Đặt vấn đề

Hoạt động dạy và học trên mạng ngày càng trở nên phổ biến do ứng dụng rộng rãi những thành tựu của công nghệ thông tin, đặc biệt khi có sự phát triển của công nghệ Internet. Gần đây, việc tự học, tìm hiểu kiến thức qua mạng đã trở thành một nhu cầu của người học nhằm tiếp thu kiến thức hiệu quả, rút ngắn thời gian cũng như không gian học tập. Để đáp ứng nhu cầu đó, các hệ thống đào tạo điện tử (E-learning) được phát triển và triển khai ứng dụng rộng rãi.

Sự phát triển của E-learning làm nảy sinh nhiều vấn đề cần được nghiên cứu giải quyết. Trong đó, vấn đề làm thế nào để tạo được những khóa học E-learning hiệu quả, đáp ứng được nhu cầu của người học đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.

Tình hình nghiên cứu về học thích nghi hiện nay

Bài toán học thích nghi trong đào tạo điện tử

Khi tham gia khóa học trong môi trường đào tạo điện tử, người học sử dụng trình duyệt web để truy xuất nội dung khóa học được cung cấp thông qua các liên kết web. Giáo viên, người thiết kế khóa học quyết định tiến trình học tập của từng môn học cụ thể tùy thuộc vào chương trình, mục tiêu môn học. Người học tham gia vào khóa học có đích học tập, nhu cầu học tập, trình độ khác nhau. Bài toán học thích nghi có mục tiêu là làm thế nào đáp ứng được các nhu cầu khác nhau của từng người học khi họ tham gia vào một khóa học có nội dung, tiến trình đã được thiết kế và cung cấp trên website, không nhất thiết tất cả người học đều có một tiến trình học tập giống nhau như thiết kế ban đầu của giáo viên, hoặc phải tham gia tìm hiểu tất cả các nội dung của khóa học được cung cấp trên website. Dựa trên các thông tin về người học (gồm các thông tin ban đầu và các thông tin được cập nhật trong suốt quá trình người học tham gia khóa học), hệ thống học thích nghi sẽ gợi ý cho từng người học tiến trình học tập khác nhau, cũng như gợi ý các phần nội dung cần thiết hay không cần thiết phải tìm hiểu cho từng người học, nhằm bảo đảm rằng, các nội dung của khóa học do hệ thống học thích nghi cung cấp làphù hợp với mục đích, nhu cầu, trình độ của từng người học. Tạo ra các khóa học thích nghi để ngày càng đáp ứng tốt nhu cầu của người học là bài toán được quan tâm nghiên cứu trong giai đoạn hiện nay.

Tình hình nghiên cứu hiện nay

Trong giai đoạn mười năm gần đây, các nghiên cứu trong lĩnh vực đào tạo điện tử tập trung vào xây dựng các khóa học thích nghi đáp ứng nhu cầu, mục tiêu của từng người học. Nhiều hướng nghiên cứu đã tập trung vào xây dựng và phát triển các hệ thống dạy học thông minh (Intelligent Tutoring Systems - ITS) nhằm đáp ứng các nhu cầu của người học, điển hình là các mô hình của Vassileva , Kaplan nhằm đáp ứng mục tiêu của người học, một số hệ thống đáp ứng cách tiếp thu kiến thức của người học của Gilbert , Paolucci ,...Các hệ thống này dựa trên việc sử dụng kiến thức chuyên gia trong việc xây dựng cấu trúc khóa học.

Gầy đây, mô hình hệ thống học thích nghi (Adaptive Hypermedia System - AHS) do Peter Brusilovsky đề xuất, hướng nghiên cứu kết hợp các ý tưởng của các hệ thống ITS và khái niệm Hypermedia WWW. Các hệ thống AHS sử dụng mô hình người học để lựa chọn các nội dung phù hợp cho người học. Điểm khác biệt trong hệ thống AHS là việc tách biệt mô hình người học, mô hình nội dung khóa học so với các hệ thống ITS thế hệ trước đây.

Mỗi người học khi tham gia khóa học điện tử trên mạng có nhu cầu khác nhau. Có người học muốn kết thúc khóa học một cách nhanh nhất mà vẫn hoàn thành được yêu cầu của khóa học, có người học muốn tìm hiểu mở rộng nội dung khóa học sau khi hoàn thành. Do kiến thức của mỗi người học khác nhau, khi tham gia một khóa học mới mỗi người có cách tiếp cận khác nhau, có người muốn tham gia đầy đủ các nội dung từ chương đầu cho đến hết, có người chỉ muốn học những nội dung mình chưa biết, chưa nắm vững. Vậy làm thế nào để đáp ứng nhu cầu của người học khi tham gia khóa học, đặc biệt những khóa học trên mạng mà người học giữ vai trò trung tâm? Để trả lời được câu hỏi này đòi hỏi có các nghiên cứu sâu giải quyết nhiều vấn đề phức tạp liên quan đến:

i Việc tìm hiểu nhu cầu để thoả mãn nhu cầu của người học.

ii Đưa ra phương pháp tiếp cận khóa học phù hợp trên cơ sở phân tích các nhu cầu đó.

iii Quá trình lựa chọn tiến trình cũng như nội dung học phù hợp với người học.

Đây chính là nội dung cơ bản của phương pháp xây dựng hệ thống học thích nghi do Peter Brusilovsky đề xuất. Dựa trên kết quả do Peter Brusilovsky công bố, nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu, phát triển các mô hình học thích nghi. Theo kếtquả thống kê của Tomas Kubes hiện có khoảng trên 70 hệ thống học thích nghi đã được đề xuất trong lĩnh vực này. Trong số đó có thể liệt kê một số mô hình hệ thống thu được các kết quả nhất định như AHA! [9, 10], InterBook , KnowlegdeTree , KBS Hyperbook và WebCL ,... Trong chương 1, chúng tôi sẽ khảo cứu, phân tích, so sánh chi tiết một số hệ thống. Một trong những hạn chế của các mô hình xây dựng khóa học thích nghi hiện nay là chỉ dừng lại ở việc lựa chọn các khái niệm của nội dung khóa học phù hợp với từng người học. Dựa vào thông tin của từng người học, các mô hình chỉ ra cho người học các khái niệm họ cần phải tìm hiểu. Thêm vào đó, các mô hình chưa xem xét đến nhiều mục tiêu và nhu cầu khác của người học để tạo ra các khóa học thích nghi với từng người học.

Mục tiêu nghiên cứu

Trên cơ sở phân tích ưu, nhược điểm, các kết quả đã đạt được trong lĩnh vực học thích nghi hiện nay, luận án đề ra mục tiêu nghiên cứu cải tiến, bổ sung và phát triển kết quả đã đạt được và đề xuất một mô hình tạo khóa học học thích nghi nhằm đáp ứng các mục tiêu:

- Xây dựng mô hình học thích nghi không những lựa chọn được các khái niệm trong nội dung khóa học phù hợp với từng người học mà còn chỉ dẫn người học làm thế nào để tìm hiểu được khái niệm đó. Thêm vào đó, chúng tôi cũng đề xuất cải tiến việc mô hình hóa nội dung khóa học, mô hình người học, cơ chế thích nghi, nhằm áp dụng cho các khóa học thuộc lĩnh vực công nghệ thông tin với mục tiêu không chỉ cung cấp cho người học các khái niệm mà còn yêu cầu người học vận dụng các khái niệm đó trong thực hiện các bài tập, bài thực hành. Để làm được điều này, chúng tôi biểu diễn mô hình nội dung khóa học gồm các khái niệm và nhiệm vụ. Tập các nhiệm vụ là cơ sở để đưa ra các chỉ dẫn thích nghi cho từng người học làm thế nào để hoàn thành nhiệm vụ dựa trên kiến thức của người học về môn học họ đang tham gia.

- Xây dựng tiến trình học phù hợp với từng người học đáp ứng được nhiều nhu cầu, mục tiêu của họ.

Để đạt được các mục tiêu nêu trên, chúng tôi nghiên cứu giải quyết các vấn đề mang tính cơ bản, đóng vai trò quyết định trong việc phát triển các hệ thống học thích nghi, cụ thể:

1 Khảo cứu các phương pháp, kỹ thuật xây dựng hệ thống học thích nghi.

2 Nghiên cứu mô hình người học, tác giả bổ sung, phát triển mô hình người học làm cơ sở cho việc xây dựng khóa học thích nghi theo nhu cầu người học. Trong nghiên cứu mô hình người học, tác giả tập trung nghiên cứu việc biểu diễn trình độ kiếnthức của người học đối với nội dung khóa học cụ thể, và các thuộc tính biểu diễn nhu cầu, mục tiêu của người học khi tham gia khóa học.

3 Nghiên cứu, phát triển mô hình nội dung học để phù hợp với việc xây dựng khóa học thích nghi theo kiến thức và nhu cầu, mục tiêu của người học. Đề xuất biểu diễn nội dung khóa học gồm các khái niệm và nhiệm vụ, là cơ sở để giải quyết mục tiêu hướng dẫn, chỉ dẫn người học làm thế nào để hoàn thành nhiệm vụ.

4 Nghiên cứu, xây dựng cơ chế thích nghi tạo ra các khóa học thích nghi theo nhu cầu người học bao gồm hai tiêu chí: Thứ nhất, thích nghi theo kiến thức của người học nhằm mục tiêu đưa ra các gợi ý, hướng dẫn người học "Làm thế nào?" để hoàn thành một nhiệm vụ cụ thể trong tiến trình học tập của họ. Thứ hai, thích nghi theo nhiều mục tiêu, nhu cầu của người học.

5 Đề xuất mô hình lý thuyết tạo khóa học trực tuyến phù hợp với nhu cầu người học dựa vào các kết quả nghiên cứu của tác giả về mô hình người học, mô hình nội dung học và cơ chế thích nghi.

6 Phân tích, thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống tạo khóa học thích nghi phù hợp với nhu cầu người học và thử nghiệm mô hình.

Để hoàn thành được các nội dung nghiên cứu đề ra, trong khuôn khổ luận án, chúng tôi xác định phạm vi nghiên cứu là vấn đề lựa chọn nội dung, tiến trình học thích nghi với từng người học trong phạm vi một khóa học cụ thể xác định trước. Vấn đề lựa chọn các khóa học khác nhau phù hợp với người học hay lựa chọn một nội dung của khóa học phù hợp nhất trong nhiều nguồn nội dung khác nhau là những vấn đề cũng rất quan trọng nhưng do phạm vi đề tài chúng tôi không đề cập nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án dựa trên phương pháp luận có tính liên ngành: Công nghệ mạng và truyền thông máy tính, Khoa học máy tính, Công nghệ phần mềm với việc ứng dụng các nghiên cứu trong Lý thuyết đồ thị, Mạng xác suất Bayes, Logic vị từ để nghiên cứu lý thuyết trong việc biểu diễn mô hình nội dung khóa học, mô hình người học và cơ chế thích nghi tạo các khóa học theo nhu cầu người học. Tác giả sử dụng các nghiên cứu về qui trình phân tích, thiết kế, xây dựng hệ thống phần mềm hướng đối tượng. Các công cụ, kỹ thuật trong triển khai ứng dụng trên nền web trong xây dựng mô hình hệ thống và triển khai thử nghiệm. Phương pháp nghiên cứu luận án thực hiện theo trình tự:

1 Nghiên cứu lý thuyết về hoạt động học tập, các phương pháp xây dựng khóa học thích nghi.

2 Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, luận án phân tích, so sánh các mô hình học thích nghi phổ biến, tìm điểm hạn chế chưa giải quyết được của những mô hình này.

3 Đề xuất, xây dựng mô hình lý thuyết tạo khóa học thích nghi.

4 Phân tích, thiết kế, xây dựng mô hình hệ thống.

5 Cài đặt triển khai thử nghiệm hệ thống, so sánh đối chiếu các kết quả triển khai.

Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 4 chương, cùng phần mở đầu và phần kết luận, trong mỗi chương trình bày các kết quả đạt được khi thực hiện các nhiệm vụ cụ thể của luận án. Mỗi chương được bố cục gồm ba phần chính: Phần Giới thiệu - nhằm tóm tắt nội dung của chương, các vấn đề chính sẽ được giải quyết trong chương đó. Tiếp theo, trình bày chi tiết việc giải quyết các vấn đề đã nêu, phần Tổng kết của mỗi chương trình bày tóm tắt các kết quả đạt được. Các kết quả chính của luận án được trình bày trong chương 2 và chương 3, đây là các đóng góp của tác giả trong nghiên cứu về lý thuyết của học thích nghi.

Phần Đặt vấn đề trình bày khái quát về đề tài nghiên cứu: Tình hình nghiên cứu triển khai hiện nay trong lĩnh vực nghiên cứu học thích nghi, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, các bước triển khai đề tài và cấu trúc luận án.

Chương 1 Học thích nghi của luận án trình bày khái quát khái niệm về đào tạo điện tử, các đặc điểm của đào tạo điện tử, tóm lược lịch sử các giai đoạn phát triển của đào tạo điện tử, cũng như xu hướng phát triển trong giai đoạn hiện nay. Tiếp theo, tác giả trình bày tóm tắt cơ sở lý thuyết học thích nghi, các phương pháp và kỹ thuật xây dựng khóa học thích nghi. Trên cơ sở đó, luận án phân tích sự cần thiết phải nghiên cứu ba vấn đề cơ bản của học thích nghi: mô hình người học, mô hình nội dung học và cơ chế thích nghi. Phần cuối chương trình bày các khảo cứu, phân tích một số hệ thống học thích nghi phổ biến hiện nay.

Chương 2 Mô hình nội dung khóa học và mô hình người học trình bày các nghiên cứu lý thuyết của tác giả trong việc phát triển mô hình người học, mô hình nội dung khóa học là cơ sở xây dựng cơ chế chọn lựa nhiệm vụ học tập phù hợp với kiến thức của từng người học, và cơ chế chọn lựa tiến trình học tập phù hợp với mục tiêu của người học. Các nội dung được trình bày trong chương này thể hiện việc biểu diễn tri thức của mô hình học thích nghi do chúng tôi đề xuất.

Chương 3 Cơ chế thích nghi trình bày các cơ chế tạo ra các khóa học thích nghi đáp ứng hai tiêu chí: thích nghi theo kiến thức và thích nghi theo mục tiêu, nhu cầu củangười học dựa trên mô hình tri thức biểu diễn mô hình người học, mô hình nội dung khóa học trình bày trong chương 2. Để thích nghi theo kiến thức, tác giả sử dụng mạng xác suất Bayes định lượng kiến thức của người học đối với khái niệm, nhiệm vụ. Các khái niệm, nhiệm vụ phù hợp được lựa chọn dựa trên luật. Để thích nghi theo mục tiêu và nhu cầu, tác giả sử dụng mô hình bài toán tìm đường đi thỏa mãn ràng buộc để xây dựng tiến trình học tập.

Chương 4 Mô hình tạo khóa học thích nghi ACGS trình bày mô hình tạo khóa học thích nghi do tác giả đề xuất dựa trên các kết quả nghiên cứu về mô hình người học, mô hình nội dung học và cơ chế thích nghi. Tiếp theo, luận án trình bày các kết quả phân tích, thiết kế, cài đặt và triển khai thử nghiệm hệ thống ACGS cho một khóa học dành cho đối tượng sinh viên thuộc ngành công nghệ thông tin.

Phần Kết luận tổng kết các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án, cũng như các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu trong các giai đoạn tiếp theo.

Mục lục

Mục lục i Danh mục các chữ viết tắt iv

Danh sách bảng v Danh sách hình vẽ vii Đặt vấn đề 1

Chương 1 Học thích nghi 7

1.1 Tổng quan về đào tạo điện tử . 7

1.1.1 Khái niệm . . 7

1.1.2 Đặc điểm chung của đào tạo điện tử . . 8

1.1.3 Quá trình hình thành và phát triển . . . 8

1.2 Học thích nghi . . . 12

1.2.1 Khái niệm hypermedia . 12

1.2.2 Khái niệm học thích nghi . . 12

1.2.3 Mục tiêu của hệ thống học thích nghi . . 13

1.2.4 Mô hình học thích nghi . 13

1.2.5 Phương pháp xây dựng khóa học thích nghi . 14

1.2.6 Kỹ thuật xây dựng khóa học thích nghi . 15

1.3 Các vấn đề cần nghiên cứu trong học thích nghi . . . 16

1.3.1 Mô hình người học . . . 16

1.3.2 Mô hình nội dung học . 19

1.3.3 Cơ chế thích nghi . 20

1.3.4 Sự cần thiết phải nghiên cứu . 21

1.4 Khảo sát một số hệ thống học thích nghi . 21

1.4.1 Hệ thống ELM-ART . . 22

1.4.2 Hệ thống INTERBOOK . . . 22

1.4.3 Hệ thống AHA . . 23

i

1.4.4 Hệ thống KBS Hyperbook System . 24

1.4.5 So sánh các hệ thống . . 24

1.5 Tổng kết . 25

Chương 2 Mô hình nội dung khóa học và mô hình người học 26

2.1 Mô hình nội dung học . . 27

2.1.1 Kiến trúc mô hình nội dung học . . 27

2.1.2 Thông tin mô tả các thành phần trong mô hình . . 30

2.1.3 Cấu trúc của mô hình . 32

2.1.4 So sánh với các mô hình nội dung học khác . 36

2.2 Mô hình người học . 37

2.2.1 Thông tin định danh người học . . 38

2.2.2 Thông tin về khóa học người học tham gia . . 38

2.2.3 Thông tin về trình độ kiến thức của người học . . . 39

2.2.4 Thông tin về nhu cầu, mục đích học tập . . . 43

2.2.5 So sánh với các mô hình người học khác . . . 44

2.3 Tổng kết . 45

Chương 3 Cơ chế thích nghi 47

3.1 Thích nghi theo kiến thức . . . 48

3.1.1 Định lượng trình độ kiến thức . . . 49

3.1.2 Lựa chọn các khái niệm, nhiệm vụ phù hợp với người học dựa trên luật 53

3.2 Thích nghi theo mục tiêu, nhu cầu . . 59

3.2.1 Tiến trình học . 60

3.2.2 Xây dựng tiến trình học ứng viên . 63

3.2.3 Xây dựng tiến trình học từ tập tiến trình học ứng viên . 67

3.3 So sánh với các mô hình khác . . 70

3.4 Tổng kết . . 71

Chương 4 Mô hình tạo khóa học thích nghi ACGS 72

4.1 Mô hình tạo khóa học thích nghi ACGS . 73

4.1.1 Cơ sở đề xuất mô hình . 73

4.1.2 Kiến trúc và quy trình hoạt động của mô hình . . . 74

4.2 Hệ thống ACGS . . . 76

4.2.1 Mục tiêu của hệ thống . 76

4.2.2 Các chức năng chính . . 77

4.3 Môn học thử nghiệm . . . 78

4.3.1 Tập khái niệm, nhiệm vụ học tập . 79

4.3.2 Quan hệ giữa cái khái niệm, nhiệm vụ của môn học thử nghiệm . . 80

4.4 Phân tích thiết kế hệ thống ACGS . 83

ii

4.4.1 Mô hình ca sử dụng . . . 83

4.5 Thử nghiệm . . 84

4.5.1 Qui trình thử nghiệm . . 85

4.5.2 Xây dựng mạng xác suất cho khóa học thử nghiệm . . . 85

4.5.3 Đánh giá kiến thức của người học thông qua trả lời các câu hỏi . . 88

4.5.4 Đánh giá kiến thức của người học trong quá trình học . 88

4.5.5 Sử dụng cơ chế thích nghi lựa chọn các khái niệm, nhiệm vụ . 89

4.5.6 Dữ liệu thử nghiệm và kết quả . . 89

4.5.7 Phân tích và đánh giá kết quả thử nghiệm mô hình . 91

4.6 Tổng kết 97

Kết luận 98

Danh mục các công trình khoa học của tác giả liên qua đến luận án

102

Tài liệu tham khảo

103

Phụ lục

110

A Phân tích thiết kế chi tiết một số ca sử dụng 111

B

Bảng phân bố xác suất có điều kiện của các nút trong mạng

122

C

Câu hỏi kiểm tra đánh giá sơ bộ kiến thức của người học

130

D

Các nhiệm vụ cơ bản để hoàn thành bài tập

134

E

Dữ liệu thử nghiệm và kết quả

135

F

Giao diện ứng dụng thử nghiệm ACGS

140