A semantic enhanced framework for modeling and executing self-evolving educational and business processes towards personalized learning in higher education

Abstract

The present PhD thesis proposes the development of an integrated framework for the personalization and parameterization of learning pathways, aiming at optimizing the quality of the offered services by the Higher Educational Institutions (HEI). In order to achieve this goal, the way in which learning pathways can be transformed from an abstract concept into a model, quality and efficiency improvement process and final product for a HEI is described with the learner being in the center of this attempt. The proposed framework EDUC8 (EDUCATE) aims to address the problems of existing research studies, which are not sufficiently focusing on the dynamic evolution of the “circumstances” inside a HEI, the academic status, interests and needs of individual learners as well as the available educational options themselves. Thus, it leverages the recommendation and execution of self-evolving learning pathways, in a way that learners are being educated in a unique and personalized way, based on their learning state, personality, requirements, interests and performance to the academic plan offered to them. Moreover, the EDUC8 framework encloses the set of parameters that cover both the technical and the financial dimensions of a learning pathway, thus providing a complete tool for the optimization and calculation of the offered services by the HEIs in combination with the minimization of respective costs.The main research goal of the present PhD thesis is the specification and implementation of an integrated framework that leverages the provision of highly personalized academic services with the aim of optimizing learning in conjunction with the minimization of costs for the tertiary institutions. The contribution of the proposed framework can be summarized in three (3) axis:- the implementation of the evolving learning pathways semantic model (ontology), which aims at the representation of the set of entities participating in the education provision process and their relations by utilizing semantic web technologies,- the representation of the academic advising knowledge through the creation of the complete set of Semantic Web Rule Language (SWRL) rulesets that model the knowledge and experience of the domain experts, and- the design of the algorithms and methods for the personalization and evolution of learning pathways, based on the preferences and parameter values of each learner as well as the available educational options.In order to perform the evaluation of the proposed framework, the necessary technological infrastructure has been designed and implemented the core of which is based on the EDUC8 methodology and on a set of semantic web technologies. The architecture of the software infrastructure that has been designed supports two distinct modes: the design mode and the execution mode. During the design mode, the respective actors maintain the accumulated knowledge inside the system and implement the appropriate semantic rule set, which models the domain knowledge for the learning pathway composition. During the execution mode, the EDUC8 software platform executes all the required processes so as to facilitate the totally personalized and self-evolving execution of the learning pathway for each student. In the present PhD thesis, the complete set of the implemented web-based graphical user interfaces and the respective business logic that refer to both modes of the lifecycle of learning pathways is presented.The EDUC8 software prototype has been deployed in two HEIs. The results of the evaluation showed the general validity of the proposed approach and confirmed that the EDUC8 framework addresses all the defined research challenges. Finally, the evaluation of the EDUC8 framework has provided useful and important information to serve as motivations for future developments and research opportunities in the specific domain.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνει την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου πλαισίου για την εξατομίκευση και παραμετροποίηση του σχεδιασμού των Διαδρομών Μάθησης (Learning Pathways), στοχεύοντας στην βελτιστοποίηση των προσφερόμενων υπηρεσιών από τα Τριτοβάθμια Εκπαιδευτικά Ιδρύματα. Προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος αυτός, ο τρόπος με τον οποίο οι διαδρομές μάθησης μπορούν να μετασχηματιστούν από μια αφηρημένη έννοια σε μοντέλο, σε διαδικασία βελτίωσης της ποιότητας και της αποδοτικότητας και σε τελικό προϊόν για ένα τριτοβάθμιο εκπαιδευτικό ίδρυμα περιγράφεται με τον εκπαιδευόμενο να βρίσκεται στο επίκεντρο αυτής της προσπάθειας. Το προτεινόμενο πλαίσιο EDUC8 (EDUCATE) φιλοδοξεί να επιλύσει τα προβλήματα των υφιστάμενων ερευνητικών προτάσεων, οι οποίες δεν επικεντρώνονται επαρκώς στην δυναμική εξέλιξη των «συνθηκών» μέσα στα εκπαιδευτικά ιδρύματα, των ενδιαφερόντων, των αναγκών, της ακαδημαϊκής κατάστασης και των στόχων των εκάστοτε εκπαιδευμένων καθώς και των διαθέσιμων εκπαιδευτικών επιλογών. Έτσι, επιτρέπει την σύσταση και εκτέλεση αυτο-εξελισσόμενων διαδρομών μάθησης, με τέτοιο τρόπο ώστε οι μαθητές να εκπαιδεύονται με ένα μοναδικό τρόπο βάσει της ακαδημαϊκής τους κατάστασης, προσωπικότητας, απαιτήσεων, ενδιαφερόντων και απόδοσης τους στις προσφερόμενες ακαδημαϊκές επιλογές. Επιπλέον, το EDUC8 πλαίσιο περικλείει ένα σετ παραμέτρων που καλύπτουν την οικονομοτεχνική διάσταση μιας διαδρομής μάθησης αποτελώντας έτσι ένα πολύτιμο εργαλείο για την βελτιστοποίηση και υπολογισμό των παρεχόμενων υπηρεσιών με ταυτόχρονη μείωση του αντίστοιχου κόστους.Ο κύριος ερευνητικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι ο καθορισμός και η υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου πλαισίου για την παροχή εξατομικευμένων ακαδημαϊκών υπηρεσιών με στόχο τη βελτιστοποίηση της μάθησης σε συνδυασμό με την μείωση του κόστους για τα τριτοβάθμια ιδρύματα. Η συμβολή του προτεινόμενου πλαισίου μπορεί να συνοψιστεί σε τρεις άξονες:- την υλοποίηση του σημασιολογικού μοντέλου (οντολογίας), το οποίο στοχεύει στην αναπαράσταση του συνόλου των οντοτήτων που συμμετέχουν στη διαδικασία παροχής εκπαίδευσης και των σχέσεων τους χρησιμοποιώντας τεχνολογίες σημασιολογικού ιστού,- Την αναπαράσταση της γνώσης ακαδημαϊκής καθοδήγησης μέσω της υλοποίησης μιας βάσης κανόνων χρησιμοποιώντας Semantic Web Rule Language (SWRL) για την μοντελοποίηση της γνώσης και εμπειρίας των ειδικών του τομέα, και- τον σχεδιασμός των αλγορίθμων και των μεθόδων για την εξατομίκευση και την εξέλιξη των διαδρομών μάθησης, με βάση τις προτιμήσεις και τις παραμέτρους κάθε εκπαιδευόμενου καθώς και τις διαθέσιμες εκπαιδευτικές επιλογές.Προκειμένου να γίνει η αξιολόγηση του προτεινόμενου πλαισίου, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε η απαραίτητη τεχνολογική υποδομή, ο πυρήνας της οποίας βασίζεται στη μεθοδολογία EDUC8 και σε μια σειρά τεχνολογιών σημασιολογικού ιστού. Η αρχιτεκτονική της ολοκληρωμένης υποδομής λογισμικού που έχει σχεδιαστεί υποστηρίζει δύο ξεχωριστές φάσεις: τη φάση σχεδιασμού και τη φάση εκτέλεσης. Κατά τη διάρκεια της φάσης σχεδιασμού, οι τελικοί χρήστες συντηρούν τη αποθηκευμένη γνώση εντός του συστήματος και υλοποιούν το κατάλληλο σύνολο σημασιολογικών κανόνων το οποίο μοντελοποιεί τη γνώση της περιοχής για τη σύνθεση της διαδρομής μάθησης. Κατά τη διάρκεια της φάσης εκτέλεσης, η πλατφόρμα λογισμικού εκτελεί όλες τις απαιτούμενες διαδικασίες που αναλαμβάνουν να υποστηρίξουν την πλήρως εξατομικευμένη και αυτο-εξελισσόμενη εκτέλεση της διαδρομής μάθησης για τη μοναδική περίπτωση του εκάστοτε εκπαιδευομένου. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, παρουσιάζεται το πλήρες σύνολο των υλοποιημένων διαδικτυακών γραφικών διεπαφών και η αντίστοιχη επιχειρησιακή λογική που αναφέρεται σε αμφότερες τις φάσεις του κύκλου ζωής των διαδρομών μάθησης.Το πρωτότυπο λογισμικού EDUC8 αναπτύχθηκε σε δύο ΑΕΙ. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης έδειξαν τη γενική ορθότητα της προτεινόμενης προσέγγισης και επιβεβαίωσαν ότι το πλαίσιο EDUC8 καλύπτει όλες τις καθορισμένες ερευνητικές προκλήσεις. Τέλος, η αξιολόγηση του πλαισίου EDUC8 παρείχε χρήσιμες και σημαντικές πληροφορίες για να αποτελέσει κίνητρο για μελλοντικές εξελίξεις και περαιτέρω ερευνητικές ευκαιρίες στον συγκεκριμένο τομέα.