Modeling the learner's cognitive state transitions using fuzzy logic techniques for adaptive learning

Abstract

Στη παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται μια καινοτόμος προσέγγιση της εξ’ αποστάσεως εκπαίδευσης, που επιτελεί εξατομικευμένη διδασκαλία, προσαρμόζοντας την παράδοση του γνωστικού αντικειμένου στις ανάγκες και τον ρυθμό μάθησης του κάθε εκπαιδευόμενου. Η προσέγγιση αυτή περιλαμβάνει τεχνικές ασαφούς λογικής για την αναπαράσταση του γνωστικού επιπέδου και της γνωστικής κατάστασης του εκπαιδευόμενου. Το παρουσιαζόμενο Ευφυές Διδακτικό Σύστημα περιλαμβάνει έναν μηχανισμό βασισμένο σε κανόνες ασαφούς λογικής για την παροχή εξατομικευμένης διδασκαλίας σε κάθε εκπαιδευόμενο, και μια καινοτόμο λειτουργική μονάδα, η οποία είναι υπεύθυνη για την παρακολούθηση των μεταβάσεων μεταξύ των γνωστικών καταστάσεων ενός εκπαιδευόμενου όσον αφορά στην πρόοδο ή μη του μαθητή. Η παρουσιαζόμενη προσέγγιση μοντελοποιεί τόσο την εξέλιξη της μάθησης όσο και την μείωση της γνώσης του εκπαιδευόμενου. Συγκεκριμένα, μοντελοποιεί τον εκπαιδευόμενο αναγνωρίζοντας και ενημερώνοντας δυναμικά το επίπεδο γνώσης του εκπαιδευόμενου για όλες τις επιμέρους έννοιες του γνωστικού αντικειμένου. Η λειτουργία της παρουσιαζόμενης προσέγγισης είναι βασισμένη στους Ασαφείς Γνωστικούς Χάρτες (Fuzzy Cognitive Maps – FCMs), οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την αναπαράσταση των εξαρτήσεων μεταξύ των εννοιών του γνωστικού αντικειμένου. Το παρουσιαζόμενο μοντέλο μαθητή χρησιμοποιεί ασαφή σύνολα για την αναπαράσταση της γνώσης του εκπαιδευόμενου ως υποσύνολο του γνωστικού αντικειμένου. Επομένως, συνδυάζει την θεωρία της ασαφής λογικής (fuzzy logic) με το μοντέλο επικάλυψης (overlay model). Επίσης, διαθέτει ένα καινοτόμο μηχανισμό εξαγωγής συμπερασμάτων που ενημερώνει δυναμικά τα στερεότυπα των χρηστών χρησιμοποιώντας ασαφή σύνολα. Ο μηχανισμός αυτός ενεργοποιείται μετά από οποιαδήποτε μεταβολή του γνωστικού επιπέδου του εκπαιδευόμενου σε μια έννοια του γνωστικού αντικειμένου. Έπειτα, ενημερώνει το γνωστικό επίπεδο του εκπαιδευόμενου σε όλες τις επιμέρους έννοιες του γνωστικού αντικειμένου που σχετίζονται με την έννοια που ο εκπαιδευόμενος έμαθε ή ξέχασε. Η μετάβαση του εκπαιδευόμενου από το ένα στερεότυπο σε άλλο αποκαλύπτει την γνωστική του κατάσταση κάθε φορά. Συγκεκριμένα, αποκαλύπτει εάν ο εκπαιδευόμενος μαθαίνει ή όχι, εάν ξεχνάει και αιτιολογεί τις καταστάσεις αυτές. Η παρουσιαζόμενη καινοτόμος προσέγγιση υλοποιήθηκε, εφαρμόστηκε και αξιολογήθηκε πλήρως. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ένα πρωτότυπο ολοκληρωμένο περιβάλλον, με το όνομα ELaC, για την εξατομικευμένη εξ’ αποστάσεως εκπαίδευση στον προγραμματισμό υπολογιστών και στην γλώσσα προγραμματισμού ‘C’. Επιλέχθηκε το συγκεκριμένο γνωστικό αντικείμενο λόγω του γεγονότος ότι στο πεδίο του προγραμματισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών υπάρχουν πολλές διαφορετικές γλώσσες προγραμματισμού και οι εκπαιδευόμενοι έχουν ποικίλα διαφορετικά υπόβαθρα και χαρακτηριστικά. Ως εκ τούτου, το συγκεκριμένο γνωστικό αντικείμενο είναι κατάλληλο για την εφαρμογή και την αξιολόγηση του θέματος που διαπραγματεύεται η συγκεκριμένη διατριβή. Το ELaC ενσωματώνει την παρουσιαζόμενη προσέγγιση της ασαφής μοντελοποίησης του εκπαιδευομένου. Με αυτόν τον τρόπο, αναγνωρίζει πότε μια νέα έννοια του γνωστικού αντικειμένου είναι εντελώς άγνωστη στον εκπαιδευόμενο, ή πότε είναι εν μέρει γνωστή λόγω του γεγονότος ότι ο εκπαιδευόμενος έχει προηγούμενη σχετική γνώση. Επιπλέον, αναγνωρίζει πότε ο εκπαιδευόμενος ξεχνάει πλήρως ή εν μέρει μία έννοια που ήταν προηγουμένως γνωστή. To σύστημα ELaC χρησιμοποιήθηκε από τους φοιτητές ενός μεταπτυχιακού προγράμματος Πληροφορικής του Πανεπιστημίου Πειραιά, προκειμένου να μάθουν πως να προγραμματίζουν στη γλώσσα προγραμματισμού ‘C’. Για την αξιολόγηση την προσέγγιση της ασαφής μοντελοποίησης του εκπαιδευομένου, επιλέχθηκαν δύο γνωστές και ευρέως χρησιμοποιημένες μέθοδοι αξιολόγησης: το μοντέλο του Kirkpatrick και η πολυεπίπεδη μέθοδος αξιολόγησης (layered evaluation model). Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης ήταν πολύ ενθαρρυντικά. Απέδειξαν ότι το σύστημα μοντελοποιεί τη γνωστική κατάσταση του μαθητή και προσαρμόζεται δυναμικά στις ατομικές ανάγκες του εκπαιδευόμενου προγραμματίζοντας τη σειρά των μαθημάτων στη στιγμή, επιτρέποντάς του να ολοκληρώσει την πορεία της ηλεκτρονικής κατάρτισης στο δικό του ρυθμό και σύμφωνα με τις δικές του ικανότητες. Πρέπει να σημειωθεί ότι παρουσιαζόμενος καινοτόμος συνδυασμός του μοντέλου επικάλυψης (overlay model) και των στερεοτύπων με τα ασαφή σύνολα είναι σημαντικός, καθώς το επίπεδο γνώσης των εκπαιδευόμενων αναπαρίσταται με ένα πιο ρεαλιστικό τρόπο, μοντελοποιώντας αυτόματα την διαδικασία της μάθησης ή της λήθης ενός εκπαιδευόμενου σε σχέση με τους ασαφείς Γνωστικούς Χάρτες (FCMs). Η εφαρμογή αυτής της προσέγγισης δεν περιορίζεται στη προσαρμοσμένη εκπαίδευση, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε άλλα συστήματα με μεταβλητές καταστάσεις χρηστών, όπως είναι τα ηλεκτρονικά καταστήματα, όπου οι προτιμήσεις των καταναλωτών αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου και επηρεάζουν η μία προτίμηση την άλλη. Συνεπώς, η συγκεκριμένη προσέγγιση αποτελεί ένα καινοτόμο γενικό εργαλείο ασαφής λογικής, το οποίο παρέχει δυναμική προσαρμογή στις ανάγκες και τις προτιμήσεις των χρηστών των προσαρμοστικών συστημάτων.