Zito Daniela Dora

1
Progettazione e prototipazione di un sistema
multi-agente per le-learning asincrono

• Zito Daniela Dora
• Anno accademico 2003-2004
• Reti di Calcolatori L-S

2
Obiettivi

• Progettazione di un ambiente di e-learning
• asincrono
• web-based
• distribuito
• interattivo
• modulare e facilmente espandibile
• aperto
• multi-agente

3
Motivazioni

• Lidea nasce dallosservazione degli attuali
  sistemi didattici e dei problemi
  dellinsegnamento tradizionale
• classi di studenti di grandi dimensioni
• numero limitato di insegnanti
• scarsa disponibilità di risorse finanziarie
• strategie di insegnamento non differenziate
• difficoltà per i docenti nel delineare le abilità
  di ogni studente
• Il tutto rende il processo di apprendimento poco
  interessante e incompleto
• Soluzione
• Un sistema di active learning che si adatta
  dinamicamente alle esigenze di ogni studente,
  creando percorsi formativi personalizzati.

4
Un sistema di active learning

• Lambiente di active learning supporta
• Scelta gli studenti scelgono cosa studiare e
  cosa costruire e risultano più coinvolti nelle
  attività che svolgono
• Congenialità gli studenti non hanno tutti lo
  stesso livello di conoscenza e abilità e ognuno
  preferisce un particolare stile di apprendimento
• Asincronismo un ambiente di questo tipo deve
  anche consentire uninterattività libera da
  vincoli temporali e spaziali

5
Componenti del sistema
6
Il sistema multi-agente

• Un agente è un componente software
• Autonomo possiede un proprio thread di
  controllo, può controllare le proprie azioni e
  prendere decisioni
• Proattivo reagisce in risposta agli eventi
  esterni e possiede un behaviour finalizzato
  ad un obiettivo
• Sociale interagisce con altri agenti per
  eseguire il proprio task

7
Il sistema multi-agente

• Alcune caratteristiche delle-learning asincrono
  rendono interessante la tecnologia basata sugli
  agenti multipli
• gli studenti sono distribuiti lungo la rete in
  modo non uniforme e il numero di partecipanti è
  ampio e questo rende inadeguato il sistema
  tradizionale statico e centralizzato
• il background e le abilità di ogni studente
  evolvono nel tempo e anche i materiali e le
  metodologie di insegnamento devono adeguarsi
• gli studenti seguono molti corsi
  contemporaneamente e quindi serve un
  coordinamento didattico su vari argomenti
• gli studenti tendono a riunirsi per discutere di
  argomenti didattici comuni e lavorano insieme ai
  docenti per raggiungere obiettivi comuni, quindi
  serve un supporto allinterazione
• Un agente può acquisire il profilo dellutente a
  cui è connesso e aiutarlo a scambiare e
  visualizzare informazioni.

8
Modello pedagogico

• Per definire il processo educativo e semplificare
  il lavoro del docente.
• E lagente associato al docente, infatti, che
• seleziona gli esercizi e i problemi che si
  adattano meglio agli obiettivi del corso e ai
  singoli studenti
• giudica il lavoro e limpegno di ogni studente in
  base ai risultati degli esami, al tempo impiegato
  per imparare un concetto o al numero di
  consultazioni del materiale didattico durante lo
  svolgimento dei test e degli esercizi

9
Interfaccia Web-based

• Linterfaccia Web agisce come ponte di
  collegamento tra gli studenti, i docenti e
  lambiente di e-learning
• Lo studente, o il docente, si connette al sistema
  attraverso un computer collegato in rete, si
  autentica e il sistema crea per lui un agente che
  può iniziare a lavorare
• Linterfaccia serve per la ricerca adattativa dei
  corsi elettronici sul Web, per liscrizione e
  lassegnamento del materiale didattico agli
  studenti e per la presentazione degli argomenti
  nel rispetto delle preferenze di ognuno
• Il Web è un media ideale per le-learning su
  vasta scala perché supporta vari tipi di
  comunicazione ed elimina vincoli temporali e
  spaziali

10
Ambiente di esecuzione distribuito

• Il sistema multi-agente deve lavorare su una
  piattaforma
• scalabile
• affidabile
• flessibile

11
Libreria digitale

• Il materiale didattico è organizzato come una
  libreria digitale flessibile ed estensibile.
• Il paradigma utilizzato per catalogare il
  materiale, visualizzarlo, ricercare documenti con
  particolari caratteristiche e scambiare
  informazioni è lXML, disponibile gratuitamente
  come uno standard aperto, semplice e dinamico

12
Architettura del sistema

• Larchitettura scelta per il sistema è basata su
  un modello peer-to-peer, in cui non cè
  distinzione di ruoli tra i nodi.
• Ogni nodo può
• intraprendere una comunicazione
• essere oggetto di una richiesta
• offrire un servizio
• ricercare altri nodi
• connettersi e disconnettersi dalla rete in ogni
  momento
• I sistemi basati sugli agenti sono
  intrinsecamente peer-to-peer
• ogni agente è un pari che comunica con altri
  attraverso messaggi peer-to-peer.

13
Descrizione del sistema
Corso A
Agente Studente
Agente Studente
Corso B
14
Descrizione del sistema

• Ogni corso è caratterizzato da un livello di
  difficoltà, gestisce il materiale didattico e le
  tecniche di insegnamento e contiene un docente e
  una lista di studenti. Inoltre lavora come
  mediatore per la comunicazione tra docenti e
  studenti. Per aumentare lefficienza e la
  disponibilità gli agenti dei corsi possono essere
  allocati su siti diversi
• Ogni docente usa lagente del corso per ottenere
  il materiale didattico e le tecniche di
  insegnamento e propone agli studenti il materiale
  nella forma più appropriata, basandosi sul
  background e sullo stile di apprendimento
  preferito da ognuno
• Ad ogni studente è assegnato un agente personale
  che gestisce il suo profilo, compreso il
  background di conoscenze, il suo stile di
  apprendimento, gli interessi, i corsi seguiti, e
  si rivolge allagente del corso per la
  definizione del piano di studi

15
Un prototipo del sistema

• Un prototipo del sistema è stato sviluppato in
  Java ed è stato sperimentato il framework JADE
  (Java Agent DEvelopment framework) per la
  gestione degli agenti

16
Jade

• Jade è un middleware per lo sviluppo e
  lesecuzione di applicazioni peer-to-peer basate
  sul paradigma ad agenti, che possono lavorare e
  interoperare sia in ambienti wired che wireless.
• Lo standard per Jade è stato rilasciato nel 2002
  dalla FIPA (Foundation for Intelligent Physical
  Agents), che ha definito anche il linguaggio ACL
  (Agent Communication Language) per la
  comunicazione tra gli agenti.

17
Principi di base di Jade

• Interoperabilità gli agenti Jade possono
  interoperare con tutti gli altri agenti che
  appartengono allo standard FIPA
• Uniformità e portabilità Jade offre un omogeneo
  set di API indipendenti dalla versione di Java
  utilizzata, in modo che gli sviluppatori possano
  decidere quale JRE utilizzare
• Facilità di utilizzo la complessità del
  middleware è nascosta da un insieme di API
  semplici e intuitive
• Filosofia pay-as-you-go le features non usate
  dagli sviluppatori non aggiungono alcun overhead

18
Larchitettura Jade

• Run-time environment ambiente di esecuzione per
  gli agenti JADE che deve essere attivo su un dato
  host prima che uno o più agenti vengano messi in
  esecuzione sullo specifico host
• Libreria di classi che possono essere usate dal
  programmatore per sviluppare gli agenti
• Tool grafico che permette lamministrazione e il
  monitoring degli agenti in esecuzione.
• Ogni istanza del run-time environment è chiamata
  Container e contiene gli agenti. Linsieme di
  tutti i Container è detta Piattaforma e
  rappresenta un livello omogeneo che nasconde agli
  agenti e agli sviluppatori la complessità dei
  livelli sottostanti (hardware, sistema operativo,
  rete, Java Virtual Machine)

19
Caratteristiche di ogni agente Jade

• Ogni agente è identificato da un AID del tipo
  ltnicknamegt_at_ltplatform-namegt
• Ogni agente deve contenere almeno un behaviour
  che definisce, nel metodo action(), le operazioni
  da eseguire. Lo scheduling dei behaviour è
  non-preemptive
• Per ogni agente cè un singolo thread Java
• Il behaviour-switch è estremamente più veloce
  di quello dei thread Java
• Allo switch di un behaviour lo stato dellagente
  non deve includere informazioni riguardanti lo
  stack
• Non servono regole di sincronizzazione tra
  behaviour concorrenti che accedono alle stesse
  risorse

20
Comunicazione tra gli agenti

• Il paradigma usato nella comunicazione è il
  message passing asincrono, per cui ogni agente
  ha una coda di messaggi con il seguente formato
• mittente del messaggio (sender)
• lista dei destinatari (receivers)
• cosa il mittente intende comunicare
  (performative)
• contenuto del messaggio (content)
• linguaggio (language)
• ontologia (ontology)
• altri campi usati per controllare la
  comunicazione concorrente o per specificare
  timeouts per la ricezione della risposta
  (conversation-id, reply-with, in-reply-to,
  reply-by)

21
Servizi a disposizione degli agenti

• Ogni agente pubblica il proprio servizio nelle
  yellow pages, in modo da essere ritrovato
  dinamicamente evitando il naming esplicito da
  parte degli altri agenti.
• Per pubblicare un servizio lagente deve
• Creare un DF(Directory Facilitator), specificando
  il proprio AID
• Creare una descrizione del servizio includendo il
  tipo, il nome, i linguaggi e le ontologie
  richieste ad altri agenti per linterazione

22
Semantica delle operazioniselezione di un corso

• Lo studente accede alle yellow pages e,
  attraverso la definizione di un template e
  lesecuzione del metodo search(myAgent,
  template), ottiene la lista delle descrizioni di
  tutti i corsi registrati che fanno match con il
  template specificato
• Lo studente invia una richiesta a tutti gli
  agenti trovati, specificando come contenuto del
  messaggio il proprio livello di abilità

Agente Corso
23
Semantica delle operazioniselezione di un corso

• 3. Il corso riceve il messaggio, controlla se
  le richieste possono essere soddisfatte e infine
  invia il nome del corso allo studente

Agente Corso
24
Semantica delle operazioniselezione di un corso

• 4. Lo studente riceve tutte le proposte, ne
  sceglie una e invia un messaggio di conferma

Agente Corso
25
Semantica delle operazioniselezione di un corso

• 5. Il corso riceve la conferma, controlla che
  il nome sia corretto e invia nuova conferma allo
  studente, che la riceve e si iscrive al corso e
  aggiungendolo al proprio elenco

Agente Corso
26
Semantica delle operazioniselezione di un quiz
27
Sviluppi futuri

• Nella costruzione del prototipo non sono state
  realizzate le interfacce grafiche, per motivi di
  semplicità, e manca la gestione delle eccezioni.
• Nelle successive versioni è necessario accrescere
  le performance degli agenti, attraverso
  lintroduzione di nuovi behaviour, il
  miglioramento dei meccanismi di comunicazione e
  collaborazione, luso completo dellXML e la
  sperimentazione del sistema in un contesto
  didattico reale.
• Ad esempio
• i criteri di selezione dei corsi e dei quiz
  dovrebbero essere estesi, evitando il match
  esatto, ma mostrando anche i risultati
  approssimati
• il quiz dovrebbe essere inviato come oggetto XML,
  soggetto poi a parsing
• la valutazione degli studenti dovrebbe essere
  automatica

28
Sviluppi futuri

• Aspetti essenziali per costruire un sistema di
  e-learning affidabile ed efficiente trascurati
  per motivi di semplicità
• sicurezza e controllo degli accessi, per evitare,
  ad esempio, che uno studente acceda
  anticipatamente alle risposte dei quiz, o che
  apporti delle modifiche ai voti
• tolleranza ai guasti
• nuova modellazione dello studente, per meglio
  rappresentare la carriera e le performance
• set dinamico di quiz ed esami che sia ricostruito
  ogni volta che lo studente vi accede