Σημασιολογική βάση εννοιών πληροφορικής: ένα γνωστικό εργαλείο μάθησης και αξιολόγησης

Abstract

In the frame of the present doctoral dissertation the computer based cognitive tool named Semandix for learning Computer Science concepts and assessing the comprehension of the concepts of the same subject has been developed. For this development the alternative conceptions that Computer Science texts readers present during knowledge construction according a text comprehension model were studied. The cognitive tool constitutes a semantic database of Computer Science concepts, which combines and extends existing cognitive tools such as databases and concept mapping tools, as well as semantic computational dictionaries and natural language processing tools for the diagnosis of Computer Science concepts comprehension and the feedback to the user with information regarding the cognitive categories appearing in Computer Science texts, so that the user is supported on scientific knowledge construction. The methodology is divided into two axes. The first one lines out of some cognitive tools that support concept learning, the study of text comprehension models and three empirical studies of knowledge construction during Computer Science texts reading. The second axis lies upon the exploitation of the research findings on developing the semantic concept database designed according to a text comprehension model, as a supportive cognitive tool for learning from Computer Science texts and understanding Computer Science concepts. More specifically, at a first level and in order to develop the cognitive tool the study of the literature on cognitive tools, text comprehension models and knowledge construction in the discipline of Computer Science was needed. Additionally, three empirical studies based on a text comprehension model were conducted in order to investigate the readers’ knowledge construction and draw conclusions about (a) the alternative (non scientific) conceptions and misconceptions they have according to their prior knowledge (b) how Computer Science texts readers build the three structures, according the text comprehension model, and how the cognitive categories of these structures are correlated and (c) how a cognitive tool (concept mapping) could support the comprehension of the concepts appearing in Computer Science texts and of the relations between them. At a second level, the development of the cognitive tool Semandix took place, as well as the way it could be used as a learning and assessment tool in the Computer Science Didactics has been investigated through a case study. This tool supports (a) the representation of certain cognitive categories appearing in texts, such as situations, events, and goals, and the distinction between physical and abstract entities, (b) the automated assessment of short answers to open-ended questions, (c) the automated assessment of concept maps (d) the search of terms and relations between them in natural language, (e) the transformation of the relations appearing in semantic dictionaries into natural language comprehensible by a user, (f) the enrichment of the knowledge database tool with semantic content, which represent the expert’s knowledge, (g) the support of learners cooperation and peer assessment and feedback, and, finally (h) the ability to manage user groups. Finally, the future prospects and improvements, in order for the present tool to be enhanced, through its connection with other technologies, such as natural language processing tools, a knowledge representation using logical programming and the utilization of latent semantic analysis applications, have been discussed.

Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε το γνωστικό εργαλείο σε υπολογιστή ονόματι Semandix, το οποίο σχεδιάστηκε για τη μάθηση εννοιών Πληροφορικής και την αξιολόγηση της κατανόησης εννοιών του γνωστικού αυτού αντικειμένου. Για την ανάπτυξη του εργαλείου αυτού μελετήθηκαν οι εναλλακτικές αντιλήψεις που αναγνώστες κειμένων Πληροφορικής εμφανίζουν κατά την οικοδόμηση γνώσης σύμφωνα με μοντέλο κατανόησης κειμένου. Το γνωστικό εργαλείο που αναπτύχθηκε αποτελεί μια σημασιολογική βάση εννοιών Πληροφορικής, η οποία συνδυάζει και επεκτείνει υπάρχοντα γνωστικά εργαλεία, όπως βάσεις δεδομένων και εννοιολογική χαρτογράφηση, καθώς και σημασιολογικά υπολογιστικά λεξικά και εργαλεία επεξεργασίας φυσικής γλώσσας με σκοπό τη διάγνωση της κατανόησης εννοιών Πληροφορικής και την ανατροφοδότηση του χρήστη με πληροφορία σχετική με τις γνωστικές κατηγορίες που εμφανίζονται σε κείμενα Πληροφορικής, ώστε ο χρήστης να υποστηριχθεί στην οικοδόμηση της επιστημονικής γνώσης. Η διαδικασία εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής αναλύεται σε δύο άξονες. Στον πρώτο άξονα μελετώνται γνωστικά εργαλεία που υποβοηθούν τη μάθηση εννοιών, μελετώνται μοντέλα κατανόησης κειμένου κατά την ανάγνωση και πραγματοποιούνται τρεις εμπειρικές μελέτες της οικοδόμησης γνώσης κατά την ανάγνωση κειμένων Πληροφορικής, σύμφωνα με μοντέλα κατανόησης κειμένου κατά την ανάγνωση. Στο δεύτερο άξονα αξιοποιούνται τα ευρήματα των εμπειρικών αυτών μελετών στην ανάπτυξη της σημασιολογικής βάσης εννοιών Πληροφορικής, η οποία αποτελεί υποστηρικτικό γνωστικό εργαλείο για τη μάθηση από κείμενα Πληροφορικής και την αξιολόγηση της κατανόησης εννοιών Πληροφορικής και σχεδιάστηκε αξιοποιώντας μοντέλα κατανόησης κειμένου. Πιο αναλυτικά, σε πρώτο επίπεδο και με σκοπό την ανάπτυξη του γνωστικού εργαλείου, απαραίτητη ήταν η μελέτη της βιβλιογραφίας σχετικά με τα γνωστικά εργαλεία, τα μοντέλα κατανόησης κειμένου και την οικοδόμηση γνώσης στο γνωστικό αντικείμενο της Πληροφορικής. Η διερεύνηση της οικοδόμησης γνώσης αναγνωστών κειμένων Πληροφορικής πραγματοποιήθηκε με τη διεξαγωγή τριών εμπειρικών μελετών ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με (α) τις εναλλακτικές (μη επιστημονικές) αντιλήψεις και τις παρανοήσεις που εμφανίζουν στην οικοδόμηση γνώσης σε σχέση με την προϋπάρχουσα γνώση τους, (β) τον τρόπο που οικοδομούν τις τρεις δομές, σύμφωνα με μοντέλο κατανόησης κειμένου, και τη σχέση που οι γνωστικές κατηγορίες κάθε δομής έχουν μεταξύ τους, και (γ) τον τρόπο που ένα γνωστικό εργαλείο (εννοιολογική χαρτογράφηση) θα μπορούσε να λειτουργήσει υποστηρικτικά στην κατανόηση των εννοιών που εμφανίζονται στα κείμενα Πληροφορικής και των σχέσεων μεταξύ τους. Σε δεύτερο επίπεδο, αναπτύχθηκε το γνωστικό εργαλείο Semandix και μελετήθηκε ο τρόπος με τον οποίο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ένα εργαλείο μάθησης και αξιολόγησης στη Διδακτική της Πληροφορικής μέσω ενός σεναρίου διδασκαλίας. Το εργαλείο αυτό υποστηρίζει (α) την αναπαράσταση συγκεκριμένων γνωστικών κατηγοριών που εμφανίζονται σε κείμενα, όπως είναι οι μονάδες/υπομονάδες ενός υπολογιστικού συστήματος, οι καταστάσεις, τα γεγονότα, και οι σκοποί, καθώς και τη διάκριση μεταξύ φυσικών και αφηρημένων οντοτήτων, (β) την αυτόματη αξιολόγηση σύντομων απαντήσεων σε ερωτήσεις ανοιχτού τύπου, (γ) την αυτόματη αξιολόγηση εννοιολογικών χαρτών, (δ) την αναζήτηση όρων και σχέσεων μεταξύ τους σε φυσική γλώσσα, (ε) την μετατροπή σχέσεων που εμφανίζονται σε σημασιολογικά λεξικά σε φυσική γλώσσα ώστε να είναι κατανοητές από το χρήστη, (στ) τον εμπλουτισμό της βάσης δεδομένων του γνωστικού εργαλείου με σημασιολογικό περιεχόμενο που αναπαριστά τη γνώση του ειδικού, (ζ) την υποστήριξη συνεργασίας εκπαιδευόμενων και την αξιολόγηση ομότιμων μελών μιας ομάδας και (η) τη δυνατότητα διαχείρισης ομάδων χρηστών. Τέλος εξετάστηκαν προοπτικές και βελτιώσεις που το εργαλείο αυτό επιδέχεται, ώστε να βελτιωθεί, μέσα από την σύνδεσή του με άλλες τεχνολογίες, όπως εργαλεία επεξεργασίας φυσικής γλώσσας, αναπαράσταση γνώσης με λογικό προγραμματισμό και χρήση εφαρμογών λανθάνουσας σημασιολογικής ανάλυσης.