行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
一個可提供高普及率與個人化服務的網路教學系統(III)-子計畫一:個人化網路 教學系統之使用機制與資訊勘測之設
Design and Implementation of Access Mechanism and Data Mining for a Personalized Education System 計畫編號：NSC 89-2218-E-002-028 執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日 主持人：陳銘憲 臺灣大學電機工程學系 一、中文摘要 本計畫中所規劃的網路教學系統包括 了同步與非同步的教學模式，主體架構建 立於 Web 之上，而其主要的研究課題有 三：一是影音文件同步及互動功能的研 發；二是 Web 上多媒體教學資料之存取與 傳輸架構：三為資料收集倉儲技術之研發 及個人化使用機制之研究。首先，我們研 發技術更有效率地將學習者端的 Web 瀏覽 器和教學資料庫系統連接。在此，我們建 構新的多媒體資料庫系統，以有效的存放 各種多媒體的教學資料。其次，我們研發 搜 集 使 用 者 行 為 之 機 制 並 作 資 訊 勘 測 （data mining）以瞭解學生之操作模式並 據以作系統改進。最後，我們改善此一教 學系統的介面，以提供學習者更多的互動 功能。應用此計畫所研發之技術，可以協 助推動多媒體輔助教學，使網路系統發揮 更具建設性的功能。隨著網際網路的普 及，網路教學已漸被廣泛地使用，我們深 信此計畫之執行對網路教學可提供同時深 具學理與實用價值的成果。 關鍵詞：網際網路，資料庫系統，多媒體 系統，電腦輔助教學 英文摘要
This project is under the integrated
project “An Adaptive Networked
Educational System: toward Ubiquituous Personalized Learning,” and aims at using the WWW as an interface to provide access mechanism and data mining for a personalized networked education system. The system is composed by both asynchronous and synchorous distance education subsystems. Our primary goal includes (1) eatablishing an efficient Web access mechanism, (2) providing proper personalized education systems, and (3) studying multimedia data synchronization. More specifically, we first devise techniques to allow users to efficiently access data from a networked education system through the Web interface. Next, we develop and implement data mining algorithms to capture the user behavior. Finally, we shall utilize the related technologies to enhance the efficiency of multimedia communication as well as to increase user friendiness by allowing more interactive functions. In view of the increasing importance of Internet, network education systems are expected to become popular rapidly, and we believe this project should deliver very timely results which are of both theoretical and practical importance.
Keywor ds: Internet, computer-aided education, data mining, multimedia network, and networked education.
二、計畫緣由與目的
近年來架構於 WWW 環境中的應用日漸 普及，WWW 具有易於使用且可與多媒體資
料整合的特性，因此我們設計的教學服務 系統以 WWW 為主體架構，以達成高普及率 的計劃目標。我們主要的研究課題有三: 一是影音文件同步及互動功能的研究; 二 為個人化使用模式之研究以及搜尋整理技 術之研發; 三是 WWW 上多媒體教學資料之 存取架構。 在一個完善的教學系統中，十分重要 的功能是要達到影音與文件同步，舉應用 上的實例而言，網路教學系統可以同步播 出教授上課的影像，聲音，以及教學投影 片，並隨著時間的變動，適時的更換投影 片的內容。但目前為止，仍存在許多技術 課題待克服。如何研發相關技術去建構一 個以 Web 為基礎的多媒體互動式教學系統 是此計劃之核心研究課題。 在計畫執行中，我們在影音與文件同 步方面的技術問題有所深入的了解，並針 對所遭遇的困難一一克服，並實作影音文 件同步的系統雛形。授課老師藉由我們開 發的系統，可以方便的將課程教材轉換成 影音同步的媒體檔，而使用者可以透過所 開發的的系統，達到多媒體影音文件同步 互動式的學習環境。 三、研究方法與成果 針對教學系統的特性，我們已研發並 實作可使教學影音播放與教學文件同步的 功 能 。 在 課 堂 上 ， 藉 由 已 開 發 完 成 的 teaching activity recorder，教師上課 時的教學行為和時間會被記錄保存，而這 個記錄訊息將會被送到 transformation server，此 server 將會把上課的投影片 檔經由所開發的 foil preprocessing 模 組做個別存檔的動作以及轉成影音同步所 需要的媒體檔格式，並依據 recorder 所 送來的記錄訊息將之編寫成事件同步檔。 在學生的那一端，使用所開發完成的瀏覽 器，來點選所要收看的課程，在此瀏覽器 中可以見到上課影音檔，並且可以做到投 影片和影音檔的同步模式。此外，在本瀏 覽器中，也可以讓學生以手動的模式切換 到所需要的投影片，而此時影音檔也會跳 到該投影片播放時的時段，或對影音檔做 快轉動作的時候，投影片也會跳到該時段 所播放的位置。 舉應用上的實例而言，網路教學系統 可以同步播出教授上課的影像、聲音以及 教學投影片，並隨著時間的變動，適時的 更換投影片的內容。在計畫中已完成多媒 體影音資料同步及使用者互動的介面教學 系統架構的建立。另外在非同步的網路教 學子系統中，我們亦已研發並實作了一教 學網站(如圖一所示)，使學生可以在非上 課時間亦可在家中或宿舍等對網站中的課 程內容作課前預習或是課後複習，此一利 用了網際網路的特性，讓教師可以隨時的 更新教材，學生亦可在隨時隨地進行非同 步的學習。 圖一、可供非同步學習之教學網站 為達成個人化教學系統計劃目標。我們 已對教學材料搜尋整理以及使用者個人行 為進行記錄與研究。針對此教學系統，我 們已藉由資訊勘測(data mining)技術以 瞭解學生之操作模式並據以作系統改進。 此外，為提供充份之資料進行資訊搜尋整 理，本計畫所研發在網路上收集使用者行 為(data collection)之機制，除可以達到 個人化教學系統的建制，更可以協助老師
做到因材施教的教學，是本計畫研究成果 中一項重要的研究成果。 圖二 使用者資訊分析機制 在今日 Web 系統上，如何正確且有效 率地收集使用者使用行為仍是一項值得重 視的課題。Web 伺服器上收集到的存取記 錄(access log)大多不能有效的界定單一 使用者之存取行為。如前所述，今日的 WWW 系統為了有效的降低網路頻寬之需求，並 加快反應時間(response time)，proxy 伺 服 器 的 設 置 非 常 普 遍 。 大 部 份 的 Web browser 皆透過 proxy 伺服器來存取 WWW 上的資訊，此一現象造成大部份之存取記 錄皆只記錄少數的 proxy 伺服器。因此， 利用 Web 伺服器上收集到的存取記錄來分 析使用者行為將不準確，而無法達成總體 計劃中個人化的計劃目標。為解決此一困 難 ， 我 們 已 經 成 功 地 完 成 了 Access Pattern Collection Server 機制的研發 和實作。 藉由此機制和伺服器的建構，可以克 服因為使用 proxy 伺服器而造成不能準確 分析使用者行為的困難，而此機制和伺服 器的研發已與第三年計畫中所研發完成的 Web 倉儲系統整合（如圖三所示），以做為 教學材料搜尋整理以及使用者個人行為的 記錄和研究，以達成個人化教學系統計劃 目標。
Data Collection MaterializationIndex / View Re-Construction
Web Warehouse Output Data Mining Web Applications Queries Feedback 圖三 Web 資料倉儲系統的架構 本計畫執行所完成之工作項目與具體 成果如下。(1)研發並實作多媒體影音資料 同 步 及 使 用 者 互 動 的 介 面 教 學 系 統 架 構;(2)研發完成記錄個人使用者存取行為 的機制;(3)完成 Web browser 端進行解碼 與紀錄存取行為的動作的伺服器模組;(4) 非同步教學網站的設置完成(5) Web 倉儲 系統的設計與建置完成。 四、結論與討論 在本子計劃中的資料庫系統及資料存 取介面已結合子計劃二的研究成果以保證 資料的安全性。相對的，本計劃所發展之 收集使用者行為之機制亦可提供子計劃二 參考使用。而子計劃三所研究之個人化網 路教學系統之服務控管與排程研究可協助 本計劃中多媒體教學介面之改善。進一步 地，針對此教學系統進行 data mining 之 結果可以提供子計劃三和子計劃四之個人 化網路教學系統網路資源管理的依據。 最後，本計劃已與其他子計劃進行系 統整合，並已建置與測試此一網路教學系 統。在系統建置地點與使用者實際參與方 面，我們經由台大計算機及資訊網路中心 遠距教學組的協助，實際透過網路教學系 統已進行個人化網路教學系統之測試，與 實際地觀察學生的接受度與其使用系統時 之行為模式，並以此分析作為系統在技術 層面的運作效能與使用者心理層面的人機 界面改善之依據。事實上，由於網路普及
速度之快，網路教學機制之研發早已是刻 不容緩之事。目前大眾修習的管道，已日 趨增加，以空中大學為例，就是利用大眾 傳播系統在空中進行授課與修習學位。同 樣的，網路亦能成為授課教學的管道之 一。此計劃之最終目標，即研發相關技術 建立一個實用且有效率的網路教學機制， 透過個人化的服務來提昇網路教學之效 果，進而達到有教無類，因材施教之教學 目的。 五、參考文獻 [1] 教育部八十七年度「遠距教學實施現 況調查分析計畫」成果報告(北區)， 陳銘憲，岳修平，1998 年 6 月。
[2] R. Agrawal, T. Imielinski and A. Swami, “ Database Mining: A Performance Perspective,”IEEE Trans. On Knowledge and Data Eng., Vol. 5, No. 6, 1993, pp.914-925. [3] T. Berners-Lee, R. Cailliau, A. Loutonen, H.F.
Nielsen, and A. Secret, The World-Wide-Web,
Communication of the ACM, Vol.37, No.8, 1994, pp.76-82.
[4] C. -H. Chen and C. Chou, “The Definitions, Theories, and Technology Uses in Cooperative Distance Learning”, Proceedings of the Fourth International Conference on Computer Assisted Instruction, pp. S4-11 – S4-16, Mar. 1995. [5] M.-S. Chen, J. Han and P. S. Yu, “ Data
Mining: An Overview from Database Perspective,” IEEE Trans. on Knowledge and Data Engineering, Vol. 8, No. 6, pp. 866-883, December 1996.
[6] M. –S. Chen and D. D. Kandlur, “Stream Conversion to Support Interactive Video layout,” IEEE MultiMedia, Vol.3, No.2, pp. 51-58, Summer 1996.
[7] M. –S. Chen D. D. Kandlur and P. S. Yu,
“Storage and Retrieval Methods to Support Fully Interactive Playout in a Disk-Array-Based Video Server,” ACM Multimedia Systems, Vol.3, No.3, pp. 126-135, July 1995.
[8] L. Davie, “Facilitation of adult learning through computer conferencing”, Proceeding of the Second Guelph Symposium on Computer Conferencing, pp. 11-22. 1987.
[9] S. Gundavaram, CGI Programming on the World Wide Web: On-the-Spot Information, O’Reilly & Associates.
[10] B. Kahle and A. Medlar, “ An Information System for Corporate Users: Wide Area Information Servers, Connexions,” The Interoperability Report, Vol.5, No.11, 1991, pp.2-9.
[11] I.-Y. Lin, X.-M. Huang and M.-S. Chen, ``Capturing User Access Patterns in the Web for Data Mining,'' Proc. of the 11th IEEE International Conference Tools with Artificial Intelligence, November 7-9, 1999.
[12] K. Obraczka, P.B. Danzig, and S.H. Li, “ Internet Resource Discovery Services, IEEE Computer Magazine,” Vol.26, No.99, 1993. [13] B. M. Slator and S. D. MacQuarrie,
“Case-Based Reasoning, Multimedia Learning Environments and Tools for AI”,
Microcomputer Applications, Vol. 14, No. 3, pp.101-106. Jan. 1996.
[14] C. -T. Sun, Y. T. Ching, F. X. Lin and C. C. Lin. “Hypermedia browsing pattern analysis.”
International Conference on Computer Asisted Instruction, S9-14-S9-19, 1995.
[15] B. P. Woolf and W. Hall, “Multimedia pedagogues: interactive system for teaching and learning”, Computer, Vol.28, Iss.5, p.74-80, 1995.
