Gioco VR innovativo per insegnare la simulazione energetica

Negli ultimi anni, la Realtà Virtuale (VR) ha iniziato a essere usata in molti ambiti oltre al semplice intrattenimento. Uno dei settori che può giovarne è l'istruzione. Usare metodi basati su giochi nell'apprendimento può aumentare la motivazione e il coinvolgimento. Questo documento parla della creazione di un gioco di escape room immersivo in VR pensato per insegnare argomenti sulla simulazione energetica degli edifici. In questo gioco, i giocatori devono risolvere enigmi, come assemblare pareti usando vari materiali. Un sistema di guida combina contenuti educativi, indovinelli e suggerimenti per aiutare i giocatori a capire i fattori che influenzano l'efficienza energetica, la resistenza strutturale e i costi. C'è un livello tutorial per aiutare i nuovi giocatori a imparare come interagire con il gioco.

#Valutazione dell'Esperienza Utente

Per verificare quanto fosse divertente il gioco, abbiamo valutato sia il tutorial che il gioco con esperti di gaming e VR. Undici esperti hanno giocato entrambi i livelli e hanno completato due serie di questionari. Il primo è stato compilato dopo il tutorial, e il secondo dopo la sezione dell'escape room. Il primo questionario includeva domande NASA-TLX e System Usability Scale (SUS), mentre il secondo includeva NASA-TLX, User Engagement Scale Short Form (UESSF) e Player Experience Inventory (PXI). I risultati hanno mostrato che il livello tutorial aveva una buona usabilità e non era troppo impegnativo. Il livello dell'escape room ha offerto uno spazio di apprendimento interessante e coinvolgente, attirando i giocatori attraverso il gameplay. Questo ambiente può crescere negli aggiornamenti futuri con nuovi contenuti educativi.

#Cambio negli Approcci Educativi

Recentemente, c'è stato un crescente interesse per metodi di apprendimento interattivi che si concentrano sugli studenti piuttosto che sugli insegnanti. Gli studenti di oggi hanno aspettative diverse su come dovrebbero apprendere. Preferiscono essere attivi nelle esperienze di apprendimento invece di limitarsi ad ascoltare. Mischiare giochi con l'istruzione è un modo per soddisfare questa esigenza di interattività. Questa combinazione può aumentare il coinvolgimento e la motivazione evocando sentimenti di divertimento durante il gioco. I giochi progettati per scopi educativi sono noti come serious games. Questi giochi mirano non solo a intrattenere, ma anche a educare.

Molti approcci di serious gaming sono stati usati in settori come la formazione medica e l'istruzione in architettura. Studi hanno dimostrato che i serious games influenzano positivamente il coinvolgimento degli utenti e le abilità cognitive, aiutando i giocatori a mantenere un atteggiamento positivo.

#Giochi di Escape Room nell'Istruzione

I giochi di escape room sono un metodo di gioco educativo. I giocatori in questi giochi devono risolvere indovinelli per raggiungere un obiettivo, come scappare da una stanza entro un tempo prestabilito. Questi giochi di solito richiedono lavoro di squadra, dove i giocatori collaborano per trovare indizi e risolvere enigmi.

Anche se molte escape room sono per divertirsi, sono state usate anche nell'istruzione in materie come matematica, sanità, informatica e chimica, permettendo agli studenti di interagire con argomenti in modo interattivo. Nell'istruzione, le escape room promuovono il lavoro di squadra, il pensiero critico, la creatività e simulano scenari della vita reale mantenendo l'apprendimento divertente.

Tuttavia, le escape room educative tradizionali hanno delle limitazioni. Richiedono allestimenti specifici, che possono essere costosi e richiedere una pianificazione significativa. Per affrontare questi problemi, sono stati creati giochi di escape room digitali. Le ricerche mostrano che le escape room digitali possono aiutare efficacemente gli studenti a comprendere argomenti scientifici promuovendo indipendenza e creatività.

#Realtà Virtuale nell'Istruzione

Un tipo di escape room digitale utilizza la VR per immergere i giocatori tramite visori. Negli anni, i dispositivi VR sono stati usati per varie applicazioni, dall'intrattenimento all'uso industriale e all'apprendimento. Usare la VR per scopi educativi ha vari benefici, specialmente per scenari difficili da replicare o potenzialmente pericolosi nel mondo reale. Inoltre, la VR può aumentare la motivazione degli studenti. Un aspetto unico dell'istruzione VR è l'uso di giochi di escape room.

Ad esempio, un'escape room VR consisteva in enigmi di matematica e schemi, concentrandosi su come il teletrasporto influenza il mal di movimento. Un altro gioco in coppia in VR richiedeva ai giocatori di risolvere enigmi senza comunicazione verbale o testuale, portando a modi innovativi di interagire.

Un altro esempio includeva un'escape room VR con due livelli, dove i partecipanti risolvevano diversi enigmi di memoria e logica. Un ulteriore gioco di escape room VR presentava indovinelli da risolvere in sequenza. Alcune escape room educative fanno scappare i giocatori da ambienti fittizi mentre apprendono.

Sebbene esistano alcuni esempi di escape room educative per varie materie, non abbiamo trovato giochi focalizzati sugli studenti di ingegneria civile. Il nostro obiettivo è colmare questa lacuna con un gioco di escape room VR incentrato sulle simulazioni energetiche degli edifici e sulla costruzione di pareti.

#Concetto Educativo

Il contenuto educativo del nostro gioco ruota attorno alle simulazioni energetiche degli edifici e ai metodi di costruzione. I giocatori si trovano bloccati in una stanza e devono risolvere vari enigmi per fuggire. Le sfide riguardano problemi comuni che gli studenti affrontano, come ignorare l'orientamento dell'edificio e montare in modo errato gli strati delle pareti. Affrontando questi ostacoli in un gioco, speriamo che gli studenti comprenderanno meglio i concetti e commetteranno meno errori di progettazione in futuro.

Il gioco connette suggerimenti visivi e audio con missioni e strumenti che mostrano i risultati delle simulazioni. Ogni missione esplora un argomento diverso, come considerare l'ora del giorno, il mese e la posizione dell'edificio durante la pianificazione o assemblare correttamente le costruzioni delle pareti.

Per ogni argomento, i giocatori prima apprendono il problema generale e ricevono informazioni educative tramite suggerimenti. Poi devono trovare indizi per aiutarsi a risolvere i compiti. Viene fornito un feedback per informare i giocatori sui loro progressi.

Assemblare le pareti è più complesso, dove i giocatori devono bilanciare più risultati delle simulazioni e perfezionare i loro progetti di pareti. Ad esempio, una parete resistente potrebbe essere più costosa, mentre una parete con meno isolamento potrebbe risparmiare soldi ma causare altri problemi come la muffa. Questo permette ai giocatori di imparare queste relazioni e prendere decisioni informate basate su feedback continui.

#Sviluppo del Gioco

Abbiamo creato la nostra esperienza VR usando Unreal Engine 5 (UE), che ci ha aiutato a costruire un ambiente realistico per una migliore sensazione di VR. Per le interazioni in VR, abbiamo usato il plugin OpenXR per supportare vari dispositivi VR.

Per consentire le funzioni di gioco necessarie, abbiamo creato un personaggio personalizzato che supporta due modalità di movimento: teletrasporto e movimento fluido. I giocatori possono scegliere come vogliono muoversi. Il teletrasporto aiuta a prevenire il mal di movimento ma può essere disorientante, mentre il movimento fluido è più facile ma potrebbe causare un po' di disagio.

Per garantire un'esperienza di gioco approfondita, abbiamo implementato vari sistemi di interazione, incentrati principalmente sul raccogliere e posizionare oggetti. I giocatori possono usare una o due mani a seconda dell'oggetto. Abbiamo anche incluso oggetti che dipendono da interazioni di pressione e sospensione.

#Livello Tutorial

Per aiutare i giocatori a familiarizzare con l'ambiente VR, abbiamo incluso un livello tutorial. Questo aiuterà i giocatori a non sentirsi sopraffatti dalla ricerca di indizi e risoluzione di enigmi mentre imparano a muoversi e interagire in VR. I giocatori possono scegliere se accedere o meno a questo livello tutorial.

Nel tutorial, rivediamo le interazioni, i sistemi di movimento, come afferrare oggetti e manipolare articoli ruotabili. Usiamo vari simboli e indicatori per spiegare come interagire con il gioco.

#Sistema di Quest e Suggerimenti

Un buon sistema di guida è essenziale per includere contenuto educativo e aiutare i giocatori a capire i loro progressi. Così, abbiamo sviluppato un sistema di quest e suggerimenti nel gioco. Ogni missione contiene suggerimenti, e i giocatori possono trovarli come appunti con testi e illustrazioni. Per facilitare la lettura, specialmente in VR, abbiamo anche incluso voice-over per descrivere i suggerimenti in modo più dettagliato.

I giocatori possono rivedere i suggerimenti dopo averli raccolti usando due dispositivi nel gioco. Un dispositivo proietta i suggerimenti per una lettura più facile, mentre un lettore a cassette consente ai giocatori di riascoltare il voice-over per ciascun suggerimento.

I suggerimenti appaiono quando inizia una missione, assicurandosi che solo i suggerimenti pertinenti siano visibili in base ai progressi del giocatore. Completando una missione, i giocatori ricevono feedback audio e visivo per segnalare il loro successo.

#Struttura della Stanza e Macchinari

L'escape room è suddivisa in quattro aree principali: revisione dei suggerimenti, scrivania di simulazione di costruzione, assemblaggio delle pareti e visualizzazione dei risultati. L'area del proiettore visualizza i suggerimenti, mentre la scrivania di simulazione di costruzione è il cuore del gioco. Consiste in strati che possono essere ruotati per cambiare diversi parametri durante il gioco. I giocatori iniziano con un modello di un edificio e poi rappresentano una stanza d'ufficio per testare il consumo energetico.

L'area di assemblaggio delle pareti ha tre dispositivi: un centro informazioni che mostra gli ordini degli strati delle pareti, un generatore di sezioni per le impostazioni di spessore e un dispositivo di assemblaggio delle pareti per unire gli strati in base ai requisiti.

Infine, l'area di visualizzazione dei risultati mostra i risultati basati sulla simulazione energetica dell'edificio e sugli indicatori di prestazione.

#API di Simulazione

Il modello della stanza è basato su un ufficio presso l'Università di Tecnologia di Graz. Le scelte dei giocatori influenzano i bisogni energetici annuali per riscaldamento e raffreddamento. Un modello di machine learning addestrato su 12.000 simulazioni energetiche consente calcoli rapidi nell'ambiente VR.

I calcoli vengono eseguiti su un server che fornisce l'interfaccia per avviare test e ottenere risultati. Dopo aver recuperato i risultati, diversi strumenti mostrano le valutazioni dell'assemblaggio delle pareti e delle impostazioni della simulazione.

#Valutazione

Per convalidare il nostro gioco, abbiamo condotto uno studio con esperti di VR e sviluppo di giochi per valutare l'usabilità generale. Lo studio ha incluso un pre-questionario sull'esperienza VR precedente e due post-questionari sui livelli tutorial e dell'escape room.

I risultati hanno indicato che il livello tutorial aveva una buona usabilità, rendendo facile per gli utenti imparare il sistema. I partecipanti hanno anche completato i loro compiti con sforzo e frustrazione minimi. Al contrario, il livello dell'escape room era più impegnativo, richiedendo un maggiore sforzo mentale per risolvere gli enigmi.

Nonostante la sfida più elevata, il feedback degli utenti è stato positivo, evidenziando il potenziale coinvolgente del gioco. Alti punteggi in attenzione focalizzata suggerivano che i giocatori erano assorbiti nell'esperienza, perdendo la cognizione del tempo mentre si godevano l'ambiente visivamente accattivante.

#Discussione

Questo studio mirava a valutare l'ambiente VR e il suo sistema educativo. Volevamo vedere se il nostro livello di onboarding garantisse usabilità mantenendo i compiti gestibili. Il feedback dal livello tutorial ha mostrato che era facile da usare e che i giocatori erano fiduciosi nella loro capacità di utilizzarlo.

D'altra parte, l'escape room richiedeva ai giocatori di pensare attivamente e risolvere sfide, portando a livelli di domanda più elevati. Anche se il carico di lavoro in questa sezione era alto, il feedback degli utenti è rimasto positivo, indicando che il nostro ambiente riesce a creare un'esperienza di apprendimento coinvolgente.

#Limitazioni e Lavori Futuri

Questo studio ha diverse limitazioni, tra cui un numero ridotto di partecipanti e il focus su esperti di gaming piuttosto che su studenti di ingegneria civile effettivi. Valutare i risultati di apprendimento sarebbe anche un importante passo successivo.

Inoltre, durante lo studio, i partecipanti hanno suggerito che un'esperienza cooperativa potrebbe ridurre il carico mentale. Abbiamo in programma di esplorare questa idea progettando una versione cooperativa del gioco, consentendo a ciascun giocatore di aiutare a risolvere gli enigmi da prospettive diverse.

In generale, il framework che abbiamo creato ha potenziale di espansione per includere ulteriori argomenti educativi. Confrontare le esperienze e i risultati degli utenti con varie materie potrebbe portare a risultati interessanti.

#Conclusione

Abbiamo progettato e sviluppato un gioco di escape room immersivo in VR che insegna argomenti sulla simulazione energetica degli edifici. Questa esperienza educativa combina suggerimenti visivi e uditivi con enigmi, creando un ambiente coinvolgente. Un livello tutorial introduce i giocatori alle meccaniche di gioco. Uno studio con esperti ha indicato un buon coinvolgimento e usabilità, confermando che questo gioco VR può aumentare la curiosità e fornire esperienze di apprendimento significative. Nonostante il feedback positivo, abbiamo trovato il livello dell'escape room abbastanza impegnativo, suggerendo che futuri miglioramenti attraverso il gioco cooperativo potrebbero migliorare l'esperienza.