Web-based conversational agents for collaborative learning support

Abstract

Over the past decades, great strides have been made towards the development of software agents that engage in natural language interactions with the learner. Intelligent conversational agents have been developed and used repeatedly as pedagogical tools for fostering students’ motivation and engagement in individual learning settings. Research has also provided evidence that conversational agents can effectively be used to support peer discourse in the context of computer-supported collaborative learning (CSCL) activities. Through the lens of CSCL, this work explores a new generation of adaptable conversational agents employing domain-independent intervention strategies, which originate from the classroom discourse framework of academically productive talk (APT). Based on teachers’ exploration of core features of constructive classroom conversations, APT highlights a set of useful discussion facilitation strategies and norms that can enhance learning and promote students’ equitable and reasoned participation in a wide variety of educational settings. Such discourse facilitation strategies have been recently utilized to design agent support aiming at eliciting student reasoning and engaging students in productive conversational interactions instead of providing content-specific instructional assistance. After highlighting a series of open research issues concerning the effective design and usage of APT agents, we present a prototype web-based conversational agent system developed as a research platform. This system, called MentorChat, was designed deriving from both the established value of APT-based interventions in helping students engage in productive peer interactions and the important role of the teacher in orchestrating collaborative learning activities. The specific system draws away from the typical design of dialogue-based dynamic support systems, tailored to specific learning populations and domains. Specifically, the system enables educators to deploy online dialogue-based activities, asking students to collaborate in order to complete a learning task, as well as configure the domain model of a conversational agent, scaffolding students’ discussions through a series of dynamic APT interventions. Utilizing the easily customizable environment of MentorChat, this dissertation presents six research studies, carried out in two languages (Greek and English), four domains (language learning, multimedia learning, modern history and human-computer interaction) and two education levels (primary and higher education). The studies provide an empirical foundation for an automated, flexible dialogue facilitation approach and contribute to developing an insight into how specific types of APT interventions can be effectively employed in the context of small group collaborative learning activities. Overall, the studies demonstrate that the use of APT agents can be pedagogically beneficial at both individual and group levels by efficiently helping learners to explicitly articulate their reasoning and sustain a productive peer dialogue. Moreover, the students favorably perceive the agent as a group discussion facilitator. Implications for effective design and fine-tuning of agent intervention modes are also discussed, illustrating how specific design choices can drastically improve the pedagogical effectiveness of a conversational agent providing collaborative learning support.

Τις τελευταίες δεκαετίες, έχουν γίνει πολλά βήματα προόδου γύρω από την ανάπτυξη πρακτόρων λογισμικού που αλληλεπιδρούν με τον εκπαιδευόμενο μέσω φυσικής γλώσσας. Ευφυείς διαλογικοί πράκτορες έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιηθεί επανειλημμένα ως παιδαγωγικά εργαλεία για την ενίσχυση των κινήτρων μάθησης, καθώς και της εμπλοκής των εκπαιδευόμενων σε συνθήκες ατομικής διδασκαλίας. Έρευνες δείχνουν, επίσης, πως οι διαλογικοί πράκτορες μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά για την υποστήριξη του διαλόγου των εκπαιδευόμενων στο πλαίσιο δραστηριοτήτων συνεργατικής μάθησης υποστηριζόμενης από υπολογιστή (ΣΜΥΥ). Υπό το πρίσμα της ΣΜΥΥ, η διατριβή διερευνά μια νέα γενιά ευέλικτων διαλογικών πρακτόρων, οι οποίοι υιοθετούν στρατηγικές παρέμβασης που μπορούν να εφαρμοστούν ανεξαρτήτως γνωστικού πεδίου και προέρχονται από το παιδαγωγικό πλαίσιο του ακαδημαϊκά παραγωγικού λόγου (ΑΠΛ). Με βάση τα ευρήματα των εκπαιδευτικών αναφορικά με τα κύρια χαρακτηριστικά εποικοδομητικών συζητήσεων που λαμβάνουν χώρα στην τάξη, το πλαίσιο του ΑΠΛ αναδεικνύει μια σειρά από παιδαγωγικά ωφέλιμες στρατηγικές παρέμβασης, οι οποίες προάγουν την ισότιμη και επαρκή συμμετοχή των εκπαιδευόμενων σε ποικίλες εκπαιδευτικές βαθμίδες και συνθήκες. Τέτοιου είδους παρεμβάσεις αξιοποιήθηκαν προσφάτως για τη σχεδίαση υποστηρικτικών μηχανισμών διαλογικών πρακτόρων με στόχο την εκμαίευση του συλλογισμού των εκπαιδευόμενων και την δημιουργία συνθηκών γόνιμου διαλόγου, αντί της παροχής διδακτικής βοήθειας σε συγκεκριμένα μαθησιακά αντικείμενα. Μετά την επισκόπηση των ανοιχτών ερευνητικών ζητημάτων που αφορούν την αποδοτική σχεδίαση και χρήση πρακτόρων ΑΠΛ, η διατριβή παρουσιάζει ένα πρωτότυπο διαδικτυακό σύστημα διαλογικών πρακτόρων που αναπτύχθηκε ως ερευνητικό εργαλείο. Το σύστημα, το οποίο ονομάζεται MentorChat, σχεδιάστηκε λαμβάνοντας υπόψη την συμβολή των παρεμβάσεων ΑΠΛ στην προαγωγή ευεργετικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των εκπαιδευόμενων, αλλά και τον σημαντικό ρόλο του εκπαιδευτικού για την ενορχήστρωση δραστηριοτήτων συνεργατικής μάθησης. Το σύστημα αποκλίνει από την παραδοσιακή σχεδίαση συστημάτων υποστήριξης διαλόγου που εστιάζουν στην υποστήριξη συγκεκριμένων μαθησιακών πληθυσμών και πεδίων. Συγκεκριμένα, το MentorChat επιτρέπει στον εκπαιδευτικό να οργανώσει μια διαδικτυακή συνεργατική δραστηριότητα, όπου οι εκπαιδευόμενοι καλούνται να συζητήσουν και να απαντήσουν ομαδικά σε μία σειρά από ζητήματα, καθώς και να ορίσει το γνωστικό μοντέλο ενός διαλογικού πράκτορα, ο οποίος αποβλέπει στην υποβοήθηση του διαλόγου των εκπαιδευόμενων μέσω δυναμικών παρεμβάσεων ΑΠΛ. Αξιοποιώντας το παραμετροποιήσιμο περιβάλλον του MentorChat, η συγκεκριμένη διατριβή παρουσιάζει έξι ερευνητικές μελέτες, οι οποίες διεξήχθησαν σε τέσσερα γνωστικά αντικείμενα (Γλωσσική Εκμάθηση, Μάθηση με Πολυμέσα, Σύγχρονη Ιστορία και Επικοινωνία Ανθρώπου-Υπολογιστή), δύο εκπαιδευτικές βαθμίδες (Πρωτοβάθμια και Τριτοβάθμια Εκπαίδευση) και δύο γλώσσες (Αγγλικά και Ελληνικά). Οι μελέτες αυτές παρέχουν μια εμπειρική βάση για την ανάπτυξη μιας αυτοματοποιημένης, ευέλικτης μορφής διαλογικής υποστήριξης, και συνεισφέρουν στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο συγκεκριμένοι μηχανισμοί παρέμβασης ΑΠΛ μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά στο πλαίσιο συνεργατικών εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων για ολιγομελείς ομάδες. Συνολικά, οι μελέτες δείχνουν ότι η χρήση πρακτόρων ΑΠΛ μπορεί να είναι παιδαγωγικά ωφέλιμη τόσο σε ατομικό όσο και σε ομαδικό επίπεδο, ενθαρρύνοντας τους εκπαιδευόμενους να εκφράσουν με σαφήνεια το συλλογισμό τους, αλλά και να διατηρήσουν ένα παραγωγικό διάλογο μεταξύ τους. Επιπλέον, οι εκπαιδευόμενοι εκλαμβάνουν θετικά τις παρεμβάσεις του διαλογικού πράκτορα, θεωρώντας ότι διευκολύνουν τη συζήτηση της ομάδας. Τέλος, παρουσιάζεται πώς η ορθή σχεδίαση ορισμένων μεθόδων διαλογικής παρέμβασης μπορεί να βελτιώσει δραστικά την παιδαγωγική αξία ενός διαλογικού πράκτορα στην υποστήριξη της συνεργατικής μάθησης.