Integrated environments for designing, delivering and monitoring learning: extending problem - based learning with learning analytics and learning semantics

Abstract

This PhD thesis contributes to the existing research on Problem Based Learning (PBL), Learning Analytics (LA) and Learning Semantics (LS). More specifically, the research carried out aims to provide educators, instructional designers and students a methodology and tools to apply PBL combined with analytics, semantics and linked data features. The results aim to underpin a) supporting educators during the challenges they face when applying PBL so that learners can develop transversal skills, b) the exploitation of educational data towards the improvement of learning and c) the exploitation of educational resources and open linked data towards the enrichment of learning, knowledge and personalized activities. Towards these goals, the thesis researched the PBL strategy and the model proposed by Aalborg University of Denmark and the LA domain, where we document the basic components that should be taken into consideration when applying LA in learning (e.g. LA methods, tools, generated data etc.). Finally, the domain of LS was studied, with focus on the semantic annotation of educational resources and learning objects, where existing ontologies, vocabularies and technologies were investigated and documented. The methodology followed also included a series of focus groups and brainstorming sessions with experts on the three aforementioned domains towards the identification and design of the two main results. The first result introduces a new pedagogical framework, named PBL_LA, which enriches the PBL model with LA features. The framework aims to support the design, delivery and assessment of learning by guiding educators on the features they should utilize in their courses. The second result is a semantic annotation model that includes concepts that should be used to describe learning objects and resources for PBL_LA-based courses, so that they can be understood by individuals and machines and contribute to flexible and enriched learning. Three application use cases were devised that explore ways in which the two results can be exploited to boost education based on the needs identified. The positive feedback from experts, educators and learners during the application of all results in real world educational and training settings, showed that the usage of such supporting models and tools that enable engagement of learners, adaptation of learning and enrichment of existing knowledge is an important factor for the improvement of education.

Η διδακτορική διατριβή συμβάλλει στην υπάρχουσα έρευνα της προβληματοκεντρικής μάθησης (Problem Based Learning - PBL), της ανάλυσης της μάθησης (Learning Analytics - LA) και της σημασιολογίας της μάθησης (Learning Semantics - LS). Πιο συγκεκριμένα, αποσκοπεί να προσφέρει στους σχεδιαστές μαθημάτων, τους εκπαιδευτικούς και τους μαθητές μία μεθοδολογία καθώς και τεκμηριωμένα εργαλεία για την εφαρμογή της προβληματοκεντρικής μάθησης με ενσωματωμένες λειτουργικότητες ανάλυσης και σήμανσης της μάθησης, αξιοποιώντας και τις δυνατότητες των ανοικτών συνδεδεμένων δεδομένων. Τα αποτελέσματα αποσκοπούν να υποβοηθήσουν στην α) υποστήριξη των εκπαιδευτικών κατά τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν όταν εφαρμόζουν την προβληματοκεντρική μάθηση για την αναγκαία απόκτηση εγκάρσιων δεξιοτήτων, β) αξιοποίηση εκπαιδευτικών δεδομένων και πόρων για την ενίσχυση της μάθησης και γ) αξιοποίηση των εκπαιδευτικών πόρων και των ανοικτών συνδεδεμένων δεδομένων για την ενίσχυση της εξατομικευμένης εκπαιδευτικής διαδικασίας. Για την επίτευξη αυτών των στόχων, μελετήθηκε ο χώρος της προβληματοκεντρικής μάθησης και αναλύθηκε το μοντέλο του Πανεπιστημίου του Aalborg που χρησιμοποιείται επιτυχημένα εδώ και χρόνια. Ακόμη, μελετήθηκε ο χώρος της ανάλυσης της μάθησης και συγκεντρώθηκαν τα βασικά συστατικά του τομέα που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη χρήση στη μάθηση (π.χ. μέθοδοι ανάλυσης, εργαλεία, παραγόμενα δεδομένα κλπ). Τέλος, μελετήθηκε ο χώρος της σημασιολογίας της μάθησης, επικεντρώνοντας στη σήμανση εκπαιδευτικών εννοιών και πόρων, όπου συγκεντρώθηκαν υπάρχουσες οντολογίες και λεξιλόγια για τη σήμανση συστατικών της μάθησης καθώς και υπάρχουσες τεχνολογίες που υποστηρίζουν τη σημασιολογική σήμανση περιεχομένου. Στη συνέχεια, οργανώθηκαν ομάδες εστίασης και συζητήσεις με ειδικούς στους τρεις παραπάνω τομείς και σχεδιάστηκαν τα δύο κύρια αποτελέσματα, το PBL_LA πλαίσιο εργασίας και το σημασιολογικό μοντέλο σήμανσης. H διατριβή παρουσιάζει μία νέα διδακτική προσέγγιση για τη χρήση της προβληματοκεντρικής μάθησης, η οποία εμπλουτίζεται με λειτουργικότητες ανάλυσης δεδομένων. Για την υποστήριξη της παραπάνω διδακτικής προσέγγισης σχεδιάστηκε το PBL_LA πλαίσιο εργασίας, το οποίο αποσκοπεί στην επέκταση της προβληματοκεντρικής μάθησης με δυνατότητες ανάλυσης δεδομένων, ώστε να υποβοηθήσει τη σχεδίαση, εκτέλεση και αξιολόγηση της μάθησης με την επισήμανση περιοχών που χρήζουν βελτίωσης. Επιπλέον, σχεδιάστηκε ένα σημασιολογικό μοντέλο σήμανσης που περιλαμβάνει έννοιες οι οποίες περιγράφουν τα βασικά συστατικά ενός μαθήματος σχεδιασμένου με βάση το PBL_LA πλαίσιο, προκειμένου να εξασφαλιστεί η μέγιστη κατανόηση των πόρων από άτομα και μηχανές και να ενισχυθεί η προσωποποιημένη μάθηση. Τα δύο αυτά αποτελέσματα οδήγησαν στην κατασκευή τριών παραδειγματικών σεναρίων χρήσης και την ανάπτυξη αντίστοιχων τεχνολογικών λύσεων τα οποία εξερευνούν τρόπους χρηστικότητας και χρησιμότητας του πλαισίου και του μοντέλου που θα ενισχύσουν την εκπαίδευση. Η θετική ανταπόκριση στα παραπάνω αποτελέσματα από ειδικούς των μελετημένων πεδίων, εκπαιδευτικούς και φοιτητές έδειξε ότι η ύπαρξη βοηθητικών μοντέλων και εργαλείων για την υποστήριξη της προβληματοκεντρικής μάθησης είναι σημαντικός παράγοντας για την επιτυχημένη επίτευξη της.