Μοντελοποίηση τεχνολογικά υποστηριζόμενου συστήματος για τη ανάπτυξη προσαρμοστικών εκπαιδευτικών διαδικασιών

Abstract

The thesis objective is tο model a technologically supported adaptive education system that has the ability to: a) provide education to student that is adapted to his particular knowledge needs and learning preferences, b) be applied in traditional forms of education and, c) support the teacher. The education object is modelled by a hierarchical structure of knowledge elements for which the aggregation and prerequisite relations are defined. The educational aims are determined on the basis of Bloom’s taxonomy of cognitive levels and the attribution of corresponding weights. The student knowledge model is an overlay model. The student knowledge for each knowledge element is represented by a discrete probability distribution. The probability distributions are updated on the basis of student replies to questions, with the application of Item Response Theory models and Bayes’ rule. The educational material in digital or non-digital form is organised in educational objects which are determined by suitable metadata values. The adaptability of a sequence of objects is determined by the repetitive formulation of a Markov Decision Process and its solution. In order to test the proposed modelling experimentally, the structural units of an experimental system were formed, the functionality of algorithms which were developed for its adaptive operation was checked, and an experimental application in real education conditions was made. It results that the following is achieved: a) an analytical evaluation of student knowledge with the satisfactory management of evaluation randomization, b) the identification of student weaknesses and, c) a combined use with traditional education and evaluation forms.

Στόχος της διατριβής είναι η μοντελοποίηση ενός συστήματος τεχνολογικά υποστηριζόμενης προσαρμοστικής εκπαίδευσης που έχει τη δυνατότητα: α) να παρέχει στο μαθητή εκπαίδευση προσαρμοσμένη στις ιδιαίτερες γνωσιακές ανάγκες και τις μαθησιακές του προτιμήσεις, β) να εφαρμοστεί σε παραδοσιακές μορφές εκπαίδευσης και γ) να υποστηρίζει τον εκπαιδευτικό. Το αντικείμενο εκπαίδευσης μοντελοποιείται από μια ιεραρχική δόμηση των στοιχείων γνώσης για τα οποία ορίζονται οι σχέσεις συσσωμάτωσης και προαπαιτούμενων. Οι εκπαιδευτικοί σκοποί προσδιορίζονται με βάση την ταξινομία γνωστικών επιπέδων του Bloom και την απόδοση αντίστοιχων βαρών. Το μοντέλο γνώσης του μαθητή είναι ένα μοντέλο επικάλυψης. Η γνώση του μαθητή για κάθε στοιχείο γνώσης, αναπαρίσταται από μια διακριτή κατανομή πιθανότητας. Οι κατανομές πιθανότητας ενημερώνονται από τις απαντήσεις του μαθητή σε ερωτήσεις, με εφαρμογή μοντέλων της Item Response Theory και του κανόνα Bayes. Το εκπαιδευτικό υλικό σε ψηφιακή ή μη ψηφιακή μορφή, οργανώνεται σε εκπαιδευτικά αντικείμενα τα οποία προσδιορίζονται από κατάλληλες τιμές μεταδεδομένων. Η προσαρμοστικότητα μιας ακολουθίας αντικειμένων, προσδιορίζεται από την επαναληπτική διαμόρφωση μιας μαρκοβιανής διαδικασίας απόφασης και την επίλυση της. Για τον πειραματικό έλεγχο της προτεινόμενης μοντελοποίησης υλοποιήθηκαν οι δομικές μονάδες ενός πειραματικού συστήματος, ελέγχθηκε η λειτουργικότητα των αλγορίθμων που αναπτύχθηκαν για την προσαρμοστική λειτουργία του και έγινε πειραματική εφαρμογή σε πραγματικές συνθήκες εκπαίδευσης. Ως συμπέρασμα προέκυψε ότι επιτρέπεται: α) η αναλυτική αξιολόγηση της γνώσης των μαθητών με ικανοποιητική διαχείριση της αβεβαιότητας της αξιολόγησης, β) ο εντοπισμός της ετοιμότητας και των αδυναμιών του μαθητή και γ) η χρήση σε συνδυασμό με παραδοσιακές μορφές εκπαίδευσης και αξιολόγησης.