A Scalable, Reconfigurable, and Adaptive Framework for Chatbots in Education

Managing learning content with chatbot technology poses unique and challenging problems. Different actors are involved in the educational setting, and chatbot technology is usually created and developed by technology providers and delivered to educational institutions. The lack of provided controls in the designed technology represents limitations for using the technology on a large scale. This is interdisciplinary research that, as a whole, investigates the design and development of educational chatbot technology, focusing on empowering non-technical actors. For this work, I focus on a configurable-driven approach including fully modular chatbot architecture techniques to face a set of identified requirements: 1) the management of learning content within the chatbot technology, 2) the strong separation between content and conversation design, 3) extensive customization for the content and conversation delivery, and 4) the empowerment of non-technical actors in education to be direct actors in the chatbot production process and maintenance. These requirements are faced through a set of case studies on different educational contents with continuous validation of the chatbot's development through large-scale experiments with teachers and students at various educational levels. A new design of chatbots to separate content and conversation is investigated in the context of educational chatbots for tutoring tasks. To this end, I develop a scalable, configurable, and adaptive framework for building chatbots and analyzing content and conversation for the adaptive learning process. I investigate the problem of creating and maintaining chatbots in the properties of non-technical actors to empower their roles. I propose a new design of modular architecture with a configurable-driven methodology to bring more controls to the high-level actors and reduce the effort of IT support in the education domain. This thesis presents the design and implementation details of a framework to support the development of educational chatbots through the continuous validation of different use cases, with the discussion of the architecture and the development of three prototype contents. Finally, chatbot-mediated learning is explored with experiments by teachers and students from different education levels and compared to traditional learning.

La gestione dei contenuti didattici con la tecnologia chatbot pone problemi unici e impegnativi. Nel contesto educativo sono coinvolti diversi attori e la tecnologia chatbot è solitamente creata e sviluppata da fornitori di tecnologia e consegnata alle istituzioni educative. La mancanza di controlli nella tecnologia progettata rappresenta una limitazione per l'utilizzo della tecnologia su larga scala. Questa è una ricerca interdisciplinare che, nel suo complesso, indaga la progettazione e lo sviluppo della tecnologia dei chatbot educativi, concentrandosi sul potenziamento degli attori non tecnici. Per questo lavoro, mi concentro su un approccio configurabile guidato che include tecniche di architettura di chatbot completamente modulari per affrontare una serie di requisiti identificati: 1) la gestione dei contenuti didattici all'interno della tecnologia chatbot, 2) la forte separazione tra la progettazione dei contenuti e quella delle conversazioni, 3) l'ampia personalizzazione dei contenuti e delle conversazioni e 4) la responsabilizzazione degli attori non tecnici del settore dell'istruzione come protagonisti diretti del processo di produzione e manutenzione del chatbot. Questi requisiti sono affrontati attraverso una serie di casi di studio su diversi contenuti educativi con una continua validazione dello sviluppo del chatbot attraverso esperimenti su larga scala con insegnanti e studenti a vari livelli educativi. Un nuovo design di chatbot per separare il contenuto dalla conversazione viene studiato nel contesto dei chatbot educativi per compiti di tutoraggio. A tal fine, sviluppo un framework scalabile, configurabile e adattabile per la costruzione di chatbot e l'analisi di contenuti e conversazioni per il processo di apprendimento adattivo. Indago il problema della creazione e della manutenzione dei chatbot nelle proprietà di attori non tecnici per potenziare il loro ruolo. Propongo un nuovo design di architettura modulare con una metodologia guidata dalla configurazione per portare più controlli agli attori di alto livello e ridurre lo sforzo del supporto informatico nel settore dell'istruzione. Questa tesi presenta i dettagli di progettazione e implementazione di un framework per supportare lo sviluppo di chatbot educativi attraverso la validazione continua di diversi casi d'uso, con la discussione dell'architettura e lo sviluppo di tre prototipi di contenuti. Infine, l'apprendimento mediato da chatbot viene esplorato con esperimenti condotti da insegnanti e studenti di diversi livelli di istruzione e confrontato con l'apprendimento tradizionale.