Virtual reality for smart-learning: educational and training applications

Industrial Engineering education is experiencing a paradigm shift in response to the challenges posed by a fast-developing digital landscape. The present doctoral thesis proposes a methodological approach that focuses on the concept of Gamification as a novel educational technique, emphasizing its potential to promote active engagement and motivation while enhancing knowledge acquisition and skill development through digital experiences that take place inside virtual environments. Within the proposed framework, advanced digital tools and technologies support the Gamification method, allowing educators to design and implement tailored learning experiences whose main goal is bridging the gap between theoretical concepts and real-world applications. On these premises, the research presents a three-level approach to demonstrate the effectiveness of the proposed methodology. The first one focuses on utilizing an integrated digital workflow to design and implement immersive simulations of industrial scenarios in accordance with specific learning objectives. Digital factory tools, ontologies, and Virtual Reality applications are employed as the foundational components to generate customized interactive environments to be explored and navigated by students. Building upon this workflow, the second stage incorporates an additional layer of Gamification elements, aiming towards an active involvement of the player in the simulation of manual manufacturing operations, where he/she is tasked with a number of practical challenges. The gamified nature of the application enables students to make informed decisions, practice assembly techniques, and refine their skills, fostering critical thinking and problem-solving abilities with regards to the design of an efficient industrial workspace. The third level introduces a final interactive dimension based on the collaboration with advanced robotic devices inside a Virtual Reality environment, providing students with tangible insights into human-robot collaboration and advanced manufacturing concepts. Within the virtual scene, players are able to interact with a robot in the context of a hybrid assembly process, deepening their understanding upon potential real-world applications as well as on how to implement them in the form of digital twins through the integration of dedicated robot programming platforms. In conclusion, this research underscores the potential of utilizing Gamification as a core educational technique for academic students by exploiting the possibilities allowed by state-of-the-art digital tools. The findings aim to pave the way for future developments towards the opportunity of leveraging such methods and tools to create more immersive and advanced learning experiences. By embracing these innovative approaches, educators can continue to explore new frontiers aimed to enhance skill development and engagement in the evolving landscape of Industrial Engineering education.

L'educazione nell’ambito dell’Ingegneria Industriale sta vivendo un cambiamento di paradigma in risposta alle sfide poste da un panorama digitale in rapida evoluzione. La presente tesi di dottorato propone un approccio metodologico che pone al centro il concetto di Gamification come tecnica educativa innovativa, sottolineandone il potenziale nel promuovere il coinvolgimento attivo e la motivazione, oltre a favorire l’acquisizione di conoscenze e lo sviluppo di competenze attraverso esperienze digitali che si svolgono all'interno di ambienti virtuali. All'interno del quadro proposto, strumenti e tecnologie digitali avanzate supportano il metodo della Gamification, consentendo ai docenti di progettare e implementare esperienze di apprendimento su misura, il cui obiettivo principale è colmare il divario tra concetti teorici e applicazioni nel mondo reale. Su queste premesse, la ricerca presenta un approccio articolato su tre livelli per dimostrare l’efficacia della metodologia proposta. Il primo livello si concentra sull’utilizzo di un flusso di lavoro digitale integrato per progettare e realizzare simulazioni immersive di scenari industriali, in linea con specifici obiettivi formativi. Strumenti di digital factory, ontologie e applicazioni di realtà virtuale costituiscono i componenti fondamentali per generare ambienti interattivi personalizzati, da esplorare e navigare da parte degli studenti. A partire da questo flusso di lavoro, il secondo livello introduce un ulteriore strato di elementi di Gamification, con l’obiettivo di coinvolgere attivamente il giocatore nella simulazione di operazioni manuali di produzione, in cui gli vengono assegnate una serie di sfide pratiche. La natura gamificata dell'applicazione consente agli studenti di prendere decisioni informate, esercitarsi in tecniche di assemblaggio e affinare le proprie abilità, sviluppando capacità di pensiero critico e problem-solving in relazione alla progettazione di un ambiente industriale efficiente. Il terzo livello introduce una dimensione interattiva finale, basata sulla collaborazione con dispositivi robotici avanzati all'interno di un ambiente di realtà virtuale, offrendo agli studenti spunti concreti sulla collaborazione uomo-robot e sui concetti di produzione avanzata. All’interno della scena virtuale, i giocatori possono interagire con un robot nel contesto di un processo di assemblaggio ibrido, approfondendo la comprensione sia delle potenziali applicazioni reali sia delle modalità per implementarle sotto forma di digital twins, attraverso l’integrazione con piattaforme dedicate alla programmazione robotica. In conclusione, questa ricerca evidenzia il potenziale della Gamification come tecnica educativa centrale per studenti universitari, sfruttando le possibilità offerte dagli strumenti digitali più avanzati. I risultati ottenuti mirano a tracciare un percorso per futuri sviluppi orientati alla creazione di esperienze di apprendimento sempre più immersive e avanzate. Adottando questi approcci innovativi, i docenti potranno continuare a esplorare nuove frontiere per migliorare lo sviluppo delle competenze e il coinvolgimento degli studenti nel panorama in continua evoluzione dell’educazione in Ingegneria Industriale.