 2.2 Gruppeøvelsene Gruppeøvelsene fungerte fint, og vårt inntrykk er at gruppelærerne gjorde en meget god innsats med å formidle fagstoffet. 2.3 De obligatoriske oppgavene De obligatoriske oppgavene var en viktig del av kurset: nå skulle studentene få prøvd lærdommen sin på et praktisk problem. 2.3.1 Oppgave 1: kretskonstruksjon Den første oppgaven var å konstruere en ørliten krets som kunne multiplisere et 4- bits positivt tall med 10. Oppgaven var ikke veldig vanskelig, men kretskonstruksjon var helt nytt for de fleste studentene, og de hadde derfor problemer med å forstå hvordan de skulle gripe an problemet. Da vi skjønte situasjonen, ble det satt inn ekstra ressurser for å hjelpe studentene med å forstå oppgaven: 5
Faglærer Omid arrangerte en ekstraforelesning med en veldig praktisk gjennomgang av hvordan man skulle løse problemet. Denne forelesningen trakk et fullsatt Simula-auditorium og vår oppfatning er at den var meget vellykket. Suhas Govind Joshi ved programrådet for Informatikk: design, bruk, interaksjon (hvis studenter kanskje hadde uttrykt større frustrasjon over oppgaven enn de andre) arrangerte et eget seminar for disse studentene. Etter disse tiltakene klarte de fleste å løse oppgaven. Fagfellerettingen Forsøket med fagfelleretting ble ikke vellykket. Vi benyttet Canvas gjennom BIBSYS, og svakheter i programvaren førte til at vi ikke hadde god nok støtte til å hente ut data vi trengte. Det var også et problem med skalering av en slik funksjonalitet for så mange (525) studenter. Canvas med BIBSYS var også ustabil, og dette førte til at studentene ikke alltid fikk lagret arbeidet sitt. 2.3.2 Oppgave 2: assemblerprogrammering Denne oppgaven gikk ut på å programmere noen få korte funksjoner som kunne konvertere mellom klokkeslett og antall sekunder; for eksempel er klokkeslettet 0:1:10 70 sekunder etter midnatt. For de fleste gikk dette rimelig greit, og en god del syntes oppgaven var altfor enkel. På den andre siden var det nødvendig å holde en ekstratime for de som måtte læres opp i klokken og hvordan man delte eller ganget med 60. 2.3.3 Oppgave 3: datanett Etter to teknisk tunge oppgaver la vi opp til en lettere oppgave der de kunne se effekten av teorien i praksis ved å benytte vanlige nettversverktøy og observere hva som skjedde. Oppgavene var strukturert slik at studentene ble gitt en oppgave som skulle utføres, de skulle deretter knytte de observerte resultatene til teorien som hadde vært undervist. Oppgaven gikk greit for de aller fleste, men flere tilbakemeldinger i kurskritikken tyder på at de ønsket oppgaver som gikk mer direkte på teorien i denne delen av kurset. 2.4 Informasjon og kommunikasjon Siden IN1020 var et nytt emne som til dels ble tilpasset underveis, var det viktig med god informasjon til studentene. Vi brukte Vortex flittig, og vårt inntrykk er at det fungerte bra: det viktige var at all informasjonen var tilgjengelig tidsnok og at den var samlet ett sted. 2.4.1 Nettforum Vi opprettet et nettforum for spørsmål og svar i verktøyet Piazza og dette fungerte helt ypperlig til formålet. De aller fleste studentene meldte seg inn, og nettforumet ble flittig benyttet. Svar på spørsmål kom både fra faglærere og studenter, og det opplevde vi som en pedagogisk styrke. 6
2.5 Eksamen Som tidligere nevnt, skulle eksamen bli en rent automatrettet eksamen i eksamensopplegget fra Inspera. Hvert av de fire fagfeltene skulle telle like mye, og faglærerne i hvert fagfelt laget sine oppgaver. Dette gikk greit (se http://www.uio.no/ studier/emner/matnat/ifi/in1020/h17/eksamen/eksamen-in1020-h2017.pdf), med ett unntak: I Inspera-systemet kan ikke flere personer jobbe med eksamenssettet samtidig, selv om de jobber på hver sin oppgave, og om noen avslutter arbeidet uten å logge ut, vil hele oppgavesettet være sperret for de andre i lang tid. Dette skapte noe forsinkelse og en del irritasjon. 2.5.1 «Sensur» Selve sensurabeidet ble borte i og med at eksamen var automatrettet. Det ble allikevel litt arbeid på grunn av svakheter i Inspera-systemet: Det var ikke mulig å få se noen fordeling av studentenes prestasjoner før sensuren var avsluttet av alle sensorene. Vi måtte derfor først avslutte sensuren, så bli enige om strykgrensen utifra det vi så av oppnådde poeng, og til sist åpne sensuren på nytt for endring. Dette krevde inngrep fra de ansvarlige ved fakultetet og sentralt ved UiO og tok noen dager. Vi ble enige om en strykgrense på 40 % og det ga 11 % stryk. 2.5.2 Begrunnelser Vi hadde håpet å slippe henvendelser om begrunnelser siden vi offentliggjorde eksamensoppgavene og fasiten rett etter eksamen. Studentene kunne se sin egen besvarelse i etterkant av eksamen, men ikke poengberegningen, så vi fikk mange henvendelser om akkurat det. En slik automatrettet eksamen reiste et nytt og antakeligvis ukjent problem ved UiO: Kan studentene etter en automatrettet eksamen klage på eksamenskarakteren sin og be om ny sensur av besvarelsen sin? 16 studenter gjorde det. Etter konferanse med utdanningsleder ved Ifi valgte vi følgende strategi: En ny sensur av besvarelsene innebærer bare at Inspera-beregningen av poeng gjøres én gang til, så resultatet av det er gitt. Den eneste beslutningen gjort av faglærerne/sensorene er å fastsette strykgrensen, men dette regnes som del av sensurveiledningen og ikke noe en klagekommisjon skal ta stilling til. Studentene som leverte klage på karakteren, fikk beskjed om dette samt en full oversikt over hvor mange poeng de hadde fått på hver enkelt deloppgave. 2.5.3 Utsatt og ny prøve 23. januar ble det avholdt ny og utsatt prøve i IN1020. 44 studenter gikk opp, og 39 av dem besto. Det betyr at det kun var 5 studenter blant de som var kvalifisert til å gå opp til eksamen, som ikke fikk godkjent kurset. 7
8
Kapittel 3 Studentenes tilbakemelding 140 av de ialt 575 studenter (dvs 24 %) svarte på kurskritikken. 3.1 Generelt inntrykk Hovedvurderingen av kurset er rimelig bra: 4,7 på en skala 1 7; se figur 3.1. Bra Dårlig Figur 3.1: Studentenes generelle inntrykk av kurset De positive tilbakemeldingene la vekt på viktig emne å få inn på Ifi, nyttig aktuelt og spennende stoff, svært lærerikt variasjonen av teori og praktisk innhold gode og engasjerte forelesere praktiske obligatoriske oppgaver På den negative siden mente studentene at manglende helhet, «rotete» ingen lærebok gikk for fort frem for mye stoff, for bredt uklare læringsmål for hvert tema 9
Vanskelig Lett Figur 3.2: Studentenes oppfatning av om kurset var vanskelig 3.2 Vanskelighetsgrad Studentene mente at emnet var litt vanskelig: 3,5 på en skala 1 5; se figur 3.2. 3.3 Arbeidsmengde På den andre siden syntes studentene at arbeidsmengden i kurset i det store og hele var passe: 3,1 på en skale 1 5; se figur 3.3. Mye Lite Figur 3.3: Studentenes oppfatning av arbeidsmengden i kurset 3.4 Forelesningene Forelesningene fikk jevnt god kritikk: 5,3 på en skala 1 7; se figur 3.4 på neste side. 10
Bra Dårlig Figur 3.4: Studentenes vurdering av kvaliteten på forelesningene 3.5 Perler fra kommentarene Her er noen sitater fra studentene: «Det var en veldig brå å skremmende start på kurset. Den første forelesningen var helt harmløs, hvor Dag og Omid visste oss de ulike delene i en maskin. Men de neste forelesningene var mildt sagt skremmende. Omid i seg selv er ikke skremmende, han er bare snill.» «Jeg opplever stor innsikt i mye etter å ha gjennomført dette kurset temaene relevant for å forstå morgendagens behov av data kompetanse.» «Klarte å sende en fil fra laptop til raspberry-pi uten hjelp fra andre, samtidig som jeg forstod hva jeg gjorde.» «Forakter over alt på jord å være avhengig av forelesninger for å lære pensum.» «Det merkes kanskje at Dag og Omid ikke er så gode venner :/» 1 «Det svarte alle spørsmålene jeg hadde vært for ukritisk til å spør opp gjennom mitt korte liv.» 1 PS. De er gode venner! 11
12
Kapittel 4 Konklusjoner 4.1 Hovedstruktur Vi i arbeidsgruppen mener at IN1020 i stor grad har funnet sin form, og at vår firedeling av fagstoffet var vellykket. 4.1.1 Lærebok Det er et klart ønske fra studentenes side å få en lærebok, så vi bør bruke en del tid på å finne en egnet lærebok. På den annen side vil vi ikke endre emnet for å tilpasse oss en eventuell lærebok; da vil vi heller skrive et eget kompendium. Et annet alternativ vi vil vurdere i tillegg til lærebok/kompendium er å presentere pensum gjennom noen «introduksjonsvideoer» og flere «live» oppgaveløsninger. 4.2 Forelesningene I det store og hele synes vi forelesningene fungerte bra, men at det nok blir noen mindre justeringer: Vi skal bli tydeligere på læringsmål for hver enkelt forelesning. Læringskurven for temaet digitalteknikk ble nok litt bratt. Vi bør revurdere rekkefølgen temaene undervises; for eksempel ble studentene (i hvert fall noen) litt forvirret av at undervisningen i starten vekslet mellom digitalteknikk og assemblerprogrammering. Forelesningen om operativsystemer hang litt i løse luften; den bør omarbeides eller fjernes til neste gang. I nettverksdelen må vi vurdere å bruke mer tid på å presentere pensum, da mange syntes det gikk svært fort frem. Vi må også bli flinkere til å presentere læremål og introdusere begreper grundig. Mer repetisjon av sentralt stoff er også ønskelig. 4.2.1 Populærvitenskapelige forelesninger Det var skuffende dårlig oppmøte på popvit-forelesningene, kun 20 40 stykker, så de vil vi sannsynligvis droppe. Studentene etterspør heller en form for plenumsgjennomgang av fagstoffet. 13
4.2.2 Gjesteforelesningen Denne fungerte for så vidt bra, så vi vil nok gjenta den. 4.3 Gruppeøvelsene Disse fungerte brukbart, men oppmøtet sank svært mye utover semesteret. Vi bør vurdere å strukturere opplegget litt mer, for eksempel i tråd med det som har vært gjort i IN1000. 4.4 Obligatoriske oppgaver Antallet oppgaver tror vi er passe, men vi bør nok justere selve oppgavene til neste gang: Oppgaven i digitalteknikk var i og for seg grei, men studentene trengte mye mer hjelp med hvordan de skulle ta fatt på oppgaven enn vi hadde tenkt. Oppgaven i assemblerprogrammering mente mange studenter var for enkel; den blir nok litt større neste år. Oppgaven i datanett fikk noe kritikk for i stor grad å følge en oppskrift. Vi hadde trodd at de ville sette pris på å prøve ting i praksis, men det ser ut til at det ikke stemte. 4.5 Informasjon og kommunikasjon I utgangspunktet vil vi faglærere ønske å benytte våre to hovedkanaler Vortex og Piazza også neste gang kurset gis. 4.6 Eksamen Digital eksamen med automatretting var i stor grad en suksess, så den formen vil vi nok holde på. 14