The role of educational technology, artificial intelligence, and gamification in improving education and students’ cognitive and social-emotional development: development and evaluation of educational applications and serious games using extended reality and learning analytics

Abstract

It is an undeniable fact that today’s students are no longer the same people that our educational system has been designed to educate. As they grow up and mature in modern and flexible communities using technological applications more and more frequently in their daily lives, their educational needs for more effective and meaningful learning have changed drastically. Therefore, the revision and transformation of education and pedagogy in the context of 21st century are essential. The integration of new technologies and approaches in the educational process can substantially help meet the new requirements and adapt to the new conditions. The main aim of this PhD thesis is to scrutinize whether, to what extent, and in which way educational technology and specifically the application of extended reality (augmented reality, virtual reality, and mixed reality), learning analytics, and artificial intelligence technologies as well as the use of innovative educational approaches, such as gamification, digital games, and serious games can synergistically affect the enrichment of the educational process and the promotion of cognitive and social-emotional development which, in turn, will lead students to achieving individual and social wellbeing. In this PhD thesis besides the theoretical background, the process and results of three studies are presented and conclusions based on the findings are provided. The first study involves an extensive systematic literature review and explores 15 research questions (RQs). The second study involves big data analysis which examines 6 RQs and uses over 17 million data. The third study examines 10 RQs and involves the design and development of educational applications and serious games using the aforementioned technologies and approaches to create intelligent, immersive, and interactive learning environments, the creation of an evaluation tool, and the conduct of an experiment involving higher education students. Consequently, this thesis contributes both to the theoretical and practical aspects of this evolving field of study in the context of educational technologies, thereby enhancing our understanding and enriching our knowledge of this emerging field and its applications.

Αποτελεί αναμφισβήτητο γεγονός πως οι σημερινοί μαθητές δεν είναι πλέον τα ίδια άτομα για τα οποία το εκπαιδευτικό σύστημα είχε σχεδιαστεί να εκπαιδεύσει. Καθώς οι μαθητές μεγαλώνουν και ωριμάζουν σε σύγχρονες και ευέλικτες κοινωνίες χρησιμοποιώντας όλο και πιο συχνά τεχνολογικές εφαρμογές στην καθημερινή τους ζωή, οι εκπαιδευτικές τους ανάγκες για αποτελεσματικότερη και ουσιαστικότερη μάθηση έχουν αλλάξει δραστικά. Επομένως, η αναθεώρηση και ο μετασχηματισμός της εκπαίδευσης και της παιδαγωγικής στα πλαίσια του 21ου αιώνα κρίνονται απαραίτητα. Η ενσωμάτωση νέων τεχνολογιών και προσεγγίσεων στην εκπαιδευτική διαδικασία μπορεί να βοηθήσει ουσιαστικά στην κάλυψη των νέων απαιτήσεων και στην προσαρμογή στις νέες συνθήκες. Ο βασικός σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι να διερευνήσει εάν, σε ποιο βαθμό, και με ποιον τρόπο η εκπαιδευτική τεχνολογία και συγκεκριμένα η εφαρμογή των τεχνολογιών της εκτεταμένης πραγματικότητας (επαυξημένη πραγματικότητα, εικονική πραγματικότητα και μικτή πραγματικότητα), της αναλυτικής εκπαιδευτικών δεδομένων και της τεχνητής νοημοσύνης, καθώς και η χρήση καινοτόμων εκπαιδευτικών προσεγγίσεων, όπως η παιχνιδοποίηση, τα ψηφιακά παιχνίδια και τα παιχνίδια σοβαρού σκοπού μπορούν συνδυαστικά να επηρεάσουν τον εμπλουτισμό της εκπαιδευτικής διαδικασίας και την προαγωγή της γνωστικής και κοινωνικο-συναισθηματικής ανάπτυξης των μαθητών που με τη σειρά τους θα τους οδηγήσουν στην επίτευξη ατομικής και κοινωνικής ευημερίας. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εκτός από το θεωρητικό υπόβαθρο, παρουσιάζεται η διαδικασία και τα αποτελέσματα τριών μελετών και παρέχονται συμπεράσματα σύμφωνα με τα ευρήματα. Η πρώτη μελέτη περιλαμβάνει μια εκτενή συστηματική βιβλιογραφική επισκόπηση και τη διερεύνηση 15 ερευνητικών ερωτημάτων (ΕΕ). Η δεύτερη μελέτη περιλαμβάνει την ανάλυση μεγάλων δεδομένων εξετάζοντας 6 ΕΕ και χρησιμοποιώντας πάνω από 17 εκατομμύρια δεδομένων. Η τρίτη μελέτη εξετάζει 10 EE και περιλαμβάνει το σχεδιασμό και την ανάπτυξη εκπαιδευτικών εφαρμογών και παιχνιδιών σοβαρού σκοπού χρησιμοποιώντας τις προαναφερθείσες τεχνολογίες και προσεγγίσεις για τη δημιουργία ευφυών, εμβυθιστικών και διαδραστικών περιβαλλόντων μάθησης, τη δημιουργία ενός εργαλείου αξιολόγησης και τη διεξαγωγή ενός πειράματος στο οποίο συμμετείχαν φοιτητές/τριες τριτοβάθμιας εκπαίδευσης. Συνεπώς, η παρούσα διδακτορική διατριβή συμβάλλει στην ανάπτυξη των θεωρητικών και πρακτικών πτυχών του εξελισσόμενου αυτού πεδίου μελέτης στο πλαίσιο των εκπαιδευτικών τεχνολογιών, ενισχύοντας, έτσι, την κατανόησή μας και εμπλουτίζοντας τις γνώσεις μας για αυτό τον αναδυόμενο τομέα και τις εφαρμογές του.