An Investigation of Cognitive Implications in the Design of Computer Games

Computer games have been touted for their ability to engage players in cognitive activities (e.g., decision making, learning, planning, problem solving). By ‘computer game’ we mean any game that uses computational technology as its platform, regardless of the actual hardware or software; games on personal computers, tablets, game consoles, cellphones, or specialized equipment can all be called computer games. However, there remains much uncertainty regarding how to design computer games so that they support, facilitate, and promote the reflective, effortful, and conscious performance of cognitive activities. The goal of this dissertation is to relieve some of this uncertainty, so that the design of such computer games can become more systematic and less ad hoc. By understanding how different components of a computer game influence the resulting cognitive system, we can more consciously and systematically design computer games for the desired cognitive support. This dissertation synthesizes concepts from cognitive science, information science, learning science, human-computer interaction, and game design to create a conceptual design framework. The framework particularly focuses on the design of: gameplay, the player-game joint cognitive system, the interaction that mediates gameplay and the cognitive system, and the components of this interaction. Furthermore, this dissertation also includes a process by which researchers can explore the relationship between components of a computer game and the resulting cognitive system in a consistent, controlled, and precise manner. Using this process, three separate studies were conducted to provide empirical support for different aspects of the framework; these studies investigated how the design of rules, visual interface, and the core mechanic influence the resulting cognitive system. Overall then, the conceptual framework and three empirical studies presented in this dissertation provide designers with a greater understanding of how to systematically design computer games to provide the desired support for any cognitive activity

Desarrollo de un videojuego educativo configurable con mecánicas de aprendizaje y de juego que permitan reforzar el aprendizaje de Matemática en estudiantes de 1ro de secundaria

Mediante evaluaciones de rendimiento se demostró que muchos estudiantes de primero de secundaria no logran los resultados esperados en el área de matemáticas. Además, existen limitaciones en la enseñanza para la consideración de estilos de aprendizaje y poca flexibilidad en la selección de temas. Por ello, se identifica como problemática la falta de videojuegos configurables por el docente para complementar la enseñanza de matemáticas. El objetivo identificado es desarrollar un videojuego configurable por el docente, que ayude a desarrollar el aprendizaje de matemáticas. Para ello se emplea LEGA, un framework diseñado para asistir a docentes que deseen aplicar estrategias de gamificación. Primero, se identifica un conjunto de logros de aprendizaje y mecánicas de aprendizaje y de juego. Luego, se obtienen los estilos de aprendizaje de los alumnos y se diseñan actividades que serán la base del videojuego educativo. Posteriormente, se desarrolla el videojuego posibilitando a los docentes la configuración de temas y mecánicas. Para la implementación, se realizan evaluaciones a un grupo de alumnos con el apoyo de docentes. Estas evaluaciones están orientadas a medir el desempeño académico y el grado de satisfacción de los alumnos. En los resultados se muestra una diferencia favorable promedio de 0.22 (según notas estandarizadas del 0 al 20), mientras que en la evaluación orientada a la satisfacción se obtiene una aprobación de 83.3% de conformidad por parte de los estudiantes, quienes además manifestaron esta satisfacción mediante comentarios. A través de estos resultados se concluye que algunos de los temas expuestos no fueron enseñados a pesar de estar presentes como logros de aprendizaje según la MINEDU. Por otro lado, se determina que los géneros de aventura y exploración para videojuegos educativos favorecen la respuesta positiva de los estudiantes. Además, se confirma que el uso de narrativa en videojuegos educativos es favorable

Architecture pour la co-conception des jeux sérieux participatifs et intensifs en connaissances

Cette thèse identifie et vise à affronter certains verrous scientifiques concernant la conception des scenarios des serious games, leurs utilisations par un meilleur partage entre les concepteurs dans des contextes d apprentissage ciblés. Les constats motivant ce travail sont (1) la participation indispensable des formateurs dans la phase de conception en se basant sur leurs expertises et leurs objectifs pédagogiques, (2) la nécessité grandissante pour les formateurs experts de formaliser les scénarios décrivant les situations complexes rarement se produisant, (3) la non-adéquation des systèmes-auteurs des jeux sérieux existants à cette population de concepteurs, permettant seulement un nombre limité de scénarios à cause de leurs couts élevés, (4) le faible niveau de réutilisation des scénarios déjà produits dans la vie quotidienne. Notre problématique consiste à lever certains verrous existants dans la conception des jeux sérieux pour la formation dans des domaines d expertises complexes avec l hypothèse qu une meilleure organisation de la connaissance et de la coopération va faciliter la conception. L étude de cette problématique s effectue en proposant l architecture ARGILE (Architecture for Representations, Games, Interactions, and Learning among Experts) adaptée au jeu sérieux participatif et intensif en connaissancesThis PhD aims to confront some scientific challenges concerning the scenarios conception of Serious Games, their use through a better share by designers within the context of targeted learning. The findings motivating our work are (1) the significant participation of trainers in the design phase, (2) the growing needs for expert trainers to formalize scenarios describing rarely complex situations, (3) the divergence of existing serious games to these designers which cover a limited number of scenarios due to their high cost, (4) the low re-use level of scenarios that have already happened in daily life.Our questioning will lead us to see how we must design serious games for training in complex areas of expertise where reference knowledge is neither stabilized nor unanimous, but rather dynamic and continuously evolving. After having examined the principal mains of application of the Serious Game and having defined it, the study of this questioning led us to propose the ARGILE (Architecture for Representations, Games, Interactions, and Learning Among Experts) architecture, suitable for "participatory and knowledge-intensive" serious gamesTROYES-SCD-UTT (103872102) / SudocSudocFranceF

Herramientas educativas para facilitar la adopción de la ingeniería de lenguajes software entre los desarrolladores informáticos

Históricamente, la materia de construcción de compiladores y procesadores de lenguaje es considerada por los estudiantes de ingeniería en informática como una materia difícil. Esto es debido, por una parte, a la naturaleza formal de las herramientas de especificación y diseño utilizadas, y, por otra, a la aplicación adecuada de diferentes técnicas sistemáticas de desarrollo para obtener los procesadores finales a partir de sus especificaciones. En esta tesis se aborda esta problemática en el caso particular de las gramáticas de atributos como formalismo básico de especificación. La tesis aborda, primeramente la concepción de una estrategia para facilitar la comprensión de los aspectos básicos de las especificaciones basadas en gramáticas de atributos, así como el soporte software de dicha estrategia. La estrategia propone un enfoque dirigido por problemas, en los que el alumno debe emular el proceso de evaluación semántica sobre distintos supuestos de procesamiento de frases de acuerdo con gramáticas de atributos. Para soportar dicha estrategia, se ha desarrollado un sistema denominado Evaluators, que, tomando como entrada baterías de ejercicios sobre evaluación semántica, produce automáticamente simuladores interactivos que los estudiantes pueden utilizar para resolver dichos ejercicios. El sistema proporciona, así mismo, una herramienta de autoría, que puede ser utilizada por los docentes para proporcionar los ejercicios, así como una herramienta de análisis, que permite trazar el comportamiento de los estudiantes durante la resolución de los mismos en los simuladores generados. Respecto a dichos simuladores, la herramienta es capaz de generar simulaciones de dos tipos: simuladores basados en juegos serios, y simulaciones interactivas basadas en las representaciones abstractas convencionales utilizadas en la materia. La tesis presenta, así mismo, diversos resultados de evaluación de la herramienta, tanto con estudiantes como con docentes, que evidencian la utilidad práctica de la misma. Por último, la tesis abstrae también el modelo de proceso utilizado en la construcción de la misma..

Conception des jeux sérieux éducatifs : comment concevoir une expérience optimale d’apprentissage?

Les jeux sérieux s’inscrivent dans un courant qui cherche à explorer l’utilisation des jeux numériques dans des contextes où la finalité première dépasse le simple divertissement. Cette utilisation dans le champ éducatif est justifiée par la capacité de ces jeux à avoir des impacts positifs liés à l’apprentissage sur les plans cognitif, affectif et social. Les études empiriques, conduites pour vérifier les bénéfices présumés de ces jeux, tendent à s'accorder pour confirmer leur pertinence et efficacité. Cependant, il en ressort que ces bénéfices dépendent de la qualité de leur conception et d'intégration dans des dispositifs de formation. Or, les approches et théories existantes à cet effet sont à un stade précoce de construction et sont loin d’être consensuelles. Plus spécifiquement, ces approches présentent des limites en ce qui concerne leurs fondements théoriques, l’absence de démarches de conception détaillées et la difficulté d’intégrer, d’une façon équilibrée, les éléments favorisant la motivation et ceux favorisant l’apprentissage. Dans ce contexte, la présente recherche vise à remédier à ces limites en proposant un modèle de design des jeux sérieux qui soutient la conception et le développement de ces jeux pour une finalité pédagogique. À cet effet, nous avons mis en œuvre une démarche méthodologique basée sur l’approche de recherche orientée par la conception (Design-based research), en vue de répondre à la question de recherche suivante : comment concevoir des jeux sérieux efficaces pédagogiquement et motivants ? Ladite approche a consisté, conformément au modèle de Reeves (2006), en quatre phases : la définition d’un problème pratique, le développement d’une solution à partir des principes de design existants, des cycles itératifs de tests et d’affinement de la solution et la production de nouveaux principes de design généralisables à d’autres contextes. Elle a permis l’élaboration d’une démarche globale, cohérente et intégrée de design des jeux sérieux. Le cas échéant, la démarche proposée porte sur un modèle théorique de l’expérience optimale d’apprentissage par jeux sérieux, des principes de design qui devraient guider le processus de design de ces jeux, une méthodologie détaillée pour conduire ce processus, ainsi que des outils d’aide au design qui définissent pour chacune des étapes les paramètres pédagogiques, ludiques et techniques à prendre en considération. Les implications du modèle proposé sont multiples. Il contribue au comblement des lacunes de connaissances relatives à l’utilisation et le design des jeux sérieux. Plus spécifiquement, il décrit l’expérience d’apprentissage par ces jeux et détermine les caractéristiques et les conditions d’émergence de cette expérience. Il réduit la complexité inhérente au design de ces dispositifs, en proposant des principes de design, une méthodologie détaillée et des outils. Il structure le processus de design autour des principes issus des domaines de design pédagogique (instructional design) et de design des jeux (game design) et en décrit les résultats attendus. Il lie la théorie à la pratique en proposant un cadre théorique descriptif du processus de design ainsi que des orientations claires et pratiques pour le mettre en œuvre. De même, les outils qu’il propose peuvent servir de support pédagogique, pour initier les concepteurs au processus de design, ainsi que de support de communication entre les différentes parties prenantes lors d’une démarche participative de design centrée sur l’utilisateur. Mots-clés : Apprentissage par le jeu, design des jeux sérieux, design pédagogique, pédagogie ludique, jeu sérieux.Serious games are part of a movement that seeks to explore digital games in contexts where the primary purpose is other than pure entertainment. In education, this use is justified by the ability of these games to impact cognitive, emotional, and social learning. Empirical studies conducted to verify the presumed benefits of these games tend to confirm their relevance and instructional effectiveness. Nevertheless, they suggest that these benefits depend on the quality of their design and implementation. However, the existing approaches and theories related to serious games design are at an early stage of construction and are far from consensual. More specifically, these approaches have limitations in terms of theoretical foundations, a lack of detailed design methodologies, and a difficulty of integrating, in a balanced way, the elements that promote motivation and those that promote instruction. In this context, this thesis aims to remedy these limitations by proposing a serious game design model that supports the design and development of serious games for an educational purpose. To this end, we have implemented a methodology based on the Design-based research approach to answer the following research question: how to design serious games that are pedagogically effective and intrinsically motivating? Therefore, our methodology consisted, following Reeves’ model (2006), of four phases: analysis of a practical problem, development of a solution informed by existing design principles and technological innovations, iterative cycles of testing and refinement of the solution, and reflection to produce new design principles generalizable to other contexts. Our goal was to develop a comprehensive, coherent, and integrated approach to serious game design. As a result, our research proposes a theoretical model describing an optimal learning experience through serious games, a set of five design principles that should guide the design process, and tools to support instructional designers during the design process. The implications of the proposed approach are multiple. It helps to fill knowledge gaps concerning the design of serious games. More specifically, it describes the expected learning experience through these games and determines the characteristics and conditions of emergence of this experience. It reduces the complexity inherent to the design process by proposing design principles, detailed methodology, and practical tools. It structures the design process based on principles from the instructional design and game design fields. Finally, the approach links theory to practice by providing a descriptive theoretical framework of the design process and clear practical implementation guidelines. Likewise, the accompanying tools can serve as educational support to initiate instructional designers into the design process and as a communication tool to support the relationship between different stakeholders during a participatory user-centred design process

Serious Game Design : considérations théoriques et techniques sur la création de jeux vidéo à vocation utilitaire

Les jeux vidéo font aujourd'hui partie du paysage culturel de notre société. Si leur terrain de prédilection reste le domaine des loisirs, le courant du " Serious Game " permet d'utiliser les jeux vidéo pour de nombreuses finalités " sérieuses " : apprentissage scolaire, communication, thérapie, formation professionnelle, publicité, militantisme...Le travail présenté dans cette thèse porte sur la création de ces " jeux vidéo à vocation utilitaire ". Plus précisément, nous nous interrogeons sur les approches permettant de faciliter la création de Serious Games. Pour cela, nous recensons et analysons les approches existantes de facilitation de la création de jeux vidéo de divertissement. Nous évaluons ensuite la pertinence de ces approches pour faciliter la création de Serious Games, tout en cherchant à caractériser les éventuelles spécificités de leur processus créatif. Réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE, notre travail de recherche propose les contributions suivantes : -Une vue d'ensemble des " Serious Games " à travers un corpus de 2218 titres. -Une analyse des outils " théoriques " facilitant la création vidéoludique, appuyée par quatre retours d'expérience CIFRE sur la réalisation de Serious Games. Cette étude des considérations " théoriques " nous permet de proposer une méthodologie de conception synthétique adaptée aux Serious Games. -Une analyse des outils " techniques " facilitant la création vidéoludique, basée sur l'étude d'un corpus de 400 logiciels. Cette étude des considérations " techniques " nous permet de proposer une base de données collaborative en ligne simplifiant la recherche d'outils techniques grâce à un système de classification adapté. -L'évaluation de ces approches théoriques et techniques de facilitation de la création de Serious Games dans un contexte d'application précis : des cours universitaires reposant sur la création vidéoludique. Cette évaluation des approches identifiées nous permet de proposer un " cahier des charges " définissant les caractéristiques d'un " outil idéal " pour faciliter la création de Serious Games en contexte pédagogique. -Deux expérimentations logicielles visant à réaliser un nouvel outil répondant à ce " cahier des charges ". Si la première expérimentation n'a pas abouti, la seconde propose des résultats intermédiaires encourageants : cette ébauche d'outil a permis de créer un des Serious Games du CIFRE accompagnant cette thèse.Nowadays, videogames are an important part of popular culture. Although videogames are most famous as leisure, the wave of " Serious Games " aims to use them for a wide range of serious purposes: teaching, communication, therapy, professional training, advertising, political propaganda...This thesis focuses on the design of such " Serious Games ". More specifically, we will try to identify means able to ease the creation of Serious Games. To achieve this goal, we will first concentrate on the analysis of means used to ease the creation of entertainment videogames. We will then try to evaluate how these means can be relevant to ease the creation of Serious Games. Through this process, we will specify the difference between the design of an entertainment videogame and a Serious Game. This research was conducted with the help of an industrial partnership involving three companies and institutions. The main contributions of this thesis are: -A global view of the " Serious Game " field through a corpus of 2218 titles. -An analysis of the " theoretical " tools able to ease the creation of videogames, backed with four case studies coming from our industrial partners. This study of the " theoretical " side of the Serious Game Design process will result in a synthetic methodology to create Serious Games. -An analysis of the " technical " tools able to ease the creation of videogames, based on a corpus of 400 software tools. This study will result in an open and collaborative database of videogame creation tools. -An evaluation of these " theoretical " and " technical " tools through a university course whose goal is to teach the basics of Game Design. This evaluation will point out several limitations in the available tools. This study will thus result in a specification of desired features for a tool able to ease the creation of Serious Games in an educational environment. -Two software experimentations aiming to create a tool embedding all the features listed in the previous specification. The first experiment failed to reach this goal, but the second one shows a promising mid-term result: this prototype tool was successfully used to create one of the Serious Games designed for our industrial partners