MENON : automating a Socratic teaching model for mathematical proofs

This thesis presents an approach to adaptive pedagogical feedback for arbitrary domains as an alternative to resource-intensive pre-compiled feedback, which represents the state-of-the-art in intelligent tutoring systems today. A consequence of automatic adaptive feedback is that the number of tasks with pedagogical feedback that can be offered to the student increases, and with it the opportunity for practice. We focus on automating different aspects of teaching that together are primarily responsible for learning and can be integrated in a unified natural-language output. The automatic production and natural-language generation of feedback enables its personalisation both at the pedagogical and the natural-language dialogue level. We propose a method for automating the production of domain-independent adaptive feedback. The proof- of-concept implementation of the tutorial manager Menon is carried out for the domain of set-theory proofs. More specifically, we define a pedagogical model that abides by schema and cognitive load theory, and by the synergistic approach to learning. We implement this model in a Socratic teaching strategy whose basic units of feedback are dialogue moves. We use empirical data from two domains to derive a taxonomy of tutorial-dialogue moves, and define the most central and sophisticated move hint. The formalisation of the cognitive content of hints is inspired by schema theory and is facilitated by a domain ontology.Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Annäherung an adaptives pädagogisches Feedback für beliebige Domäne. Diese Herangehensweise bietet eine Alternative zu ressource-intensivem, vorübersetztem Feedback, dass das heutige "state-of-the-art'; in intelligenten tutoriellen Systemen ist. Als Folge können zahlreiche Aufgaben mit pädagogischem Feedback für die Praxis angeboten werden. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Automatisierung verschiedener Aspekte des Lehrprozesses, die in ihrer Gesamtheit wesentlich den Lernprozess beeinflussen, und in einer einheitlichen Systemausgabe Natürlicher Sprache integriert werden können. Die automatische Produktion und die Systemgenerierung von Feedback in Natürlicher Sprache ermöglichen eine Individualisierung des Feedback auf zwei Ebenen: einer pädagogischen und einer dialogischen Ebene. Dazu schlagen wir eine Methode vor, durch die adaptives Feedback automatisiert werden kann, und implementieren den tutoriellen Manager Menon als "proof-of-concept'; beispielhaft für die Domäne von Beweisen in der Mengentheorie. Konkret definieren wir ein pädagogisches Modell, das sich auf Schema- und Kognitionstheorie sowie auf die synergetische Herangehensweise an Lernen stützt. Dieses Modell wird in einer Sokratischen Lehrmethode implementiert, deren basale Feedback-Elemente aus Dialogakten bestehen. Zur Bestimmung einer Taxonomie Tutorielle-Dialogakte sowie des zentralen und komplexen Dialogakts hint (Hinweis) wenden wir empirische Daten aus zwei Domänen an. Die Formalisierung des kognitiven Inhaltes von Hinweisen folgt der Schematheorie und basiert auf einer Domänenontologie

Towards social embodied cobots: The integration of an industrial cobot with a social virtual agent

The integration of the physical capabilities of an industrial collaborative robot with a social virtual character may represent a viable solution to enhance the workers' perception of the system as an embodied social entity and increase social engagement and well-being at the workplace. An online study was setup using prerecorded video interactions in order to pilot potential advantages of different embodied configurations of the cobot-avatar system in terms of perceptions of Social Presence, cobot-avatar Unity and Social Role of the system, and explore the relation of these. In particular, two different configurations were explored and compared: the virtual character was displayed either on a tablet strapped onto the base of the cobot or on a large TV screen positioned at the back of the workcell. The results imply that participants showed no clear preference based on the constructs, and both configurations fulfill these basic criteria. In terms of the relations between the constructs, there were strong correlations between perception of Social Presence, Unity and Social Role (Collegiality). This gives a valuable insight into the role of these constructs in the perception of cobots as embodied social entities, and towards building cobots that support well-being at the workplace

Towards an Intelligent Tutor for Mathematical Proofs

Computer-supported learning is an increasingly important form of study since it allows for independent learning and individualized instruction. In this paper, we discuss a novel approach to developing an intelligent tutoring system for teaching textbook-style mathematical proofs. We characterize the particularities of the domain and discuss common ITS design models. Our approach is motivated by phenomena found in a corpus of tutorial dialogs that were collected in a Wizard-of-Oz experiment. We show how an intelligent tutor for textbook-style mathematical proofs can be built on top of an adapted assertion-level proof assistant by reusing representations and proof search strategies originally developed for automated and interactive theorem proving. The resulting prototype was successfully evaluated on a corpus of tutorial dialogs and yields good results.Comment: In Proceedings THedu'11, arXiv:1202.453

Applications of 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone and its phenyliodonium ylide chemistry in synthesis of new organic compounds

In the present study, pyrano-1,2- and pyrano-1,4-naphthoquinone derivatives, analogs of α- and β-lapachone, were synthesized. These compounds were prepared through domino Knoevenagel/hetero-Diels-Alder reactions catalyzed by S-proline, starting from lawsone acetal. Intermediate alkylidene- and arylidene-1,3-diones formed were trapped in situ with enol ethers, activated arenes and alkenes to give pyrano-1,2-naphthoquinone derivatives, in very good regio and site-selectivity, with respect to their isomers, pyrano-1,4-naphthoquinones, in high to excellent overall yields. DFT calculations suggest that these hetero-Diels-Alder reactions are highly polar and take place through a two-stage one step mechanism.From the in situ reaction of indanedionoketene with both cyclic and acyclic enol ethers, 2,3-dihydro-2-alkoxyindeno[1,2-b]pyran-4,5-diones were prepared via [4 + 2] cycloaddition reactions. These pyranone compounds underwent ring thermal opening and tautomerized to the corresponding alkoxyallylidene-indanediones, while through acid catalyzed reactions yielded 2-(1,3-dihydroxyallylidene)-1H-indene-1,3(2H)-diones. By alcohol elimination, indeno[1,2-b]pyran-4,5-diones were obtained. Indanedione, an unstable and not insoluble α,α-dioxoketene, is formed by thermal decomposition of the phenyliodonium ylide of lawsone. Its trapping reactions were also carried out with aromatic imines, from which 1’,2’,3’,6’-tetrahydro-4’H-spiro[indene-2,5’-pyrimidine] 4’-triones, [2 + 2 + 2] cycloaddition products of one molecule indanedione with two molecules of imine, derived. The DFT study, demonstrated the polar nature of the cycloaddition reaction, explained the observed activities and verified the possible mechanism for the above reactions.2-Hydroxymethylidene-indene-1,3-diones bearing alkoxyvinyl, pyrrolyl και indolyl groups were synthesized by thermal decomposition of phenyliodonium ylide of lawsone and served as ligands for the preparation of piano-stool Ru(II) complexes. The reactivity of the new compounds with biomolecules and their stability in aqueous solution have been studied. The synthesized complexes have been tested for their anticancer activity against four human ovarian cancer cell lines (OVCAR-5, SKOV-3, UWB1.289 and UWB1.289+BRCA1) in order to investigate structure−activity relationships. Ruthenium complexes bearing the dihydrofuryl, the 2-(butoxy)vinyl and the 2-methoxyprop-1-enyl substituents were the most potent compounds identified in this screen with IC50 values in the range of 20-80 μΜ. The complex bearing the 2-(butoxy)vinyl substituent is more active than cisplatin in the human ovarian cancer cell lines SKOV3.Modified complexes in which the chlorine atom has been replaced by triaza-phosphadamantane (PTA) were also prepared in order to optimize their antitumor capacity, to increase their stability in the human body and to improve their water solubility.Στην παρούσα εργασία, συντέθηκαν πυρανο-1,2- και πυρανο-1,4-ναφθοκινονικά παράγωγα, ανάλογα της α- και β-λαπαχόνης, αντίστοιχα. Οι ενώσεις αυτές, παρασκευάστηκαν από διαδοχικές αντιδράσεις Knoevenagel/ετερο-Diels–Alder της ακετάλης του λοουσόνης, καταλυόμενες από S-προλίνη. Οι ενδιάμεσες αλκυλιδενο-και αρυλιδενο-1,3-διόνες που σχηματίστηκαν, παγιδεύητκαν in situ, με ενολαιθέρες, ενεργοποιημένα αρένια αλλά και αλκένια, δίνοντας παράγωγα της πυρανο-1,2-ναφθοκινόνης σε πολύ καλές εκλεκτικότητες σε σχέση με τις ισομερείς πυρανο-1,4-ναφθοκινόνες, σε υψηλές έως εξαιρετικές συνολικές αποδόσεις. Οι υπολογισμοί DFT υποδεικνύουν ότι αυτές οι αντιδράσεις ετερο-Diels−Alder έχουν ισχυρά πολικό χαρακτήρα και λαμβάνουν χώρα μέσω μηχανισμού δυο βημάτων ενός σταδίου.Η ινδανδιονοκετένη, μια ασταθής και μη απομονώσιμη α,α-διοξοκετένη, σχηματίζεται από τη θερμική διάσπαση του φαινυλοϊωδωνιο-υλιδίου της λοουσόνης. Η in situ παρασκευαζόμενη ινδανδιονοκετένη, παγιδεύτηκε με κυκλικούς και άκυκλους ενολαιθέρες, από τις οποίες παρασκευάστηκαν, μέσω αντιδράσεων [4 + 2] κυκλοπροσθήκης, οι 2,3-διυδρο-2-αλκοξυϊνδενο[1,2-b]πυρανο-4,5-διόνες. Από τη θερμική διάνοιξη του πυρανονικού δακτυλίου των ενώσεων αυτών, απομονώθηκαν οι αντίστοιχες αλκοξυαλλυλιδενο-ινδανδιόνες, ενώ με όξινη κατάλυση οι 2-(1,3-διυδροξυαλλυλιδενο)-1Η-ινδενο-1,3-(2Η)-διόνες. Με απόσπαση αλκοόλης παρελήφθησαν οι ινδενο[1,2-b]πυρανο-4,5-διόνες. Οι αντιδράσεις παγίδευσης της ινδανδιονοκετένης πραγματοποιήθηκαν και με αρωματικές ιμίνες. Από τις αντιδράσεις αυτές απομονώθηκαν οι 1’,2’,3’,6’-τετραϋδρο-4’H-σπειρο[ινδενο-2,5'-πυριμιδινο]-1,3,4’-τριόνες, προϊόντα [2+2+2] κυκλοπροσθήκης ενός μορίου της ινδανδιονοκετένης με δυο μόρια ιμίνης. Η μελέτη DFT που έγινε, απέδειξε την πολική φύση της αντίδρασης κυκλοπροσθήκης, επιβεβαίωσε τις παρατηρούμενες δραστικότητες και επιβεβαίωωσε τους πιθανούς μηχανισμούς για τις παραπάνω αντιδράσεις.Οι αλκοξυαλλυλιδενο-ινδανδιόνες, που παρασκευάστηκαν, από τις αντιδράσεις αυτές, καθώς και πυρρολο-ινδανδιόνες και ινδολυλο-ινδανδιόνες, που έχουν παρασκευαστεί μέσω της θερμικής διάσπασης του φαινυλοδιωνιο-υλιδίου της λοουσόνης, από την ερευνητική μας ομάδα, χρησίμευσαν ως ligands για το σχηματισμό συμπλοκών ρουθηνίου του τύπου piano-stool. Τα σύμπλοκα αυτά ελέγχθηκαν για τη σταθερότητά τους σε υδατικό διάλυμα και εξετάστηκαν για την αντικαρκινική τους δράση έναντι τεσσάρων κυτταρικών σειρών του καρκίνου των ωοθηκών του ανθρώπου (OVCAR-5, SKOV-3, UWB1.289 και UWB1.289+BRCA1). Τα σύμπλοκα που φέρουν διυδροφουρυλο, 2-(βουτοξυ)βινυλο και 2-μεθοξυπροπ-1-ενυλο υποκαταστάτες βρέθηκαν ότι είχαν την πλέον ισχυρή δράση με τιμές IC50 που κυμαίνονταν μεταξύ 20-80 μΜ, ενώ το σύμπλοκο με τον 2-(βουτοξυ)βινυλο υποκαταστάτη είναι περισσότερο δραστικό από το cisplatin στις κυτταρικές σειρές SKOV3 του καρκίνου των ωοθηκών.Παρασκευάστηκαν επίσης τα τροποποιημένα σύμπλοκα, στα οποία το άτομο του χλωρίου αντικαταστάθηκε από το τριαζα-φωσφαδαμαντάνιο (PTA), προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η αντικαρκινική ικανότητά τους, να αυξηθεί η σταθερότητά τους μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό και να βελτιωθεί η διαλυτότητά τους στο νερό

Domain-Knowledge Manipulation for Dialogue-Adaptive Hinting

Empirical evidence has shown that natural language (NL) dialogue capabilities are a crucial factor to making human explanations effective [6]. Moreover, the use of teaching strategies is an important ingredient for intelligent tutoring systems. Such strategies, normally called dialectic or socratic, have been demonstrated to be superior to pure explanations

Building Hint Specifications in an NL Tutorial System for Mathematics

NL interaction and skillful hinting are known as cornerstones for successful tutoring. Despite these insights, a combination of these two factors is widely under-represented in the field. Building a tutorial system for teaching mathematical proof techniques, we aim at an elaborate hinting algorithm which integrates problem solving, discourse contexts and accurate domain knowledge into a socratic hinting strategy