論文筆記10：ITSEGO

參考論文：ITSEGO: An Ontology for Game-based Intelligent Tutoring Systems

Abstract

這項工作提出了一個方法，發展學生解決問題的能力和數字能力，實現從幼兒園到小學的過渡。通過一種基於本體的方法，該方法將一個智能的輔導系統（ITS）集成到一個結構化的基於遊戲的教育環境中，方便了教師和兒童。ITSEGO，提供了一個模型（通常適用於不同的學習環境）來構建基於遊戲的模型，並且，基於遊戲的設計是支持上述轉換的主要結果。

Introduction

在過去的二十年里，大量的研究活動強調人類的學習過程不是連續的，而是利用了一些概念上的相互聯繫（Collins和Loftus，1975）形成了一個網路。在這種情況下，信息和通信技術（ICT）有很大的貢獻：支持可視化、組織、個性化、適應和分享學習內容，改進增加學生的參與程度等，滿足特殊需要的學習和不同的主題的教學活動。信息通信技術在支持學習和教學活動中最重要的用途之一是智能輔導系統（ITS）。ITS（Polson和Richardson，2013）是為學生和教師提供自適應教育體驗的軟體系統。它有很大的潛力來改善學校教育，目前還沒有表達出來。適應能力在以下幾個方面得到ITS支持：

i）學生的學習活動與他們當前的知識和技能相一致，以促進有意義的學習;

ii）提供個性化的反饋，以刺激下一次學習活動，避免不成功而產生沮喪、消沉和脫離關係;

iii）在執行學習任務時，提供提示幫助學生。

在使用基於遊戲的方法（Jackson和McNamara，2013）時，ITS的適應能力和與改進學習經驗有關的證據，導致了將這兩個元素集成在一起的想法，以便協同利用兩者的優點。

在一些文獻中（麥克納馬拉等人，2010年），為了增加學習者的參與度，ITS增強了基於遊戲的特徵。本文為兒童將ITS特性注入到基於遊戲的環境中。引入了本體來為特徵建模。這樣的本體可以被填充，以開發一個具體的ITS授權的教育遊戲。儘管本體已經被廣泛地研究過，但目前還沒有基於語義Web技術的本體，對與之相關的所有方面進行建模，並能夠實現與第3.2節中報告的不同的目標。重要的是要強調，這項工作的主要部分通常廣泛去訓練應用和異構域。

2 OVERALL APPROACH

本文目標在於提供一種方法使學生完成幼兒園到小學的過度。混合遊戲、故事和智能輔導技術的環境，是上述目標的有效解決方案。

在本節中，我們將激發這個想法，並提供必要的背景知識。

在下一節中，我們將定義一個特定的基於遊戲的ITS，通過兩個主要階段，它可以實現我們的目標。

第一階段是ITSEGO（教育遊戲本體的智能輔導系統）的定義，這是一個基於遊戲的本體的本體。這種本體通常適用於廣泛的學習環境。第二階段是採用ITSEGO（它的實例化和提供額外的內容）來生成基於遊戲的特定的遊戲。

2.1 Motivating ITS and Game-based Learning Environment

（ 這項工作主要集中在孩子們上幼兒園的最後一年。他們面臨著一個關於個人發展的關鍵時期，他們將面對第一等級的小學。在這類課程中，他們還將培養未來學習所需的能力。儘管上述問題很重要，但支持教師評估這些能力發展的義大利教育部沒有具體的建議或指導方針。另一方面，自2004年起，被允許進入小學一年級的法定年齡已經降低。事實上，4月30日出生的孩子可以開始這樣的學校。在與孩子的老師討論後，按照父母的要求，執行這類程序。）-----這段定義了培養內容，升學必備知識+future知識。

使用ITS系統的主要好處是:

i)ITS提供了基於個性化和逐漸增加的方式保證孩子掌握基本技能,與此同時,整個系統的基於遊戲組件增加了參與度和積極性,使低高年級之間的光滑過渡,最後,實現邊干邊學;

ii）可以追蹤所有孩子的行為，並提供由教師分析的結構化數據，以執行更好的評估;

iii）它和（數字）基於遊戲的學習環境幫助兒童提高數字能力，這些能力包括在2006年歐洲議會推薦的關鍵能力中。

2.2 Fundamentals and Background Knowledge

ITS概念

ITS是一個軟體代理，它的行為可以通過外部（外部）循環和內部循環（du Boulay，2006）來描述。

外部循環向學習者提出一系列不同困難的任務（解決問題）。默認的行為是下一個任務比前一個任務更困難（掌握學習）。然而，如果學習者的結果是負面的，那麼它就可以提出一個更低難度或可替代學習內容的任務。內部循環為了實現任務目標，並為相關問題提供解決方案，學習者必須執行一系列步驟。

ITS可以提供自適應反饋（積極的，消極的，等等），以回應學習者對當前步驟的回答或提示，以預測同一任務的下一步。

所有可能的行動都被稱為輔導行動。有效的輔導行動的選擇可以在教學策略、學習者的個人資料、背景、領域等基礎上進行。

Game-based Learning Environments 基於遊戲的學習環境

基於遊戲的學習環境主要表現為保持持續的玩家/學習者的注意力，並為他們保持高水平的參與度。教育遊戲的主要挑戰之一是提供一種遊戲設計，讓玩家/學習者根據自己的真實能力來面對任務和步驟（Kiili，2005）。基於遊戲的學習的主要思想是，始終保證遊戲水平比她通過考慮一個近端發展區域（維果斯基等人，2012）所展示的能力更大。這相位可以通過控制和調整內部和外部循環來維持。

3 DEFINITION OF ITSEGO

這個工作的核心部分是一個本體的定義，它可以作為一個模型來構造ITS基於遊戲的環境。這種本體被稱為ITSEGO。ITSEGO可以被採用、擴展、實例化和完成（帶有附加內容），以構建由智能輔導功能授權的特定遊戲。為了定義ITSEGO，我們選擇W3C提供的Web Ontology Language（OWL），它是所謂的語義Web Stack的主要組件之一。OWL基於描述邏輯（Krotzsch等人，2014），並提供了一組合適的功能，比如提供高水平的互操作性和集成，以及一個正式的推理機制。這是語義Web本體的主要優點之一，它們很容易地與現有的結果集成，例如，OMNIBUS本體（布爾多等人，2007）。

3.1 Building the Ontology

在本節中，我們展示ITSEGO中最相關的通用部分，它們是關於基於遊戲建模的重要成分的：交互、任務和步驟、上下文、講故事、遊戲、輔導行為和輔導規則。

ITSEGO工程考慮的主要設計原則如下：

##維護簡單和一般的類、屬性和公理的設計，不涉及應用領域、學習上下文和內容的建議。其思想是提供基本的構建模塊（具有基本結構和關鍵的抽象），以便在多個ITS和異構域中開發不同的模塊，儘管這個工作的驅動程序來自一個具有特定動機的特定目標

##在本體定義中，包括構建一個特定的（基於遊戲的）ITS將被部署到測試環境中，以支持真實世界的ITS。

##通過考慮遊戲和講故事元素，設計在混合環境中基於遊戲的ITS的特性部署

3.1.1基於遊戲的ITS交互被劃分為會話。

ITSEGO:Play 一個單獨遊戲，聚合一個或多個session

ITSEGO:Session session概念建模

ITSEGO:Interaction 每個session保持一系列學習者與系統的交互信息，提供用於部署任務和步驟的特定環境（平台）的鏈接，接收用戶輸入並提供輸出。

foaf:Person 學習者信息

ITSEGO:Task 任務建模

ITSEGO:Step 步驟建模

給學習者提供的問題由一系列任務和步驟組成，且二者必須包含允許執行基於遊戲的ITS的全部信息

ITSEGO:isComposedBy 該屬性與任務和步驟相關

ITSEGO:firstStep 任務中的第一步

ITSEGO:next 提供一個任務中相關步驟的順序信息

ITSEGO:difficulty 任務難度級別

ITSEGO:similarTo 任務與其他任務的相關程度

ITSEGO:equivalentTo 步驟與其他步驟的相關程度，這對於為特定的步驟接受多個解決方案是很有用的。

ITSEGO:Response 這代表了與學習者在特定任務中的特定步驟向她提出的答案相關的回應信息。在給定的上下文中發生交互（例如一組上下文信息，例如，學習者的簡介）。

ITSEGO:TutoringAction 這就是考慮到特定學習者的答案，人類或自動導師必須要做的動作。

ITSEGO:EvaluationResult 當一個學習者的答案被評估時，就需要檢查它是否正確。這與給定的交互有關，並提供相關的信息。這個類可以專門支持布爾評估結果、模糊評估結果和其他可能在教學規則中使用的屬性。

ITSEGO:ExpectedResponse

3.1.2 Tasks and Steps

我們提出的基本本體有一組屬性，這些特性有助於將任務和步驟與具體資源（通過使用uri）聯繫起來。通過這種方式，可以在不同的、異構的學習環境中部署系統。現在，讓我們關注兩個重要的方面：任務/步驟的知識點和內容。任務和步驟需要與必須通過使用泛型uri向學習者提出的內容相關聯。

ITSEGO:topic 連接task和step到SKOS的主要構成skos:Concept上

SKOS是一種語義Web本體，允許對同義詞典、分類法、概念圖等進行定義。概念層允許對主題進行推理，並允許對任務進行分類，並對其主題進行分類。最後，任務不是預先排序的。向學習者提出的任務序列可以通過應用特定的教學規則來獲得。其中一個看似合理的解決方案是採用「掌握學習策略」。提出任務，以增加難度。

3.1.3 Context

ITSEGO:Context 包含學生模型信息和上下文信息。例如，在學習者與系統的交互過程中，環境或情境特徵。

學生模型由三個部分組成：

1、包括學生的信息（例如，姓名，年齡），上下文信息（例如，家庭背景，學校背景），能力信息（例如，已經獲得的能力），個人特質信息。

2、與特定的遊戲相關的信息，如獎勵（在遊戲中獲得的），能力（在遊戲中獲得），得分（遊戲的總分數）和表現（在遊戲中產生）。

學習者的表現與特定的遊戲水平有關。每個遊戲級別都有一個狀態（完成，未完成，未啟動），包括分數、獎勵（也可以是徽章）和玩家在面對這個級別時獲得的能力（獲得）。遊戲級別與一個或多個任務（可能屬於相同的難度）相關，必須成功執行才能完成該級別。

3、與玩家/學習者的情感和情緒狀態相關的信息。這些信息是動態的，可以通過處理來自額外感測器的原始數據來「感知」。

教學規則中包含的所有信息都可用於教學規則的調整，併產生適當和有效的輔導措施。此外，除了前面提到的數據外，還必須收集其他一些數據。例如，教學規則可以基於特定步驟的錯誤數量和連續錯誤的數量，等等。

3.1.4 Tutoring Actions

輔導行為是由導師提供的行為，以回應學習者與特定任務中的某一特定步驟的互動。輔導行為是通過考慮幾個不同的方面來選擇的：上下文、教學策略、學生的情緒狀態、學生的先驗知識等等。輔導行為可以分為反饋、暗示和適應。ITSEGO為上述類提供了進一步的專門化。在每一次互動中，都可以提供所有看似合理的輔導行為的子集。

3.1.5 Tutoring Rules

輔導或教學規則實施了用於適應環境的教學策略，並根據學習者在特定環境下與步驟（在任務中）互動時的行為產生反饋/暗示。有很多方法可以實現這樣的規則。在這項工作中，我們建議在ITSEGO中開發類限制的規則。通過這種方式，可以使用標準的OWL-DL推理器生成正確的輔導動作（或一組輔導動作）。

ITSEGO:PedagogicalRule 包含ITS所有可接受的規則。每條規則都由一個條件和一個動作（或多個動作）組成，當條件值為真時，必須執行它。

ITSEGO:LearningCondition 包含條件，條件是由遊戲狀態(學習者)執行的任務和步驟,上下文(學習者相關的最新信息:分數,嘗試,情感,形象,等等),響應(正確性和其他學習者的信息響應考慮任務和步驟)和故事環境(遊戲)背後的故事環境的配置。

在這種情況下，考慮這些因素，以便做出關於輔導行動的決定。其思想是，如果當前的學習條件等於（對於每個元素）與附在規則上的學習條件相同，那麼可以執行這樣的規則來獲得正確的輔導操作。

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3.1.6 Storytelling

3.1.7 Game

4 INSTANTIATING A GAME-BASED ITS

在本節中，我們將展示如何實例化所提議的本體，以便構建一個工具來支持孩子從幼兒園到小學的過渡。特別地，一個教育遊戲（在簡短的Edu遊戲中）已經以Android應用的形式實現了。最後，在本節的第二部分中描述了一個驗證和評估框架

4.1 The Prototype System

這部分是介紹與已經試驗過的原型應用開發相關的最重要的問題。

4.1.1 Architectural and Technological Issues

該系統原型是通過LibGDX8和Java開發的，用於實現前端並將其部署到Android平板上（LibGDX是多平台的，因此它允許在Android、iOS、桌面、Web等方面部署軟體）。在第一個原型中，ITSEGO的訪問是通過與一組Web服務（在Java中實現並由JBoss託管）的HTTP連接實現的，以便在知識庫中查詢和執行推斷。系統行為的主要思想是，該應用程序向孩子提出一個屏幕，並結合音頻解釋（可能是5-6歲的孩子不能閱讀文本）相關的任務/步驟。在音頻描述的結尾，孩子可以自由地與屏幕交互。這種交互觸發了對ITSEGO的推斷，根據本體中建模的教學規則，能夠找到合適的輔導動作，將其返回給執行此類操作的應用程序，以便向孩子提供其結果（例如反饋）。需要強調的是，該應用程序實現了ITSEGO模型，它的行為反映了通過使用本體構造（如第3.1.5節所示）建模的教學規則所提供的模式。在ITSEGO中添加的教學規則是由特定的環境（5-6歲的孩子）驅動的，在這些環境中，他們必須被使用，並且為了特定的學習目標（支持從幼兒園到小學的過渡）我們必須完成

4.1.2 Edu Game Content

為了設計Edu遊戲的內容，我們選擇了一組字元，一個用於每個任務，指導孩子沿著這些步驟。每個任務都與一個故事有關，這個故事給孩子提供了一個問題，這個孩子必須通過執行一系列步驟來解決這個問題。特別地，第一個任務與清理房間的具體問題有關。這個任務的主要角色叫做ru隔離區，他要求孩子/玩家給他幫助，讓他和他的朋友一起出去踢足球（見圖4（a））。與此任務相關的每一步都與主要問題有關。

例如，在第一步中，孩子/玩家必須將玩具放入籃子遊戲中，並將彩色鉛筆放入箱子中（例如，一個與分類有關的問題）。

在第二步中，孩子/玩家必須從最小的到最大的（也就是與更小的和更大的概念相關的問題）分類一些書籍。第三步是確定正確的形狀，第四步（最後一步）專註於在手機鍵盤上找到正確的數字，以便打電話給ru貧民窟的朋友們踢足球。反饋行動是由教學規則驅動的，基於音頻描述和彩色屏幕。提示操作通過音頻幫助和/或圖像來豐富，以幫助特定的步驟。顏色是根據應該被鼓勵的情緒來選擇的。

conclusion

本文提出了將其功能集成到Edu GAME中的想法。主要的結果是：定義它的本體，定義一個基於本體的方法來構建基於遊戲的方法，並開發一個Android應用程序，實現一個基於ITSEGO的推理能力的Edu遊戲。最後，提出了一種驗證和評價這項工作的多種結果的框架。在未來，將對其在樹莓上的部署進行調查。目前，我們正在實現第四部分的最後一部分所描述的實驗。

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