mô hình biểu diễn tri thức cho hệ học tương tác tích cực_3

Trong quá trình thiết kế nội dung, khía cạnh sư phạm được thể hiện qua việc xây dựng đối tượng học và hầu như các mô hình chỉ chú trọng đến việc tuân thủ một cách cứng nhắc đúng khuôn mẫ

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi Các kết quả của luận án là trung thực và chưa từng được ai khác công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

Nghiên cứu sinh

Lê Đức Long

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy/Cô trong Khoa Công Nghệ Thông Tin – Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp.HCM, những người đã trang bị cho tôi các kiến thức chuyên ngành, hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập tại trường Đặc

biệt, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với các Thầy/Cô, GS.TS Bùi Doãn Khanh, PGS.TS Đồng Thị Bích Thủy, PGS.TS Lê Hoài Bắc, PGS.TS Nguyễn Đình Thúc,

TS Hồ Bảo Quốc và TS Nguyễn An Tế, những người đã tận tình trao đổi, hỗ trợ và

tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu, thử nghiệm đề tài của tôi

Tôi xin chân thành cám ơn các Thầy/Cô thuộc Khoa Toán – Tin học và Khoa Công nghệ Thông tin - Trường Đại học Sư phạm Tp.HCM, những người đã ủng hộ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi cũng xin được cảm ơn các anh, chị, em các bạn đồng nghiệp đã quan tâm và

động viên tôi suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này

Cuối cùng, tôi cũng không thể nào quên được những tình cảm và sự giúp đỡ từ gia

đình, cha mẹ, anh chị em, vợ và các con tôi Những người thân yêu này luôn là nguồn

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC TỪ/THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 11

GIỚI THIỆU 12

Mở đầu 13

Lý do thực hiện và mục tiêu đề tài 14

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 15

Nội dung nghiên cứu của luận án 17

Những đóng góp chính của luận án 18

Bố cục luận án 19

CHƯƠNG 1 – Knowledge Graph - Một mô hình biểu diễn nội dung tri thức 22

1.1 Giới thiệu 22

1.2 Các nghiên cứu liên quan 23

1.2.1 Bài toán phát triển nội dung dạy học 23

1.2.2 Vấn đề gắn kết tính sư phạm vào quá trình thiết kế nội dung 27

1.2.2.1 Hạn chế của thiết kế dạy học và sự cần thiết phải gắn kết tính sư phạm 27

1.2.2.2 TPCK - một mô hình liên quan đến việc gắn kết tính sư phạm 28

1.3 Mô hình biểu diễn nội dung tri thức - Knowledge Graph 30

1.3.1 Đặt vấn đề 30

1.3.2 Các giả định ban đầu 31

1.3.3 Cơ sở toán học 32

1.4 Giải thuật xây dựng KG cho một học phần 35

1.4.1 Ý tưởng chính 35

1.4.2 Giải thuật chi tiết 38

1.4.3 Ví dụ minh họa 41

1.4.3.1 Ví dụ 1 43

1.4.3.2 Ví dụ 2 45

1.4.4 Phân tích và nhận xét giải thuật 47

1.4.4.1 Phân tích 47

1.4.4.2 Nhận xét 47

1.5 Phân tích và so sánh KG với các mô hình nội dung khác 51

4

1.5.1 Phân tích thêm về các thành phần của 1 mô hình nội dung tiêu biểu 57

1.5.2 Phân tích thêm về các thành phần của mô hình KG 58

1.6 Phân tích tương quan giữa KG với một chương trình đào tạo 59

1.6.1 Các định nghĩa liên quan 62

1.6.2 Giải thuật xây dựng KG cho một chương trình đào tạo 64

1.6.2.1 Ý tưởng chính 64

1.6.2.2 Giải thuật chi tiết 66

1.6.2.3 Nhận xét 67

1.7 Kết luận chương 1 68

CHƯƠNG 2 – Khai thác Knowledge Graph với các ngữ cảnh dạy học khác nhau 70

2.1 Giới thiệu 70

2.2 Khai thác KG trong các ngữ cảnh dạy học khác nhau 71

2.2.1 Khai thác KG ở góc độ đối tượng tham gia 71

2.2.2 Khai thác KG ở góc độ hoạt động học tập 72

2.3 Trích xuất Sub-KG từ KG dựa trên mục tiêu 73

2.3.1 Các định nghĩa liên quan 73

2.3.2 Giải thuật phát sinh Sub-KG dựa trên mục tiêu 75

2.3.2.1 Ý tưởng chính 75

2.3.2.2 Giải thuật trích xuất Sub-KG với tập mục tiêu đầu vào cho trước 76

2.3.2.3 Giải thuật trích xuất Sub-KG với tập mục tiêu đầu vào và mức L cho trước 77

2.3.2.4 Giải thuật trích xuất Sub-KG với tập mục tiêu đầu ra cho trước 78

2.3.2.5 Giải thuật trích xuất Sub-KG với tập mục tiêu đầu ra và mức L cho trước 79

2.3.3 Giải thuật kiểm tra tính hợp lý của một KG/Sub-KG 80

2.3.4 Phân tích và nhận xét giải thuật 80

2.4 e-Course: nội dung dạy học được xây dựng từ KG 81

2.4.1 Các định nghĩa liên quan 84

2.4.2 Mối tương quan hình thành e-Course từ Sub-KG 84

2.4.3 Qui trình xây dựng e-Course dựa trên Sub-KG 86

2.4.4 Khai thác e-Course trong các ngữ cảnh khác nhau ở góc độ lớp học 87

2.4.4.1 Khai thác e-Course trong các ngữ cảnh dạy học khác nhau 87

2.4.4.2 Khai thác e-Course ở góc độ các ứng dụng dạy học 89

2.4 Kết luận chương 2 90

CHƯƠNG 3 – Khai thác Knowledge Graph trong một hệ học trực tuyến 92

3.1 Giới thiệu 92

3.2 Các nghiên cứu và vấn đề liên quan 92

5

3.3 Phân tích ngữ cảnh dạy-học đại học ở Việt Nam 95

3.4 Xây dựng mô hình hồ sơ đặc trưng người dùng 98

3.5 Kiến trúc khung Học Tương tác Tích cực 101

3.5.1 Nền tảng lý thuyết và phương pháp luận 101

3.5.2 Chiến lược sư phạm của ACeLF 103

3.5.3 Kiến trúc tổng quát 107

3.5.4 Các mô hình hoạt động của ACeLF 108

3.5.4.1 Mô hình hoạt động tự học 110

3.5.4.2 Mô hình hoạt động học tập theo nhóm 110

3.5.4.3 Mô hình hoạt động học tập cộng tác 111

3.5.4.4 Mô hình hoạt động tư vấn 112

3.5.4.5 Mô hình hoạt động kiểm tra – đánh giá 113

3.6 Đánh giá hệ thống dạy học trực tuyến sử dụng mô hình bốn mức (cấp) của Kirkpatrick 113

3.6.1 Về tính hữu dụng của một hệ học trực tuyến 113

3.6.2 Đánh giá tính hữu dụng của phương pháp đề xuất bằng các mô hình sư phạm 117 3.6.2.1 Mục tiêu thử nghiệm 117

3.6.2.2 Mô tả thử nghiệm 117

3.6.3 Đánh giá sự gắn kết của người học với hệ thống thông qua log file 120

3.6.4 Đánh giá sự hữu ích của hệ thống bằng phương pháp xã hội học 122

3.6.4.1 Khảo sát từ chuyên gia giáo dục/sư phạm và IT 123

3.6.4.2 Khảo sát từ phía người học 125

3.6.5 Đánh giá việc học tập của người học thông qua kết quả kiểm tra 130

3.7 Kết luận chương 3 134

CHƯƠNG 4 – Kết luận & Hướng phát triển 136

Kết luận 136

Hướng phát triển 141

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 143

Các bài báo công bố tại các hội nghị và tạp chí khoa học trong nước 143

Các bài báo công bố tại các hội nghị và tạp chí khoa học quốc tế 144

TÀI LIỆU THAM KHẢO 145

PHỤ LỤC 1 - BẢNG CHÚ GIẢI CÁC THUẬT NGỮ RIÊNG 156

PHỤ LỤC 2 - DỮ LIỆU MẪU THỬ NGHIỆM 159

PHỤ LỤC 3 - ACeLF và hệ học trực tuyến 167

6

DANH MỤC CÁC TỪ/THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ACeLF Active-Collaborative e-Learning Framework

ACeLS Active-Collaborative e-Learning System

AEHS Adaptive Educational Hypermedia System

AeLS Adaptive e-Learning System

AI-CAI Adaptive Intelligent- Computer-Assisted Instruction

AI-Edu Artificial Intelligent in Education

AIWBES Adaptive and Intelligent Web-based Educational System

CBT/CAI Computer-Based Training/Computer-Assisted Instruction

CSCL Computer-Supported Collaborative Learning

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IMS GLC IMS Global Learning Consortium

IO/RIO Information Object/Reusable Information Object

7

LCMS Learning Content Management System

LIP IMS Learner Information Package

LO/RLO Learning Object/Reusable Learning Object

LTSC Learning Technology Standards Committee (IEEE -LTSC)

SCORM Sharable Content Object Reference Model

Sub-KG Subordinate Knowledge Graph

TPCK/TPACK Technological Pedagogical Content Knowledge

UNESCO United Nations Educational Scientific and Cultural Organization

8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình tháp của nội dung dạy học (trích [46]) 24

Hình 1.2 Cây phân cấp với năm tầng nội dung (trích [41]) 26

Hình 1.3 Các thành phần của mô hình TPCK (trích [69]) 29

Hình 1.4 Minh họa vi phạm tính hợp lý của thứ tự trình bày kiến thức 32

Hình 1.5 Minh họa giải thuật Kiểm tra tính hợp lý 37

Hình 1.6 Sơ đồ khối của giải thuật 1.1 – Giải thuật chính và Cập nhật ma trận 41

Hình 1.7 Sơ đồ khối của giải thuật 1.1 – Phần Kiểm tra tính hợp lí 42

Hình 1.8 Minh họa cho KG ban đầu (do chuyên gia định nghĩa) ở ví dụ 1 43

Hình 1.9 KG ở ví dụ 1 sau khi xây dựng bằng giải thuật 1.1 44

Hình 1.10 Ma trận A, W sau khi cập nhật ở ví dụ 1 44

Hình 1.11 Minh họa cho KG ban đầu (do chuyên gia định nghĩa) ở ví dụ 2 45

Hình 1.12 KG ở ví dụ 2 sau khi xây dựng bằng Giải thuật 1.1 46

Hình 1.13 Ma trận A, W sau khi cập nhật ở ví dụ 2 46

Hình 1.14 Minh họa trường hợp tạo chu trình ở ví dụ 1 49

Hình 1.15 Minh họa trường hợp tạo chu trình ở ví dụ 2 50

Hình 1.16 Minh họa cho độ dài đường đi/mức của KG ở ví dụ 2 51

Hình 1.17 Cây phân cấp của các thành phần trong KG 52

Hình 1.18 So sánh sự tương đồng giữa KG và mô hình Learnativity 57

Hình 1.19 Minh họa cho các thành phần của mô hình Learnativity 58

Hình 1.20 Minh họa cho các thành phần của mô hình KG 59

Hình 1.21 KG ứng với các thành phần của chương trình đào tạo [46] 61

Hình 1.22 Minh họa đồ thị tri thức Gc của một chương trình đào tạo 65

Hình 2.1 Khai thác KG ở góc độ các bài dạy khác nhau 71

Hình 2.2 Khai thác KG ở góc độ kiểm tra tính hợp lý của bài dạy 72

Hình 2.3 Khai thác KG ở góc độ các hoạt động học tập 73

Hình 2.4 Minh họa các Sub-KG1 và Sub-KG2 với các tập mục tiêu đã cho 74

9

Hình 2.5 Minh họa các Sub-KG được trích xuất với S ,S cho trước 75

Hình 2.6 Cấu trúc của một học phần truyền thống 82

Hình 2.7 Ý tưởng cơ bản của e-Course 83

Hình 2.8 e-Course và ý nghĩa của các thành phần 84

Hình 2.9 Tương quan hình thành e-Course từ Sub-KG 85

Hình 2.10 Khuôn mẫu chung để xây dựng e-Course 85

Hình 2.11 Cách tiếp cận xây dựng e-Course từ Sub-KG 86

Hình 2.12 Khai thác e-Course trong các ngữ cảnh khác nhau của lớp học 88

Hình 3.1 Cấu trúc tổng quát của Learner Profile 100

Hình 3.2 Minh họa cách tiếp cận phát triển mô hình ACeLF 102

Hình 3.3 Mô hình cho chiến lược sư phạm của ACeLF 104

Hình 3.4 Chiến lược sư phạm khi triển khai của ACeLF 105

Hình 3.5 Kiến trúc khung tổng quát Học Tương tác Tích cực - ACeLF 107

Hình 3.6 Mô hình hoạt động tổng quát của ACeLF 109

Hình 3.7 Phương thức tư vấn của ACeLF 109

Hình 3.8 Mô hình hoạt động tự học 110

Hình 3.9 Mô hình hoạt động học nhóm 111

Hình 3.10 Mô hình hoạt động học cộng tác 112

Hình 3.11 Mô hình hoạt động tư vấn 112

Hình 3.12 Mô hình hoạt động học kiểm tra – đánh giá 113

Hình 3.13 Quy trình đánh giá ở cấp độ 1, 2 của mô hình Kirkpatrick [55] 116

Hình 3.14 Biểu đồ so sánh số lượt truy cập trung bình của 3 học phần 122

Hình 3.15 Biểu đồ thống kê đánh giá của chuyên gia với 3 tiêu chí khảo sát 124

Hình 3.16 Biểu đồ thống kê đánh giá của sinh viên ở thang điểm thấp 127

Hình 3.17 Biểu đồ thống kê đánh giá của sinh viên ở thang điểm trung bình 127

Hình 3.18 Biểu đồ thống kê đánh giá của sinh viên ở thang điểm cao 128

Hình 3.19 Biểu đồ khảo sát sinh viên ở giữa học phần PPDH Tin (P.2) 129

10

Hình 3.20 Biểu đồ khảo sát sinh viên ở cuối học phần PPDH Tin (P.2) 130 Hình 3.21 Biểu đồ thống kê kết quả học tập của 3 học phần 132 Hình 4.1 Sơ đồ minh họa việc gắn kết tính sư phạm trong mô hình của luận án 139

11

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các thành phần cơ bản của nội dung dạy học 25

Bảng 1.2 Các thuộc tính phụ của Ý giảng chính – PI 33

Bảng 1.3 Phân cấp thành phần nội dung của các mô hình 53

Bảng 1.4 So sánh KG với các mô hình nội dung theo chuẩn e-Learning 54

Bảng 1.5 So sánh KG với các mô hình nội dung của các hệ học thích nghi 55

Bảng 1.6 So sánh đặc điểm của IO/RIO với PI 56

Bảng 1.7 So sánh đặc điểm của RLO với Sub-KG 56

Bảng 1.8 Bảng các điều kiện tiên quyết của môn học 63

Bảng 3.1 Bảng mô tả tóm tắt về mô hình Kirkpatrick cho đánh giá đào tạo [55] 115

Bảng 3.2 Mô tả tổng quan về 3 lớp - học phần trong thử nghiệm 118

Bảng 3.3 Thống kê số lượt truy cập trung bình (ngày) của 3 học phần 120

Bảng 3.4 Tổng hợp số liệu khảo sát đối với chuyên gia 123

Bảng 3.5 Tổng hợp số liệu đánh giá của người học có đối sánh ở 3 học phần 126

Bảng 3.6 Số liệu khảo sát trực tuyến giữa học phần PPDH Tin (P.2) 129

Bảng 3.7 Số liệu khảo sát trực tuyến cuối học phần PPDH Tin (P.2) 130

Bảng 3.8 Số liệu thống kê kết quả học tập cuối kì của 3 học phần 132

12

GIỚI THIỆU

Tóm tắt –

Phần này giới thiệu mục tiêu chính mà luận án giải quyết

Kết quả và bố cục chi tiết của luận án cũng sẽ được trình bày ở cuối phần này

13

Mở đầu

Với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông

(viết tắt - ICT 1 ) trong các thập kỉ vừa qua, việc ứng dụng ICT vào dạy học đã và đang

trở nên quen thuộc với mọi người chúng ta Nhiều hình thức dạy học mới ra đời nhằm

đáp ứng các nhu cầu và xu thế giáo dục của thời đại Các hình thức dạy học này, cùng

với hình thức dạy học truyền thống 2 đều xem máy tính, Internet là các công cụ thiết

yếu để phục vụ cho mục đích giảng dạy và học tập

Một trong các hình thức dạy học tiên tiến đã được cộng đồng giáo dục quan tâm và

phát triển ở thời gian gần đây, đó là e-Learning Ban đầu, dựa vào hình thức triển khai

dạy học mà e-Learning thường được xem và hiểu qua các tên gọi như đào tạo điện tử, dạy học trực tuyến, hoặc đào tạo từ xa Tuy nhiên, e-Learning hiện nay được nhìn dưới góc độ tổng quát hơn, theo nghĩa là, ″việc sử dụng ICT có chủ đích để nâng cao

và/hoặc hỗ trợ việc dạy học″ [46][58][70]

Qua thực tiễn ứng dụng, các nhà nghiên cứu giáo dục đã nhận thấy rằng e-Learning mang lại nhiều lợi ích trong hoạt động dạy học và giúp người học đạt được những kĩ năng cần thiết cho công việc của mình [64][98][105] Sự thành công này của e-Learning căn bản dựa trên việc áp dụng các mô hình thuộc lĩnh vực thiết kế dạy học

(instructional design - ID) [80] Nhờ đó, mà các hệ thống dạy học (được viết gọn là, hệ

học) có được sự gắn kết chặt chẽ giữa nội dung dạy học với các hoạt động học tập để

cung cấp những dịch vụ, tiện ích tốt nhất đến người học Do vậy, các nghiên cứu về

e-Learning thường tập trung vào việc giải quyết hai bài toán chính: (1), phát triển nội dung dạy học; và (2), xây dựng các hoạt động học tập

Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu về hướng phát triển của các hệ học cũng chú ý đến

hai bài toán liên quan: (1), làm thế nào để tích hợp thành phần sư phạm vào hệ thống,

nghĩa là gắn kết được các tính chất sư phạm vào nội dung và hoạt động học tập? và

1 Từ viết tắt được in nghiêng và chú giải ở bảng DANH MỤC CÁC TỪ/THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

2 Các thuật ngữ hay từ khóa in nghiêng được chú giải chi tiết ở phần Phụ lục 1

14

(2), làm thế nào để hệ thống có thể thích nghi với đặc điểm, nhu cầu của người học

trong các ngữ cảnh dạy – học khác nhau? [22][23][46][100]

Bài toán thứ hai đã dẫn tới việc phát triển một lĩnh vực chuyên biệt mang tên ″trí tuệ nhân tạo trong giáo dục″ (viết tắt – AI-Edu), với các ứng dụng dưới dạng ″hệ học thích nghi và thông minh″ [12] Mỗi hệ học như vậy đều có mục tiêu dạy học cụ thể (áp dụng vào một ngữ cảnh cụ thể) và sử dụng một số kĩ thuật thông minh để hỗ trợ dạy học, đặc biệt là cá nhân hóa việc tự học với hệ thống

Tuy nhiên, đối với bài toán thứ nhất, việc tích hợp thành phần sư phạm vào hệ thống là một vấn đề khó khăn Bởi vì, thông thường thì thành phần này được thể hiện

thông qua bản thân người giáo viên và đó chính là kĩ năng sư phạm mà giáo viên ấy sẽ

sử dụng khi dạy học (bao gồm phương pháp dạy học, khả năng và kinh nghiệm sư phạm) Nói cách khác, sự hiệu quả và hấp dẫn trong quá trình dạy học của giáo viên đã biểu hiện cho tính sư phạm và điều này cũng minh họa cho tính nghệ thuật của khái

niệm dạy học có chất lượng [32][50][78] Hơn nữa, bài toán này cũng cho thấy

″khoảng hở″ giữa khả năng của chuyên gia sư phạm và người phát triển hệ thống tin học, mà thông thường là hai chủ thể khác nhau Vì vậy, nếu có sự kết hợp khả năng của hai đối tượng này thì việc tích hợp thành phần sư phạm vào hệ thống sẽ dễ dàng hơn Hoặc với một cách nào đó, nếu có thể mô hình hóa một số tính chất sư phạm cơ bản để tích hợp vào hệ thống và nhắm đến việc hệ thống khi khai thác sẽ đảm bảo các tính chất này Như vậy, bài toán đặt ra ở trên đã phần nào được giải quyết và đây cũng

là nội dung nghiên cứu chính của luận án

Lý do thực hiện và mục tiêu đề tài

Horton (2006) [46] đã viết: ″ Ở góc độ tốt nhất, thì việc học tập có sử dụng Learning sẽ giống như ở một lớp học truyền thống tốt nhất Và ở góc độ xấu nhất, thì

e-nó cũng sẽ tệ ngang như trong một lớp học truyền thống tệ nhất Điểm khác nhau chỉ

là sự thiết kế.″ Vì vậy, để phát triển một hệ học có chất lượng thì vấn đề thiết kế nắm một vai trò quan trọng Mục tiêu nghiên cứu của luận án là các vấn đề cần giải quyết

đối với bài toán phát triển nội dung dạy học trong một hệ học, bao gồm:

15

1) Phát triển mô hình nội dung tri thức, cụ thể là, trong một chương trình đào

tạo hay một học phần, nội dung dạy học được tổ chức và cấu trúc như thế nào để có

thể khai thác tri thức một cách dễ dàng và thuận tiện? Đồng thời, nội dung dạy học

cũng được gắn kết thêm các tính chất sư phạm cơ bản, đảm bảo sự hợp lý của thứ tự

trình bày nội dung trong quá trình khai thác

2) Khai thác nội dung tri thức trong các ngữ cảnh dạy học khác nhau, cụ thể là,

với tổ chức và cấu trúc của mô hình nội dung tri thức như đã đề xuất, cần phải khai

thác như thế nào ở các góc độ như: đối tượng tham gia, hoạt động học tập Ngoài ra,

đối với một hệ đào tạo trực tuyến trong ngữ cảnh dạy học đại học ở Việt Nam, cần một

kiến trúc khung với chiến lược sư phạm như thế nào để phù hợp và gắn kết người

học với hệ thống?

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Xem xét ở hình thức dạy học truyền thống từ trước đến nay, các hoạt động học tập chủ yếu dựa vào các dạng tài liệu học tập (in ấn), và sự giao tiếp trực tiếp giữa các đối tượng dạy học, đặc biệt là giữa giáo viên và học viên Trong quá trình dạy học, căn cứ vào thông tin thu được từ sự giao tiếp này, mà giáo viên sẽ thay đổi cách giảng dạy theo từng đối tượng học viên sao cho đạt hiệu quả tối đa

Việc ứng dụng công nghệ và ICT trong dạy học ở những năm gần đây đã làm thay

đổi cách dạy học truyền thống cùng với nhiều hình thức đào tạo mới và một loại hình

mà luận án muốn đề cập đến, đó là dạy học trực tuyến Ở hình thức đào tạo này, sự

giao tiếp giữa giáo viên và học viên có phần bị hạn chế so với truyền thống, cho nên việc khai thác các loại tài liệu học tập quen thuộc trở nên kém hiệu quả Bên cạnh đó, việc phát triển nội dung trên các ứng dụng dạng Web cũng được nhấn mạnh bằng câu – ″nội dung là cốt lõi″ – để nói lên tầm quan trọng của việc thiết kế nội dung [19] Do vậy, bài toán phát triển nội dung đối với các hệ học lại cần được quan tâm nhiều hơn nữa Bởi vì, ngoài các yêu cầu về chất lượng của nội dung, thì các hệ học còn quan tâm đến một số yêu cầu khác liên quan đến công nghệ như: tính tái sử dụng (reusability), tính truy cập được (accessibility), tính khả chuyển (interoperability) và

tính bền vững (durability) [96] Tóm lại, bài toán đặt ra là làm thế nào để thiết kế nội

16

dung dạy học vừa đảm bảo được các yêu cầu về công nghệ, lại vừa mang tính sư phạm để ″bù đắp″ sự ″thiếu hụt″ giao tiếp giữa giáo viên với học viên trong môi trường trực tuyến [22][51]

Nhận biết tầm quan trọng của bài toán này, cộng đồng nghiên cứu e-Learning đã phát triển nhiều chuẩn (e-Learning standard) và mô hình nội dung (learning object

content model) liên quan Một số chuẩn và mô hình tiêu biểu như: IMS [48], SCORM [29][84], IEEE-LOM/Learnativity Content model [30][47], CISCO RLO/RIO model [11], NETg Learning Object model [56], ADL Academic Co-lab model [15] và

và cách trình bày kịch bản học (SCORM, IMS) [29][48][84]

Về mô hình nội dung, hầu hết phân chia thành phần của nội dung dạy học thành nhiều mức đối tượng khác nhau, chủ yếu phân biệt ở hai thành phần chính là đối tượng thông tin (information object/assets) và đối tượng kiến thức3(learning object/SCO) Trong đó, đối tượng thông tin mang ý nghĩa của một lượng thông tin độc lập và đối tượng học là thành phần được ″lắp ghép″ từ các đối tượng thông tin dựa trên một mục tiêu dạy học cụ thể nào đó Thông thường, đây là sự lắp ghép một cách ″thủ công″

theo một khuôn mẫu định sẵn của các mô hình nội dung (như IEEE-LOM, CISCO) và

phụ thuộc hoàn toàn vào người thiết kế dạy học Trong quá trình thiết kế nội dung, khía cạnh sư phạm được thể hiện qua việc xây dựng đối tượng học và hầu như các mô hình chỉ chú trọng đến việc tuân thủ một cách cứng nhắc đúng khuôn mẫu đã đề ra, không quan tâm đến nội dung bên trong của đối tượng có chứa đựng đúng và đủ lượng tri thức khoa học cần hiểu và ghi nhớ hay không? Điều này dẫn đến một đối tượng học

có thể được thiết kế đúng theo mô hình nội dung và tuân thủ chuẩn e-Learning

3 Một số thuật ngữ tiếng Anh được tạm dịch theo ngữ nghĩa sử dụng trong luận án

trực tuyến Chúng tôi sẽ trình bày chi tiết các nghiên cứu cũng như đề xuất chính của

luận án liên quan đến bài toán phát triển nội dung trong chương 1, thông qua một mô

hình biểu diễn nội dung tri thức dạy học Các nghiên cứu liên quan đến việc khai thác

mô hình đề xuất trong các ngữ cảnh/môi trường dạy học khác nhau sẽ được trình bày ở

chương 2, 3 và ở đó, các giải pháp đề xuất của luận án cũng được trình bày chi tiết

Nội dung nghiên cứu của luận án

Luận án tập trung vào ba nội dung nghiên cứu sau:

1) Lý thuyết dạy học và công nghệ dạy học Nghiên cứu về nền tảng lí thuyết dạy

học và các lĩnh vực như: thiết kế dạy học (ID - Instructional Design), ứng dụng công nghệ vào trong dạy học (TEL – Technology-enhanced Learning, CSCL - Computer-

supported Collaborative Learning) Phân tích hai thành phần cơ bản của nội dung dạy học4 và nghiên cứu áp dụng các mô hình, như mô hình học kết hợp (blended-

learning/hybrid-learning) [100], mô hình TPCK – Technological Pedagogical Content

Knowledge [65][102], mô hình Concept map [75], để biểu diễn lại nội dung tri thức và phát triển nội dung dạy học

2) Chuẩn e-Learning và các mô hình nội dung Phân tích hạn chế và vấn đề tồn

tại của các chuẩn và mô hình; phân tích ưu/khuyết điểm của các dạng tài liệu/tài nguyên học tập trực tuyến Qua đó, nghiên cứu phát triển nội dung dạy học có gắn kết tính sư phạm để khai thác trong dạy học một cách hiệu quả và hấp dẫn

3) e-Learning và vấn đề phát triển một hệ học trực tuyến có chất lượng Nghiên

cứu và tiếp cận theo hướng phát triển của một hệ học mang tính thích nghi (Adaptive

4 Nội dung dạy học hay tri thức dạy học chia thành hai phần cơ bản, bao gồm tri thức khoa học và tri thức

sư phạm Trong luận án, tri thức khoa học được gọi là nội dung tri thức Phần này sẽ được làm rõ ở chương 1

18

e-Learning System) [16][17] phù hợp với môi trường học tập ở Việt Nam Từ đó, mô hình hóa đặc trưng của người học, đề xuất một chiến lược sư phạm và kiến trúc khung làm nền tảng phát triển một hệ học trực tuyến cho ngữ cảnh dạy học đại học ở Việt Nam

Những đóng góp chính của luận án

1 Mô hình biểu diễn nội dung tri thức dạy học

Đề xuất mô hình Knowledge Graph – KG 5 – đây là, một mô hình lý thuyết Tin học, biểu diễn thành phần kiến thức cốt lõi làm nền tảng cho việc phát triển nội dung dạy học hoặc/và khai thác trong các hoạt động học tập của những ứng dụng thuộc lĩnh vực giáo dục, với những giải thuật/thủ tục cho phép:

- Xây dựng KG cho một học phần;

- Xác lập và phân tích tương quan giữa KG với một chương trình đào tạo

Từ đó, xây dựng KG cho một chương trình đào tạo

Kết quả được trình bày trong các công trình [CT2], [CT4], [CT6]

2 Khai thác mô hình đề xuất với các ngữ cảnh dạy học khác nhau

Bao gồm các nội dung sau:

- Phát sinh các kịch bản dạy và học khác nhau dựa trên KG;

- Giải thuật trích xuất mô hình con Sub-KG từ KG dựa trên mục tiêu cho

Mô hình Knowledge Graph - cũng gọi là, Đồ thị Tri thức – được viết tắt là, KG - và trong luận án sẽ sử

dụng từ viết tắt này khi đề cập đến mô hình đề xuất Knowledge Graph cũng sẽ được định nghĩa lại một cách

chặt chẽ ở Chương 1

19

3 Khai thác mô hình đề xuất trong một hệ học trực tuyến

Hiện thực hóa một mô hình dạy học kết hợp, áp dụng cho ngữ cảnh Việt

- Đề xuất kiến trúc khung Học Tương tác Tích cực (ACeLF) làm nền tảng

cho việc xây dựng một hệ học trực tuyến

Kết quả được trình bày trong các công trình [CT5], [CT7]

Triển khai và thử nghiệm với hệ học ACeLS

Một cổng thông tin dạy học trực tuyến được thiết lập từ năm 2011 và đã

giảng dạy các học phần như: Kĩ thuật lập trình, Cơ sở dữ liệu, Công nghệ dạy

học, và Phương pháp dạy học môn Tin học có thể tham khảo tại:

- http://www.2learner.edu.vn/ACeLS

- http://www.2learner.edu.vn/ACeLS2

Bố cục luận án

Sau chương Giới thiệu này và chương cuối (4) là Kết luận và Hướng phát triển,

nội dung chính luận án được trình bày trong ba chương, mỗi chương tập trung giải quyết một nội dung đặt ra, cụ thể là:

Chương 1 –Knowledge Graph (KG) – một mô hình biểu diễn nội dung tri thức

Trình bày những vấn đề liên quan đến bài toán phát triển nội dung và đề xuất cách tiếp cận giải quyết bài toán thông qua việc biểu diễn lại nội dung tri thức với mô hình

toán học đề xuất - Knowledge Graph (KG) Mô hình được hình thức hóa dưới dạng đồ

thị để lưu trữ và biểu diễn một cách trực quan thành phần nội dung tri thức Ý tưởng của mô hình là gắn kết tính chất sư phạm vào quá trình thiết kế nội dung, qua đó nội

20

dung tri thức vừa hàm chứa tri thức sư phạm cần thiết của người giáo viên trong dạy học, vừa được tổ chức quản lý theo hướng tri thức chuyên gia để có thể tái sử dụng

Phần cuối của chương cũng đề cập đến mối tương quan giữa KG với một chương trình

đào tạo và bài toán xây dựng chương trình đào tạo

Chương 2 – Khai thác Knowledge Graph ở các ngữ cảnh dạy học khác nhau

Trình bày việc ứng dụng và khai thác mô hình KG ở góc độ lớp học trong nhiều

ngữ cảnh khác nhau Trong đó, mô hình con Sub-KG được trích xuất từ KG là thành

phần nội dung tri thức, mang ý nghĩa của kiến thức lõi dùng để thiết kế các kịch bản dạy và học khác nhau, hoặc/và khai thác trong những hoạt động dạy học Đề xuất thêm

khái niệm e-Course, mang đủ ý nghĩa của một nội dung dạy học, là sự kết hợp giữa

KG và việc thiết kế dạy học dựa trên một khuôn mẫu (do luận án đề xuất) nhằm

chuyển tải kiến thức đến người học một cách hiệu quả và hấp dẫn

Chương 3 – Khai thác Knowledge Graph trong một hệ học trực tuyến

Trình bày một cách tiếp cận để xây dựng hệ học trực tuyến phù hợp với ngữ cảnh

dạy học đại học ở Việt Nam Qua đó, luận án đề xuất mô hình đặc trưng của người học và kiến trúc khung Học Tương tác Tích cực – ACeLF, nhằm giải quyết bài toán

xây dựng một môi trường học tập trực tuyến thật sự hữu ích đối với người học, thông qua việc xây dựng một mô hình tổng quát cho các hoạt động học tập, tư vấn thông tin

và kiểm tra - đánh giá

21

CHƯƠNG 1 Knowledge Graph -

Một mô hình biểu diễn

nội dung tri thức

Tóm tắt –

Chương này trình bày những vấn đề liên quan đến bài toán phát triển nội dung dạy học và đề xuất một cách tiếp cận để giải quyết bài toán thông qua việc biểu diễn lại

nội dung tri thức với mô hình toán học được gọi là Knowledge Graph - KG Mô hình

được đề xuất dựa trên ý tưởng gắn kết tính chất sư phạm vào quá trình thiết kế nội

dung, nhằm đảm bảo rằng KG sẽ có thể khai thác tri thức một cách dễ dàng và thuận tiện trong nhiều ngữ cảnh dạy học khác nhau

Nội dung chương gồm:

− Giới thiệu bài toán phát triển nội dung dạy học và các vấn đề liên quan

− Đề xuất một biểu diễn hình thức cho nội dung tri thức: Knowledge

Graph (KG)

− Xây dựng KG cho một học phần

− Phân tích và so sánh sự tương quan của KG với chương trình đào tạo

− Xây dựng KG cho một chương trình đào tạo

22

CHƯƠNG 1 –

Knowledge Graph - Một mô hình biểu diễn nội dung tri thức 1.1 Giới thiệu

Đối với các hệ học trong môi trường đào tạo truyền thống cũng như đào tạo trực

tuyến, bài toán phát triển nội dung dạy học được xem như một trong các vấn đề chính

đối với người thiết kế hệ thống Ở khía cạnh sư phạm, nội dung dạy học có thể chia

thành hai phần: (1) thành phần tri thức khoa học – đó là, tri thức về vấn đề khoa học

nào đó cần được dạy trong một học phần hay bài học Đây cũng là phần kiến thức cốt

lõi, chính xác mà người học buộc phải hiểu và ghi nhớ; và (2) thành phần tri thức sư

phạm dùng để diễn giải và làm rõ, giúp người học có thể hiểu vấn đề và nắm bắt tri

thức khoa học một cách dễ dàng hơn Tri thức sư phạm, bản thân nó là một thành tố quan trọng giúp cho việc dạy học trở nên hiệu quả và hấp dẫn, nhưng lại thường không biểu hiện một cách tường minh khi dạy học và phụ thuộc hoàn toàn vào kĩ năng của người giáo viên Do vậy, vấn đề tin học hóa nội dung dạy học sẽ không đơn giản khi cần tồn tại cả hai thành phần: tri thức khoa học và tri thức sư phạm để có thể khai thác trong các hoạt động học tập, đặc biệt là trong môi trường có sự hạn chế giao tiếp trực tiếp giữa các đối tượng dạy và học (như ở các hệ đào tạo trực tuyến) Trong phạm vi

luận án, tri thức khoa học được dùng theo nghĩa tổng quát hơn với thuật ngữ nội dung

tri thức6

Bên cạnh đó, bài toán phát triển nội dung dạy học đối với các ứng dụng e-Learning thường gắn liền với các mô hình thiết kế dạy học để nhằm đảm bảo tính hiệu quả và hấp dẫn người học Tuy nhiên, những nghiên cứu trước đây trong lĩnh vực thiết kế dạy học thường chỉ chú trọng đến việc xây dựng các chiến lược sư phạm sao cho hiệu quả

và qua đó, đo lường mức độ sử dụng các hoạt động sư phạm của người dạy để đánh giá chất lượng dạy học, bất chấp ″nội dung của chủ đề đang dạy là gì″, ″ai đang dạy″

6 Kể từ phần này trở đi, luận án sẽ sử dụng thuật ngữ nội dung tri thức để thay thế cho tri thức khoa học Ngoài ra, có thể xem thêm phần chú giải các thuật ngữ in nghiêng ở phần Phụ lục 1

23

và ″đối tượng người học đã học, hoặc đã biết gì″; những nghiên cứu này cũng không

quan tâm đến thành phần tri thức sư phạm trong việc chuyển tải nội dung và việc tạo hiệu quả cho các hoạt động dạy-học [10][36][65] Một số nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ dạy học đã nhận thấy được tầm quan trọng của tri thức sư phạm, cũng như vấn đề khó khăn khi tích hợp các tính chất sư phạm vào nội dung dạy học và từ đó, bài toán gắn kết tính sư phạm vào việc thiết kế nội dung dạy học đã bắt đầu được nhiều sự quan tâm trong cộng đồng phát triển các hệ học ở thời gian gần đây [9][60][87]

Tiếp cận với bài toán phát triển nội dung cho các hệ học, câu hỏi chính đã được đặt

ra trong nghiên cứu của luận án là: ″Liệu có cách nào tổ chức nội dung dạy học thỏa mãn một số các tính chất sư phạm cơ bản để có thể khai thác một cách hiệu quả trong các môi trường dạy học có sự hạn chế về mặt giao tiếp giữa người dạy và người học hay không?″ Từ đó dẫn đến việc đề xuất mô hình biểu diễn nội dung tri thức và đây cũng là nội dung chính được trình bày chi tiết trong chương này

1.2 Các nghiên cứu liên quan

1.2.1 Bài toán phát triển nội dung dạy học

Thông thường, việc thiết kế nội dung dạy học7 cần được áp dụng ở mọi thành phần,

từ mức tổng quát là chương trình đào tạo cho đến đơn vị dạy học nhỏ nhất là các chủ

đề Hình 1.1.(a) diễn tả các thành phần nội dung sắp xếp theo một thứ tự từ tổng quát đến chi tiết và 1.1.(b) là một ví dụ cụ thể của chương trình đào tạo Cử nhân chuyên

ngành Khoa học Máy tính

Các thành phần này cũng được mô tả ý nghĩa một cách tường minh trong Bảng 1.1,

dựa trên quy chế đào tạo đại học ở Việt Nam và các khái niệm về thành phần nội dung của 1 hệ e-Learning [46]

7 Bài toán phát triển nội dung dạy học được nêu ở dạng tổng quát để áp dụng cho tất cả các hình thức dạy học truyền thống lẫn trực tuyến Tuy nhiên, phần này của luận án tập trung trình bày việc nghiên cứu ở nội dung dạy học trực tuyến nhằm làm rõ mục đích của việc đề xuất mô hình

24

Đối với bài toán phát triển nội dung dạy học, các thành phần như: học phần, bài

học và chủ đề học được gọi chung là đối tượng kiến thức (learning object) – viết tắt là

LO [57], mặc dù học phần và bài học thường chỉ bao gồm những thông tin mô tả

Có nhiều định nghĩa về thuật ngữ learning object, nhưng tất cả đều dựa trên một ý

tưởng chung, xuất phát từ việc tiếp cận theo tính chất tái sử dụng của lập trình hướng đối tượng8, đó là, ″tài nguyên giáo dục (số) có tính tái sử dụng″ (reusing digital

eductional resource) [103]

Hình 1.1 Mô hình tháp của nội dung dạy học (trích [46])

Tính tái sử dụng của LO được nhấn mạnh trong các nghiên cứu và phát triển hệ

học Tuy nhiên, tái sử dụng cũng chỉ là một trong những tính chất của các chuẩn Learning đưa ra để quá trình thiết kế nội dung cần nhắm đến [47][84]

8 LO: ″Tài nguyên số bất kì có thể được tái sử dụng để hỗ trợ học tập″ [30][103] Định nghĩa này vẫn còn

rất rộng và vì thế, đã xuất hiện nhiều định nghĩa về LO cụ thể hơn, có thể với những thuật ngữ hơi khác đi như:

knowledge object [63], instructional object [35], hoặc sharable content object [2]

25

Từ các định nghĩa về LO, đã dẫn đến hàng loạt nghiên cứu tiếp theo nhằm mục đích phân loại, hoặc để xây dựng nội dung dạy học dựa vào các mô hình nội dung (LO content model) Có thể kể đến một số mô hình tiêu biểu như: SCORM [29],

Learnativity Content model [30], CISCO RLO/RIO model [11], NETg Learning

Object model [56]

Bảng 1.1 Các thành phần cơ bản của nội dung dạy học

Một nguyên lý phân loại được cộng đồng phát triển ứng dụng e-Learning quan tâm

và được xem như chuẩn về nội dung, đó là LOM9

- Learning Object Metadata Trong

đó, các thành phần LO được tổ chức thành một cây phân cấp nội dung (hierarchy of

9 Nguyên lý phân loại LO theo chuẩn LOM - Learning Object Metadata cũng được biết với cách gọi khác là

Learnativity Content Model, được đề xuất bởi W Hodgins (2000) [30] – chủ tịch của hiệp hội IEEE-LTSC

26

modular content) với năm tầng [41- 43] và thiết kế giống như việc ″lắp ghép″ những

hình khối (block) của trò chơi LEGOs (xem Hình 1.2)

Năm tầng của cây phân cấp LO, gồm có: (1) raw content items – dữ liệu thô; (2)

RIO - reusable information objects – đối tượng thông tin có khả năng tái sử dụng; (3) RLO - reusable learning objects – đối tượng học có khả năng tái sử dụng, đây là sự

″lắp ghép″ các RIO thoả mãn một và chỉ một mục tiêu cụ thể nào đó; (4) lessons – bài học, là tập hợp của các RLO; và (5) course – học phần, là tập hợp của các lesson

Hình 1.2 Cây phân cấp với năm tầng nội dung (trích [41])

Đúng như tên gọi của nó, ý nghĩa về tính tái sử dụng được thể hiện rõ nét khi xem

xét hai thành phần RIO và RLO Thành phần RIO mang ý nghĩa của một khối thông tin độc lập và mỗi RIO không gắn với một mục tiêu nào cả, vì thế nó có thể tái mục đích nếu được nhận biết một cách tường minh [30] Thành phần RLO chứa đựng ″đầy đủ″

ngữ nghĩa của một đơn vị dạy học nhỏ nhất RLO có thể xem là sự ″lắp ghép″ các RIO

thành một chủ đề học đã được ngữ cảnh hoá bởi một mục tiêu đơn giản Vì vậy, nó chỉ

có thể ′tái sử dụng′ nếu khi có cùng mục tiêu [41-42] Ở cấp độ của ″tính chi tiết″

(granularity) trong nguyên lý phân loại này, thì RIO có khả năng tái sử dụng cao hơn

RLO Do mang ý nghĩa của một đơn vị thông tin, nên RIO phải được nhận biết một

cách ″thủ công″ khi cần sử dụng với một mục tiêu dạy học nào đó Trong khi đó, RLO

27

thì lại không thể ″mịn″ hơn, để có thể khai thác trong các ngữ cảnh dạy học khác nhau

Hơn nữa, một RLO có thể đã được thiết kế rất tốt trong cách trình bày nội dung đến

người học, nhưng để làm cho người học hiểu rõ và ghi nhớ phần trọng tâm bài học (nội dung tri thức), thì không chắc dễ dàng thực hiện được, vì đơn giản nó được thiết

kế từ sự tập hợp các thông tin (RIO) và việc tập hợp này có thể đã gây ra thiếu/thừa

kiến thức cần thiết, hoặc cũng có thể đã không hợp lý về thứ tự trình bày Điều này

cho thấy giữa hai thành phần RIO và RLO có một ″khoảng trống về cấu trúc″ trong việc thiết kế nội dung

1.2.2 Vấn đề gắn kết tính sư phạm vào quá trình thiết kế nội dung

1.2.2.1 Hạn chế của thiết kế dạy học và sự cần thiết phải gắn kết tính sư phạm

Quan điểm hệ thống của ID từ ban đầu dựa trên những lý thuyết dạy học gắn liền với thuyết hành vi (behaviorism), như các mô hình ID của Merrill (1983); Reigeluth &

Stein (1983); Gagné, Briggs & Wager (1992); và Dick & Carey (2001) [38][54] Gần

đây, do ảnh hưởng mạnh mẽ bởi thuyết kiến tạo nhận thức (cognitive constructivism)

và sự chuyển đổi từ phương pháp mà giáo viên làm trung tâm (teacher-centred methods) thành phương pháp dạy học lấy người học làm trung tâm (student-centred

methods) [79], dẫn đến một số lượng lớn các mô hình ID dựa trên lý thuyết kiến tạo,

như của Jonassen (1999); Dijkstra (2000); Shambaugh & Magliaro (2001); và Ertmer

& Stepich (2005) [38][54] Tuy nhiên, tất cả các mô hình này đều chú trọng đến việc yêu cầu trả lời các câu hỏi, chẳng hạn như ″cái gì sắp sửa được học?″, ″cái gì cần phải biết trước đối với chủ đề đang học?″ và ″sẽ học như thế nào?″ – để làm tiêu chí cho việc xây dựng các chiến lược sư phạm Theo đó, việc áp dụng các bước/giai đoạn của một mô hình ID nào đó chắc chắn sẽ tạo ra một chiến lược sư phạm hiệu quả

Phản bác cho quan điểm trên, học thuyết kiến tạo xã hội (social constructivism) thể hiện sự quan tâm đến cá nhân người học và các nhà giáo dục theo xu hướng này đã cho rằng, qui trình dạy học được xây dựng theo quan điểm hệ thống là có vấn đề, chẳng hạn ″không hề quan tâm đến người học sẽ học như thế nào?″, hay ″người học kiến tạo kiến thức như thế nào?″ [52][54] Vì kiến thức của con người được kiến tạo

28

thông qua việc sử dụng ngôn ngữ - trong đó, sự tiến bộ đối với hiểu biết của người học

là từng bước và được xây dựng trên các kiến thức đã biết hay đã học trước đó [89] Do vậy, không thể xem tất cả người học đều hiểu các kiến thức mới trong cùng một cách giống nhau, hay cùng một mức độ như nhau, bởi mỗi người học đều có những kinh nghiệm và khả năng nhận thức khác nhau

Tuy nhiên, lịch sử phát triển của ID đã chú trọng đến tính hiệu quả, mà quên đi

tính gắn kết [13] Trong đó, gắn kết được hiểu là sự hấp dẫn, thoả mãn nhu cầu và

phù hợp với ngữ cảnh của người học, chẳng hạn như, ″tài liệu học tập sẽ được trình bày như thế nào?″, ″hoạt động học tập nào sẽ được sử dụng với ngữ cảnh hiện tại?″ và

″loại phản hồi nào sẽ được cung cấp?″ đối với một người học cụ thể nào đó Và không may mắn khi tính chất thứ hai này lại là yếu tố ảnh hưởng đến việc tạo hứng thú và

động cơ học tập cho người học, cũng như sự thích nghi của cá nhân người học đối với

các hoạt động học tập

1.2.2.2 TPCK - một mô hình liên quan đến việc gắn kết tính sư phạm

Trở lại hai thành phần của nội dung dạy học (hay tri thức dạy học), đó là nội dung tri thức và tri thức sư phạm Các thành phần này đã là vấn đề quan tâm của một số nghiên cứu trong thập niên 80, như: Shulman [85], Grossman [36] và Gudmundsdottir

[37] Đặc biệt, Shulman [85][86] đã phát triển một khung lý thuyết với tên gọi PCK -

Pedagogical Content Knowledge, nhấn mạnh đến việc cần thiết phải đưa tri thức sư phạm vào việc thiết kế dạy học Trong đó, tri thức sư phạm là kiến thức về cách thể

hiện nội dung tri thức ở những hình thức phù hợp nhất trong quá trình giảng dạy để giáo viên có thể dạy học một cách hiệu quả và hấp dẫn đối với chủ đề/bài học [65] Do

vậy, Kanuka [51] cũng đã kết luận rằng PCK cần thiết: ″ là một thành phần thiết yếu

trong thiết kế dạy học; và là một vấn đề quan tâm cơ bản trong những nghiên cứu

tương lai.″

Sau gần 2 thập kỉ kế tiếp, hàng loạt các nghiên cứu về lĩnh vực này đã dẫn đến kết

quả là sự ra đời của mô hình TPCK – Technological Pedagogical Content Knowledge

– [1][65][92][100] Mô hình này được xem là phù hợp với quan điểm dạy học trong thời đại số hiện nay, nên đã được áp dụng rộng rãi để đào tạo giáo viên [102] và thiết

29

kế các nội dung dạy học có ứng dụng ICT [81] Trong đó, ba thành phần chính của mô

hình là content knowledge – nội dung tri thức, pedagogical knowledge – tri thức sư phạm và technological knowledge – tri thức công nghệ (xem Hình 1.3)

Hình 1.3 Các thành phần của mô hình TPCK (trích [69])

Mỗi ″phần giao″ giữa hai thành phần tri thức trong mô hình (xem Hình 1.3) đều

mang một ý nghĩa nhất định của nó Phần giao Pedagogical Content Knowledge – thể hiện được việc làm chủ được nội dung tri thức cần phải dạy và kĩ năng vận dụng phương pháp sư phạm hiệu quả, nhưng lại không mang được tính ″cập nhật″ cần thiết

của công nghệ thế kỉ 21; Phần giao Technological Content Knowledge – thể hiện được việc sử dụng công nghệ để nâng cao việc khám phá nội dung tri thức, nhưng lại hạn chế về phương pháp sư phạm, nên có thể một số người học sẽ bị ″bỏ rơi″ do ″vượt quá″ khả năng về việc sử dụng ICT và các phương pháp học tập hiện đại; Phần giao

Technological Pedagogical Knowledge – thể hiện được việc sử dụng công nghệ gắn kết và phù hợp với người học, nhưng những hoạt động học tập này có thể không đạt được mục tiêu dạy học vì không ″gắn liền″ với nội dung tri thức cần thiết Vì vậy,

phần giao ở trung tâm của ba thành phần này sẽ là Technological Pedagogical

Content Knowledge (viết tắt TPCK), đây chính là tri thức dạy học thể hiện cho sự

quan tâm ″nhiều hơn″ về tính công nghệ, ″nhiều hơn nữa″ về tính sư phạm và ″nhiều nhiều hơn nữa″ về nội dung tri thức, đồng thời cũng nhấn mạnh rằng sự cân đối của ba thành phần này trong thiết kế dạy học là cần thiết

30

1.3 Mô hình biểu diễn nội dung tri thức - Knowledge Graph

Từ các phân tích trên, luận án đề xuất một cách tiếp cận để tổ chức lại và biểu diễn hình thức cho thành phần cốt lõi của nội dung dạy học – đó là nội dung tri thức, dưới

dạng một mô hình toán học được đặt tên Knowledge Graph và viết tắt là, KG

Bàn luận thêm về tên gọi Knowledge Graph, thuật ngữ này và một số thuật ngữ tương đồng đã được sử dụng trong nhiều tài liệu khoa học với các ý nghĩa, cách dùng khác nhau như: Concept Map (Joseph D Novak, 1977) [75], Conceptual Graph (John

F Sowa, 1984), Knowledge Graph Theory (Cornelis Hoede, 1982) [76], Google’s Knowledge Graph (Google, 2012) [3] Mô hình biểu diễn tri thức được đề xuất nhằm mục đích phục vụ cho việc dạy và học, làm nền tảng cho việc xây dựng thành phần nội

dung dạy học trong các hệ học (chủ yếu là trực tuyến) Thuật ngữ Knowledge Graph

– đồ thị tri thức, chỉ là tên gọi do tác giả đặt cho mô hình của mình (kể từ lúc bắt đầu nghiên cứu vào năm 2006), dựa trên ý tưởng giải quyết bài toán biểu diễn tri thức dạy học dưới dạng toán học kết hợp với lý thuyết đồ thị Về mặt ý nghĩa và nội dung hoàn toàn không mang ý tưởng hoặc kế thừa từ các công trình nghiên cứu đã có với tên gọi tương tự

1.3.1 Đặt vấn đề

- Biểu diễn thành phần nội dung tri thức dưới dạng một mô hình toán học chặt chẽ, trong đó gắn kết thêm các tính chất sư phạm cơ bản của việc dạy học, cụ thể là 3 tính

chất: chính xác, đầy đủ và hợp lý Với các tính chất cơ bản này, nội dung tri thức nhằm

thể hiện tri thức sư phạm của người giáo viên thông qua các câu hỏi người dạy biết phải ″dạy cái gì? – WHAT?″ và ″dạy như thế nào? – HOW?″ [32][50]

- Xây dựng thành phần nội dung tri thức mang ý nghĩa của một cơ sở tri thức, làm nền tảng cho việc khai thác và phát triển nội dung dạy học đối với các hệ học

- Xây dựng nội dung tri thức cho một học phần (thể hiện qua mô hình KG), đảm

bảo được tính nhất quán của thứ tự trình bày kiến thức (tính hợp lý) Từ đó, có thể phát

sinh các kịch bản dạy/học khác nhau dựa trên mô hình con, Sub-KG trích xuất từ KG

31

1.3.2 Các giả định ban đầu

Xét khái niệm dạy học có chất lượng được hiểu theo nghĩa: ″quá trình dạy học với

sự truyền đạt kiến thức đến người học đảm bảo được các nguyên lý sư phạm cơ bản:

chính xác, đầy đủ và hợp lí″ [32][50][78] Trong đó:

- Tính chính xác của kiến thức – đảm bảo tính đúng đắn (viết gọn là, đúng)

của kiến thức, nghĩa là kiến thức truyền đạt phải tuân thủ đúng tính pháp lý của tài liệu học tập Ở đây, tài liệu học tập được xem như:

+ Với chương trình phổ thông, bao gồm: chương trình học, sách giáo khoa

và chuẩn kiến thức/kĩ năng đã được quy định trước

+ Với chương trình đại học, bao gồm: chương trình đào tạo và các chuẩn

đầu vào/đầu ra, đề cương chi tiết học phần, sách tham khảo/giáo trình

- Tính đầy đủ của kiến thức – đảm bảo cung cấp đủ hàm lượng kiến thức (viết gọn là, đủ), nghĩa là không thiếu kiến thức và hạn chế thừa kiến thức đúng theo

yêu cầu của chuẩn kiến thức/kĩ năng và mục tiêu dạy học; và

- Tính hợp lí về mặt trình tự của kiến thức – đảm bảo sự nhất quán của thứ tự

trình bày kiến thức (viết gọn là, hợp lí), cụ thể là kiến thức phải được truyền đạt

theo đúng một thứ tự trước/sau đã được định nghĩa và không xảy ra 2 tình huống

cụ thể sau:

(i) Nếu kiến thức A học trước kiến thức B và B được học trước

kiến thức C thì không tồn tại trường hợp, kiến thức A lại học liền kề ngay

trước C (xem Hình 1.4) Ở tình huống này, nếu thể hiện bằng hình vẽ thì có thể

nói một cách khác, đó là không tồn tại đồng thời đường đi trực tiếp và

đường đi gián tiếp giữa hai kiến thức A và C

(ii) Nếu kiến thức A phải học trước kiến thức B thì không tồn tại trường hợp

ngược lại, kiến thức B lại là kiến thức cần học trước A Nói một cách khác,

cũng thể hiện bằng hình vẽ cho thấy không tồn tại việc tạo thành chu trình

giữa hai kiến thức A và B

32

Minh họa cho các tình huống trên bằng hình vẽ, xem ở Hình 1.4

Hình 1.4 Minh họa vi phạm tính hợp lý của thứ tự trình bày kiến thức

Giả định rằng tập tri thức khoa học cần thiết dùng cho dạy học đã được định nghĩa

từ các chuyên gia sư phạm dựa trên các tính chất chính xác và đầy đủ như đã nêu Ta

có, tập các nội dung tri thức dùng để định nghĩa KG cho một chương trình đào tạo hay

một học phần Kí hiệu cho tập nội dung tri thức là U và gọi:

U c là tập nội dung tri thức của một chương trình đào tạo;

U e là tập nội dung tri thức của một học phần

Và việc xây dựng nội dung tri thức cho một học phần cụ thể được thực hiện dựa trên chương trình đào tạo đã có (như khung chương trình, các học phần và đề cương)

1.3.3 Cơ sở toán học

Định nghĩa 1.1 (Ý giảng chính - Prime idea): Ý giảng chính là đơn vị kiến thức cơ

sở (nhỏ nhất) cần hiểu và ghi nhớ về chủ đề (nội dung) đang học, được diễn tả bằng một đoạn văn không gây nhập nhằng

Từ phần này trở đi, luận án sẽ sử dụng kiểu viết tắt PI, hoặc kí hiệu ρ để thay thế cho thuật ngữ ý giảng chính và đôi khi viết thêm chỉ số cho kí hiệu ρ, chẳng hạn như

ρ x , ρ y , …, ρ 1 , ρ 2 , … Theo các giả định ban đầu, ta có: ρ x∈ U e 10

33

- Không thể chia cắt Theo định nghĩa PI là kiến thức cơ sở, nên nội dung

không thể chia cắt Nếu một PI có thể chia cắt thành ρ 1 và ρ 2, thì PI đó không còn nhỏ nhất và theo định nghĩa nó sẽ không là ý giảng chính, mà ρ 1 , ρ 2 mới có

thể là ý giảng chính Hay được hiểu theo ngữ nghĩa toán học, PI là lượng kiến

thức mang tính nguyên tố (primality) cần hiểu và ghi nhớ về chủ đề đang học

- Rõ ràng Nội dung phát biểu về PI phải đơn nghĩa Nghĩa là, người học

chỉ có một cách để hiểu ý nghĩa của phát biểu đó

(2) PI đảm bảo tính đúng và đủ của lượng kiến thức về chủ đề Điều này, phụ

thuộc vào việc định nghĩa của các chuyên gia sư phạm hoặc chuyên gia thiết kế

(3) Trong thực tế cài đặt, PI còn có thêm một số thuộc tính phụ để phục vụ việc tìm

kiếm và khai thác trong quá trình dạy học, như trong Bảng 1.2

Bảng 1.2 Các thuộc tính phụ của Ý giảng chính – PI

Định nghĩa 1.2 (Kiến thức tiên quyết): Cho trước ρ x và ρ y là hai PI khác nhau, ρ x được gọi là kiến thức tiên quyết của ρ y , kí hiệu là, ρ x ≺ ρ y , nếu và chỉ nếu ρ x phải

được học trước khi cần học kiến thức ρ y

Định nghĩa 1.3 (Điều kiện cần): Cho trước ρ x và ρ y là hai PI khác nhau, ρ x được

gọi là điều kiện cần của ρ y , kí hiệu là, ρ x ≺ ρ y , nếu tồn tại tập S = {ρ j ∈ U e ; j = 1,

2, …, n ; n ≥ 2}, sao cho: ρ x = ρ 1 ≺ ρ 2 ≺ … ≺ ρ n-1 ≺ ρ n = ρ y

Định nghĩa 1.4 (Điều kiện cứng): Cho trước ρ x và ρ y là hai PI khác nhau, ρ x được

gọi là điều kiện cứng của ρ y , kí hiệu là, ρ x ≺h ρ y , nếu ρ x và ρ y thỏa Định nghĩa 1.3 trong trường hợp n = 2

34

Nhận xét 1.2 Nếu ρ x là điều kiện cứng của ρ y thì ρ x cũng là điều kiện cần của ρ y

Định nghĩa 1.5 (Hai PI độc lập nhau): Cho ρ x và ρ y là hai PI khác nhau ρ x được

gọi là độc lập với ρ y , kí hiệu là, ρ x ∥ ρ y , nếu ρ x không là điều kiện cần của ρ y và ρ y cũng không là điều kiện cần của ρ x

Định nghĩa 1.6 (Tập điều kiện cần): Tập điều kiện cần của ρ x , kí hiệu là, ,

được định nghĩa: = { ρ j∈ U e / ρ j ≺ ρ x }

Định nghĩa 1.7 (Tập điều kiện cứng): Tập điều kiện cứng của ρ x , kí hiệu là, ,

được định nghĩa: = { ρ j∈ U e / ρ j≺h ρ x }

Định nghĩa 1.8 (Đồ thị tri thức của một học phần):

Cho = { / ∈ } Từ tập P ta xây dựng một đồ thị có hướng, kí hiệu là G e

như sau: G e = (V, E) Trong đó, tập đỉnh V = P và tập các cung có hướng E

bằng mũi tên đi từ đỉnh đến đỉnh

Thỏa hai điều kiện sau:

(i ) Không tồn tại đồng thời đường đi trực tiếp và gián tiếp giữa hai đỉnh,

nghĩa là: ∀ , ∈ , ∄[( ≺ ) ∧ ( ≺ )]

(ii) Không có chu trình, nghĩa là: ∀ , ∈ , ∄[( ≺ ) ∧ ( ≺ )]

Đồ thị G e này được gọi là đồ thị tri thức – Knowledge Graph và viết tắt là KG

Định nghĩa 1.12 (Đồ thị tri thức con): Cho trước 0 = (V, E) là một KG Đồ thị tri

thức con của KG, viết tắt là Sub-KG, được định nghĩa là một graph, kí hiệu 01 2#̀:

01= (V’, E’) Trong đó, V’ ⊆ V và E’ = {( , ) ⊆ E / , ∈ ′}

1.4 Giải thuật xây dựng KG cho một học phần

1.4.1 Ý tưởng chính

- Cho trước tập các ý giảng chính P, và định nghĩa tập các điều kiện cứng của

một học phần như sau : = ∪ , ∀ ∈

- Giải thuật sẽ xây dựng ma trận kề A của đồ thị G e sao cho đảm bảo tính hợp lý

của một KG, cụ thể là thỏa điều kiện (i) và (ii) của Định nghĩa 1.8

Gọi G e = (V, E) là đồ thị tri thức sẽ xây dựng, với:

V = {v 1 , v 2 , , v n}; và

E = {(2 , 2 )/6(2 ) ≺ 6(2 )}

Trong đó, song ánh f : ⟶ P

Ma trận kề A, với " = (#$ )!×! , được quy ước như sau:

a ij = 0: không có cung có hướng nối từ v i đến v j

a ij = 1: tồn tại cung có hướng nối từ v i đến v j

Bên cạnh đó, giải thuật sử dụng thêm hai ma trận B và W để lưu giữ lại cung bị loại

bỏ và độ dài đường đi với mục đích để tái sử dụng khi cần khai thác KG

Ma trận cung loại bỏ B, với 9 = (:$ )!×! , được quy ước như sau :

36

b ij = 0: không có cung bị loại bỏ từ v i đến v j

b ij = 1: có cung bị loại bỏ từ v i đến v j

Ma trận đường đi W, với ; = (<$ )!×! , được quy ước như sau

w ij = 0: không tồn tại đường đi nối từ v i đến v j

w ij = 1: có đường đi trực tiếp nối từ v i đến v j (nghĩa là, $ ≺ )

w ij >1: có đường đi gián tiếp nối từ v i đến v j (nghĩa là, $ ≺ )

Giải thuật sẽ cập nhật lại giá trị w ij bằng cách thêm 1 đơn vị, mỗi khi đường đi từ

v i đến v j đi qua thêm một cung nối trung gian Do đó, dựa trên ma trận W có thể biết

được độ dài của đường đi (Dij) từ v i đến v j , cụ thể là Dij = max(w ij)

- Ý tưởng chính: giải thuật duyệt lần lượt các đỉnh v của tập V và cập nhật giá trị

cho các ma trận A, B, W dựa vào việc kiểm tra trên tập điều kiện cứng của v ( =) Để

đơn giản kí hiệu khi trình bày, ta sẽ kí hiệu cung (v i , v j ) là (i, j) Phần xử lý chính của

giải thuật là hàm Kiểm tra tính hợp lý được xét với từng cung có hướng mới thêm (i,

j) để cập nhật các ma trận A, B và W (xem Hình 1.5) Hàm Kiểm tra tính hợp lý, sẽ

thực hiện các bước như sau:

Bước 1: Nếu tồn tại một đường đi từ đỉnh j → i

// Loại bỏ đường đi tạo thành chu trình

Loại bỏ cung có hướng mới thêm vào (i, j): cập nhật ma trận A, B

Bước 2: Ngược lại,

// Loại bỏ đường đi trực tiếp, khi đã tồn tại đường đi gián tiếp giữa 2 đỉnh

(1) Nếu tồn tại đường đi gián tiếp từ đỉnh i → j:

Loại bỏ đường đi trực tiếp từ đỉnh i → j: Cập nhật ma trận A, B (2) Ngược lại,

(2.1) Thiết lập đường đi trực tiếp từ đỉnh i → j: Cập nhật ma trận W

(2.2) Nếu tồn tại đường đi gián tiếp từ đỉnh k → i

37

(2.2.1) Loại bỏ đường đi trực tiếp từ đỉnh k → j nếu có:

Cập nhật ma trận A, B

(2.2.2) Cập nhật ma trận W

(2.2.3) Nếu tồn tại đường đi gián tiếp từ đỉnh j → l

(i) Loại bỏ đường đi trực tiếp từ đỉnh k → l nếu có:

Cập nhật ma trận A, B

(ii) Cập nhật ma trận W

(2.3) Nếu tồn tại đường đi gián tiếp từ đỉnh j → l

(2.3.1) Loại bỏ đường đi trực tiếp từ đỉnh i → l nếu có:

Cập nhật ma trận A, B

(2.3.2) Cập nhật ma trận W

Hình 1.5 Minh họa giải thuật Kiểm tra tính hợp lý

Hình 1.5 minh họa, i và j là 2 đỉnh

đang xét, khi thêm vào một cung có

hướng giữa i và j, nghĩa là có đường

38

1.4.2 Giải thuật chi tiết

Giải thuật 1.1 Xây dựng KG cho một học phần

1 Tạo đồ thị KG (sơ đồ khối giải thuật trình bày ở Hình 1.6)

(2) Khởi gán ma trận cung loại bỏ B: ∀i, j ∈ V, B[i][j] = 0

(3) Khởi gán ma trận đường đi W: ∀i, j ∈ V, W[i][j] = 0

(4) Duyệt từ đầu đến cuối tập đỉnh V

39

(2) Chọn x ∈ S

(3) Thêm cung (x, v) vào đồ thị KG e⇔ A[x][v] = 1

(4) Kiểm tra tính hợp lý - với cung (x,v) mới thêm vào

(5) S = S \ {x}

(6) Nếu S ≠ ∅, quay lại bước (2)

3 Kiểm tra tính hợp lý (sơ đồ khối giải thuật trình bày ở Hình 1.7)

// ***Kiểm tra phát sinh chu trình và loại bỏ

B.1 Nếu W[j][i] ≠ 0 thì // tạo thành chu trình

A[i][j] = 0 // bỏ cung mới thêm vào

B[i][j] = 1 // cập nhật cung bị loại bỏ

// ***Kiểm tra đường đi trực tiếp (khi đã tồn tại đường đi gián tiếp) và loại bỏ B.2 Ngược lại,

(1) Nếu W[i][j] > 1 thì // tồn tại đường đi gián tiếp từ đỉnh i đến đỉnh j

A[i][j] = 0 // bỏ cung mới thêm vào B[i][j] = 1 // cập nhật cung bị loại bỏ

(2) Ngược lại // cập nhật đường đi từ đỉnh i đi đến đỉnh j

(2.1) W[i][j] = 1

(2.2.2) Nếu W[k][j] < W[k][i] + W[i][j]

(ii) Nếu W[k][l] < W[k][i] + W[i][j] + W[j][l]

(2.3.2) Nếu W[i][l] < W[i][j] + W[j][l]

W[i][l] = W[i][j] + W[j][l]