Digital skills and the teaching of informatics: confusion reigns under heaven

by Enrico Nardelli

(versione italiana qua)

For many years now, Europe has been hearing about the importance of developing digital skills in the workforce, so that the various productive and service sectors can become more effective and efficient. Digital technologies are indeed one of the factors that has contributed most to productivity growth over recent decades.

Yet they are also the factor whose role in production and services is most frequently and widely misunderstood. The automation brought about by information technologies entails a cultural and conceptual leap that requires appropriate support and adequate preparation on the part of the people involved.

In this article I will therefore develop two reflections connected to the role of informatics both in productive processes and in the education sector.

The automation made possible by informatics is something very different from traditional industrial automation. The latter first replaced the physical actions of people with the power of machines, under the guidance of human cognitive faculties. It then successfully mechanised bureaucratic tasks of low cognitive complexity: transferring money from one account to another, purchasing a good and processing its payment, checking stock levels and ordering replenishment.

When more complex cognitive tasks are at stake, however, the automation driven by informatics is attempting to replace human intelligence with a machine: this is a radical paradigm shift that contemporary society has not yet fully absorbed or understood.

One of the essential capacities of human intelligence is adaptability to changes in the environment — the flexibility to handle new or modified requirements. People have an innate ability to evolve in response to change and to learn from mistakes. Computer systems do not, and nor are the recent advances in machine learning able to provide this capacity, or likely to do so in the near future.

It is therefore not enough simply to computerise business processes. It is not sufficient, because the month after computer systems are installed they will need to be modified to adapt to changed conditions. And this maintenance process goes on without end, because a computer system is not a human being who adapts to new developments and learns from its mistakes. The automation of informatics therefore requires human supervision, in order to achieve the flexibility it does not innately possess.

I discussed the challenges posed by this mechanisation of cognitive aspects in greater depth almost ten years ago at the 2010 annual conference of the European informatics association Informatics Europe.

Precisely because of its profound conceptual implications, this subject cannot be fully grasped through a handful of digital skills training courses. This is also one of the reasons why the transition to Industry 4.0 will be long and difficult: what is needed is the absorption of ideas and concepts, rather than simply knowing tools and being proficient in their use.

It is necessary to start early and to begin in schools, and it is essential to do so with serious, well-designed education. Try to imagine — by way of comparison — a situation in which mathematics were taught only at university, and, having recognised the fundamental role that the ability to define quantities precisely and rigorously manipulate their relationships plays in an advanced society, we had to introduce the teaching of "mathematical thinking" into schools. I do not think that leaving it to the free initiative of individual teachers to decide what to teach, when, and how, would serve the country well in the long run.

Precisely because of the rather widespread confusion surrounding the teaching of digital skills, we at CINI (the consortium of more than 40 universities engaged in informatics research and teaching) had already been working for some time on how to incorporate informatics education into Italian schools. This is an area in which some countries — the UK, USA, France, and Germany, for example — are already in the implementation phase (to say nothing of Japan and South Korea). To give just one detail: in the USA, informatics (and not coding!) has been placed, on an equal footing with other scientific and technological disciplines, among the subjects that must form part of a modern well-rounded education. An important role in this educational effort is played, in our country, by the Programma il Futuro project, of which I am the coordinator. To date — now in its fourth year — it has altogether introduced almost 3 million students to a "serious" informatics education (which we call computational thinking, to avoid the misunderstanding, extremely common, that teaching informatics means teaching how to use digital tools).

At the recent conference "Informatics culture as a driver of development," organised at the Chamber of Deputies together with the Innovation Inter-group, we made public our community's proposal — representing more than 1,500 professors and researchers in informatics and computer engineering — in the presence of MIUR. It is an articulated document, the fruit of a lengthy consultation process that involved not only our community, but also educationalists and teachers who have long been engaged in teaching informatics in schools.

Why does teaching informatics in schools matter? First of all, let us be clear that it does not mean teaching programming (i.e. coding, as it is now fashionably called). Any more than teaching mathematics means teaching arithmetic. Take primary schools, where the study of mathematics begins with learning the times tables: the aim is not so much to know by heart that 3×2=6 or 12÷4=3, but to understand that if 3 girls have 2 sweets each the total number of sweets is obtained by multiplication, while if 12 biscuits are to be shared among 4 girls the number of biscuits per girl is obtained by division. We are not, therefore, teaching an operational tool so much as a key to understanding reality — "mathematical thinking."

The same applies to informatics, a discipline that — like other sciences — has its own particular perspective on the world, its own "conceptual paradigm" through which it describes and explains phenomena. This "perspective" is that of "automatic processes of information manipulation." So, just to give a few examples: just as quantity and its relationships are essential concepts for a mathematician, or molecules and reactions for a chemist, so algorithm, language, and automaton are essential concepts for a computer scientist.

It is never superfluous to point out that each of the great scientific paradigms — the human and social sciences, the life sciences, the physical sciences — can be used to describe the same reality, and depending on the case and context, one of them may be the most useful for understanding and explanation, or it may be their combination. Informatics adds a fourth great paradigm, that of "automatic processes of information manipulation," which opens up new and useful ways of explaining what happens across many domains, from biology to economics, from social relations to medicine.

Informatics is therefore not just programming — that is, how to use a language to give instructions to a computer. It means knowing how the machine (the automaton) that must understand our instructions is built. It means understanding how to express those instructions (the programming language). It means knowing how to develop algorithms capable of expressing instructions effectively. Our proposal sets out a comprehensive framework for introducing the teaching of informatics into schools.

The importance of this issue is also being discussed in Europe. One need only read the recent report on the state of informatics teaching in European schools, prepared by the two principal associations of European computer scientists: Informatics Europe (of which I am President, bringing together university departments and corporate research centres) and the ACM Europe Council (the governing body of the European chapter of ACM, the world's largest association of computing professionals and researchers).

Its first and most important recommendation is that all students must have curricular access in school to informatics education (preferably beginning at primary level), since this scientific discipline must form part of the cultural toolkit of every citizen in the digital society. The second is that, to this end, it is essential to provide adequate training for teachers, tailored to the different levels of schooling.

The matter will be discussed again on 15 March 2018 in Brussels with the European Commission.

FURTHER READING

CINI proposal on the teaching of informatics in schools: https://www.consorzio-cini.it/gdl-informatica-scuola

Results of the Programma il Futuro project (in italian): https://programmailfuturo.it/progetto/monitoraggio-del-progetto

Conference "Informatics culture as a driver of development" (in italian): https://programmailfuturo.it/notizie/cultura-informatica-fattore-di-sviluppo

The state of informatics teaching in European schools: http://www.informatics-europe.org/news/382-informatics-education-in-europe-are-we-on-the-same-boat.html

Why teach informatics in schools: Do we really need computational thinking? Communication of the ACM, 62(2), February 2019

Informatics: the fourth great domain of science: https://mitpress.mit.edu/books/computing-0

"RAI Scuola" lecture "Discovering informatics" (in italian): https://www.programmailfuturo.it/come/alla-scoperta-dell-informatica

Informatics Europe: https://www.informatics-europe.org

ACM Europe Council: https://europe.acm.org

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The original version (in italian) has been published by "Agenda Digitale" on 24 January 2028.

Competenze digitali ed insegnamento dell’informatica: grande è la confusione sotto il cielo

di Enrico Nardelli

(english version here)

Da parecchi anni in Europa si sente parlare dell’importanza di sviluppare competenze digitali nella forza-lavoro, in modo che i vari settori produttivi e dei servizi diventino più efficaci ed efficienti. Le tecnologie digitali sono infatti uno dei fattori che più ha contribuito all’aumento di produttività degli ultimi decenni.

Sono però anche il fattore il cui ruolo nella produzione e nei servizi è più frequentemente ed estesamente frainteso. L'automazione realizzata dalle tecnologie dell'informazione comporta infatti un salto culturale e concettuale che richiede un appropriato accompagnamento e un’adeguata preparazione delle persone coinvolte.

Svilupperò pertanto in questo articolo due considerazioni legate al ruolo dell’informatica sia nei processi produttivi che nel settore educativo.

L’automazione resa possibile dall'informatica è qualcosa di molto diverso dalla tradizionale automazione industriale. Quest’ultima ha dapprima sostituito l’azione fisica delle persone con la forza delle macchine, sotto la guida delle facoltà cognitive delle persone. Poi ha meccanizzato con successo compiti burocratici di bassa complessità cognitiva: trasferire denaro da un conto ad un altro, acquistare un bene ed effettuarne il pagamento, controllare il livello delle scorte e ordinarne il rimpiazzo.

Quando sono in gioco compiti cognitivi più complessi l'automazione dell'informatica sta però tentando di sostituire l’intelligenza umana con una macchina: si tratta di un radicale cambiamento di paradigma che la società contemporanea non ha ancora pienamente assorbito e compreso.

Una delle capacità essenziali dell’intelligenza umana è l’adattabilità ai cambiamenti dell’ambiente, la flessibilità nel gestire esigenze nuove o modificate. Le persone hanno una capacità innata di evolversi per fronteggiare l’evoluzione e di imparare dagli errori. I sistemi informatici non ce l’hanno e neanche i recenti avanzamenti dei sistemi di apprendimento automatico (machine learning) sono in grado di fornirgliela o saranno in grado di farlo in un prossimo futuro.

Non basta quindi informatizzare i processi aziendali. Non è sufficiente, perché il mese dopo che i sistemi informatici sono stati installati dovranno essere modificati per adattarsi alle mutate condizioni al contorno. E questo processo di manutenzione va avanti senza fine, perché un sistema informatico non è un essere umano che si adatta alle novità ed impara dai suoi errori. L'automazione dell'informatica richiede quindi la supervisione delle persone, per ottenere quella flessibilità che non possiede in modo innato.

Delle problematiche poste da questa meccanizzazione degli aspetti cognitivi ne ho discusso più in profondità quasi dieci anni fa al convegno annuale dell’associazione degli informatici europei Informatics Europe.

Proprio per la sua profonda portata concettuale, questo tema non può quindi essere compreso appieno soltanto con qualche corso di formazione sulle competenze digitali. Tra l’altro, questo è uno dei motivi per cui la transizione all’impresa 4.0 sarà lunga e difficile: bisogna aver assorbito idee e concetti, più che conoscere strumenti ed essere abili nell’usarli.

È necessario partire da lontano ed iniziare nella scuola, ed è indispensabile farlo con una formazione seria e ben progettata. Provate ad immaginare – per fare un paragone – una situazione in cui la matematica venisse insegnata solo all’università e, avendo capito il fondamentale ruolo che svolge in una società evoluta la capacità di definire le quantità in modo esatto e manipolare in modo rigoroso le loro relazioni, dovessimo introdurre l’insegnamento del “pensiero matematico” nelle scuole. Non penso che lasciare alla libera iniziativa dei docenti la facoltà di definire cosa insegnare, quando e come, sarebbe fruttuoso per il Paese sul lungo periodo.

Proprio per la confusione un po’ dilagante in materia di insegnamento delle competenze digitali, avevamo già da tempo iniziato a ragionare come CINI (il consorzio delle più di 40 università che fanno ricerca e didattica in informatica) su come inserire la formazione informatica nella scuola italiana. Si tratta di un aspetto su cui alcuni paesi (per esempio UK, USA, Francia e Germania) sono già in fase realizzativa (per non parlare di Giappone e Corea del Sud). Solo per dare un dettaglio, negli USA l’informatica (e non il coding!) è stata inserita, alla pari delle altre discipline scientifiche e tecnologiche, tra i soggetti che devono far parte di una moderna istruzione “a tutto tondo” (well-rounded subjects). Un ruolo importante in quest’ambito educativo è svolto, nel nostro paese, dal progetto Programma il Futuro, di cui sono coordinatore. Finora (è adesso nel suo quarto anno) ha complessivamente avvicinato quasi 3 milioni di studenti ad una formazione informatica “seria” (che chiamiamo pensiero computazionale per evitare l’equivoco in cui moltissimi incorrono che insegnare l’informatica significhi insegnare l’uso degli strumenti digitali).

Nel corso del recente convegno “La cultura informatica come fattore di sviluppo”, organizzato presso la Camera dei Deputati con l'Intergruppo Innovazione, abbiamo reso pubblica la proposta della nostra comunità (più di 1500 tra professori e ricercatori in informatica e ingegneria informatica) alla presenza del MIUR. Si tratta di un documento articolato e frutto di una lunga fase di consultazione, che ha coinvolto non soltanto la nostra comunità, ma anche pedagogisti e docenti da tempo impegnati nell'insegnamento dell'informatica nella scuola.

Perché è importante insegnare l’informatica nella scuola? Prima di tutto chiariamo che non vuol dire insegnare la programmazione, (cioè il coding, come si dice adesso per essere alla moda). Non più di quanto insegnare la matematica voglia dire insegnare a fare i conti. Prendiamo le scuole elementari in cui si inizia a studiare matematica imparando la tavola pitagorica: il fine non è tanto sapere a memoria che 3x2=6 o 12:4=3, quanto capire che se 3 bambine hanno 2 caramelle ciascuna il numero totale di caramelle si ottiene con la moltiplicazione, mentre se 12 biscotti devono essere distribuiti a 4 bambine il numero di biscotti per bambina si ottiene con la divisione. Non stiamo quindi tanto insegnando uno strumento operativo, quanto una chiave di comprensione della realtà (“il pensiero matematico”).

Lo stesso vale per l’informatica, una disciplina che – come altre scienze – ha il suo particolare punto di vista sul mondo, il suo “paradigma concettuale” in base al quale descrive e spiega i fenomeni. Tale “punto di vista” è quello dei “processi automatici di manipolazione dell’informazione”. Quindi, giusto per fare alcuni esempi, così come sono concetti essenziali per un matematico la quantità e le loro relazioni o per un chimico le molecole e le reazioni, così sono concetti essenziali per un informatico quelli di algoritmo, linguaggio, automa, e così via.

Non è mai inutile sottolineare che ognuno dei grandi paradigmi scientifici (scienze umane e sociali, scienze della vita, scienze fisiche) può essere usato per descrivere la stessa realtà, ed a seconda dei casi e dei contesti uno di essi può essere quello più utile per la comprensione e la spiegazione oppure può esserlo la loro combinazione. L’informatica aggiunge un quarto grande paradigma, quello dei “processi automatici di manipolazione dell’informazione”, che permette di ottenere nuovi e utili modi per spiegare quanto accade in molti ambiti, dalla biologia all’economia, dalle relazioni sociali alla medicina.

Informatica non è quindi solo programmazione, cioè come usare un linguaggio per dare istruzioni ad un computer. È conoscere com’è fatta la macchina (l’automa) che deve comprendere le nostre istruzioni. È capire in che modo esprimere queste istruzioni (il linguaggio di programmazione). È sapere come elaborare algoritmi in grado di esprimere efficacemente le istruzioni. La nostra proposta indica uno scenario completo per l’inserimento dell’insegnamento dell’informatica nella scuola.

Anche in Europa si discute dell’importanza di questo aspetto. Basta leggere il recente rapporto sullo stato dell’insegnamento dell’informatica nelle scuole europee, preparato dalle due principali associazioni di informatici europei: Informatics Europe (di cui sono Presidente, che raggruppa dipartimenti universitari e centri di ricerca aziendali) e ACM Europe Council (Consiglio Direttivo della sezione europea dell'ACM, la maggiore associazione mondiale di professionisti e studiosi).

La sua prima e più importante raccomandazione è che tutti gli studenti devono avere accesso curriculare nella scuola alla formazione in Informatica (iniziando preferibilmente alla primaria), dal momento che questa disciplina scientifica deve far parte del bagaglio culturale di ogni cittadino della società digitale. La seconda è che, a questo scopo, è necessario formare adeguatamente gli insegnanti, in funzione dei diversi ordini di scuola.

Se ne riparlerà il 15 marzo 2018 a Bruxelles con la Commissione Europea.

LINK DI APPROFONDIMENTO

Proposta del CINI sull’insegnamento dell’informatica nella scuola https://www.consorzio-cini.it/gdl-informatica-scuola

Risultati del progetto Programma il Futuro: https://programmailfuturo.it/progetto/monitoraggio-del-progetto

Convegno “La cultura informatica come fattore di sviluppo”: https://programmailfuturo.it/notizie/cultura-informatica-fattore-di-sviluppo

Lo stato dell’insegnamento dell’informatica nelle scuole europee: http://www.informatics-europe.org/news/382-informatics-education-in-europe-are-we-on-the-same-boat.html

Perché insegnare informatica nella scuola: http://mondodigitale.aicanet.net/2017-5/articoli/MD72_02_abbiamo_davvero_bisogno_del_pensiero_computazionale.pdf

Informatica: il quarto grande dominio della scienza: https://mitpress.mit.edu/books/computing-0

Lezione per RAI Scuola “Alla scoperta dell’informatica”: https://www.programmailfuturo.it/come/alla-scoperta-dell-informatica

Informatics Europe: https://www.informatics-europe.org

ACM Europe Council: https://europe.acm.org


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Versione originale pubblicata su "agendadigitale.eu" il 24 gennaio 2018