Adaptive scenarios and tutoring using fuzzy reasoning in an intelligent educational adventure game

Abstract

Η παρούσα διατριβή περιγράφει ένα καινοτόμο εκπαιδευτικό προκοινωνικό ψηφιακό παιχνίδι που επιτρέπει τη δυναμική προσαρμογή σεναρίων παιχνιδιών προσαρμοσμένων στις μαθησιακές ανάγκες των μαθητών που είναι επίσης παίκτες των παιχνιδιών. Αυτό επιτυγχάνεται με την αξιοποίηση ενός εργαλείου μοντελοποίησης χρηστών που αναγνωρίζει το επίπεδο γνώσεων των μαθητών χρησιμοποιώντας ασαφή συλλογισμό και, ως αποτέλεσμα, επιτυγχάνει τη δυναμική παράταση των κινήτρων παιχνιδιού, επεκτείνοντας τα σενάρια του παιχνιδιού κατά τη διάρκεια της εκτέλεσής του. Οι δυναμικές προσαρμογές των σεναρίων περιλαμβάνουν αναθεωρήσεις και λεπτομερέστερο διδακτικό περιεχόμενο καθώς και εξατομικευμένες ασκήσεις στο πλαίσιο νέων περιπετειωδών καταστάσεων πλοκής για τους παίκτες του παιχνιδιού. Μια άλλη σηµαντική καινοτοµία της έρευνας που περιγράφεται, είναι η αφαιρετική λειτουργία του συστατικού µοντελοποίησης των µαθητών που µπορεί να εφαρµοστεί σε µια ποικιλία παιχνιδιών. Αυτός ο αφηρημένος μηχανισμός επιτρέπει την εφαρμογή του εκπαιδευτικού προσαρμοστικού περιβάλλοντος μάθησης και παιχνιδιού σε άλλους τύπους παιχνιδιών, όπως ένα παιχνίδι περιπέτειας δύο διαστάσεων, όπου η πλοκή περιλαμβάνει αποστολές και ένα παιχνίδι εικονικής πραγματικότητας, όπου η πλοκή περιλαμβάνει μάχες σε παιδική χαρά. Τα εκπαιδευτικά ψηφιακά παιχνίδια προσφέρουν στους μαθητές σημαντικά οφέλη λόγω των καθηλωτικών χαρακτηριστικών τους που αυξάνουν τα κίνητρα για δραστηριότητες μάθησης και παιχνιδιού. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα όταν τα εκπαιδευτικά παιχνίδια μπορούν να προσαρμόζουν αυτόματα το περιεχόμενό τους στις ανάγκες του χρήστη. Ωστόσο, τα περισσότερα εκπαιδευτικά παιχνίδια έχουν πολύ περιορισμένες δυνατότητες προσαρμογής. Τα προσαρμοστικά χαρακτηριστικά τους εφαρμόζονται μόνο στην εκπαιδευτική πτυχή και δεν λαμβάνουν υπόψη τον παράγοντα της ευχαρίστησης για τον οποίο σχεδιάστηκαν αρχικά. Είναι ζωτικής σημασίας να δίνεται η δέουσα σημασία στον παράγοντα της ψυχαγωγίας παράλληλα με τη μάθηση- διαφορετικά, η όλη διαδικασία της εκπαιδευτικής ψυχαγωγίας θα είναι ανεπιτυχής. Εάν ένα εκπαιδευτικό παιχνίδι παραμελεί το κομμάτι της απόλαυσης και δεν παρέχει μηχανισμούς για να μεταβάλλει τα ελκυστικά του στοιχεία μεμονωμένα και δυναμικά, δεν έχει νόημα η χρήση του στη μαθησιακή διαδικασία, καθώς ο μαθητής θα βαρεθεί γρήγορα και θα εγκαταλείψει το παιχνίδι. Ως εκ τούτου, ένα εκπαιδευτικό παιχνίδι πρέπει να αναγνωρίζει τις εκπαιδευτικές ανάγκες του μαθητή και να προσαρμόζει δυναμικά το περιεχόμενό του τόσο σε επίπεδο διδασκαλίας όσο και σε επίπεδο παιχνιδιού. Με αυτόν τον τρόπο, θα παρέχει εξατομικευμένη εμπειρία μάθησης και παιχνιδιού και θα διατηρεί το ενδιαφέρον του παίκτη αρκετά υψηλό ώστε να συνεχίσει να μαθαίνει και να παίζει όσο διαρκεί το παιχνίδι. Ένα άλλο σημαντικό ζήτημα που έχουν αναγνωρίσει οι ερευνητές είναι ότι κάθε παίκτης έχει τις προτιμήσεις του όσον αφορά το είδος του παιχνιδιού που του αρέσει. Ο μαθητής μπορεί να παίξει διάφορα παιχνίδια για να εξασκήσει τις γνώσεις του σε ένα συγκεκριμένο θέμα. Ωστόσο, κάθε παιχνίδι περιέχει διαφορετικό εκπαιδευτικό υλικό και διαφορετικές ή ανύπαρκτες τεχνικές για την προσαρμογή του εκπαιδευτικού περιεχομένου στις ανάγκες του μαθητή. Ως εκ τούτου, προκύπτει ένα σημαντικό κενό στον τομέα των εκπαιδευτικών παιχνιδιών, σύμφωνα με το οποίο απουσιάζει ένας γενικευμένος, αφηρημένος και διαθέσιμος για κάθε παιχνίδι μηχανισμός για την εξατομίκευση της εκπαίδευσης. Η ενσωμάτωση του ίδιου εξατομικευμένου εκπαιδευτικού περιεχομένου σε διαφορετικά παιχνίδια διευκολύνει τον μαθητή να επιλέξει το παιχνίδι που του αρέσει, καθώς το μόνο κριτήριο για την επιλογή είναι τα μοναδικά χαρακτηριστικά του κάθε παιχνιδιού που τον ελκύουν. Η επιλογή του αγαπημένου εκπαιδευτικού παιχνιδιού του παίκτη οδηγεί σε μια ελκυστική εμπειρία μάθησης και παιχνιδιού και σε καλύτερα εκπαιδευτικά αποτελέσματα. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, η παρούσα διατριβή περιγράφει μια καινοτόμο προσέγγιση που χρησιμοποιεί μια τεχνική ασαφούς λογικής και συνδυάζει δύο συστήματα βασισμένα σε κανόνες για τη δυναμική εξατομίκευση του μαθησιακού περιεχομένου και της πλοκής του παιχνιδιού. Το πρώτο σύστημα προσεγγίζει τον χρήστη από τη σκοπιά του μαθητή και καθορίζει το επίπεδο δυσκολίας του διδακτικού περιεχομένου και των αντίστοιχων ασκήσεων. Το δεύτερο σύστημα αντιμετωπίζει τον χρήστη από την οπτική γωνία του παίκτη και αποφασίζει για την επέκταση του σεναρίου ενός παιχνιδιού με την προσθήκη νέων στοιχείων παιχνιδιού και αποστολών. Και τα δύο συστήματα βασίζουν τις αποφάσεις τους στο επίπεδο γνώσεων του χρήστη. Έτσι, οι γνώσεις του μαθητή αποτελούν τη βάση για την προσαρμογή των εκπαιδευτικών στόχων του μαθητή και του σεναρίου του παιχνιδιού. Η προσέγγιση αυτή, επομένως, ανταποκρίνεται στην πρόκληση των εκπαιδευτικών ψηφιακών παιχνιδιών σχετικά με το πώς ένα παιχνίδι μπορεί να προσφέρει ένα εξατομικευμένο, ελκυστικό περιβάλλον για να διατηρεί τα κίνητρα των παικτών με βάση την εκπαιδευτική τους κατάσταση και να ενισχύει τα μαθησιακά οφέλη. Η διατριβή περιγράφει επιπλέον έναν μηχανισμό για παιχνίδια και μάθηση όπου η προαναφερθείσα διαδικασία εξατομίκευσης με βάση την τεχνητή νοημοσύνη έχει γενικευτεί και αφαιρεθεί ώστε να είναι διαθέσιμη για χρήση σε παιχνίδια διαφορετικών πλατφορμών και κατηγοριών. Αξιοποιεί τις υπηρεσίες ιστού, μια ευρέως διαδεδομένη τεχνολογία που χρησιμοποιείται στη σύγχρονη ανάπτυξη λογισμικού και υποστηρίζει την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ εφαρμογών, για να καταστήσει το μοντέλο μαθητή και το εξατομικευμένο περιεχόμενο προσβάσιμα σε οποιοδήποτε παιχνίδι. Αυτός ο καινοτόμος μηχανισμός είναι κρίσιμος, καθώς οποιοδήποτε παιχνίδι μπορεί να τον αξιοποιήσει και, στη συνέχεια, ο παίκτης μπορεί να επιλέξει το παιχνίδι που προτιμά για την εκπαίδευσή του, αποκτώντας πρόσβαση στο ίδιο εξατομικευμένο εκπαιδευτικό περιεχόμενο. Το κέρδος αυτής της καινοτόμου προσέγγισης είναι ότι κάθε μαθητής απολαμβάνει μια συναρπαστική εμπειρία παιχνιδιού και ψυχαγωγίας και αποκτά τις επιθυμητές γνώσεις παίζοντας το παιχνίδι της προτίμησής του. Η παρούσα έρευνα αποτελείται από δύο πλήρως σχεδιασμένα, υλοποιημένα και αξιολογημένα εκπαιδευτικά παιχνίδια διαφορετικών τύπων, ένα παιχνίδι περιπέτειας 2d και ένα παιχνίδι εξερεύνησης που χρησιμοποιεί επιπλέον την εικονική πραγματικότητα, για τη διδασκαλία της γλώσσας HTML. Τα ευρήματα της έρευνας καταδεικνύουν δύο γεγονότα. Πρώτον, όταν ένα παιχνίδι περιέχει υψηλά επίπεδα προσαρμοστικότητας, τροποποιώντας το εκπαιδευτικό υλικό και το σενάριό του ανάλογα με τις εκπαιδευτικές ανάγκες του μαθητή, αυξάνει την απόλαυση του παίκτη και βελτιώνει σημαντικά τις μαθησιακές του επιδόσεις. Δεύτερον, όταν οι μαθητές έχουν πρόσβαση σε διαφορετικά παιχνίδια με το ίδιο εξατομικευμένο εκπαιδευτικό περιεχόμενο, μπορούν να χρησιμοποιήσουν το παιχνίδι που τους αρέσει περισσότερο και να μεγιστοποιήσουν τη μαθησιακή τους εμπειρία, κατακτώντας αποτελεσματικότερα τις επιθυμητές γνώσεις.