1 LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi.
Các kết quả của luận án là trung thực và chưa từng được ai khác công bố trong bất
kỳ công trình nào khác.
Nghiên cứu sinh
Lê Đức Long 2 LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và sự kính trọng sâu sắc đối với PGS. TS. Trần Văn
Hạo và GS. TS. Axel Hunger, những người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá
trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tôi luôn được các Thầy tạo điều kiện tốt
nhất để nghiên cứu và học tập trong nước và kể cả ngoài nước, cũng như dành nhiều
thời gian quý báu để trao đổi và cùng làm việc với tôi.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy/Cô trong Khoa Công Nghệ Thông Tin –
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp.HCM, những người đã trang bị cho tôi các
kiến thức chuyên ngành, hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập tại trường. Đặc
biệt, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với các Thầy/Cô, GS.TS. Bùi Doãn Khanh,
PGS.TS. Đồng Thị Bích Thủy, PGS.TS. Lê Hoài Bắc, PGS.TS. Nguyễn Đình Thúc,
TS. Hồ Bảo Quốc và TS. Nguyễn An Tế, những người đã tận tình trao đổi, hỗ trợ và
tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu, thử nghiệm đề tài của tôi.
Nội dung nghiên cứu của luận án 17
Những đóng góp chính của luận án 18
Bố cục luận án 19
CHƯƠNG 1 – Knowledge Graph - Một mô hình biểu diễn nội dung tri thức 22
1.1 Giới thiệu 22
1.2 Các nghiên cứu liên quan 23
1.2.1 Bài toán phát triển nội dung dạy học 23
1.2.2 Vấn đề gắn kết tính sư phạm vào quá trình thiết kế nội dung 27
1.2.2.1 Hạn chế của thiết kế dạy học và sự cần thiết phải gắn kết tính sư phạm 27
1.2.2.2 TPCK - một mô hình liên quan đến việc gắn kết tính sư phạm 28
1.3 Mô hình biểu diễn nội dung tri thức - Knowledge Graph 30
1.3.1 Đặt vấn đề 30
1.3.2 Các giả định ban đầu 31
1.3.3 Cơ sở toán học 32
1.4 Giải thuật xây dựng KG cho một học phần 35
1.6.2.1 Ý tưởng chính 64
1.6.2.2 Giải thuật chi tiết 66
1.6.2.3 Nhận xét 67
1.7 Kết luận chương 1 68
CHƯƠNG 2 – Khai thác Knowledge Graph với các ngữ cảnh dạy học khác nhau 70
2.1 Giới thiệu 70
2.2 Khai thác KG trong các ngữ cảnh dạy học khác nhau 71
2.2.1 Khai thác KG ở góc độ đối tượng tham gia 71
2.2.2 Khai thác KG ở góc độ hoạt động học tập 72
2.3 Trích xuất Sub-KG từ KG dựa trên mục tiêu 73
2.3.1 Các định nghĩa liên quan 73
2.3.2 Giải thuật phát sinh Sub-KG dựa trên mục tiêu 75
2.3.2.1 Ý tưởng chính 75
2.3.2.2 Giải thuật trích xuất Sub-KG với tập mục tiêu đầu vào cho trước 76
2.3.2.3 Giải thuật trích xuất Sub-KG với tập mục tiêu đầu vào và mức L cho trước 77
5
3.3 Phân tích ngữ cảnh dạy-học đại học ở Việt Nam 95
3.4 Xây dựng mô hình hồ sơ đặc trưng người dùng 98
3.5 Kiến trúc khung Học Tương tác Tích cực 101
3.5.1 Nền tảng lý thuyết và phương pháp luận 101
3.5.2 Chiến lược sư phạm của ACeLF 103
3.5.3 Kiến trúc tổng quát 107
3.5.4 Các mô hình hoạt động của ACeLF 108
3.5.4.1 Mô hình hoạt động tự học 110
3.5.4.2 Mô hình hoạt động học tập theo nhóm 110
3.5.4.3 Mô hình hoạt động học tập cộng tác 111
3.5.4.4 Mô hình hoạt động tư vấn 112
3.5.4.5 Mô hình hoạt động kiểm tra – đánh giá 113
3.6 Đánh giá hệ thống dạy học trực tuyến sử dụng mô hình bốn mức (cấp) của
Kirkpatrick 113
3.6.1 Về tính hữu dụng của một hệ học trực tuyến 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO 145
PHỤ LỤC 1 - BẢNG CHÚ GIẢI CÁC THUẬT NGỮ RIÊNG 156
PHỤ LỤC 2 -
DỮ LIỆU MẪU THỬ NGHIỆM 159
PHỤ LỤC 3 - ACeLF và hệ học trực tuyến 167
6
DANH MỤC CÁC TỪ/THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ACeLF Active-Collaborative e-Learning Framework
ACeLS Active-Collaborative e-Learning System
ADL Advanced Distributed Learning
AEHS Adaptive Educational Hypermedia System
AeLS Adaptive e-Learning System
AHS Adaptive Hypermedia System
AI-CAI Adaptive Intelligent- Computer-Assisted Instruction
AI-Edu Artificial Intelligent in Education
AIWBES Adaptive and Intelligent Web-based Educational System
CBT/CAI Computer-Based Training/Computer-Assisted Instruction
CMS Course Management System
CSCL Computer-Supported Collaborative Learning
ICT Information and Communication Technology
ID Instructional Design
VLE Virtual Learning Environment
8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô hình tháp của nội dung dạy học (trích [46]) 24
Hình 1.2. Cây phân cấp với năm tầng nội dung (trích [41]) 26
Hình 1.3. Các thành phần của mô hình TPCK (trích [69]) 29
Hình 1.4. Minh họa vi phạm tính hợp lý của thứ tự trình bày kiến thức 32
Hình 1.5. Minh họa giải thuật Kiểm tra tính hợp lý 37
Hình 1.6. Sơ đồ khối của giải thuật 1.1 – Giải thuật chính và Cập nhật ma trận 41
Hình 1.7. Sơ đồ khối của giải thuật 1.1 – Phần Kiểm tra tính hợp lí 42
Hình 1.8. Minh họa cho KG ban đầu (do chuyên gia định nghĩa) ở ví dụ 1 43
Hình 1.9. KG ở ví dụ 1 sau khi xây dựng bằng giải thuật 1.1 44
Hình 1.10. Ma trận A, W sau khi cập nhật ở ví dụ 1 44
Hình 1.11. Minh họa cho KG ban đầu (do chuyên gia định nghĩa) ở ví dụ 2 45
Hình 1.12. KG ở ví dụ 2 sau khi xây dựng bằng Giải thuật 1.1 46
Hình 1.13. Ma trận A, W sau khi cập nhật ở ví dụ 2 46
Hình 1.14. Minh họa trường hợp tạo chu trình ở ví dụ 1 49
Hình 1.15. Minh họa trường hợp tạo chu trình ở ví dụ 2 50
Hình 1.16. Minh họa cho độ dài đường đi/mức của KG ở ví dụ 2 51
Hình 1.17. Cây phân cấp của các thành phần trong KG 52
Hình 1.18. So sánh sự tương đồng giữa KG và mô hình Learnativity 57
Hình 1.19. Minh họa cho các thành phần của mô hình Learnativity 58
Hình 1.20. Minh họa cho các thành phần của mô hình KG 59
Hình 1.21. KG ứng với các thành phần của chương trình đào tạo [46] 61
Hình 1.22. Minh họa đồ thị tri thức G
c
Hình 3.8. Mô hình hoạt động tự học 110
Hình 3.9. Mô hình hoạt động học nhóm 111
Hình 3.10. Mô hình hoạt động học cộng tác 112
Hình 3.11. Mô hình hoạt động tư vấn 112
Hình 3.12. Mô hình hoạt động học kiểm tra – đánh giá 113
Hình 3.13. Quy trình đánh giá ở cấp độ 1, 2 của mô hình Kirkpatrick [55] 116
Hình 3.14. Biểu đồ so sánh số lượt truy cập trung bình của 3 học phần 122
Hình 3.15. Biểu đồ thống kê đánh giá của chuyên gia với 3 tiêu chí khảo sát 124
Hình 3.16. Biểu đồ thống kê đánh giá của sinh viên ở thang điểm thấp 127
Hình 3.17. Biểu đồ thống kê đánh giá của sinh viên ở thang điểm trung bình 127
Hình 3.18. Biểu đồ thống kê đánh giá của sinh viên ở thang điểm cao 128
Hình 3.19. Biểu đồ khảo sát sinh viên ở giữa học phần PPDH Tin (P.2) 129
10
Hình 3.20. Biểu đồ khảo sát sinh viên ở cuối học phần PPDH Tin (P.2) 130
Hình 3.21. Biểu đồ thống kê kết quả học tập của 3 học phần 132
Hình 4.1. Sơ đồ minh họa việc gắn kết tính sư phạm trong mô hình của luận án. 139 11
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các thành phần cơ bản của nội dung dạy học 25
Bảng 1.2 Các thuộc tính phụ của Ý giảng chính – PI 33
Bảng 1.3 Phân cấp thành phần nội dung của các mô hình 53
Bảng 1.4 So sánh KG với các mô hình nội dung theo chuẩn e-Learning 54
Bảng 1.5 So sánh KG với các mô hình nội dung của các hệ học thích nghi 55
Bảng 1.6 So sánh đặc điểm của IO/RIO với PI 56
Bảng 1.7 So sánh đặc điểm của RLO với Sub-KG 56
Bảng 1.8 Bảng các điều kiện tiên quyết của môn học 63
trở nên quen thuộc với mọi người chúng ta. Nhiều hình thức dạy học mới ra đời nhằm
đáp ứng các nhu cầu và xu thế giáo dục của thời đại. Các hình thức dạy học này, cùng
với hình thức dạy học truyền thống
2
đều xem máy tính, Internet là các công cụ thiết
yếu để phục vụ cho mục đích giảng dạy và học tập.
Một trong các hình thức dạy học tiên tiến đã được cộng đồng giáo dục quan tâm và
phát triển ở thời gian gần đây, đó là e-Learning. Ban đầu, dựa vào hình thức triển khai
dạy học mà e-Learning thường được xem và hiểu qua các tên gọi như đào tạo điện tử,
dạy học trực tuyến, hoặc đào tạo từ xa. Tuy nhiên, e-Learning hiện nay được nhìn dưới
góc độ tổng quát hơn, theo nghĩa là, ″việc sử dụng ICT có chủ đích để nâng cao
và/hoặc hỗ trợ việc dạy học″ [46]
[58][70]
.
Qua thực tiễn ứng dụng, các nhà nghiên cứu giáo dục đã nhận thấy rằng e-Learning
mang lại nhiều lợi ích trong hoạt động dạy học và giúp người học đạt được những kĩ
năng cần thiết cho công việc của mình [64][98]
[105]
. Sự thành công này của e-
Learning căn bản dựa trên việc áp dụng các mô hình thuộc lĩnh vực thiết kế dạy học
(instructional design - ID) [80]. Nhờ đó, mà các hệ thống dạy học (được viết gọn là, hệ
học) có được sự gắn kết chặt chẽ giữa nội dung dạy học với các hoạt động học tập để
cung cấp những dịch vụ, tiện ích tốt nhất đến người học. Do vậy, các nghiên cứu về e-
Learning thường tập trung vào việc giải quyết hai bài toán chính: (1), phát triển nội
dung dạy học; và (2), xây dựng các hoạt động học tập.
Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu về hướng phát triển của các hệ học cũng chú ý đến
hai bài toán liên quan: (1), làm thế nào để tích hợp thành phần sư phạm vào hệ thống,
nghĩa là gắn kết được các tính chất sư phạm vào nội dung và hoạt động học tập? và
1
là sự thiết kế.″. Vì vậy, để phát triển một hệ học có chất lượng thì vấn đề thiết kế nắm
một vai trò quan trọng. Mục tiêu nghiên cứu của luận án là các vấn đề cần giải quyết
đối với bài toán phát triển nội dung dạy học trong một hệ học, bao gồm:
15
1). Phát triển mô hình nội dung tri thức, cụ thể là, trong một chương trình đào
tạo hay một học phần, nội dung dạy học được tổ chức và cấu trúc như thế nào để có
thể khai thác tri thức một cách dễ dàng và thuận tiện? Đồng thời, nội dung dạy học
cũng được gắn kết thêm các tính chất sư phạm cơ bản, đảm bảo sự hợp lý của thứ tự
trình bày nội dung trong quá trình khai thác.
2). Khai thác nội dung tri thức trong các ngữ cảnh dạy học khác nhau, cụ thể là,
với tổ chức và cấu trúc của mô hình nội dung tri thức như đã đề xuất, cần phải khai
thác như thế nào ở các góc độ như: đối tượng tham gia, hoạt động học tập. Ngoài ra,
đối với một hệ đào tạo trực tuyến trong ngữ cảnh dạy học đại học ở Việt Nam, cần một
kiến trúc khung với chiến lược sư phạm như thế nào để phù hợp và gắn kết người
học với hệ thống?
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Xem xét ở hình thức dạy học truyền thống từ trước đến nay, các hoạt động học tập
chủ yếu dựa vào các dạng tài liệu học tập (in ấn), và sự giao tiếp trực tiếp giữa các đối
tượng dạy học, đặc biệt là giữa giáo viên và học viên. Trong quá trình dạy học, căn cứ
vào thông tin thu được từ sự giao tiếp này, mà giáo viên sẽ thay đổi cách giảng dạy
theo từng đối tượng học viên sao cho đạt hiệu quả tối đa.
Việc ứng dụng công nghệ và ICT trong dạy học ở những năm gần đây đã làm thay
đổi cách dạy học truyền thống cùng với nhiều hình thức đào tạo mới và một loại hình
mà luận án muốn đề cập đến, đó là dạy học trực tuyến. Ở hình thức đào tạo này, sự
giao tiếp giữa giáo viên và học viên có phần bị hạn chế so với truyền thống, cho nên
việc khai thác các loại tài liệu học tập quen thuộc trở nên kém hiệu quả. Bên cạnh đó,
việc phát triển nội dung trên các ứng dụng dạng Web cũng được nhấn mạnh bằng câu
– ″nội dung là cốt lõi″ – để nói lên tầm quan trọng của việc thiết kế nội dung [19]. Do
vậy, bài toán phát triển nội dung đối với các hệ học lại cần được quan tâm nhiều hơn
khía cạnh sư phạm được thể hiện qua việc xây dựng đối tượng học và hầu như các mô
hình chỉ chú trọng đến việc tuân thủ một cách cứng nhắc đúng khuôn mẫu đã đề ra,
không quan tâm đến nội dung bên trong của đối tượng có chứa đựng đúng và đủ lượng
tri thức khoa học cần hiểu và ghi nhớ hay không? Điều này dẫn đến một đối tượng học
có thể được thiết kế đúng theo mô hình nội dung và tuân thủ chuẩn e-Learning
3
Một số thuật ngữ tiếng Anh được tạm dịch theo ngữ nghĩa sử dụng trong luận án.
17
(SCORM) nhưng lại hoàn toàn ″không mang tính sư phạm″ hoặc ″không có một ý
nghĩa dạy học nào cả″ [46]
Như đã nêu ở phần trước, luận án tập trung nghiên cứu về bài toán phát triển nội
dung dạy học cho các hệ học để khai thác trong môi trường dạy học truyền thống lẫn
trực tuyến. Chúng tôi sẽ trình bày chi tiết các nghiên cứu cũng như đề xuất chính của
luận án liên quan đến bài toán phát triển nội dung trong chương 1, thông qua một mô
hình biểu diễn nội dung tri thức dạy học. Các nghiên cứu liên quan đến việc khai thác
mô hình đề xuất trong các ngữ cảnh/môi trường dạy học khác nhau sẽ được trình bày ở
chương 2, 3 và ở đó, các giải pháp đề xuất của luận án cũng được trình bày chi tiết.
Nội dung nghiên cứu của luận án
Luận án tập trung vào ba nội dung nghiên cứu sau:
1). Lý thuyết dạy học và công nghệ dạy học. Nghiên cứu về nền tảng lí thuyết dạy
học và các lĩnh vực như: thiết kế dạy học (ID - Instructional Design), ứng dụng công
nghệ vào trong dạy học (TEL – Technology-enhanced Learning, CSCL - Computer-
supported Collaborative Learning). Phân tích hai thành phần cơ bản của nội dung dạy
học
4
và nghiên cứu áp dụng các mô hình, như mô hình học kết hợp (blended-
learning/hybrid-learning) [100], mô hình TPCK – Technological Pedagogical Content
Knowledge [65][102], mô hình Concept map [75], để biểu diễn lại nội dung tri thức và
Bao gồm các nội dung sau:
- Phát sinh các kịch bản dạy và học khác nhau dựa trên KG;
- Giải thuật trích xuất mô hình con Sub-KG từ KG dựa trên mục tiêu cho
trước;
- Đề xuất khái niệm e-Course để phát triển nội dung dạy học và áp dụng đối
với các ngữ cảnh dạy học cụ thể.
Kết quả được trình bày trong các công trình [CT1], [CT3].
5
Mô hình Knowledge Graph - cũng gọi là, Đồ thị Tri thức – được viết tắt là, KG - và trong luận án sẽ sử
dụng từ viết tắt này khi đề cập đến mô hình đề xuất. Knowledge Graph cũng sẽ được định nghĩa lại một cách
chặt chẽ ở Chương 1.
19
3. Khai thác mô hình đề xuất trong một hệ học trực tuyến.
Hiện thực hóa một mô hình dạy học kết hợp, áp dụng cho ngữ cảnh Việt
Nam, cụ thể là:
- Đề xuất mô hình đặc trưng người dùng thông qua nghiên cứu và khảo sát
dựa trên đặc điểm và thói quen học tập của sinh viên Việt Nam;
- Xây dựng một chiến lược sư phạm cụ thể cho các hoạt động học tập tương
ứng trong hệ thống, cụ thể là: hoạt động tự học, học nhóm và học cộng tác;
- Đề xuất kiến trúc khung Học Tương tác Tích cực (ACeLF) làm nền tảng
cho việc xây dựng một hệ học trực tuyến.
Kết quả được trình bày trong các công trình [CT5], [CT7].
Triển khai và thử nghiệm với hệ học ACeLS
Một cổng thông tin dạy học trực tuyến được thiết lập từ năm 2011 và đã
giảng dạy các học phần như: Kĩ thuật lập trình, Cơ sở dữ liệu, Công nghệ dạy
học và kiến trúc khung Học Tương tác Tích cực – ACeLF, nhằm giải quyết bài toán
xây dựng một môi trường học tập trực tuyến thật sự hữu ích đối với người học, thông
qua việc xây dựng một mô hình tổng quát cho các hoạt động học tập, tư vấn thông tin
và kiểm tra - đánh giá.
21
CHƯƠNG 1
Knowledge Graph -
Một mô hình biểu diễn
nội dung tri thức Tóm tắt –
Chương này trình bày những vấn đề liên quan đến bài toán phát triển nội dung dạy
học và đề xuất một cách tiếp cận để giải quyết bài toán thông qua việc biểu diễn lại
nội dung tri thức với mô hình toán học được gọi là Knowledge Graph - KG. Mô hình
được đề xuất dựa trên ý tưởng gắn kết tính chất sư phạm vào quá trình thiết kế nội
dung, nhằm đảm bảo rằng KG sẽ có thể khai thác tri thức một cách dễ dàng và thuận
tiện trong nhiều ngữ cảnh dạy học khác nhau.
Nội dung chương gồm:
− Giới thiệu bài toán phát triển nội dung dạy học và các vấn đề liên quan.
− Đề xuất một biểu diễn hình thức cho nội dung tri thức: Knowledge
Graph (KG).
− Xây dựng KG cho một học phần.
− Phân tích và so sánh sự tương quan của KG với chương trình đào tạo.
− Xây dựng KG cho một chương trình đào tạo.
22
Kể từ phần này trở đi, luận án sẽ sử dụng thuật ngữ nội dung tri thức để thay thế cho tri thức khoa học.
Ngoài ra, có thể xem thêm phần chú giải các thuật ngữ in nghiêng ở phần Phụ lục 1.
23
và ″đối tượng người học đã học, hoặc đã biết gì″; những nghiên cứu này cũng không
quan tâm đến thành phần tri thức sư phạm trong việc chuyển tải nội dung và việc tạo
hiệu quả cho các hoạt động dạy-học [10][36][65]. Một số nghiên cứu trong lĩnh vực
công nghệ dạy học đã nhận thấy được tầm quan trọng của tri thức sư phạm, cũng như
vấn đề khó khăn khi tích hợp các tính chất sư phạm vào nội dung dạy học và từ đó, bài
toán gắn kết tính sư phạm vào việc thiết kế nội dung dạy học đã bắt đầu được nhiều sự
quan tâm trong cộng đồng phát triển các hệ học ở thời gian gần đây [9][60][87].
Tiếp cận với bài toán phát triển nội dung cho các hệ học, câu hỏi chính đã được đặt
ra trong nghiên cứu của luận án là: ″Liệu có cách nào tổ chức nội dung dạy học thỏa
mãn một số các tính chất sư phạm cơ bản để có thể khai thác một cách hiệu quả trong
các môi trường dạy học có sự hạn chế về mặt giao tiếp giữa người dạy và người học
hay không?″. Từ đó dẫn đến việc đề xuất mô hình biểu diễn nội dung tri thức và đây
cũng là nội dung chính được trình bày chi tiết trong chương này.
1.2 Các nghiên cứu liên quan
1.2.1 Bài toán phát triển nội dung dạy học
Thông thường, việc thiết kế nội dung dạy học
7
cần được áp dụng ở mọi thành phần,
từ mức tổng quát là chương trình đào tạo cho đến đơn vị dạy học nhỏ nhất là các chủ
đề. Hình 1.1.(a) diễn tả các thành phần nội dung sắp xếp theo một thứ tự từ tổng quát
đến chi tiết và 1.1.(b) là một ví dụ cụ thể của chương trình đào tạo Cử nhân chuyên
ngành Khoa học Máy tính.
Các thành phần này cũng được mô tả ý nghĩa một cách tường minh trong Bảng 1.1,
dựa trên quy chế đào tạo đại học ở Việt Nam và các khái niệm về thành phần nội dung
của 1 hệ e-Learning [46].
Từ các định nghĩa về LO, đã dẫn đến hàng loạt nghiên cứu tiếp theo nhằm mục
đích phân loại, hoặc để xây dựng nội dung dạy học dựa vào các mô hình nội dung (LO
content model). Có thể kể đến một số mô hình tiêu biểu như: SCORM [29],
Learnativity Content model [30], CISCO RLO/RIO model [11], NETg Learning
Object model [56].
Bảng 1.1 Các thành phần cơ bản của nội dung dạy học
Một nguyên lý phân loại được cộng đồng phát triển ứng dụng e-Learning quan tâm
và được xem như chuẩn về nội dung, đó là LOM
9
- Learning Object Metadata. Trong
đó, các thành phần LO được tổ chức thành một cây phân cấp nội dung (hierarchy of
9
Nguyên lý phân loại LO theo chuẩn LOM - Learning Object Metadata cũng được biết với cách gọi khác là
Learnativity Content Model, được đề xuất bởi W. Hodgins (2000) [30] – chủ tịch của hiệp hội IEEE-LTSC.
Copyright: Tài liệu đại học ©