Нуно Х. Флорес, Руи Пинто - Квестовая геймификация в лабораторном курсе по разработке программного обеспечения: тематическое исследование

Аннотация.

Мотивация и вовлеченность играют ключевую роль в успешном освоении студентами учебного курса. Студенты могут терять интерес или недооценивать курсы, которые направлены на достижение второстепенных, а не ключевых результатов обучения в рамках их конкретной учебной программы. Одним из способов мотивации и вовлечения студентов является геймификация — использование игровых элементов (таких как награды и задачи) в неигровом контексте. Некоторые образовательные курсы используют проектное обучение, в рамках которого студенты решают проблемы, преодолевают препятствия и приобретают знания. Игры на основе квеста представляют собой системы заданий, которые игроки должны выполнить, чтобы продвинуться и выиграть. Их связь с образованием была установлена путем применения конкретных игровых механик к модулю курса по информатике. В данной статье представлено тематическое исследование применения подхода квестовой геймификации в обязательном курсе по инженерии программного обеспечения для повышения вовлеченности студентов высших учебных заведений. Данные были собраны с помощью методов наблюдения и опроса студентов. Результаты указывают на тенденцию к повышению успеваемости в те учебные годы, когда применялась геймификация, при сохранении удовлетворительного уровня мотивации и вовлеченности.

Ключевые слова: геймификация; образование; квестовые игры; программная инженерия.

Введение

Мотивация и вовлеченность являются решающими факторами в определении успеха студента в курсе. Однако студенты часто отстраняются или недооценивают курсы, которые они воспринимают как не центральные для их учебной программы. Это может негативно повлиять на достижение и качество желаемых результатов обучения. Один из способов повышения уровня вовлеченности - это геймификация (Alsawaier, 2018).

Геймификация предполагает включение элементов игр в неигровые контексты, как объясняют Deterding, Khaled, Nacke и Dixon (2011), такие как образование (Tsai, 2016). Это может включать использование наград и вызовов для продвижения внутренней и внешней мотивации, как указывали Surendeleg, Murwa, Yun и Kim (2014).

Исходя из своего содержания, конкретные образовательные курсы принимают стратегию обучения на основе проектов. Студенты участвуют в деятельности по решению проблем: серия действий для перехода из начального состояния в желаемое конечное состояние, преодолевая препятствия и накапливая знания (Jonassen & Rohrer-Murphy, 1999) (Ward, 2012).

Квестовые игры намеренно построены как системы задач по решению проблем, которые игроки должны выполнить, чтобы прогрессировать и в конечном итоге выиграть игру (Howard, 2008). Игровые активности (выполнение конкретных целей, связанных с квестами) обеспечивают логическую нарративную структуру, определяющую историю и прогресс в игре, как заявляют Smith, Anderson, Copley, Lindblad, Scott, Wardell и Mateas (2011). Fabricatore и López (2014) связали квестовые игры и образовательные курсы, выявив и внедрив пять паттернов игровых механик в вычислительном курсе.

Данная статья представляет тематическое исследование, где геймификация использовалась для увеличения вовлеченности студентов высших учебных заведений в обязательной курсовой единице на основе инженерии информатики, не воспринимаемой как центральная для общей учебной программы. При пересмотре учебного плана была применена квестовая система под названием "World of LPRO", следующая игровым механикам, указанным Fabricatore и López (2014). Результаты были собраны с помощью методов наблюдения и опроса студентов. Исследование было направлено на ответ на следующие исследовательские вопросы:

RQ1. Как повлияла квестовая геймификация на академические оценки студентов с точки зрения их вовлеченности?
RQ2. Как студенты воспринимают подход, основанный на квестовой геймификации, с точки зрения их мотивации и интереса?

Статья организована в четыре дополнительные секции. Раздел 2 предоставляет контекст по квестовой геймификации и описывает основные паттерны геймплея. Раздел 3 демонстрирует тематическое исследование, лабораторный курс по программированию, преподаваемый в магистерской программе по электротехнике и компьютерной инженерии. Раздел 4 детализирует методологию сбора данных о студентах и представляет полученные результаты. Наконец, раздел 5 завершает статью заключительными замечаниями по исследованию.

2. Применение квестовой геймификации

Игровые механики играют решающую роль в определении игрового опыта, так как они центральны для геймплея и должны быть освоены для успеха (Fabricatore, 2007). Эти механики делают геймплей привлекательным и мотивирующим для игроков (Polaine, 2005). Согласно Fabricatore и López (2014), основные механики квестовых игр разделены на пять паттернов геймплея, как описано в Таблице 1.

Таблица 1. Паттерны геймплея квестовых игр.

Паттерн Геймплея
Структура квеста (QS): Квесты состоят из: (I) Цели, требующей выполнения конкретных задач для удовлетворения условий победы, вместе с опциональными условиями для дополнительных вызовов и наград; (II) Ресурсов или инструментов, необходимых для достижения цели и (III) Значимости квеста с точки зрения прогресса в игре. Квесты удобно описаны (обычно через тематическую нарративную линию), так что игрок знает ожидаемые результаты.
Стратегическая открытость (SOE): Цели квеста могут быть достигнуты с помощью множественных стратегий, давая игрокам свободу "делать больше" или "делать вещи по-другому". Это позволяет игрокам пробовать разные методы игры и поощряет их пытаться применять все более сложные стратегии по мере улучшения их навыков.
Нелинейное прохождение (NLP): Игроки обычно свободны выбирать, когда они хотят завершить квест. Когда это невозможно, это обычно из-за нарратива квеста или того, как он связан с другими квестами. Этапы брифинга и дебрифинга квеста предоставляют информацию о его доступности и о том, как он связан с другими квестами.
Ориентация (O): Игра предоставляет информацию брифинга через ресурсы, такие как карты, доступные игроку в любое время, чтобы помочь в решениях о том, когда, как и во что вовлекаться.
Награда на основе вызова (CBR): Награды обычно даются согласно принципу "чем больше вы достигаете, тем больше вы получаете". Выполнение основных условий победы приносит стандартную награду. Выполнение более сложных задач приносит дополнительные награды, такие как дополнительные ресурсы и признание возросшего мастерства (такое как повышение в игре). В квестах, включающих командную работу, награды основываются на вкладе каждого игрока.

Источник: адаптировано из Фабрикаторе и Лопес (2014).

При применении подхода геймификации к курсу, хотя и не ограничиваясь ими, была предпринята попытка внедрить все пять паттернов геймплея. Для ясности, при описании конкретного элемента геймификации в следующем разделе, акроним паттерна(ов) будет добавлен между курсивными квадратными скобками [] (например, если элемент включал паттерн "Награда на основе вызова", обозначение [CBR] появится рядом с ним), когда это уместно.

3. Лаборатория программирования: тематическое исследование

Представленный подход был применен к лабораторному курсу программирования (LPRO) в 1 семестре 4 года 5-летней интегрированной магистерской программы по электротехнике и компьютерной инженерии (Faculty of Engineering of the University of Porto [FEUP], 2013). Хотя и не центральный для его основного учебного плана, LPRO был обязательным курсом, и у студентов были базовые навыки программирования с пары курсов на 1 курсе. Его целью было наделить студентов достаточными способностями к разработке программного обеспечения для беспрепятственной интеграции в профессиональную команду разработчиков.

Содержание LPRO охватывало три основные темы, а именно i) JAVA: Объектно-ориентированное программирование (ООП), использование Java в качестве поддерживающего языка программирования и тестирование JUnit; ii) UML: Unified Modeling Language (Kaur & Singh, 2011) для документирования артефактов программных систем; и iii) PROCESS: Scrum (Rising & Janoff, 2000) для управления и разработки программных проектов. Лекции кратко обозревали основные темы, вовлекая студентов в автономное, самоуправляемое обучение. На лабораторных занятиях команды студентов разрабатывали программный проект (80% итоговой оценки) и выполняли практические упражнения для закрепления результатов обучения. 20% итоговой оценки приходилось на два индивидуальных теста.

Сеттинг "World of LPRO" использовал средневековую фэнтезийную нарративную линию, подобную RPG, где игровой персонаж (студент) начинал как неопытный искатель приключений, несведущий в изящных искусствах разработки программного обеспечения, и стремился стать умелым мастером.

3.1. Основной сюжет

Основной сюжет (Рисунок 1a), который движет искателями приключений, включает три вызова: основной квест, второстепенные квесты и испытания перехода. Чтобы быть успешным, студент должен завершить основной квест, выполнить второстепенные квесты на 3000 XPs (Очков Опыта) и преодолеть два испытания перехода.

Рисунок 1. Элементы основного сюжета (слева): Уровни XP (справа).

Сгруппированные в пары или тройки, искатели приключений готовятся к основному квесту, выполняя второстепенные квесты. Побочные квесты [QS] - это практические упражнения малого масштаба для развития, улучшения и усиления навыков студентов, охватывающие три основные темы (пять на тему). Некоторые являются обязательными (обеспечивая минимальное покрытие темы), в то время как другие опциональны (Рисунок 2) [O]. Возрастая по сложности, каждый второстепенный квест награждает искателей приключений XPs [CBR], позволяя повышение по серии уровней (Рисунок 1b) до достижения "Разработчик" (3000 XPs).

Искатели приключений могут браться за второстепенные квесты в любом порядке, который они выберут [NLP]. Однако, следование "Пути Просветления" [O, CBR] путем завершения определенных второстепенных квестов до конкретного дедлайна награждает достаточным количеством дополнительного XP для достижения финального уровня без необходимости в дополнительном побочном квесте.

Испытания перехода - это два индивидуальных теста. Первый состоит из 2-часового вызова по программированию на JAVA с управлением от модульных тестов в середине курса, а второй состоит из финального часового вопросника с множественным выбором, охватывающего UML и PROCESS. Провал одного означает провал курса.

Основной квест [QS] - это проект по разработке программного обеспечения на протяжении всего курса, где искатели приключений применяют все полученные навыки, сгруппированные в группу (команду) из четырех или пяти человек. Хотя имеются некоторые требуемые результаты, искатели приключений свободны в решении внутренних вызовов так, как они считают нужным [SOE].

Рисунок 2. Схема второстепенных квестов.

3.2. Награды и специальные предметы

В качестве мотиваторов для выполнения большего количества побочных квестов (таким образом, дальнейшего закрепления их навыков), искатели приключений награждаются специальными предметами [CBR], которые позволят получить бонусы к оценке. Здесь в нарратив входит "Магия".

Палочка награждается, если искатель приключений завершает все пять побочных квестов по определенной теме. Палочки накладывают магические заклинания и могут быть использованы для компенсации ошибок или провалов на испытаниях перехода (Рисунок 3a). Более того, искатели приключений могут комбинировать Палочки в Посохи (Рисунок 3b) для более мощных заклинаний, даже позволяющих дополнительные баллы в основном квесте.

Рисунок 3. Награды и специальные предметы: Палочки (слева): Посохи (справа).

4. Результаты

Хотя курс начался в 2007, подход геймификации был введен в 2017/2018, продлившись еще на четыре проведения (по состоянию на 2021/22 содержание курса было переопределено и адаптировано к новой магистерской программе).

Данные итоговых оценок студентов были собраны и сравнены с равным периодом до принятия геймификации для оценки воздействия на общий успех. Чтобы ответить на RQ1., мы рассмотрели количественные данные, представленные на Рисунке 4. Итоговые оценки имеют тенденцию к улучшению в геймифицированных экземплярах курса (2017/2018 и далее) по сравнению с негамифицированными экземплярами (до 2017/2018).

Рисунок 4. Средний итоговый балл LPRO до и после введения геймификации.

Также был проведен опрос обратной связи студентов для измерения воспринимаемых эффектов геймификации. Опрос (Рисунок 5) был о новом опыте обучения, подобном геймификации, где студенты должны были оценить утверждения, используя пятибалльную шкалу Лайкерта: (1) Категорически не согласен; (2) Не согласен; (3) Ни согласен, ни не согласен; (4) Согласен; (5) Полностью согласен. У них также была возможность предоставить дальнейшие комментарии по курсу.

Рисунок 5. Результаты опроса обратной связи студентов LPRO.

Анализируя результаты опроса и отвечая на RQ2., студенты считали, что введение геймификации и следование "Пути Просветления" работало хорошо. Также они считали систему наград и специальных предметов высоко мотивирующей.

Однако, несмотря на утверждение, что уровни сложности побочных квестов были адекватными, они чувствовали, что "Путь Просветления" отнимал много времени и требовал дополнительной работы, поэтому предпочли более самоуправляемый подход. Одна критика была сосредоточена на отсутствии прямой связи между системой наград и фактическим весом в оценке студента.

В целом, специальные предметы были ценны, чтобы помочь студентам с низкими оценками не провалить курс, в то же время позволяя студентам с высокими оценками ещё больше улучшить их итоговые оценки. Чем меньше Палочек требовалось для прохождения испытаний перехода (в случае пограничного провала), тем больше можно было улучшить итоговую оценку (комбинируя их в Посохи). Одним из самых популярных (и желанных) предметов, используемых студентами, был Посох Божественной Разработки, поскольку он увеличивал на 1 балл оценку основного квеста (по шкале оценок от 0-20), переводясь в увеличение на 0.8 балла итоговой оценки (правдоподобное объяснение для увеличения среднего балла в геймифицированных экземплярах).

5. Заключение

В данной статье была применена стратегия квестовой геймификации к неключевому обязательному курсу по программной инженерии. Мы обсудили, как геймификация может улучшить вовлеченность и мотивацию студентов, связывая различные основные механики квестовых игр с компонентом преподавания и обучения. Результаты указывают на тенденцию к более высоким оценкам в годы курса с внедрением геймификации. Обратная связь студентов предполагает, что геймифицированный курс является мотивирующим и захватывающим, одновременно подходящим для компонентов оценки.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

Alsawaier, R.S. (2018), "The effect of gamification on motivation and engagement", International Journal of Information and Learning Technology, Vol. 35 No. 1, pp. 56-79. https://doi.org/10.1108/IJILT-02-2017-0009
Deterding, S., Khaled, R., Nacke, L., & Dixon, D. (2011, May). Gamification: Toward a definition. CHI 2011 Gamification Workshop Proceedings. In 2011 Annual Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI'11).
Fabricatore, C. (2007) "Gameplay and game mechanics design: a key to quality in video games", in Proceedings of the OECD-CERI Expert Meeting on Videogames and Education (Vol 14), OECD, July, Santiago, Chile
Fabricatore, C. & López, X. (2014, October). Using gameplay patterns to gamify learning experiences. In Proceedings of the 8th European conference on game based learning (pp. 110-117). UK: Academic Conferences and Publishing International Limited, Reading.
Faculty of Engineering of the University of Porto [FEUP]. (2013, November 19). Master in Electrical and Computers Engineering. Retrieved January 27, 2023, from https://sigarra.up.pt/feup/en/CUR_GERAL.CUR_VIEW?pv_curso_id=741
Howard, J. (2008). Quests: Design, Theory, and History in Games and Narratives. CRC Press.
Jonassen, D. H., & Rohrer-Murphy, L. (1999). Activity theory as a framework for designing constructivist learning environments. Educational technology research and development, 47(1), 61-79. https://doi.org/10.1007/BF02299477
Kaur, H., & Singh, P. (2011). UML (Unified Modeling Language): standard language for software architecture development. In International Symposium on Computing, Communication, and Control (pp. 313-320).
Polaine, A. (2005) "The flow principle in interactivity", in Y. Pisan (Ed.), Proceedings of the Second Australasian Conference on Interactive Entertainment (IE2005) (pp 151–158) , Creativity and Cognition Studios Press, Sidney, Australia.
Rising, L., & Janoff, N. S. (2000). The Scrum software development process for small teams. IEEE Software, 17(4), 26-32.
Smith, G., Anderson, R., Kopleck, B., Lindblad, Z., Scott, L., Wardell, A., ... & Mateas, M. (2011). Situating quests: Design patterns for quest and level design in role-playing games. In Interactive Storytelling: Fourth International Conference on Interactive Digital Storytelling, ICIDS 2011, Vancouver, Canada, 2011. Proc. 4 (pp. 326-329).
Surendeleg, G., Murwa, V., Yun, H. K., & Kim, Y. S. (2014). The role of gamification in education-a literature review. Contemporary Engineering Sciences, 7(29), 1609-1616. https://doi.org/10.12988/ces.2014.411217
Tsai, M. J., Huang, L. J., Hou, H. T., Hsu, C. Y., & Chiou, G. L. (2016). Visual behavior, flow and achievement in game-based learning. Computers & Education, 98, 115-129. https://doi.org/10.1016/j.compedu.2016.03.011
Ward, T. B. (2012). Problem solving. In Handbook of organizational creativity (pp. 169-187). Academic Press.