펜 인터페이스를 이용한 일차 방정식 교습 시스템의 설계 및 구현

Abstract

현재 지능형 교습 시스템(ITS)들이 가지고 있는 가장 큰 문제점 중의 하나는, 학습자가 사용하기에 자연스러운 인터페이스 환경이 부족하다는 것이다. 특히 수식에나 도형 등이 포함된 교육에 있어서는, 키보드나 마우스를 중심으로 하는 기존의 컴퓨터 환경이 적절하지 못하다는 문제점이 있었다. 본 논문에서는 수식을 전개하는데 자연스러운 펜 인터페이스를 이용하여 학습자에게 친숙하고 사용하기 쉬우며, 종이와 연필과 유사한 느낌의 연습장 효과를 살리는 한편, 학습자의 다양한 반응에 적절하게 대응하고 학습자와의 풍부한 동적 상호 작용으로 학습자의 중간 사고 상태를 정확히 파악할 수 있는 일차 방정식 교습 시스템 PETS(Pen-based Equation Tutoring System)를 설계하고 구현하였다. PETS는 주제 영역에 대한 정규칙과 오류규칙으로 이루어진 규칙 기반 지식 베이스를 가지고 있으며, 학습자가 입력한 수식을 온라인 문자 인식기가 즉각적으로 인식하여 트리 구조로 변환시키고, 수식의 변화된 부분을 선별하여 규칙 기반 번역기에 적용시켜 그 의도를 파악하도록 설계되었다. 학습자가 생략한 중간 단계들은 휴리스틱에 기반한 가지치기(prunning)를 이용한 탐색에 의해 추론되며, 학습자에게 부족한 연산 개념을 파악하여 학습시키고, 학습자가 수식 전개에 어려움을 겪을 때, 모범 답안을 제시하여 이를 학습할 수 있게 하였다.;Traditional Intelligent Tutoring Systems(ITS) have the problem that they do not provide a user friendly interface environment which is familiar to the student. Especially, for the domains such as algebra or geometry, conventional user interface based on the keyboard or mouse is not adequate. In this thesis, a pen-based intelligent tutoring system, PETS(Pen-based Equation Tutoring System), which teaches linear equations is designed and implemented. PETS is designed to make dynamic interactions with the student to express algebraic equations by providing pen-like input device, and to evaluate the student's intermediate mental state by examining the student's responses. PETS has predefined sets of rules and mal-rules, and recognizes hand-written expressions and converts them to tree structures. The detected differences between previous and current expressions are applied to the rule-based translator to infer the student's intentions and misconceptions. The omitted intermediate steps are infered by using heuristic search. PETS teaches the student the detected misconceptions and missing concepts, and provides proper instructions to solve the problem.