The literature shows a general negative correlation between classroom size and the effectiveness of student concept retention with frontal teaching and rote learning. At the same time, the use of technological tools such as visual simulators for applicable courses, such as computer architecture, algorithms and other synthetic disciplines, has been shown to improve learning when used actively by the students. This thesis first proposes in-depth state-of-the-art research on visual simulation software for cognitive and educational applications, focusing on computer architecture simulators, and a requirements analysis for the ideal simulation software. The core of this thesis is a coherent set of autonomous activities for fostering active learning in students through the use of visual simulation in an online mode, based on technological and cognitive principles from the literature. A suitable topic has been selected in the area of computer architecture: processor pipelining, which serves as a reasonably advanced yet approachable concept that often leads to complex expositions and repetitive exercises, which might influence the students' ability to quickly grab its core concept of inherent parallelism. Finally, the thesis proposes a design of the validation framework for such a class of didactic experiments. This thesis first proposes in-depth state-of-the-art research on visual simulation software for cognitive and educational applications, focusing on computer architecture simulators, and a requirements analysis for the ideal simulation software. The core of this thesis is a coherent set of autonomous activities for fostering active learning in students through the use of visual simulation in an online and non-linear environment, based on technological and cognitive principles from the literature. A suitable topic was found within the area of computer architecture in architectural pipelining, which serves as a reasonably advanced yet approachable concept that often leads to lengthy and pedantic expositions and exercises, which might lessen the students' ability to absorb its core concept of inherent parallelism. Finally, the thesis proposes a design of the validation framework for such a class of didactic experiments.

La letteratura evidenzia una generale correlazione negativa tra il numero di studenti di una classe e l'efficacia della retenzione dei concetti durante lezioni frontali tradizionali. Al tempo stesso l'uso di strumenti quali simulatori visuali è stato dimostrato essere utile per migliorare l'apprendimento, se inseriti in contesti adeguati e usati extit{in modo attivo} dagli studenti. In primo luogo la tesi espone lo stato dell'arte nel campo del software di simulazione visuale per uso didattico e cognitivo, con particolare attenzione per i simulatori microarchitetturali di calcolatori, e propone un'analisi dei requisiti del software di simulazione ideale. Il nocciolo della tesi è un insieme coerente di attività autonome per la promozione di apprendimento attivo attraverso l'uso di simulazione visuale in un contesto online, basato su solidi principii tecnologici e cognitivi dalla letteratura. L'argomento migliore per tale attività è stato trovato nel pipelining architetturale, in quanto fornisce un caso ragionevolmente avanzato ma comunque accessibile di argomento che spesso genera complesse spiegazioni ed esercizi ripetitivi, i quali spesso incidono sulla possibilità per gli studenti di afferrarne gli aspetti principali, quali il suo parallelismo intrinseco. In ultimo, la tesi propone un design per un sistema di valutazione per tale classe di esperimenti didattici. In primo luogo la tesi espone lo stato dell'arte nel campo del software di simulazione visuale per uso didattico e cognitivo, con particolare attenzione per i simulatori microarchitetturali di calcolatori, e propone un'analisi dei requisiti del software di simulazione ideale. Il nocciolo della tesi è un insieme coerente di attività autonome per la promozione di apprendimento attivo attraverso l'uso di simulazione visuale in un contesto non lineare online, basato su solidi principii tecnologici e cognitivi dalla letteratura. L'argomento migliore per tale attività è stato trovato nel pipelining architetturale, in quanto fornisce un caso ragionevolmente avanzato ma comunque accessibile di argomento che spesso genera lunghe e pedanti spiegazioni ed esercizi, i quali spesso incidono sulla possibilità per gli studenti di assorbirne gli aspetti principali, quali il suo parallelismo intrinseco. In ultimo, la tesi propone un design per un sistema di valutazione per tale classe di esperimenti didattici.

An online teaching approach to computer architecture

Cazzaniga, Simone Shawn
2021/2022

Abstract

The literature shows a general negative correlation between classroom size and the effectiveness of student concept retention with frontal teaching and rote learning. At the same time, the use of technological tools such as visual simulators for applicable courses, such as computer architecture, algorithms and other synthetic disciplines, has been shown to improve learning when used actively by the students. This thesis first proposes in-depth state-of-the-art research on visual simulation software for cognitive and educational applications, focusing on computer architecture simulators, and a requirements analysis for the ideal simulation software. The core of this thesis is a coherent set of autonomous activities for fostering active learning in students through the use of visual simulation in an online mode, based on technological and cognitive principles from the literature. A suitable topic has been selected in the area of computer architecture: processor pipelining, which serves as a reasonably advanced yet approachable concept that often leads to complex expositions and repetitive exercises, which might influence the students' ability to quickly grab its core concept of inherent parallelism. Finally, the thesis proposes a design of the validation framework for such a class of didactic experiments. This thesis first proposes in-depth state-of-the-art research on visual simulation software for cognitive and educational applications, focusing on computer architecture simulators, and a requirements analysis for the ideal simulation software. The core of this thesis is a coherent set of autonomous activities for fostering active learning in students through the use of visual simulation in an online and non-linear environment, based on technological and cognitive principles from the literature. A suitable topic was found within the area of computer architecture in architectural pipelining, which serves as a reasonably advanced yet approachable concept that often leads to lengthy and pedantic expositions and exercises, which might lessen the students' ability to absorb its core concept of inherent parallelism. Finally, the thesis proposes a design of the validation framework for such a class of didactic experiments.
ZACCARIA, VITTORIO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
21-dic-2022
2021/2022
La letteratura evidenzia una generale correlazione negativa tra il numero di studenti di una classe e l'efficacia della retenzione dei concetti durante lezioni frontali tradizionali. Al tempo stesso l'uso di strumenti quali simulatori visuali è stato dimostrato essere utile per migliorare l'apprendimento, se inseriti in contesti adeguati e usati extit{in modo attivo} dagli studenti. In primo luogo la tesi espone lo stato dell'arte nel campo del software di simulazione visuale per uso didattico e cognitivo, con particolare attenzione per i simulatori microarchitetturali di calcolatori, e propone un'analisi dei requisiti del software di simulazione ideale. Il nocciolo della tesi è un insieme coerente di attività autonome per la promozione di apprendimento attivo attraverso l'uso di simulazione visuale in un contesto online, basato su solidi principii tecnologici e cognitivi dalla letteratura. L'argomento migliore per tale attività è stato trovato nel pipelining architetturale, in quanto fornisce un caso ragionevolmente avanzato ma comunque accessibile di argomento che spesso genera complesse spiegazioni ed esercizi ripetitivi, i quali spesso incidono sulla possibilità per gli studenti di afferrarne gli aspetti principali, quali il suo parallelismo intrinseco. In ultimo, la tesi propone un design per un sistema di valutazione per tale classe di esperimenti didattici. In primo luogo la tesi espone lo stato dell'arte nel campo del software di simulazione visuale per uso didattico e cognitivo, con particolare attenzione per i simulatori microarchitetturali di calcolatori, e propone un'analisi dei requisiti del software di simulazione ideale. Il nocciolo della tesi è un insieme coerente di attività autonome per la promozione di apprendimento attivo attraverso l'uso di simulazione visuale in un contesto non lineare online, basato su solidi principii tecnologici e cognitivi dalla letteratura. L'argomento migliore per tale attività è stato trovato nel pipelining architetturale, in quanto fornisce un caso ragionevolmente avanzato ma comunque accessibile di argomento che spesso genera lunghe e pedanti spiegazioni ed esercizi, i quali spesso incidono sulla possibilità per gli studenti di assorbirne gli aspetti principali, quali il suo parallelismo intrinseco. In ultimo, la tesi propone un design per un sistema di valutazione per tale classe di esperimenti didattici.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/196476