论文笔记10：ITSEGO: An Ontology for Game-based Intelligent Tutoring Systems

参考论文：ITSEGO: An Ontology for Game-based Intelligent Tutoring Systems

Abstract

这项工作提出了一个方法，发展学生解决问题的能力和数字能力，实现从幼儿园到小学的过渡。通过一种基于本体的方法，该方法将一个智能的辅导系统（ITS）集成到一个结构化的基于游戏的教育环境中，方便了教师和儿童。ITSEGO，提供了一个模型（通常适用于不同的学习环境）来构建基于游戏的模型，并且，基于游戏的设计是支持上述转换的主要结果。

Introduction

在过去的二十年里，大量的研究活动强调人类的学习过程不是连续的，而是利用了一些概念上的相互联系（Collins和Loftus，1975）形成了一个网络。在这种情况下，信息和通信技术（ICT）有很大的贡献：支持可视化、组织、个性化、适应和分享学习内容，改进增加学生的参与程度等，满足特殊需要的学习和不同的主题的教学活动。信息通信技术在支持学习和教学活动中最重要的用途之一是智能辅导系统（ITS）。ITS（Polson和Richardson，2013）是为学生和教师提供自适应教育体验的软件系统。它有很大的潜力来改善学校教育，目前还没有表达出来。适应能力在以下几个方面得到ITS支持：

i）学生的学习活动与他们当前的知识和技能相一致，以促进有意义的学习;

ii）提供个性化的反馈，以刺激下一次学习活动，避免不成功而产生沮丧、消沉和脱离关系;

iii）在执行学习任务时，提供提示帮助学生。

在使用基于游戏的方法（Jackson和McNamara，2013）时，ITS的适应能力和与改进学习经验有关的证据，导致了将这两个元素集成在一起的想法，以便协同利用两者的优点。

在一些文献中（麦克纳马拉等人，2010年），为了增加学习者的参与度，ITS增强了基于游戏的特征。本文为儿童将ITS特性注入到基于游戏的环境中。引入了本体来为特征建模。这样的本体可以被填充，以开发一个具体的ITS授权的教育游戏。尽管本体已经被广泛地研究过，但目前还没有基于语义Web技术的本体，对与之相关的所有方面进行建模，并能够实现与第3.2节中报告的不同的目标。重要的是要强调，这项工作的主要部分通常广泛去训练应用和异构域。

2 OVERALL APPROACH

本文目标在于提供一种方法使学生完成幼儿园到小学的过度。混合游戏、故事和智能辅导技术的环境，是上述目标的有效解决方案。

在本节中，我们将激发这个想法，并提供必要的背景知识。

在下一节中，我们将定义一个特定的基于游戏的ITS，通过两个主要阶段，它可以实现我们的目标。

第一阶段是ITSEGO（教育游戏本体的智能辅导系统）的定义，这是一个基于游戏的本体的本体。这种本体通常适用于广泛的学习环境。第二阶段是采用ITSEGO（它的实例化和提供额外的内容）来生成基于游戏的特定的游戏。

2.1 Motivating ITS and Game-based Learning Environment

（ 这项工作主要集中在孩子们上幼儿园的最后一年。他们面临着一个关于个人发展的关键时期，他们将面对第一等级的小学。在这类课程中，他们还将培养未来学习所需的能力。尽管上述问题很重要，但支持教师评估这些能力发展的意大利教育部没有具体的建议或指导方针。另一方面，自2004年起，被允许进入小学一年级的法定年龄已经降低。事实上，4月30日出生的孩子可以开始这样的学校。在与孩子的老师讨论后，按照父母的要求，执行这类程序。）-----这段定义了培养内容，升学必备知识+future知识。

使用ITS系统的主要好处是:

i)ITS提供了基于个性化和逐渐增加的方式保证孩子掌握基本技能,与此同时,整个系统的基于游戏组件增加了参与度和积极性,使低高年级之间的光滑过渡,最后,实现边干边学;

ii）可以追踪所有孩子的行为，并提供由教师分析的结构化数据，以执行更好的评估;

iii）它和（数字）基于游戏的学习环境帮助儿童提高数字能力，这些能力包括在2006年欧洲议会推荐的关键能力中。

2.2 Fundamentals and Background Knowledge

ITS概念

ITS是一个软件代理，它的行为可以通过外部（外部）循环和内部循环（du Boulay，2006）来描述。

外部循环向学习者提出一系列不同困难的任务（解决问题）。默认的行为是下一个任务比前一个任务更困难（掌握学习）。然而，如果学习者的结果是负面的，那么它就可以提出一个更低难度或可替代学习内容的任务。内部循环为了实现任务目标，并为相关问题提供解决方案，学习者必须执行一系列步骤。

ITS可以提供自适应反馈（积极的，消极的，等等），以回应学习者对当前步骤的回答或提示，以预测同一任务的下一步。

所有可能的行动都被称为辅导行动。有效的辅导行动的选择可以在教学策略、学习者的个人资料、背景、领域等基础上进行。

Game-based Learning Environments 基于游戏的学习环境

基于游戏的学习环境主要表现为保持持续的玩家/学习者的注意力，并为他们保持高水平的参与度。教育游戏的主要挑战之一是提供一种游戏设计，让玩家/学习者根据自己的真实能力来面对任务和步骤（Kiili，2005）。基于游戏的学习的主要思想是，始终保证游戏水平比她通过考虑一个近端发展区域（维果斯基等人，2012）所展示的能力更大。这相位可以通过控制和调整内部和外部循环来维持。

3 DEFINITION OF ITSEGO

这个工作的核心部分是一个本体的定义，它可以作为一个模型来构造ITS基于游戏的环境。这种本体被称为ITSEGO。ITSEGO可以被采用、扩展、实例化和完成（带有附加内容），以构建由智能辅导功能授权的特定游戏。为了定义ITSEGO，我们选择W3C提供的Web Ontology Language（OWL），它是所谓的语义Web Stack的主要组件之一。OWL基于描述逻辑（Krotzsch等人，2014），并提供了一组合适的功能，比如提供高水平的互操作性和集成，以及一个正式的推理机制。这是语义Web本体的主要优点之一，它们很容易地与现有的结果集成，例如，OMNIBUS本体（布尔多等人，2007）。

3.1 Building the Ontology

在本节中，我们展示ITSEGO中最相关的通用部分，它们是关于基于游戏建模的重要成分的：交互、任务和步骤、上下文、讲故事、游戏、辅导行为和辅导规则。

ITSEGO工程考虑的主要设计原则如下：

##维护简单和一般的类、属性和公理的设计，不涉及应用领域、学习上下文和内容的建议。其思想是提供基本的构建模块（具有基本结构和关键的抽象），以便在多个ITS和异构域中开发不同的模块，尽管这个工作的驱动程序来自一个具有特定动机的特定目标

##在本体定义中，包括构建一个特定的（基于游戏的）ITS将被部署到测试环境中，以支持真实世界的ITS。

##通过考虑游戏和讲故事元素，设计在混合环境中基于游戏的ITS的特性部署

 

3.1.1基于游戏的ITS交互被划分为会话。

ITSEGO:Play 一个单独游戏，聚合一个或多个session

ITSEGO:Session session概念建模

ITSEGO:Interaction 每个session保持一系列学习者与系统的交互信息，提供用于部署任务和步骤的特定环境（平台）的链接，接收用户输入并提供输出。

foaf:Person 学习者信息

ITSEGO:Task 任务建模

ITSEGO:Step 步骤建模

给学习者提供的问题由一系列任务和步骤组成，且二者必须包含允许执行基于游戏的ITS的全部信息

ITSEGO:isComposedBy 该属性与任务和步骤相关

ITSEGO:firstStep 任务中的第一步

ITSEGO:next 提供一个任务中相关步骤的顺序信息

ITSEGO:difficulty 任务难度级别

ITSEGO:similarTo 任务与其他任务的相关程度

ITSEGO:equivalentTo 步骤与其他步骤的相关程度，这对于为特定的步骤接受多个解决方案是很有用的。

ITSEGO:Response 这代表了与学习者在特定任务中的特定步骤向她提出的答案相关的回应信息。在给定的上下文中发生交互（例如一组上下文信息，例如，学习者的简介）。

ITSEGO:TutoringAction 这就是考虑到特定学习者的答案，人类或自动导师必须要做的动作。

ITSEGO:EvaluationResult 当一个学习者的答案被评估时，就需要检查它是否正确。这与给定的交互有关，并提供相关的信息。这个类可以专门支持布尔评估结果、模糊评估结果和其他可能在教学规则中使用的属性。

ITSEGO:ExpectedResponse

3.1.2 Tasks and Steps

我们提出的基本本体有一组属性，这些特性有助于将任务和步骤与具体资源（通过使用uri）联系起来。通过这种方式，可以在不同的、异构的学习环境中部署系统。现在，让我们关注两个重要的方面：任务/步骤的知识点和内容。任务和步骤需要与必须通过使用泛型uri向学习者提出的内容相关联。

ITSEGO:topic 连接task和step到SKOS的主要构成skos:Concept上

SKOS是一种语义Web本体，允许对同义词典、分类法、概念图等进行定义。概念层允许对主题进行推理，并允许对任务进行分类，并对其主题进行分类。最后，任务不是预先排序的。向学习者提出的任务序列可以通过应用特定的教学规则来获得。其中一个看似合理的解决方案是采用“掌握学习策略”。提出任务，以增加难度。 

3.1.3 Context

ITSEGO:Context 包含学生模型信息和上下文信息。例如，在学习者与系统的交互过程中，环境或情境特征。

学生模型由三个部分组成：

1、包括学生的信息（例如，姓名，年龄），上下文信息（例如，家庭背景，学校背景），能力信息（例如，已经获得的能力），个人特质信息。

2、与特定的游戏相关的信息，如奖励（在游戏中获得的），能力（在游戏中获得），得分（游戏的总分数）和表现（在游戏中产生）。

学习者的表现与特定的游戏水平有关。每个游戏级别都有一个状态（完成，未完成，未启动），包括分数、奖励（也可以是徽章）和玩家在面对这个级别时获得的能力（获得）。游戏级别与一个或多个任务（可能属于相同的难度）相关，必须成功执行才能完成该级别。

3、与玩家/学习者的情感和情绪状态相关的信息。这些信息是动态的，可以通过处理来自额外传感器的原始数据来“感知”。

教学规则中包含的所有信息都可用于教学规则的调整，并产生适当和有效的辅导措施。此外，除了前面提到的数据外，还必须收集其他一些数据。例如，教学规则可以基于特定步骤的错误数量和连续错误的数量，等等。

3.1.4 Tutoring Actions

辅导行为是由导师提供的行为，以回应学习者与特定任务中的某一特定步骤的互动。辅导行为是通过考虑几个不同的方面来选择的：上下文、教学策略、学生的情绪状态、学生的先验知识等等。辅导行为可以分为反馈、暗示和适应。ITSEGO为上述类提供了进一步的专门化。在每一次互动中，都可以提供所有看似合理的辅导行为的子集。

3.1.5 Tutoring Rules

辅导或教学规则实施了用于适应环境的教学策略，并根据学习者在特定环境下与步骤（在任务中）互动时的行为产生反馈/暗示。有很多方法可以实现这样的规则。在这项工作中，我们建议在ITSEGO中开发类限制的规则。通过这种方式，可以使用标准的OWL-DL推理器生成正确的辅导动作（或一组辅导动作）。

ITSEGO:PedagogicalRule  包含ITS所有可接受的规则。每条规则都由一个条件和一个动作（或多个动作）组成，当条件值为真时，必须执行它。

ITSEGO:LearningCondition 包含条件，条件是由游戏状态(学习者)执行的任务和步骤,上下文(学习者相关的最新信息:分数,尝试,情感,形象,等等),响应(正确性和其他学习者的信息响应考虑任务和步骤)和故事环境(游戏)背后的故事环境的配置。

在这种情况下，考虑这些因素，以便做出关于辅导行动的决定。其思想是，如果当前的学习条件等于（对于每个元素）与附在规则上的学习条件相同，那么可以执行这样的规则来获得正确的辅导操作。

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3.1.6 Storytelling

 

3.1.7 Game

4 INSTANTIATING A GAME-BASED ITS

在本节中，我们将展示如何实例化所提议的本体，以便构建一个工具来支持孩子从幼儿园到小学的过渡。特别地，一个教育游戏（在简短的Edu游戏中）已经以Android应用的形式实现了。最后，在本节的第二部分中描述了一个验证和评估框架

4.1 The Prototype System

这部分是介绍与已经试验过的原型应用开发相关的最重要的问题。

4.1.1 Architectural and Technological Issues

该系统原型是通过LibGDX8和Java开发的，用于实现前端并将其部署到Android平板上（LibGDX是多平台的，因此它允许在Android、iOS、桌面、Web等方面部署软件）。在第一个原型中，ITSEGO的访问是通过与一组Web服务（在Java中实现并由JBoss托管）的HTTP连接实现的，以便在知识库中查询和执行推断。系统行为的主要思想是，该应用程序向孩子提出一个屏幕，并结合音频解释（可能是5-6岁的孩子不能阅读文本）相关的任务/步骤。在音频描述的结尾，孩子可以自由地与屏幕交互。这种交互触发了对ITSEGO的推断，根据本体中建模的教学规则，能够找到合适的辅导动作，将其返回给执行此类操作的应用程序，以便向孩子提供其结果（例如反馈）。需要强调的是，该应用程序实现了ITSEGO模型，它的行为反映了通过使用本体构造（如第3.1.5节所示）建模的教学规则所提供的模式。在ITSEGO中添加的教学规则是由特定的环境（5-6岁的孩子）驱动的，在这些环境中，他们必须被使用，并且为了特定的学习目标（支持从幼儿园到小学的过渡）我们必须完成

4.1.2 Edu Game Content

为了设计Edu游戏的内容，我们选择了一组字符，一个用于每个任务，指导孩子沿着这些步骤。每个任务都与一个故事有关，这个故事给孩子提供了一个问题，这个孩子必须通过执行一系列步骤来解决这个问题。特别地，第一个任务与清理房间的具体问题有关。这个任务的主要角色叫做ru隔离区，他要求孩子/玩家给他帮助，让他和他的朋友一起出去踢足球（见图4（a））。与此任务相关的每一步都与主要问题有关。

例如，在第一步中，孩子/玩家必须将玩具放入篮子游戏中，并将彩色铅笔放入箱子中（例如，一个与分类有关的问题）。

在第二步中，孩子/玩家必须从最小的到最大的（也就是与更小的和更大的概念相关的问题）分类一些书籍。第三步是确定正确的形状，第四步（最后一步）专注于在手机键盘上找到正确的数字，以便打电话给ru贫民窟的朋友们踢足球。反馈行动是由教学规则驱动的，基于音频描述和彩色屏幕。提示操作通过音频帮助和/或图像来丰富，以帮助特定的步骤。颜色是根据应该被鼓励的情绪来选择的。

conclusion

本文提出了将其功能集成到Edu GAME中的想法。主要的结果是：定义它的本体，定义一个基于本体的方法来构建基于游戏的方法，并开发一个Android应用程序，实现一个基于ITSEGO的推理能力的Edu游戏。最后，提出了一种验证和评价这项工作的多种结果的框架。在未来，将对其在树莓上的部署进行调查。目前，我们正在实现第四部分的最后一部分所描述的实验。

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