1
Lời cảm ơn :
Đầu tiên, chúng em xin cảm ơn Bộ môn Công Nghệ Phần Mềm – Khoa Công
nghệ thông tin đã hỗ trợ về tài liệu, máy móc cho chúng em thực hiện khóa luận
này. Chúng em cũng thực sự cảm ơn Thầy Lê Hoài Bắc đã hướng dẫn tận tình trong
suốt quá trình thực hiện khoá luận. Và cuối cùng, chúng em cảm ơn các thầy cô và
các bạn trong Khoa đã ủng hộ và nhiệt tình giúp đỡ cho chúng em hoàn thành khoá
luận.
Ngày 20 tháng 07 năm 2005
2
Mục lục :
Phần giới thiệu ………………………………………………………………………………………..7
Tóm tắt luận văn ………………………………………………………………………………………9
Chương 1
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)…………………………..10
1.1/
Định nghĩa ………………………………………………………………………………………….10
1.2/
Mục đích…………………………………………………………………………………………….11
1.3/
Sơ lược về lịch sử hình thành ……………………………………………………………….12
1.3.1/
Trí tuệ nhân tạo (AI- Artificial Intelligence) ……………………………………12
1.3.2/
Những hệ thống hướng dẫn hỗ trợ dựa máy tính……………………………….12
1.3.3/
Sự rèn luyện và đào sâu thích hợp ………………………………………………….13
1.3.4/
Sự khủng hoảng của Trí tuệ nhân tạo và Tâm lý học giáo dục ……………14
1.3.5/
Trí tuệ nhân tạo và Hệ thống dạy học thông minh (AI – ITS)……………..14
1.3.6/
Vai trò của khoa học nhận thức ……………………………………………………..16
1.4/
Những thách thức đối với các hệ thống ITS…………………………………………….18
1.5/
Sơ lược về kiến trúc của một hệ thống ITS …………………………………………….22
1.5.1/
Mô hình lĩnh vực (Tri thức về lĩnh vực ) …………………………………………23
1.5.2/
Mô hình người học………………………………………………………………………..27
1.5.3/
Mô hình dạy học ………………………………………………………………………….29
1.5.4/
Giao diện của hệ thống …………………………………………………………………30
1.6/
Kết luận …………………………………………………………………………………………….32
Chương 2
Những công cụ soạn thảo ITS………………………………………………………33
2.1/
Giới thiệu …………………………………………………………………………………………..33
2.2/
Công cụ soạn thảo ITS – Mục đích ………………………………………………………..34
2.2.1/
Công cụ soạn thảo ITS ………………………………………………………………….34
2.2.2/
Mục đích …………………………………………………………………………………….38
2.3/
So sánh giữa ESS (Expert System Shells) và ITSAT ………………………………39
2.4/
Những yêu cầu của một ITSAT …………………………………………………………….42
2.4.1/
Tái sử dụng ………………………………………………………………………………….42
2.4.2/
Kiểm soát hệ thống ………………………………………………………………………45
3
2.4.3/
Những chú thích bằng hình ảnh cho sự đạt được tri thức …………………..47
2.4.4/
Phát triển những giao diện lĩnh vực ………………………………………………..48
2.4.5/
Tính tổng quát và riêng biệt …………………………………………………………..50
2.5/
Dạy học những kĩ năng thủ tục …………………………………………………………….53
2.6/
Giới thiệu một vài công cụ soạn thảo …………………………………………………….55
2.6.1/
Sự phân loại theo tác vụ và dạy học ……………………………………………….56
2.6.1.1/
Sự sắp thứ tự và lên kế hoạch môn học……………………………………..60
2.6.1.2/
Những chiến lược dạy học ………………………………………………………61
2.6.1.3/
Giả lập thiết bị và huấn luyện thiết bị………………………………………..62
2.6.1.4/
Hệ chuyên gia lĩnh vực …………………………………………………………..63
2.6.1.5/
Loại đa tri thức ……………………………………………………………………..64
2.6.1.6/
Mục đích đặc biệt ………………………………………………………………….65
2.6.1.7/
Chương trình dạy học dựa trên media thích ứng / thông minh …….66
2.6.2/
Soạn thảo nội dung của một ITS …………………………………………………….66
2.6.2.1/
Soạn thảo giao diện ……………………………………………………………….67
2.6.2.2/
Soạn thảo mô hình lĩnh vực …………………………………………………….68
2.6.2.2.1/ Những mô hình của tri thức và cấu trúc lĩnh vực…………………….68
2.6.2.2.2/ Sự giả lập và những mô hình ……………………………………………….69
2.6.2.2.3/ Những mô hình của chuyên môn lĩnh vực …………………………….69
2.6.2.2.4/ Loại tri thức lĩnh vực ………………………………………………………….70
2.6.2.3/
Soạn thảo mô hình dạy học …………………………………………………….70
2.6.2.3.1/ Những hệ thống dựa kế hoạch ……………………………………………..71
2.6.2.3.2/ Đa chiến lược……………………………………………………………………..71
2.6.2.3.3/ Từ vựng cho hoạt động dạy học …………………………………………..72
2.6.2.4/
Soạn thảo mô hình người học…………………………………………………..72
2.6.3/
Những phương pháp soạn thảo và phương pháp đạt được tri thức ………72
2.7/
Kết luận ……………………………………………………………………………………………..73
Chương 3
Phát triển ITS sử dụng Cấu trúc tri thức……………………………………..75
3.1/
Giới thiệu……………………………………………………………………………………………75
4
3.2/
Phạm vi lĩnh vực …………………………………………………………………………………76
3.3/
Phương pháp luận khái niệm hoá ………………………………………………………….77
3.4/
Cấu trúc Tri thức ………………………………………………………………………………..80
3.4.1/
Định nghĩa …………………………………………………………………………………..80
3.4.2/
Tính chất …………………………………………………………………………………….80
3.4.3/
Các Cấu trúc tri thức……………………………………………………………………..81
3.4.3.1/
Cấu trúc Tri thức 1 …………………………………………………………………81
3.4.3.2/
Cấu trúc Tri thức 2 …………………………………………………………………82
3.4.3.3/
Cấu trúc Tri thức 3 …………………………………………………………………84
3.4.3.4/
Cấu trúc Tri thức 4 …………………………………………………………………85
3.4.3.5/
Cấu trúc Tri thức 5 …………………………………………………………………86
3.4.3.6/
Cấu trúc Tri thức 6 …………………………………………………………………87
3.5/
Các đối tượng chính được thực hiện trên Câu trúc tri thức………………………..89
3.5.1/
Danh mục các đối tượng đơn giản ………………………………………………….89
3.5.2/
Sự tuần tự của các đối tượng ………………………………………………………….89
3.5.3/
Cặp các đối tượng ………………………………………………………………………..89
3.6/
Những người sử dụng của hệ thống ………………………………………………………89
3.7/
Kiến trúc của hệ thống …………………………………………………………………………92
3.7.1/
Cấu trúc tri thức ( Tri thức lĩnh vực ) ……………………………………………..93
3.7.2/
Bộ giả lập ……………………………………………………………………………………94
3.7.3/
Bộ soạn thảo ………………………………………………………………………………..97
3.7.4/
Bộ đánh giá …………………………………………………………………………………99
3.8/
Sự mô tả xử lý bên trong hệ thống ………………………………………………………100
Kết luận và Hướng phát triển ……………………………………………………………………..102
Phụ lục ……………………………………………………………………………………………………….107
5
Bảng các hình vẽ :
Ký hiệu
Tên hình vẽ
H1.1
Các thành phần của hệ thống ITS
H1.2
Những vấn đề trong việc phát triển hệ thống ITS
H1.3
Mô hình ITS thông thường
H1.4
Biểu diễn tri thức trên InfoMap
H1.5
Một định nghĩa XML Schema cho một thực thể trong Mô hình
lĩnh vực
H1.6
Màn hình chính của hệ thống CIRCSIM-Tutor
H2.1
Tổng quan về môi trường phát triển ITS
H2.2
Sự phân chia kĩ thuật biểu diễn và tri thức lĩnh vực
H2.3
Những thành phần với sự phụ thuộc và sự độc lập lĩnh vực
H2.4
Chia sẻ tri thức lĩnh vực độc lập
H2.5
Hai hướng tiếp cận đến phát triển giao diện
H2.6
Sự phân chia giao diện ITS
H2.7
Phân chia những thành phần ITS
H3.1
Theo một tiêu chuẩn được chọn trước
H3.2
Tổ chức các thành phần tạo thánh các danh mục
H3.3
Hình thành sự tuần tự
H3.4
Hoàn chỉnh sự tuần tự
H3.5
Thiết lập các mối liên kết chính xác
H3.6
Thiết lập đa liên kết
H3.7
Giáo viên trong vai trò là “người xây dựng bài tập”
H3.8
Giáo viên trong vai trò là “người sử dụng”
H3.9
Kiến trúc hệ thống và Sự tương tác giữa người sử dụng và hệ
thống
H3.10
Cấu trúc tri thức gắn với giao diện soạn thảo
H3.11
Giao diện giả lập bài tập sử dụng Cấu trúc tri thức về sự tuần tự
6
H3.12
Giao diện giả lập bài tập sử dụng Cấu trúc tri thức về sự liên kết
H3.13
Trình soạn thảo cho đối tượng với Cấu trúc tri thức tuần tự
H3.14
Trình soạn thảo cho việc xác định các đối tượng âm thanh với
Cấu trúc tri thức về sự liên kết
H3.15
Quá trình xử lý và người dùng trong hệ thống
H3.16
Màn hình giả lập bài tập Dạng đầu tiên mà Trẻ làm
H3.17
Từ lĩnh vực đến bài tập
Bảng các Bảng :
Ký hiệu
Tên bảng
Bảng 1.1
Những giả định ACT* và những nguyên tắc liên quan cho việc
dạy học được thực thi trên máy tính.
Bảng 2.1
Danh mục phân loại những ITSAT
Bảng 2.2
Sức mạnh và giới hạn của những ITSAT theo danh mục
Bảng các ký hiệu và chữ viết tắt :
Ký hiệu
Tên ký hiệu hoặc chữ viết tắt
ITS
Intelligent Tutoring System
ITSAT
Intelligent Tutoring System Authoring Tool
CAI
Computer Aided Intruction
CBT
Computer-Based Training
AI
Artificial Intelligence
ESS
Expert System Shells
Ius
Instruction Units
Phần giới thiệu :
7
Giáo dục là một trong những lĩnh vực được áp dụng sớm nhất của máy tính.
Nhiều hệ thống dạy học đã ra đời để đáp ứng nhu cầu học tập của con người. Tuy
thật phát triển nhưng người ta thấy rằng những hệ thống này chỉ đơn thuần là “dạy”
mà không có bất kỳ chiến lược dạy học và hướng dẫn nào cho từng loại người học
khác nhau, cũng như không đánh giá được quá trình học của người học. Từ đó
những hệ thống dạy học thông minh (ITS – Intelligent Tutoring System) đã ra đời
dựa trên những hệ thống dạy học truyền thống mà được thêm vào các thành phần
“thông minh” trên.
Những hệ thống ITS là những hệ thống đang được nghiêu cứu nhiều trên thế
giới. Người ta hi vọng rằng chúng có thể thay thế những hệ thống dạy học truyền
thống. Tuy đây là một hướng tiếp cận đầy tiềm năng nhưng do gặp nhiều khó khăn
không lường trước nên những hệ thống ITS đã phát triển không như mong đợi. Vì
vậy chúng chỉ mới đang ở giai đoạn đầu phát triển.
Mục tiêu :
Nghiêu cứu những hệ thống này, khóa luận chỉ muốn đạt được những mục
tiêu sau :
• Trình bày thế nào là hệ thống dạy học thông minh (ITS)?
• Kiến trúc và cách thức hoạt động của một hệ thống ITS?
• Những hướng tiếp cận để xây dựng hệ thống ITS?
• Cuối cùng sẽ áp dụng trong một lĩnh vực cụ thể.
Nội dung trình bày :
Như những mục tiêu đã đề ra ở trên, khóa luận sẽ nghiên cứu những vấn đề
sau :
• Trình bày khái niệm, kiến trúc và cách thức hoạt động cơ bản của hệ
thống ITS.
• Trình bày một hướng tiếp cận mới để xây dựng hệ thống ITS: đó là
công cụ soạn thảo ITS (ITSAT – ITS Authoring Tool).
8
• Trong phần áp dụng : khác với phần mục tiêu đã đề ra, mục đích
chính trong phần này mà khóa luận muốn trình bày là :
o Nghiêu cứu và xây dựng một phương pháp để biểu diễn tri thức
lĩnh vực.
o Xây dựng ITS thành một công cụ hỗ trợ giáo viên xây dựng bài
tập dựa trên những tri thức trên.
• Cùng với 2 mục đích chính trên, khóa luận cũng sẽ trình bày thêm
những phần tạo thành một hệ thống ITS hoàn chỉnh.
Kết quả :
¾ Về phần lý thuyết, khóa luận trình bày nghiên cứu đầy đủ về hệ thống ITS
như trong phần nội dụng đã nêu.
¾ Về phần áp dụng : mục đích của khóa luận không phải là nghiên cứu và xây
dựng một hệ thống ITS hoàn chỉnh mà mục đích chính của như trình bày
trong phần nội dung là xây dựng ITS thành một công cụ giúp cho giáo viên –
những người không cần biết lập trình – có thể soạn thảo bài tập bằng cách sử
dụng những tri thức đã được lưu trữ trong hệ thống cùng với một số thành
liên quan.
Tóm tắt khóa luận :
9
Khóa luận này nghiên cứu về những hệ thống hỗ trợ dạy học thông minh
(Intelligent Tutoring Systems – ITS). Đây là những hệ thống dạy học hiện đại (so
với các phần mềm dạy học truyền thống) đã và đang được nghiên cứu nhiều trong
các trường đại học và phòng thí nghiệm trên thế giới. Và mục đích chính của khóa
luận này là sẽ nghiên cứu và xây dựng một hệ thống ITS cho một lĩnh vực được
chọn. Đây là một công cụ được xây dựng để hỗ trợ cho người dạy (giáo viên…) mà
không cần phải biết lập trình có thể phác thảo ra các bài tập giảng dạy về một lĩnh
vực nào đó dựa trên máy tính. Người dạy tạo ra những bài tập trên bằng cách sử
dụng Tri thức được lưu trữ trong máy tính, chọn ra những nội dung phù hợp theo
yêu cầu để hệ thống tự phát sinh. Ngoài ra hệ thống còn xây dựng một “bộ giả lập”
để người học (trẻ …) có thể tự rèn luyện những bài tập đã soạn bởi người dạy. Quá
trình này được kiểm soát và đánh giá bởi người dạy và hệ thống ( cụ thể là Module
hướng dẫn và Module đánh giá). Khóa luận được nghiên cứu thành 3 phần chính.
Phần đầu sẽ trình bày tổng quan về các hệ thống dạy học thông minh (ITS) (Chương
1). Phần thứ hai khoá luận muốn mô tả những công cụ soạn thảo ITS (ITSAT)
(Chương 2). Phần cuối của khóa luận sẽ nghiên cứu và xây dựng hệ thống ITS sử
dụng Cấu trúc tri thức (Chương 3).
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
10
Chương 1 : Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring
Systems)
1.1/
Định nghĩa :
Song song với việc thiết kế hướng dẫn và phần mềm dạy học, hệ thống dạy học
thông minh (ITS) đã được phát triển. ITS là hệ thống hướng dẫn dựa trên máy tính với
những mô hình nội dung hướng dẫn xác định cái gì được dạy và những chiến lược dạy
học xác định cách để dạy. ITS là một trong những đóng góp quan trọng của trí tuệ nhân
tạo đối với giáo dục. Hầu hết ITS có lõi là một hệ chuyên gia. Mỗi ITS phải có 4 thành
phần chính (Hình 1.1) :
• Mô hình của tri thức lĩnh vực (Mô hình lĩnh vực).
• Mô hình người học.
• Những chiến lược dạy học được mô hình hoá (Mô hình dạy học).
• Một thành phần giao tiếp giữa hệ thống và người học (Giao diện hệ thống) .
H1.1: Các thành phần của hệ thống ITS
Giao diện
Mô hình
người học
Mô hình dạy
học
Mô hình lĩnh
vực
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
11
1.2/
Mục đích :
Việc sử dụng máy tính như một công cụ giảng dạy sớm được xem xét trong sự
phát triển của máy tính. Sự phát triển của “giáo viên nhân tạo” là lý tưởng của lĩnh vực
này. Sự tự động của toàn bộ hệ thống giảng dạy sẽ cung cấp nhiều thuận lợi bao gồm
lợi ích của việc dạy học 1-1, có hiệu quả về mặt chi phí, việc tái sử dụng và tiêu chuẩn
hoá những nguồn tài nguyên và môi trường học mang tính cá nhân hơn. Thật không
may, sự phức tạp của quá trình học và dạy đã làm cho ý tưởng này không thực hiện
được.
Việc sử dụng hệ thống hỗ trợ dạy học dùng máy tính cung cấp nhiều thuận lợi
hơn so với việc tiếp cận phương pháp giảng dạy truyền thống. Người học sẽ nhận được
thông tin phản hồi ngay lập tức khi mà việc chấm điểm được thực hiện một cách tự
động. Thêm vào đó, với việc huấn luyện dựa trên máy tính thì thời gian hướng dẫn sẽ
phụ thuộc vào khả năng của cá nhân người đó chứ không như trong lớp học truyền
thống thời gian này phụ thuộc vào khả năng của người học kém nhất lớp.
Đối với nhiều người học, môi trường học trên máy tính ít có tính nghiêm túc
hơn là trong lớp học truyền thống.
Môi trường máy tính cung cấp những sự hướng dẫn trực tiếp và trong nhiều
trường hợp việc học qua máy tính sẽ tốn ít chi phí hơn những thiết bị đặc biệt mắc tiền
và nguy hiểm. Việc đào tạo chất lượng cao trở thành có giá trị ở những vùng xa và sự
hướng dẫn có thể gởi đến người học vì thế người hướng dẫn sẽ không cần phải đi xa và
trang thiết bị không cần phải vận chuyển.
Những nghiên cứu về hệ thống này đã chỉ ra rằng: người học được giảng dạy
bởi ITS sẽ học nhanh hơn và tốt hơn những người học tham gia các lớp học chung.
Ví dụ: Ở trường đại học Carnegie Mellon, các nhà nghiên cứu đã phát triển một
hệ thống ITS gọi là LISP Tutor vào giữa những năm 1980 để dạy những kỹ năng lập
trình máy tính cho sinh viên. Một cuộc khảo sát đã cho thấy, 43% sinh viên sử dụng hệ
thống ITS có số điểm cao hơn những sinh viên học theo lối truyền thống. Khi đưa ra
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
12
những vấn đề lập trình phức tạp những sinh viên học theo lối truyền thống sẽ tốn nhiều
hơn 30% thời gian so với những sinh viên được học từ ITS.
Nhưng cũng tồn tại nhiều bất lợi trong môi trường huấn luyện được hỗ trợ của
máy tính. Môi trường này không uyển chuyển bằng môi trường dạy học thông thường .
Chế độ trao đổi thông tin giữa giáo viên và người học bị giới hạn. Những phản ứng của
sinh viên phải nằm trong sự đoán trước của hệ thống. Những câu hỏi không mong đợi
của người học chỉ nhận về những phản hồi không tương xứng.
1.3/
Sơ lược về lịch sử hình thành :
1.3.1/ Trí tuệ nhân tạo (AI- Artificial Intelligence) :
Những hệ thống dạy học thông minh (ITS) có một lịch sử rất thú vị, bắt
nguồn từ sự phát triển của Trí tuệ nhân tạo (AI) vào cuối thập niên 1950 và đầu thập
niên 1960. Sau đó, các nhà nghiên cứu Trí tuệ nhân tạo như Alan Turing, Marvin
Minsky, John McCarthy, và Allen Newell nghĩ rằng máy tính có thể “suy nghĩ như con
người”. Rất nhiều người nghĩ rằng sự ràng buộc chính cho mục đích này là sự tạo ra
những máy tính to hơn và nhanh hơn. Người ta dường như có lý để giả định rằng một
khi chúng ta đã tạo ra những máy móc có thể suy nghĩ chúng có thể thực hiện bất cứ
tác vụ nào mà chúng ta liên kết với suy nghĩ của con người, chẳng hạn sự hướng dẫn.
1.3.2/ Những hệ thống hướng dẫn hỗ trợ dựa máy tính :
Trong thập niên 1960, những nhà nghiên cứu đã tạo ra một khối lượng nhiều các
hệ thống hướng dẫn hỗ trợ dựa máy tính mà có khả năng phát sinh. Những chương
trình này phát sinh các tập các vấn đề được thiết kế để nâng cao hiệu suất người học
trong những lĩnh vực dựa kĩ năng, đại số cơ bản, và khả năng nhớ lại từ vựng. Về cơ
bản, đây là những hệ thống tự phát sinh, được thiết kế để trình bày cho người học một
vấn đề, nhận và ghi lại những phản hồi của người học, và lập bảng kê tất cả khả năng
của người học về tác vụ đó. Hầu hết những nổ lực của người thiết kế hệ thống được
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
13
dành cho sự móc hàm với những thách thức kĩ thuật của việc lập trình những hệ thống
này trên các máy tính tương đối cồng kềnh và đắt đỏ về thời gian. Những hệ thống này
không cho ra những phiên bản một cách tường minh của cách mà người ta học, với một
mô hình chuyển đổi / hành vi cư xử không rõ ràng của việc dạy và việc học. Họ giả
định rằng nếu những hệ thống trình bày thông tin cho người học, người học sẽ hấp thu
nó.
1.3.3/ Sự rèn luyện và đào sâu thích hợp :
Đến cuối thập niên 1960 và đầu thập niên 1970, rất nhiều nhà nghiên cứu chỉ
đơn thuần trình diễn những vấn đề cho người học trong khi thu thập và làm bảng kê
những phản hồi (trả lời) của họ, mà không xem xét người học là một nhân tố trong toàn
bộ hệ thống hướng dẫn. Nhiều nhà nghiên cứu đã phát triển những hệ thống làm thay
đổi cách biểu diễn những “vật liệu” mới dựa trên thông tin của những phản hồi của
người học. Trong khi nó không bao giờ đủ để biểu diễn thông tin trong một mẫu xác
định trước cho tất cả người học nữa, những nhà thiết kế hệ thống còn phải lường trước
tất cả những phản hồi có thể của người học. Những nhà lập trình phải biết cao hơn loại
phản hồi nào của người học có thể xảy ra và quyết định nào mà hệ thống sẽ trình bày.
Những hệ thống này là những hệ thống đầu tiên đã “mô hình hoá người học”, mặc dù
chúng chỉ mô hình hoá hành vi của người học và không có bất kỳ cố gắng nào để mô
hình hoá tình trạng tri thức của người học. Mặc dù những hệ thống tương đối đơn giản,
bởi sự ràng buộc chính nó vào sự phát triển của những kĩ năng và khả năng nhớ lại mà
chúng rất hiệu quả. Người học, những người sử dụng hệ thống này đã cải thiện những
kĩ năng này và khả năng nhớ lại thực sự của mình. Lý thuyết về việc học cho rằng
người học trước tiên cần phải học những kĩ năng và sự kiện cơ bản để chuẩn bị cho
những kĩ năng tổng hợp cao hơn.
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
14
1.3.4/ Sự khủng hoảng của Trí tuệ nhân tạo và Tâm lý học giáo dục :
Trong suốt thời kỳ này, có một hy vọng lớn cho việc tiến triển nhanh trong trí
tuệ nhân tạo nhờ sự tiến bộ cao trong sức mạnh tính toán ngày càng lớn của máy tính.
Tuy nhiên nó sớm trở nên rõ ràng là những vấn đề trong trí tuệ nhân tạo khó hơn nhiều
so với những thách thức tương đối dễ của việc xây dựng những máy tính nhanh hơn.
Mặc dù vậy, những nhà nghiên cứu Trí tuệ nhân tạo vẫn còn lạc quan xuyên suốt thập
niên 60, 70 và 80, ngay cả mục đích của những “máy tính biết suy nghĩ” luôn luôn
dường như chỉ là “việc của 10 năm nữa”.
Khoảng thời gian này, tâm lý học giáo dục đang thắc mắc về những giả định của
chủ nghĩa hành vi. Lý thuyết của Piaget về việc học và xây dựng bắt đầu được nói tới.
Chomsky, cùng với Novell và những người khác đã giới thiệu những ý tưởng của tiến
trình xử lý thông tin có hình ảnh, những ý tưởng mà gắn bó chặt chẽ với sự hứng thú
của cộng đồng Trí tuệ nhân tạo trong ngôn ngữ học và xử lý ngôn ngữ tự nhiên. Tiến
trình xử lý thông tin nổi lên như một mô hình bao quát xuyên suốt cuối thập niên 70 và
đầu thập niên 80. Công việc này quan niệm sự nhận thức của con người như tập tiến
trình xử lý “hộp đen”, hơn là những phản hồi đơn thuần từ bên ngoài. Sự chính xác của
những mô hình xử lý thông tin đầy hứa hẹn khi được mô tả bởi những chương trình
máy tính.
1.3.5/ Trí tuệ nhân tạo và Hệ thống dạy học thông minh (AI – ITS) :
Trong năm 1982, Sleeman và Brown đã xem xét lại thực trạng của những hệ
thống hướng dẫn hỗ trợ dựa máy tính và lần đầu tiên tạo ra cụm từ “Intelligent
Tutoring Systems (ITS) ”- Những hệ thống dạy học thông minh, để miêu tả những hệ
thống suy luận này và phân biệt chúng với những hệ thống CAI trước đó. Giả định
không tường minh cho rằng người học bây giờ đã tập trung vào việc “học bằng cách
làm”. Họ phân biệt những ITS tồn tại thành các loại như : những hệ thống theo dõi giải
quyết vấn đề (1), những hệ thống huấn luyện (2), những hệ thống hướng dẫn thí
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
15
nghiệm (3), những hệ thống tư vấn (4). Điểm quan trọng của những hệ thống này thì
còn là những nền tảng nghiên cứu cho việc tinh chế lý thuyết Trí tuệ nhân tạo, nhưng
bây giờ các nhà nghiên cứu đang suy nghĩ về việc biểu diễn tri thức người học trong
những hệ thống này. Ở đây, người ta đã tìm thấy đầu tiên việc sử dụng cụm từ “Mô
hình người học” để miêu tả một sự biểu diễn trừu tượng về người học trong chương
trình máy tính. Họ phân loại những mô hình người học như sau :
+ Mô hình che phủ : một mô hình tri thức người học như một tập con của một tri
thức chuyên gia.
+ Mô hình khác biệt : tương tự như mô hình che phủ, mô hình này tập trung vào
sự khác nhau giữa tri thức người học và một phần tri thức chuyên gia.
+ Mô hình trạng thái bất ổn : biểu diễn những khái niệm khó hiểu của người học
như là những biến đổi của cấu trúc thủ tục của kĩ năng sửa đúng của chuyên gia.
Những cố gắng trước đây để mô hình hoá tri thức người học được dựa vào một
mô hình “lỗi” (bugs). “Lỗi“ là những sai sót của người học trong những kĩ năng rời rạc,
chẳng hạn việc nhớ không đúng trong phép trừ. Burton đã thảo tỉ mỉ mô hình này trong
hệ thống DEBUGGY. DEBUGGY định danh 130 “lỗi” được thiết kế để khác phục
những sai sót trong phép trừ. Thách thức là phải phân tích không gian vấn đề được
trình bày bởi những câu trả lời của người học và xác định lỗi nào hay tập lỗi nào tốt
nhất cho việc khắc phục những sai sót trong phép trừ.
Sleeman và Brown đề cập đến một vài phiên bản học tập có quan hệ tới những
vấn đề liên quan dến việc tạo ra ITS. Họ thừa nhận rằng nhiều sự giao tiếp dạy học của
con người không rõ ràng và nhấn mạnh đến kỳ vọng rằng ITS sẽ cung cấp “nơi gặp gỡ”
cho những nhà lý thuyết về giáo dục để phát triển những lý thuyết rõ ràng chính xác
hơn cho việc dạy và việc học. Giả định của họ là sự chính xác rõ ràng là có thể, là cần
thiết cho việc thực thi những lý thuyết này trong phần mềm máy tính. Họ cũng thảo
luận về nhu cầu phải xây dựng những môi trường để khuyến khích việc học cộng tác,
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
16
trong khi thừa nhận rằng những nhà nghiên cứu (tại thời điểm đó) biết rất ít về việc làm
cách nào để sự cộng tác có thể xảy ra trong viếc thiết lập việc học tự nhiên.
1.3.6/ Vai trò của khoa học nhận thức :
Trong suốt thập niên 1980, những nhà khoa học máy tính đang chuyên biệt hoá
trong Trí tuệ nhân tạo tiếp tục tập trung vào những vấn đề của ngôn ngữ tự nhiên, mô
hình người học và sự suy diễn. Tuy nhiên, lĩnh vực này cũng thu hút những nhà nghiên
cứu khác, mà nổi bật là John Anderson. Anderson làm việc trong lĩnh vực khoa học
nhận thức, phát triển lý thuyết nhận thức “Sự kiểm soát thích nghi của suy nghĩ”
(ACT* – Adaptive Control of Though). Bảng 1.1 tóm tắt những nguyên tắc ACT* và sự
thực thi của chúng cho ITS.
Bảng 1.1 : Những giả định ACT* và những nguyên tắc liên quan cho việc dạy
được thực thi trên máy tính
Những giả thuyết ACT*
Những nguyên tắc dạy học tương ứng
Hành vi giải quyết vấn đề là mục đích
hướng tới.
Giao tiếp với cấu trúc mục đích nằm
bên dưới tác vụ giải quyết vấn đề.
Tri thức thủ tục và khai báo được chia
ra. Những đơn vị tri thức thủ tục là
những quy tắc NẾU_THÌ (IF_THEN)
được gọi cho sự sản sinh.
Biểu diễn tri thức người học như một
tập của sự sản sinh.
Sự thực hiện khởi đầu của một tác vụ
được hoàn thành bởi việc áp dụng
những thủ tục tổng quát cho những cấu
trúc khai báo
Cung cấp sự hướng dẫn trong ngữ cảnh
giải quyết vấn đề để tri thức người học
phát triển thông qua sự ước lượng thành
công cho kĩ năng hướng dẫn
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
17
Sự nảy sinh tác vụ đặc biệt phát sinh
bởi việc áp dụng những sự nảy sinh yếu
hơn cho tri thức thủ tục. Những sự nảy
sinh tác vụ đặc biệt này làm nền tảng
cho sự thực hiện hiệu quả hơn.
Cung cấp phản hồi tức thì dựa vào
những kết quả của sự cố gắng
Là kết quả của sự rèn luyện thêm, sự
sản sinh có thể bị trói buộc với những
sự sản sinh có tỉ lệ lớn hơn
Điều chỉnh kích thước từng bước hướng
dẫn trong tiến trình học tập
Người học duy trì tình trạng hiện tại của
vấn đề trong một bộ nhớ làm việc bị
giới hạn
Tối thiểu hoá việc tải bộ nhớ làm việc
Mặc dù Anderson và đồng nghiệp đã tạo ra ACT* như là một lý thuyết nhận
thức, họ tin rằng nó đủ nghiêm ngặt để kiểm thử bởi sự thực thi những nguyên tắc
trong phần mềm máy tính. Hai ví dụ phổ biến nhất là Geometry Tutor (Koedinger &
Anderson,1993) và LISPITS (Hệ thống dạy học LISP thông minh). Hệ thống LISPITS,
một chương trình để dạy việc học lập trình ngôn ngữ LISP, được thiết kế để thực thi
những nguyên tắc này trong ngữ cảnh của “Mô hình truy vết”. Những cố gắng của
LISPITS để mô hình những bước cần thiết để viết một chương trình LISP. Chương
trình sau đó so sánh với những bước thực sự mà người học tạo ra với mô hình này.
Corbett và Anderson gọi tiến trình theo dõi và sửa chữa là “Truy vết tri thức”. Mục
đích của họ là một mô hình tinh thông, nơi mà mỗi người học thông thạo 95% những
quy tắc cho một tập các bài tập được đưa ra trước khi di chuyển sang phần kế tiếp.
Corbett và Anderson nhận thấy rằng người học sử sụng LISPITS hoàn thành những bài
tập thông thạo nhanh hơn là làm việc một mình, nhưng tất nhiên là không nhanh bằng
học với những giáo viên là con người.
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
18
1.4/
Những thách thức đối với các hệ thống ITS:
Sư phát triển hệ thống ITS được bắt đầu từ đầu mà không dựa trên một nền tảng
nào sẽ dẫn đến vài kết quả không mong đợi trong việc xây dựng hệ thống như: giá cả
phát triển cao, việc dùng lại những phần mềm đã tồn tại rất ít, những yêu cầu cơ sở bị
hạn chế, ít có sự tiêu chuẩn hoá giữa những hệ thống đã phát triển, khó khăn trong việc
đánh giá hệ thống và chi phí duy trì hệ thống cao.
Việc tái sử dụng lại những phần mềm đã tồn tại là việc không phổ biến trong
việc phát triển một hệ thống ITS. Những phần mềm phổ biến rất có giá trị, cả trong
lĩnh vực thương mại (ví dụ: trình soạn thảo, những bảng tính, công cụ vẽ và cơ sở dữ
liệu) và trong lĩnh vực nghiên cứu (lên kế hoạch, những công cụ xử lý ngôn ngữ tự
nhiên). Nhưng thật không may, những công cụ và phần mềm phổ biến đã tồn tại không
dễ dàng tích hợp trong hệ thống ITS. Điều này đã dẫn đến việc gia tăng thời gian phát
triển của toàn bộ hệ thống. Tuy nhiên những phần mềm phổ biến sẽ giúp cho việc tạo
những phiên bản đầu tiên nhanh hơn. Một số hệ thống đã được xây dựng bằng cách sử
dụng phần mềm phổ biến như Microsoft Excel (Microsoft, 1997), SuperCalc (Hiệp hội
máy tính, 1996) và HyperCard (Apple, 1997).
Những yêu cầu cơ sở có thể bị ngăn cản khi hệ thống ITS được thực thi như một
chương trình lớn yêu cầu những tài nguyên quan trọng. Và hệ thống ITS cũng có thể
cần những phần cứng đặc biệt hoặc có thể được thực thi trong những ngôn ngữ mà có
thể giới hạn việc phân phối những yêu cầu cơ sở. Việc tái sử dụng lại những công cụ
cũng cho phép sự phát triển của những siêu văn bản, siêu phương tiện, đa phương tiện
và những ứng dụng CD-ROM, và những cụm từ chuyên môn kỹ thuật hiện hành.
Những ứng dụng này có thể đưa ra những yêu cầu cơ sở không mong đợi mà không
thêm vào bất cứ lợi ích quan trọng nào. Những tiếp cận kỹ thuật để xây dựng hệ thống
dẫn đến việc không thể đo lường những khả năng của kỹ thuật mới.
Có rất ít những sự tiêu chuẩn hoá giữa những hệ thống đã tồn tại. Sự phát triển
“Ad hoc” của hệ thống ITS khuyến khích sự tái sử dụng của những kỹ thuật tiêu biểu
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
19
cho tri thức mới, phương tiện thông tin mới, những thành tựu trong kiến trúc và những
sơ đồ dòng điều khiển. Việc ít sử dụng những thành phần mềm trong hệ thống là phổ
biến, đặc biệt việc chia sẻ giữa chiến lược giảng dạy và tài liệu giảng dạy vì không có
tiêu chuẩn thống nhất chung. Những phương pháp thiết kế cho hệ thống ITS đã được
định nghĩa trong nhiều năm qua. Tuy nhiên nhiều phương pháp chưa được ứng dụng dễ
dàng khi xây dựng hệ thống.
Một kết quả của việc thiếu sự tiêu chuẩn hoá là sự phức tạp của việc đánh giá hệ
thống và sự khó khăn của việc so sánh những hệ thống đã phát triển. Vì vậy, tiến trình
của việc quyết định sự mạnh yếu của việc thực thi hệ thống là không được tính đến.
Điều này đã dẫn đến việc đánh giá những yếu tố bên trong và bên ngoài là rất khó.
Chi phí duy trì hệ thống ITS có thế phát sinh khi càng nhiều hệ thống được phát
triển, càng nhiều những phác thảo trong phòng thí nghiệm ít chú ý đến sự chu cấp. Vì
vậy, sự bổ sung của hệ thống và những yêu cầu chức năng mới có thể buộc những phần
lớn của hệ thống phải gỡ bỏ hoặc thực thi lại ngay từ đầu. Đối với mô hình về tri thức
lĩnh vực, mô hình người học, chiến lược giảng dạy và sự phát triển giao diện không có
bộ tiêu chuẩn nào cho việc xây dựng hệ thống ITS. Kết quả, chúng là những lĩnh vực
phụ thuộc nhau. Điều này gây khó khăn cho hệ thống nếu không nói là không thể trong
việc bổ sung những lĩnh vực mới hoặc thêm những tính năng mới cho những lĩnh vực
đã tồn tại.
Tất cả những nhân tố này đã góp phần làm cho việc xây dựng hệ thống ITS trở
nên khó khăn hơn. Một vấn đề khác liên quan đến những kỹ năng cần thiết và những
yêu cầu cá nhân để xây dựng những hệ thống tương tự như vậy.
Đầu tiên, nếu đội ngũ phát triển đang xây dựng một hệ thống ITS, kể cả những
chuyên gia trong lĩnh vực phải trở thành những thành viên không thể thiếu của đội ngũ
phát triển hoặc người phát triển phải trở thành chuyên gia trong lĩnh vực.
Thứ hai, người giáo viên phải xây dựng những thói quen của họ đối với nhiều
lĩnh vực khác nhau của hệ thống giảng dạy. Một lần nữa, phần lớn những chuyên gia
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
20
trong lĩnh vực không cần phải có những kỹ năng yêu cầu cho quá trình phát triển này.
Tạo ra việc giảng dạy dựa trên máy tính không chỉ yêu cầu về tri thức trong lĩnh vực đó
mà còn tri thức khoa học và lập trình. Có 3 lĩnh vực tri thức chính cần thiết cho sự phát
triển của hệ thống ITS:
– Tri thức về lập trình :
+ Mã hoá những thể hiện của tri thức.
+ Thực thi hệ thống giảng dạy và những mô hình của nó.
+ Thực thi giao diện người dùng.
– Tri thức về những nhận thức khoa học :
+ Định nghĩa những kỹ thuật biểu diễn những tri thức.
+ Định rõ những chiến lược giảng dạy.
+ Phát triển mô hình người học và cách sử dụng cho họ.
– Tri thức về lĩnh vực :
+ Định nghĩa mô hình lĩnh vực và mô hình nhiệm vụ.
Thật không may những chuyên gia lại không có nền tảng về lập trình và những
nhận thức khoa học, người lập trình lại không có những nhận thức khoa học và những
tri thức về lĩnh vực mình làm, còn những nhà khoa học không có những tri thức về
lĩnh vực đó và kinh nghiệm lập trình.
Một vấn đề khác liên quan đến chi phí cao của hệ thống ITS là việc tạo ra những
sự phụ thuộc lĩnh vực. Hầu hết các hệ thống ITS có thể được nhóm thành 2 loại: sự độc
lập các lĩnh vực và sự phụ thuộc các lĩnh vực.
– Hệ thống các lĩnh vực phụ thuộc nối các tri thức lĩnh vực, chiến lược giảng dạy
và giao diện. Điều này gây khó khăn cho việc tái sử dụng, bổ sung và duy trì hệ thống.
Hệ thống các lĩnh vực phụ thuộc hữu hiệu cho các lĩnh vực nhỏ và đã được định nghĩa
tốt.
– Hệ thống các lĩnh vực độc lập giữ một vài thành phần của hệ thống độc lập
khỏi tri thức lĩnh vực. Điều này cho phép hệ thống được sử dụng trong nhiều lĩnh vực
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
21
khác nhau. Tuy nhiên hệ thống các lĩnh vực độc lập vẫn còn giới hạn bởi một số môi
trường nhất định, ví dụ: bộ mô phỏng, những lĩnh vực về toán học hoặc ngôn ngữ.
Một giải pháp cho những vấn đề này là cung cấp những công cụ và giải pháp để
làm giảm chi phí trong sự phát triển của hệ thống ITS.
H1.2: Những vấn đề trong việc phát triển hệ thống ITS
Những vấn đề trong sự
phát triển của hệ thống ITS
Chi phí duy
trì hệ thống
cao
Chi phí phát
triển cao
Khó khăn trong
việc đánh giá hệ
thống
Việc phân
phối những
yêu cầu nền
Sự phụ
thuộc
lĩnh vực
Tri thức
được yêu
cầu
Thiếu việc dùng
lại những phần
mềm đã tồn tại
Ít sự tiêu
chuẩn hoá
Kỹ thuật
thiết kế
không theo
module
Tri thức
lập trình
Tri thức về
khoa học
Không có sự
chia xẻ của:
+ Những thành
phần của hệ
thống.
+ Cơ sở tri
thức.
+ Chiến lược
giảng dạy
+ Tài liệu thể
hiện.
Tri thức
lĩnh vực
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
22
1.5/
Sơ lược về kiến trúc của một hệ thống ITS :
Những hệ thống dạy học hỗ trợ bởi máy tính thông thường thiếu chiều sâu về tri
thức vì vậy hệ thống ITS đã nỗ lực để vượt qua những sự thiếu hụt này bằng cách sử
dụng kỹ thuật trí tuệ nhân tạo.
Việc sử dụng kỹ thuật trí tuệ nhân tạo trong việc phát triển hệ thống ITS đã
được mở rộng. Tuy nhiên có 3 kỹ thuật Trí tuệ nhân tạo đáng chú ý trong hệ thống giáo
dục là lên kế hoạch, xử lý ngôn ngữ tự nhiên và kỹ thuật biểu diễn tri thức. Những kỹ
thuật Trí tuệ nhân tạo có thể được dùng để cải tiến việc chẩn đoán những lỗi của người
học, nhận ra những quan niệm không đúng của người học, những kiến trúc và kế hoạch
của chiến lược giảng dạy.
Sự phát triển của những kỹ thuật biểu diễn tri thức trở nên quan trọng cho hệ
thống ITS khi nhiều hệ thống yêu cầu việc sử dụng mô hình người học và mô hình lĩnh
vực.
Có nhiều kiến trúc khác nhau tuỳ thuộc vào các hệ thống ITS khác nhau. Nhưng
theo một số chuyên gia thì có 4 thành phần phổ biến trong hầu hết các hệ thống ITS là:
sự biểu diễn tri thức của lĩnh vực ( Mô hình lĩnh vực), chiến lược giảng dạy sử dụng để
giải quyết những vấn đề đó (Mô hình dạy học), sự biểu diễn của tình trạng hiện hành
của người học qua những vấn đề đó (mô hình người học) và giao diện cho sự tương tác
giữa người sử dụng và hệ thống (giao diện hệ thống).
Hình sau biểu diễn mô hình hệ thống ITS phổ biến:
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
23
H1.3 : Mô hình ITS thông thường
Sự đa dạng trong mô hình này có thể được tìm thấy trong nhiều phiên bản. Tuy
nhiên, cái lõi của từng cấp độ đều có kiến trúc chung cơ bản.
1.5.1/ Mô hình lĩnh vực (Tri thức về lĩnh vực ) :
Tri thức về lĩnh vực là những thông tin phụ thuộc vào lĩnh vực mà nó được dùng
trong suốt quá trình giảng dạy.
Có nhiều nỗ lực để định nghĩa kỹ thuật biểu diễn tri thức đã được làm trong quá
trình phát triển của hệ thống ITS trong nhiều năm qua. Những kỹ thuật đã được phát
triển để cho phép những tri thức lĩnh vực được lưu trữ và truy cập có hiệu quả. Chẳng
hạn trong hệ thống DIT do Chiu-Chen Hsied, Tzong-Han Tsai, David Wible, Wen-
Lian Hsu đã biểu diễn tri thức bằng cách sử dụng InfoMap. Nó tương tự với cấu trúc
cây được hiển thị trong Hình 1.4. Mỗi nút thuộc hai loại chính là : nút khái niệm hoặc
nút chức năng.
Giao diện hệ
thống
Mô hình dạy học
Mô hình lĩnh
vực
Mô hình người
học
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
24
H1.4 : Biểu diễn tri thức trên InfoMap
Gần đây với sự phát triển nhanh của XML (Extensible Markup Language) cùng
với nhiều lợi ích của nó, nhiều hệ thống ITS đã sử dụng XML để biểu diễn tri thức
trong Mô hình lĩnh vực. Hình sau minh họa cho việc sử dụng này ( được sử dụng trong
hệ thống của Steven Linton).
Giới thiệu về ITS (Intelligent Tutoring Systems)
GVHD: TS. Lê Hoài Bắc
25
