German Research Center for Artificial Intelligence (DFKI GmbH) Saarbrücken, Germany Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz Kursgenerator.

Präsentation zum Thema: "German Research Center for Artificial Intelligence (DFKI GmbH) Saarbrücken, Germany Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz Kursgenerator."—  Präsentation transkript:

1 German Research Center for Artificial Intelligence (DFKI GmbH) Saarbrücken, Germany Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz Kursgenerator für E-Learning Systeme als Web- Service (KELWICE) Diplomarbeit an HTW Saarland bei DFKI Tianxiang Lu

2 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICEMotivation Großer Markt für E-Learning Wichtige Rolle des Kursgenerators Probleme: –Geschlossen Inhalte Standards für Austausch der Lerninhalte Funktionalitäten ? –Implementierung der Funktionalitäten ist teuer Lösung: Bestehende Funktionalitäten von E-Learning Systemen als Web-Service anbieten

3 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICEÜberblick Grundlagen Anforderungen Design Implementierung Anwendungen Zusammenfassung und Ausblick Literatur

4 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICEGrundlagen E-Learning Systeme E-Learning Standards Service-orientierte Architektur

5 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Grundlagen – E-Learning Systeme Web-basierte E-Learning Systeme –Inhaltanbieter (Content Provider, CMS) –Learning Management Systeme (LMS) –Adaptierbar vs. adaptiv Repositories und Mediator-Architektur –Metadaten, Ontologien, Ontologien-Mapping Lernermodelle –Overlay Model, temporäre LM.

6 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Grundlagen – E-Learning Systeme Kursgenerator

7 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Grundlagen – E-Learning Systeme Probleme: –Einbinden eines fremden Repositorys erfordert Erweiterung des Mediator-Quelltexts Neustarten des Servers –Kursgenerator ist bisher nur innerhalb des Activemath Servers verfügbar –Generierter Kurs ist proprietäres JDOM Dokument

8 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Grundlagen: E-Learning Standards IEEE LTSC –LOM IMS Global Learning Consortium Specifications –IMS ContentPackaging ADL SCORM –SCORM 2004

9 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Grundlagen: E-Learning Standards IMS-Manifest (SCORM Manifest)

10 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Grundlagen: Serviceorientierte Architektur (SOA) Middleware –RPC basierte Systeme –Andere wie TP Monitor... (nicht relevant) –Problem: Schwer zu implementieren; Kein Platz dafür in Web-Umgebung Verschiedenen Middleware Firewall – Probleme Lösung?

11 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE SOA: Web Service

12 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Anforderungen an KELWICE Fragebogen Lastenheft

13 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Anforderungen an KELWICE Fragebogen –Zeitraum: 1.April.2006 – 10. Mai. 2006 –Zielgruppe: Entwickler (primär) Autoren (sekundär) –Mailinglist: Adaptive Hypertext and Hypermedia International Forum of Educational Technology & Society Internal Mailinglist of the European Network of Excellence Kaleidoscope

14 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Anforderung an KELWICE –Inhalt des Fragebogens (Überblick) Allgemeine Interessen mögliche Lernziele Metadaten des Lerninhalts Lernermodellierung Format des Rückgabewertes des generiertes Kurses Zusätzliche Information

15 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Anforderung an KELWICE Auswertung des Fragebogens (Beispiel) –Frage: Would a course generator be of use for you?

16 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Anforderung an KELWICE Lastenheft (Services) –/WS10/ Generierung: kompletter Kurs –/WS20/ Generierung: einzelne LO –/WS30/ Überblick über pädagogischen Lernziele –/WS40/ Überblick über Metadaten –/WS70/ Übersetzung zwischen verschiedenen Format (z.B. JDOM SCORM) –/WS80/ WS für Registrierung eines neuen Repositorys

17 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICEDesign Schnittstellen zwischen Client (LMS) und Server (KELWICE) Architektur der Komponenten innerhalb des Servers

18 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Design - Schnittstellen KELWICE Schnittstellen –Kernschnittstelle von KELWICE getTaskDefinition() /WS30/ –OUT: XML Stream von Definitionen aller Tasks generateCourse() /WS10/, /WS20/ und /WS70/ –IN: task (pädagogisches, inhaltliches Lernziel), userId/LearnerKnowledgeMap –OUT: Kurs in IMS-CP-(SCORM)-Manifest –Schnittstelle: RepositoryRegistration getMetadataOntology() /WS40/ –OUT: Ontologie Instructional Objects (OIO) registerRepository() /WS80/ –IN: WS-URL (Id), name, testId, –OUT: (IN-Robust) OK/Error unregisterRepository() /WS80/ –IN: Id (WS-URL)

19 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Design - Schnittstellen Client Schnittstellen –Repository: ContentAPI (gefordert vom Mediator) queryClass() –IN: contentId0 –OUT: Typ (Klasse) queryRelation() –IN: contentId0, relation –OUT: Liste von contentId (die contentId0 als Relation besitzt) queryProperty() –IN: contentId0, property –OUT: value –Learner Model: LearnerPropertyAPI queryLearner() –IN: learnerId –OUT: property, value Map

20 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Design - Schnittstellen Interaktion zwischen Client und KELWICE –Registrierung eines Repositorys –Kursgenerierung mit Lernermodell –Kursgenerierung ohne Lernermodell

21 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Registrierung eines Repositorys an KELWICE

22 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Kursgenerierung mit Lernermodell

23 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Design: Komponenten von KELWICE ServiceController LearnerModelAPI RepositoryRegistrationAPI CourseGeneratorServiceAPI

24 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Design - ServiceController Komponenten –CourseGeneratorWebServiceAPI –Preprocessor –Translator Funktionalitäten –Kursgenerierung mit Lernermodell –Kursgenerierung ohne Lernermodell

25 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Intern: Kursgenerierung mit Lernermodell

26 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE LearnerModelAPI: Kursgenerierung mit temporärem Lernermodell

27 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Design – Erweiterung für Mediator Web-Service Wrapper RepositoryManagement (RM) RM Client

28 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE KELWICE: Implementierung Grundlegende Technologien –Objekt-Modelle (OM) und Parser –Web Applikation Tools für Web-Services –Apache Axis vs. Axis2 Erstellen von KELWICE mit Hilfe des Werkzeugs Axis2 –Java API XML-RPC Web Service Standard-Client

29 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Implementierung – Gundlegende Technologien Objekt – Modelle –Objekt-orientiert –Beschreiben den Aufbau eines Objektes –Stellen Schnittstellen zur Verfügung –Z.B. JDOM, AXIOM Parser –DOM artige in Hauptspeicher –SAX artige streamed –JDOM vs. AXIOM

30 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Implementierung – Gundlegende Technologien Web Applikation –HTTP, Applikationsserver, Webbrowser –(Java) Servlet - Container –Modell-View-Controll (MVC) Architektur

31 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Implementierung – Tools für Web-Services Apache Axis –SOAP 1.1, SOAP 1.2, WSDL 1.1 –Java2WSDL, WSDL2Java –.java.jws –Service Deployment SOAP Knoten DeploymentDescripter –Bibliothek SAAJ, JAX-RPC

32 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Implementierung – Tools für Web-Services Apache Axis2 –AXIOM: effizienter Parsingmechanismus –Message Exchange Pattern In-only, Robust-In, In-out RPC-Stil vs. Message-Stil Kompatibel mit Axis1.x –Synchrone u. Asynchrone Verhalten HTTP (two-way), SMTP (one-way) 2-Ebene: API-Ebene, Transport-Ebene –Hot - Deployment

33 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Implementierung – KELWICE und Axis2 Java-API XML-RPC Web-Service Java Klassen Axis2 Services –Definition aller benötigen OMElement ( OpenMath!) –Java Klassen für Web-Service implementieren –Java2WSDL –Services.xml –WAR Datei (.aar) in Axis2 Treiber (Verzeichnis) (! ActiveMath muss im Hintergrund laufen) ClientKELWICE LMS (ActiveMath)

34 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Implementierung – Dummy Standalone Client Java-Klassen –ClientUtil –GenerateCourseWithLKMapClient –GenerateCourseWithLMIdClient –MetadataOntologieClient –RepositoryRegisterClient –RepositoryUnRegisterClient –TaskDefinitionClient

35 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Implementierung – Dummy Standalone Client View (Ergebnis) –Imsmanifest.xml –manifestSimple.xsl (in Firefox und IE getestet) benötigte Bibliotheken –Alle für AXIOM, WSDL and AXIS2

36 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICEAnwendungen Anwendung in ActiveMath –Überblick von ActiveMath –Buchgenerierung –Installation und Einbindung von Axis2 Kursgenerierung in MathCoach –Kurzüberblick über MathCoach –Erweiterung von MathCoach –MathCoach-Ontologie und deren Mapping auf OIO –MathCoach Repository –MathCoach – Client für KELWICE

37 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Anwendungen – Überblick von AcitiveMath www.activemath.org DFKI und Uni-Saarland Adaptive E-Learning Systeme für (nicht nur) Mathematik Lerninhalte: Activemath Mbase –Omdoc-Format Buchgenerierung

38 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE

39 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Anwendung - MathCoach HTW – Saarland Professor Dr. Grabowski Intelligente Content – Anbieter für Mathematik Generator von Interaktionen wie Übung, Experimente Lerninhalte –LaplaceScript – Format

40 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE

41 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Anwendung – Erweiterung von MathCoach Typen der Lernobjekten –Kapitel (Seite) Definition –Einzelne Übungsgenerator (.ls) Übung Verwendete Metadaten –Identifier, Title, For, Requires, Type, LearningContext, Difficulty… MathCoach–Ontologie und deren Mapping auf OIO

42 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Anwendung – Erweiterung von MathCoach MathCoach Repository –Indexing (Lucene) vs. relationale Datenbank –Java-Objekt-Stil (Hibernate) vs. SQL-Stil (JDBC) –mySQL vs. DerbyDB –Entscheidung: Relationale Datenbank mit DerbyDB + JDBC

43 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Anwendung – Erweiterung von MathCoach Java-API für MathCoach Repository –RepositoryQueryInterface.java queryClass() queryRelation() queryProperty() –DerbyRepository.java MathCoachDerbyRepository.java –LaplaceScriptException.java

44 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE MathCoach Repository: Java-API Metadata ItemMetadata SatelliteMetadataConceptMetadata ConceptMetadataCollectorSatelliteMetadataCollector

45 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE

46 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICEZusammenfassung Beitrag –Kursgenerator als Web-Service Anforderungen durch Fragebogen SOA Design für Architektur Implementierung mit Axis2 Anwendung in ActiveMath und MathCoach –Repository Registration Web-Service Ontologie und deren Mapping auf OIO Dynamische Bindung –Dynamische Repository basiert auf XML-Dokument –Berücksichtigung auf Standard (IMS-CP-Manifest)

47 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICE Eingesetzte Technologien und Konzepte Entwurfsmuster Service Orientierte Architektur XML, XSLT, CSS, Javaskript, DOM, JDOM HTTP, Tomcat, Servlet, JavaBeans, Velocity und Maverick XML-RPC, Web-Service (SOAP, WSDL, WS-Adressing) DerbyDB, PL/SQL

48 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICEAusblick Erweiterungsmöglichkeit für KELWICE –Lernermodelle-Schnittstelle –Austausch der Lerninhalte als IMS-CP Erweiterungsmöglichkeit für MathCoach –Benutzerfreundlichere Darstellung des Kurses –Vertiefung der verwendeten Metadaten

49 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICELiteratur Gustavo Alonso, Fabio Casati, Harumi Kuno, and Vijay Machiraju. Web Services. Concepts, Architecture and Applications. Springer Verlag, 2004. Apache Software Foundation World Wide Web Consortium (W3C) Barbara L. Grabowski, Susanne G¨ang, J¨org Thomas K¨oppen. MathCoach und LaplaceSkript: programmierbarer interaktiver Mathematiktutor Skriptsprache. 2005. Peter Jaeschke, Andreas Oberweis, and Gottfried Vossen. Webbasiertes Lernen: Eine ¨Ubersicht ¨uber Stand und Entwicklungen. In Erhard Rahm and Gottfried Vossen, editors, Web & Datenbanken, 2003.

50 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICELiteratur R. Lelouche. Intelligent tutoring systems from birth to now. K¨unstliche Intelligenz, 1999. E. Melis, E. Andr`es, J. B¨udenbender, A. Frischauf, G. Goguadze, P. Libbrecht, M. Pollet, and C. Ullrich. Active-Math: A generic and adaptive web-based learning environment. International Journal of Artificial Intelligence in Education,12(4):385\u2013407, 2001. C. Ullrich. Course generation based on HTN Planning. In A. Jedlitschka and B. Brandherm, editors, Proceedings of 13 th Annual Workshop of the SIG Adaptivity and User Modeling in Interactive Systems, pages 74\u201379, 2005. Wikipedia

51 German Research Center for Artificial Intelligence Tianxiang Lu - KELWICEDanksagung HTW Saarland –Professor Dr. Grabowski –Professor Dr. Lehser DFKI –Carsten Ullrich (besonders) –ActiveMath Gruppe KorrektorInnen –Kerstin Borau, Min Ye, Haichao Guan