Design and development of gamification as an educational support system for digital construction : enhancing learning and exploring the potential of digital twin integration

Dai, Rushi; Wiese, Bettina Simone; Brell-Cokcan, Sigrid

doi:HT030731217

Design and development of gamification as an educational support system for digital construction : enhancing learning and exploring the potential of digital twin integration

Dai, Rushi^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von: Rushi Dai

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak02

Hauptberichter/Gutachter
Brell-Cokcan, Sigrid (Thesis advisor)^RWTH* ; Wiese, Bettina Simone (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-04-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-04418
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/985062/files/985062.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Individualisierte Bauproduktion (211510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
digital twin (frei) ; education (frei) ; game engine (frei) ; gamification (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 710

Kurzfassung
Diese Dissertation erforscht das Design und die Entwicklung von Gamification als unterstützendes Bildungssystem für den digitalen Bau, mit besonderem Fokus auf der Verbesserung der Lerneffektivität von Studierenden und der Integration der Digital Twin-Technologie innerhalb des gamifizierten Systems. Mit den rasanten Fortschritten in der Technologie wurden viele Branchen durch digitale Werkzeuge und Strategien in das Zeitalter der Digitalisierung transformiert und aufgerüstet, einschließlich der Bauindustrie in Richtung innovativer digitaler Bauweisen. Eine effektive Strategie zur Unterstützung dieser Transformation besteht darin, neue Fachkräfte im Bereich des digitalen Bauwesens zu schulen. Die aktuelle Bildung weist jedoch hauptsächliche Herausforderungen auf, darunter das Fehlen innovativer Lehrmethoden in diesem neuen Fachgebiet, Lücken zwischen theoretischem Wissen und Praxis, Schwierigkeiten beim Zugang zu Vor-Ort-Einrichtungen, unzureichende Motivation der Studierenden für das Studium dieses Fachs und mehr. Die Hauptziele dieser Dissertation sind die Vorstellung von Lösungen für die aktuellen Herausforderungen in der Ausbildung im Bereich des digitalen Bauwesens sowie die Erforschung innovativer Technologien und Methoden für die digitale Transformation in der Bildung. Um diese Ziele zu erreichen, wurden in dieser Dissertation Gamification-Methoden entworfen und das Systemframework mithilfe einer 3D-Game Engine – Unreal Engine – entwickelt, um die Kluft zwischen Bildungspraktiken und den aufkommenden Konzepten im digitalen Bauwesen zu überbrücken. Darüber hinaus wurde eine Anwendung namens DigitalCons (Digital Construction) als Fallstudie für die Validierung und als Testplattform für die Integration modernster digitaler Technologien innerhalb des vorgeschlagenen gamifizierten Systems erstellt.Die Forschung beantwortet die folgenden Fragen:1) Welche Gamification-Methoden können angewendet werden, um die Lernerfahrungen und die Lerneffektivität von Studierenden zu fördern, wie beispielsweise das Verständnis digitaler Technologien im Bauwesen, die Übertragung theoretischen Wissens in praktischen Szenarien und die Motivation beim Lernen von digitalem Bauwesen? 2) Wie kann ein Entwicklungsframework entworfen und strukturiert werden, um die Entwicklung eines flexiblen und erweiterbaren gamifizierten Systems zu erleichtern? 3) Welche technischen Herausforderungen ergeben sich bei der Integration innovativer Technologien wie Digital Twin, und wie kann die Integration die Lerneffektivität im digitalen Bauwesen verbessern? 4) Was sind die Wahrnehmungen der Benutzer und die Lernergebnisse der Studierenden nach der Nutzung des gamifizierten Systems in Bezug auf Funktionalitäten, Benutzererfahrungen und Lerneffektivität? Um diese Fragen zu untersuchen, wurden Literaturübersichten durchgeführt, um eine theoretische Grundlage für das Konzept der Gamifizierung zu schaffen und Hypothesen für die Validierung zu formulieren. Anschließend wurde das Gamifizierungskonzept entworfen und in die spielähnliche Anwendung namens DigitalCons integriert, die von der Unreal Engine unterstützt wird, um es weiter zu testen und zu bewerten. In DigitalCons wurden baubezogene Inhalte in vier Abschnitte unterteilt: Sicherheit, Maschinen, IoT und Prozesse, die mit Spielelementen und Mechanismen gamifiziert wurden, die mit der Spielpsychologie übereinstimmen und durch die Integration von Digital Twin-Technologien verbessert wurden. Während die Spielpsychologie dazu beitrug, die Lernbegeisterung der Studierenden zu wecken und ihr Gedächtnis zu vertiefen, bot der Digital Twin eine immersive und realistische Lernumgebung, die den Zwilling der Realität darstellte. Um das Gamifizierungskonzept zu validieren, wurde DigitalCons in Bezug auf Funktionalität, Benutzererfahrung und Lerneffektivität von seinem Entwickler, neun erfahrenen Spielern und 30 Studierenden getestet und bewertet. Verschiedene Bewertungsmethoden wurden angewendet, um Daten zu sammeln, wie Ad-hoc-Tests, Profiling-Tools, Fragebögen und offene Diskussionen. Die eingeladenen Studierenden wurden in zwei Gruppen unterteilt, wobei eine Gruppe mit einem gamifizierten Ansatz als Experimentalgruppe und eine Gruppe mit einem nicht-gamifizierten Ansatz als Kontrollgruppe lernte. Die Ergebnisse beider Gruppen wurden in Bezug auf die Lerneffektivität der beiden Lernmethoden ausgewertet und verglichen. Das Ergebnis dieser Studie legt effektive Designmethoden für die Gamifizierung von Lerninhalten im digitalen Bauwesen nahe. Die Entwicklung von DigitalCons über die Unreal Engine bietet einen anwendbaren, benutzerfreundlichen, erweiterbaren und kollaborativen Rahmen, der auch eine einfache Integration und Verbindung mit digitalen Technologien wie dem Digital Twin ermöglicht. Die Bewertungsergebnisse des gamifizierten Systems zeigen eine positive Auswirkung auf die Lerneffektivität der Studierenden in Bezug auf das Verständnis und die Speicherung von Wissen, den Wissenstransfer sowie die Lernmotivation und -beteiligung. Die Experimentalgruppe schnitt besser im Wissenstransfer ab und zeigte eine höhere Lernmotivation und Beteiligung, während die Kontrollgruppe im Wissensrückhalt überlegen war. Darüber hinaus hatten positive Einstellungen gegenüber den Lernmethoden wenig Einfluss auf das Lernergebnis im Verständnis und der Speicherung von Wissen sowie im Wissenstransfer, jedoch einen starken Einfluss auf die Lernmotivation und -beteiligung. Zusammenfassend bietet das in dieser Dissertation vorgeschlagene gamifizierte System ein großes Potenzial für die Innovation und Transformation der Ausbildung im digitalen Bauwesen. Obwohl es noch viel Raum für Verbesserungen gibt, wie die Verfeinerung von Gamifizierungstechniken, die Leistungsoptimierung und das Determinismusproblem in der Digital Twin-Simulation, sollten diese Einschränkungen in zukünftiger Forschung angegangen werden, um die Möglichkeiten der Gamifizierung vollständig zu erweitern.

This dissertation explores the design and development of gamification as an educational support system for digital construction, with specific focus on the improvement of students’ learning effectiveness and the integration of Digital Twin technology within the gamified system. With the rapid advancements in technologies, many industries have been transformed and upgraded to the age of digitization via digital tools and strategies, including the construction industry to an innovative direction of digital construction. One of the effective strategies to support this transition is to educate new professions in the field of digital construction. However, the current education has revealed main challenges including lack of innovative teaching methods in this new discipline, gaps between theoretical knowledge and practice, difficulties in access to on-site facilities, insufficient motivation of students in studying this subject and more.The main objectives of this dissertation are to propose solutions to the current challenges in education of digital construction, and to research innovative technologies and methods for digital transformation in education. To achieve these objectives, this dissertation designed gamification methods and developed its system framework powered by a 3D game engine – Unreal Engine, bridging the gap between educational practices and the emerging concepts in digital construction. In addition, an application called DigitalCons (Digital Construction) was built as a use case for validation and a testbed for the integration of cutting-edge digital technologies within the proposed gamified system. The research addresses the following questions: 1) What gamification methods can be applied to promote the learning experiences and learning effectiveness of students, such as comprehension of digital technologies in construction, theoretical knowledge transfer in practical scenarios, and motivation in learning digital construction? 2) How can a development framework be designed and structured to facilitate the development of a flexible and extendable gamified system? 3) What are the technical challenges in the integration of innovative technologies like Digital Twin, and how can the integration enhance the learning effectiveness in digital construction? 4) What are the perceptions of its users and the learning outcomes of students after utilisation of the gamified system regarding functionalities, user experiences and learning effectiveness? To study these questions, literature reviews were done to establish a theoretical foundation for the gamification concept and to formulate hypotheses for validation. Then the gamification concept was designed and prototyped into the game-like application called DigitalCons powered by Unreal Engine for further testing and evaluation. In DigitalCons, construction-related contents were categorised into four sections: Safety, Machinery, IoT, and Processes, gamified with game elements and mechanics aligning with game psychology and enhanced by the integration of Digital Twin technologies. While game psychology helped to arouse students' enthusiasm for learning and deepen their memory, Digital Twin provided an immersive and realistic learning environment representing the twin of reality. To validate the gamification concept, DigitalCons was tested and evaluated by its developer, 9 experienced gamers and 30 students in aspects of functionality, user experience and learning effectiveness. Different evaluation methods were applied to gather data, such as ad-hoc testing, profiling tools, questionnaires, and open discussion. The invited students were divided into two groups, one learned with a gamified approach as the experimental group, and one learned with a non-gamified approach as the control group. The outcomes of both groups were evaluated and compared in the learning effectiveness of the two learning methods.The result of this study suggests effective design methods to gamify learning contents in Digital Construction. The development of DigitalCons via Unreal Engine provides an applicable, easy-to-use, extensible and collaborative framework, which also allows for easy integration and interfacing with digital technologies like Digital Twin. The evaluation outcomes of the gamified system demonstrate a positive impact on students’ learning effectiveness in knowledge comprehension and retention, knowledge transfer, and learning motivation and engagement. The experimental group performed better in knowledge transfer and gained more learning motivation and engagement, while the control group outperformed in knowledge retention. Additionally, positive attitudes towards the learning methods showed little impact on the learning outcome in knowledge comprehension and retention, as well as in knowledge transfer, however, strong impact on learning motivation and engagement.In conclusion, the gamified system proposed in this dissertation holds a great potential in the innovation and transformation of education in digital construction. Although there is still a large space for improvement, such as refinement of gamification techniques, performance optimisation and determinism issue in Digital Twin simulation, these limitations should be addressed in future research to fully expand the possibilities of gamification.

OpenAccess:
PDF
(additional files)