Αλληλεπίδραση ανθρώπου - υπολογιστή: ανάπτυξη εκπαιδευτικών εργαλείων με έμφαση σε φυσικές διεπαφές χρήστη

Abstract

The current doctoral thesis concerns research topics in the field of Human and Computer interaction (HCI), which is a crossover between related academic principles, such as computer science, cognitive and social psychology. The research of this thesis focuses on investigating the enhancement of the educational process through the integration of alternative ways of learning and interaction from an HCI perspective. In terms of learning, the integration of experiential activities into computational interactive systems, as well as the use of electronic educational environments or games was investigated, based on the needs and particularities of learners in the context of an educational process. Concerning interaction, alternative methods of interaction with computing systems were studied, both for creating an encouraging user environment and for correlating them to the learning preferences and difficulties each user may encounter. Alternative ways of interaction imply the use of a more natural communication channel between a user and a computer in terms of input such as voice and movement.The main goal of the thesis was to develop an appropriately designed computer supported educational framework, with the necessary tools and methods to enable learners to have a more active role in the learning process, increasing their participation and meeting their personal educational needs. As it was identified during the course of this research, the provision of a more enjoyable and improved learning environment can be achieved using new technologies and methods. The use of Information and Communication Technologies (ICT) in educational environments is constantly increasing, either with the use of audiovisual media or with the use of educational games. Nowadays, it becomes increasingly accepted that alternative ways of education, such as for example experiential learning is more effective and increases the learner's motivation to participate. Towards the further development of experiential learning, in the past years, there has been an increase in the number of pedagogical methods that employ more practical ways of learning such as problem-based learning, learning through co-operation and role-playing, learning through activities and game-based learning amongst others. In the context of the study of educational environments, this research focused on methodologies that facilitate distance learning and appropriate experimental processes were carried out. The first parameter that was investigated was the implementation of experiential learning in an educational environment. In order to explore how experiential learning can be embedded in a computational interactive learning environment, a role-playing game was designed and implemented in a three-dimensional virtual environment. The second parameter investigated was the user’s specific learning profile. This investigation was supported by the development of an educational environment called e-Hoop, the main target of which was to first evaluate the learning preferences and difficulties of the users and then provide the most appropriate educational material. In brief, it supports the idea of enhancing the individual learners’ learning attributes, which means the most effective way they process information, for example visually or acoustically and reducing the cognitive load by presenting the learning material in a more enjoyable, fun and simplified form.In the field of HCI, the use of physical interfaces in interactive computing systems is becoming increasingly valuable, which they in turn prove to be invaluable tools in the education field. Natural ways of interaction such as gestures or body movements, are pleasant, they promote the active participation of the learners, their motivation and attention, all while enhancing the learning process in parallel. Additionally, they provide the users with a more human-like communication experience and can act as a catalyst in the process of alternative ways of learning. However, it is not evident which natural ways of interaction, in which way and in what combination is it feasible to be integrated into educational environments to aid in an alternative learning process. In the context of this research, a comparative study of alternative ways of interaction with every system designed was initially carried out, examining both the subjective and emotional experience of users along with the increased incentive to participate. Subsequently, there was an investigation of the correlation of users' learning profiles with respect to the interaction method they utilised. To actualise this goal, an educational game was designed and developed, which through its user interface, enabled the users to interact with more natural ways of communicating, either by using voice or by using motion. The results fueled the next step of the research which was the development of a new approach for the evaluation of learning difficulties in children. In particular, this method implements the cognitive skill tests related to spatial and time orientation and the sequence of events, while simultaneously collecting information on the child's motor skills. For the purpose of this method, Kin-LDD, an innovative tool, was designed and developed. Kin-LDD is a serious game for children, which is pleasant and offers a natural user interaction interface through gestures, while in parallel provides a tool for specialists to examine the cognitive motor skills in children.In the present doctoral thesis, experimental techniques were implemented, aiming at the collection of both quantitative and qualitative data and the extraction of objective and subjective conclusions. The results of the aforementioned researches confirmed the goals set in the initial phase of the dissertation. In summary, the research carried out in this doctoral thesis, proposes a methodology for the creation and enrichment of an encouraging, pleasant and innovative educational environment with the main purpose of addressing the individual learner’s needs and at the same time to actively involve them in the learning process. The research has shown that such 'engagement' is achieved by integrating and using alternative learning methods such as experiential activities and different communication channels between the user and the system, while also deemed a good practice for achieving a pleasant experience for learner in an educational environment framework. In addition, it has been shown that the use of alternative ways of interaction within interactive computing systems, based on their correlation with the user's learning preferences and difficulties, when applied to educational environments, the active participation of users is enhanced. Therefore, during this research, the assumptions and objectives of the dissertations were actualised, both on a theoretical but also on a practical level. The underlying framework for this research, has managed to strengthen the learners’ participation, to address their individual learning needs, difficulties and obstacles faced by each learner, to facilitate an encouraging environment that provides a pleasant experience for the end user and to provide alternative ways of interaction between user and computer, with emphasis on the use of physical interfaces.

Η ανά χείρας διδακτορική διατριβή ασχολείται με ερευνητικά ζητήματα του πεδίου Αλληλεπίδρασης Ανθρώπου Υπολογιστή (ΑΑΥ), το οποίο αποτελεί σταυροδρόμι διαφορετικών επιστημών, μεταξύ άλλων, της Πληροφορικής, της Γνωστικής και της Κοινωνικής Ψυχολογίας. Η έρευνα της διατριβής εστιάζει στη διερεύνηση της ενίσχυσης της εκπαιδευτικής διαδικασίας μέσω τις ενσωμάτωσης εναλλακτικών μεθόδων μάθησης και αλληλεπίδρασης υπό το πρίσμα της ΑΑΥ. Όσον αφορά στη μάθηση, διερευνήθηκαν η ενσωμάτωση βιωματικών δραστηριοτήτων σε υπολογιστικά διαδραστικά συστήματα καθώς και η χρήση ηλεκτρονικών εκπαιδευτικών περιβαλλόντων ή παιγνίων, με βάση τις ανάγκες και ιδιαιτερότητες των εκπαιδευομένων, στο πλαίσιο μιας εκπαιδευτικής διαδικασίας. Όσον αφορά στην αλληλεπίδραση, μελετήθηκε η εφαρμογή εναλλακτικών τρόπων αλληλεπίδρασης σε διαδραστικά υπολογιστικά συστήματα, τόσο για τη δημιουργία ενός ενθαρρυντικού περιβάλλοντος χρήσης όσο και για τη συσχέτιση τους με τις μαθησιακές προτιμήσεις και δυσκολίες που ενδέχεται να αντιμετωπίζει ο χρήστης. Ως εναλλακτικός τρόπος αλληλεπίδρασης νοείται η χρήση ενός πιο φυσικού καναλιού επικοινωνίας μεταξύ χρήστη και υπολογιστή, πιο φυσικό ως προς την είσοδο όπως για παράδειγμα η ομιλία και η κίνηση. Βασικός στόχος της διατριβής ήταν η δημιουργία ενός κατάλληλα διαμορφωμένου υπολογιστικά-υποστηριζόμενου εκπαιδευτικού περιβάλλοντος με τα κατάλληλα εργαλεία και τις μεθόδους έτσι ώστε να επιτρέπει στους εκπαιδευόμενους να αναλάβουν έναν πιο ενεργό ρόλο, να επιτύχει την ενίσχυση της συμμετοχής τους και την κάλυψη των προσωπικών εκπαιδευτικών τους αναγκών. Η παροχή ενός πιο ευχάριστου και βελτιωμένου εκπαιδευτικού περιβάλλοντος, όπως διαπιστώθηκε στην πορεία της έρευνας, μπορεί να δημιουργηθεί με τη χρήση νέων τεχνολογιών και μεθόδων. Η χρήση των Τεχνολογιών Πληροφορικής και Επικοινωνιών (ΤΠΕ) στο πλαίσιο της εκπαιδευτικής διαδικασίας αυξάνεται όλο και περισσότερο είτε μέσω της χρήσης οπτικοακουστικών μέσων είτε με την εφαρμογή εκπαιδευτικών παιχνιδιών. Σήμερα γίνεται ολοένα και περισσότερο αποδεκτό ότι οι εναλλακτικοί μέθοδοι μάθησης, όπως για παράδειγμα η βιωματική ή η ενσώματη μάθηση ή η χρήση ηλεκτρονικών εκπαιδευτικών παιγνίων, είναι περισσότερο αποτελεσματικοί και αυξάνει το κίνητρο συμμετοχής του εκπαιδευόμενου. Στοχεύοντας στην ανάπτυξη της βιωματικής μάθησης, τα τελευταία χρόνια αυξάνεται ο αριθμός των παιδαγωγικών μεθόδων που επικεντρώνονται σε πιο πρακτικούς τρόπους μάθησης, όπως για παράδειγμα η μάθηση βασιζόμενη σε επίλυση προβλημάτων, σε συνεργασία, παιχνίδια ρόλων, δραστηριότητες αλλά και η μάθηση με τη χρήση παιχνιδιών. Στο πλαίσιο της μελέτης εκπαιδευτικών περιβαλλόντων η έρευνα επικεντρώθηκε σε μεθόδους που παρέχουν εξ αποστάσεως εκπαίδευση και διενεργήθηκαν αντίστοιχες πειραματικές διαδικασίες. Αρχικώς εξετάσθηκε η παράμετρος της βιωματικής μάθησης σε ένα εκπαιδευτικό περιβάλλον. Προκειμένου να διερευνηθεί πώς η βιωματική μάθηση ενσωματώνεται σε ένα υπολογιστικό διαδραστικό περιβάλλον εκπαίδευσης, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα παιχνίδι ρόλων σε ένα τρισδιάστατο εικονικό περιβάλλον. Η δεύτερη παράμετρος που εξετάσθηκε ήταν το μαθησιακό προφίλ του χρήστη. Η έρευνα υποστηρίχθηκε από την ανάπτυξη ενός εκπαιδευτικού περιβάλλοντος, του e-Hoop, του οποίου κύριος στόχος είναι η αποτίμηση των μαθησιακών προτιμήσεων αλλά και δυσκολίων του χρήστη και η παροχή του κατάλληλου εκπαιδευτικού υλικού. Συνοπτικά, υποστηρίζει την ιδέα της ενίσχυσης των μαθησιακών χαρακτηριστικών των εκπαιδευόμενων, δηλαδή τον τρόπο που αντιλαμβάνονται καλύτερα τις πληροφορίες όπως για παράδειγμα οπτικά, ακουστικά, και παράλληλα τη μείωση του γνωστικού φορτίου παρουσιάζοντας το εκπαιδευτικό υλικό σε μια πιο ευχάριστη, διασκεδαστική και απλοποιημένη μορφή.Στον τομέα της ΑΑΥ αυξάνεται όλο και περισσότερο η χρήση φυσικών διεπαφών σε διαδραστικά υπολογιστικά συστήματα, τα οποία αποτελούν πλέον χρήσιμο εργαλείο και σε τομείς της εκπαίδευσης. Οι φυσικοί τρόποι αλληλεπίδρασης, όπως για παράδειγμα η ομιλία, η κίνηση του σώματος ή οι χειρονομίες, είναι ευχάριστοι, αυξάνουν τα κίνητρα και την ενεργή συμμετοχή των εκπαιδευομένων, ενώ συγχρόνως ενισχύουν τη διαδικασία της μάθησης. Ως εκ τούτου παρέχουν στους χρήστες μια εμπειρία που είναι κοντά στην ανθρώπινη επικοινωνία και θα μπορούσαν να αποτελέσουν τον καταλύτη της διαδικασίας της εναλλακτικής μάθησης. Ωστόσο, δεν είναι σαφές ποιοι φυσικοί τρόποι αλληλεπίδρασης, με ποιο τρόπο και τι συνδυασμό είναι εφικτό να ενσωματωθούν σε εκπαιδευτικά περιβάλλοντα ώστε να εξυπηρετήσουν μια διαδικασία εναλλακτικής μάθησης. Στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας, διενεργήθηκε αρχικά μια συγκριτική μελέτη εναλλακτικών τρόπων αλληλεπίδρασης με το ανά περίπτωση σύστημα με το οποίο αλληλεπίδρασαν οι χρήστες, εξετάζοντας τόσο την υποκειμενική και συναισθηματική εμπειρία των χρηστών, όσο και την αύξηση του κινήτρου για τη συμμετοχής τους. Ακολούθως, διερευνήθηκε η συσχέτιση των μαθησιακών προφίλ των χρηστών με το κανάλι αλληλεπίδρασης που χρησιμοποίησαν. Για την επίτευξη αυτής της έρευνας σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε ένα εκπαιδευτικό παιχνίδι, το οποίο μέσω της διεπαφής του παρέχει τη δυνατότητα στους χρήστες να αλληλεπιδράσουν με πιο φυσικούς τρόπους επικοινωνίας, είτε με τη χρήση φωνής είτε με τη χρήση της κίνησης. Τα αποτελέσματα τροφοδότησαν το επόμενο βήμα της έρευνας που ήταν η ανάπτυξη μιας νέας προσέγγισης για την αξιολόγηση των μαθησιακών δυσκολιών σε παιδιά. Πιο συγκεκριμένα, η μέθοδος αυτή εφαρμόζει την εξέταση γνωστικών ικανοτήτων που σχετίζονται με τον χωρικό και χρονικό προσανατολισμό και την αλληλουχία συμβάντων, ενώ συγχρόνως συλλέγονται πληροφορίες για τις κινητικές δεξιότητες των παιδιών. Για την υποστήριξη της μεθόδου σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε ένα καινοτόμο εργαλείο, το Kin-LDD. Το Kin-LDD αποτελεί ένα ευχάριστο παιχνίδι για τα παιδιά προσφέροντας μια φυσική διεπαφή αλληλεπίδρασης χρήστη, μέσω χειρονομιών. Ενώ συγχρόνως αποτελεί για τους ειδικούς εργαλείο εξέτασης γνωστικών και κινητικών δεξιοτήτων. Κατά τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διατριβής εφαρμόσθηκαν πειραματικές τεχνικές με στόχο τη συλλογή τόσο ποσοτικών όσο και ποιοτικών δεδομένων και την εξαγωγή αντικειμενικών και υποκειμενικών συμπερασμάτων. Τα αποτελέσματα των προαναφερόμενων ερευνών επιβεβαίωσαν τους στόχους που τέθηκαν στην αρχική φάση της διατριβής. Συνοψίζοντας, η έρευνα που διενεργήθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής προτείνει μια μέθοδο προσέγγισης για τη δημιουργία και την ανάδειξη ενός ενθαρρυντικού, ευχάριστου και καινοτόμου εκπαιδευτικού περιβάλλοντος με κύριο σκοπό να καλύψει τις ανάγκες των εκπαιδευομένων και συγχρόνως να τους εμπλέξει ενεργά στη διαδικασία της μάθησης. Η έρευνα απέδειξε ότι μια τέτοια ‘εμπλοκή’ επιτυγχάνεται με την ενσωμάτωση και χρήση αφενός των εναλλακτικών μεθόδων μάθησης, όπως οι βιωματικές δραστηριότητες, και αφετέρου των διαφορετικών καναλιών επικοινωνίας μεταξύ χρήστη και συστήματος, ενώ αποτελεί πολύ καλή πρακτική για την επίτευξη μιας ευχάριστης εμπειρίας για τον εκπαιδευόμενο στο πλαίσιο ενός εκπαιδευτικού περιβάλλοντος. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι η χρήση εναλλακτικών τρόπων αλληλεπίδρασης σε διαδραστικά υπολογιστικά συστήματα βασιζόμενη στη συσχέτιση τους με τις μαθησιακές προτιμήσεις και δυσκολίες του χρήστη, κατά την εφαρμογή τους σε εκπαιδευτικά περιβάλλοντα ενισχύει την ενεργή συμμετοχή των χρηστών. Επομένως, κατά την εκπόνηση της έρευνας επαληθεύτηκαν οι υποθέσεις και οι στόχοι της διατριβής τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πρακτικό επίπεδο. Μέσα από την ερευνητική διαδικασία επιτεύχθηκε η ενίσχυση του ενεργού ρόλου των εκπαιδευομένων, η κάλυψη των προσωπικών τους αναγκών, των ιδιαιτεροτήτων και των δυσκολιών που αντιμετωπίζει κάθε εκπαιδευόμενος, η δημιουργία ενός ενθαρρυντικού περιβάλλοντος που παρέχει μια ευχάριστη εμπειρία στον τελικό χρήστη και η παροχή εναλλακτικών τρόπων αλληλεπίδρασης μεταξύ χρήστη και υπολογιστή με έμφαση στη χρήση φυσικών διεπαφών.