Support systems in serious games: enhancing programming learning for primary school students

Abstract

Integrating serious games in education has shown significant potential in enhancing learning outcomes, particularly in fields requiring problem-solving and logical reasoning, such as programming. Serious games offer engaging and interactive learning experiences, utilizing gameplay elements to increase motivation and acquisition of knowledge. However, the effectiveness of these games depends heavily on the presence of well-designed support systems that guide learners through complex concepts while maintaining engagement. This thesis investigates the design, implementation, and effectiveness of support systems in serious games designed to teach programming to primary school students. The research approach combines empirical studies, theoretical frameworks, and game development to address critical challenges in support design. It explores the role of support systems in serious games for programming, addressing key challenges related to learner engagement, cognitive load, and adaptivity. It begins by introducing a taxonomy for classifying support mechanisms, offering a structured framework for categorizing and understanding different types of support. This taxonomy assists in standardizing terminology and identifying best practices in the design of educational support systems. Next, the thesis evaluates existing support systems in serious games, focusing on the widely used Minecraft: Adventurer from the Hour of Code initiative. Through empirical studies, it examines the efficiency of various support strategies and analyzes their impact on student performance and engagement. Findings highlight the importance of adaptive support mechanisms that serve individual learning needs. Building on these insights, the thesis explores the effectiveness of worked examples as an alternative to common text-based instructions in serious games. Empirical results indicate that worked examples significantly reduce cognitive load and enhance learning retention, especially for novice programmers. The research extends to adaptive support, investigating through an empirical study how dynamic adjustments based on learner performance can optimize educational outcomes. This investigation is further contextualized by a systematic literature review which provides an overview of existing adaptive support methodologies in serious games, identifying strengths and areas for improvement. In addition, this study examines collaborative support in serious games, implementing and evaluating multiplayer mechanics that allow peer-assisted learning. Results indicate that collaborative support enhances problem-solving skills and engagement, reinforcing the benefits of social learning in game-based environments. Finally, the research contributes to the field by synthesizing best practices, design methodologies, and programming techniques for serious game development. This research contributes to the advancement of serious game design for learning programming through systematic analysis and the development of support mechanisms. The findings provide actionable insights for educators, researchers, and developers seeking to enhance learning experiences through adaptive, collaborative, and engaging support systems. Ultimately, this thesis bridges educational practices with game-based learning by proposing effective and applicable support systems for learning programming through serious games for primary school students.

Η ενσωμάτωση των παιχνιδιών σοβαρού σκοπού στην εκπαίδευση έχει δείξει σημαντικές δυνατότητες βελτίωσης των μαθησιακών αποτελεσμάτων, ιδίως σε τομείς που απαιτούν επίλυση προβλημάτων και λογική σκέψη, όπως ο προγραμματισμός. Τα παιχνίδια σοβαρού σκοπού προσφέρουν ελκυστικές και διαδραστικές μαθησιακές εμπειρίες, αξιοποιώντας την παιχνιδοποίηση για την αύξηση των κινήτρων και τη οικοδόμηση νέας γνώσης. Ωστόσο, η αποτελεσματικότητα αυτών των παιχνιδιών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την παρουσία σωστά σχεδιασμένων συστημάτων υποβοήθησης, που καθοδηγούν τους εκπαιδευόμενους σε σύνθετες έννοιες διατηρώντας παράλληλα το ενδιαφέρον τους. Η παρούσα διατριβή διερευνά τον σχεδιασμό, την υλοποίηση και την αποτελεσματικότητα των συστημάτων υποβοήθησης σε παιχνίδια σοβαρού σκοπού για την εκμάθηση προγραμματισμού σε μαθητές πρωτοβάθμιας εκπαίδευσης. Η ερευνητική προσέγγιση συνδυάζει εμπειρικές μελέτες, θεωρητικά πλαίσια και ανάπτυξη παιχνιδιών, για την αντιμετώπιση των σημαντικών προκλήσεων του σχεδιασμού συστημάτων υποβοήθησης. Εξετάζεται ο ρόλος αυτών των συστημάτων, αντιμετωπίζοντας βασικές προκλήσεις που αφορούν τη συμμετοχή των εκπαιδευόμενων, το γνωστικό φορτίο και την προσαρμοστικότητα. Αρχικά, παρουσιάζεται μια ταξινομία για την κατηγοριοποίηση των μηχανισμών υποβοήθησης, προσφέροντας ένα δομημένο πλαίσιο για την κατανόηση και διάκριση των διαφορετικών ειδών υποστήριξης. Η ταξινομία αυτή συμβάλει στην τυποποίηση της ορολογίας και στον εντοπισμό βέλτιστων πρακτικών στον σχεδιασμό εκπαιδευτικών συστημάτων υποστήριξης. Στη συνέχεια, η διατριβή αξιολογεί υφιστάμενα συστήματα υποβοήθησης σε παιχνίδια σοβαρού σκοπού, εστιάζοντας στο ευρέως χρησιμοποιούμενο Minecraft: Adventurer από την πλατφόρμα εκπαίδευσης Hour of Code. Μέσω εμπειρικών μελετών, εξετάζεται η αποτελεσματικότητα διαφόρων στρατηγικών υποστήριξης και αναλύεται ο αντίκτυπός τους στην επίδοση και τη συμμετοχή των μαθητών. Τα ευρήματα τονίζουν τη σημασία των προσαρμοστικών μηχανισμών υποβοήθησης που καλύπτουν εξατομικευμένες μαθησιακές ανάγκες. Με βάση αυτά τα δεδομένα, η διατριβή διερευνά την αποτελεσματικότητα των επιλυμένων παραδειγμάτων ως εναλλακτική λύση στα ευρέως χρησιμοποιούμενα συστήματα κειμενικής υποβοήθησης. Τα εμπειρικά αποτελέσματα έδειξαν ότι τα επιλυμένα παραδείγματα μειώνουν σημαντικά το γνωστικό φορτίο και βελτιώνουν τη διατήρηση της γνώσης, ιδιαίτερα στους αρχάριους προγραμματιστές. Η έρευνα προχωρά περαιτέρω στην προσαρμοστική υποβοήθηση, διερευνώντας μέσω μιας εμπειρικής μελέτης πώς οι δυναμικές προσαρμογές βάσει της απόδοσης του εκπαιδευόμενου μπορούν να βελτιστοποιήσουν τα εκπαιδευτικά αποτελέσματα. Αυτή η διερεύνηση πλαισιώνεται από μια συστηματική βιβλιογραφική ανασκόπηση, η οποία παρέχει μια συνολική εικόνα των υπαρχουσών μεθόδων προσαρμοστικής υποστήριξης σε παιχνίδια σοβαρού σκοπού, επισημαίνοντας τις θετικές πρακτικές, καθώς και τους τομείς προς βελτίωση. Επιπλέον, εξετάζεται η συνεργατική υποστήριξη σε παιχνίδια σοβαρού σκοπού, μέσα από την υλοποίηση και αξιολόγηση μηχανισμών πολλών παικτών που επιτρέπουν τη μάθηση με τη βοήθεια συμπαικτών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η συνεργατική υποστήριξη ενισχύει τις δεξιότητες επίλυσης προβλημάτων και αυξάνει τη συμμετοχή των εκπαιδευόμενων, προωθώντας τα οφέλη της κοινωνικής μάθησης σε περιβάλλοντα που βασίζονται σε παιχνίδια. Τέλος, η έρευνα συμβάλει στο επιστημονικό πεδίο, προτείνοντας καλές πρακτικές, μεθοδολογίες σχεδιασμού και τεχνικές για την ανάπτυξη παιχνιδιών σοβαρού σκοπού. Με τη συστηματική ανάλυση και την ανάπτυξη μηχανισμών υποβοήθησης, η εργασία αυτή προάγει τον σχεδιασμό παιχνιδιών σοβαρού σκοπού για την εκμάθηση προγραμματισμού. Τα ευρήματα παρέχουν εφαρμόσιμες γνώσεις σε εκπαιδευτικούς, ερευνητές και προγραμματιστές που στοχεύουν στη βελτίωση της μαθησιακής εμπειρίας μέσω προσαρμοστικών, συνεργατικών και αποτελεσματικών συστημάτων υποστήριξης. Η διατριβή γεφυρώνει εκπαιδευτικές πρακτικές σχετικά με τη βασιζόμενη σε παιχνίδια μάθηση, προτείνοντας αποτελεσματικά και εφαρμόσιμα συστήματα υποβοήθησης για την εκμάθηση προγραμματισμού μέσω παιχνιδιών σοβαρού σκοπού σε μαθητές πρωτοβάθμιας εκπαίδευσης