Ανάπτυξη τεχνικών εξόρυξης γνώσης από δεδομένα για προσαρμοστικά συστήματα διαχείρισης της μάθησης

Abstract

The increasing use of computers and the Internet, and the need for long-life education has brought to the surface the subject of e-learning. The not-so-new field of educational technology, combined with new sciences and technologies such as data mining, artificial intelligence - not so new but constantly growing -, multi-agent systems and technologies that come out from the internet like web 2.0, web 3.0 and the semantic web, offers new perspectives to the educational community. The Adaptive Educational Hypermedia Systems (AEHS) attempts to exploit these technologies so as to solve problems related to asynchronous - distance teaching and learning, such as individualized educational services. Such problems (among others) are: • The ability to identify the learning style of the student. • The ability to detect the emotional state of the student during the session of a les-son. • The retrieval of learning objects from digital repositories or the creation of new learning objects. • The support of the student during the learning procedure using collaborative learning techniques. This thesis lies on the research fields of the above technologies with the purpose of developing new methods and techniques that will help the growth of the AEHS. This thesis proposed and developed new techniques to identify the learning style of a student, to detect the emotional state, to extract learning materials from the web to create new learning objects and to promote collaborative learning in the asynchronous environment of an AEHS. More specifically this thesis: 1.Proposed and developed an application that estimates the learning style of a stu-dent using a classification method based on a three layers Fuzzy Cognitive Map. The aim of this application is to equip an AEHS with an expert system that recognizes the learning style, and to allow the instructor to coordinate the operation of the recognition system according to the group of users who use it.2. Proposed and implemented a method for the emotional state detection of a stu-dent based on mouse movements monitoring. 3. Proposed and developed a method that finds and extracts learning material from the Internet. The method is based on a focused web crawler and text classification techniques. 4. Finally proposed and introduced the “virtual co-learner”, a computerized cooper-ator who tries to evolve collaborative learning techniques in the asynchronous environment of an AEHS. The structure of this thesis consists of two parts. The first part (Chapters 1-3) pro-vides the necessary theoretical background of the technologies which are used in the research part of this thesis. In the second part (Chapters 4-7) the research proposals mentioned above in points 1 to 4 are described.

Η καθημερινή χρήση των ηλεκτρονικών υπολογιστών ταυτόχρονα με τη ραγδαία ανάπτυξη του διαδικτύου έχουν φέρει στην επιφάνεια, εδώ και αρκετά χρόνια, το θέμα της ηλεκτρονικής, εξ’ αποστάσεως μάθησης. Την, όχι και τόσο καινούρια, επιστήμη της Εκπαιδευτικής Τεχνολογίας, έρχονται να ενισχύσουν νέες και γοργά αναπτυσσόμενες επιστήμες και τεχνολογίες όπως η «εξόρυξη γνώσης από δεδομένα» ή πιο απλά «εξόρυ-ξη δεδομένων» (data mining), η τεχνητή νοημοσύνη - όχι τόσο νέα αλλά συνεχώς αναπτυσσόμενη -, τα πολυπρακτορικά συστήματα (multi-agent systems) και οι τεχνολο-γίες που πηγάζουν μέσα από το διαδίκτυο όπως το web 2.0, web 3.0, τo σημασιολογικό διαδίκτυο (semantic web) κ.ά. Τα Προσαρμοστικά Συστήματα Διαχείρισης της Μάθη-σης (Adaptive Educational Hypermedia Systems – AEHS) προσπαθούν να εκμεταλλευτούν αυτές τις τεχνολογίες, με σκοπό την αντιμετώπιση των προβλημάτων που αφορούν την ασύγχρονη – εξ’ αποστάσεως διδασκαλία και μάθηση και την εξατο-μικευμένη παροχή εκπαιδευτικών υπηρεσιών υψηλού επιπέδου. Τέτοια προβλήματα (μεταξύ άλλων) είναι: • η δυνατότητα αναγνώρισης του μαθήτυπου – μαθησιακού στυλ του μαθητή. • η δυνατότητα ανίχνευσης της συναισθηματικής κατάστασης του μαθητή κατά τη διάρκεια του μαθήματος. • η ανάσυρση μαθησιακών αντικειμένων από ψηφιακά αποθετήρια ή η δημιουρ-γία νέων και ο εμπλουτισμός τέτοιων αποθετηρίων με βάση συγκεκριμένα πρότυπα. • η υποστήριξη και βοήθεια του μαθητή από το σύστημα κατά τη διάρκεια του μα-θήματος, με σκοπό την αποτελεσματικότερη κατανόηση και επίτευξη των μαθησιακών στόχων. H παρούσα διδακτορική διατριβή κινείται στην επιτομή των παραπάνω επιστημών – τεχνολογιών με σκοπό το σχεδιασμό και την ανάπτυξη νέων μεθόδων και τεχνικών που θα συμβάλουν στην ανάπτυξη των AEHS και στην λύση των προβλημάτων που αναφέ-ραμε παραπάνω. Στη διατριβή αυτή προτάθηκαν και αναπτύχθηκαν τεχνικές για την αναγνώριση του μαθήτυπου ενός μαθητή, για την ανίχνευση της συναισθηματικής του κατάστασης, την ανάσυρση μαθησιακού υλικού με σκοπό τη δημιουργία μαθησιακών αντικειμένων και την προώθηση της συνεργατικής μάθησης σε ένα ασύγχρονο περιβάλ-λον διαχείρισης της μάθησης. Πιο συγκεκριμένα: 1. Προτάθηκε και αναπτύχθηκε σε επίπεδο εφαρμογής ένας αλγόριθμος ανα-γνώρισης του μαθήτυπου ενός μαθητή με τη χρήση μιας μεθόδου κατηγοριοποίησης βασισμένης σε έναν Ασαφή Γνωσιακό Χάρτη τριών επι-πέδων. Σκοπός είναι να εφοδιαστεί ένα AEHS με ένα έμπειρο σύστημα που αφενός μεν αναγνωρίζει τον μαθήτυπο του χρήση, αφετέρου δε επιτρέπει στον εκπαιδευτή να συντονίσει τη λειτουργία του συστήματος αναγνώρισης ανάλογα με την ομάδα χρηστών που θα τι χρησιμοποιήσει. 2. Προτάθηκε και εφαρμόστηκε μια μέθοδος ανίχνευσης της συναισθηματικής κατάστασης του μαθητή βασισμένη στην παρακολούθηση των κινήσεων του ποντικιού. Προτάθηκαν συγκεκριμένες μετρικές οι οποίες σχετίζονται με την κίνηση του ποντικιού, βάση των οποίων μπορεί να εξαχθεί σαν συμπέ-ρασμα η συναισθηματική κατάσταση του μαθητή και συγκεκριμένα η κατάσταση της ανίας. 3. Προτάθηκε και αναπτύχθηκε μια μέθοδος ανάσυρσης μαθησιακού υλικού από το διαδίκτυο, με σκοπό τη δημιουργία νέων μαθησιακών αντικειμένων. Η μέθοδος βασίζεται στην τεχνική των εστιασμένων crawler και σε τεχνικές κατηγοριοποίησης κειμένων. 4. Τέλος προτάθηκε και δημιουργήθηκαν οι βάσεις για την υλοποίηση του «Εικονικού Συμμαθητή» (virtual co-learner) ο οποίος, σύμφωνα με τις τε-χνικές της Συνεργατικής Μάθησης, βοηθά τον μαθητή στην επίτευξη των μαθησιακών του στόχων. Η διατριβή αποτελείται από δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος (κεφάλαια 1-3) παρουσιά-ζεται το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο των τεχνολογιών που χρησιμοποιήθηκαν στο ερευνητικό κομμάτι της διατριβής. Στο δεύτερο μέρος (κεφάλαια 4-7) παρουσιάζονται αναλυτικά οι ερευνητικές προτάσεις που αναφέραμε στα σημεία 1 έως 4 παραπάνω, καθώς και τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη μελέτη και την εφαρμογή τους.