Developing Interactive Experiences for Education in Collaborative Immersive Virtual Environments

RNDr. Vojtěch Brůža

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertační práce se zabývá rostoucí potřebou efektivních a dostupných nástrojů pro kolaborativní virtuální vzdělávání a zkoumá způsoby návrhu a implementace technických řešení, která obohacují vzdělávací proces v prostředích virtuální reality. Práce vychází z filozofie „learning by doing“ (učení se činností) v rámci teorie zkušenostního učení a zkoumá, jak mohou imerzivní technologie vytvářet multisenzorické, interaktivní vzdělávací zážitky, které přesahují rámec tradičních výukových metod. Výzkum využívá přístup designu orientovaného na člověka (human-centered design) ve spojení s interdisciplinární spoluprací, přičemž zapojuje odborníky z oblasti biochemie, psychologie, pedagogiky, architektury a geografie. Na základě rozsáhlého výzkumu, publikační činnosti a praktických zkušeností s vývojem VR projektů, jako jsou VRdeo (nástroj pro tvorbu a přehrávání imerzivního videa) a eDIVE (platforma pro vzdělávání v kolaborativní virtuální realitě), předkládá tato práce komplexní rámec pokrývající celý vývojový cyklus od konceptualizace návrhu až po implementaci a analýzu. Disertační práce představuje několik hlavních přínosů: metodiky návrhu zaměřené na uživatelskou zkušenost pro pedagogy a designéry; komplexní doporučení pro vývoj softwaru zahrnující síťové architektury, vykreslování na straně klienta, imerzivní prostorový zvuk a interakce specifické pro VR; a systémy záznamu dat pro následnou pedagogickou analýzu a zpětné přehrávání scén. Část věnovaná vývoji softwaru představuje hlavní technický přínos práce a poskytuje podrobné pokyny týkající se síťových protokolů, výzev v oblasti synchronizace a postupů při vydávání verzí, které jsou nezbytné pro budování robustních aplikací pro kolaborativní virtuální realitu. Díky snížení technických bariér a poskytnutí praktických metodik pro vývojáře a designéry překlenuje tato práce propast mezi teoretickými znalostmi a praktickou implementací, čímž posouvá obor vzdělávacích technologií a kolaborativních virtuálních prostředí.

Abstract:

This dissertation addresses the growing need for effective, accessible tools in collaborative virtual education by investigating how to design and implement technical solutions that enhance educational experiences in virtual reality environments. Grounded in the "learning by doing" philosophy of experiential learning theory, this research explores how immersive technology can create multi-sensory, interactive learning experiences that transcend traditional educational methods. The research employs a human-centered design approach coupled with interdisciplinary collaboration, working with experts from biochemistry, psychology, pedagogy, architecture, and geography. Drawing from extensive research, publications, and practical experience developing VR projects such as VRdeo (a tool for immersive video authoring and playback) and eDIVE (a platform for education in collaborative virtual reality), this work provides a comprehensive framework addressing the complete development pipeline from design conceptualization to implementation and analysis. The dissertation presents several main contributions: design methodologies focused on user experience for educators and designers; comprehensive software development recommendations addressing networking architectures, client-side rendering, immersive spatial audio, and VR-specific interactions; and logging systems for subsequent educational analysis and scene replay. The software development component represents the core technical contribution, providing detailed guidance on network protocols, synchronization challenges, and release management practices essential for building robust collaborative virtual reality applications. By lowering technical barriers and providing practical methodologies for developers and designers, this work bridges the gap between theoretical knowledge and practical implementation, advancing the field of educational technology and collaborative virtual environments.

Keywords

virtual reality, collaborative virtual environments, educational technology, immersive learning, human-centered design, software development, networking architectures, game-based learning, spatial audio, experiential learning, VR interactions

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 1. 2026

Thesis defence

• Date of defence: 2. 7. 2026
• Supervisor: doc. RNDr. Barbora Kozlíková, Ph.D.
• Reader: prof. Dr. rer. nat. Michael Krone, Prof. Dr. Torsten Wolfgang Kuhlen

Masaryk University

Faculty of Informatics

Doctoral programme / field:
Computer Science / Computing Technology and Methodology