[논문]결정적 학습 경로를 위한 지식 구조 분석 시스템

이상훈; 문승진

doi:10.7472/jksii.2015.16.6.39

결정적 학습 경로를 위한 지식 구조 분석 시스템
Knowledge Structure Analysis System for Critical Learning Pathway 원문보기

Journal of Internet Computing and Services = 인터넷정보학회논문지, v.16 no.6, 2015년, pp.39 - 46

이상훈 (Department of Computer Science, Georgia State University) , 문승진 (Department of Computer Science, University of Suwon)

초록
AI-Helper

지식 공간 이론이란 학습자들이 대해 최대한의 학습 성취를 이끌어 낼 수 있도록 학습자들에 대한 가이드라인을 제공해주는 이론으로 여러 교육 환경에서 사용되어 왔다. 하지만 지식 공간 이론을 사용해왔던 많은 방법들이 주로 수작업을 통해 이루어져 왔고 이러한 작업을 지원하기 위해서 비주얼 베이직 혹은 R 등의 프로그램이 사용되어 왔지만 프로그램을 따로 배워야 하는 불편함과 시간적으로 낭비되는 등의 문제를 야기해 왔다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 지식 공간상에서 학습자들의 지식구조를 자동으로 분석하고 결정적 학습 경로를 제공하는 이른바 지식 구조 분석 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 아파치 웹상에서 구현되었고, 카이 제곱 값을 산출하여 결정적 학습 흐름도를 도출하도록 하였다. 제안된 방법은 사용자들이 웹에서 편리하게 학습자들의 지식 상태 분석할 수 있도록 환경을 제공하고 지식 구조의 체계적인 검토를 위한 방법을 제시해준다.

Abstract ▼ AI-Helper

Knowledge space theory is a theory that provides a guidelines for human learners' possible education decisions and has been used in various educational environment. However, traditional methodologies using the knowledge space theory have always depended on handwork system and it is necessary to learn programming language such as Visual Basic and R, causing time consuming situations. In order to overcome those issues on the environment of education we propose a new Knowledge Structure Analysis System that not just analyzes learners' knowledge structures automatically but to provide critical learning path for the learners based on knowledge space theory. Proposed system is implemented by using rApache generating critical learning path computing Chi-square value. This provides an automatic way of analyzing knowledge structure in learners' knowledge space and shows systematic reviews for the knowledge space.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 지식 공간 이론을 이용하기 위해서 직접 분석하는 어려움이나 R을 이용해서 하는 프로그래밍의 단점을 보완하기 위해서 웹에서 지식 공간 이론을 쉽게 사용할 수 있도록 지식 공간이론 웹 시스템을 설계하고 구현하였다. 논문에서 기여하는 부분은 크게 세 가지로 볼 수 있다.
본 논문에서는 지식 공간에서 학습자의 학습 상태를 자동으로 분석하기 위한 자동 지식 구조 분석 시스템을 설계 및 구현하였다. 제안된 시스템을 위해 Chi-square 의 값과 결정적 학습 경로를 찾기 위한 알고리즘을 제안했고, 시스템에서 출력된 값과 실제 계산해서 나온 결과 값을 비교하였다.

가설 설정

더 자세한 예를 들어보자. 하나의 지식 상태를 한 집합 이라고 하고 그 집합 안에 A와 B라는 문제가 있다고 가정해 보자. 여기서 A를 곱셈에 대한 유형의 문제라고 하고 B는 덧셈과 곱셈에 대한 유형의 문제라고 하고 학생은 두 문제를 풀 수 있다고 하자.

제안 방법

일단 응답 상태와 학습자의 수를 입력 받으면 초기 지식 상태를 설정하게 도는데 여기서 초기 지식의 상태를 설정 한다는 말은 입력 된 응답 결과를 집합으로 표현한 뒤 이를 지식 상태로 바꾼다는 말이다. 그 후 각 지식 상태에 대해서 학습자 수의 확률과 예상 되는 학습자 수의 확률을 계산한 뒤 마지막으로 Chi-square를 계산하게 되고, 모든 지식 상태를 계산한 뒤 총 Chi-square의 값을 합산해서 결과로 출력 하게 된다. 제안된 시스템은 이 모든 과정 역시 웹상에서 사용자가 볼 수 있도록 제공하게 된다.
이것은 프로그래밍 언어에 익숙하지 않은 사용자들이 학습자들에 대한 지식 공간을 분석을 용이하게 만들 수 있다는 의미를 가진다고 할 수 있다. 또한 제안된 시스템은 다른 도구들마다 제공하는 특징들을 추가했고, 결정적 학습 경로를 자동으로 제공함으로써 사용자들이 따로 학습 경로 분석을 하지 않아도 되는 장점을 가지고 있다. 다음 장에서는 제안된 시스템에서 제공하는 Chi-square의 값과 결정적 학습 경로의 값과 실제 전문인이 수작업으로 하는 결과와 비교해 보도록 한다.
이번 장에서는 2장에서 제시된 방법을 기반으로 구현된 시스템을 구체적으로 설명하고 다른 접근 방법들과 비교를 통해서 평가하도록 한다. 먼저 사용된 시스템에 대해서 설명하고 그 다음 다른 분석 방법들을 직관적으로 분석한 후 실제 학생들의 평가에 사용된 데이터를 사용해서 직접 계산된 방법과 제안된 시스템의 결과를 비교 평가하기로 한다.
최근에는 학습자들의 문제 해결 능력을 추정하기 위하여 [15] 혹은 공식 개념들의 정리를 위하여 [16] 지식 공간을 이용하기 위한 연구에 대한 관심도 높아지고 있다. 본 논문에서 구현한 시스템은 이러한 개념 정리 및 추론까지 가능한 지능형 웹 공간 지식 시스템을 위한 기초 단계로 향 후 새로운 이론 및 그에 따른 실험결과를 반영하여 사용자들이 쉽게 이용할 수 있는데 지능형 웹 시스템을 계획하고 있다.
본 논문에서 제안된 시스템은 Linux(Fedora) 운영체제를 기반으로 설계되고 구현되었다. 지식 공간을 위해 사용된 모든 코드들은 이 운영체제 상에서 실행되고 사용된 소프트웨어는 다음과 같다.
마지막으로 결정적 학습 경로에 포함되는 모든 집합을 출력하게 된다. 본 논문에서 제안된 시스템은 이러한 지식 상태에 대한 결정적 학습 경로를 Table 2의 알고리즘을 사용해 각 단계별 지식 상태를 트리 구조로 보여주게 된다.
본 논문에서는 Potter's 프로그램을 통계 프로그램인 R을 이용해서 웹에서 계산하도록 하였다.
실험을 위해서 6주간의 “미적분학” 수업을 통해 평가된 학생들의 결과를 가지고 두 명의 전문가들이 각각 계산을 하도록 했다.
이러한 지식 공간을 표현하기 위해 학습자의 지식 구조를 결정해야 하는데 본 논문에서는 학습자의 응답 결과는 지식 구조와 결정적 학습 경로를 결정하기 위해 분석하기로 한다. 즉 응답 상태는 학습자가 올바른 답을 선택한 질문들의 집합으로부터 유도되고, 유도된 응답 상태는 지식 공간에서 그 구조를 분석하기 위한 식별자로서 사용된다.
이번 장에서는 2장에서 제시된 방법을 기반으로 구현된 시스템을 구체적으로 설명하고 다른 접근 방법들과 비교를 통해서 평가하도록 한다. 먼저 사용된 시스템에 대해서 설명하고 그 다음 다른 분석 방법들을 직관적으로 분석한 후 실제 학생들의 평가에 사용된 데이터를 사용해서 직접 계산된 방법과 제안된 시스템의 결과를 비교 평가하기로 한다.
이번 장에서는 구현된 시스템과 실제 값을 비교하기 위해서 Chi-square 의 값과 결정적 학습 경로의 값을 각각 비교해 보도록 한다. 실험을 위해서 6주간의 “미적분학” 수업을 통해 평가된 학생들의 결과를 가지고 두 명의 전문가들이 각각 계산을 하도록 했다.
이때 Chi-square를 이용하여 그 차이를 계산하게 된다. 제안된 시스템에서는 이러한 초기 지식 응답의 입력 값을 기반으로 필요한 지식 구조를 계산하게 되고 이를 바탕으로 가정된 지식 구조를 도출하게 된다. 제안된 시스템은 두 가지의 가정된 지식 구조 방법을 제공한다.
제안된 시스템을 위해 Chi-square 의 값과 결정적 학습 경로를 찾기 위한 알고리즘을 제안했고, 시스템에서 출력된 값과 실제 계산해서 나온 결과 값을 비교하였다. 제안된 시스템은 기존 개개인이 계산하거나 프로그램을 이용해 계산해 왔던 부분을 웹으로 확장해서 구현된 시스템이다. 따라서 프로그램을 익숙하지 않은 사용자들이 쉽게 접근해서 그 결과를 확인할 수 있고 특히 학습 평가를 자동적으로 실행하고자 하는 곳에 많은 기여를 할 수 있다.
제안된 시스템에서는 이러한 초기 지식 응답의 입력 값을 기반으로 필요한 지식 구조를 계산하게 되고 이를 바탕으로 가정된 지식 구조를 도출하게 된다. 제안된 시스템은 두 가지의 가정된 지식 구조 방법을 제공한다.

데이터처리

본 논문에서는 지식 공간에서 학습자의 학습 상태를 자동으로 분석하기 위한 자동 지식 구조 분석 시스템을 설계 및 구현하였다. 제안된 시스템을 위해 Chi-square 의 값과 결정적 학습 경로를 찾기 위한 알고리즘을 제안했고, 시스템에서 출력된 값과 실제 계산해서 나온 결과 값을 비교하였다. 제안된 시스템은 기존 개개인이 계산하거나 프로그램을 이용해 계산해 왔던 부분을 웹으로 확장해서 구현된 시스템이다.

성능/효과

Data Analysis Method in Knowledge Space Theory (DAKS), Knowledge Space Theory (KST), Potter's program 등 기존 도구들과의 가장 큰 차이점은 제안된 시스템만이 웹에서 실행이 가능하다는 것이다.
각 질문은 “일차방정식”, “이차방정식”, “다항함수”, “대수학”, “확률”, “삼각함수유도법”, “삼각함수표현법” 등과 관련이 있고, 각 테스트 마다 가정된 응답 상태를 기준으로 A와 B로 구분하였고, 예상되는 Luck-guess 와 Careless-error들에 대한 확률은 10%로 제한하였다.
첫째, 구현된 웹 시스템은 프로그래밍에 어려움을 가지고 있는 사용자들이 지식 공간 이론을 사용하여 데이터를 분석하고 자 할 때 편리하게 언제 어디서든 접근 할 수 있다. 둘째, 구현된 웹 시스템은 기존 비주얼 베이직 등 다른 프로그램에서 실행해야 했던 Chi-squared 계산을 제공한다. 셋째, 구현된 웹 시스템은 학습 평가의 결과로 지식 구조 (Knowledge Structure)와 결정적 학습 경로(Cirtical Learning Path)을 보여 준다.
둘째, 구현된 웹 시스템은 기존 비주얼 베이직 등 다른 프로그램에서 실행해야 했던 Chi-squared 계산을 제공한다. 셋째, 구현된 웹 시스템은 학습 평가의 결과로 지식 구조 (Knowledge Structure)와 결정적 학습 경로(Cirtical Learning Path)을 보여 준다.
논문에서 기여하는 부분은 크게 세 가지로 볼 수 있다. 첫째, 구현된 웹 시스템은 프로그래밍에 어려움을 가지고 있는 사용자들이 지식 공간 이론을 사용하여 데이터를 분석하고 자 할 때 편리하게 언제 어디서든 접근 할 수 있다. 둘째, 구현된 웹 시스템은 기존 비주얼 베이직 등 다른 프로그램에서 실행해야 했던 Chi-squared 계산을 제공한다.
Test1-B 의 경우에는 테스트 결과 값으로 나온 소수점 6번째 자리에서 반올림하였고, 나머지 테스트의 경우 소수점 7번째 자리에서 반올림하였다. 테스트 결과 모두 실제 계산해서 나온 값과 일치함을 볼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지식 공간 이론은 최근 어떻게 이용되었는가?	최근에는 학습자의 평과 결과에서 임의의 학생으로부터 나오는 피드백에 대한 오류를 보완하기 위해 학습자의 적합성을 판단하는데 지식 공간 이론이 이용되었고[2], 또한 학습자에 대한 지식 경로를 평가하기 위해 지식 공간의 특정한 영역에서 동적으로 평가 가능한 평가시스템을 위해 지식 공간이론이 이용되기도 하였다 [3].
	지식 공간 이론은 어떤 이론인가?	지식 공간 이론이란 학습자들이 대해 최대한의 학습 성취를 이끌어 낼 수 있도록 학습자들에 대한 가이드라인을 제공해주는 이론으로 여러 교육 환경에서 사용되어 왔다. 하지만 지식 공간 이론을 사용해왔던 많은 방법들이 주로 수작업을 통해 이루어져 왔고 이러한 작업을 지원하기 위해서 비주얼 베이직 혹은 R 등의 프로그램이 사용되어 왔지만 프로그램을 따로 배워야 하는 불편함과 시간적으로 낭비되는 등의 문제를 야기해 왔다.
	통계 프로그래밍 언어인 R은 어떤 문제를 해결했는가?	일반적으로 이러한 지식 공간 이론을 사용해 왔던 연구들은 주로 학습 평가 결과를 직접 작성하고 분석해 왔기 때문에 시간적으로 비효율적 이었고, 예기치 않은 실수로 인한 오류를 범하기 쉬운 상태에 놓이기 쉬웠다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 통계 프로그래밍 언어인 R [4]을 이용해서 용이하게 이러한 문제들을 해결해 왔다.

참고문헌 (16)

Doignon, J.-P.; Falmagne, J.-Cl., "Spaces for the assessment of knowledge", International Journal of Man-Machine Studies, vol. 23, no. 2, pp. 175-196, 1985. http://dx.doi.org/10.1016/S0020-7373(85)80031-6

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Sitthisak, Onjira, Lester Gilbert, and Dietrich Albert. "Adaptive Learning Using an Integration of Competence Model with Knowledge Space Theory." In Advanced Applied Informatics (IIAIAAI), 2013 IIAI International Conference on, pp. 199-202. IEEE, 2013. http://dx.doi.org/10.1109/IIAI-AAI.2013.15
Chen, Yang. "Adaptive Non-graded Assessment Based on Knowledge Space Theory." In ICALT, pp. 63-64. 2013. http://dx.doi.org/10.1109/ICALT.2013.24
R project Available in: http://www.r-project.org/
A Unlu and S. Anatol, "DAKS: An R Package for Data Analysis Methods in Knowledge Space Theory." Journal of Statistical Software, vol. 37, no. 2, pp. 1-31, 2010.
Meyer D and Hornik K, "Generalized and Customizable Sets in R", Journal of Statistical Software, vol. 31, no. 2, pp. 1-27, 2009.
Hornik K and Meyer D, "relations: Data Structures and Algorithms for Relations. R package version 0.5-8, http://CRAN.R-project.org/package-relations.
Gentry J, Long L, Gentleman R, Falcon S, Hahne F, Sarkar D, Hansen K, "Rgraphviz:How To Plot A Graph Using Rgraphviz," R package version 1.26.0. http://www.bioconductor.org/packages/release/bioc/html/Rgraphviz.html.
S. Christina, "Knowledge Space Theory", 2011. http://cran.r-project.org/web/packages/kst/vignettes/kst.pdf
Project rApache, Available in: http://rapache.net.
J.-P. Doignon and J.-C. Falmagne,"Knowledge Spaces," Springer Verlag, Heidelberg, 1999.
J. Alsup andH. Stillson, "Smart ALEKS ... or not? Teaching Basic Algebra using an online interactive learning system," Mathematics and Computer Education, vol. 37 no. 3, pp. 329-336, 2003.

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M. Villano, "Probabilistic student models: Bayesian belief networks and knowledge space theory," In Proceedings of the 2nd International Conference on Intelligent Tutoring Systems. Heidelberg, 1992, pp. 491-498. http://dx.doi.org/10.1007/3-540-55606-0_58
D2.1 Specification of ECAAD Methodology V1, 2011. http://next-tell.eu/project/overview
P. Reimann, M. Kickmeier-Rust, and D. Albert, "Problem solving learning environments and assessment: A knowledge space theory approach,"Computers & Education vol. 64, pp. 183-193, 2013. http://dx.doi.org/10.1016/j.compedu.2012.11.024

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A. Spoto, L. Stefanutti, and G. Vidotto, "Knowledge space theory, formal concept analysis, and computerized psychological assessment," Behavior research methods, vol. 42, no. 1, pp. 342-350, 2010. http://dx.doi.org/10.3758/BRM.42.1.342

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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