The mathesis meta-authoring framework for intelligent tutoring systems in mathematics

Abstract

The effect of the knowledge acquisition bottleneck is still limiting the widespread use of knowledge-based systems (KBS), especially in the area of model-tracing tutors, as they demand the development of deep domain expertise, tutoring and student models. The MATHESIS meta-authoring framework for model-tracing tutors, presented in this thesis, aims at maximizing knowledge reuse. This is achieved through ontological representation of both the declarative and procedural knowledge of a model-tracing tutor (MTT), as well as of the declarative and procedural authoring knowledge of the process to develop a MTT. Declarative knowledge is represented in Ontology Web Language (OWL). Procedural knowledge is represented using the concepts of atomic and composite processes of OWL-S web services description ontology. The framework provides authoring tools, integrated into the Protégé OWL ontology editor, for the development and management of the MTT‟s ontological representation. It also provides meta-authoring tools for the ontological representation of the authoring expertise as a set of composite authoring processes and atomic authoring statements. The latter constitute a language, ONTOMATH, for building executable authoring models that, when executed by the tools, guide non-expert authors like domain experts to the creation of new model-tracing tutors. The framework, being in an experimental stage, was used for the development of a monomial multiplication and division tutor. However, the overall design and implementation aimed at constituting the framework as a proof-of-concept system that can be used for the meta-knowledge engineering of more complex model-tracing tutors.

Το φαινόμενο του στενωπού της απόκτησης γνώσης περιορίζει ακόμη την ευρεία χρήση συστημάτων βασισμένων στη γνώση, ειδικά στον τομέα των Φροντιστών Ανίχνευσης Μοντέλου, καθώς αυτοί απαιτούν την ανάπτυξη «βαθέων» μοντέλων εμπειρογνωμοσύνης στο γνωστικό πεδίο, στη διδακτική και στην αναπαράσταση της γνώσης του μαθητή. Το μετά-συγγραφικό πλαίσιο «ΜΑΘΗΣΙΣ» για φροντιστές ανίχνευσης μοντέλου, που παρουσιάζεται σε αυτή τη διατριβή, σκοπό έχει τη μεγιστοποίηση της επαναχρησιμοποίησης της γνώσης. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της οντολογικής αναπαράστασης τόσο της δηλωτικής και της διαδικασιακής γνώσης ενός Φροντιστή Ανίχνευσης Μοντέλου (ΦΑΜ), όσο και της δηλωτικής και της διαδικασιακής συγγραφικής γνώσης της διαδικασίας για την ανάπτυξη ενός ΦΑΜ. Η δηλωτική γνώση αναπαρίσταται μέσω της Διαδικτυακής Γλώσσας Οντολογιών – Ontology Web Language (OWL). H διαδικασιακή γνώση αναπαρίσταται με τη χρήση των εννοιών της ατομικής και σύνθετης διεργασίας της διαδικτυακής γλώσσας οντολογικής περιγραφής υπηρεσιών διαδικτύου OWL-S. Το πλαίσιο παρέχει συγγραφικά εργαλεία, ενσωματωμένα στο πρόγραμμα διαχείρισης οντολογιών OWL, Protégé, για την ανάπτυξη και διαχείριση της οντολογικής αναπαράστασης ενός ΦΑΜ. Επίσης, παρέχει μετά-συγγραφικά εργαλεία για την οντολογική αναπαράσταση της συγγραφικής εμπειρογνωμοσύνης με τη μορφή ενός συνόλου σύνθετων συγγραφικών διεργασιών και ατομικών συγγραφικών εντολών. Οι τελευταίες αποτελούν μία γλώσσα, την ONTOMATH, για την κατασκευή εκτελέσιμων συγγραφικών μοντέλων τα οποία, όταν εκτελούνται από τα εργαλεία, καθοδηγούν μη εξειδικευμένους συγγραφείς, όπως ειδικούς στο γνωστικό αντικείμενο, στη δημιουργία νέων φροντιστών ανίχνευσης μοντέλου. Το πλαίσιο, ευρισκόμενο σε πειραματική φάση, χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη ενός φροντιστή πολλαπλασιασμού και διαίρεσης μονωνύμων. Παρόλα αυτά, ο συνολικός σχεδιασμός και η ανάπτυξη του πλαισίου σκόπευαν στο να καταστήσουν το πλαίσιο ένα σύστημα-παράδειγμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μηχανική μετα-γνώσης πιο σύνθετων Φροντιστών Ανίχνευσης Μοντέλου.