Serious games for teaching and learning computer programming: design, development and evaluation of a customizable educational Massive Multiplayer Online Role-Playing Game (MMORPG)

Abstract

Computer programming has for decades posed several difficulties for students of all educational levels. A number of teaching approaches have been proposed over the years but none seems to fulfil the needs of students nowadays. On the other hand, students use computers mainly for playing games and using the Internet, and as quite a few researchers state, this aspect of computers should be taken into account in the way we educate young people. Towards this direction, in this thesis we aimed to initially investigate the educational games developed for and used in the computer programming domain and review to which level they address the aforementioned difficulties. Related work includes a number of games that have been developed towards this goal. However, even though they seem promising examples, they lack features that would allow them to successfully underpin computer programming learning by facing the majority of the identified problems. To this end, we propose a new, advanced Massively Multiplayer Online Role-Playing Game (MMORPG) named CMX that includes the facilitating and positive features identified in existing solutions and incorporates missing elements that will bring forth a new generation of educational games for computer programming. The thesis proceeds to elaborate on the educational features of CMX as well as present a design framework that was devised taking into account previous work in designing educational games. Furthermore, a framework is constructed and presented that will guide the incorporation of learning analytics mechanisms in computer programming education. Moreover, since MMORPGs require significant amounts of resources, such as bandwidth, RAM and CPU capacity to support learning, a new methodology is proposed to achieve monitoring and optimization of the load balancing, so that the essential resources for the proper execution of an educational MMORPG for computer programming can be foreseen and bestowed without overloading the system. Finally, the effects of CMX on teaching and learning computer programming are assessed through a study with undergraduate students. Students evaluated various aspects of CMX by filling in a questionnaire that was based on an evaluation framework, which was devised in accordance with the design framework of CMX. The results show that the majority of the students increased their performance in computer programming, were entertained by playing the game while learning, and felt motivated to continue based on the game’s scenario due to the variety of activities included. Furthermore, students stated they had a positive attitude in regards to re-using CMX in the future in order to learn additional programming concepts. The positive results of this study pave the way for CMX being used in the classroom and expanding the game’s functionalities that will further increase students’ performance and support teachers in delivering the required knowledge. Moreover, the work reported offers game designers and teachers methodological and empirical results for game based learning in such a difficult domain as is computer programming. What is more, the design and evaluation frameworks presented are general enough that they can be easily adjusted and/or extended for designing and assessing educational games in other domains as well.

Η εκμάθηση του προγραμματισμού Η/Υ έχει δημιουργήσει διαχρονικά πολλές δυσκολίες στους μαθητές όλων των εκπαιδευτικών βαθμίδων. Πολλές εκπαιδευτικές προσεγγίσεις έχουν προταθεί στο πέρασμα των ετών, αλλά καμία δε φαίνεται να καλύπτει τις σύγχρονες εκπαιδευτικές ανάγκες και τάσεις. Από την άλλη πλευρά, οι μαθητές της νέας γενιάς χρησιμοποιούν τους υπολογιστές ολοένα και περισσότερο για να παίζουν παιχνίδια και να πλοηγούνται στο διαδίκτυο. Με βάση αυτήν την τάση ορισμένοι ερευνητές αναφέρουν πως αυτή η οπτική χρήσης των υπολογιστών πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη για τον τρόπο εκπαίδευσης των νέων μαθητών. Προς αυτήν την κατεύθυνση, στοχεύουμε σε αυτήν τη διατριβή να ερευνήσουμε τα εκπαιδευτικά παιχνίδια που αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν στον τομέα του προγραμματισμού Η/Υ και να αξιολογήσουμε σε ποιο βαθμό αντιμετωπίζουν τις προαναφερθείσες δυσκολίες. Οι σχετικές εργασίες που περιγράφονται αναλυτικά στη διατριβή περιλαμβάνουν ένα πλήθος παιχνιδιών που έχουν αναπτυχθεί για την εκπλήρωση αυτών των στόχων. Ωστόσο, αν και φαίνονται ιδιαίτερα αξιόλογα παραδείγματα, υστερούν σε χαρακτηριστικά που επιτρέπουν την πετυχημένη υποστήριξη της εκμάθησης του προγραμματισμού, αδυνατώντας να αντιμετωπίσουν την πλειονότητα των προβλημάτων. Για αυτό το σκοπό, προτείνουμε ένα νέο Μαζικά Πολυχρηστικό Διαδικτυακό Παιχνίδι Ρόλων (MMORPG) με την ονομασία CMX, που περιλαμβάνει τα θετικά χαρακτηριστικά των αντίστοιχων εκπαιδευτικών παιχνιδιών και ενσωματώνει στοιχεία που απουσιάζουν στα υφιστάμενα παιχνίδια, φέρνοντας στο προσκήνιο μία νέα γενιά εκπαιδευτικών παιχνιδιών. Στη συνέχεια της διατριβής γίνεται ανάλυση των εκπαιδευτικών και λειτουργικών χαρακτηριστικών του CMX και παρουσιάζεται ένα νέο πλαίσιο σχεδίασης, λαμβάνοντας υπόψη και αντίστοιχα πλαίσια για την σχεδίαση εκπαιδευτικών παιχνιδιών. Επιπρόσθετα, έχει δημιουργηθεί και παρουσιάζεται ένα πλαίσιο για την ανάλυση των εκπαιδευτικών δεδομένων που παράγονται κατά τη διδασκαλία και την εκμάθηση του προγραμματισμού. Δεδομένου ότι τα παιχνίδια που ανήκουν στην κατηγορία των MMORPG απαιτούν σημαντικές ποσότητες υπολογιστικών πόρων, όπως το εύρος ζώνης, μνήμη RAM και την ικανότητα της CPU για την υποστήριξη της μάθησης, μια νέα μεθοδολογία προτείνεται για την εποπτεία και τη βελτιστοποίηση της εξισορρόπησης φόρτου και της διαχείρισης πόρων, έτσι ώστε να προβλέπονται οι απαραίτητοι πόροι που θα δεσμευτούν για την ορθή εκτέλεση και λειτουργία του εκπαιδευτικού MMORPG. Τέλος, η αποτελεσματικότητα του CMX ως εκπαιδευτικό εργαλείο για τη διδασκαλία και την εκμάθηση του προγραμματισμού αξιολογήθηκε μέσα από έρευνες με προπτυχιακούς φοιτητές. Οι φοιτητές αξιολόγησαν διάφορες πτυχές του CMX συμπληρώνοντας ένα ερωτηματολόγιο βασισμένο στο πλαίσιο αξιολόγησης το οποίο ήταν σύμφωνο με τους στόχους του αρχικού πλαισίου σχεδίασης. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως η πλειοψηφία των φοιτητών βελτίωσαν τις επιδόσεις τους στον προγραμματισμό, ψυχαγωγήθηκαν παίζοντας το παιχνίδι ενώ παράλληλα μάθαιναν και αισθάνθηκαν ότι είχαν κίνητρο να συνεχίσουν βασισμένοι στο σενάριο του παιχνιδιού και στην ποικιλία των δραστηριοτήτων που περιλαμβάνονται. Οι μαθητές δήλωσαν επίσης πως θα επιθυμούσαν να ξαναχρησιμοποιήσουν το CMX στο μέλλον για να μάθουν πρόσθετες έννοιες του προγραμματισμού. Τα θετικά αποτελέσματα αυτών των ερευνών ανοίγουν το δρόμο για να χρησιμοποιηθεί το CMX ως εκπαιδευτικό εργαλείο και να επεκταθούν οι λειτουργίες του παιχνιδιού προκειμένου να αυξήσουν περαιτέρω τις επιδόσεις τους οι μαθητές και να υποστηριχτούν οι καθηγητές στη διαδικασία της διδασκαλίας. Η εργασία, επίσης, προσφέρει στους σχεδιαστές παιχνιδιών και τους εκπαιδευτικούς μεθοδολογικά και εμπειρικά αποτελέσματα για τη μάθηση που είναι βασισμένη στο παιχνίδι σε έναν δύσκολο τομέα, όπως είναι η εκμάθηση του προγραμματισμού. Το πλαίσιο σχεδίασης και το πλαίσιο αξιολόγησης που παρουσιάζονται βασίζονται σε γενικές αρχές προκειμένου να μπορούν εύκολα να προσαρμοστούν και να επεκταθούν για τη σχεδίαση και την αξιολόγηση εκπαιδευτικών παιχνιδιών σε άλλους τομείς.