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

Abstract

This thesis describes an innovative educational prosocial digital game that allows the dynamic adaptation of scenarios of games tailored to the learning needs of students who are also players of the games. This is achieved by the employment of a user modelling component that identifies the level of knowledge of students using fuzzy reasoning and as a result it performs the dynamic prolongment of playing motivation by extending the game scenarios while the game is being executed. The dynamic adaptations of scenarios involve revisions and more detailed tutoring content as well as personalised exercises in the context of new plot situations of adventure for the game players. Another important novelty of the research described, is the abstraction of the student modelling component to be applied in a diversity of games. This abstracted mechanism allows the educational adaptive learn-and-play environment to be applied in other types of game, such as a two-dimensional adventure game, where the plot involves quests and a virtual reality game, where the plot involves playground battles. Educational digital games offer students significant benefits due to their immersive features that increase motivation for learn-and-play activities. This is particularly the case when educational games can adapt their content to the user's needs automatically. However, most educational games have very limited adaptive capabilities. Their adaptive features only apply to the educational aspect and do not consider the pleasure factor for which they were initially designed. It is crucial to give due importance to the entertainment factor alongside learning; otherwise, the whole process of educational entertainment will be unsuccessful. If an educational game neglects the enjoyment part and does not provide mechanisms to alter its engaging elements individually and dynamically, there is no point in using it in the learning process as the student will quickly get bored and abandon the game. Hence, an educational game must recognise the student's educational needs and dynamically adapt its content at both the instructional and game level. In this way, it will provide individualised learning and gaming experience and keep the player's interest high enough to continue learning and playing as long as the game lasts.Another significant issue that researchers have recognised is that each player has their preferences regarding the type of game they enjoy. The student can play various games to practice their knowledge of a specific subject. However, each game contains different educational material and different or non-existent techniques for adapting the educational content to the student's needs. Therefore, a significant gap emerges in the field of educational games, according to which a generalised, abstracted, and available for each game mechanism for personalising education is absent. Incorporating the same personalised educational content in different games makes it easier for the student to choose the game they like, as the only criterion for the selection is the unique features of each game that appeal to the student. Selecting the player's favourite educational game leads to an engaging learning and playing experience and better educational outcomes.Given the above, this thesis describes an innovative approach that uses a fuzzy logic technique and combines two rule-based systems for the dynamic personalisation of the learning content and the game plot. The first rule-based system approaches the user from the student's perspective and determines the difficulty level of the tutoring content and the respective exercises. The second system treats the user from the player's perspective and decides to extend the scenario of a game by adding new game elements and tasks. Both systems base their decisions on the user's knowledge level. Thus, the student's knowledge is the basis for adapting the student's educational objectives and the game scenario. This approach, therefore, responds to the challenge in educational digital games regarding how a game can offer an individualised, engaging environment to keep players highly motivated based on their educational status and enhance the learning benefits.The thesis additionally describes a mechanism for gaming and learning where the abovementioned AI-based personalisation process has been generalised and abstracted to be available for use in games of different platforms and categories. It exploits web services, a widespread technology used in modern software development that supports data exchange between applications, to make the student model and the personalised content accessible in any game. This innovative mechanism is critical as any game can utilise it, and subsequently, the player can choose the game they prefer for their education, accessing the same personalised educational content. The gain of this novel approach is that each student enjoys an exciting gaming and entertainment experience and acquires the desired knowledge by playing their preferred game.The current research consists of two fully designed, implemented, and evaluated educational games of different types, a 2d adventure game and a virtual reality exploration game, for teaching HTML language. The research findings demonstrate two facts. First, when a game contains high levels of adaptivity by modifying its educational material and scenario according to the student's educational needs, it increases the player's enjoyment and significantly improves their learning performance. Secondly, when students have access to different games with the same individualised educational content, they can use the game they most enjoy and maximise their learning experience, mastering the desired knowledge more effectively.

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.