Περιβάλλοντα επαυξημένης/εικονικής πραγματικότητας για δοκιμασίες στο πεδίο της εκπαίδευσης: πρακτική εφαρμογή και αξιολόγηση

Abstract

The subject of the present dissertation is the investigation of the use of Virtual Reality (VR)in educational environments, with emphasis on the design, development and evaluation of an original educational VR application that exploits the characteristics of this technology. The dissertation focuses on the study of the way in which VR can function as a means of enhancing experiential learning, the active participation of learners, and the deeper understanding of concepts that are often presented as abstract, complex or difficult to understand within the framework of more conventional forms of teaching. At the same time, the role of VR is examined not only as a teaching and learning tool, but also as an environment within which the processes of assessing the knowledge and skills of learners can also be integrated simultaneously. The dissertation is structured in four (4) experimental phases, with the common aim o finvestigating the effective use of VR in education. The first phase is pilot, while in the next three phases, which constitute the main experimental research of the dissertation, the original educational application VRBCS is designed, developed, evaluated and improved iteratively. The dissertation is formed as a coherent research course that examines how Virtual Reality(VR) can be utilized in education not as a means that creates excitement in users, but as a pedagogical tool that supports (a) experiential learning under conditions that are difficult/dangerous to reproduce in the physical world, (b) understanding of abstract concepts through visualization and interaction, and (c) reliable assessment of knowledge and skills at all levels of Bloom’s taxonomy, within the digital environment itself. The a forementioned four phases of the research function as successive steps of this course: the pilot phase uses Educational Seismology as its subject area and establishes the logic of experiential simulation and user experience in real danger scenarios, while the next three main phases transfer and specialize the methodology to the main subject area on which the dissertation focuses, namely that of the teaching and learning of basic concepts and techniques of computer programming and assessment. The pilot phase of the research makes use of the case of Educational Seismology, where VR has a clear comparative advantage: because earthquakes do not “occur on demand” and the real experience of them entails danger, education needs simulation tools that allow safe practice in rules of preparedness and protection. Within this framework, the immersive VR application “VRQuake” is developed, with strong elements of gamification and interaction of the learner-user with the virtual world. The findings of the evaluation with real learner-users show high acceptance, clarity of scenarios, and indications that the experience stimulates reflection on safety practices. Most importantly, however, this pilot phase constitutes very useful feedback for the design of the next three experimental phases, which directly exploit its findings with regard to the structuring, organization, presentation and visualization of the learning material, as well as with regard to user interaction, application usability and the improvement of the general user experience. The next three experimental phases (main research) transfer and investigate the possibilities of VR from the field of danger (earthquakes) to the field of cognitive difficulty, focusing on the teaching and learning of basic concepts and techniques of computer programming, with first-year students who are beginners in programming as the target group. Indeed, research has internationally established the increasing negative attitude up to and including the abandonment of relevant courses and study programs by students, due to the complex, abstract and ultimately demanding nature of this subject area. The dissertation examines the effectiveness of VR in this subject area by analyzing it along 3 main axes: learning outcomes (cognitive field), application usability, and the overall experience of the learner-user. In order to investigate them, it adopts an applied, experimental approach to the subject, through the design, development and evaluation of an original VR application. Specifically, the application “VRBCS” is designed in two versions, Desktop VR (semi-immersive technology) and Immersive VR (fully immersive technology), so that they may be compared under common learning content and usage scenario, and so that it may be answered in practical terms what the added value of immersion is incomparison with a more accessible solution such as semi-immersion. During the 1st experimental phase, the application is evaluated in its initial form, VRBCS-I, and then, based on the findings, itis modified successively during the 2nd and 3rd experimental phases. In the 3rd experimental phase, the final form of the application, VRBCS-II, is evaluated again on the same axes as the initial form, for reasons of comparability of results, with positive results that additionally confirm that the modifications brought improvement on multiple axes. An important finding, common to all the evaluations that were conducted, is that although users evaluate the Immersive VR version more positively in terms of usability as well as in terms of user experience, the differences in learning outcomes between the two versions / technologies, Desktop VR and Immersive VR, are not statistically significant. This leads to the conclusion that superior usability and user experience do not also imply superior learning benefits. Consequently, careful design is required so that the choice of VR technology is made through a combined evaluation of technical, economic and pedagogical parameters in each use case and not through “technological enthusiasm.” Overall, the experimental phases of the research converge into a unified contribution to answering the research questions and propose a documented framework for the design and evaluation of educational VR applications that balances between immersion and scaling, between user experience and learning indicators, and between teaching and assessment. The pilot phase demonstrates the power of experiential simulation in a socially critical field and highlights limitations/needs for scaling. The next three phases gradually evolve and mature this methodology and strengthen the reliability of the results through successive modifications – improvements, confirming in practice the feasibility of the implementation and integration of an educational VR application in a university context. Ultimately, the dissertation does not simply end up confirming the general and perhaps expected conclusion that “VR is useful in education,” but proceeds to something more substantial: it shows when, why and with what tools VR can support engagement, understanding, practical application and valid assessment of knowledge, and how the findings from each phase feed the design of the next step, from the simulation of safety behaviors to the cultivation and assessment of complex thinking skills in computer programming.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της αξιοποίησης της Εικονικής Πραγματικότητας (Virtual Reality – VR) σε εκπαιδευτικά περιβάλλοντα, με επίκεντρο τον σχεδιασμό, την ανάπτυξη και την αξιολόγηση πρωτότυπης εκπαιδευτικής εφαρμογής VR που αξιοποιεί τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας αυτής. Η διατριβή εστιάζει στη μελέτη του τρόπου με τον οποίο η VR μπορεί να λειτουργήσει ως μέσο ενίσχυσης της βιωματικής μάθησης, της ενεργητικής συμμετοχής των εκπαιδευόμενων και της βαθύτερης κατανόησης εννοιών που συχνά παρουσιάζονται ως αφηρημένες, σύνθετες ή δυσνόητες στο πλαίσιο πιο συμβατικών μορφών διδασκαλίας. Παράλληλα, εξετάζεται ο ρόλος της VR όχι μόνο ως εργαλείου διδασκαλίας και μάθησης, αλλά και ως περιβάλλοντος μέσα στο οποίο μπορούν να ενσωματωθούν ταυτόχρονα και οι διαδικασίες αξιολόγησης γνώσεων και δεξιοτήτων των εκπαιδευόμενων. Η διατριβή δομείται σε τέσσερις (4) πειραματικές φάσεις, με κοινό στόχο τη διερεύνηση της αποτελεσματικής χρήσης της VR στην εκπαίδευση. Η πρώτη φάση είναι πιλοτική ενώ στις επόμενες τρεις φάσεις, που αποτελούν την κυρίως πειραματική έρευνα της διατριβής, σχεδιάζεται, αναπτύσσεται, αξιολογείται και βελτιώνεται επαναληπτικά η πρωτότυπη εκπαιδευτική εφαρμογή VRBCS. Η διατριβή συγκροτείται ως μια συνεκτική ερευνητική πορεία που εξετάζει πώς η Εικονική Πραγματικότητα (VR) μπορεί να αξιοποιηθεί στην εκπαίδευση όχι ως μέσο που προκαλεί ενθουσιασμό στους χρήστες, αλλά ως παιδαγωγικό εργαλείο που υποστηρίζει (α) βιωματική μάθηση σε συνθήκες που είναι δύσκολο/επικίνδυνο να αναπαραχθούν στον φυσικό κόσμο, (β) κατανόηση αφηρημένων εννοιών μέσω οπτικοποίησης και διάδρασης και (γ) αξιόπιστη αξιολόγηση (assessment) γνώσεων και δεξιοτήτων όλων των επιπέδων της ταξινομίας Bloom, μέσα στο ίδιο το ψηφιακό περιβάλλον. Οι προαναφερθείσες τέσσερις φάσεις της έρευνας λειτουργούν ως διαδοχικά βήματα αυτής της πορείας: η πιλοτική φάση χρησιμοποιεί ως γνωστικό αντικείμενο την εκπαιδευτική σεισμολογία και θεμελιώνει τη λογική της βιωματικής προσομοίωσης και της εμπειρίας χρήστη σε σενάρια πραγματικού κινδύνου, ενώ οι επόμενες τρείς κύριες φάσεις μεταφέρουν και εξειδικεύουν τη μεθοδολογία στο κυρίως γνωστικό αντικείμενο που εστιάζει η διατριβή, αυτό της διδασκαλίας και μάθησης βασικών εννοιών και τεχνικών προγραμματισμού υπολογιστών και της αξιολόγησης. Η πιλοτική φάση της έρευνας αξιοποιεί την περίπτωση της Εκπαιδευτικής Σεισμολογίας, όπου η VR έχει σαφές συγκριτικό πλεονέκτημα: επειδή οι σεισμοί δεν «συμβαίνουν κατά παραγγελία» και η πραγματική εμπειρία τους ενέχει κίνδυνο, η εκπαίδευση χρειάζεται προσομοιωτικά εργαλεία που επιτρέπουν ασφαλή εξάσκηση σε κανόνες ετοιμότητας και προστασίας. Στο πλαίσιο αυτό αναπτύσσεται η εφαρμογή εμβύθισης (Immersive VR) “VRQuake”, με έντονα στοιχεία παιχνιδοποίησης και αλληλεπίδρασης του χρήστη-εκπαιδευόμενου με τον εικονικό κόσμο. Τα ευρήματα της αξιολόγησης με πραγματικούς χρήστες-εκπαιδευόμενους δείχνουν υψηλή αποδοχή, σαφήνεια σεναρίων και ενδείξεις ότι η εμπειρία κινητοποιεί αναστοχασμό πάνω σε πρακτικές ασφάλειας. Κυρίως όμως η πιλοτική αυτή φάση αποτελεί πολύ χρήσιμη ανατροφοδότηση για το σχεδιασμό των επόμενων τριών πειραματικών φάσεων, που αξιοποιούν άμεσα τα ευρήματά της ως προς την δόμηση, διάρθρωση, παρουσίαση και οπτικοποίηση του μαθησιακού υλικού αλλά και ως προς την αλληλεπίδραση του χρήστη, την ευχρηστία της εφαρμογής και την βελτίωση της γενικής εμπειρίας του χρήστη. Οι επόμενες τρεις πειραματικές φάσεις (κυρίως έρευνα) μεταφέρουν και διερευνούν τις δυνατότητες της VR από το πεδίο του κινδύνου (σεισμοί) στο πεδίο της γνωστικής δυσκολίας, εστιάζοντας στη διδασκαλία και μάθηση βασικών εννοιών και τεχνικών προγραμματισμού υπολογιστών, με ομάδα-στόχο τους πρωτοετείς φοιτητές που είναι αρχάριοι στον προγραμματισμό. Πράγματι, έχει διεθνώς διαπιστωθεί ερευνητικά η αυξανόμενη αρνητική στάση έως και εγκατάλειψη των σχετικών μαθημάτων και προγραμμάτων σπουδών από τους φοιτητές, λόγω της σύνθετης, αφηρημένης και εν τέλει απαιτητικής φύσης αυτού του γνωστικού αντικειμένου. Η διατριβή εξετάζει την αποτελεσματικότητα της VR στο γνωστικό αυτό αντικείμενο αναλύοντάς την σε 3 κύριους άξονες: τα μαθησιακά αποτελέσματα (γνωστικό πεδίο), την ευχρηστία της εφαρμογής και την όλη εμπειρία του χρήστη-εκπαιδευόμενου. Για να τους διερευνήσει, υιοθετεί μία εφαρμοσμένη, πειραματική προσέγγιση του θέματος, μέσα από τη σχεδίαση, ανάπτυξη και αξιολόγηση πρωτότυπης εφαρμογής VR. Συγκεκριμένα, η εφαρμογή“VRBCS” σχεδιάζεται σε δύο εκδόσεις, Desktop VR (τεχνολογία ημι-εμβύθισης) και ImmersiveVR (τεχνολογία πλήρους εμβύθισης), ώστε να συγκριθούν υπό κοινό μαθησιακό περιεχόμενο και σενάριο χρήσης, και να απαντηθεί πρακτικά ποια είναι η προστιθέμενη αξία της εμβύθισης έναντι μιας πιο προσιτής λύσης όπως η ημι-εμβύθιση. Κατά την 1η πειραματική φάση, η εφαρμογή αξιολογείται στην αρχική της μορφή, VRBCS-I, και στη συνέχεια με βάση τα ευρήματα τροποποιείται διαδοχικά κατά τη 2η και 3η πειραματική φάση. Στην 3η πειραματική φάση, η τελική μορφή της εφαρμογής, VRBCS-II, αξιολογείται εκ νέου στους ίδιους άξονες όπως η αρχική μορφή, για λόγους συγκρισιμότητας αποτελεσμάτων, με θετικά αποτελέσματα που επιπλέον επιβεβαιώνουν ότι οι τροποποιήσεις επέφεραν βελτίωση σε πολλαπλούς άξονες. Ένα σημαντικό εύρημα, κοινό σε όλες τις αξιολογήσεις που πραγματοποιήθηκαν, είναι ότι ενώ οι χρήστες αξιολογούν πιο θετικά την έκδοση Immersive VR ως προς την ευχρηστία αλλά και ως προς την εμπειρία χρήστη, οι διαφορές στα μαθησιακά αποτελέσματα μεταξύ των δύο εκδόσεων / τεχνολογιών Desktop VR και Immersive VR δεν είναι στατιστικά σημαντικές. Αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η ανώτερη ευχρηστία και εμπειρία χρήστη δεν συνεπάγεται και ανώτερα μαθησιακά οφέλη. Συνεπώς απαιτείται προσεκτικός σχεδιασμός ώστε η επιλογή τεχνολογίας VR να γίνεται με συνδυαστική αξιολόγηση τεχνικών, οικονομικών και παιδαγωγικών παραμέτρων ανά περίπτωση χρήσης και όχι με «τεχνολογικό ενθουσιασμό». Συνολικά, οι πειραματικές φάσεις της έρευνας συγκλίνουν σε μια ενιαία συμβολή στην απάντηση των ερευνητικών ερωτημάτων και προτείνουν ένα τεκμηριωμένο πλαίσιο σχεδιασμού και αξιολόγησης εκπαιδευτικών εφαρμογών VR που ισορροπεί μεταξύ εμβύθισης και κλιμάκωσης, μεταξύ εμπειρίας χρήστη και μαθησιακών δεικτών, και μεταξύ διδασκαλίας και αξιολόγησης. Η πιλοτική φάση αποδεικνύει τη δύναμη της βιωματικής προσομοίωσης σε ένα κοινωνικά κρίσιμο πεδίο και αναδεικνύει περιορισμούς/ανάγκες κλιμάκωσης. Οι επόμενες τρεις φάσεις σταδιακά εξελίσσουν και ωριμάζουν τη μεθοδολογία αυτή και ενισχύουν την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων μέσα από διαδοχικές τροποποιήσεις – βελτιώσεις, επιβεβαιώνοντας έμπρακτα το εφικτό της υλοποίησης και ένταξης μιας εκπαιδευτικής εφαρμογής VR σε πανεπιστημιακό πλαίσιο. Τελικά, η διατριβή δεν καταλήγει απλά να επιβεβαιώσει το γενικό και ίσως αναμενόμενο συμπέρασμα «η VR είναι χρήσιμη στην εκπαίδευση», αλλά προχωρά σε κάτι ουσιαστικότερο: δείχνει πότε, γιατί και με ποια εργαλεία η VR μπορεί να υποστηρίξει εμπλοκή, κατανόηση, πρακτική εφαρμογή και έγκυρη αξιολόγηση γνώσεων, και πώς τα ευρήματα από κάθε φάση τροφοδοτούν τη σχεδίαση του επόμενου βήματος, από την προσομοίωση συμπεριφορών ασφάλειας έως την καλλιέργεια και αξιολόγηση δεξιοτήτων σύνθετης σκέψης στον προγραμματισμό υπολογιστών.