Intelligent pedagogical agents for virtual learning environments

Abstract

The utilization of pedagogical agents (PAs) constitutes an innovative learning technique for supporting educational procedures by assisting students and teachers in technologically enhanced environments, such as virtual learning environments (VLEs). Pedagogical agents, also referred as intelligent pedagogical agents (IPAs), inherit many attributes from the artificial intelligence (AI) field. Intelligent pedagogical agents, in individual as well as in collaborative online learning settings, can realize several roles (i.e. from teacher to learning companion or even trouble maker). According to their role, PAs are used to motivate, engage, provide awareness or help, enhance interactions or facilitate students’ collaboration. This work explores a new approach of intelligent pedagogical agents employing and combining the contemporary educational methods, namely game-based learning (GBL), computer-supported collaborative learning (CSCL) and immersive learning. The main aim of this thesis was to introduce an architecture and an interaction protocol for the design and development of intelligent pedagogical agents acting in virtual learning environments. Furthermore, this architecture constitutes a synthesis of a pedagogical and a technological model and can be customized to meet the needs of different educational techniques. Pedagogical agents designed based on the proposed architecture are able to support students during online educational activities by serving different pedagogical agents’ roles and interaction types from verbally to non-verbally, or both. The architecture was validated in real education settings by implementing different types of pedagogical agents and conducting studies in tertiary education. This thesis also introduces a novel concept of an agent-supported collaborative serious game environment, which realizes a pedagogical multi-agent system (MAS). The suggested AI features for serious games are the following: a) a pedagogical game agent, b) non-playing characters (NPCs), c) chat bots and d) intelligent game interfaces. Furthermore, to facilitate the motivational design process of an AI-enhanced collaborative serious game, a pedagogical model is also introduced. The studies conducted towards an agent-supported virtual learning environment revealed pedagogical agents’ ability to effectively support educational activities in VLEs in terms of enhancing interactions, fostering collaboration and improve the cohesiveness in the classroom. Moreover, three-dimensional VLEs can benefit from the existence of more than one pedagogical agent, each of which will be assigned with a different type of educational role and representation.

Η αξιοποίηση των Παιδαγωγικών Πρακτόρων (ΠΠ) αποτελεί μια καινοτόμα εκπαιδευτική τεχνική για την υποστήριξη εκπαιδευτικών διαδικασιών παρέχοντας βοήθεια σε εκπαιδευόμενους και εκπαιδευτικούς, σε προηγμένα τεχνολογικά περιβάλλοντα, όπως είναι τα εικονικά περιβάλλοντα μάθησης (ΕΠΜ). Οι παιδαγωγικοί πράκτορες, αναφερόμενοι επίσης και ως ευφυείς παιδαγωγικοί πράκτορες (ΕΠΠ), κληρονομούν πολλά από τα χαρακτηριστικά τους από την τεχνητή νοημοσύνη (ΤΝ). Οι ευφυείς παιδαγωγικοί πράκτορες, τόσο σε ατομικό όσο και σε συνεργατικό εκπαιδευτικό πλαίσιο μπορούν να υπηρετήσουν πολλούς ρόλους, από αυτόν του δασκάλου έως και αυτόν του συμμαθητή ή ακόμη και του μαθητή που δημιουργεί πρόβλημα. Ανάλογα με το ρόλο τους οι ΠΠ χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση κινήτρων μάθησης, την εμπλοκή, την παροχή ενημέρωσης ή βοήθειας, την ενίσχυση των αλληλεπιδράσεων ή τη διευκόλυνση της συνεργασίας των εκπαιδευομένων. Η διατριβή διερευνά μια νέα προσέγγιση των ευφυών παιδαγωγικών παραγόντων που χρησιμοποιεί και συνδυάζει σύγχρονες εκπαιδευτικές μεθόδους, και πιο συγκεκριμένα την παιχνιδοκεντρική, τη συνεργατική μάθηση που υποστηρίζεται από υπολογιστή (ΣΜΥΥ) και την μάθηση σε περιβάλλοντα εμβύθισης. Κύριος στόχος της παρούσας διατριβής ήταν να εισαγάγει μια αρχιτεκτονική και ένα πρωτόκολλο αλληλεπίδρασης για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη έξυπνων παιδαγωγικών πρακτόρων που δρουν σε εικονικά περιβάλλοντα μάθησης. Η αρχιτεκτονική αυτή αποτελεί σύνθεση ενός παιδαγωγικού και τεχνολογικού μοντέλου και μπορεί να προσαρμοστεί για να καλύψει τις ανάγκες διαφορετικών εκπαιδευτικών τεχνικών. Οι παιδαγωγικοί πράκτορες που έχουν σχεδιαστεί με βάση την προτεινόμενη αρχιτεκτονική είναι σε θέση να υποστηρίξουν τους εκπαιδευόμενους κατά τη διάρκεια διαδικτυακών εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων, εξυπηρετώντας διαφορετικούς ρόλους παιδαγωγικών πρακτόρων και διαφορετικούς τύπους αλληλεπιδράσεων από λεκτικούς έως σε μη-λεκτικούς ή και τα δύο. Η αρχιτεκτονική επικυρώθηκε σε πραγματικά εκπαιδευτικά περιβάλλοντα, εφαρμόζοντας διαφορετικούς τύπους παιδαγωγικών πρακτόρων διεξάγοντας ερευνητικές δραστηριότητες στην τριτοβάθμια εκπαίδευση. Η παρούσα διατριβή εισάγει επίσης μια νέα έννοια ενός συνεργατικού περιβάλλοντος εκπαιδευτικού παιχνιδιού που υποστηρίζεται από ΠΠ, το οποίο υλοποιεί ένα πολυπρακτορικό εικονικό περιβάλλον μάθησης. Τα ευφυή χαρακτηριστικά που προτείνονται για διαδικτυακά εκπαιδευτικά παιχνίδια είναι τα εξής: α) ένας παιδαγωγικός πράκτορας για το ίδιο το παιχνίδι, β) βοηθητικοί χαρακτήρες που δεν παίζουν, γ) διαλογικοί πράκτορες και δ) έξυπνες διεπαφές ενσωματωμένες στο παιχνίδι. Επιπλέον, εισάγεται ένα παιδαγωγικό μοντέλο, το οποίο διευκολύνει τη διαδικασία σχεδίασης παροχής κινήτρων για ένα συνεργατικό εκπαιδευτικό παιχνίδι, ενισχυμένου με παιδαγωγικούς πράκτορες. Οι μελέτες που διεξήχθησαν για τη δημιουργία ενός εικονικού περιβάλλοντος μάθησης υποστηριζόμενο από παιδαγωγικούς πράκτορες αποκάλυψαν την ικανότητα των παιδαγωγικών πρακτόρων να υποστηρίξουν αποτελεσματικά εκπαιδευτικές δραστηριότητες σε ΕΠΜ, όσον αφορά την ενίσχυση των αλληλεπιδράσεων, την υποστήριξη της συνεργασίας και τη βελτίωση της συνεκτικότητας στην τάξη. Επιπλέον, τα τρισδιάστατα εικονικά περιβάλλοντα μάθησης μπορούν να επωφεληθούν από την αξιοποίηση περισσότερων του ενός τύπου παιδαγωγικών πρακτόρων, καθένας από τους οποίους μπορεί να έχει διαφορετική αναπαράσταση και διαφορετικό εκπαιδευτικό ρόλο.