User modelling and adaptivity in computer supported collaborative learning environments for object oriented software development methodologies
Authors: Τουρτόγλου Καλλιόπη 
Published: August 2021

Βασικός σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη και παρουσίαση μιας καινοτόμου προσέγγισης σχετικά με την παροχή ευφυούς βοήθειας σε ένα λογισμικό συνεργατικής μάθησης (Computer Supported Collaborative Learning - CSCL system), που ονομάζεται AUTO-COLLEAGUE (AUTOmated COLLaborativE leArninG Uml Environment). Πρόκειται για ένα περιβάλλον εκπαίδευσης χρηστών στη UML (Unified Modelling Language), αλλά είναι έτσι σχεδιασμένο, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για άλλα γνωστικά αντικείμενα, όπως γλώσσες προγραμματισμού. Είναι κατάλληλο για χρήση τόσο σε εκπαιδευτικά ιδρύματα, όσο και σε εταιρείες παραγωγής λογισμικού. To AUTO-COLLEAGUE παρακολουθεί κάθε ενέργεια καθώς και κάθε πιθανή ένδειξη επίδοσης των εκπαιδευομένων προκειμένου να παράγει και, ακολούθως, να προσφέρει χρήσιμες συμβουλές στους εκπαιδευόμενους, αλλά και στον εκπαιδευτή, ο ρόλος του οποίου συχνά παραμελείται από παρόμοια περιβάλλοντα. Η συνεισφορά του συστήματος που παρουσιάζεται σε αυτή τη διατριβή αφορά τα επιστημονικά πεδία ανάπτυξης λογισμικού συνεργατικής μάθησης (CSCL systems) και των εργαλείων αυτόματου σχηματισμού ομάδων συνεργασίας (group formation tools). Συγκεκριμένα, οι καινοτόμες προσεγγίσεις που υλοποιήθηκαν στο AUTOCOLLEAGUE είναι: • Η χρήση χαρακτηριστικών της προσωπικότητας των εκπαιδευομένων και ειδικά ο αυτόματος τρόπος που αυτά εκτιμώνται από το σύστημα, • Η συνεκτίμηση της συναισθηματικής αλληλεπίδρασης μεταξύ των εκπαιδευομένων στην αυτοματοποιημένη διαδικασία σχηματισμού προτεινόμενων ομάδων συνεργασίας και • Η χρήση της θεωρίας συγκυριακής ηγεσίας των Hersey και Blanchard στη διαδικασία εξατομικευμένης προσαρμογής των παρεχόμενων συμβουλών προς τους εκπαιδευόμενους. Η παρεχόμενη βοήθεια στους εκπαιδευόμενους συνίσταται (α) στα προτεινόμενα θέματα της UML προς μελέτη, (β) στους πιο κατάλληλους για συνεργασία συναδέλφους και (γ) σε ενθαρρυντικά μηνύματα που θα μπορούσαν να αυξήσουν την αποδοτικότητά τους. Η παρεχόμενη βοήθεια στον εκπαιδευτή αφορά (α) στατιστικές αναφορές και διαγράμματα σχετικά με την πρόοδο των εκπαιδευομένων και (β) ένα εργαλείο αυτόματου σχηματισμού ομάδων που προτείνει τη βέλτιστη οργάνωση των εκπαιδευομένων σε ομάδες συνεργασίας. Όλοι οι προαναφερόμενοι τύποι βοήθειας παράγονται από ένα ενσωματωμένο σύστημα συστάσεων (recommender system) που βασίζεται στις προσεγγίσεις του φιλτραρίσματος με βάση το περιεχόμενο (content-based filtering) και του συνεργατικού φιλτραρίσματος (collaborative filtering). Για την παραγωγή ευφυών συστάσεων/συμβουλών, το σύστημα δημιουργεί και ενημερώνει εξατομικευμένα μοντέλα μαθητών (student models) για κάθε εκπαιδευόμενο. Τα μοντέλα αυτά περιγράφουν τον εκπαιδευόμενο και είναι υλοποιημένα βάσει μιας υβριδικής προσέγγισης μοντελοποίησης μαθητών που συνδυάζει το μοντέλο διατάραξης γνώσης (perturbation/buggy models) και τη μέθοδο των στερεοτύπων (stereotype-based models). Το μοντέλο μαθητή περιέχει δεδομένα σχετιζόμενα, αλλά και μη σχετιζόμενα με το γνωστικό αντικείμενο. Τα σχετιζόμενα με το γνωστικό αντικείμενο δεδομένα αφορούν το επίπεδο γνώσης και εμπειρίας σχετικά με αυτό. Το γνωστικό αντικείμενο, δηλαδή όλη η γνώση που επιθυμούμε να διδαχθεί, είναι καταγεγραμμένη στη βάση δεδομένων του συστήματος δομημένη σε έννοιες, κάθε μία από τις οποίες φέρει ένα βαθμό γνώσης. Τα μη σχετιζόμενα με το γνωστικό αντικείμενο δεδομένα αφορούν (α) τη γενική συναισθηματική κατάσταση του εκπαιδευομένου (θετική ή αρνητική) και (β) ένα σύνολο συγκεκριμένων χαρακτηριστικών περιγραφής της προσωπικότητας που επηρεάζουν τη διαδικασία μάθησης και συνεργασίας των εκπαιδευομένων. Η γενική συναισθηματική κατάσταση των εκπαιδευομένων εκτιμάται αυτόματα από το σύστημα χρησιμοποιώντας τη γνωστική θεωρία των συναισθημάτων OCC. Αυτί) η θεωρία, που είναι η tuo δημοφιλής στην υλοποίηση συστημάτων συναισθηματικής νοημοσύνης, προτείνει ένα υπολογιστικό μοντέλο αναγνώρισης και μοντελοποίησης των συναισθημάτων. Αυτή, λοιπόν, η γενική συναισθηματική κατάσταση των εκπαιδευομένων χρησιμοποιείται ως κριτήριο στο εργαλείο αυτόματου σχηματισμού ομάδων συνεργασίας, καθώς και στην εμφάνιση των ενθαρρυντικών μηνυμάτων προς τους εκπαιδευόμενους. Τα χαρακτηριστικά που περιγράφουν την προσωπικότητα των εκπαιδευομένων είναι δομημένα σε οκτώ στερεότυπα: ο έχων αυτοπεποίθηση, ο εργατικός, ο συμμετοχικός, ο πρόθυμος να βοηθήσει, ο σκεπτικός, ο βιαστικός/επιπόλαιος, ο έχων έλλειψη αυτοσυγκέντρωσης και ο ικανός. Το σύστημα κατατάσσει τους εκπαιδευόμενους σε αυτά τα στερεότυπα αξιολογώντας συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, που είναι συναφή με τον τρόπο χρήσης του περιβάλλοντος, αλλά και με την πρόοδό τους στο γνωστικό αντικείμενο. Ο τρόπος που το σύστημα συσχετίζει τις τιμές αυτών των χαρακτηριστικών με κάθε στερεότυπο είναι προϊόν εμπειρικής μελέτης που διεξήχθη μεταξύ έμπειρων εκπαιδευτών. Όπως προαναφέρθηκε, μία από τις σημαντικότερες συνεισφορές της έρευνας που παρουσιάζεται σε αυτήν τη διατριβή σχετίζεται με τα χαρακτηριστικά της προσωπικότητας των εκπαιδευόμενων που εκτιμώνται από το σύστημα, καθώς και με τα κριτήρια που χρησιμοποιούνται στο εργαλείο αυτόματου σχηματισμού ομάδων. Τα περισσότερα από τα υπάρχοντα συστήματα συνεργατικής μάθησης βασίζονται στις γνώσεις και στις ικανότητες των εκπαιδευομένων για την παραγωγή ευφυών και προσαρμοστικών συμβουλών. Κάποια άλλα χρησιμοποιούν τους εξατομικευμένους τύπους μάθησης (learning styles) ή/και τους εργασιακούς χαρακτήρες (team roles) των εκπαιδευομένων. Η συντριπτική τους πλειοψηφία δεν υπολογίζει αυτοματοποιημένα τις τιμές αυτών για κάθε εκπαιδευόμενο, μα χρησιμοποιεί επιστημονικά εργαλεία απευθείας εισαγωγής δεδομένων από το χρήστη, όπως ερωτηματολόγια. Αντίθετα, το σύστημα που υλοποιήθηκε στα πλαίσια αυτής της έρευνας εκτιμά τα χαρακτηριστικά της προσωπικότητας των εκπαιδευομένων αυτοματοποιημένα. Παρά τη σπουδαιότητα της αποδοτικής οργάνωσης των ομάδων που εργάζονται συνεργατικά σε διαδικασίες εκπαίδευσης, δεν υπάρχουν αρκετά εργαλεία αυτόματου σχηματισμού ομάδων. Πράγματι, υπάρχουν στη διεθνή βιβλιογραφία κάποιες πολύ ενδιαφέρουσες μέθοδοι σχηματισμού ομάδων, αλλά στις περισσότερες από αυτές προτείνονται ομάδες σχηματισμένες με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ετερογένεια ή ομογένεια σχετικά με τις γνώσεις, τους τύπος μάθησης ή τους εργασιακούς χαρακτήρες των εκπαιδευομένων. Αντίθετα, το εργαλείο σχηματισμού ομάδων που παρουσιάζεται στην παρούσα έρευνα είναι βασισμένο στους επιθυμητούς και μη επιθυμητούς (από τον εκπαιδευτή) συνδυασμούς των χαρακτηριστικών της προσωπικότητας των εκπαιδευομένων, καθώς και στη συναισθηματική αλληλεπίδραση μεταξύ αυτών κατά τη διάρκεια της συνεργασίας τους. Μία άλλη καινοτομία του εν λόγω εργαλείου είναι ότι το εργαλείο σχηματισμού ομάδων έχει υλοποιηθεί με τον αλγόριθμο προσομοιωμένης ανόπτησης (Simulated Annealing algorithm), ο οποίος δεν έχει χρησιμοποιηθεί ούτε σε επίλυση παρόμοιων προβλημάτων ούτε σε παρόμοια εκπαιδευτικά περιβάλλοντα. Πρόκειται για ένα γενετικό αλγόριθμο που χρησιμοποιείται για την επίλυση προβλημάτων βελτιστοποίησης. Αποφεύγει τα τοπικά βέλτιστα χρησιμοποιώντας μια μεταβλητή ελέγχου, που ονομάζεται θερμοκρασία. Μία άλλη συνεισφορά της έρευνας αυτής σχετίζεται με τη χρήση της θεωρίας συγκυριακής ηγεσίας των Hersey και Blanchard προκειμένου το σύστημα να προσαρμόζει ανάλογα τόσο το περιβάλλον, όσο και τη βοήθεια προς τους εκπαιδευόμενους. Η ίδια θεωρία μάλιστα χρησιμοποιείται και για να προτείνει στον εκπαιδευτή το πιο αποδοτικό στυλ ηγεσίας για κάθε εκπαιδευόμενο και για κάθε ανατιθέμενη εργασία. Η θεωρία συγκυριακής ηγεσίας των Hersey και Blanchard βασίζεται στο ότι οι επιτυχημένοι ηγέτες θα πρέπει να προσαρμόζουν τη συμπεριφορά τους ανάλογα με την ωριμότητα των καθοδηγούμενών τους σε επίπεδο ανατιθέμενης εργασίας. Προς το παρόν, δεν έχει αναπτυχθεί άλλο εκπαιδευτικό περιβάλλον που να εφαρμόζει αυτήν ή κάποια άλλη θεωρία ηγεσίας. Η αποτελεσματικότητα της επίδρασης της παρεχόμενης από το σύστημα βοήθειας στη μάθηση των εκπαιδευομένων έχει αποδειχθεί από τα θετικά συμπεράσματα δύο πειραμάτων αξιολόγησης που διεξήχθησαν σε πραγματικό περιβάλλον με πραγματικούς χρήστες. Ένα εκτενές μέρος αυτής της διατριβής είναι αφιερωμένο στην περιγραφή της σημασίας των συνεργατικών εργαλείων μάθησης, καθώς και στην ανάλυση του υπόβαθρού τους στη βιβλιογραφία των επιστημών της Ψυχολογίας και της Εκπαίδευσης.