Technology-enhanced handwriting training in primary school: efficacy evaluation and unsupervised profiling through serious games

Writing is a fundamental complex task, typically acquired in early childhood, and it is closely linked to overall academic achievement. It covers a wide range of activity and its development depends on multiple factors such as motor, cognitive, linguistic end environmental influences. Child development is a complex, lifelong process shaped by biological and contextual factors, leading to heterogeneous learning trajectories, also in the acquisition of academic skills such as handwriting. Within this variability, some children show delays that may reflect either slower learning or neurodevelopmental disorders, with consequences for school achievement and well-being. Early, targeted, and personalized interventions are therefore crucial. Technological tools, and serious games in particular, offer a promising way to deliver such interventions, as they allow continuous collection of rich behavioural data and embed training in a playful environment that reduces the perceived stigma of “therapy”. This thesis has two main aims: (1) to evaluate the efficacy of a tablet-based handwriting training program using serious games; and (2) to explore whether gameplay data can be used to derive child profiles based on engagement and performance. To achieve these goals first-grade pupils were assigned to three groups according to the followed training program: traditional paper-and-pencil training, digital training with serious games, or no structured handwriting training, and completed standardized handwriting and visuomotor tests before and after the intervention. Results show that the digital program is at least as effective as the traditional one, and in some respects more effective, particularly for handwriting speed. In parallel, in-game data were analyzed with unsupervised methods, yielding distinct engagement patterns and three recurring performance profiles (Accurate, Fast, Struggling) that differed in clinical risk and motivational characteristics. These findings provide an initial proof of concept for adaptive serious-game systems that combine effective handwriting training with data-driven, personalized support.

La scrittura è un'abilità complessa e fondamentale, che viene tipicamente acquisita durante l'infanzia, e che è strettamente legata al successo scolastico in generale. Comprende un'ampia gamma di attività e il suo sviluppo comprende da molteplici fattori, quali componenti motorie, linguistiche, cognitive e ambientali. Lo sviluppo del bambino è un processo complesso, modellato da fattori biologici e contestuali, che dà luogo a traiettorie di apprendimento eterogenee, anche nell’acquisizione di abilità scolastiche come la scrittura. Data questa variabilità, alcuni bambini mostrano ritardi nell'acquisizione, che possono in alcuni casi semplicemente riflettere una diversa traiettoria di apprendimento, oppure in altri casi la presenza di disturbi del neurosviluppo. Queste condizioni hanno ripercussioni sull'andamento scolastico e sul benessere del bambino; interventi precoci, mirati e personalizzati risultano quindi fondamentali. Gli strumenti tecnologici, e in particolare i serious game, offrono una via promettente per realizzare questi interventi, poiché consentono la raccolta continua, il monitoraggio e l'analisi di una grande quantità di dati; inoltre permettono di integrare l’allenamento in un contesto ludico che riduce lo stigma percepito della “terapia”. Questa tesi ha due obiettivi principali: (1) valutare l’efficacia di un programma di training su tablet basato su serious game; e (2) esplorare se i dati ricavati dai giochi possano essere utilizzati per derivare profili dei bambini in termini di ingaggio e prestazione. Per raggiungere questi obiettivi, alunni di prima elementare sono stati assegnati a tre gruppi in base al programma seguito: training tradizionale carta e penna, training digitale con serious game oppure assenza di un training strutturato sulla scrittura, e hanno svolto test standardizzati di scrittura e abilità visuomotorie prima e dopo l’intervento. I risultati mostrano che il programma digitale è almeno altrettanto efficace di quello tradizionale, e per alcuni aspetti più efficace, in particolare per la velocità di scrittura. In parallelo, i dati di gioco sono stati analizzati con metodi non supervisionati, ottenendo pattern distinti di coinvolgimento e tre profili ricorrenti di performance (Accurate, Fast, Struggling) caratterizzati da diverso rischio clinico e da differenti caratteristiche motivazionali. Questi risultati forniscono un rpimo step verso lo sviluppo di sistemi adattivi basati su serious game, che combinano un training efficace della scrittura con un supporto personalizzato guidato dai dati.