Knowledge management in intelligent tutoring systems

In the last years, Intelligent Tutoring Systems have been a very successful way for improving learning experience. Many issues must be addressed until this technology can be defined mature. One of the main problems within the Intelligent Tutoring Systems is the process of contents authoring: knowledge acquisition and manipulation processes are difficult tasks because they require a specialised skills on computer programming and knowledge engineering. In this thesis we discuss a general framework for knowledge management in an Intelligent Tutoring System and propose a mechanism based on first order data mining to partially automate the process of knowledge acquisition that have to be used in the ITS during the tutoring process. Such a mechanism can be applied in Constraint Based Tutor and in the Pseudo-Cognitive Tutor. We design and implement a part of the proposed architecture, mainly the module of knowledge acquisition from examples based on first order data mining. We then show that the algorithm can be applied at least two different domains: first order algebra equation and some topics of C programming language. Finally we discuss the limitation of current approach and the possible improvements of the whole framework.

An iterative-style approach to constructing intelligent tutoring systems in mathematics

Mathematics is highly structured and also underpins most of science and engineering. For this reason, it has proved a very suitable domain for Intelligent Tutoring System (ITS) research, with the result that probably more tutoring systems have been constructed for the domain than any other. However, the literature reveals that there still exists no consensus on a credible approach or approaches for the design of such systems, despite numerous documented efforts. Current approaches to the construction of ITSs leave much to be desired. Consequently, existing ITSs in the domain suffer from a considerable number of shortcomings which render them 'unintelligent'. The thesis examines some of the reasons why this is the case. Following a critical review of existing ITSs in the domain, and some pilot studies, an alternative approach to their construction is proposed (the 'iterative-style' approach); this supports an iterative style, and also improves on at least some of the shortcomings of existing approaches. The thesis also presents an ITS for fractions which has been developed using this approach, and which has been evaluated in various ways. It has, demonstrably, improved on many of the limitations of existing ITSs; furthermore, it has been shown to be largely 'intelligent', at least more so than current tutors for the domain. Perhaps more significantly, the tutor has also been evaluated against real students with, so far, very encouraging results. The thesis thus concludes that the novel iterative-style approach is a more credible approach to the construction of ITSs in mathematics than existing techniques.

Comparing architectural styles for distributed expert knowledge modules in intelligent tutoring systems

Intelligent Tutoring Systems (ITSs) are computerized systems for learning-by-doing. These systems provide students with immediate and customized feedback on learning tasks. An ITS typically consists of several modules that are connected to each other. This research focuses on the distribution of the ITS module that provides expert knowledge services. For the distribution of such an expert knowledge module we need to use an architectural style because this gives a standard interface, which increases the reusability and operability of the expert knowledge module. To provide expert knowledge modules in a distributed way we need to answer the research question: ‘How can we compare and evaluate REST, Web services and Plug-in architectural styles for the distribution of the expert knowledge module in an intelligent tutoring system?’. We present an assessment method for selecting an architectural style. Using the assessment method on three architectural styles, we selected the REST architectural style as the style that best supports the distribution of expert knowledge modules. With this assessment method we also analyzed the trade-offs that come with selecting REST. We present a prototype and architectural views based on REST to demonstrate that the assessment method correctly scores REST as an appropriate architectural style for the distribution of expert knowledge modules.

Personal Access Tutor - helping students to learn MS Access

The paper describes Personal Access Tutor (PAT),an Intelligent Tutoring System which helps students to learn how to create forms and reports in MS Access. We present the architecture and components of PAT and also the services that PAT provides to the students. Results for an external (system) evaluation of PAT (both qualitative and quantitative data) are presented and discussed.

Design of a knowledge base to teach programming

Programming is a subject that many beginning students find difficult. This paper describes a knowledge base designed for the purpose of analyzing programs written in the PHP web development language. The aim is to use this knowledge base in an Intelligent Tutoring System that will provide effective feedback to students. The main focus of this research is that a programming exercise can have many correct solutions. This paper presents an overview of how the proposed knowledge base can be utilized to accept different solutions to a given exercise

Designing the knowledge base for a PHP tutor

Programming is a subject that many beginning students students find difficult. This paper descibes a knowledge base designed for the purpose of analyzing programs written in the PHP web development language. The aim is to use this knowledge base in an Intelligent Tutoring System. The main emphasis is on accepting alternative solutions to a given problem.

Processus cérébraux adaptés aux systèmes tutoriels intelligents

Le module de l'apprenant est l'une des composantes les plus importantes d’un Système Tutoriel Intelligent (STI). L'extension du modèle de l'apprenant n'a pas cessé de progresser. Malgré la définition d’un profil cognitif et l’intégration d’un profil émotionnel, le module de l’apprenant demeure non exhaustif. Plusieurs senseurs physiologiques sont utilisés pour raffiner la reconnaissance des états cognitif et émotionnel de l’apprenant mais l’emploi simultané de tous ces senseurs l’encombre. De plus, ils ne sont pas toujours adaptés aux apprenants dont les capacités sont réduites. Par ailleurs, la plupart des stratégies pédagogiques exécutées par le module du tuteur ne sont pas conçues à la base d’une collecte dynamique de données en temps réel, cela diminue donc de leur efficacité. L’objectif de notre recherche est d’explorer l’activité électrique cérébrale et de l’utiliser comme un nouveau canal de communication entre le STI et l’apprenant. Pour ce faire nous proposons de concevoir, d’implémenter et d’évaluer le système multi agents NORA. Grâce aux agents de NORA, il est possible d’interpréter et d’influencer l’activité électrique cérébrale de l’apprenant pour un meilleur apprentissage. Ainsi, NORA enrichit le module apprenant d’un profile cérébral et le module tuteur de quelques nouvelles stratégies neuropédagogiques efficaces. L’intégration de NORA à un STI donne naissance à une nouvelle génération de systèmes tutoriels : les STI Cérébro-sensibles (ou STICS) destinés à aider un plus grand nombre d’apprenants à interagir avec l’ordinateur pour apprendre à gérer leurs émotions, maintenir la concentration et maximiser les conditions favorable à l’apprentissage.

Impact des émotions sur les performances

Les émotions jouent un rôle primordial dans les processus cognitifs et plus particulièrement dans les tâches d’apprentissage. D’ailleurs, plusieurs recherches neurologiques ont montré l’interrelation qui existe entre la cognition et les émotions. Elles ont aussi déterminé plusieurs formes d’intelligence humaine autre que l’intelligence rationnelle parmi lesquelles nous distinguons la forme ayant comme dimension émotionnelle, à savoir l’intelligence émotionnelle, vu son impact sur les processus d’apprentissage. L’intelligence émotionnelle est alors un facteur significatif de réussite scolaire et professionnelle. Sous la lumière de ces constatations présentées, les informaticiens à leur tour, vont alors tenter de consentir de plus en plus de place au facteur émotionnel dans les systèmes informatiques et plus particulièrement dans ceux dédiés à l’apprentissage. L’intégration de l’intelligence émotionnelle dans ces systèmes et plus précisément, dans les Systèmes Tutoriels Intelligents (STI), va leur permettre de gérer les émotions de l’apprenant et par la suite améliorer ses performances. Dans ce mémoire, notre objectif principal est d’élaborer une stratégie d’apprentissage visant à favoriser et accentuer la mémorisation chez les enfants. Pour atteindre cet objectif, nous avons développé un cours d’anglais en ligne ainsi qu’un tuteur virtuel utilisant des ressources multimédia tels que le ton de la voix, la musique, les images et les gestes afin de susciter des émotions chez l’apprenant. Nous avons conduit une expérience pour tester l’efficacité de quelques stratégies émotionnelles ainsi qu’évaluer l’impact des émotions suscitées sur la capacité de mémorisation des connaissances à acquérir par l’apprenant. Les résultats de cette étude expérimentale ont prouvé que l’induction implicite des émotions chez ce dernier a une influence significative sur ses performances. Ils ont également montré qu’il n’existe pas une stratégie efficace pour tous les apprenants à la fois, cependant l’efficacité d’une telle stratégie par rapport à une autre dépend essentiellement du profil comportemental de l’apprenant déterminé à partir de son tempérament.

Amorçage cognitif pour amélioration de l’acquisition de la connaissance dans un système tutoriel intelligent

Cette thèse vise à définir une nouvelle méthode d’enseignement pour les systèmes tutoriels intelligents dans le but d’améliorer l’acquisition des connaissances. L’apprentissage est un phénomène complexe faisant intervenir des mécanismes émotionnels et cognitifs de nature consciente et inconsciente. Nous nous intéressons à mieux comprendre les mécanismes inconscients du raisonnement lors de l’acquisition des connaissances. L’importance de ces processus inconscients pour le raisonnement est bien documentée en neurosciences, mais demeure encore largement inexplorée dans notre domaine de recherche. Dans cette thèse, nous proposons la mise en place d’une nouvelle approche pédagogique dans le domaine de l’éducation implémentant une taxonomie neuroscientifique de la perception humaine. Nous montrons que cette nouvelle approche agit sur le raisonnement et, à tour de rôle, améliore l’apprentissage général et l’induction de la connaissance dans un environnement de résolution de problème. Dans une première partie, nous présentons l’implémentation de notre nouvelle méthode dans un système tutoriel visant à améliorer le raisonnement pour un meilleur apprentissage. De plus, compte tenu de l’importance des mécanismes émotionnels dans l’apprentissage, nous avons également procédé dans cette partie à la mesure des émotions par des capteurs physiologiques. L’efficacité de notre méthode pour l’apprentissage et son impact positif observé sur les émotions a été validée sur trente et un participants. Dans une seconde partie, nous allons plus loin dans notre recherche en adaptant notre méthode visant à améliorer le raisonnement pour une meilleure induction de la connaissance. L’induction est un type de raisonnement qui permet de construire des règles générales à partir d’exemples spécifiques ou de faits particuliers. Afin de mieux comprendre l’impact de notre méthode sur les processus cognitifs impliqués dans ce type de raisonnement, nous avons eu recours à des capteurs cérébraux pour mesurer l’activité du cerveau des utilisateurs. La validation de notre approche réalisée sur quarante-trois volontaires montre l’efficacité de notre méthode pour l’induction de la connaissance et la viabilité de mesurer le raisonnement par des mesures cérébrales suite à l’application appropriée d’algorithmes de traitement de signal. Suite à ces deux parties, nous clorons la thèse par une discussion applicative en décrivant la mise en place d’un nouveau système tutoriel intelligent intégrant les résultats de nos travaux.

ISMAEL : un agente BDI como cerebro de una plataforma de tele-educación

Resumen tomado del autor

Sistema Inteligente de Tutorización Avanzada (SITA). Un caso de aplicación : GEKA.

El artículo está incluido en un número monográfico especial con los trabajos del I Simposio Pluridisciplinar sobre Diseño, Evaluación y Descripción de Contenidos Educativos Reutilizables (Guadalajara, Octubre 2004).Resumen basado en el de la publicación

SICOLE : diagnóstico y tratamiento computarizado de la dislexia en español.

Monográfico con el título: 'Blended learning'. Resumen basado en el de la publicación

Data mining in education

The third chapter, data mining in education, examines potentials and constraints in the use of data mining in education, summarizing the potential they have to offer meaningful support to: students, teachers, tutors, authors, developers, researchers, and the education and training institutions in which they work and study.