Использование Веб-служб для индивидуализированного обучения, основанного на Веб-технологиях

Катерина Кабасси, Мария Вирву, Факультет Информатики, Университет Пиреи, Греция

В данной работе описывается мульти-агент (multi-agent), индивидуализированный обучающий комплекс, работающий через Веб. Данный комплекс называется Web F-SMILE и предназначен для помощи начинающим пользователям в изучении управления файловым хранилищем их персонального компьютера. Для того чтобы обеспечить адаптивную помощь и обучение, Web F-SMILE назначает агента для постоянного наблюдения за пользователем и сбора сведений о нем/ней. Данные сведения централизованно сохраняются на Сервере Моделирования Учащихся (Learner Modelling Server). Таким образом, каждая модель учащегося доступна любому клиентскому приложению, запрашивающему его. Агенты клиентских приложений взаимодействуют с Сервером Моделирования Учащихся через Веб-службы. Основная характерная черта Веб-служб – это то, что они взаимодействуют с приложениями, вызывающими их, используя стандарты Веб. То, что моделирование учащихся основывается на стандартах Веб, имеет преимущество, заключающееся в возможности динамической интеграции приложений, распределенных в сети Интернет, независимо от того, на каких платформах они размещены.

Введение

Возрастающая популярность Интернета и Всемирной паутины оказала влияние на обучение с помощью компьютера (computer assisted learning), которое в настоящее время превращается в обучение, основанное на Веб-технологиях, так как Веб имеет множество преимуществ, которые может предложить образованию. Действительно, обучение через Веб может производиться откуда угодно, в любое время, с любого компьютера и без необходимости присутствия человека - преподавателя (human tutor). Тем не менее, большинство обучающих приложений (educational applications), основанных на Веб-технологиях, по-прежнему достаточно статичные и представляют общий подход к обучению, который не принимает во внимание индивидуальные потребности каждого учащегося (student), использующего обучающие приложения (educational application). Данная общепринятая практика не позволяет воспользоваться в полной мере всеми возможностями компьютера, подключенного к Интернет, как средства обучения учащихся.

С другой стороны, существуют технологии образовательного программного обеспечения (educational software technologies), которые очень эффективны в индивидуализации обучения (personalising tutoring). Действительно, Интеллектуальные Обучающие Комплексы (ИОК) (Intelligent Tutoring Systems, ITSs) и Интеллектуальные Обучающие Среды (ИОС) (Intelligent Learning Environments,ILEs) – это образовательные технологии, нацеленные на выполнение индивидуализированного обучения, основанного на их компонентах моделирования учащихся (learner modelling components). Моделирование учащегося включает в себя построение качественного представления, которое учитывает поведение учащегося в зависимости от имеющихся предварительных знаний об изучаемой области и изучение студентами данной область (Sison & Simura, 1998). Такое представление, называемое моделью учащегося, может помочь Интеллектуальному Обучающему Комплексу (ИОК) (Intelligent Tutoring System, ITS), Интеллектуальной Обучающей Среде (ИОС) (Intelligent Learning Environment, ILE), или интеллектуальному учащемуся, обучающегося в сотрудничестве (intelligent collaborative learner) в адаптации к определенным аспектам студенческого поведения (McCalla, 1992).

Для индивидуализированного взаимодействия с пользователем комплекс должен иметь доступ к большому количеству разнообразной информации о нем/ней, начиная с относительно долгосрочных фактов, таких как области интересов и знаний, и заканчивая краткосрочными фактами, такими как задача, которую пользователь в настоящее время пытается решить. Принимая это во внимание, Рич (Rich) (1999) выявил отличительный признак между долгосрочными и краткосрочными моделями пользователя. Долгосрочная модель пользователя может состоять из информации о пользователе, которая была собрана во время предыдущих взаимодействий. Эта информация может включать в себя уровень знаний пользователя в данной области, его/ее частые ошибки и т.д. Краткосрочная модель пользователя состоит из убеждений пользователя (the user’s beliefs) в конкретный момент времени (at a very specific time) и является результатом умозаключений системы (output of the reasoning of the system). В идеальном случае обе модели должны иметься в ИОК или ИОС и обмениваться информацией между собой.

Традиционно Интеллектуальные Обучающие Комплексы (ИОК) (Intelligent Tutoring Systems, ITSs) функционировали на стороне клиента (компьютера пользователя) как самостоятельные приложения. Эти ИОК (ITSs) основывались на модели учащегося, хранившейся локально на ПК (персональном компьютере) пользователя. Т.к. каждый комплекс такого класса собирает все больше и больше информации о каждом учащемся, он может улучшить свои прогнозы и у учащихся вырабатывается доверие к нему. Т.к. все личные данные хранятся локально на компьютере пользователя, единственным способом для учащегося воспользоваться преимуществами полностью адаптивного и индивидуализированного обучения будет гарантирование того, что он(а) использует один и тот же ПК каждый раз когда он(а) взаимодействует с ИОК. Однако в реальных компьютерных лабораториях образовательных учреждений это достаточно затруднительно, поскольку пользователи обычно не имеют своего собственного ПК и используют тот, который доступен в данный момент. Более того, в реальном учебном процессе  учащемуся вероятно необходимо будет использовать ИОК как в учебном заведении, так и дома. Однако это также будет проблематично, в случае если модель учащегося (student model) существует только на одном единственном ПК, который находится либо в образовательном учреждении, либо дома.

Принимая во внимание вышеперечисленное, слияние ИОК и ИОС с обучением, основанном на веб-технологиях, может породить системы обучения (tutoring systems), которые могут не зависеть от ПК, платформы и могут быть использованы студентами в любое время, с любого компьютера без потери важной информации, собранной системой о них в их долгосрочной пользовательской модели.

Как следствие неоспоримых достоинств того, что слияние ИОК и ИОС с обучением, основанном на Веб-технологиях, может предложить, в последнее время много исследовательской энергии было направлено в эту область (например Alpert и др., 1999; Warendorf & Tan, 1997; Okazaki и др., 1996; Brusilovsky и др., 1996; Ritter, 1997; Nakabayashi и др., 1997). Подобно этим комплексам мы разработали Web F-SMILE (Web File-Store Manipulation Intelligent Learning Environment - Интеллектуальная Веб Среда Обучающая Манипулированию Хранилищем Файлов), которая является индивидуализированной системой обучения (personalised learning system), функционирующей через Веб. В частности, Web F-SMILE – это ИОС для начинающих пользователей GUI (Графического Пользовательского Интерфейса), который манипулирует файлами, такого как Windows Explorer (Проводник Windows). Однако, наш подход относительно функционирования системы через Веб основан на Веб службах, новой многообещающей технологии. Если быть более конкретным, Веб службы – это автономные, модульные приложения (self-contained, modular applications), которые предоставляют набор выполняемых функций каждому, кто запрашивает их. Основной характерной чертой Веб служб является то, что они взаимодействуют с приложениями, которые их вызывают, используя стандарты Веб, такие как WSDL (Web Service Definition Language), SOAP (Simple Object Access Protocol) и UDDI (Universal Description, Discovery and Integration). То, что моделирование учащихся основывается на стандартах Веб, имеет преимущество, заключающееся в возможности динамической интеграции приложений, распределенных в сети Интернет, независимо от того, на каких платформах они размещены.

Сходные исследования

Некоторое количество архитектурных паттернов (architectural patterns) уже было применено для развертывания ИОК и ИОС в Веб. В этом разделе мы представляем и обсуждаем наиболее общие архитектуры, а также сравниваем их и сопоставляем с архитектурой, которая была применена нами и которая основана на Веб службах. Затем обсуждаются сходства и различия между Web F-SMILE и другими программами, предлагающими индивидуализированное обучение (personalised tutoring) и основанными на Веб технологиях.

Простое решение по развертыванию ИОК и ИОС в Веб было основано на Java и применено в ADIS (Warendorf & Tan, 1997). ИОК целиком расположена в Java апплете, который пользователь загружает при посещении определенного адреса URL. ИОК выполняется на стороне ПК учащегося, и модель учащегося (student model) постоянно хранится на стороне клиента. Так как вся информация об учащемся (learner) хранится локально на его ПК, ADIS по-прежнему страдает от недостатков автономных, зависимых от ПК ИОК относительно полноты и соответствия модели учащегося (learner model).

Совсем другой подход – это распределенная клиент-серверная архитектура, которая применена, например, Эллиотом (Elliot) (1997). В данном случае некоторые модули хранятся на стороне сервера, а некоторые на стороне клиента. Java апплет, который постоянно хранится на стороне клиента, содержит модели системы, которые отвечают за взаимодействие с пользователем. Передача информации между сервером и клиентом осуществляется с использованием сокет соединений (socket connection) или при помощи других сетевых механизмов. Основная проблема с сокетами состоит в том, что они не поддерживают типы данных и, следовательно, нуждаются в ручном разборе сообщений (manual message parsing). В противоположность им, Веб службы придерживаются протокола XML (eXtensible Markup Language = Расширяемый Язык Разметки) для обмена данными, поэтому здесь разрешено предварительное определение сложных типов данных. Другим недостатком распределенной клиент-серверной архитектуры является то, что разработчику необходимо создать свой собственный протокол передачи информации (communication protocol), и клиент может испытывать проблемы при получении данных с сервера. Например, если пользователь работает как дома, так и на работе, то его(ее) модель может не работать как предполагалось, потому что клиент на работе может находиться за брандмауэром (firewall), который не позволяет передачу данных серверу, моделирующему пользователя, по определенному порту. В противоположность, Веб службы используют протокол SOAP (Simple Object Access Protocol) для осуществления передачи информации. Такая сильная зависимость Веб служб от стандартов гарантирует базовую способность к взаимодействию, которая означает, что данные о модели учащегося (learner model) можно будет прочитать с любого компьютера. К тому же Веб службы используют протокол передачи гипертекста (Hypertext Transfer Protocol) и поэтому получают преимущество в способности проходить через большинство систем безопасности (брандмауэры, прокси-серверы и т.д.).

Другой подход, который до настоящего времени являлся преобладающей архитектурой приложений, приспособленных под Веб (Web-enabled), - это архитектура HTML-CGI. Данная архитектура выбрана несколькими ИОК, такими как WITS (Okazaki и др., 1996), ELM-ART (Brusilovsky и др., 1996), PAT Online (Ritter, 1997), CALAT (Nakabayashi и др., 1997) и AlgeBrain (Alpert и др., 1999). Во всех  этих ИОК пользователь взаимодействует с системой посредством Веб обозревателя (браузера). Информация, предоставляемая пользователем, посылается на Веб сервер, который пересылает ее CGI (Common Gateway Interface) приложению. CGI программа содержит все функциональные возможности и модель учащегося (student model) постоянно хранится на сервере. Однако данная архитектурная модель имеет ряд ограничивающих особенностей (constraining features), таких как отсутствие непосредственной интерактивности. CGI скрипты не устанавливаются (stateless) при выполнении (resulting) громоздких (cumbersome), самостоятельных (standalone) запросов. Например, пользователь вынужден идентифицировать себя каждый раз, когда он(а) посылает запрос. XML, с другой стороны, поддерживает структурирование сложных данных (structuring complex data) в иерархии и таким образом облегчает быстрые транзакции (Papadakis & Chrissikopoulos, 2000). Более того, Веб службы, в противоположность HTML-CGI архитектуре, где комплекс не может использовать ресурсы клиента, намного более свободно связаны, чем большинство традиционных распределенных приложений (Kuno & Sahai, 2002).

В заключение, Веб службы придерживаются протокола WSDL (Web Services Description Language - Язык Описания Веб Служб) для предоставления метаданных, необходимых для запуска службы, и UDDI (Universal Description Discovery and Integration = Универсальные Обнаружение и Интеграция Описаний) для размещения служб на UDDI серверах. Последнее позволяет динамически интегрировать приложения, распределенные в сети, независимо от их базовых платформ (underlying platforms). В целом, как указывают Tsalgatidou & Pilioura (2002), парадигма Веб-служб побуждает разработчиков к созданию приложений с размещением и использованием уже существующих Веб служб, а не к созданию требуемых выполняемых функций с нуля, способствуя, таким образом, быстрой и эффективной разработке приложений и оперативной интеграции (just-in-time integration).

В большинстве обучающих систем, основанных на Веб технологиях, (web-based educational systems) (Okazaki и др., 1996, López и др., 1998, Brusilovsky и др., 1996, Ritter, 1997, Machado и др., 1999) модель учащегося (student model) хранится на стороне сервера, но основные решения по поводу обучения (instructional decisions) принимаются клиентским приложением.

В Web F-SMILE также использован данный подход. Однако, в отличие от всех систем, перечисленных выше, Web F-SMILE имеет значительное преимущество, заключающееся в том, что он может быть также использован на пользовательских ПК, не подключенных к сети Интернет. Это сделано для того, чтобы пользователи могли использовать обучающую среду (learning environment) даже если по какой-то причине не удается установить подключение к Интернету. Для обеспечения работы Web F-SMILE в обоих режимах, в Web F-SMILE используются две модели учащегося (learner models) для каждого учащегося; одна хранится локально на компьютере пользователя, а другая – централизованно на сервере. Подобный подход также используется в DCG (Vassileva, 1997), а именно: в DCG при загрузке когда пользователь загружает Java приложение, копия его/ее модели учащегося (student model) создается локально на пользовательском ПК. Вся новая информация, собираемая во время взаимодействия учащегося (student) с системой сохраняется в локальной пользовательской модели. Когда пользователь заканчивает работу с приложением, локальная копия загружается на сервер. Однако данный подход не принимает во внимание тот факт, что пользователь при завершении работы с приложением уже может быть не подключен к Интернету. Web F-SMILE решает данную проблему путем согласования взаимодействия пользовательских моделей на стороне клиента и на стороне сервера соответственно. Каждый раз, когда пользователь оказывается online, две модели эффективно взаимодействуют через Веб службу и обмениваются данными таким образом, чтобы обе модели содержали самые последние сведения об учащемся.

Работа комплекса

Web F-SMILE является Интеллектуальной Обучающей Средой (intelligent learning environment) с Графическим Интерфейсом Пользователя (GUI, Graphical User Interface) для начинающих пользователей, манипулирующих файлами, как в Проводнике Windows 98/NT (Windows 98/NT Explorer) (Microsoft Corporation, 1998). Главной отличительной чертой системы является то, что она может адаптировать свое взаимодействие к каждому конкретному учащемуся. Для этого Web F-SMILE назначает агентов (agents) для наблюдения за учащимся в то время как он(а) активно занимается своей обычной деятельностью и дает непосредственные, непринужденные и индивидуализированные советы и обучение (spontaneous and individualized advice and tutoring) в случае возникновения проблемы. Индивидуализированные советы и обучение основаны на модели учащегося (learner model). Комплекс может работать и как приложение, использующее Веб технологии (Web-based application), и как автономное приложение (standalone application), когда компьютер учащегося не подключен к Интернету. Когда система работает онлайн, сведения об учащемся сохраняются на Сервере Моделирования Учащихся (Learner Modelling Server) и отдаются в распоряжение любого клиента приложения, который вызывает его. Однако учащийся также может управлять файловым хранилищем, когда находится в оффлайн. По вышеуказанной причине комплекс хранит две копии моделей учащихся (learner models), одну на сервере, а другую на ПК пользователя, для того, чтобы комплекс мог работать, как онлайн, так и оффлайн. Таким образом, удобство и простота использования комплекса увеличиваются.

Web F-SMILE использует Веб службы для обеспечения взаимодействия агентов (agents) комплекса с Веб сервером. Веб службы, в широком смысле этого термина, являются службами, представленными через Веб. В последнее время, однако, этот термин относится к набору отдельных протоколов связанных с взаимодействием удаленных приложений. Если быть более конкретным, Веб службы являются отдельными (self-contained), модульными приложениями, которые предоставляют набор выполняемых функций любому, запрашивающему их.

Рис. 1: Начальное состояние файловой системы дискеты учащегося

Простой пример работы комплекса, полученный при реальном взаимодействии пользователя с Web F-SMILE, представлен в таблице 1. Начальное состояние файловой системы на дискете учащегося показано на рис.1. Конечная цель учащегося заключается в форматировании дискеты. Однако дискета содержит папку с некоторыми важными письмами. Поэтому учащемуся требуется переместить папку в безопасное место (жесткий диск его/ее компьютера).