Design and rapid development learning framework of motion-based touchless games for enhancing students’ thinking skills

In the last few years, engaging students to create digital games has been a pole of attraction for many teachers and researchers, resulting to highly positive learning experiences and promoting their thinking skills e.g. programming and computational thinking (CT) skills. Researchers have already stated about the need for further research not only around the evaluation techniques and tools of the quality of these complex educational interventions, but mainly about ways to ease the assessment of students’ performance from multiple perspectives with authenticity. This thesis contributes to proposing a Systematic Design and Rapid Development ofMotion-Based Touchless Games for Enhancing Students’ Thinking Skills and a multifaceted assessment framework of the degree of students’ acquisition of multiple skills, when they get involved in digital motion-based touchless game making course-projects with the MIT Scratch tool. The results of its implementation during two (2) pilot studies with secondary educational students, which are presented, indicate that this approach can promote thinking skills e.g UX/UI design skills, computational thinking , programming, spatial skills and creativity and at the same time to enhance positive learning experiences. Furthermore findings from four (4) evaluation studies in 127 computer science undergraduate college students highlight the positive effects of combining and extending various assessment techniques and tools to draw holistic conclusions about students’ higher skills including computational and spatial thinking skills.Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με το ερευνητικό αντικείμενο της διερεύνησης του κατά πόσο μπορούν να προαχθούν πολλαπλές δεξιότητες και επιτευχθούν θετικές μαθησιακές εμπειρίες με την ενεργή συμμετοχή των μαθητών σε δράσεις σχεδίασης και ανάπτυξης ψηφιακών παιχνιδιών ενσώματης αλληλεπίδρασης. Σε μια κοινωνία που οι τεχνολογικές εξελίξεις είναι ραγδαίες και όλοι μας ερχόμαστε σε καθημερινή επαφή με σύνθετα προβλήματα (ill-structured problems) που απαιτούν την αξιοποίηση Η/Υ, η ανάγκη για καλλιέργεια συναφών πολλαπλών δεξιοτήτων είναι επιτακτική. Δεξιότητες όπως η επίλυση προβλήματος, η υπολογιστική σκέψη, ο κριτικός στοχασμός και η αναλυτική σκέψη, η δημιουργικότητα, και η συνεργατικότητα αναφέρονται συχνά στη βιβλιογραφία ως μερικές από τις πιο σημαντικές δεξιότητες του 21ου αιώνα. Σε αυτές τις δεξιότητες 21ου αιώνα κομβικό ρόλο παίζει και η υπολογιστική σκέψη (ΥΣ), η οποία θεωρείται πια μια θεμελιώδης μορφή νόησης για τον 21ο αιώνα και αποτελεί πεδίο έντονου ερευνητικού ενδιαφέροντος. Τα τελευταία χρόνια έχουν εντατικοποιηθεί οι προσπάθειες εμπλοκής των μαθητών σε δράσεις δημιουργίας ψηφιακών παιχνιδιών. Ευρήματα από τις δράσεις αυτές είναι πολύ θετικά, καθώς φαίνεται πως βοηθούν τους μαθητές να ενισχύουν δεξιότητες, όπως την υπολογιστική σκέψη, συνεργατικότητα και την επίλυση προβλήματος, διασφαλίζοντας παράλληλα τις θετικές μαθησιακές εμπειρίες των μαθητών. Ωστόσο, προκύπτουν ανοικτά θέματα που πρέπει να ληφθούν υπόψη όταν προτείνεται η εφαρμογή της εκπαιδευτικής μέθοδου αυτής στην τάξη. Πιο συγκεκριμένα, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη έμφαση σε όλα τα στάδια/φάσεις του κύκλου ζωής ανάπτυξης ψηφιακού παιχνιδιού, καθώς πολλοί μαθητές φαίνεται να αντιμετωπίζουν δυσκολίες στην κατανόησή του. Επιπρόσθετα, αφού οι δράσεις δημιουργίας ψηφιακών παιχνιδιών από μαθητές καλλιεργούν πολλές δεξιότητες είναι ιδιαίτερα σημαντικό να γνωρίζουμε πώς να μετρήσουμε αυτές τις δεξιότητες. Για το λόγο αυτό προκύπτει ως πρόσθετη ανάγκη η αξιοποίηση αποτελεσματικών τεχνικών και εργαλείων πολυ-επίπεδης αποτίμησης της επίδοσης των μαθητών και η δημιουργία νέων. Έτσι, θα μπορέσει ο εκπαιδευτικός να γνωρίζει πολύ καλά το επίπεδο του μαθητή, τα δυνατά και τα αδύνατα σημεία του και να μπορέσει να έχει μια καλύτερη εικόνα για τις δεξιότητές του και όχι αν απλά δημιούργησε τελικά ο μαθητής ένα καλό ψηφιακό παιχνίδι ή όχι.Παράλληλα, στη βιβλιογραφία αναδεικνύεται και ένα ακόμη στοιχείο. Υπάρχει η τάση να αξιοποιούνται νέα-μοντέρνα είδη παιχνιδιών με βάση τις νέες μορφές αλληλεπίδρασης και πιο συγκεκριμένα τη φυσική/ενσώματη αλληλεπίδραση, προκειμένου να κεντρίσουν το ενδιαφέρον των μαθητών και να αξιοποιήσουν ακόμη περισσότερο δεξιότητες όπως φαντασία, δημιουργικότητα. Ειδικότερα τα ψηφιακά παιχνίδια ενσώματης αλληλεπίδρασης (movement-based or embodied games) είναι νέο είδος παιχνιδιών. Ερευνητές έχουν ήδη επισημάνει πως ο συγκεκριμένος τύπος παιχνιδιών είναι πολύ πιο διαδραστικός, με αποτέλεσμα να ενισχύει ακόμη περισσότερο το κίνητρο και το ενδιαφέρον των μαθητών. Η ενεργή, επίσης, συμμετοχή των μαθητών σε δράσεις δημιουργίας τέτοιων παιχνιδιών, φαίνεται πως εμπεριέχει όλα εκείνα τα στοιχεία, με τα οποία μπορεί να ενισχύεται ακόμη περισσότερο η πρόκληση της δημιουργίας (creative challenge), καθώς οι μαθητές καλούνται, εκτός από το περιβάλλον του παιχνιδιού, να σχεδιάσουν και να υλοποιήσουν μηχανισμούς φυσικής/ενσώματης αλληλεπίδρασης του χρήστη στο παιχνίδι. Και λόγω αυτής ακριβώς της μεγαλύτερης πρόκλησης που προκύπτει, δίνεται η ευκαιρία στους μαθητές να καλλιεργήσουν ακόμη περισσότερο και άλλες δεξιότητες όπως τη φαντασία, τη δημιουργικότητα, καθώς και τη χωρική τους σκέψη. Από τη μελέτη της βιβλιογραφίας ωστόσο προκύπτει ότι οι δράσεις σχεδίασης και ανάπτυξης ψηφιακών παιχνιδιών ενσώματης αλληλεπίδρασης από μαθητές είναι σε εξαιρετικά αρχικό στάδιο. Η παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνει μια νέα εκπαιδευτική προσέγγιση «σχεδίασης και ανάπτυξης ψηφιακών παιχνιδιών ενσώματης αλληλεπίδρασης από μαθητές για την προαγωγή δεξιοτήτων και θετικών μαθησιακών εμπειριών». Η εν λόγω εκπαιδευτική προσέγγιση συνοδεύεται και από ένα πολύ δομημένο πλαίσιο αποτίμησης της επίδοσης των μαθητών, στο οποίο αξιοποιούνται συνδυαστικά τεχνικές και εργαλεία αξιολόγησης από τη βιβλιογραφία.Η προτεινόμενη εκπαιδευτική προσέγγιση δοκιμάστηκε και αξιολογήθηκε με ιδιαίτερη επιτυχία από εκπαιδευτικούς και μαθητές σε αυθεντικά εκπαιδευτικά περιβάλλοντα μάθησης στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση μέσω δύο παράλληλων πιλοτικών εφαρμογών και ισάριθμων συστηματικών αξιολογήσεών τους. Επιπρόσθετα, μέσω τεσσάρων (4) μελετών περίπτωσης σε προπτυχιακούς φοιτητές φάνηκε ότι το εν λόγω προτεινόμενο πλαίσιο μπορεί να βοηθήσει τον εκπαιδευτικό στη λεπτομερή αποτίμηση της επίδοσης των εκπαιδευόμενων με αυθεντικό τρόπο παρουσιάζοντας αναλυτικά στοιχεία για το επίπεδο κατάκτησης δεξιοτήτων

Systematic Design and Rapid Development of Motion-Based Touchless Games for Enhancing Students’ Thinking Skills

During the last few years, there has been a growing interest in students getting engaged in digital game-making activities so as to enhance their thinking skills. The findings of studies that have examined the impact of such initiatives are quite positive, especially concerning the promotion of 21st century skills; however, many students seem to face difficulties in getting a deeper understanding of the game development life cycle. Additionally, students often have difficulties in meaningfully reusing and applying the concepts from various subjects, mainly mathematics and physics, into their game-making tasks or in understanding advanced programming commands while creating their games. The present study presents an innovative game-making teaching approach that suggests a series of steps for the systematic design and rapid development of motion-based touchless games, i.e., games that are based on natural user interaction technologies, like the Microsoft Kinect camera. Findings from evaluation studies in two (2) secondary schools indicate that this approach can increase student motivation, strengthen their computational thinking, enhance their understanding of geometric principles and improve their social skills

Investigation of Stress-Oriented Hydrogen-Induced Cracking (SOHIC) in an Amine Absorber Column of an Oil Refinery

Stress-oriented hydrogen-induced cracking (SOHIC) of an amine absorber column made of a Hydrogen Induced Cracking (HIC) resistant steel and operating under wet H2S service was investigated. SOHIC was not related to welds in the column and evolved in two steps: initiation of HIC cracks in the rolling plane and through-thickness linking of the HIC cracks. Both the original HIC cracks as well as the linking cracks propagated with a cleavage mechanism. The key factors identified were periods with high hydrogen charging conditions, manifested by high H2S/amine ratio, and stress triaxiality, imposed by the relatively large thickness of the plate. In addition, the mechanical properties of the steel away from cracked regions were unaffected, indicating the localized nature of SOHIC