mô hình biểu diễn tri thức cho hệ học tương tác tích cực_3

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.

Tôi xin chân thành cám ơn các Thầy/Cô thuộc Khoa Toán – Tin học và Khoa Công
nghệ Thông tin - Trường Đại học Sư phạm Tp.HCM, những người đã ủng hộ tôi trong
suốt quá trình thực hiện luận án.
Tôi cũng xin được cảm ơn các anh, chị, em các bạn đồng nghiệp đã quan tâm và
động viên tôi suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này.
Cuối cùng, tôi cũng không thể nào quên được những tình cảm và sự giúp đỡ từ gia
đình, cha mẹ, anh chị em, vợ và các con tôi. Những người thân yêu này luôn là nguồn
động viên để giúp tôi học tập và nghiên cứu.

3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC TỪ/THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 11

GIỚI THIỆU 12

Mở đầu 13

Lý do thực hiện và mục tiêu đề tài 14

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 15

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

1.4.1 Ý tưởng chính 35

1.4.2 Giải thuật chi tiết 38

1.4.3 Ví dụ minh họa 41

1.4.3.1 Ví dụ 1 43

1.4.3.2 Ví dụ 2 45

1.4.4 Phân tích và nhận xét giải thuật 47

1.4.4.1 Phân tích 47

1.4.4.2 Nhận xét 47

1.5 Phân tích và so sánh KG với các mô hình nội dung khác 51

4

1.5.1 Phân tích thêm về các thành phần của 1 mô hình nội dung tiêu biểu 57

1.5.2 Phân tích thêm về các thành phần của mô hình KG 58

1.6 Phân tích tương quan giữa KG với một chương trình đào tạo 59

1.6.1 Các định nghĩa liên quan 62

1.6.2 Giải thuật xây dựng KG cho một chương trình đào tạo 64

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

2.3.2.4 Giải thuật trích xuất Sub-KG với tập mục tiêu đầu ra cho trước 78

2.3.2.5 Giải thuật trích xuất Sub-KG với tập mục tiêu đầu ra và mức L cho trước 79

2.3.3 Giải thuật kiểm tra tính hợp lý của một KG/Sub-KG 80

2.3.4 Phân tích và nhận xét giải thuật 80

2.4 e-Course: nội dung dạy học được xây dựng từ KG 81

2.4.1 Các định nghĩa liên quan 84

2.4.2 Mối tương quan hình thành e-Course từ Sub-KG 84

2.4.3 Qui trình xây dựng e-Course dựa trên Sub-KG 86

2.4.4 Khai thác e-Course trong các ngữ cảnh khác nhau ở góc độ lớp học 87

2.4.4.1 Khai thác e-Course trong các ngữ cảnh dạy học khác nhau 87

2.4.4.2 Khai thác e-Course ở góc độ các ứng dụng dạy học 89

2.4 Kết luận chương 2 90

CHƯƠNG 3 – Khai thác Knowledge Graph trong một hệ học trực tuyến 92

3.1 Giới thiệu 92

3.2 Các nghiên cứu và vấn đề liên quan 92

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

3.6.2 Đánh giá tính hữu dụng của phương pháp đề xuất bằng các mô hình sư phạm . 117

3.6.2.1 Mục tiêu thử nghiệm 117

3.6.2.2 Mô tả thử nghiệm 117

3.6.3 Đánh giá sự gắn kết của người học với hệ thống thông qua log file 120

3.6.4 Đánh giá sự hữu ích của hệ thống bằng phương pháp xã hội học 122

3.6.4.1 Khảo sát từ chuyên gia giáo dục/sư phạm và IT 123

3.6.4.2 Khảo sát từ phía người học 125

3.6.5 Đánh giá việc học tập của người học thông qua kết quả kiểm tra 130

3.7 Kết luận chương 3 134

CHƯƠNG 4 – Kết luận & Hướng phát triển 136

Kết luận 136

Hướng phát triển 141

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 143

Các bài báo công bố tại các hội nghị và tạp chí khoa học trong nước 143

Các bài báo công bố tại các hội nghị và tạp chí khoa học quốc tế 144

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

ISD Instructional System Design
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IMS Instructional Management Systems

IMS GLC IMS Global Learning Consortium
IO/RIO Information Object/Reusable Information Object
IT Information Technology
ITS Intelligent Tutoring System
KG Knowledge Graph
7

LCMS Learning Content Management System
LIP IMS Learner Information Package
LMS Learning Management System
LO/RLO Learning Object/Reusable Learning Object
LOM Learning Object Metadata
LTSC Learning Technology Standards Committee (IEEE -LTSC)
PC Personal computer
PCK Pedagogical Content Knowledge
PI Prime Idea
RIO Reusable Information Object
RLO Reusable Learning Object
SCO SCORM Object
SCORM

Sharable Content Object Reference Model
Sub-KG Subordinate Knowledge Graph
TEL Technology-Enhanced Learning
TPCK/TPACK Technological Pedagogical Content Knowledge
UNESCO United Nations Educational Scientific and Cultural Organization

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

của một chương trình đào tạo 65
Hình 2.1. Khai thác KG ở góc độ các bài dạy khác nhau 71
Hình 2.2. Khai thác KG ở góc độ kiểm tra tính hợp lý của bài dạy 72
Hình 2.3. Khai thác KG ở góc độ các hoạt động học tập 73
Hình 2.4. Minh họa các Sub-KG
1
và Sub-KG
2
với các tập mục tiêu đã cho 74
9

Hình 2.5. Minh họa các Sub-KG được trích xuất với S
I
,S
O
cho trước 75
Hình 2.6. Cấu trúc của một học phần truyền thống 82
Hình 2.7. Ý tưởng cơ bản của e-Course 83
Hình 2.8. e-Course và ý nghĩa của các thành phần 84
Hình 2.9. Tương quan hình thành e-Course từ Sub-KG 85
Hình 2.10. Khuôn mẫu chung để xây dựng e-Course 85
Hình 2.11. Cách tiếp cận xây dựng e-Course từ Sub-KG 86
Hình 2.12. Khai thác e-Course trong các ngữ cảnh khác nhau của lớp học. 88
Hình 3.1. Cấu trúc tổng quát của Learner Profile 100
Hình 3.2. Minh họa cách tiếp cận phát triển mô hình ACeLF 102
Hình 3.3. Mô hình cho chiến lược sư phạm của ACeLF 104
Hình 3.4. Chiến lược sư phạm khi triển khai của ACeLF 105
Hình 3.5. Kiến trúc khung tổng quát Học Tương tác Tích cực - ACeLF 107
Hình 3.6. Mô hình hoạt động tổng quát của ACeLF 109
Hình 3.7. Phương thức tư vấn của ACeLF 109

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

Bảng 3.1 Bảng mô tả tóm tắt về mô hình Kirkpatrick cho đánh giá đào tạo [55]. 115
Bảng 3.2 Mô tả tổng quan về 3 lớp - học phần trong thử nghiệm 118
Bảng 3.3 Thống kê số lượt truy cập trung bình (ngày) của 3 học phần 120
Bảng 3.4 Tổng hợp số liệu khảo sát đối với chuyên gia 123
Bảng 3.5 Tổng hợp số liệu đánh giá của người học có đối sánh ở 3 học phần 126
Bảng 3.6 Số liệu khảo sát trực tuyến giữa học phần PPDH Tin (P.2) 129
Bảng 3.7 Số liệu khảo sát trực tuyến cuối học phần PPDH Tin (P.2) 130
Bảng 3.8 Số liệu thống kê kết quả học tập cuối kì của 3 học phần 132


12

GIỚI THIỆU





Tóm tắt –
Phần này giới thiệu mục tiêu chính mà luận án giải quyết .
Kết quả và bố cục chi tiết của luận án cũng sẽ được trình bày ở cuối phần này.


13

Mở đầu
Với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông
(viết tắt - ICT
1
) trong các thập kỉ vừa qua, việc ứng dụng ICT vào dạy học đã và đang

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

Từ viết tắt được in nghiêng và chú giải ở bảng DANH MỤC CÁC TỪ/THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
2
Các thuật ngữ hay từ khóa in nghiêng được chú giải chi tiết ở phần Phụ lục 1
14

(2), làm thế nào để hệ thống có thể thích nghi với đặc điểm, nhu cầu của người học
trong các ngữ cảnh dạy – học khác nhau? [22][23][46][100]
Bài toán thứ hai đã dẫn tới việc phát triển một lĩnh vực chuyên biệt mang tên ″trí
tuệ nhân tạo trong giáo dục″ (viết tắt – AI-Edu), với các ứng dụng dưới dạng ″hệ học
thích nghi và thông minh″ [12]. Mỗi hệ học như vậy đều có mục tiêu dạy học cụ thể
(áp dụng vào một ngữ cảnh cụ thể) và sử dụng một số kĩ thuật thông minh để hỗ trợ
dạy học, đặc biệt là cá nhân hóa việc tự học với hệ thống.
Tuy nhiên, đối với bài toán thứ nhất, việc tích hợp thành phần sư phạm vào hệ
thống là một vấn đề khó khăn. Bởi vì, thông thường thì thành phần này được thể hiện
thông qua bản thân người giáo viên và đó chính là kĩ năng sư phạm mà giáo viên ấy sẽ
sử dụng khi dạy học (bao gồm phương pháp dạy học, khả năng và kinh nghiệm sư
phạm). Nói cách khác, sự hiệu quả và hấp dẫn trong quá trình dạy học của giáo viên đã
biểu hiện cho tính sư phạm và điều này cũng minh họa cho tính nghệ thuật của khái
niệm dạy học có chất lượng [32][50][78]. Hơn nữa, bài toán này cũng cho thấy
″khoảng hở″ giữa khả năng của chuyên gia sư phạm và người phát triển hệ thống tin
học, mà thông thường là hai chủ thể khác nhau. Vì vậy, nếu có sự kết hợp khả năng
của hai đối tượng này thì việc tích hợp thành phần sư phạm vào hệ thống sẽ dễ dàng
hơn. Hoặc với một cách nào đó, nếu có thể mô hình hóa một số tính chất sư phạm cơ
bản để tích hợp vào hệ thống và nhắm đến việc hệ thống khi khai thác sẽ đảm bảo các
tính chất này. Như vậy, bài toán đặt ra ở trên đã phần nào được giải quyết và đây cũng
là nội dung nghiên cứu chính của luận án.
Lý do thực hiện và mục tiêu đề tài
Horton (2006) [46] đã viết: ″ Ở góc độ tốt nhất, thì việc học tập có sử dụng e-
Learning sẽ giống như ở một lớp học truyền thống tốt nhất. Và ở góc độ xấu nhất, thì
nó cũng sẽ tệ ngang như trong một lớp học truyền thống tệ nhất. Điểm khác nhau chỉ

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

nữa. Bởi vì, ngoài các yêu cầu về chất lượng của nội dung, thì các hệ học còn quan
tâm đến một số yêu cầu khác liên quan đến công nghệ như: tính tái sử dụng
(reusability), tính truy cập được (accessibility), tính khả chuyển (interoperability) và
tính bền vững (durability) [96]. Tóm lại, bài toán đặt ra là làm thế nào để thiết kế nội
16

dung dạy học vừa đảm bảo được các yêu cầu về công nghệ, lại vừa mang tính sư
phạm để ″bù đắp″ sự ″thiếu hụt″ giao tiếp giữa giáo viên với học viên trong môi
trường trực tuyến [22][51].
Nhận biết tầm quan trọng của bài toán này, cộng đồng nghiên cứu e-Learning đã
phát triển nhiều chuẩn (e-Learning standard) và mô hình nội dung (learning object
content model) liên quan. Một số chuẩn và mô hình tiêu biểu như: IMS [48], SCORM
[29][84], IEEE-LOM/Learnativity Content model [30][47], CISCO RLO/RIO model
[11], NETg Learning Object model [56], ADL Academic Co-lab model [15] và
Microsoft model [31].
Các chuẩn e-Learning trong thời gian qua đều hướng đến mục đích hỗ trợ cho việc
phát triển các hệ học có chất lượng tốt hơn và hầu như chủ yếu tập trung giải quyết các
vấn đề về: mô tả kỹ thuật và quản trị nội dung (IEEE-LOM); sự tương tác qua lại giữa
nội dung và người học (IMS); đóng gói và thể hiện trình tự nội dung (SCORM, IMS);
và cách trình bày kịch bản học (SCORM, IMS) [29][48][84].
Về mô hình nội dung, hầu hết phân chia thành phần của nội dung dạy học thành
nhiều mức đối tượng khác nhau, chủ yếu phân biệt ở hai thành phần chính là đối tượng
thông tin (information object/assets) và đối tượng kiến thức
3
(learning object/SCO).
Trong đó, đối tượng thông tin mang ý nghĩa của một lượng thông tin độc lập và đối
tượng học là thành phần được ″lắp ghép″ từ các đối tượng thông tin dựa trên một mục
tiêu dạy học cụ thể nào đó. Thông thường, đây là sự lắp ghép một cách ″thủ công″
theo một khuôn mẫu định sẵn của các mô hình nội dung (như IEEE-LOM, CISCO) và
phụ thuộc hoàn toàn vào người thiết kế dạy học. Trong quá trình thiết kế nội dung,

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

phát triển nội dung dạy học.
2). Chuẩn e-Learning và các mô hình nội dung. Phân tích hạn chế và vấn đề tồn
tại của các chuẩn và mô hình; phân tích ưu/khuyết điểm của các dạng tài liệu/tài
nguyên học tập trực tuyến. Qua đó, nghiên cứu phát triển nội dung dạy học có gắn kết
tính sư phạm để khai thác trong dạy học một cách hiệu quả và hấp dẫn.
3). e-Learning và vấn đề phát triển một hệ học trực tuyến có chất lượng. Nghiên
cứu và tiếp cận theo hướng phát triển của một hệ học mang tính thích nghi (Adaptive

4
Nội dung dạy học hay tri thức dạy học chia thành hai phần cơ bản, bao gồm tri thức khoa học và tri thức
sư phạm. Trong luận án, tri thức khoa học được gọi là nội dung tri thức. Phần này sẽ được làm rõ ở chương 1.
18

e-Learning System) [16][17] phù hợp với môi trường học tập ở Việt Nam. Từ đó, mô
hình hóa đặc trưng của người học, đề xuất một chiến lược sư phạm và kiến trúc khung
làm nền tảng phát triển một hệ học trực tuyến cho ngữ cảnh dạy học đại học ở Việt
Nam.
Những đóng góp chính của luận án
1. Mô hình biểu diễn nội dung tri thức dạy học.
 Đề xuất mô hình Knowledge Graph – KG
5
– đây là, một mô hình lý thuyết
Tin học, biểu diễn thành phần kiến thức cốt lõi làm nền tảng cho việc phát triển nội
dung dạy học hoặc/và khai thác trong các hoạt động học tập của những ứng dụng
thuộc lĩnh vực giáo dục, với những giải thuật/thủ tục cho phép:
- Xây dựng KG cho một học phần;
- Xác lập và phân tích tương quan giữa KG với một chương trình đào tạo.
Từ đó, xây dựng KG cho một chương trình đào tạo.
 Kết quả được trình bày trong các công trình [CT2], [CT4], [CT6].
2. Khai thác mô hình đề xuất với các ngữ cảnh dạy học khác nhau.

 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 Phương pháp dạy học môn Tin học có thể tham khảo tại:
-
-
Bố cục luận án
Sau chương Giới thiệu này và chương cuối (4) là Kết luận và Hướng phát triển,
nội dung chính luận án được trình bày trong ba chương, mỗi chương tập trung giải
quyết một nội dung đặt ra, cụ thể là:
Chương 1 –Knowledge Graph (KG) – một mô hình biểu diễn nội dung tri thức.
Trình bày những vấn đề liên quan đến bài toán phát triển nội dung và đề xuất cách
tiếp cận giải quyết bài toán thông qua việc biểu diễn lại nội dung tri thức với mô hình
toán học đề xuất - Knowledge Graph (KG). Mô hình được hình thức hóa dưới dạng đồ
thị để lưu trữ và biểu diễn một cách trực quan thành phần nội dung tri thức. Ý tưởng
của mô hình là gắn kết tính chất sư phạm vào quá trình thiết kế nội dung, qua đó nội
20

dung tri thức vừa hàm chứa tri thức sư phạm cần thiết của người giáo viên trong dạy
học, vừa được tổ chức quản lý theo hướng tri thức chuyên gia để có thể tái sử dụng.
Phần cuối của chương cũng đề cập đến mối tương quan giữa KG với một chương trình
đào tạo và bài toán xây dựng chương trình đào tạo.
Chương 2 – Khai thác Knowledge Graph ở các ngữ cảnh dạy học khác nhau.
Trình bày việc ứng dụng và khai thác mô hình KG ở góc độ lớp học trong nhiều
ngữ cảnh khác nhau. Trong đó, mô hình con Sub-KG được trích xuất từ KG là thành
phần nội dung tri thức, mang ý nghĩa của kiến thức lõi dùng để thiết kế các kịch bản
dạy và học khác nhau, hoặc/và khai thác trong những hoạt động dạy học. Đề xuất thêm
khái niệm e-Course, mang đủ ý nghĩa của một nội dung dạy học, là sự kết hợp giữa
KG và việc thiết kế dạy học dựa trên một khuôn mẫu (do luận án đề xuất) nhằm
chuyển tải kiến thức đến người học một cách hiệu quả và hấp dẫn.
Chương 3 – Khai thác Knowledge Graph trong một hệ học trực tuyến.
Trình bày một cách tiếp cận để xây dựng hệ học trực tuyến phù hợp với ngữ cảnh
dạy học đại học ở Việt Nam. Qua đó, luận án đề xuất mô hình đặc trưng của người

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

CHƯƠNG 1 –
Knowledge Graph - Một mô hình biểu diễn nội dung tri thức
1.1 Giới thiệu
Đối với các hệ học trong môi trường đào tạo truyền thống cũng như đào tạo trực
tuyến, bài toán phát triển nội dung dạy học được xem như một trong các vấn đề chính
đối với người thiết kế hệ thống. Ở khía cạnh sư phạm, nội dung dạy học có thể chia
thành hai phần: (1) thành phần tri thức khoa học – đó là, tri thức về vấn đề khoa học
nào đó cần được dạy trong một học phần hay bài học. Đây cũng là phần kiến thức cốt
lõi, chính xác mà người học buộc phải hiểu và ghi nhớ; và (2) thành phần tri thức sư
phạm dùng để diễn giải và làm rõ, giúp người học có thể hiểu vấn đề và nắm bắt tri
thức khoa học một cách dễ dàng hơn. Tri thức sư phạm, bản thân nó là một thành tố
quan trọng giúp cho việc dạy học trở nên hiệu quả và hấp dẫn, nhưng lại thường không
biểu hiện một cách tường minh khi dạy học và phụ thuộc hoàn toàn vào kĩ năng của
người giáo viên. Do vậy, vấn đề tin học hóa nội dung dạy học sẽ không đơn giản khi
cần tồn tại cả hai thành phần: tri thức khoa học và tri thức sư phạm để có thể khai thác
trong các hoạt động học tập, đặc biệt là trong môi trường có sự hạn chế giao tiếp trực
tiếp giữa các đối tượng dạy và học (như ở các hệ đào tạo trực tuyến). Trong phạm vi
luận án, tri thức khoa học được dùng theo nghĩa tổng quát hơn với thuật ngữ nội dung
tri thức
6
.
Bên cạnh đó, bài toán phát triển nội dung dạy học đối với các ứng dụng e-Learning
thường gắn liền với các mô hình thiết kế dạy học để nhằm đảm bảo tính hiệu quả và
hấp dẫn người học. Tuy nhiên, những nghiên cứu trước đây trong lĩnh vực thiết kế dạy
học thường chỉ chú trọng đến việc xây dựng các chiến lược sư phạm sao cho hiệu quả
và qua đó, đo lường mức độ sử dụng các hoạt động sư phạm của người dạy để đánh
giá chất lượng dạy học, bất chấp ″nội dung của chủ đề đang dạy là gì″, ″ai đang dạy″

6

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].

7
Bài toán phát triển nội dung dạy học được nêu ở dạng tổng quát để áp dụng cho tất cả các hình thức dạy
học truyền thống lẫn trực tuyến. Tuy nhiên, phần này của luận án tập trung trình bày việc nghiên cứu ở nội dung
dạy học trực tuyến nhằm làm rõ mục đích của việc đề xuất mô hình.
24

Đối với bài toán phát triển nội dung dạy học, các thành phần như: học phần, bài
học và chủ đề học được gọi chung là đối tượng kiến thức (learning object) – viết tắt là
LO [57], mặc dù học phần và bài học thường chỉ bao gồm những thông tin mô tả.
Có nhiều định nghĩa về thuật ngữ learning object, nhưng tất cả đều dựa trên một ý
tưởng chung, xuất phát từ việc tiếp cận theo tính chất tái sử dụng của lập trình hướng
đối tượng
8
, đó là, ″tài nguyên giáo dục (số) có tính tái sử dụng″ (reusing digital
eductional resource) [103].

Hình 1.1. Mô hình tháp của nội dung dạy học (trích [46])

Tính tái sử dụng của LO được nhấn mạnh trong các nghiên cứu và phát triển hệ
học. Tuy nhiên, tái sử dụng cũng chỉ là một trong những tính chất của các chuẩn e-
Learning đưa ra để quá trình thiết kế nội dung cần nhắm đến [47][84].

8
LO: ″Tài nguyên số bất kì có thể được tái sử dụng để hỗ trợ học tập
″
[30][103]. Định nghĩa này vẫn còn
rất rộng và vì thế, đã xuất hiện nhiều định nghĩa về LO cụ thể hơn, có thể với những thuật ngữ hơi khác đi như:
knowledge object [63], instructional object [35], hoặc sharable content object [2].
25

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.