Behavioral user modeling for web and cloud end-user development environments

Abstract

This thesis addresses the challenges of user modeling in cloud and web based End-User Development (EUD) environments by monitoring users’ behavior and taking into account human characteristics. Initially, an innovative development approach is designed to assist end-users in building database-centric applications following the relational scheme. The proposed approach is called Simple-Talking since all technical terminology is replaced by simple words and concepts more familiar to the end-user. The Simple-Talking approach is integrated into a prototype cloud-based EUD tool and is evaluated via an experimental study. The results reveal high scores of user performance without being affected by the user’s expertise level. Impact on performance seems to be exercised by gender, as well as perceived ease of use and perceived usefulness.Secondly, the RULES model is structured. RULES is a new user model consisting of basic gender properties that tend to affect the end-users’ behavior and performance. RULES model includes the five most important end-user features such as: risk perception, self-efficacy, willingness to learn, etc., that resulted from an extensive literature review of popular Human Computer Interaction theories.To model the user based on the RULES properties, a research is developed to implicitly monitor the end-users behavior. For this, methods to monitor mouse, keyboard and eye movements are applied during the user-system interaction. Mouse and keyboard tracking methodology includes the taxonomy of measurable items like mouse events and keystroke dynamics that can be detected in real time on the client-side and stored in a database. The methodology is experimentally evaluated, and the results of the statistical analysis reveal a number of significant correlations between the mouse/ keyboard metrics and the properties of the RULES model.Similarly, the methodology for recording eye movements includes the classification of eye-metrics such as fixation and pupil diameter. The eye tracking approach is experimentally evaluated on a sample of volunteers using the Tobii Eye Tracker software and hardware tool. Significant correlations between eye behavioral data and properties of the RULES model are detected during the data analysis. According to the thesis findings, gender and behavioral metrics (as derived from mouse/keyboard and eye monitoring research) are key EUD attributes to define end-user developer models.The proposed user model is semantically represented via an ontology-based framework. The model is further exploited to define an inference mechanism by which the collected data can be used in diagnosing users’ domain knowledge level, perceptional and acceptance characteristics. This approach ensures that user modeling is possible when initial knowledge is small and new behaviors are encountered over time.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή καλείται να αντιμετωπίσει τις σύγχρονες προκλήσεις μοντελοποίησης τελικών χρηστών σε περιβάλλοντα ανάπτυξης εφαρμογών, βασισμένα στον ιστό και στην υπολογιστική νέφους. Η κατεύθυνση που ακολουθεί είναι η καταγραφή της συμπεριφοράς του χρήστη κατά την αλληλεπίδρασή του με τα εν λόγω συστήματα και η συγκέντρωση ανθρώπινων χαρακτηριστικών.Αρχικά, σχεδιάζεται μια καινοτόμα προσέγγιση ανάπτυξης εφαρμογών βάσεων δεδομένων με στόχο την υποβοήθηση των τελικών χρηστών στην κατασκευή εφαρμογών επικεντρωμένων στο σχεσιακό μοντέλο βάσεων δεδομένων. Η προτεινόμενη τεχνική ονομάζεται Simple-Talking και αποκρύπτει κάθε τεχνική ορολογία και την αντικαθιστά με έννοιες πιο οικείες προς στον τελικό χρήστη. Η τεχνική Simple-Talking ενσωματώνεται σε ένα πρωτότυπο εργαλείο βασισμένο σε αρχιτεκτονική υπολογιστικής νέφους και αξιολογείται μέσω πειραματικής διαδικασίας. Στα αποτελέσματα σημειώνεται υψηλή απόδοση χρηστών χωρίς αυτή να επηρεάζεται από το βαθμό εμπειρίας τους στη σχεδίαση βάσεων δεδομένων. Επιρροή στην απόδοση φαίνεται να ασκεί το φύλο, καθώς και η αντίληψη ευκολίας χρήσης και η αντίληψη χρησιμότητας.Στη συνέχεια δομείται το μοντέλο RULES, ένα νέο μοντέλο χρήστη αποτελούμενο από βασικές ιδιότητες φύλου που τείνουν να επηρεάζουν τη συμπεριφορά και την απόδοση των τελικών χρηστών. Το RULES περιλαμβάνει τα πέντε πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των χρηστών όπως: αντίληψη κινδύνου, αυτοπεποίθηση, θέληση για μάθηση κλπ. τα οποία προέκυψαν μετά από εκτεταμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση δημοφιλών θεωριών της Αλληλεπίδρασης Ανθρώπου-Υπολογιστή. Για τη μοντελοποίηση του χρήστη με βάση το μοντέλο RULES αναπτύσσεται μία ακόμη ερευνητική κατεύθυνση, η ‘σιωπηρή’ παρακολούθηση και καταγραφή της συμπεριφοράς των χρηστών. Για να επιτευχθεί, εφαρμόζονται μέθοδοι καταγραφής των κινήσεων του ποντικιού, του πληκτρολογίου και του ματιού, κατά την αλληλεπίδραση των χρηστών με συστήματα ανάπτυξης εφαρμογών. Η καταγραφή των κινήσεων του ποντικού και του πληκτρολογίου περιλαμβάνει την ταξινόμηση ενός πλήθους μετρήσιμων δεικτών γεγονότων ποντικιού και πληκτρολογίου, που μπορούν να ανιχνευτούν μέσω ειδικού λογισμικού, στα προγράμματα περιήγησης, σε πραγματικό χρόνο και την αποθήκευση σε μια βάση δεδομένων. Η μεθοδολογία αξιολογείται πειραματικά, και από τη στατιστική ανάλυση των δεδομένων προκύπτει ένα πλήθος σημαντικών συσχετίσεων ανάμεσα στις μετρικές ποντικιού/ πληκτρολογίου και στις ιδιότητες του μοντέλου RULES.Παρόμοια, η μεθοδολογία καταγραφής των κινήσεων του ματιού περιλαμβάνει την ταξινόμηση δεικτών οφθαλμικής συμπεριφοράς όπως η εστίαση και η διάμετρος της κόρης. Για την πειραματική αξιολόγηση χρησιμοποιείται το εργαλείο οφθαλμικής καταγραφής Tobii Εye Τracker σε ένα δείγμα εθελοντών. Κατά την ανάλυση δεδομένων ανιχνεύονται σημαντικές συσχετίσεις ανάμεσα στους δείκτες οφθαλμικής συμπεριφοράς και στις ιδιότητες του μοντέλου RULES. Τα ευρήματα των ανωτέρω μελετών για το φύλο και τα συμπεριφορικά δεδομένα, φαίνεται ότι αποτελούν χρήσιμη πληροφορία για τη μοντελοποίηση του χρήστη στο πλαίσιο των συστημάτων ανάπτυξης εφαρμογών από τελικούς χρήστες.Τελικά, το προτεινόμενο μοντέλο χρήστη αναπαρίσταται σε μορφή οντολογίας μέσω της χρήση τεχνολογιών Σημασιολογικού Ιστού. Με τη χρήση σημασιολογικών κανόνων παρουσιάζεται μια μεθοδολογία αξιοποίησης των καταγεγραμμένων δεδομένων με στόχο την κατάταξη του χρήστη σε ένα αντιπροσωπευτικό μοντέλο, αποδίδοντας τιμές στο επίπεδο γνώσης του και τις αντιληπτικές του ιδιότητες. Η προτεινόμενη οντολογική προσέγγιση εξασφαλίζει τη μοντελοποίηση των χρηστών όταν η αρχική γνώση είναι μικρή και νέες συμπεριφορές μπορούν να παρουσιαστούν με την πάροδο του χρόνου.