Reference model for adaptive and intelligent educational systems supported by learning objects

Abstract

A aprendizagem assistida por computador, conhecida mais amplamente com o nome genérico de e-learning, converteu-se numa poderosa ferramenta com amplas potencialidades dentro do campo educativo. Mesmo assim, uma das maiores críticas que esta recebe é que na maioria dos casos os cursos que são implementados seguem um enfoque “one size fits all”, isto é, que todos os alunos recebem exatamente o mesmo conteúdo e da mesma maneira desconhecendo suas necessidades particulares. Esta falha radica não só na falta de interação direita entre aluno e tutor, senão também na falta de um desenho instrucional apropriado que considere alguns dos diversos enfoques disponíveis hoje em dia. Existem diversos enfoques que procuram solucionar este problema e adaptar o processo de ensino os estudantes. Pode-se dizer que na vanguarda de estes enfoques encontram-se os Sistemas Educacionais Inteligentes Adaptativos, os quais combinam as funcionalidades de dois enfoques: os Sistemas Hipermídia Educacionais Adaptativos y os Sistemas Tutoriais Inteligentes. Embora, logo de uma extensa revisão bibliográfica, se encontrou que existe ainda um inconveniente importante com este tipo de sistemas e em particular com seus modelos de referência: ou são demasiado simples, incluindo somente umas poucas funcionalidades; ou são demasiado complexos, o que dificulta seu desenho e implementação. Considerando este panorama, o objetivo principal de esta tese foi a definição de um modelo de referência intentando alcançar esse equilíbrio esquivo, de tal maneira que permita o desenho de cursos que se adaptem de una maneira efetiva e inteligente ao progresso e características de cada estudante, mas sem ser demasiado complexo. Outra propriedade importante desse modelo és que integra o uso de Objetos de Aprendizagem, promovendo assim a flexibilidade e a usabilidade. Para alcançar este objetivo geral, três sub modelos foram considerados: um modelo do domínio, um modelo do estudante y um modelo do tutor. O primeiro serve para estruturar o domínio de conhecimento e foi definido usando a noção de objetivo de aprendizagem junto com um esquema flexível multi-nível com operações opcionais de pré-requisitos. O segundo visa caracterizar aos estudantes e considera informação pessoal, de conhecimento e psico-cognitiva. O terceiro pode ser considerado como o coração do sistema e define as funcionalidades adaptativas consideradas: sequenciamento y navegação, apresentação de conteúdo, evacuação, y suporte colaborativo. Com o fim de clarificar os três sub modelos, assim como todos seus componentes e relações, se presentou um exemplo de instanciação que se denominou Doctus, o qual consiste em una ferramenta de autor para cursos adaptativos. Doctus não somente serviu para exemplificar o uso do modelo de referência em sua totalidade, mas também para refinar os sub modelos e alguns procedimentos involucrados. Como parte final de esta tese, se realizou também a implementação e validação preliminar de Doctus. Isto foi feito com 51 sujeitos, professores em diversos níveis de formação. Os resultados obtidos em esta etapa foram sobressalientes no sentido que todas as funcionalidades adaptativas foram bem avaliadas e todos os pesquisados manifestaram seu entusiasmo por contar com uma ferramenta que lhes ajudara em seus práticas docentes considerando a seus estudantes como indivíduos particulares.

Computer Aided Learning, known more widely with the generic name of e-learning, has become a powerful tool with lots of potentialities within educational field. Even though, one of the main critics that it receives is that in most cases the implemented courses follows a “one size fits all” approach, which means that all students receive the same content in the same way being unaware of their particular needs. This problem is not due only to the absence of direct interaction between student and tutor, but also because of the lack of an appropriate instructional design. There are several approaches which deal with this issue and look for adapt the teaching process to students. One could say that in the top of those approaches the Adaptive and Intelligent Educational Systems are situated, which merges the functionalities of two approaches: the Adaptive Educational Hypermedia Systems and the Intelligent Tutoring Systems. Nevertheless, after an extensive literature review, a major inconvenience is still found for this kind of systems and particularly for their reference models: or they are too simple, including just a few functionalities; or they are too complex, which difficult their design and implementation. Considering this panorama, the main objective of this dissertation thesis was the definition of a reference model trying to reach such an elusive equilibrium, in such a way that allows the design of courses which adapt themselves in an intelligent and effective way to the progress and characteristics of each student but without being too complex. Another important feature is that this model integrates Learning Objects, promoting this way flexibility and reusability. In order to achieve this general objective, three sub-models were considered: a domain model, a student model and a tutor model. The first one serves to structure the knowledge domain and was defined using the notion of learning goal and a flexible multilevel schema with optional prerequisite operations. The second one aids to characterize students and considered personal, knowledge and psycho-cognitive information. The third one may be considered as the hearth of the system and defines the adopted adaptive functionalities: sequencing and navigation, content presentation, assessment, and collaborative support. With the aim of clarify the three sub-models, as well as all their components and relationships, an instantiation example was also presented. Such an instantiation was called Doctus, an authoring tool for adaptive courses. Doctus was not only helpful to exemplify the setup of the referece model as a whole, but also to refine sub-models and several procedures envolved. As final part of the dissertation, the implementation and preliminary validation of Doctus was performed. This was done with 51 subjects, teachers from different formation levels. The obtained results in this stage were outstanding, all the adaptive functionalities were well evaluated and all of those polled felt enthusiastic about counting with a tool for helping them in their teaching practices considering students as particular individuals.

El aprendizaje asistido por computador, conocido más ampliamente con el nombre genérico de e-learning, se ha convertido en una poderosa herramienta con amplias potencialidades dentro del campo educativo. Aun así, una de las mayores críticas que este recibe es que en la mayoría de los casos los cursos que son implementados siguen un enfoque “one size fits all”, es decir, que todos los alumnos reciben exactamente el mismo contenido y de la misma manera desconociendo sus necesidades particulares. Esta falla radica no sólo en la falta de interacción directa entre alumno y tutor, sino también en la falta de un diseño instruccional apropiado que considere diversos de los enfoques disponibles hoy en día. Existen diversos enfoques que buscan solucionar este problema y adaptar el proceso de enseñanza a los estudiantes. Se podría decir que a la vanguardia de estos enfoques se encuentran los Sistemas Educacionales Inteligentes Adaptativos, los cuales combinan las funcionalidades de dos enfoques: los Sistemas Hipermedia Educacionales Adaptativos y los Sistemas Tutoriales Inteligentes. Sin embargo, luego de una extensa revisión bibliográfica, se encontró que existe aún un inconveniente importante con este tipo de sistemas y en particular con sus modelos de referencia: o son demasiado simples, incluyendo solamente unas pocas funcionalidades; o son demasiado complejos, lo cual dificulta su diseño e implementación. Considerando este panorama, el objetivo principal de esta tesis fue la definición de un modelo de referencia intentando alcanzar tal equilibrio esquivo, de tal manera que permita el diseño de cursos que se adapten de una manera efectiva e inteligente al progreso y características de cada estudiante pero sin ser demasiado complejo. Otra propiedad importante de dicho modelo es que integra el uso de Objetos de Aprendizaje, promoviendo así la flexibilidad y la reusabilidad. Con el fin de alcanzar este objetivo general, tres sub modelos fueron considerados: un modelo del dominio, un modelo del estudiante y un modelo del tutor. El primero sirve para estructurar el dominio de conocimiento y fue definido empleando la noción de objetivo de aprendizaje junto con un esquema flexible multinivel con operaciones opcionales de prerrequisitos. El segundo busca caracterizar los estudiantes y considera información personal, de conocimiento y psico-cognitiva. El tercero puede ser considerado como el corazón del sistema y define las funcionalidades adaptativas consideradas: secuenciamiento y navegación, presentación de contenido, evaluación, y soporte colaborativo. Con el fin de clarificar los tres sub modelos, así como todos sus componentes y relaciones, se presentó además un ejemplo de instanciación. Tal instanciación se denominó Doctus, el cual consiste en una herramienta de autor para cursos adaptativos. Doctus no solamente sirvió para ejemplificar el uso del modelo de referencia en su totalidad, sino también para refinar los sub modelos y algunos procedimientos involucrados. Como parte final de esta tesis, se realizó también la implementación y validación preliminar de Doctus. Esto se hizo con 51 sujetos, todos profesores en diversos niveles de formación. Los resultados obtenidos en esta etapa fueron sobresalientes en el sentido que todas las funcionalidades adaptativas fueron bien evaluadas y todos los encuestados manifestaron su entusiasmo por contar con una herramienta que les ayudara en sus prácticas docentes considerando a sus estudiantes como individuos particulares.