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

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 2 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và sự kính trọng sâu sắc đối với PGS. TS. Trần Văn Hạo và GS. TS. Axel Hunger, những người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tôi luôn được các Thầy tạo điều kiện tốt nhất để nghiên cứu và học tập trong nước và kể cả ngoài nước, cũng như dành nhiều thời gian quý báu để trao đổi và cùng làm việc với tôi. 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 động viên để giúp tôi học tập và nghiên cứu. 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 ADL Advanced Distributed Learning AEHS Adaptive Educational Hypermedia System AeLS Adaptive e-Learning System AHS Adaptive Hypermedia 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 CMS Course Management System CSCL Computer-Supported Collaborative Learning ICT Information and Communication Technology ID Instructional Design ISD Instructional System Design IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IMS Instructional Management Systems IMS GLC IMS Global Learning Consortium IO/RIO Information Object/Reusable Information Object IT Information Technology ITS Intelligent Tutoring System KG Knowledge Graph 7 LCMS Learning Content Management System LIP IMS Learner Information Package LMS Learning Management System LO/RLO Learning Object/Reusable Learning Object LOM Learning Object Metadata LTSC Learning Technology Standards Committee (IEEE -LTSC) PC Personal computer PCK Pedagogical Content Knowledge PI Prime Idea RIO Reusable Information Object RLO Reusable Learning Object SCO SCORM Object SCORM Sharable Content Object Reference Model Sub-KG Subordinate Knowledge Graph TEL Technology-Enhanced Learning TPCK/TPACK Technological Pedagogical Content Knowledge UNESCO United Nations Educational Scientific and Cultural Organization VLE Virtual Learning Environment 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 G c 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-KG 1 và Sub-KG 2 với các tập mục tiêu đã cho 74 9 Hình 2.5. Minh họa các Sub-KG được trích xuất với S I ,S O 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 [...]... khung làm nền tảng phát tri n 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 tri n nội dung dạy học hoặc/và khai thác trong các hoạt động học tập của những ứng dụng... 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... theo hướng phát tri n 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 17 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... [102] và thiết 28 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... 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 tri n 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... 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 tri n 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),... cộng tác; - 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] Tri n 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. .. 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 29 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. .. 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... 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 Nam, cụ thể là: - Đề xuất mô hình đặc trưng người dùng thông qua nghiên cứu và khảo sát dựa trên đặc điểm và thói quen học tập của sinh viên Việt Nam; - Xây dựng một chiến lược sư phạm cụ thể cho các hoạt động học tập tương ứng trong hệ thống, cụ thể là: hoạt động tự học, học nhóm và học . 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. 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. lớp học. 88 Hình 3. 1. Cấu trúc tổng quát của Learner Profile 100 Hình 3. 2. Minh họa cách tiếp cận phát tri n mô hình ACeLF 102 Hình 3. 3. Mô hình cho chiến lược sư phạm của ACeLF 104 Hình 3. 4.