Investigation and development of a tangible technology framework for highly complex and abstract concepts

The ubiquitous integration of computer-supported learning tools within the educational domain has led educators to continuously seek effective technological platforms for teaching and learning. Overcoming the inherent limitations of traditional educational approaches, interactive and tangible computing platforms have consequently garnered increased interest in the pursuit of embedding active learning pedagogies within curricula. However, whilst Tangible User Interface (TUI) systems have been successfully developed to edutain children in various research contexts, TUI architectures have seen limited deployment towards more advanced educational pursuits. Thus, in contrast to current domain research, this study investigates the effectiveness and suitability of adopting TUI systems for enhancing the learning experience of abstract and complex computational science and technology-based concepts within higher educational institutions (HEI)s. Based on the proposal of a contextually apt TUI architecture, the research describes the design and development of eight distinct TUI frameworks embodying innovate interactive paradigms through tabletop peripherals, graphical design factors, and active tangible manipulatives. These computationally coupled design elements are evaluated through summative and formative experimental methodologies for their ability to aid in the effective teaching and learning of diverse threshold concepts experienced in computational science. In addition, through the design and adoption of a technology acceptance model for educational technology (TAM4Edu), the suitability of TUI frameworks in HEI education is empirically evaluated across a myriad of determinants for modelling students’ behavioural intention. In light of the statistically significant results obtained in both academic knowledge gain (μ = 25.8%) and student satisfaction (μ = 12.7%), the study outlines the affordances provided through TUI design for various constituents of active learning theories and modalities. Thus, based on an empirical and pedagogical analyses, a set of design guidelines is defined within this research to direct the effective development of TUI design elements for teaching and learning abstract threshold concepts in HEI adaptations

Diseño e implementación de juguetes interactivos para actividades educativas basadas en interacción tangible

Las teorías de aprendizaje y la innovación en los procesos de enseñanza y aprendizaje se presentan como un fundamento para la integrar la interacción tangible (IT) en procesos educativos. Uno de los aspectos en los que se ha centrado la atención en la IT es en cómo el uso de objetos tangibles (objetos físicos de uso cotidiano o conocidos por los usuarios) en vinculación con entornos digitales pueden apoyar o mejorar el aprendizaje de determinados temas y/o habilidades. En los últimos años se han desarrollado diferentes proyectos de investigación en donde se diseñan objetos tangibles e interfaces de usuario tangibles para apoyar el aprendizaje. Sin embargo, las nuevas tecnologías permiten generar propuestas novedosas en las que los objetos tangibles a través de alguna automatización permiten extender las capacidades de interacción de las personas con su entorno, así como generar nuevas formas interacción para controlar y representar información digital. Por tanto, en este trabajo de tesis se realizó una investigación con el objetivo de indagar las posibilidades de los objetos llamados activos (con capacidades feedback al interactuar con información digital). En particular, se aborda el trabajo con juguetes interactivos en actividades educativas basadas en IT. Los juguetes interactivos son desarrollados con objetos tangibles que permiten generar interacciones por medio de actuadores y sistemas de control. Para alcanzar el objetivo, se llevó adelante un proceso de búsqueda y revisión de material bibliográfico relacionado con la temática de estudio. Se aplicaron criterios de inclusión y exclusión para definir el cuerpo de trabajos a considerar para el análisis de experiencias de IT en el escenario educativo, en donde se emplearan objetos activos. Se seleccionaron 10 casos para analizar a partir de una serie de criterios definidos por el tesista. Así se establecieron 9 criterios para analizar las experiencias. Estos criterios se orientaron a caracterizar los antecedentes en 4 categorías: (i) descripciones generales, (ii) interacción tangible, (iii) interfaces de usuario tangible y (iv) metodológico educativo. Como resultado del análisis se evidenció el escaso desarrollo de experiencias de IT con objetos activos en Latinoamérica. Además, se constató que los proyectos se enfocan para niveles educativos de educación superior, que proponen actividades de aprendizaje, tanto exploratorias como expresivas, las modalidades de interacción se dan mayormente entre objetos activos y tabletops, y se emplea principalmente feedback relacionado con las tareas y la autorregulación. Finalmente, en general las experiencias analizadas remiten a actividades grupales y colaborativas. Se pudo identificar que los objetos tangibles activos tienen las características para integrar más y mayores capacidades que permiten crear enlaces entre lo virtual y real, lograr una mayor flexibilidad, abordar la generación de metáforas y enfocar la atención de los estudiantes. También, posibilitan la creación de interacciones con diversos canales de comunicación, de esta forma se pueden crear actividades educativas multimodales que fomenten el aprendizaje. A través del análisis, se identificaron situaciones de la IT con objetos activos que permitieron diseñar y planificar el estudio de caso. Este estudio permitió estudiar algunas variables en relación con el impacto que tienen los juguetes interactivos en una actividad específica con estudiantes y/o docentes. El estudio de caso consistió en una actividad educativa basada en un juego de IT utilizando juguetes interactivos. Para ello, se desarrolló un juego de IT en el marco de un proyecto con alumnos del Instituto de Investigación en Informática LIDI de la Universidad Nacional de La Plata (UNLP), como parte de esta tesis se diseñaron y desarrollaron dos juguetes interactivos para la dinámica del juego, y se organizaron sesiones de trabajo con estudiantes y docentes. Estas sesiones mostraron que los juguetes interactivos son considerados como un aspecto atractivo para los estudiantes y docentes; posibilitan crear propuestas innovadoras para integrar contenidos educativos con tecnología, y para brindar nuevas experiencias de juego y aprendizaje. Asimismo, se observó el disfrute de los estudiantes durante la experiencia, y buenos resultados respecto con la motivación intrínseca de los estudiantes durante la participación en las actividades educativas planificadas.Facultad de Informátic

A utilização da mesa interativa por multitoque na sala de aula e o seu impacte na aprendizagem de conteúdos de Astronomia

A Mesa Interativa por Multitoque (MIM) é um ecrã de grandes dimensões com tecnologia touch-screen de ecrã tátil, disposto horizontalmente, que funciona de modo análogo ao tablet, mas com a vantagem de permitir vários utilizadores em simultâneo. Alguns autores referem que as MIM estarão disseminadas pelas escolas num futuro muito próximo e já existem vários estudos que apresentam evidências dos efeitos positivos que estas mesas têm na aprendizagem, embora não sejam abundantes as pesquisas realizadas com estes dispositivos em contextos educativos reais. Algumas das empresas que comercializam os quadros interativos multimédia que equipam as nossas escolas também já apresentam a MIM como uma solução educativa, pois depressa se aperceberam das vantagens que a combinação do multitoque/ multiutilizadores permite no âmbito do trabalho cooperativo entre alunos. Estes dispositivos comercializam-se atualmente com preços proibitivos, pelo que são muito poucas as nossas escolas que as possuem. No entanto, existem soluções funcionais de baixo custo que são possíveis de implementar nas salas de aula, embora haja necessidade de uma plataforma multitoque acessível aos professores para construir os seus recursos educativos. Assim, neste trabalho apresentamos um estudo piloto da construção de uma mesa interativa por multitoque low cost de baixo custo, a ser utilizada por alunos na faixa etária dos 11-15 anos de idade, a qual testámos com um pequeno grupo cooperativo de três elementos numa experiência de ensino-aprendizagem no ano letivo 2015/16. O principal objetivo da nossa investigação foi averiguar qual o impacto direto que a utilização dessas mesas tem nos resultados da aprendizagem da Física. Este trabalho apresenta também as conclusões de um estudo empírico que realizámos numa sala de aula do Agrupamento de Escolas de Paião (Figueira da Foz), utilizando como recursos educativos três Mesas Interativas por Multitoque. A pesquisa foi desenvolvida durante o ano letivo de 2016/17 com uma turma experimental do 7.º ano de escolaridade no âmbito da disciplina de Físico-Química. Realizámos quatro experiências de ensino-aprendizagem, tendo nós, o professor investigador, elaborado previamente recursos educativos digitais multitoque para serem explorados pelos alunos, em grupo, com as mesas. A metodologia de trabalho de grupo que implementámos teve por base a aprendizagem cooperativa, concretamente o método “cabeças numeradas juntas” que é o indicado para atividades de revisão de conteúdos. Na aula seguinte à utilização da mesa, os alunos da turma experimental foram sujeitos a uma mini ficha de avaliação formativa e individual cujas questões incidiram nos conteúdos explorados com as MIM. Outros alunos de uma turma diferente (turma de controlo), não sujeitos às mesmas estratégias e recursos, realizaram também a mesma mini ficha de avaliação, tendo os seus resultados sido comparados com os da turma experimental. Mais tarde, todos os alunos do 7.º ano deste Agrupamento foram avaliados nos mesmos conteúdos através de uma ficha de avaliação formativa. A comparação e análise de todos os resultados sugere que a utilização sistemática das MIM na sala de aula tem consequências positivas no sucesso educativo dos alunos e na sua motivação para as aprendizagens.The Interactive Multi-Touch Table is a large size touch screen display laid out horizontally. It works like a tablet, but it has the advantage of allowing several simultaneously interacting users. Some authors assert that these tables will be widespread throughout schools in a near future and there are several studies that present evidence of the positive effects that these tables have on learning. However, the research done with these devices in real educational contexts isn’t abundant. Some of the companies that sell the interactive multimedia whiteboards that equip our schools, currently also offer the multi-touch table as an educational solution, because they were quick to realize the advantages that the multi-touch / multi-user combination brings to the collaborative work between students. These devices currently are marketed with prohibitively expensive prices, so very few schools have them, however, there are low cost functional solutions that it is possible to implement in classrooms, although there is a need for an accessible multi-touch platform on which teachers can build their educational resources. So, in this work we present a pilot study of the construction of an interactive low-cost multi-touch table, to be used by students aged 11-15 years old, which we validated with a small cooperative group of three elements in a real learning experience. This study also synthesizes the conclusions of a qualitative study that we conducted in a classroom of the Agrupamento de Escolas do Paião (Figueira da Foz), using as educational resources three Interactive Multi-touch Tables (IMT). The research was developed during the year of 2016/17 with an experimental group of the 7th year of schooling within the discipline of Physics and Chemistry. We performed four teaching-learning experiences, and we, as researcher, previously developed digital multi-touch educational resources to be explored by the students, in a group, with the tables. The methodology of group work that we implemented was based on cooperative learning, concretely the "numbered heads together" method that is indicated for content review activities. In the class following the use of the table, the students of the experimental group were subject to a small and individual evaluation test whose questions focused on the contents explored with the IMT. Other students from a different class (control group), not subject to the same strategies and resources, also performed the same small and individual evaluation test, and their results were compared with those of the experimental group. Later, all the students of the 7th year of schooling of this Agrupamento were evaluated in the same contents through a formative evaluation test. Our main objective of the investigation was to investigate the direct impact that the use of these tables has on the results of the learning of Physics. The comparison and analysis of all the results suggests that the systematic use of the Interactive Multi-touch Tables in the classroom has positive consequences on the educational success of students and their motivation for learning