USING NATURAL USER INTERFACES TO SUPPORT LEARNING ENVIRONMENTS

Abstract

[EN] Considering the importance of games and new technologies for learning, in this thesis, two different systems that use Natural User Interfaces (NUI) for learning about a period of history were designed and developed. One of these systems uses autostereoscopic visualization, which lets the children see themselves as a background in the game, and that renders the elements with 3D sensation without the need for wearing special glasses or other devices. The other system uses frontal projection over a large-size tabletop display for visualization. The two systems have been developed from scratch. A total of five studies were carried out to determine the efficacy of games with NUI interaction with regard to acquiring knowledge, ease of use, satisfaction, fun and engagement, and their influence on children. In the first study, a comparison of the autostereoscopic system with the frontal projected system was carried out. 162 children from 8 to 11 years old participated in the study. We observed that the different characteristics of the systems did not influence the children's acquired knowledge, engagement, or satisfaction; we also observed that the systems are specially suitable for boys and older children (9-11 years old). The children had the depth perception with the autostereoscopic system. The children considered the two systems easy to use. However, they found the frontal projection to be easier to use. A second study was performed to determine the mode in which the children learn more about the topic of the game. The two modes were the collaborative mode, where the children played with the game in pairs; and the individual mode, where the children played with the game solo. 46 children from 7 to 10 years old participated in this study. We observed that there were statistically significant differences between playing with the game in the two modes. The children who played with the game in pairs in the collaborative mode got better knowledge scores than children who played with the game individually. A third study comparing traditional learning with a collaborative learning method (in pairs and in large groups) using the game was carried out. 100 children from 8 to 10 years old participated in this study. The results are in line with the second study. The children obtained higher score when collaborated in large groups or in pairs than attending to a traditional class. There were no statistically significant differences between playing in large groups and playing in pairs. For personalized learning, a Free Learning Itinerary has been included, where the children can decide how to direct the flow of their own learning process. For comparison, a Linear Learning Itinerary has also been included, where the children follow a determined learning flow. A fourth study to compare the two different learning itineraries was carried out. 29 children from 8 to 9 years old participated in this fourth study. The results showed that there were no statistically significant differences between the two learning itineraries. Regarding the online formative assessment and multiple-choice questions, there is usually a question and several possible answers in questionnaires of this kind in which the student must select only one answer. It is very common for the answers to be just text. However, images could also be used. We have carried out a fifth study to determine if an added image that represents/defines an object helps the children to choose the correct answer. 94 children from 7 to 8 years old participated in the study. The children who filled out the questionnaires with imaged obtained higher score than the children who filled out the text-only questionnaire. No statistically significant differences were found between the two questionnaire types with images. The results from the studies suggest that games of this kind could be appropriate educational games, and that autostereoscopy is a technology to exploit in their development.

[ES] Teniendo en cuenta la importancia de los juegos y las nuevas tecnologías en el aprendizaje, en esta tesis se han diseñado y desarrollado dos sistemas diferentes que utilizan interfaces de usuario naturales (NUI) para aprender los periodos de la historia. Uno de estos sistemas utiliza visión autoestereoscópica, la cual permite a los niños verse a ellos mismos dentro del juego y muestra los elementos del juego en 3D sin necesidad de llevar gafas especiales u otros dispositivos. El otro sistema utiliza proyección frontal como método de visualización. Los dos sistemas han sido desarrollados desde cero. Se han llevado a cabo un total de cinco estudios para determinar la eficacia de los juegos con NUI en cuanto al aprendizaje, facilidad de uso, satisfacción, diversión y su influencia en los niños. En el primer estudio, se ha comparado el sistema autoestereoscópico con el sistema de proyección frontal. Un total de 162 niños de 8 a 11 años han participado en este estudio. Observamos que las diferentes características de los sistemas no han influido en el aprendizaje, en la usabilidad o en la satisfacción; también observamos que los sistemas son especialmente apropiados para chicos y niños mayores (de 9 a 11 años). Los niños tienen percepción de profundidad con el sistema autoestereoscópico. Los niños consideraron los dos sistemas fáciles de usar. Sin embargo, encontraron el sistema de proyección frontal más fácil de usar. En el segundo estudio, se determina el modo con el que los niños pueden aprender en mayor medida el tema del juego. Los dos modos comparados han sido el modo colaborativo, en el que los niños jugaban por parejas; y el modo individual, en el que los niños jugaban solos. 46 niños de 7 a 10 años han participado en este estudio. Observamos que existen diferencias estadísticas significativas entre jugar al juego de un modo o de otro. Los niños que jugaron al juego en parejas en el modo colaborativo obtuvieron un mejor resultado que los niños que jugaron al juego en el modo individual. El tercer estudio compara el aprendizaje tradicional con el aprendizaje colaborativo (en parejas y en grupos grandes) utilizando el juego desarrollado. 100 niños de 8 a 10 años han participado en este estudio. Los resultados son similares al segundo estudio. Los niños obtuvieron una mejor puntuación jugando en colaboración que en el método tradicional en clase. No hubo diferencias estadísticas significativas entre jugar en grupos grandes y jugar en parejas. Teniendo en cuenta el aprendizaje personalizado se ha incluido un itinerario libre de aprendizaje, en el cual los niños pueden elegir cómo quieren dirigir su propio proceso de aprendizaje. A modo de comparación, se ha incluido también un itinerario lineal de aprendizaje, donde los niños siguen un flujo predeterminado. En este cuarto estudio han participado 29 niños de 8 a 9 años. Los resultados han mostrado que no hubo diferencias estadísticas significativas entre los dos itinerarios de aprendizaje. En cuanto a la evaluación online con preguntas de test, normalmente, hay una pregunta y varias opciones de respuesta, donde se debe seleccionar solo una de ellas. Es muy común que la respuesta esté formada únicamente por texto. Sin embargo, también se pueden utilizar imágenes. En este quinto estudio se ha llevado a cabo una comparación para determinar si las imágenes que representan las respuestas son de ayuda para elegir la correcta. 94 niños de 7 a 8 años han participado en este estudio. Los niños que rellenaron los cuestionarios con imágenes obtuvieron una mejor puntuación que los niños que rellenaron los cuestionarios en los que solo había texto. No se encontraron diferencias estadísticas significativas entre los dos tipos de cuestionarios con imágenes. Los resultados de estos estudios sugieren que los juegos de este tipo podrían ser apropiados para utilizarlos como juegos educativos, y que la autoestereoscopía es una te

[CA] Tenint en compte la importància dels jocs i les noves tecnologies en l'aprenentatge, en aquesta tesi s'han dissenyat i desenvolupat dos sistemes diferents que utilitzen interfícies naturals d'usuari per aprendre els períodes de la història. Un d'aquests sistemes utilitza visió autoestereoscòpica, la qual permet als xiquets veure's a ells mateixos dins del joc i mostra els elements del joc en 3D sense necessitat de portar ulleres especials o altres dispositius. L'altre sistema utilitza projecció frontal com a mètode de visualització. Els dos sistemes han sigut desenvolupats des de zero. S'han dut a terme un total de cinc estudis per a determinar l'eficàcia dels jocs amb interfícies d'usuari naturals quant a l'aprenentatge, facilitat d'ús, satisfacció, diversió i la seua influència en els xiquets. En el primer estudi, s'ha comparat el sistema autoestereoscòpic amb el sistema de projecció frontal. 162 xiquets de 8 a 11 anys han participat en aquest estudi. Pels resultats, observem que les diferents característiques dels sistemes no han influït en l'aprenentatge, en la usabilitat o en la satisfacció; també observem que els sistemes són especialment apropiats per a xics i xiquets majors (de 9 a 11 anys). Els xiquets tenen percepció de profunditat amb el sistema autoestereoscòpic. Els xiquets van considerar els dos sistemes fàcils d'usar. No obstant açò, van trobar el sistema de projecció frontal més fàcil d'usar. En el segon estudi es determina la manera amb el qual els xiquets poden aprendre en major mesura el tema del joc. Les dues maneres comparades han sigut la manera col·laborativa, en la qual els xiquets jugaven per parelles; i la manera individual, en la qual els xiquets jugaven sols. 46 xiquets de 7 a 10 anys han participat en aquest estudi. Pels resultats, observem que existeixen diferències estadístiques significatives entre jugar al joc d'una manera o d'una altra. Els xiquets que van jugar al joc en parelles en la manera col·laborativa van obtindre un millor resultat que els xiquets que van jugar al joc en la manera individual. El tercer estudi compara l'aprenentatge tradicional amb l'aprenentatge col·laboratiu (en parelles i en grups grans). 100 xiquets de 8 a 10 anys ha participat en aquest estudi. Els resultats són similars al segon. Els xiquets van obtindre una millor puntuació jugant en col·laboració que en el mètode tradicional en classe. No va haver-hi diferències estadístiques significatives entre jugar en grups grans i jugar en parelles. Tenint en compte l'aprenentatge personalitzat s'ha inclòs un itinerari lliure d'aprenentatge, en el qual els xiquets poden triar com volen dirigir el seu propi procés d'aprenentatge. A manera de comparació, s'ha inclòs també un itinerari lineal d'aprenentatge, on els xiquets segueixen un flux predeterminat. En aquest quart estudi han participat 29 xiquets de 8 a 9 anys. Els resultats han mostrat que no va haver-hi diferències estadístiques significatives entre els dos itineraris d'aprenentatge. Quant a l'avaluació online amb preguntes de test, normalment, hi ha una pregunta i diverses opcions de resposta, on s'ha de seleccionar solament una d'elles. És molt comú que la resposta estiga formada únicament per text. No obstant açò, també es poden utilitzar imatges. En aquest cinquè estudi s'ha dut a terme una comparació per a determinar si les imatges que representen les respostes són d'ajuda per a triar la correcta. 94 xiquets de 7 a 8 anys han participat en aquest estudi. Els xiquets que van emplenar els qüestionaris amb imatges van obtindre una millor puntuació que els xiquets que van emplenar els qüestionaris en els quals solament hi havia text. No es van trobar diferències estadístiques significatives entre els dos tipus de qüestionaris amb imatges. Els resultats d'aquests estudis suggereixen que els jocs d'aquest tipus podrien ser apropiats per a utilitzar-los com a jocs educatius, i que l'autoestereoscòpia és