Panagiotakis, SpyridonΠαναγιωτάκης, ΣπυρίδωνCharonitis, ArisΧαρωνίτης, Άρης2026-06-022026-06-022026-06-02https://apothesis.hmu.gr/handle/123456789/11658The rapid evolution of the Fourth Industrial Revolution, compounded by the disruptions of the COVID-19 pandemic, has exposed critical deficiencies in conventional digital learning infrastructures, particularly in their capacity to sustain learner engagement, deliver hands-on experiential learning, and provide adaptive, timely assessment within asynchronous environments. This thesis presents the design, development, and functional validation of a Smart Learning Ecosystem (SLE) conceived to address these challenges through the integration of gamification, Internet of Things (IoT) technologies, and a structured visual-to-textual programming pathway within a STEAM educational framework. The proposed ecosystem is architectured around Moodle as its central orchestration layer, augmented by MIT App Inventor for mobile IoT prototyping, Arduino-based physical computing for tangible experiential learning, H5P for interactive content delivery, and CodeRunner for automated programming assessment. A five-stage asynchronous pedagogical workflow — encompassing Exploration, Conceptualisation, Application, Evaluation, and Reflection — structures the learning progression, guiding learners from foundational concepts through to complex, real-world problem-solving tasks. A principal contribution of this work is the Blockly-to-Python learning pathway, which systematically bridges the cognitive gap between block-based visual programming and text-based coding, mitigating the well-documented barriers that impede novice programmers in STEAM contexts. Gamification mechanisms, including experience points (XP), level progression, badge issuance, and conditional content unlocking, are embedded throughout the ecosystem to sustain motivation and persistence in asynchronous learning conditions. An integrated analytics and automated feedback infrastructure continuously monitors learner performance, enabling data-driven adaptive interventions. The research is guided by a central question examining how the integrated deployment of block-based programming, IoT technologies, and gamification within a cohesive SLE contributes to adaptive STEAM education. Supporting sub-questions address architectural requirements, the effect of gamified progression on motivation, the efficacy of automated assessment for learning performance, and the contribution of physical computing to computational understanding. Sample proof of concept and functional validation demonstrate that the ecosystem successfully operationalises its design objectives, providing a replicable, scalable, and pedagogically grounded framework for interactive STEAM education aligned with the demands of the contemporary digital learning environment.Η ραγδαία εξέλιξη της Τέταρτης Βιομηχανικής Επανάστασης, σε συνδυασμό με τις αναταραχές που προκάλεσε η πανδημία του COVID-19, ανέδειξε κρίσιμες ελλείψεις στις συμβατικές υποδομές ψηφιακής μάθησης, ιδίως όσον αφορά την ικανότητά τους να διατηρούν το ενδιαφέρον των μαθητών, να προσφέρουν βιωματική μάθηση και να παρέχουν προσαρμοστική και έγκαιρη αξιολόγηση σε ασύγχρονα περιβάλλοντα. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει τον σχεδιασμό, την ανάπτυξη και τη λειτουργική επικύρωση ενός Οικοσυστήματος Έξυπνης Μάθησης (SLE) που σχεδιάστηκε για να αντιμετωπίσει αυτές τις προκλήσεις μέσω της ενσωμάτωσης της παιχνιδοποίησης, των τεχνολογιών του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT) και μιας δομημένης διαδρομής προγραμματισμού από οπτικά στοιχεία σε κείμενο, εντός ενός εκπαιδευτικού πλαισίου STEAM. Το προτεινόμενο οικοσύστημα είναι δομημένο γύρω από το Moodle ως κεντρικό επίπεδο συντονισμού, ενισχυμένο από το MIT App Inventor με δημιουργία πρωτοτύπων IoT για κινητά, τη φυσική πληροφορική βασισμένη στο Arduino για απτή βιωματική μάθηση, το H5P για την παροχή διαδραστικού περιεχομένου και το CodeRunner για την αυτοματοποιημένη αξιολόγηση προγραμματισμού. Μια ασύγχρονη παιδαγωγική ροή εργασίας πέντε σταδίων — που περιλαμβάνει Εξερεύνηση, Σύλληψη, Εφαρμογή, Αξιολόγηση και Αναστοχασμό — δομεί την πρόοδο της μάθησης, καθοδηγώντας τους μαθητές από τις βασικές έννοιες έως σύνθετες εργασίες επίλυσης προβλημάτων του πραγματικού κόσμου. Μια βασική συμβολή της παρούσας εργασίας είναι η μαθησιακή διαδρομή «Blockly-to-Python», η οποία γεφυρώνει συστηματικά το γνωστικό χάσμα μεταξύ της οπτικής προγραμματισμού με μπλοκ και της κωδικοποίησης με κείμενο, μετριάζοντας τα καλά τεκμηριωμένα εμπόδια που δυσχεραίνουν τους αρχάριους προγραμματιστές σε περιβάλλοντα STEAM. Μηχανισμοί παιχνιδοποίησης, όπως οι πόντοι εμπειρίας (XP), η πρόοδος σε επίπεδα, η απονομή διακριτικών και το ξεκλείδωμα περιεχομένου υπό όρους, είναι ενσωματωμένοι σε όλο το οικοσύστημα για τη διατήρηση της κινητοποίησης και της επιμονής σε συνθήκες ασύγχρονης μάθησης. Μια ολοκληρωμένη υποδομή ανάλυσης και αυτοματοποιημένης ανατροφοδότησης παρακολουθεί συνεχώς την απόδοση των μαθητών, επιτρέποντας προσαρμοστικές παρεμβάσεις βασισμένες σε δεδομένα. Η έρευνα καθοδηγείται από ένα κεντρικό ερώτημα που εξετάζει πώς η ολοκληρωμένη εφαρμογή της προγραμματισμού που βασίζεται σε μπλοκ, των τεχνολογιών IoT και της παιχνιδοποίησης εντός ενός συνεκτικού SLE συμβάλλει στην προσαρμοστική εκπαίδευση STEAM. Τα υποστηρικτικά δευτερεύοντα ερωτήματα αφορούν τις αρχιτεκτονικές απαιτήσεις, την επίδραση της παιχνιδοποιημένης προόδου στην παρακίνηση, την αποτελεσματικότητα της αυτοματοποιημένης αξιολόγησης της μαθησιακής απόδοσης και τη συμβολή της φυσικής πληροφορικής στην υπολογιστική κατανόηση.. Δείγματα απόδειξης της ιδέας και λειτουργικής επικύρωσης καταδεικνύουν ότι το οικοσύστημα υλοποιεί με επιτυχία τους σχεδιαστικούς του στόχους, παρέχοντας ένα αναπαραγώγιμο, επεκτάσιμο και παιδαγωγικά θεμελιωμένο πλαίσιο για διαδραστική εκπαίδευση STEAM, ευθυγραμμισμένο με τις απαιτήσεις του σύγχρονου ψηφιακού μαθησιακού περιβάλλοντος.enAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United StatesInternet of things (IoT)GamificationEcosystemSmart learningΔιαδίκτυο των πραγμάτωνΠαιχνιδοποίησηΟικοσύστημαΈξυπνη μάθησηΜεταπτυχιακή Διατριβή