Sviluppo software di un sistema per la web-based learning: gestione della personalizzazione e dell’adattatività in base alle conoscenze possedute ed acquisite dal discente

18 dicembre 2008  [TESI DI LAUREA IN LINGUAGGI PER IL WEB] 
 
Ingegneria Informatica Università “La Sapienza” – Roma –  Polo di Latina   4
 
appartenere a tale dimensione. La prima parte del progetto è nata dopo un’accurata analisi del sistema, 
che non soddisfaceva nessuna  delle seguenti qualità interne ed esterne: 
Qualità interne: 
• Riusabilità: è la capacità del programma di essere riutilizzato, in tutto o nella sua interezza, per 
ulteriori applicazioni. Una buona riusabilità dei programmi consente di beneficiare degli sforzi 
già compiuti per svilupparli, permettendo di concentrarsi su aspetti più innovativi; 
• Modularità: strutturazione del programma in moduli indipendenti e cooperanti; 
• Estendibilità: adattabilità a successive modifiche dei requisiti; 
• Leggibilità: chiarezza di esposizione del funzionamento del programma; 
• Portabilità: facilità di trasferimento in ambiti diversi da quelli previsti. Si riferisce alla possibilità 
di utilizzare il software in ambienti hardware e software diversi da quelli per i quali è stato 
sviluppato; 
• Completezza ed efficacia della documentazione: chiarezza dei documenti di sviluppo e 
progetto che si accompagnano al programma codificato; 
Qualità esterne: 
• Robustezza: capacità del programma di operare anche in condizioni non previste in fase di 
progettazione; 
• Usabilità: semplicità di interazione con l’utente finale; 
 
un’architettura che facilita il rispetto delle caratteristiche sopra elencate è conosciuta come 
P.A.C. (Presentation-Abstraction-Control)[4]. Adottando questa metodologia siamo riusciti ad 
implementare un software con un codice ben  strutturato,  predisposto all’aggiunta di funzionalità 
innovative con il minimo sforzo. Al fine di rafforzare ulteriormente l’infrastruttura del sistema, è stato 
affiancato al Pattern P.A.C. un framework software sperimentale per lo sviluppo di siti web dinamici 
scritti in PHP, che intende rendere il più semplice possibile l’implementazione e la manutenzione di 
grosse applicazioni web-based.  
Gli aspetti teorici ed implementativi del framework software vengono descritti nel terzo 
capitolo, che si conclude con un tutorial utile a tutti gli sviluppatori che intendono utilizzarlo nei propri 
progetti. Dopo l’ingegnerizzazione del sistema sono state aggiunte delle nuove funzionalità. Il sistema 
di e-learnig preesistente permetteva al docente di configurare un corso da impartire, il cui materiale 
didattico veniva mostrato allo studente in base al suo learning style. Lo stile di apprendimento 
assegnato al discente rimaneva inalterato per tutta la durata del corso e questo non è sempre corretto, 
perché per sua natura il learning style è un indicatore non necessariamente stabile nel tempo ed inoltre, 
essendo valutato con un test, approfondito ma necessariamente limitato, anche la sua determinazione 
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iniziale potrebbe non essere corretta. In questo caso il discente visualizzerebbe del materiale didattico 
inadeguato al suo stile di apprendimento. Inoltre lo studente durante la fruizione del corso acquisisce 
delle conoscenze che possono cambiare continuamente. Il sistema preesistente non permetteva la 
personalizzazione del corso in base alle conoscenze acquisite dal discente.  
Si è allora pensato a come offrire al docente  possibilità di: 
• personalizzare i corsi erogati in base alle conoscenze iniziali e intermedie degli studenti, che 
acquisiscono durante il percorso formativo; 
• adattare automaticamente i contenuti dei corsi in base ai learning style dello studente, che a 
differenza del vecchio sistema, vengono modificati in base all’esito dei questionari compilati 
durante l’apprendimento.  
 
Le due problematiche e le rispettive soluzioni verranno trattate nel primo paragrafo del secondo 
capitolo, intitolato “il problema della configurazione dei corsi”. 
 
 
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1  L’E-Learning 
 
Per e-learning si intende la possibilità di apprendere sfruttando la rete internet e la diffusione di  
informazioni a distanza. L'e-learning non è limitato alla formazione scolastica, ma è rivolto anche: alla  
formazione aziendale(specialmente per le organizzazioni con una pluralità di sedi), all’insegnamento per 
adulti(VM 18) e quello ”on-demand”/”just in time”, cioè livelli di istruzione cui è possibile accedere 
attraverso la rete, non necessariamente in modo informale e non qualificante, per colmare piccole 
lacune su aree circoscritte “sul momento”. 
Tutti i sistemi di e-learning devono prevedere i seguenti elementi essenziali [10,11]: 
ƒ l’utilizzo della connessione in rete per la fruizione dei materiali didattici e lo sviluppo di attività 
formative basate su una tecnologia specifica, detta "piattaforma tecnologica" (Learning 
Management System, LMS); 
ƒ l’impiego del personal computer (eventualmente integrato da altre interfacce e dispositivi) come 
strumento principale per la partecipazione al percorso di apprendimento; 
ƒ un alto grado di indipendenza del percorso didattico da vincoli di presenza fisica o di orario 
specifico; 
ƒ il monitoraggio continuo del livello di apprendimento, sia attraverso il tracciamento del 
percorso che attraverso frequenti momenti di valutazione e autovalutazione; 
ƒ la valorizzazione di: 
- multimedialità (effettiva integrazione tra diversi media per favorire una migliore  
comprensione dei contenuti); 
- interattività con i materiali (per favorire percorsi di studio personalizzati e di ottimizzare 
l'apprendimento); 
- interazione umana (con i docenti/tutor e con gli altri studenti - per favorire, tramite le 
tecnologie di comunicazione in rete, la creazione di contesti collettivi di apprendimento). 
 
Molto spesso, per lo più erroneamente, l 'e-learning viene identificato con qualsiasi tipo di 
formazione erogata tramite l'utilizzo di tecnologie informatiche, formazione che è comunemente 
conosciuta come FAD (Formazione a distanza) e che spazia dalla fruizione di corsi per corrispondenza 
su materiale cartaceo (prima generazione), all'utilizzo di tecnologie audiovisive(seconda generazione), 
fino alle più recenti strutture di teleconferenza satellitare. In realtà la componente Internet e/o web e la 
presenza di una tecnologia specifica come l'LMS distingue l'e-learning da altre versioni di formazione a 
distanza. L'e-learning rappresenta la terza generazione (o evoluzione) della formazione a distanza. 
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Non solo, nell'e-learning prendono parte al processo formativo una serie di figure e di servizi 
che sono la spina dorsale della metodologia didattica: il tutor e la comunità di pratica, che permettano 
un reale e fattivo processo di apprendimento: spesso soprattutto per quanto riguarda la formazione 
aziendale questa componente viene sacrificata. 
L'e-learning può inserirsi in processi formativi definiti "misti" (o blended learning) in cui la 
componente online si affianca alla formazione di stampo tradizionale (interventi in aula, supporto 
telefonico, workshop, seminari ecc.). Recentemente è stato utilizzato anche il termine web learning [11], 
che accentua l'aspetto "reticolare" dell'apprendimento, piuttosto che quello, ormai scontato, della 
componente "elettronica" o "virtuale". L'e-learning sfrutta le potenzialità rese disponibili da Internet 
per fornire formazione sincrona e/o asincrona agli utenti, che possono accedere ai contenuti dei corsi 
in qualsiasi momento e in ogni luogo in cui esista una connessione online. Questa caratteristica, unita 
alla tipologia di progettazione dei materiali didattici, portano a definire alcune forme di e-learning come 
"soluzioni di insegnamento  centrato sullo studente". Un componente base dell'e-Learning è la 
piattaforma tecnologica (Learning Management Systemo LMS) che gestisce la distribuzione e la 
fruizione della formazione.  
Si tratta infatti di un sistema  gestionale che eventualmente integrando anche aspetti di standard 
per l’e-learning, quale ad esempio lo SCORM, permette di tracciare la frequenza ai corsi e le attività  
formative dell'utente (accesso ai contenuti, tempo di fruizione, risultati dei momenti valutativi,...).  
Tutte le informazioni sui corsi e gli utenti restano indicizzate nel database della piattaforma. 
Siccome LMS è un applicazione web-based l'utente può accedere alla propria offerta formativa 
effettivamente da qualsiasi computer collegato a Internet, generalmente senza la necessità di scaricare 
software ad hoc dal lato del client, e a volte perfino senza necessariamente consentire attraverso il 
proprio browser il deposito e la memorizzazione di cookies. L'utente è insomma in questo caso 
totalmente delocalizzato e in virtù di ciò più semplice risulta il suo accesso al proprio percorso 
formativo modellizzato sul server,  anywhere/anytime, da qualsiasi luogo in qualsiasi momento. 
Alcuni sistemi e applicazioni per la didattica via web prevedono la gestione di una classe virtuale  
(o ambiente collaborativo). Questa è una metodologia didattica che permette (soprattutto in modo 
sincrono) di trasferire sul web attività interattive e sociali che solitamente vengono svolte in classe: si 
tratta infatti di strumenti che favoriscono la comunicazione immediata tramite  chat, lavagne condivise 
(interactive whiteboards) e videoconferenza e così via. I software di ambiente collaborativo possono 
gestire anche l'apprendimento asincrono (che non necessita la presenza degli utenti nello stesso 
momento): forum di discussione, document repository, accesso ai materiali didattici o a materiali di 
supporto. 
 
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2  L’architettura funzionale 
 
Lo scopo del sistema è di offrire: all’insegnante un servizio che permetta di configurare un corso 
da impartire, in modo che si adatti agli stili di apprendimento e alle conoscenze possedute ed acquisite 
dal discente; allo studente un corso plasmato sulle sue conoscenze e sul suo modo di apprendere. Gli 
aspetti chiave sono: la definizione dell’insegnamento, la gestione del materiale didattico, la generazione 
e l’autocorrezione dei test, la creazione e personalizzazione dei corsi. Il professore definisce gli obiettivi 
dell’insegnamento e tramite il sistema può curare il materiale  didattico. Per gli studenti che si iscrivono 
ad una materia viene data la possibilità di effettuare un test iniziale con il quale vengono individuate le 
conoscenze possedute. Il professore, a questo punto, potrà visualizzare tali conoscenze e configurare 
un corso personalizzato. I corsi consistono in lezioni strutturate in più pagine Web, contenenti 
materiale didattico, e in test. Questi ultimi servono a individuare il metodo di apprendimento e a 
tracciare le conoscenze acquisite dello studente, in modo da poter riconfigurare il corso. 
 
2.1   La configurazione dei corsi 
Lo scopo principale in questa sezione è quello di presentare gli aspetti funzionali della 
configurazione e adattamento di un corso. I punti salienti sono:  
- definire le componenti didattiche o learning components che compongono ciascun corso 
personalizzato; 
- definire quali sono gli elementi delle componenti didattiche che consentono la 
personalizzazione del corso in base agli stili di apprendimento o learning style del discente; 
- definire il problema della configurazione dei corsi, che è la costruzione di un corso 
personalizzata sulle conoscenze e preferenze del discente; 
 
2.1.1 Componenti didattiche 
 
Il materiale didattico messo a disposizione dello studente è costituito da componenti didattiche, 
memorizzate in documenti XML con una precisa struttura. Una componente didattica o learning 
component (LC) è l’elemento base di un corso individuale. Contiene le informazioni che specificano 
quali sono le conoscenze necessarie per studiare gli argomenti della componente (Required Knowledge, 
RK) e le conoscenze che si acquisiranno con lo studio della componente didattica in esame (Aquired 
Knowledge, AK). Altre informazioni sono: l’index e l’effort. Il primo è una sorta di titolo che permette di 
denominare in breve la singola componente, mentre l’effort è una misura(abbastanza informale) dello 
sforzo necessario allo studio e comprensione della componente. 
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La parte web ne specifica il contenuto in termini di materiale didattico impartito tramite le lezioni 
del corso personalizzato. Inoltre, contiene una parte in cui possono essere specificate le domande 
riguardanti gli argomenti spiegati nel materiale didattico (web). Queste ultime verranno proposte allo 
studente durante le fasi dei test connesse alla fruizione del corso. Ogni componente didattica è legata 
alle altre mediante le conoscenze richieste per la comprensione degli argomenti trattai e quelle acquisite 
con lo studio, pertanto risulta fondamentale la scelta delle RK e delle AK, che sono insiemi di Knowledge 
Items (KI). 
I KI sono le parole chiave che rappresentano i singoli concetti spiegati o richiesti per la 
fruizione di una componente didattica. Altri due insiemi di Knowledge Items che rivestono importanza 
fondamentale nel sistema complessivo di configurazione dei corsi sono la Target Knowledge e la Starting 
Knowledge. La Target Knowledge (TK) è un insieme di Knowledge Items che rappresenta una descrizione 
della conoscenza che il discente dovrebbe possedere al termine di un corso. 
In pratica le TK sono le conoscenze “di arrivo” da qui il termine “target” che letteralmente significa 
“obiettivo”. La Starting Knowledge (SK) indica l’insieme di KI che denota la conoscenza già posseduta dal 
discente.Le SK si contrappongono alle TK perché rappresentano le conoscenze “di partenza” da qui il 
termine “starting”. Durante la fruizione di un corso le conoscenze del discente possono aumentare, 
quindi le SK rappresentano solo lo stato iniziale di quello che verrà definito come stato cognitivo dello 
studente (definito nel dettaglio nel paragrafo 2.1.2) 
Le componenti didattiche comprendono anche elementi che consentono la personalizzazione 
del corso in base agli stili di apprendimento dello studente (verrà discusso nel prossimo paragrafo di 
questa sezione). Il materiale didattico viene erogato in funzione di questi ultimi, facendo visualizzare al 
discente le parti della componente didattica che sono state create appositamente per lui, nella maniera 
più adatta. 
2.1.2  Stili di apprendimento nelle componenti didattiche 
Lo stile d'apprendimento o learning style (LS) di un discente è un'indicazione, più o meno 
stabile nel tempo, di come il discente reagisce o interagisce con l'ambiente di apprendimento e 
percepisce le informazioni disponibili nei contenuti didattici. La gestione dei LS è inclusa nel sistema 
per la configurazione di  un corso adottando il modello di Felder-Silverman [1,2,3]. Questo modello 
prevede quattro dimensioni  per dare una misura dei sensi del discente: 
5. Comprensione: 
c) Global, coloro che amano fare grandi salti di contenuti, ed avere sempre chiaro il task da 
raggiungere. 
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d) Sequential, lineari e sequenziali, amano l’ordine logico di presentazione dei contenuti 
didattici. 
6. Processazione: 
c) Active, prediligono la sperimentazione pratica e il lavoro di gruppo. 
d) Reflective, molto riflessivi e solitari nello studio, amano i sommari e le continue revisioni 
dei concetti appena studiati. 
7. Percezione: 
c) Sensing, preferiscono analizzare prima gli esercizi svolti e poi la teoria su cui si basano. 
d) Intuitive, sono soliti studiare la teoria e poi analizzare gli eventuali esempi. 
8. Input: 
c) Visual, moto schematici ed evidenziano i concetti chiave, molto concettuali anche nei 
contenuti; 
d) Verbal discorsivi, prediligono la lettura e le esposizioni orali. 
Nel sistema  il LS è una tupla <(cat
1
, val
1
), (cat
2
, val
2
) (cat
3
, val
3
), (cat
4
, val
4
)> dove cat
i
 (i=1,..,4) è una 
delle attitudini definite precedentemente, e val
i
 (i=1,..,4) è il valore associato a cat
i 
(un numero reale 
compreso tra [0..11]). Il materiale didattico (come accennato nel paragrafo precedente) è presentato in 
quattro diverse versioni, per rappresentare le dimensioni di percezione e input. Ora possiamo 
completare la descrizione di una componente didattica nel nostro sistema: in Tab.1 viene mostrata la 
struttura dati XML che rappresenta un LC.  
Gli insiemi di AK e di RK sono visibili; l'elemento index è il titolo della componente didattica; 
l’effort è una misura informale dello sforzo necessario allo studio e comprensione della componente; gli 
elementi web sono quattro, ciascuno contiene il materiale didattico relativo ad  una versione del 
Learning Style. In particolare sono stati assegnati dei pesi (attributi degli elementi web, chiamati 
vis/ver/sen/int) per precisare come il materiale si concili con le dimensioni del learning style. Tali pesi 
sono usati per determinare la versione da rendere visibile al discente (che è più vicina al suo LS). Inoltre 
sono usati per determinare come il LS del discente dovrebbe essere modificato in base ai risultati dei 
test. 
 A tale riguardo adottiamo le seguenti considerazioni sperimentali:  
1. risultati del test possono dipendere dall'efficacia del materiale didattico che è stato presentato; 
2. Sbagliare una domanda del test potrebbe indicare che il materiale didattico era inadeguato, 
significando che è stato selezionato in base ad una inappropriata valutazione del LS; 
quindi l’attuale valutazione del LS può essere indebolita, diminuendo il valore dei pesi; invece 
rispondere correttamente ad una domanda del test potrebbe indicare l’adeguatezza del materiale 
didattico, che è stato scelto in base ad una valutazione corretta dell’attuale LS ed in questo caso 
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possiamo rafforzarla aumentando il valore dei relativi pesi. I prossimi quattro elementi della 
componente didattica contengono le annotazioni riguardanti le quattro attitudini rimanenti nelle 
dimensioni di comprensione (global/sequential) e processazione (active/reflective). 
  Infine, un LC può contenere una sequenza di domande: ogni domanda può essere di uno dei 
quattro tipi (truth- con risposta vero / falso, multi - con risposta a scelta multipla, light-completion – dove 
una frase deve essere completata selezionando una delle le risposte predefinite, completion - come la 
precedente ma con risposte di tipo aperto). Ogni domanda può avere un elemento <word> contenente 
i ki che si suppongono essere acquisiti avendo risposto correttamente. 
<?xml version="1.0"?> 
<component id="id2"> 
  <rk> file.binari</rk> 
  <ak> file.binari.lettura.fread file.binari.scrittura.fwrite</ak> 
  <index>Binary File Input/Output</index> 
  <effort>20</effort> 
  <web int="3" vis="7"> content ...</web> 
  <web2 int="3" ver="3"> content ...</web2> 
  <web3 sen="6" vis="7"> content ...</web3> 
  <web4 sen="5" ver="7"> content ...</web4> 
  <active> comments and suggestions for an active-oriented learner 
</active> 
  <reflective> ... for a reflective-oriented ... </reflective> 
  <sequential> notes about the component material, dedicated to a 
sequential learner </sequential> 
  <global> notes about the component material, supposed to be read 
before of a lesson by a global learner </global> 
  <question type="..." qid="question id"> ... question data ... 
<word>assessed kitem</word></question> 
</component> 
Tab.1 Rappresentazione dei dati di una componente didattica  
 
2.1.2   Il problema della configurazione dei corsi 
 
Il sistema consente agli insegnanti di definire i corsi, in cui gli studenti possono iscriversi e avere 
il loro percorso di studio configurato in base allo stile di apprendimento e alle conoscenze che 
acquisiranno studiando il materiale didattico. Queste due caratteristiche del discente vengono modellate 
nello Student Model (SM) o modello dello studente. 
Lo SM  è composto dal Cognitive State (CS) o Stato cognitivo e dalla misura dei Learning 
Styles (LS) del discente. L’adattamento del corso si basa sulla conoscenza degli elementi della SM. 
Il CS è l'insieme di KI posseduti dallo studente, e un primo tipo di adattamento si svolge costruendo il 
corso basandosi sul CS iniziale, costituito dagli Starting Knowledge, ovvero le conoscenze di partenza. 
Successivamente, quando un corso è configurato, può essere fruito via web browser: il discente 
accedendo al sistema può visualizzare le componenti didattiche del corso, suddivise in lezioni 
opportunamente dimensionate.  
E’ qui’ che si mette in azione l’adattamento:  il materiale didattico di un LC è presentato 
basandosi sugli stili di apprendimento del discente, selezionando quello più adatto, che viene 
“decorato”  dal LC. Il CS e i LS possono cambiare durante la personalizzazione del corso, e lo student 
model può essere aggiornato di conseguenza.  
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Lo student model viene aggiornato sulla base dei questionari disponibili ad ogni fine lezione (costruiti 
automaticamente selezionando le domande più importanti del LC): il CS può crescere quando le 
risposte al test mostrano che alcuni ki sono ora posseduti dal discente; Il LS può variare in base a come 
lo studente ha risposto alle domande presentate per quella versione del contenuto didattico, e quale 
effetto tale materiale didattico ha prodotto.  
Una possibile risposta all’aggiornamento del CS è la ri-configurazione (ri-pianificazione) del 
corso: abbiamo lasciato questa funzione disponibile, ma non automatica, nel sistema. D'altro canto, 
l’aggiornamento dei LS ha conseguenze immediate sul corso, in quanto le componenti didattiche 
verranno visualizzate secondo la versione aggiornata dei LS. Ora vediamo esempi di sessioni utente,  il 
modo in cui lo SM viene aggiornato e il corso viene adattato.  
Lo schema funzionale è raffigurato nella Fig. 1. 
Lo Student Model viene inizializzato: 
1) il CS tramite un questionario iniziale, dove vengono individuati gli Starting Knowledgle del 
discente; 
2) il LS dai risultati del questionario di Felder-Soloman, disponibile on-line all'indirizzo 
http://www.engr.ncsu.edu/learningstyles/ilsweb.html; 
 
  L'insegnante è in grado di gestire le componenti didattiche di un corso ( modifica / creazione / 
importazione) e le operazioni di configurazione. La Fig. 2 mostra la finestra di configurazione 
visualizzata dal docente: la zona superiore contiene la definizione del CS iniziale, ovvero gli Starting 
Knowledge; la zona inferiore contiene i Target Knowledge del corso. Entrambi possono essere 
maneggiati dall’insegnante. L’avvio del processo di configurazione potrebbe avvenire automaticamente, 
ma abbiamo deciso di farlo avviare al volere del docente (premendo il tasto  di “configurazione” 
presente nell’interfaccia), in modo che possa prima modificare gli starting e target knowledge, e definire 
un valore medio dell’ effort per ciascuna lezione (l’effort per una lezione è la somma degli effort di ogni 
componente didattica che fa parte della lezione). 
  Dopo la configurazione il corso diventa disponibile per il discente, che può seguire le varie 
lezioni di cui è composto. Alla conclusione di ogni lezione lo studente può svolgere un questionario 
(costruito selezionando casualmente domande estrapolate dalle componenti didattiche relative alla 
lezione).  
  Nella Fig.3 viene mostrato cosa viene fatto visualizzare allo studente: il discente vede la lista dei 
learning components contenuti nella lezione e (se lo studente è di tipo global) verranno visualizzati 
eventuali consigli per aiutarlo ad orientarsi nella lezione. 
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Fig. 1.  Schema funzionale del sistema. 
 
Fig. 2.  Schermata di creazione automatica del corso. 
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Fig. 3.  Visualizzazione della lezione per uno studente di tipo global. 
 
  Quando lo studente seleziona una componente didattica di una lezione, gli viene fatta 
visualizzare la versione adatta dei contenuti ed eventuali annotazioni relative alle sue attitudini active o 
reflective; Infine se il discente ha un attitudine di tipo sequential gli verrà mostrata un ulteriore 
annotazione (vedi Fig.3 lato sinistro). 
  Dopo aver svolto il test specifico della lezione, i risultati vengono indicati come in figura (lato 
destro): per ogni domanda se la risposta non è corretta o è stata omessa, viene mostrato un 
collegamento (libro aperto) che permette la visualizzazione della componente didattica da cui è stata 
estratta la domanda. Viene anche mostrato anche un secondo collegamento (libro aperto nella colonna 
adiacente) che permette invece la visualizzazione della stessa LC ma con una versione del materiale 
didattico alternativa. Tale versione alternativa è definita come la seconda versione più vicina al LS del 
discente attuale, calcolata come distanza euclidea. Inoltre per ogni domanda se la risposta è corretta, 
viene aggiornato il CS aggiungendo il KI che si suppone aver acquisito, avendo risposto correttamente. 
 
Fig. 4.  Lato sinistro: visualizzazione del LC: viene indicata la versione dei contenuti(Intutitive-visual version) e vengono 
mostrati eventuali consigli per lo studente che ha attitudini di tipo active e sequential. Lato destro: mostra i risultati di un 
questionario.