A sustainable research &amp; development ecosystem for computer-supported collaborative learning with interactive tabletop displays

Ehlenz, Matthias Siegfried; Pinkwart, Niels; Schroeder, Ulrik

doi:42582

A sustainable research & development ecosystem for computer-supported collaborative learning with interactive tabletop displays = Nachhaltige Forschungs- und Entwicklungswerkzeuge für computergestütztes, kollaboratives Lernen mit interaktiven Tabletop-Displays

Ehlenz, Matthias Siegfried^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Gyml. Matthias Siegfried Ehlenz

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schroeder, Ulrik (Thesis advisor)^RWTH* ; Pinkwart, Niels (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-08-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-08152
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/964172/files/964172.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004

Kurzfassung
Computer-gestützte Lernprozesse sind seit Beginn des digitalen Zeitalters fester Bestandteil didaktischer Forschung und Praxis. Interaktive Tabletop Displays bieten hierfür einzigartige Perspektiven auf technologiegestütztes, kollaboratives Lernen in Gruppen. Sie unterstützen die gleichberechtigte Interaktion, automatisiertes Feedback, personalisierte Lernerfahrungen und selbstgesteuertes Lernen in heterogenen Gruppen. Die Stärken der unmittelbaren sozialen Interaktion der Face-to-Face-Kommunikation bleiben erhalten. Außerdem können durch die Anwendung von Learning Analytics-Werkzeugen ganz neue Einblicke in gemeinschaftliche Lernprozesse zugänglich gemacht werden. Doch hinsichtlich der praktischen Auswirkungen sind noch viele Fragen offen und für den erfolgreichen Einsatz müssen Inhalte und Medien aufeinander abgestimmt werden. In der Vergangenheit scheiterten vielversprechende Technologien daran, dass Inhalte, Methoden und Werkzeuge, ganz besonders aber nachhaltige Konzepte fehlten. Diese Dissertation soll dazu beitragen, diese Hindernisse zu überwinden und durch ein interdisziplinäres Gesamtkonzept interaktive Tabletops nachhaltig im Bildungsbereich nutzbar zu machen. Hierzu wird das Multitouch Learning Game (MTLG)-Ökosystem als ganzheitlicher Ansatz vorgestellt: Entwickler:innen und Pädagog:innen sollen bei der Implementierung von Open Source-Lernanwendungen unterstützt werden. Forschungsteams erhalten Methoden und Werkzeuge, um schnell und unkompliziert konfigurierbare Prototypen zu entwickeln und standardkonforme Lerndaten Daten zu sammeln. Dazu wird ein systematischer Ansatz für die Anforderungsanalyse und Umsetzung des MTLG-Ökosystems verfolgt. Die Komponenten sind der MTLG-Core und die Toolchain (grundlegende Bausteine für die schnelle Erstellung von Forschungsprototypen); die MTLG-Infrastruktur (z.B. für die Verbindung von Sitzungen über Geräte hinweg, die Verwaltung von Benutzern, usw.); die MTLG-Forschungskomponenten (zur Unterstützung von Forschungs-Setups). Im Hinblick auf die wissenschaftliche Nachhaltigkeit geht diese Dissertation über die technischen Aspekte hinaus und stellt Ergebnisse einer interdisziplinären Initiative für einen nachhaltigen, wissenschaftlichen Ansatz für eine Learning Analytics Metadaten-Infrastruktur vor. Die Evaluation der Arbeit erfolgt in einem dreiteiligen Ansatz: Erstens werden Fallstudien vorgestellt, um die Forschung in die Tiefe zu zeigen, zweitens wird die breite Anwendbarkeit durch Beispiele verschiedener Lernspiele unterschiedlicher Themen aufgezeigt. Drittens werden ein technischer Prototyp und eine entsprechende Fallstudie vorgestellt, um das Zusammenspiel der Komponenten zu veranschaulichen. Zusammenfassend stellt Dissertation ein System vor, dass es ermöglicht ganzheitlich, systematisch und nachhaltig Lernprozesse mit diesem Medium zu beforschen und so den didaktischen Einsatz dieser Geräte langfristig zu verbessern.

Computer-supported learning processes are of consistently increasing importance for education. Considering innovative platforms, interactive tabletops provide distinct advantages: They introduce automated feedback, individualization capabilities, and interaction mechanics that enable self-regulated learning in computer-supported collaborative learning processes. They allow truly equal, simultaneous interaction. At the same time, the strengths of face-to-face communication of traditional group work are preserved. Additionally, the digitization of collaborative face-to-face learning opens new research opportunities by enabling the usage of methods from learning analytics and introducing innovative ways of multi-modal data collection. Still, we do not know much about the practical impact of interactive tabletops on the learning process and successful usage in education requires the tuning of content and media to fit each other. Previous promising technologies missed out on their potential by lacking content, research, and sustainable concepts.This dissertation aims to help overcome obstacles and thus enable interactive tabletops to have a positive impact on future education. Assisting developers and educators to implement open-source learning games, providing interdisciplinary research teams with methods and tools to produce highly configurable research prototypes and partake in open science, and enabling teachers to improve their students' learning by providing insights through the open learning analytics infrastructure: The Multi-Touch Learning Game (MTLG) ecosystem is intended to take a holistic approach on facilitating interactive tabletops for better learning experiences. This dissertation provides a systematic approach to the requirements of, research on and educational use of interactive tabletop systems. The MTLG ecosystem presents an integrated research and prototyping framework for collaborative learning with interactive tabletop displays. The components are the MTLG core and toolchain (fundamental building blocks for the rapid creation of capable research prototypes); the MTLG infrastructure (server-side components for connecting sessions across devices, managing users and more); the MTLG research components (supporting experimental setups). Considering scientific sustainability, this dissertation goes beyond technical aspects and slightly beyond the scope of this project. In an interdisciplinary effort a sustainable, science-driven proposal for a learning analytics metadata infrastructure has been developed. The overall evaluation is done in a three-fold approach: First, case studies are presented to show research in depth. Second, the broad applicability is shown by presenting learning applications of different scopes and subjects. Third, a technical prototype and a corresponding case study are presented to showcase the interplay of components. Conclusively, this dissertation presents a coherent ecosystem of software, methods, and infrastructure to research collaborative learning processes involving interactive tabletop displays, large multi-touch systems placed horizontally for face-to-face learning in groups.

OpenAccess:
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