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Les trois générations de tuteur Roger Nkambou

Les trois générations de tuteur

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Les trois générations de tuteur. Roger Nkambou. 3 Générations de tuteurs. 1ère Génération – Sur le marché Technologie sous-jacente : Hypertexte & Behaviorisme Pédagogie: Feedback didactique sur les réponses de l’apprenant. 2ème Génération – Emergent sur le marché - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Les trois générations de tuteur

Les trois générations de tuteurRoger Nkambou

Page 2: Les trois générations de tuteur

3 Générations de tuteurs

1ère Génération – Sur le marché Technologie sous-jacente : Hypertexte & Behaviorisme Pédagogie: Feedback didactique sur les réponses de l’apprenant.

2ème Génération – Emergent sur le marché Technologie : Intelligence Artificielle & Psychologie Cognitive Pédagogie : Assistance sur les étapes de résolution d’un problème

(et non seulement sur une réponse finale)

3ème Génération – Emergent dans les labos Technologie : Traitement du langage naturelle, plannification

réactive, évaluation du continue de la pédagogie et du contenu Pédagogie : Dialogues permettant la construction des

connaissances

Page 3: Les trois générations de tuteur

La 1ère génération:EAO (Enseignement Assisté par Ordinateur) (CAI – Computer-Based Instruction)

Exemple

Solve 2+2x=12 Multiplication has ahigher precedencethan addition, so 2+2xis the same as 2+(2x),not (2+2)x. Try again.x=7

x=3

x=5

OK

OK

Excellent!

Page 4: Les trois générations de tuteur

La 1ère génération (suite)

Exemple 2:

Page 5: Les trois générations de tuteur

La boucle fonctionnelle des EAO

Pour chaque chapitre du curriculum Lire le chapitrePour chaque exercice Boucle

Prendre la réponse Donner la rétroaction et les conseils sur la réponse Sortir si bonne réponse Essayez de nouveau

Fin boucle

FinPourPasser un test sur le chapitre

FinPour

Page 6: Les trois générations de tuteur

2ème génération:Systèmes Tutoriels Intelligents ClassiquesTechnologie sous-jacente: IA et Psycho. Cogn.Pédagogie: Assistance sur les étapes d’un problèmeExemple:

Tutor: Solve 2+2x=12 Student: <enters 4x=12> Tutor: Not quite. Try again. Student: <clicks on “hint” button> Tutor: Think about operator

precedence. Student: <enters 2x=12-2> Tutor: Good!

2 + 2x = 12 4x = 122x = 12 - 2

Student’s workspace:

Tutor:

Good!

Hint

Page 7: Les trois générations de tuteur

La boucle fonctionnelle des STI classiques

Pour chaque chapitre du curriculum Lire le chapitrePour chaque exercice Boucle

Pour chaque étape de l’exercice Boucle

Prendre la réponse Donner la rétroaction et les conseils sur la réponse Sortir si bonne réponse Essayez de nouveau

Fin boucle FinPour

FinPourPasser un test sur le chapitre

FinPour

Page 8: Les trois générations de tuteur

Technologie: Planification réactive & Traitement du langage naturelPedagogie: Dialogues visant la construction des connaissances Exemple:

Tutor: Solve 2+2x=12 Student: 4x=12 Tutor: Should this equation have the

same solution as the first one? Student: Yes. Tutor: The solution to 4x=12 is 3,

so let’s check for an error by trying x=3 in 2+2x=12.

Student: 2+2*3=2+6=8 oops! Tutor: Right! Now look at the

arithmetic steps you did …

3ème génération

2+2x=124x=12

Student’s workspace:

Dialog:

S: 2+2*3=2+6=8 oops!T: Right! Now look...

Hint

Page 9: Les trois générations de tuteur

Exempe: Algebra Cognitive Tutor

Page 10: Les trois générations de tuteur

Boucle fonctionnelle des tuteurs de 3ème génération

Pour chaque chapitre du curriculum Lire le chapitrePour chaque exercice

Boucle Pour chaque étape de l’exercice

Boucle Prendre la réponse Sortir si bonne réponse Pour chaque inférence en relation avec le bon raisonnement - Eliciter cette inférence chez l’apprenant - Conseiller, ‘prompter’ - Sortir si l’étudiant complète l’étape FinPour

Fin Boucle FinPour

FinPourPasser un test sur le chapitre

FinPour

Page 11: Les trois générations de tuteur

Limites des tuteurs de 2ème génération

Beaucoup moins bons que les tuteurs humains!

Ne permettent pas toujours une compréhension profonde de la matière Les symptômes d’un apprentissage

superficiel: Peu de transfert de K dans de nouvelles

situation de résolution de problèmes Peu d’habilité à expliquer (via une conversation

abstraite cohérente sur le domaine)

Page 12: Les trois générations de tuteur

Les tuteurs de 3e génération

Dialogues pour la construction de connaissances“there is something about conversational dialog that plays

an important role in learning”.

Meilleure théorie sur la stratégie tutorielle visant à promouvoir l’apprentissage :“Good tutors tell less and ask more.” Ils guident les étudiants au fil de leur processus de

construction de nouvelles connaissances. Ils les aide à faire des abstractions Ils les aide à créer des connections qui aide au transfert.

Page 13: Les trois générations de tuteur

L’orientation des recherches sur les T3G

Sur le plan empirique Déterminer QUAND et POURQUOI le dialogue

tutorielle est éfficace et utile.

Sur le plan technique Développer des systèmes qui supportent les

apprenants dans la construction de connaissances à travers le dialogue tutoriel

Evaluater l’efficacité de ces systèmes

Le but est de rivaliser ou ‘surpasser’ l’efficacité des tuteurs humains

Page 14: Les trois générations de tuteur

Exemples de T3G Andes/Atlas: Dialogue plutôt que ConseilWhy/Atlas: Dialogues critiques CIRCSIM: Dialogue dans le but de corriger les erreurs dans les prédictions des étudiants sur la causalité physiologique AutoTutor: Dialogue sur le domaine des ordiGeometry Explanation Tutor : Dialogue pour la résolution de problème en géométrie.Ms. Lindquist: Dialogue concernant les méthodes pour l’analyse des mots algébriques

Page 15: Les trois générations de tuteur

Andes/Atlas: Le dialogue remplace les séquences de conseils

Andes: If you are moving in a straight line and accelerate in the same direction, does your velocity increase or decrease?

You: increase

Andes: You’ve drawn the acceleration of the elevator in the same direction as the velocity. Is the velocity of the elevator increasing?

Page 16: Les trois générations de tuteur

Why/Atlas

Page 17: Les trois générations de tuteur

CIRCSIMMartha Evens, Reva Freedman, Michael Glass, Yujian Zou, et al., Illinois Institute of Technology

Domaine: physiologie (contrôle de la pression sanguine)Emphase: dialogue dans le but de corriger les erreurs de prédictions des étudiants sur la cautsalité physiologique Questions à réponses courtes, stratégies de conseil

Page 18: Les trois générations de tuteur

CIRCSIM-Tutor (Interface usager)

Problem: Pacemaker malfunctions, increasing to 120 beats/min.

T> What variable is affected by HR?S> Cardiac Output.T> But you predicted that HR increases and CO decreases.S>

DR RR SSCentral Venous Pressure -Inotropic State 0Stroke Volume -Heart Rate +Cardiac Output -Total Peripheral Resistance 0Mean Arterial Pressure +

Page 19: Les trois générations de tuteur

MeanArterial

Pressure

TotalPeripheralResistance

ArteriolarResistance

ArteriolarMuscleTone

ArteriolarDiameter

StrokeVolume

CentralVenous

Pressure

InotropicState

Alpha-Blocker(drug)

Pacemaker Rate Up(or Down)

IntracellularCa++

Concentration

Beta-Blocker(drug)

Transfusion(or Hemorrhage)

Blood VolumeCentral Blood

Volume

CardiacOutput

HeartRate

Sino-AtrialNodeRate

NervousSystem

Response

BaroreceptorPressure

Modèle causaldans CIRCSIM

Page 20: Les trois générations de tuteur

Famille de dialogues possible dans CIRCSIM

I haveno idea

TPR isneurally

controlled

Sympatheticvasoconstriction

Nervoussystem

Radius ofarterioles

Right

Right.TPR isneural.

And whatcontrols

that?

Nervoussystem

Right

(3) So what must be the value of TPR?

(1) Can you tell me what controls TPR?

(2) Remember that we’re in DR now.

<wrong>

POP

Page 21: Les trois générations de tuteur

AutoTutorArt Graesser, Derek Harter, Peter Wiemer-Hastings, Natalie Person, et al., University of Memphis

Domaine: Architecture des ordinateursEmphase: Simuler le tuteur humain moyen Dialogue à initiative mixte comportant des questions

permettant le raisonnement profond Interface: Face parlante avec gestures et intonation

Flot du dialogue Prompt, Conseil, Assertion

Rétroaction Back channeling Feedback pédagogique (évaluation des réponses) Feedback correctif (remédiatif)

Répond aux initiatives de l’étudiant

Page 22: Les trois générations de tuteur

AutoTutor avec la tête parlante Marco

Page 23: Les trois générations de tuteur

Un exemple de dialogue tutoriel dans AutoTutorTUTOR-1: Alright, let's go on. You want to take photos and send them over the Internet. Consider this problem. What hardware do you need to take photos and send them over the Internet?

STUDENT-1: First of all you need to have access to the internet

TUTOR-2: What else?STUDENT-2: a cameraTUTOR-3: Yeah. For what type of connection do you need a network card?

STUDENT-3: network cardTUTOR-4: Okay. Now, if you have access to the Internet through a network card, then your connection is …

STUDENT-4: I don't know.TUTOR-5: Is direct. Okay. A network card is needed if you have a direct connection to the Internet. Okay. How does the user get hooked up to the internet?

STUDENT-5: by a plug.

TUTOR-6: Once again, a network card is needed if you have a direct connection to the Internet. Okay, what does a modem do?

STUDENT-6: connects network card and internet

TUTOR-7: Okay. Try this. A modem is required when there is …

STUDENT-7: a connectionTUTOR-8: a dial up connection. ...TUTOR-30: Let’s review. To send your photos on the Internet, you need either a digital camera or a regular camera to take the photos. If you use a regular camera, you need a scanner to scan them onto a computer disk. If you have a direct connection to the Internet, then you need a network card. A modem is needed if you have a dial up connection.

Page 24: Les trois générations de tuteur

But: Aider les étudiants à apprendre via un tutorat par explication

Allant de : l’aprentissage par la pratique A: l’apprentissage par la pratique et l’explication

Motivé par les recherches en Sciences Cognitives sur le “Self-Explanation Effect”Comment permettre aux tuteurs de mieux supporter l’Auto-Explication ? Les étudiants expliquent-ils avec leurs propres

mots ? Est-il nécessaire de donner une rétroaction sur

les explications ?

Geometry Explanation Tutor

Page 25: Les trois générations de tuteur

Étude 1: Explication ‘par référence’

Le feedback du tuteur indique si l’explication est correcte.

Page 26: Les trois générations de tuteur

Étude 2:Et l’auto-explication sans rétroaction du tuetur sur les explications de l’étudiant?

Page 27: Les trois générations de tuteur

Les étudiants produisent très peu de bonnes explications...

Hypothèse: Les étudiants apprennent mieux lorsqu’ils expliquent dans leurs propres mots et le tuteur les aide à rafiner leurs explications par le doalogue.

Page 28: Les trois générations de tuteur

Un dialogue tutoriel pour supporter l’auto-explication dans GeometryExplanationTutor

Page 29: Les trois générations de tuteur

Exemple de dialogue dans GeometryExplanationTutor

Student: angles are equalTutor: Are any two angles congruent? What tells

you that there are two congruent angles here?Student: angles in a triangle are equalTutor: That is a bit imprecise. Are ALL angles in

ALL triangles congruent?Student: angles in an isosceles triangle are equalTutor: Correct, except for one thing: are all three

angles in an isosceles triangle congruent?Student: base angles in an isosceles triangle are

equalTutor: CORRECT

Page 30: Les trois générations de tuteur

INTERFACE USAGER

LCFLEX PARSER

FEATURE STRUCTURE

UNIFIER

LOGIC SYSTEM (Loom)

PRODUCTION ENGINE

COGNITIVE MODEL

SEMANTIC REPRESENTATION

of Explanation

FEATURE STRUCTURES

KNOWLEDGE BASE —Ontology

& Explanation Hierarchy

GRAMMAR & LEXICON

TUTEUR COGNIF

MODULE DE COMPRÉHENSION

LA LNSTATISTICAL CLASSIFIER

Student Explanation

Feedback or Help Message

Detailed Classification of

Explanation

Ballpark Classification of

Explanation

(Numerical)Answer or

Hint Request

STUDENT MODEL

Architecture de GeometryExplanationTutor

Page 31: Les trois générations de tuteur

Connaissances pédagogiques: Hiérarchie d’explication

Page 32: Les trois générations de tuteur

Exemple d’hiérarchie partielle pour l’explication du théorème des triangles isocèles

UNKNOWN

CONGR-ANGLES“The angles are congruent.”BASE-ANGLES

“These are base angles.”

BASE-ANGLES-CONG“Base angles are

congruent.”

CONGR-ANGLES-IN-TRI“Angles in a triangle are

congruent.”

TRI-BASE-ANGLES“Base angles in a triangle

are congruent.”

CONGR-ANGLES-IN-ISOS-TRI

“Angles of an isosceles triangle are congruent.”

ISOS-TRI-BASE-ANGLES“Base angles in an isosceles

triangle are congruent.”

ANGLES-OPP-SIDES“Angles opposite the sides are

congruent.”

ANGLES-OPP-CONGR-SIDES“Angles opposite congruent

sides are congruent.”

ISOS-TRIANGLE“The angles opposite congruent sides in

an isosceles triangle are congruent.”

OPPOSITE-ANGLES“Opposite angles are

congruent.”

Page 33: Les trois générations de tuteur

L’auto-explication en langage naturel améliore l’apprentissage car :

“There is something about NL dialog that is right ...” Le langage naturel est naturel pour l’apprenant

Il est bien pour les étudiants d’expliquer en leurs propres mots… Pouquoi donc ?

L’explication en LN nécessite la rétention (le rappel) plutôt que la reconnaissance (CONT. CHI)L’articulation force l’attention sur les facteurs pertinents L’usage du verbal et du visuel crée une dualité en mémoire. Le LN permet une flexibilité dans l’expression des connaissances partielles

Les étudiants peuvent montrer ce qu’ils savent Le tuteur peut les aider à construire ce qu’ils ne savent pas

L’aide peut être incrémentale Le tuteur peut supporter plusieurs chemins de construction de connaissances

Page 34: Les trois générations de tuteur

Un autre cas : DIALOGUE INTERACTIF POUR DES FINS DE REFLEXION

Le dialogue interactif dans ce contexte dépend de : (1) The goal of the diagnosis (deeper understanding (includes justified correction of an

error), knowledge construction) (2) The nature of the skill (Concept, Principle, Law, etc./Basic, non Basic)

(1) Generic Model of IDP based on the goal

(1.1) The goal is deeper understanding? Articulate the features of the problem

which elicit the skills (Implicit reflection) (2) The goal is knowledge construction?

Instantiate the 5 stages of explicit reflective thinking as defined by Dewey (Dewey 1933) in the context of the nature of the skill

Example of IDP for the principle related to a variable that is bound to a constant in the domain of Prolog Programming

Skill: Principle

If an element E is a Prolog Variable & this element is associated with a constant value V

Then E can only be associated with a

value equivalent to V in the same context (same Prolog command)

Page 35: Les trois générations de tuteur

Start

Tutor presents a problem

Student Gives final answer/ performs next action, Asks for help

Is the answer correct ?

Tutor sends a positive evidence to the learner model, for the skill associated with that interaction

Tutor gives negative feedback

Tutor Triggers the NEXT interaction in the CURRENT diagnosis plan

Types of remediation targeted through interactive

diagnosis

-General comprehension

-Deep comprehension

-Knowledge construction

Tutor explains the skill associated with the interaction

NOYES

NO

Is the learner’s answers during the interaction correct?

Tutor sends a negative evidence to the learner model, for the skill associated with that interaction

YES

Done

Tutor takes the INTERACTIVE-DIAGNOSIS PLAN for the skill associated with the problem

There are no more interactions

Hypothesis (1)

Hypothesis (2)

Interactive diagnosis from which a general comprehension of the skills

associated with a problem is expected trough implicit reflective thinking

((Flavell 1979, Hartman 2001)

Research Background & RationaleGoalsGeneric Models & ChallengesImplementationRelated WorkEvaluation & Future Work

Plan de dialogue 1

Page 36: Les trois générations de tuteur

Start

Tutor presents a problem

Student Gives final answer/ performs next action, Asks for help

Is the answer correct ?

Tutor takes the INTERACTIVE-DIAGNOSIS PLAN for the skill associated with the problem

Tutor sends a positive evidence to the learner model, for Sk(i)

Tutor gives negative feedback

Tutor triggers the NEXT interaction with the learner in the CURRENT diagnosis PLAN

Hypothesis (1) and Hypothesis (3)

Tutor articulates Sk(i)

NOYES

NO

Are the learner’s answers during an interaction correct? The Skill associated with the interaction is Sk(i)

Tutor sends a negative evidence to the learner model, for Sk(i)

Hypothesis (2)

Interactive diagnosis from which a deep comprehension of the skills

associated with a problem is expected through implicit reflective

thinking (Flavell 1979, Hartman 2001)

Tutor takes an INTERACTIVE-Diagnosis Plan for Sk(i)

Is Sk(i) a Basic Skill (does not necessitate the ellicitation of another intellectual skill)

Types of remediation targeted through interactive

diagnosis

-General comprehension

-Deep comprehension

-Knowledge construction

NOYES

YES Generate an Interactive Diagnosis PLAN to verify comprehension

Hypothesis (1,2,3)

Done + Show Skills tracing

There are no more interactions

Plan de dialogue 2

Page 37: Les trois générations de tuteur

Start

Tutor Challenges the student with two (or more) situations that are contradictory and asks the

learner to make an appropriate inference

Tutor takes the INTERACTIVE-DIAGNOSIS PLAN for the skills associated with the target

Inference

Tutor sends a positive evidence to the learner model, for Sk(i)

Student Proposes an inference

Tutor triggers the NEXT interaction with the learner in the CURRENT diagnosis PLAN: Asks the learner to link an observation with a principle or the contradiction of a

principle, rules, law: Sk(i)(Depending of the inference that he drew)

Hypothesis (1)

NOYES

Has the student made a correct link?

Tutor sends a negative evidence to the learner model, for Sk(i)

Hypothesis (2)

Interactive diagnosis from which knowledge construction is expected

through explicit reflective thinking as in Dewey (Dewey, 1933)

Tutor explains Sk(i) by outlining its use in 2 conflicting situations (Dewey, 1933)

Types of remediation targeted through interactive

diagnosis

-General comprehension

-Deep comprehension

-Knowledge construction

There are no more interactions

To implement Hypothesis (3): Challenges the learner in that specific

skill

Done + Show Skills tracing

Plan de dialogue 3

Page 38: Les trois générations de tuteur

Exemple de dialogue…

?- X= 37, Y= Z, Z=10, X=Y[T1] What is the result of this command?[L2] Success[T3] Hummmm, no not really

IDP for deeper understanding (non basic skill) Tutor tries to outline the conditions of the principle in this

particular context Tutor brings thelearner to a contradiction of the principle

[T4] What are the variables in this command?[S5] X,Y,Z

[Diagnosis: Students knows <identify a Variable>]

[T6] Right. Is there a constant value associated with X (If yes, give it)[S7] 37[T8] What are the other elements of the command associated with X?[S9] Y.....

?- X= 37, Y= Z, Z=10, X=Y[T1] This command will provide the result “Fail” in Prolog while[?- X= 37, Y= Z, X=Ywill result in “Success”

IDP for deeper understanding (non basic skill) Tutor tries to outline a situation where a conflict occurs Tutor fosters the learner towards the induction of a principle, fact,

procedure

[T4] What are the variables in this command?[S5] X,Y,Z

[Diagnosis: Students knows <identify a Variable>]

[T6] Which variables are associated to constants in the first command?[S7] X,Z[T8] Hummm, not really, which variable is associated with Z?

[Diagnosis: Students knows <apply transitive binding of Variables>]

[S9] Y.....

Page 39: Les trois générations de tuteur

Implémentation dans Prolog-Tutor

Prolog-Tutor: Logic Programming Concepts

Skills of the domain in this context

Correctly identify and Use of basic structures (variabgles, constant, compound terms, facts, Prolog-rules, etc.)

Understand and apply the principle related to binding a Variable (Understand and perform Unification(1))

Understand Unification (Concept); Perform unification (Procedure)

Understand Resolution (Concept). Perform resolution (procedure)

Page 40: Les trois générations de tuteur

Learner model = Skills

Domain Knowledge Elements

Page 41: Les trois générations de tuteur

Implementation (2)

Prolog-Tutor: Logic Programming Concepts

Teaching: an example with RESOLUTION as a procedure (the learner has to perform it)

Dialogue initial plan: All the steps of the procedure Dialogue utterances:

Tutor question: What the learner should do at that step?

[Expected reflection: recall, organize, test the skills necessary at each step: Principles to apply, Concepts and Facts which define the conditions of the problem state and which will be used to test a principle]

[Expected remedial state: deeper understanding, correction]

Dialogue management: (see the paper of this workshop “Elaborating …”)

The initial dialogue plan may be adapted, when the learner model used The discourse may be accommodated or elaborated when the adapted

dialogue reflects some irregularities

Page 42: Les trois générations de tuteur

Explanation after failure to answer to a question during an

interaction

Application of Hypothesis (2)

Diagnosis in Background: if the learner is unable to answer the question “What is the goal to prove”, the Tutor diagnoses the skill

“Understand the meaning of a GOAL in resolution”

Interactions: Tutor: Asks question to the learner in each step of the procedure after that he has failed to answer to a question

Application of Hypothesis(1)

Expectation of reflection when the tutor asks: “ What is the GOAL to prove in this problem”:

Recall: What is the purpose of a RESOLUTION? What is a GOAL in a resolution? What is the role

of Knowledge Base?

Interactive Diagnosis in Prolog-Tutor (Scenario of Slide 10)

Reflection Elicited: Implicit reflection through the articulation of a procedure

Enhanced or remedial cognitive state expected: General understanding of the skill (Apply a Resolution or Procedure of Resolution) (Slide 10)

Learner model: Skills of the domain with associated probabilities (Simulated)

Page 43: Les trois générations de tuteur

Skills Traced by the tutor (at the end of all scenarios)

Reflection Elicited: Implicit reflection through showing to the learner his cognitive state as viewed by the system in terms of skills (we should add the interaction which justifies the inference of that cognitive state)

Enhanced or remedial cognitive state expected: General understanding of the elements of the domain

Skills Tracing allows the tutor to generate an exercise for a specific skill, when the learner

request it

Page 44: Les trois générations de tuteur

ConclusionLes 3 générations de tuteurs diffèrent par Leur technologie sous-jacente Leur pédagogie Et les approches pour leur développement

Un apprentissage superficiel (non profond) peut survenir lorsque l’étudiant n’a pas encoder les aspects pertinents de la tâche CIRSIM, AutoTutor, Ms. Lindquist, et Geometry Explanation Tutor sont des exemples de T3G (Tuteurs cognitifs), Prolog-Tutor aussi.Intuitivement, le dialogue en langage naturel parraît très efficace et utile dans l’apprentissage mais il reste à déterminer (par la recherche) le QUAND et le COMMENT.