Assessing the educational suitability of laboratory simulators with conceptual modelling and process similarity metrics

Abstract

Laboratory classes are essential in Biology, Biotechnology and Chemistry, as they help learners acquire skills and understand physical phenomena in depth. To run hands-on laboratories one needs space, equipment and staff, so virtual laboratories can help reduce the total cost while still complementing and enhancing experience gained through physical presence. Virtual laboratories are used in K-12 schools, undergraduate and postgraduate courses, with overall positive effects on students’ cognitive load, skills development and motivation. The adaptation of virtual laboratory experiments can be achieved to meet the specific learning goals of different learners by transforming the experiments in a way that aligns with the expected learning outcomes of each audience. In this thesis, experimental procedures are modeled using the Unified Modeling Language (UML) Activity Diagrams and Petri nets, in order to detect possible differences between them when executed in different educational settings. These differences are, then, used for the required transformation of the experimental steps. The evaluation of the distance between the conceptual models is carried out by the user and the possible needed transformation is decided to meet the learning outcomes in the educational environment selected by the user, educator or learner. The proposed approach in this thesis offers educators the ability to estimate if a specific virtual laboratory is suitable for a new educational setting with relatively limited work from his/her side. The similarity of process models representing experiments is calculated using the simulation traces of the corresponding Petri nets and the log files produced by the experiment's simulated execution in a virtual laboratory (Onlabs). The feasibility of this approach is demonstrated on a virtual microscoping experiment, providing an estimation of the conceptual proximity between experiments performed in different educational settings using the same virtual laboratory software. The proposed framework has potential applications beyond virtual laboratories, as the general approach of using process modeling and conformance checking to evaluate the similarity between the specification of experimental procedures and actual execution logs can be applied to various domains.

Τα εργαστηριακά μαθήματα είναι απαραίτητα στη διδασκαλία Φυσικών και όχι μόνο επιστημών, όπως η Βιολογία, η Βιοτεχνολογία και η Χημεία, καθώς βοηθούν τους μαθητές να αποκτήσουν δεξιότητες και να κατανοήσουν σε βάθος τα φυσικά φαινόμενα. Για να λειτουργήσει κανείς πρακτικά εργαστήρια χρειάζεται χώρο, εξοπλισμό και προσωπικό, επομένως τα εικονικά εργαστήρια μπορούν να συμβάλουν στη μείωση του συνολικού κόστους και να συμπληρώσουν τη φυσική παρουσία. Τα εικονικά εργαστήρια χρησιμοποιούνται σε σχολεία πρωτοβάθμιας, δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης, προπτυχιακά και μεταπτυχιακά μαθήματα, με συνολικά θετικές επιπτώσεις στο γνωστικό φορτίο, την ανάπτυξη δεξιοτήτων και τα κίνητρα των μαθητών. Παρόμοια πειράματα εικονικών εργαστηρίων μπορούν να προσαρμοστούν, ώστε να ανταποκρίνονται στις ανάγκες μαθητών διαφορετικών εκπαιδευτικών επιπέδων, εάν μπορούν να μετασχηματιστούν για να ικανοποιήσουν τα αναμενόμενα μαθησιακά αποτελέσματα για κάθε κοινό. Στο πλαίσιο της διατριβής αυτής, οι πειραματικές διαδικασίες μοντελοποιούνται χρησιμοποιώντας τα Unified Modeling Language (UML) Activity Diagrams και τα Petri nets, προκειμένου να ανιχνευθούν πιθανές διαφορές μεταξύ τους όταν εκτελούνται σε διαφορετικά εκπαιδευτικά περιβάλλοντα. Αυτές οι διαφορές, λοιπόν, χρησιμοποιούνται για τον απαιτούμενο μετασχηματισμό των πειραματικών βημάτων. Η αξιολόγηση της απόστασης μεταξύ των εννοιολογικών μοντέλων πραγματοποιείται από τον χρήστη και αποφασίζεται ο πιθανός αναγκαίος μετασχηματισμός για την κάλυψη των μαθησιακών αποτελεσμάτων στο εκπαιδευτικό περιβάλλον που επιλέγεται από τον χρήστη, τον εκπαιδευτικό ή τον εκπαιδευόμενο. Η προτεινόμενη προσέγγιση σε αυτή τη διατριβή προσφέρει στους εκπαιδευτικούς τη δυνατότητα να εκτιμήσουν εάν ένα συγκεκριμένο εικονικό εργαστήριο είναι κατάλληλο για ένα νέο εκπαιδευτικό περιβάλλον με σχετικά περιορισμένη εργασία από την πλευρά του/της. Η ομοιότητα των μοντέλων διεργασίας που αντιπροσωπεύουν πειράματα υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τα ίχνη προσομοίωσης των αντίστοιχων Petri nets και τα αρχεία καταγραφής (log files) που παράγονται από την προσομοίωση της εκτέλεσης του πειράματος σε ένα εικονικό εργαστήριο (Onlabs). Η σκοπιμότητα αυτής της προσέγγισης αποδεικνύεται σε ένα εικονικό πείραμα μικροσκόπισης, παρέχοντας μια εκτίμηση της εννοιολογικής εγγύτητας μεταξύ πειραμάτων που εκτελούνται σε διαφορετικά εκπαιδευτικά περιβάλλοντα χρησιμοποιώντας το ίδιο λογισμικό εικονικού εργαστηρίου (Onlabs). Το προτεινόμενο πλαίσιο έχει πιθανές εφαρμογές πέρα από εικονικά εργαστήρια, καθώς η γενική προσέγγιση της χρήσης μοντελοποίησης διεργασιών και ελέγχου συμμόρφωσης για την αξιολόγηση της ομοιότητας μεταξύ των προδιαγραφών των πειραματικών διαδικασιών και των πραγματικών αρχείων καταγραφής εκτέλεσης μπορεί να εφαρμοστεί σε διάφορους τομείς.