Tasarımcı bakış açısıyla hesaplamalı düşünmede prosedürel soyutlamanın değerlendirilmesi için bir yöntem
An evaluation method for a designer's procedural abstraction in computational thinking
Yazar: ELİF BELKIS ÖKSÜZ
Danışman: PROF. DR. GÜLEN ÇAĞDAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarım Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Dijital araçlar, robotik sistemler ve yapay zekâ uygulamaları gibi sıkça karşılaştığımız teknoloji ürünleri, günlük hayatımıza yerleştikçe bilişsel eylemlerimizi de belirgin biçimde etkilemektedir. Bu süreçte, bilişim teknolojilerinden en üst düzeyde verim elde edebilmek ve bu teknolojilerin gelişimine katkıda bulunabilmek adına, eğitim alanında farklı düşünme biçimleri karşımıza çıkmaktadır. Bu kapsamda en sık karşılaştığımız kavramlardan biri ise şüphesiz, Hesaplamalı Düşünmedir (HD). 
Eğitim alanında ilk defa programlama dillerinin pratiği çerçevesinde tanıdığımız bu düşünme biçimi; bugün yeni yaklaşımı çerçevesinde, farklı eylemler ve kavramların nitelikli birlikteliği ile ortaya çıkan bir bilişsel bir zihin aracı olarak nitelendirilmektedir. Bu kapsamda, Bilgisayar Bilimleri dışında, bilişim teknolojilerini aktif olarak kullanan çoğu disiplin tarafından yirmi birinci yüzyılın temel becerilerinden biri olarak kabul görmektedir. Farklı dersler ya da konu alanlarına uyumu söz konusu olduğunda ise HD, genellikle 'Soyutlama (Abstraction), Örüntü Tanıma (Pattern Recognition), Ayrıştırma (Decomposition) ve Algoritmik Düşünme (Algorithmic Thinking)' olmak üzere dört bilişsel değeri ile ele alınmaktadır. 
Yeni yaklaşımıyla, mimarlık eğitiminde, bilişim teknolojilerinin öğretim kültürü altında, HD'ye yer vermenin hem eğitimci hem de öğrenici açısından stratejik önem taşıdığını söylemek mümkündür. Sunduğu dört temel bilişsel değeri ile bu düşünme biçimi, mimarlık öğrencilerine tasarım, temsil ve üretim süreçlerinde doğru araç ve yöntemleri seçmelerine ve öğrencilerin karşılaştıkları problemleri ya da durumları formüle ederek ve hesaplama ortamına uyarlamaları için onlara eğitilmiş bir göz kazandırmaya yardımcıdır. Bu doğrultuda, söz konusu bilişsel değerlerin tasarımcı bakış açısıyla ve görsel düşünürlere yönelik öğrenim deneyimleriyle teşvik edilmesi, mimarlık eğitiminde HD'nin pedagojik uyumu çerçevesinde dikkate alınmalıdır ve bu kapsamda soyutlamanın, HD'nin diğer bileşenleri arasından öne çıktığını belirtmek mümkündür.
'Soyutlama' veya 'soyut düşünme' hem HD sürecinde ihtiyaç duyulan hem de tasarım eğitiminde teşvik edilen temel becerilerdendir. Ancak, tasarım bilimlerinin görsel düşünürler için sunduğu soyutlama yaklaşımı, HD bağlamında ihtiyaç duyulan soyutlama yaklaşımına kıyasla farklılık ihtiva eder. HD'de soyutlamaya, yöntemler ve işlemler üzerinden genellemeler yaparak prosedürel düzeyde ihtiyaç söz konusudur. Tasarım eğitiminde ise soyutlama becerisi, daha çok algısal yaklaşımlar üzerinden yapılan genellemelere ve somutlaşmış (embodied) öğrenim deneyimleriyle, kavramsal düzeyde teşvik edilmektedir. 

Dolayısıyla, tasarımda bilişim araçlarıyla çalışan bir mimarlık öğrencisinin hem kavramsal hem de prosedürel düzeyde soyutlama becerisine sahip olması oldukça önemlidir. Bu durum aynı zamanda, bir tasarımcının hesaplamalı düşünme sürecinde kullandığı soyutlama becerisinin, kavramsal ve prosedürel olmak üzere, farklı düzeylerde değerlendirilmesi ve geliştirilmesi gerektiğinin göstergesidir. Mimarlık eğitiminde HD'nin öğretim kültürü çerçevesinde, özelleştirilebilir/bireyselleştirilebilir öğrenim deneyimleri sunabilmenin pedagojik açıdan önemini ortaya koymaktadır. 
Bu tezde de mimarlık eğitiminde HD'nin öğretim kültürü ve pedagojik uyumu, soyutlama, örüntü tanıma, ayrıştırma ve algoritmik düşünme çerçevesinde bilişsel yönüyle ele alınmıştır. Bu kapsamda, tasarımcı bakış açısıyla soyutlamanın görsel hesaplama üzerindeki etkisi araştırılmış; mimarlık öğrencilerinin soyutlama becerilerini kavramsal ve prosedürel yönden ölçmek ve değerlendirmek üzere bir yöntem geliştirilmiştir. Geliştirilen bu yöntem, farklı disiplinlerden katılımcıların yer verildiği bir deney uygulamasında kullanılmıştır. Toplamda altı katılımcı ile gerçekleştirilmiş olan bu deneyde yer verilen uygulamanın içeriğinin ve değerlendirme yönteminin geliştirilmesinde, yeni başlayanlar için HD'ye yönelik uygulama örnekleri ve mimarlık öğrencileriyle gerçekleştirilen bir dizi pilot çalışma referans alınmıştır.
Yöntemin geliştirilmesi için 'Yeni Başlayanlar İçin HD' kapsamında hazırlanan eğitim uygulamalarında soyutlama becerisinin değerlendirilmesine yönelik örnekler incelenmiş; bu örneklerde kullanılan değerlendirme yöntemlerinin, Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) ortamında uygulanabilmesi için bir dizi pilot çalışma gerçekleştirilmiştir.
Geliştirilen bu yöntem, farklı tasarım uzmanlığına sahip (tasarımcı ve tasarımcı olmayan) katılımcılar ile gerçekleştirilen uygulamalı bir deneyde kullanılmıştır. Deneyde, katılımcılara iyi-tanımlanmış bir problem niteliğinde, geleneksel CAD programında hazırlanmış bir şekil yapma görevi verilmiştir. Bu görev, farklı tasarım uzmanlığına sahip görsel düşünürleri kıyaslamaya engel teşkil etmeyecek şekilde (katılımcıların verilen şekil ve komutları tanıma, arayüz ve araç kullanma ve uzamsal becerilerde yetkinlik faktörlerinin dikkate alınmasıyla) kurgulanmıştır. 
Her bir katılımcının modelleme süreci, araç ve arayüz kullanımları çerçevesinde analiz edilmiştir. Veri olarak katılımcıların uygulamaları sırasında alınan video ekran ve ses kayıtları, ekran üzerindeki göz hareketleri ve araç kullanım kayıtlarından yararlanılmıştır. Katılımcıların göz hareketleri ve arayüz etkileşim kaydı için Tobii Pro X2-30 ekrana bağlı göz takip cihazı, analizi için ise Tobii ProLab 30 günlük deneme sürümü kullanılmıştır. Kullanılan bu araçlar, katılımcıların modelleme sürecinde türetmiş oldukları şekilleri, kullanmış oldukları komutları ve araçları saptamaya yardımcı olmuştur. 
Değerlendirmede, araştırmanın bilişsel ve sistematik analizinden elde edilen bulgulardan yararlanılmıştır. Bu bağlamda, katılımcıların verilen uygulamaları tamamlama süreleri ve araç kullanımlarının yanında; arayüz etkileşimleri sırasındaki gerçekleştirmiş oldukları geometrik şekil seçimleri ve komut kullanımları ile ortaya çıkarmış oldukları soyutlama örüntüleri karşılaştırılmıştır. Katılımcıların soyutlama örüntüleri, uygulama sırasında kullanmış oldukları (türetmek için seçtikleri şekil, türetmek için kullandıkları komut ve türettikleri şekil olmak üzere) komutlar ve şekiller üzerinden oluşturulan bir kodlama şeması ve bu şema üzerinden tanımlanan segment değerleri ile ortaya çıkarılmıştır. Bu doğrultuda, katılımcıların prosedürel soyutlama becerileri, segment değerlerine bağlı olarak nicel yönden karşılaştırılmıştır.

Abstract:
We are currently facing a paradigm shift towards a computing and coding culture. From digital tools to artificial intelligence, computational technologies are visibly affecting our everyday life and shaping our cognitive development. With this paradigm shift, we are imposed on different modes of thinking; and without a doubt, Computational Thinking is the highest in-demand. For a better understanding and use of computational technologies in education, Computational Thinking (CT) has been pursued as a fundamental skill among disciplines over a decade. 
Despite its former use in programming practices, CT is currently used as a mind tool, or, as a mental activity for formulating a problem to admit a computational solution. With its new approach, CT is addressed as a collection of mental tools and concepts that are borrowed from computer sciences. When it comes to integration of this concept into different disciplines, CT is usually introduced with its four cognitive values: 'Abstraction, Pattern Recognition, Decomposition, and Algorithmic Thinking.' 
On the other hand, CT is not about developing some knowledge of these aspects. As a soft skill, it requires putting the knowledge into action, using, transferring, and adapting it into different problems or situations. Hence, outside computer sciences, developing a better understanding of its cognitive aspects and their counterparts is essential. Within this regard, architecture is one of the disciplines that requires careful consideration of CT's integration into its education curricula. 
In architectural education, CT partakes a significant role in the culture of teaching and learning computational technologies. Within the widening use of customized design tools and programs in architectural design and production, architectural students are likely to become digital literates. And the workflow behind these technologies involves different sets of computational operations, which requires designers to think computationally. Hence, with its four cognitive aspects, CT provides an educated eye to architecture students; it helps them formulate their problems or situations and adapt themselves to work efficiently with computational design technologies. However, when it comes to the convergence of CT's cognitive aspects to architectural education, little attention has been paid to a designer's approach to the concept of abstraction in computational thinking. 
The conception of 'abstraction' or 'abstract thinking' is one of the fundamentals skills in design sciences to be acquired in their early years of education. With their unique tools and methods, architecture students are endorsed to practice their abstraction skills at conceptual level through the years. Therefore, as visual thinkers, architectural students are expected to develop good abstraction skills. However, there is a subtle difference when it comes to use of abstraction skill towards computational thinking. 
For designers, the use of computational design technologies acquires the use of abstraction at different levels in different forms of representation. In most cases, the workflow behind computer-aided design technologies requires making abstractions at different levels and with different forms of abstraction. Especially, when programming, avoiding repeating code, making abstractions and generalizations at a procedural level, makes projects easier to program and maintain. Hence, having considered the designer as a visual thinker, this study sheds light on a designerly use of abstraction in CT. It offers an assessment method for the designers' use of procedural abstraction towards visual computing. 
Since this is a novel analysis for the designers' use of abstraction skills towards a CAD modeling framework, a vital first step is to establish a coding scheme that captures behaviors at a broad enough level to be applicable to related research and specific enough to identify behaviors that are unique to visual thinkers. In this regard, the assessment method was developed through a series of pilot studies with architecture students by specifying the designers' actions in the CAD modeling process; then applied in the experiment with the participation of six subjects.
As an experiment, all subjects were given a 2D CAD modeling task with the limitation of certain CAD tools and commands. The subjects were expected to think about what kinds of computational operations would be useful or necessary for the modeling of the given geometry with the given modules. 
For a systematic analysis of the subjects' modeling processes, the video-screen recordings, command history scripts, and interface interactions of the subjects with the computer hardware were collected to be used as data. Following the completion of all the experiments, the collected data was encoded using Tobii ProLab 30-day Trial Software.
By looking at the experiments, it can be said that working with computational technologies requires making abstractions at a different level. And, the use of assessment method has revealed that making abstractions at a procedural level has a significant impact on the designer's visual computing. Regarding the subjects' performances in the CAD modeling tasks, it can be said that the better use of CT relies heavily on finding a balance between different levels of abstraction, or in other words, making good generalizations. For a visual thinker, working with computational technologies should not be seen as a matter of collecting or manipulating a random or an infinite use of data. In many ways, it should be matter of recognizing visual and behavioral patterns.  
The content of the thesis is given as follows.  
Chapter 1 includes the aim and scope of the thesis towards a problem definition. It briefly discusses the new approach to CT and its integration into architecture education by addressing the challenges in the current culture of teaching design technologies. 
Chapter 2 reviews the existing literature of computational thinking in education and scrutinizes the teaching culture of CT for beginners outside Computer Sciences. By addressing the differences between the traditional and the new approaches to the concept of CT, it discusses the teaching and learning culture of computational technologies in architectural education under some of the exemplary work. It evaluates the pedagogical alignment of CT as a cognitive tool in architectural education. 
Chapter 3 presents a curation of existing knowledge of CT concepts (abstraction, pattern recognition, decomposition, and algorithmic thinking) and compare their conceptual counterparts towards the computer and design sciences.
Chapter 4 includes three subsections: the development of the assessment method and content of the task experiments, the analyses of the experiments, and the findings and results. In the first section, the development of the task experiments was presented through a series of pilot studies. And the development of the assessment method for the visual thinker's process of computational thinking was presented towards several case studies from the Human-Computer Interaction field. In the second section, the analysis of the two-stage task experiment was exhibited. In the third section, the results and findings of the task experiments were discussed. 
Chapter 5 concludes the results of the experiments within the research scope. Additionally, it includes several suggestions for the assessment method's development into a digital education tool for visual thinkers.