(Ευφυή Διδακτικά Συστήματα)

[Στο μικρό αυτό άρθρο παρουσιάζονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των Έξυπνων (ή Ευφυών) Διδακτικών Συστημάτων (ΕΔΣ) (Intelligent Tutoring Systems), επισημαίνονται οι καινοτομίες τους σε σχέση με τα παραδοσιακά συστήματα και αναδεικνύονται οι πολύ μεγάλες δυνατότητες  των τεχνικών και των γνώσεων της Τεχνητής Νοημοσύνης. Πιο συγκεκριμένα, περιγράφονται οι ξεχωριστές ιδιότητες της νέας γενιάς των, βασισμένων στη χρήση υπολογιστή, διδακτικών συστημάτων όπως για παράδειγμα: η αναπαράσταση της γνώσης (knowledge representation), η επίλυση προβλήματος (problem solving), η μοντελοποίηση του σπουδαστή (student modeling), τα έξυπνα διαλογικά μέσα (user interfaces), τα έξυπνα συστήματα βοήθειας, κλπ. Παρουσιάζεται επίσης η αρχιτεκτονική των ΕΔΣ, που η γενική τάση είναι να περιλαμβάνουν τέσσερις βασικούς παράγοντες: α)Τη γνώση του αντικειμένου, β) Το μοντέλο του μαθητή, γ) Τη διδακτική μέθοδο και δ) Τον τρόπο επικοινωνίας. Η διεύρυνση των δυνατοτήτων  των σημερινών υπολογιστών (εικόνα, ήχος, υπερκείμενα, κ.ά.), καθώς και ο συνδυασμός τους με τα σημερινά πολυμέσα (multimedia), κάνουν ένα ΕΔΣ όχι μόνο να είναι ευφυές, αλλά και να επικοινωνεί με τον μαθητή με τον ίδιο ευφυή τρόπο.]

Η προσπάθεια για τη βελτίωση της εκπαίδευσης με τη βοήθεια των υπολογιστών δεν είναι καινούργια. Οι υπολογιστές χρησιμοποιούνται στην εκπαίδευση εδώ και πάρα πολλά χρόνια. Από την πρώτη μάλιστα εμφάνιση των υπολογιστών στα Σχολεία μέχρι σήμερα, έχουν αναπτυχθεί πάρα πολλά εκπαιδευτικά προγράμματα. Τα περισσότερα από αυτά όμως δεν ανταποκρίθηκαν στις προσδοκίες και τις ελπίδες που οι εκπαιδευτικοί έτρεφαν για τα νέα αυτά μέσα διδασκαλίας. Οι περιορισμένες δυνατότητες των υπολογιστών, αλλά και η αντίληψη για τον τρόπο με τον οποίο θα μπορούσαν οι υπολογιστές να χρησιμοποιηθούν στην εκπαιδευτική διαδικασία, δεν μπόρεσαν να δώσουν ικανοποιητικά αποτελέσματα.

Σήμερα όμως οι περιορισμοί αυτοί τείνουν να ξεπεραστούν. Οι δυνατότητες των σημερινών υπολογιστικών συστημάτων σε μνήμη, σε ταχύτητα, αλλά και σε άλλα χαρακτηριστικά, έχουν φτάσει σε τέτοιο σημείο, που ήταν αδύνατο να προβλεφθεί μόλις πριν από λίγα χρόνια. Τα σημερινά Ευφυή Διδακτικά Συστήματα (ΕΔΣ) (Intelligent Tutoring Systems), που σιγά-σιγά κάνουν την εμφάνιση τους από τα ερευνητικά κέντρα, έχουν νέες και πρωτόγνωρες δυνατότητες. Μπορούν να διεξάγουν έναν “έξυπνο” διάλογο με το μαθητή και να του προσφέρουν ένα περιβάλλον για μάθηση ικανό να διεγείρει τη διάθεσή του για δημιουργική εξερεύνηση.

Η αναμφισβήτητη πρόοδος που σημειώθηκε τα τελευταία χρόνια στο πεδίο της Τεχνητής Νοημοσύνης (ΤΝ) έχει δώσει στο χώρο της Εκπαίδευσης τη δυνατότητα να βελτιώσει τη χρήση των υπολογιστών στα Σχολεία. Χρησιμοποιώντας γνώσεις και τεχνικές από διάφορα πεδία της ΤΝ, όπως τη μηχανική της γνώσης (knowledge engineering) ή τα έμπειρα συστήματα (expert systems), οι εκπαιδευτικοί μπορούν τώρα πια να ξεπεράσουν πολλούς από τους μέχρι τώρα περιορισμούς.

Παράλληλα, η ανάπτυξη έμπειρων συστημάτων για τη διαχείριση της γνώσης, είναι σε θέση να αλλάξει ριζικά την αντίληψη του εκπαιδευτικού κόσμου για το τι είναι δυνατόν να προσφέρει ο υπολογιστής στο Σχολείο. Επί πλέον, η πρόοδος που έχει συντελεστεί στον τομέα της ‘Γνωστικής Επιστήμης’ (cognitive science), όσον αφορά την κατανόηση της νοητικής διαδικασίας και του τρόπου με τον οποίο αποκτάται η γνώση, αποτελεί ένα ακόμα πολύ σημαντικό βοήθημα στην προσπάθεια για τη βελτίωση της μαθησιακής διαδικασίας.

Τα Έξυπνα Διδακτικά Συστήματα είναι ένα σχετικά νέο πεδίο έρευνας. Ακόμα δεν έχει αποσαφηνιστεί πλήρως ένας γενικά αποδεκτός ορισμός για το τι είναι ακριβώς ένα ΕΔΣ. Η ανάγκη για βελτίωση των παραδοσιακών εκπαιδευτικών προγραμμάτων και το ξεπέρασμα των περιορισμών τους, οδήγησε σε ακόμα πιο συστηματική έρευνα στις επιστήμες της Τεχνητής Νοημοσύνης και της ‘Γνωστικής Επιστήμης’ και ιδιαίτερα στον τομέα της επικοινωνίας και του διαλόγου μεταξύ του δασκάλου και του μαθητή, του εκπαιδευτή και του εκπαιδευόμενου. Οι έρευνες αυτές οδήγησαν στην ανάπτυξη των νέων «έξυπνων» εκπαιδευτικών συτημάτων που είναι γνωστά διεθνώς με τον όρο ITS (Intelligent Tutoring Systems). Τα εκπαιδευτικά αυτά συστήματα περιλαμβάνουν έννοιες της Τεχνητής Νοημοσύνης όπως αναπαράσταση της γνώσης (knowledge representation), επίλυση προβλήματος (problem solving), μοντελοποίηση σπουδαστή (student modeling), έξυπνα διαλογικά μέσα (intelligent user interfaces), έξυπνα συστήματα βοήθειας (intelligent help systems), κ.ά.

Η διαφορά μεταξύ των ΕΔΣ και των παραδοσιακών συστημάτων έγκειται κυρίως στο ότι σε ένα ΕΔΣ ο σπουδαστής μπορεί να επιλέξει ένα δικό του δρόμο προσαρμοσμένο στις προσωπικές του ανάγκες και γνώσεις, αλλά και στις ιδιαίτερες  προτιμήσεις του. Το ίδιο το σύστημα επίσης δεν μετράει απλώς σωστές ή λάθος απαντήσεις, αλλά ερμηνεύει τις απαντήσεις, δίνει τη βοήθεια που χρειάζεται ο μαθητής ή επιλέγει το ίδιο την καταλληλότερη διδακτική στρατηγική.

Η ανάπτυξη ενός ΕΔΣ προχωρά πέρα από το στήσιμο ενός «έμπειρου» συστήματος (expert system) στα πλαίσια ενός καθορισμένου γνωστικού τομέα (όπως π.χ. συμβαίνει στην ιατρική). Η απαίτηση είναι η ανάπτυξη ενός ΕΔΣ να αντιμετωπίζει προβλήματα εξατομικευμένα, δηλ. προβλήματα που σχετίζονται με τις διδακτικές μεθοδολογίες και την ανάλυση της συμπεριφοράς του εκπαιδευόμενου. Ένα  διδακτικό σύστημα για να θεωρηθεί ευφυές θα πρέπει, εκτός των άλλων, να μπορεί να βγάζει συμπεράσματα για το ποιο είναι το επίπεδο γνώσεων του μαθητή και να επικοινωνεί μαζί του με έναν έξυπνο και φιλικό τρόπο, που να στηρίζεται στην αντίληψη του τι πραγματικά ξέρει ο συγκεκριμένος μαθητής.

Αν και η αρχιτεκτονική των διαφόρων ΕΔΣ μπορεί να ποικίλει, η γενική τάση είναι να περιλαμβάνουν τέσσερις βασικούς παράγοντες. Τη γνώση του αντικειμένου, το μοντέλο του μαθητή, τη διδακτική στρατηγική και την επικοινωνία και αλληλεπίδραση του συστήματος με τον μαθητή.

α) Η γνώση του αντικειμένου (expert knowledge) περιλαμβάνει τις γνώσεις εκείνες και την εμπειρία που περιέχονται σε έναν συγκεκριμένο τομέα της εκπαίδευσης που πρόκειται να διδαχθεί. Είναι η «βάση γνώσεων», κατ’ αναλογία με τη «βάση δεδομένων» και είναι η βασική αιτία για την πολύ μεγάλη πολυπλοκότητα των ΕΔΣ, λόγω των αλληλεπιδράσεων που εξ’ ορισμού παρουσιάζει η γνώση.

Όλες αυτές οι γνώσεις και η εμπειρία ενός συγκεκριμένου εκπαιδευτικού τομέα μπορούν να ενσωματωθούν και να παρουσιαστούν με διάφορους τρόπους.

Δεν αρκεί βέβαια να περιλαμβάνει απλά και μόνο γνώσεις, αλλά πρέπει – και αυτό είναι πιο σημαντικό –  να τις παρουσιάζει με τέτοιο τρόπο, ώστε μέσα από σαφείς και συγκεκριμένες πληροφορίες, να προσφέρει πλήρη κατανόηση του περιεχομένου και να μπορεί να απαντάει σε οποιαδήποτε ερώτηση θα μπορούσε να υποβάλλει ένας μαθητής.

Να μπορεί να δίνει, για παράδειγμα, τις τιμές που παίρνουν οι διάφορες μεταβλητές σε οποιοδήποτε σημείο ενός ηλεκτρικού κυκλώματος και ακόμη καλύτερα, όχι απλώς να δίνει τις τιμές αλλά και να εξηγεί στο μαθητή γιατί οι συγκεκριμένες μεταβλητές παίρνουν αυτή την τιμή. Τέτοιου είδους πληροφορίες προσφέρουν στο μαθητή μεγαλύτερη δυνατότητα κατανόησης και είναι πάρα πολύ σημαντικές για την απόκτηση εμπειρίας.

β) Το μοντέλο του μαθητή (student modeling) αναφέρεται στο επίπεδο των γνώσεων και την ικανότητα του μαθητή γενικά, αλλά και ειδικότερα του συγκεκριμένου μαθητή που χειρίζεται το σύστημα. Αυτό απαιτεί από το σύστημα να έχει την ικανότητα να αντιλαμβάνεται το επίπεδο γνώσεων ενός μαθητή από τον τρόπο που εκείνος προσπαθεί να χειριστεί τα θέματα που του δίνονται. Ένα από τα βασικότερα χαρακτηριστικά ενός ΕΔΣ θα πρέπει να είναι η δυνατότητα να προσαρμόζεται στις ατομικές διαφορές των μαθητών.

Υπάρχουν πολλοί τρόποι να φτάσουμε στη γνώση και για κάθε μαθητή υπάρχει κάποιος τρόπος που είναι πιο αποτελεσματικός από τους άλλους. Για παράδειγμα, αυτοί που προτιμούν την αφαιρετική σκέψη είναι αποτελεσματικότεροι στο να χρησιμοποιούν τη λογική, ενώ άλλοι λειτουργούν καλύτερα χρησιμοποιώντας την παρατήρηση και την εξαγωγή συμπερασμάτων. Ορισμένοι θέλουν να βλέπουν ευθύς εξ’ αρχής συγκεκριμένα και απτά παραδείγματα και άλλοι προτιμούν να πειραματίζονται και να μαθαίνουν από τα αποτελέσματα των ενεργειών τους. Ένα αποτελεσματικό ΕΔΣ θα πρέπει να μπορεί να χρησιμοποιεί τον κατάλληλο τρόπο που ταιριάζει στο συγκεκριμένο μαθητή.

γ) Η διδακτική μέθοδος (tutorial planning) είναι το μέρος εκείνο του ΕΔΣ που σχεδιάζει, ρυθμίζει και ελέγχει τα διδακτικά μέσα που θα χρησιμοποιηθούν για το συγκεκριμένο μαθητή. Σχετίζεται πολύ στενά με το μοντέλο του μαθητή και αποφασίζει ποιες δραστηριότητες θα πρέπει να προτείνει, παίρνοντας υπόψη κάθε φορά, το επίπεδο των γνώσεων του μαθητή και τους επιδιωκόμενους στόχους. Για παράδειγμα, μπορεί να προτείνει διάφορες πρακτικές ασκήσεις, να ζητήσει ένα τεστ για να επιβεβαιώσει το επίπεδο του μαθητή, να αποκαλύψει κάποια τεχνική που θα τον βοηθήσει, κλπ. Είναι η πηγή και ο παραγωγός των παιδαγωγικών παρεμβάσεων. Μια σημαντική διδακτική στρατηγική που προσφέρουν τα ΕΔΣ είναι αυτή που επιτρέπει στο μαθητή να χρησιμοποιήσει τον διερευνητικό τρόπο μάθησης.

Σε αντίθεση με τα συστήματα που διατηρούν υπό έλεγχο τη μαθητική δραστηριότητα, στο διερευνητικό περιβάλλον ο μαθητής έχει τη δυνατότητα να φτάνει στη γνώση με άμεση και συγκεκριμένη εμπειρία, που προέρχεται από δική του πρωτοβουλία και δραστηριότητα. Έχει βέβαια δύο μειονεκτήματα:  1) αρκετοί μαθητές χάνουν πολύ χρόνο μέχρι να φτάσουν στο σημείο να ανακαλύψουν αυτό που αποτελεί το σκοπό της συγκεκριμένης δραστηριότητας και 2) όσο αυξάνεται ο βαθμός της ελευθερίας, η διαπίστωση του επιπέδου του σπουδαστή γίνεται πιο δύσκολη. Ωστόσο, παρά τα μειονεκτήματα αυτά, τα ΕΔΣ μας προσφέρουν τη δυνατότητα για ένα τέτοιο ελεύθερο διερευνητικό περιβάλλον και σε μας εναπόκειται να βρούμε τρόπους για να ξεπεράσουμε τα παραπάνω μειονεκτήματα και να τα χρησιμοποιήσουμε αποδοτικά.

δ) Ο τρόπος επικοινωνίας (communication) είναι το κομμάτι του ΕΔΣ που ελέγχει τον διάλογο και την αλληλεπίδραση ανάμεσα στο σύστημα και το μαθητή. Για πολλούς και ευνόητους λόγους τα περισσότερα ΕΔΣ χρησιμοποιούν σχεδόν αποκλειστικά εικονικά συστήματα επικοινωνίας (graphic interfaces). Με τον τρόπο αυτό η πληροφορία είναι πιο συγκεκριμένη και κατανοητή και η επικοινωνία του μαθητή με το σύστημα πιο φιλική. Τέτοια συστήματα επικοινωνίας και αλληλεπίδρασης μεταξύ ανθρώπου και υπολογιστή (human-computer interaction), γίνονται όλο και πιο φιλικά, πιο αποδοτικά και βελτιώνονται συνεχώς, καθώς γίνονται γνωστοί οι παράγοντες που επηρεάζουν αυτή την επικοινωνία.

Αν και θα ήταν προτιμότερη μια πιο άμεση επικοινωνία του μαθητή με το σύστημα, ακόμη και μέσω πραγματικής συνομιλίας σε φυσική γλώσσα, οι δυνατότητες των σημερινών υπολογιστικών συστημάτων δεν επιτρέπουν προς το παρόν κάτι τέτοιο. Όμως και οι δυνατότητες που είναι σήμερα διαθέσιμες προσφέρουν μια τεράστια ποικιλία μέσων (ήχος, εικόνα, animation), αλλά και τον συνδυασμό αυτών των μέσων (multimedia), ώστε να κάνουν ένα ΕΔΣ όχι μόνο να είναι ευφυές, αλλά και να επικοινωνεί με το μαθητή με τον ίδιο ευφυή τρόπο.

Σαν συμπέρασμα, η εφαρμογή των μεθόδων και των τεχνικών της Τεχνητής Νοημοσύνης στην Εκπαίδευση ανοίγει νέους δρόμους και νέες προοπτικές, που θα φέρουν σημαντικές αλλαγές στις διδακτικές μεθόδους αλλά και στον τρόπο πρόσβασης και απόκτησης των γνώσεων. Υπάρχει η δυνατότητα, μέσω των ΕΔΣ, ο εκπαιδευτικός να αποκτήσει έναν ανεκτίμητο βοηθό, που θα τον υποστηρίζει στο έργο του, θα τον απαλλάξει από πολλές αντιπαραγωγικές και άχαρες ασχολίες και θα του επιτρέψει να ασχοληθεί με τα πιο δημιουργικά και επιστημονικά στοιχεία της εργασίας του.

Τα ΕΔΣ, αν και σε μεγάλο βαθμό παραμένουν ακόμη στο επίπεδο της έρευνας και του εργαστηρίου, έρχονται να ικανοποιήσουν τις αυξημένες πια απαιτήσεις των εκπαιδευτικών να επικοινωνούν με το μαθητή με έναν τρόπο εύκολο και φιλικό, μέσα από λέξεις και παραστάσεις. Οι μαθητές μέσω των ΕΔΣ έχουν τη δυνατότητα πρόσβασης στην πληροφορία και τη γνώση με πολλούς και ποικίλους τρόπους και σε διάφορες μορφές, ανάλογα με το επίπεδο και την επιθυμία τους. Τα ΕΔΣ προσφέρουν στους μαθητές την πληροφορία και τη γνώση με τρόπο που να ανταποκρίνεται στην ικανότητα και το επίπεδο γνώσεων του μαθητή, αλλά και στον συγκεκριμένο στόχο της μαθητικής δραστηριότητας. Τέλος, τα ΕΔΣ δίνουν τη δυνατότητα οι εργασίες, οι ασκήσεις, αλλά και η βοήθεια προς τους μαθητές να επιλέγονται με βάση τις δυνατότητες, το επίπεδο και την πρόοδό τους.

Δημήτρης Καρακώστας

Καθ. Πληροφορικής

1o Γυμνάσιο Π. Φαληρου

(MSc in Intelligent Systems)