Augmented Reality Serious Games Towards Introducing and Promoting Chemistry to Preteens

Abstract

Science education, particularly physics, and chemistry, remains unpopular among students. Children’s perception of chemistry as a complex and strenuous subject starts at a young age, even before their first contact with the discipline, and these perceptions can affect the students’ achievements and future career choices in this domain. As a result, teachers and educational stakeholders acknowledge the need for innovative tools to reach the children and motivate them in these areas. This intervention should be applied to reach students earlier to demystify negative perceptions and encourage children to invest in these areas. Augmented Reality (AR) and Serious Games continue to be used as tools to engage students with learning content perceived as less engaging or challenging. However, in chemistry, the vast majority of AR educational tools are designed for older students (15 and older) and mainly focus on the potential of AR to provide the visualization of scientific phenomena. Our research revolves around AR multimodal Serious Games as an opportunity to explore different pedagogical methods to facilitate scientific content learning while incorporating game elements to engage preteen children (9 to 13 years old) with chemistry. This thesis systematically investigated the effectiveness of three Augmented Reality serious games designed around the chemistry learning experience. In the scope of this thesis, three novel AR serious games were created, namely: "Periodic Fable Discovery," "Periodic Fable An Augmented Journey," and "Periodic Fable in The Wild." These games were iterated, tested, and refined employing Research through Design methodology. The thesis contribution is centered around the design and lessons learned while producing three novel AR serious game artifacts. The outcomes of this research will establish the underpinnings for developing guidelines that can be implemented by game designers and developers who aim to create educational Augmented Reality (AR) Serious Games.

A educação científica é fundamental para o desenvolvimento da sociedade, especialmente nas áreas da física e da química. No entanto, muitos estudantes demonstram pouco interesse nestas disciplinas, particularmente em relação a química, sendo frequentemente vista como complexa e exigente. A conotação negativa em relação à química pelas crianças começa desde cedo, antes mesmo de terem contato com a disciplina a nível curricular, sendo que esta percepção pode condicionar o seu percurso acadêmico e mesmo a futura escolha da carreira profissional. Consequentemente, professores e agentes educativos reconhecem a necessidade de ferramentas inovadoras para cativar as crianças, apoiando intervenções para motivar os alunos mais cedo, desmistificando percepções negativas e, finalmente, levar as crianças a investirem na química. São necessárias estratégias educacionais que enfatizem a aplicabilidade da química no quotidiano e na resolução de problemas, de modo a tornar o conteúdo mais relevante e interessante. Além disso, é importante adotar abordagens didáticas inovadoras, como a utilização de tecnologias interativas, jogos e atividades práticas, que possam ajudar a envolver e motivar os alunos. A Realidade Aumentada (RA) e os jogos continuam a serem utilizados como ferramenta que ajudam a cativar o interesse dos estudantes para disciplinas consideradas mais difíceis ou menos interessantes para os jovens. Contudo, na área da química, estudos sobre esta ferramenta continuam a focar-se num público alvo acima dos 15 anos de idade, habitualmente só oferecendo benefícios no que concerne à visualização de fenómenos científicos. A investigação presente nesta tese, visa o estudo da eficácia de três jogos educativos em Realidade Aumentada: A Descoberta da Fábula Periódica, A Fábula Periódica uma Viagem Aumentada e, por último, a Fábula Periódica na Floresta. Estas ferramentas lúdicodidáticas procuram facilitar a aprendizagem, cativar o interesse e motivar jovens para a área química. A contribuição desta tese está centrada no desenho e aprendizagem obtida durante a produção de três novos artefatos de jogos sérios de realidade aumentada (RA). Os resultados desta pesquisa estabelecerão as bases para o desenvolvimento de diretrizes, que podem ser implementadas por designers e criadores de jogos educativos em Realidade Aumentada (RA).