| Περίληψη: | Τα τελευταία χρόνια, η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας και του διαδικτύου δεν θα μπορούσε να αφήσει ανεπηρέαστο τον τομέα των συστημάτων ηλεκτρονικής μάθησης (e-learning). Η χρήση του διαδικτύου άλλαξε τον τρόπο με τον οποίο παρέχεται η μάθηση στους εκπαιδευόμενους. Μια βασική και δημοφιλής κατηγορία εκπαιδευτικών συστημάτων είναι τα Ευφυή Συστήματα Διδασκαλίας-ΕΣΔ (Intelligent Tutoring Systems-ITSs), κύριο χαρακτηριστικό των οποίων είναι η παροχή εξατομικευμένης μάθησης στους εκπαιδευόμενους, με χρήση μεθόδων τεχνητής νοημοσύνης και κατάλληλων παιδαγωγικών προσεγγίσεων.
Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, αναπτύξαμε νέες μεθοδολογίες και μηχανισμούς στο τομέα των ευφυών εκπαιδευτικών συστημάτων. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν μεθοδολογίες για την ημιαυτόματη παραγωγή ασκήσεων, τον αυτόματο προσδιορισμό της δυσκολίας ασκήσεων και την αυτόματη αξιολόγηση ασκήσεων σε ευφυή συστήματα διδασκαλίας. Επίσης, για να βοηθήσουμε τους εκπαιδευόμενους στην καλύτερη κατανόηση σύνθετων εννοιών του πεδίου της τεχνητής νοημοσύνης, αναπτύξαμε συνιστώσες για ευφυή συστήματα διδασκαλίας που μοντελοποιούν σύνθετες διαδικασίες της τεχνητής νοημοσύνης, χρησιμοποιώντας ευφυείς τεχνικές. Οι μεθοδολογίες και οι μηχανισμοί που αναπτύχθηκαν έχουν ως στόχο να επιτύχουν αποτελεσματικότερη μάθηση και παροχή εξατομικευμένης διδασκαλίας, καθώς επίσης και να βοηθήσουν τους διδάσκοντες στη διδασκαλία.
Δύο σημαντικές λειτουργίες που συμβάλλουν στην καλύτερη μάθηση σ’ ένα ευφυές σύστημα διδασκαλίας είναι η δυνατότητα πειραματισμού με διαδικασίες καθώς και η οπτικοποίηση διαδικασιών και αποτελεσμάτων. Προς αυτή την κατεύθυνση, δημιουργήθηκαν συνιστώσες ευφυούς συστήματος διδασκαλίας που παρέχουν δυνατότητες οπτικοποίησης των διαδικασιών, όπως είναι η οπτικοποίηση της λογικής αποδεικτικής διαδικασίας και η οπτικοποίηση του τρόπου λειτουργίας των αλγορίθμων αναζήτησης. Σε αυτό το πλαίσιο, δημιουργήσαμε εκπαιδευτικά συστήματα απόδειξης θεωρημάτων που επιτρέπουν τον πειραματισμό με διάφορους συνδυασμούς στρατηγικών ελέγχου της διαδικασίας απόδειξης και παρέχουν αντίστοιχες οπτικοποιήσεις, καθώς και την παρέμβαση του χρήστη στη διαδικασία της απόδειξης.
Μια σημαντική επίσης συνιστώσα της εκπαιδευτικής διαδικασίας και των εκπαιδευτικών συστημάτων αποτελεί η παραγωγή νέου εκπαιδευτικού υλικού. Η δυνατότητα του εμπλουτισμού ενός ευφυούς εκπαιδευτικού συστήματος συνεχώς και αυτόματα με νέες, διαφορετικές και πρωτότυπες ασκήσεις συμβάλλει στην καλύτερη προσαρμογή του εκπαιδευτικού περιεχομένου στις ανάγκες του κάθε εκπαιδευόμενου. Για τον σκοπό αυτό, αναπτύξαμε νέες προσεγγίσεις για την ημιαυτόματη παραγωγή ασκήσεων πάνω στην λογική ως γλώσσα αναπαράστασης και στους αλγορίθμους αναζήτησης, τα οποία αποτελούν σημαντικά αντικείμενα του πεδίου της τεχνητής νοημοσύνης, και τα οποία περιέχουν σύνθετες έννοιες και πολύπλοκες διαδικασίες. Οι μηχανισμοί που αναπτύχθηκαν παράγουν προτάσεις λογικής πρώτης τάξεως, που αποτελούν εκφράσεις συντακτικά και σημασιολογικά ορθές, καθώς και διαδραστικές ασκήσεις που χρησιμοποιούν γραφικές αναπαραστάσεις της λειτουργίας των αλγορίθμων αναζήτησης.
Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας στην εκπαιδευτική διαδικασία είναι ο προσδιορισμός της δυσκολίας των ασκήσεων. Ο προσδιορισμός του επιπέδου δυσκολίας αποτελεί μια πολύπλοκη και πολυδιάστατη διαδικασία, η οποία είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με το πεδίο που εφαρμόζεται και είναι δύσκολο να προσδιοριστεί ένα γενικό μοντέλο γι’ αυτήν. Για τον σκοπό αυτό δημιουργήσαμε διαφορετικά συστήματα προσδιορισμού της δυσκολίας ασκήσεων, που χρησιμοποιούν διαφορετικές προσεγγίσεις και τεχνικές για τα πεδία της λογικής και των αλγορίθμων αναζήτησης: α) ένα σύνθετο έμπειρο σύστημα, βασισμένο σε κανόνες, που χρησιμοποιεί στοιχεία και από την πρόταση λογικής και από την πρόταση φυσικής γλώσσας για την εκτίμηση της δυσκολίας ασκήσεων μετατροπής προτάσεων φυσικής γλώσσας σε προτάσεις λογικής πρώτης τάξεως, β) ένα σύνθετο έμπειρο σύστημα, βασισμένο σε κανόνες, που χρησιμοποιεί στοιχεία και από την πολυπλοκότητα μιας πρότασης λογικής και από τη σύνθεση των απαιτούμενων βημάτων, για την εκτίμηση της δυσκολίας ασκήσεων μετατροπής προτάσεων λογικής πρώτης τάξεως σε προτασιακή μορφή, γ) δύο υβριδικά έμπειρα συστήματα, που χρησιμοποιούν νεύρο-ασαφείς και νεύρο-συμβολικούς κανόνες αντίστοιχα, για τον αυτόματο προσδιορισμό του επίπεδο δυσκολίας ασκήσεων σχετικών με αλγορίθμους αναζήτησης, και βασίζονται σ’ ένα σύνολο παραμέτρων που εξάγονται από τα χαρακτηριστικά της άσκησης καθώς και της σωστής απάντησης.
Τα τελευταία χρόνια, υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη συστημάτων και μηχανισμών για την αυτόματη αξιολόγηση των εκπαιδευόμενων σε ασκήσεις και εκπαιδευτικές δραστηριότητες σε διάφορους τομείς. Η αξιολόγηση των απαντήσεων των εκπαιδευόμενων και ο προσδιορισμός των επιδόσεών τους είναι απαραίτητη σε ένα εκπαιδευτικό σύστημα για να γίνει πιο αποτελεσματική η διαδικασία της μάθησης. Για το σκοπό αυτό αναπτύξαμε γενικές μεθοδολογίες, όπου με βάση το είδος των λαθών του εκπαιδευόμενου, την μοντελοποίηση του τύπου της απάντησής του καθώς και έναν μηχανισμό για την βαθμολόγηση των ασκήσεων, αξιολογούν αυτόματα, με ακρίβεια και με συνέπεια τις απαντήσεις τους ανάλογα με το πεδίο εφαρμογής. Πιο συγκεκριμένα δημιουργήθηκαν μηχανισμοί για την αυτόματη αξιολόγηση απαντήσεων σε ασκήσεις μετατροπής προτάσεων φυσικής γλώσσας σε προτάσεις λογικής πρώτης τάξεως καθώς και ασκήσεων μετατροπής προτάσεων λογικής πρώτης τάξεως σε προτασιακή μορφή, που στηρίζονται στη δεντρική αναπαράσταση των προτάσεων. Επίσης, δημιουργήθηκε μηχανισμός για την αυτόματη αξιολόγηση απαντήσεων σε ασκήσεις αλγορίθμων αναζήτησης, βασισμένος στην αναπαράσταση των απαντήσεων ως αλφαριθμητικές ακολουθίες.
Για να προσελκύσουμε το ενδιαφέρον των εκπαιδευόμενων, να δημιουργήσουμε νέα κίνητρα ώστε να γίνει η μάθηση πιο ευχάριστη και διασκεδαστική, σχεδιάσαμε και αναπτύξαμε εκπαιδευτικά παιχνίδια για την εκμάθηση εννοιών της τεχνητής νοημοσύνης. Η μάθηση μέσω εκπαιδευτικών παιχνιδιών (game-based learning) έχει ως στόχο να διδάξει μέσα από το περιβάλλον των παιχνιδιών στους εκπαιδευόμενους έννοιες και διαδικασίες τεχνητής νοημοσύνης, ενώ παράλληλα παραμένει ένα αλληλεπιδραστικό και διασκεδαστικό παιχνίδι. Πιο συγκεκριμένα, δημιουργήσαμε μια εκπαιδευτική εκδοχή του γνωστού παιχνιδιού Pacman, το Edu-Pacman, εμπλουτισμένο με κατάλληλες οπτικοποιήσεις, μέσω του οποίου μπορούν οι εκπαιδευόμενοι να διδαχθούν διαδικασίες, όπως αλγόριθμοι αναζήτησης, οπισθοδρόμηση κλπ. Επίσης, δημιουργήσαμε μια εκπαιδευτική εκδοχή του παιχνιδιού του χρωματισμού χαρτών, μέσω του οποίου μπορούν να διδαχθούν διαδικασίες αλγορίθμων ικανοποίησης περιορισμών.
Τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από την χρήση των ευφυών συστημάτων και των εκπαιδευτικών παιχνιδιών στους εκπαιδευόμενους ήταν ιδιαίτερα ικανοποιητικά. Επίσης, οι μηχανισμοί που αναπτύχθηκαν αξιολογήθηκαν και τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν υψηλή ακρίβεια και αξιοπιστία.
|
|---|
