DE202021002086U1 - Device for automated logging as well as the analysis and evaluation of digital educational processes - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur automatisierten Protokollierung, der Analyse und der Auswertung von digitalen Bildungsprozessen an einem Client kommunizierenden, vorzugsweise in einer „Microservice System“-Architektur eingebetteten Leitrechner, der mit einem Machine Learning Algorithmus versehen ist und hiermit das im Browser dynamisch generierte Nutzungsverhalten des Clients (LCL) in Datenmengen (DA) auswertet und ein Ergebnis zur Beurteilung eines makroskopischen (zeitraumbezogenen) Optimierungspotenzial der einzelnen Komponenten des Bildungsprozesses an den Mitarbeiter einer Bildungseinrichtung (MCL) zurückgibt. Device for the automated logging, analysis and evaluation of digital educational processes on a client communicating master computer, preferably embedded in a "microservice system" architecture, which is provided with a machine learning algorithm and thus the usage behavior of the client dynamically generated in the browser (LCL ) evaluates data sets (DA) and returns a result for the assessment of a macroscopic (time-related) optimization potential of the individual components of the educational process to the employee of an educational institution (MCL).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatisierten Protokollierung, der Analyse und der Auswertung von digitalen Bildungsprozessen an einen Client kommunizierenden, vorzugsweise in einer „Microservice System“-Architektur eingebetteten Leitrechner.The invention relates to a device for the automated logging, analysis and evaluation of digital educational processes on a master computer that communicates with a client and is preferably embedded in a “microservice system” architecture.
Dabei werden Anforderungsdaten von einem Client am Leitrechner empfangen und auf einem Auswertungsmodul des Leitrechners auf einem architekturspezifischen Befehlssatz auf ein maschinelles Lernsystem übertragen. Anschließend erfolgt die Berechnung und Auswertung bestimmter Prozesse, die unter der Hinzuziehung von Anfrageparametern, die in einer Laufzeitumgebung eines Schnittstellenmoduls ausgeführt werden. Nach erfolgter Ausführung werden Auswertungsprotokolle an den Client übermittelt.In this case, request data are received by a client on the master computer and transmitted to a machine learning system on an evaluation module of the master computer on an architecture-specific command set. This is followed by the calculation and evaluation of certain processes, which are carried out using query parameters that are carried out in a runtime environment of an interface module. After execution, evaluation logs are sent to the client.
Bei paketorientierten Netzwerken handelt es sich beispielsweise um das WWW (World-Wide-Web oder Local Area Networks, LAN) usw. Diese bilden in heutigen Anwendungsbereichen eine hohe Nutzungsreichweite für den Informationsaustausch von Anwendern einer Rechenanlage oder Computer.Packet-oriented networks are, for example, the WWW (World Wide Web or Local Area Networks, LAN), etc. In today's application areas, these form a large range of use for the exchange of information between users of a computing system or computer.
Ein Zugriff auf paketorientierte Netzwerke erfolgt in der Regel über Datenleitungen, die an Verbundsysteme vieler Leitrechner zusammengeführt sind. Diese Leitrechner werden als „Server“ bezeichnet. Rechenanlagen, die Eingaben durch Bediener ermöglichen und zu den Servern übertragen werden als Arbeitsplatzcomputer bezeichnet. Diese Computer verfügen zur Übertragung und Darstellung von Informationen über einen „Browser“, der als dort ausgeführte Anwendung Informationen aufnimmt und darstellt.Access to packet-oriented networks usually takes place via data lines that are brought together in the network systems of many host computers. These master computers are called "servers". Computing systems that enable input by operators and transmit them to the servers are referred to as workstation computers. These computers have a "browser" for the transmission and display of information, which receives and displays information as an application executed there.
Hauptmerkmal derartiger Informationen bilden in Textformat formatierte Daten, die als Querverweise auf andere Informationen führen. Diese sind als „Links“ bekannt. Multimediale Daten können in einem speziellen Format ebenso aus diesen Querverweisen angesprochen oder in sogenannten „Webseiten“ eingebettet werden. Bei diesen multimedialen Inhalten handelt es sich beispielsweise um Bilder, Grafiken, Videos, Audio, Animationen, 360° Grafiken und 360° Videos, 3-dimensionale Objekte. Diese Informationen werden anhand einer Internetadresse zwischen einem Leitrechner, „Server“ und dem Arbeitsplatzcomputer ausgetauscht. Der Arbeitsplatzcomputer mit seinem Browser wird fachspezifisch als „Client“ bezeichnet. Unter diesen austauschbaren Datenmengen sind auch Anweisungen für den Leitrechner enthalten, die als Anfrageparameter bezeichnet werden. Solche Anfrageparameter sind als Anweisungen zu verstehen, die am ausführbaren Programm des Leitrechners festlegen, wie ein Programm bestimmte Informationen verarbeiten sollen.The main feature of such information is data formatted in text format that is used as cross-references to other information. These are known as "links". Multimedia data can also be addressed in a special format from these cross-references or embedded in so-called "websites". This multimedia content is, for example, images, graphics, videos, audio, animations, 360 ° graphics and 360 ° videos, 3-dimensional objects. This information is exchanged between a host computer, "server" and the workstation computer using an Internet address. The workstation computer with its browser is specifically referred to as a "client". These exchangeable data sets also contain instructions for the master computer, which are referred to as query parameters. Such request parameters are to be understood as instructions that specify in the executable program of the host computer how a program should process certain information.
Ein System von verbundenen Leitrechnern innerhalb eines paketorientierten Netzwerkes wird als „Web Server“ bezeichnet. Diese „Web Server“ können in einer sogenannten „Microservice-Architektur“ angeordnet sein. Dabei handelt es sich um einzelne kleinere, teils virtuelle Leitrechner, die innerhalb eines Leitrechners simuliert werden. Diese einzelnen Leitrechner verfügen über Programme, die bestimmten Funktionen und Prozesse ausführen, in ihrer Größe und Komplexität beschränkt sind, die über Schnittstellen mit den Anfrageparametern verarbeiten und Resultate in Form von generierten Informationen zurückgeben.A system of connected master computers within a packet-oriented network is called a "web server". These “web servers” can be arranged in what is known as a “microservice architecture”. These are individual, smaller, partly virtual master computers that are simulated within a master computer. These individual master computers have programs that carry out certain functions and processes, are limited in size and complexity, process the query parameters via interfaces and return results in the form of generated information.
Bei der Übertragung von Daten in paketorientierten Netzwerken (World Wide Web), die in einer Microservice-Struktur eingebettet sind, wird das sogenannte HTTP (Hypertext Transport Protocol) verwendet, dass als übliches Protokoll für den Austausch von Nachrichten und Antworten zwischen einem Browser-Client und einem Leitrechner zuständig ist. Dabei fungiert das Protokoll ebenso für die richtige Adressierung der Informationen an den richtigen Empfänger. Mit Aufruf einer sogenannten URL (Uniform Resource Locator) stellt ein Client über seinen Browser eine Verbindung zum entsprechenden Leitrechner her, der über die Anfrageparameter und Daten in einem Microservice Programm empfängt und dann bearbeitet. Für die Bereitstellung von Informationen im Browser bei dem Client werden Seiten in Form als HTML (Hypertext Markup Language) Seiten angezeigt und dynamisch durch JavaScript Funktionen in Form, Inhalt und Darstellung verändert. Informationen können durch JavaScript gesteuerte Eingabe- und Formularsysteme außerdem über den Browser durch das HTTP Protokoll zum Leitrechner übertragen werden.When data is transmitted in packet-oriented networks (World Wide Web) that are embedded in a microservice structure, the so-called HTTP (Hypertext Transport Protocol) is used as the usual protocol for exchanging messages and responses between a browser client and a master computer is responsible. The protocol also functions for the correct addressing of the information to the correct recipient. By calling up a so-called URL (Uniform Resource Locator), a client uses its browser to establish a connection to the corresponding host computer, which receives the request parameters and data in a microservice program and then processes it. For the provision of information in the browser at the client, pages are displayed in the form of HTML (Hypertext Markup Language) pages and dynamically changed in form, content and presentation by JavaScript functions. Information can also be transmitted to the host computer using JavaScript-controlled input and form systems via the browser using the HTTP protocol.
Über eine HTTP Anforderung kann die vom Client im Browser aufgerufene HTML Seite mit JavaScript Programm bestimmte Eingaben durch ein Formularsystem an den Leitrechner übermitteln. Dies muss nicht im klassischen Fall durch ein Texteingabefeld erfolgen, das Eingaben vom Client über die Tastatur in den Browser erlaubt und weiterleitet. Durch die JavaScript Programmierung können dynamische Formularsysteme konstruiert sein, die auch zum Teil automatisch Informationen aus dem Nutzerverhalten des Bedieners ermitteln und diese als Informationen mit Anfrageparameter über das HTTP Protokoll an den Leitrechner übersenden.Via an HTTP request, the HTML page called up by the client in the browser can use a form system to transmit certain inputs to the host computer with a JavaScript program. In the classic case, this does not have to be done using a text input field that allows and forwards entries from the client via the keyboard into the browser. Using JavaScript programming, dynamic form systems can be constructed, some of which also automatically determine information from the user behavior of the operator and send this information with query parameters to the host computer via the HTTP protocol.
Auf den Leitrechnern werden innerhalb der Microservices bestimmte Programmfunktionen installiert, die Berechnungen aus Anfrageparametern des Clients tätigen und an diesen zurückgeben. Auf diesen befinden sich Programmfunktionen, die kalkulatorische Berechnungen von Zahlen und Informationen vornehmen, die gesammelt beim Client erzeugt werden. Diese Zahlen und Informationsmengen werden Daten genannt, wobei bestimmte Algorithmen aus diesen Daten Muster und Gesetzmäßigkeiten erkennen und entsprechend gekennzeichnet zurückgeben. Solche Systeme werden als maschinelle Lernsysteme oder Machine Learning Programme bezeichnet. Die aus den Daten gewonnen Erkenntnissen werden in Microservice-Programmen auf dem Leitrechner durch diese maschinellen Lernsysteme ausgewertet werden. Es existieren verschiedene maschinelle Lernsystemen, die sich durch Verfahren und mathematischem Algorithmus unterscheiden. Je nach Variante des maschinellen Lernprozesses näheren sich diese Funktionen einem Ergebnis zu einem Problem mathematisch approximativ. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden erzeugte Daten, die durch dynamische Eingabe im Browser des Clients erzeugt werden, zum Leitrechner übertragen und dort durch maschinelle Lernsysteme ausgewertet. Dieser gibt dann Ergebnisse als Erkenntnisgewinn (Auswertungsprotokolle) in Form von Informationen an den Client zurück.Certain program functions are installed on the master computers within the microservices, which make calculations from the client's request parameters and return them to the client. On these are program functions that Make imputed calculations of numbers and information that are collected by the client. These numbers and amounts of information are called data, with certain algorithms recognizing patterns and regularities from this data and returning them accordingly marked. Such systems are called machine learning systems or machine learning programs. The knowledge gained from the data will be evaluated in microservice programs on the master computer by these machine learning systems. There are various machine learning systems that differ in terms of procedures and mathematical algorithms. Depending on the variant of the machine learning process, these functions approximate a result of a problem mathematically. In the device according to the invention, generated data, which are generated by dynamic input in the client's browser, are transmitted to the host computer and evaluated there by machine learning systems. This then returns the results to the client as a gain in knowledge (evaluation logs) in the form of information.
Bei Einrichtungen der Berufs- und Hochschule kommen Arbeitsprozesse vor, die administrative und verwaltungstechnische Aufgaben beinhalten, welche zum Betrieb einer Bildungseinrichtung notwendig sind. Diese Aufgaben unter anderem bestehen aus der Stunden-, Raum-, und Ressourcen, sowie Personalplanung oder dem Dokumentenmanagement, konkret der Vorbereitung, Anfertigung und Zusendung von Zeugnissen, Urkunden, Leistungsnachweisen und Anwesenheitslisten. Unter einem Bildungsprozess versteht man darüber hinaus den gesamten Vorgang von der Immatrikulation eines Lernenden an einer Bildungseinrichtung über den Lehr- und Lernprozess, seiner Erbringung und der Prüfung und Auswertung einer Prüfungsleistung (durch Tests, Klausuren und Abschlussprüfungen) bis zur Exmatrikulation. Es ist bekannt, dass die Analyse von Geschäftsprozessen mithilfe eines sogenannten Process Mining Systems durchgeführt wird. Eine Process Mining Anwendung ist eine auf einem oder mehrerer Computer laufendes Computer-Programm, welches eine Analyse bestimmter Arbeits- und Geschäftsprozesse vornimmt und Auswertungen in Form von Protokollen in aufbereiteter Form zur Verfügung stellt.At vocational and university institutions, there are work processes that contain administrative and administrative tasks that are necessary for the operation of an educational institution. These tasks include, among other things, hourly, room and resources, as well as personnel planning or document management, specifically the preparation, creation and sending of certificates, certificates, records of performance and attendance lists. An educational process is also understood to mean the entire process from the enrollment of a learner at an educational institution through the teaching and learning process, its provision and the examination and evaluation of an examination performance (through tests, exams and final exams) to de-registration. It is known that the analysis of business processes is carried out with the help of a so-called process mining system. A process mining application is a computer program running on one or more computers, which carries out an analysis of certain work and business processes and provides evaluations in the form of protocols in a processed form.
Aufgabe der Erfindung ist die Erfassung und das Aufzeigen von Optimierungsmöglichkeiten eines gesamten Bildungsprozesses einer Berufs- und Hochschule, in diesem ein Internet basierter Selbstlernkurses eingebettet ist, sowie der Analyse einzelner Komponenten dieser Bildungsprozesse, bei dem durch einen Leitrechner Daten, durch ein maschinelles Lernsystem für diese Auswertung verarbeitet werden. Erfindungsgemäß erfolgt die Auswertung aus Daten, die in einem sogenannten Campus Management System, Lernmanagement, auch E-Learning oder Blended Learning System genannt, in einem Browser (Client), aus dynamisch erzeugten Anfrageparametern und Informationen aufgenommen werden. Die dynamisch erzeugten Anfrageparameter und Informationen ergeben sich aus Eingaben, welche der Nutzer als Mitarbeiter der Bildungseinrichtung in das Lernmanagmentsystem überführt und Daten, welche von Lernenden, Auszubildenden, Schülern oder Studenten über einen Browser (Client) aus dynamisch erzeugten Anfrageparametern und Informationen beispielsweise durch Lernstatistiken erzeugt werden. Bei der Nutzung eines E-Learning System zeichnet die Vorrichtung Daten über das Nutzungsverhalten eines Lernenden auf, worauf sich Rückschlüsse auf sein Leistungsstand ergeben. In einem E-Learning System müssen Mitarbeiter einer Bildungseinrichtung innerhalb dieses Bildungsprozesses mindestens die Komponente eines sogenannten Online-Kurses implementieren. In diesem Online-Kurs werden Bildungsinhalte über einen Browser (Client) am Computer des Lernenden angezeigt.The object of the invention is to record and show optimization possibilities of an entire educational process of a vocational school and university, in which an Internet-based self-learning course is embedded, as well as the analysis of individual components of these educational processes in which data is provided by a master computer and a machine learning system for them Evaluation are processed. According to the invention, the evaluation takes place from data that are recorded in a so-called campus management system, learning management, also called e-learning or blended learning system, in a browser (client), from dynamically generated request parameters and information. The dynamically generated query parameters and information result from inputs that the user as an employee of the educational institution transfers into the learning management system and data generated by learners, trainees, pupils or students via a browser (client) from dynamically generated query parameters and information, for example through learning statistics become. When using an e-learning system, the device records data about the usage behavior of a learner, from which conclusions can be drawn about his level of performance. In an e-learning system, employees of an educational institution must implement at least one component of a so-called online course within this educational process. In this online course, educational content is displayed via a browser (client) on the learner's computer.
Innerhalb vieler medienbegleitender Aufgabenstellungen soll der Teilnehmer in dem E-Learning System innerhalb des Browsers auf HTML Seiten verschiedene Interaktionen tätigen, die durch ein JavaScript Programm dynamisch Daten aufnimmt und an den Leitrechner mittels des HTTP Protokolls zur Berechnung durch ein maschinelles Lernsystem übersendet. Diese Resultate werden aus dem Leitrechner zurück an den Client gesendet, deren Daten gesammelt und mit in ein Protokoll überführt werden.Within many media-related tasks, the participant should make various interactions in the browser on HTML pages in the e-learning system, which dynamically records data through a JavaScript program and sends it to the master computer using the HTTP protocol for calculation by a machine learning system. These results are sent back from the master computer to the client, the data of which are collected and transferred to a protocol.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht Daten aus dem E-Learning System und den Eingaben des Mitarbeiters, der in seinem Browser (Client) Informationen über bestehende Bildungsprozesse eingegeben hat. In dem Analyseprozess des Leitrechners werden Daten durch maschinelle Lernsysteme ausgewertet. Die Daten beinhalten Informationen aus der Immatrikulation des Lernenden, dessen Leistungsstände und seiner Prüfungseignung sowie Prüfungsreife und vergleicht diese Daten mit anderen Leistungsständen anderer Nutzer. Der Leitrechner vergleicht diese Daten außerdem mit den Eingaben des Mitarbeiters, der Informationen über bestehende Bildungsprozesse der Bildungseinrichtung in das Lernmanagement System eingegeben hat. Der Leitrechner gibt abschließend ein Auswertungsprotokoll an den Client über das HTTP Protokoll zurück, dessen Informationen eine Protokollierung im Sinne des Process Minings über die Leistungsfähigkeit einzelner Bestandteile des Bildungsprozesses beinhalten soll. Die Vorrichtung gibt damit zurück, ob ein bestimmter Vorgang in diesem Bildungsprozess einer Optimierung bedarf, damit dieser Bestandteil verbessert werden kann.The device according to the invention obtains data from the e-learning system and the inputs of the employee who has entered information about existing educational processes in his browser (client). In the analysis process of the master computer, data is evaluated by machine learning systems. The data contain information from the learner's enrollment, his / her performance levels and his / her suitability for examinations as well as examination readiness and compares this data with other performance levels of other users. The master computer also compares this data with the entries made by the employee who entered information about the educational institution's existing educational processes into the learning management system. The host computer then returns an evaluation log to the client via the HTTP protocol, the information of which should include a log in the sense of process mining about the performance of individual components of the educational process. The device thus returns whether a certain process in this formation process needs to be optimized so that this component can be improved.
Die Vorrichtung greift in vorteilhafterweise auf einen makroskopischen Datenbestand zu, der über einen längeren Zeitraum erzeugt wurde. Innerhalb des E-Learning Systems sollen explizit viele verschiedene Medienformate, Lernspiele und interaktive Aufgaben in einem onlinebasierten Selbstlernkurs verwendet werden, die der Lernende über einen längeren Zeitraum bearbeitet, um für eine Eignungsprüfung eine Prüfungsreife zu erlangen. Erfindungsgemäß soll die Vorrichtung dazu genutzt werden, dass der Mitarbeiter der Bildungseinrichtung in diesen Bildungsprozess bestimmte Optimierungen erkennen kann, die sich für den Lernenden in vorteilhafterweise positiv auswirken kann, wenn er diese anschließend umsetzt. Mit der Vorrichtung kann der Mitarbeiter der Bildungseinrichtung erkennen, ob in den Komponenten bei der Zusammenstellung einzelner Medienformate, Lernspiele und interaktiven Aufgaben ein bestimmter Optimierungsbedarf besteht, dass durch das maschinelle Lernsystem bzw. den Auswertungsalgorithmus auf dem Leitrechner identifiziert wurde.The device advantageously accesses a macroscopic database that has been generated over a longer period of time. Within the e-learning system, many different media formats, educational games and interactive tasks should be used in an online-based self-study course, which the learner works on over a longer period of time in order to achieve an examination maturity for an aptitude test. According to the invention, the device is intended to be used so that the employee of the educational institution can recognize certain optimizations in this educational process, which can advantageously have a positive effect on the learner if he then implements them. With the device, the employee of the educational institution can recognize whether there is a certain need for optimization in the components in the compilation of individual media formats, educational games and interactive tasks that was identified by the machine learning system or the evaluation algorithm on the master computer.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass der Mitarbeiter ein Auswertungsprotokoll für den gesamten Bildungsprozess erhält, dessen Bestandteile auch in einer Übersicht in Form einer Prozessvisualisierungskarte dargestellt wird, dass die aller in Abhängigkeit stehenden Komponenten eines Bildungsprozesses aufzeigt. Die Prozessvisualisierungskarte zeigt dann beginnend von der Immatrikulation des Lernenden die Zusendung eines automatisierten Arbeitsprozesses, welches eine Bestellung bei einem Versandanbieter auslöst und den Lernenden erforderliches physisches Lehrmaterial ihm zuschicken lässt, über die Komponenten des zu absolvierenden Online-Kurses in Form von Medieninhalten bis zur Eignungsprüfung und der Zusendung eines Abschlusszeugnisses in digitaler oder physischer Form.An essential advantage of the device according to the invention is that the employee receives an evaluation log for the entire educational process, the components of which are also shown in an overview in the form of a process visualization map that shows all the dependent components of an educational process. The process visualization card then shows, beginning with the enrollment of the learner, the sending of an automated work process, which triggers an order with a shipping provider and lets the learner send him the necessary physical teaching material, via the components of the online course to be completed in the form of media content up to the aptitude test and the sending of a diploma in digital or physical form.
In vorteilhafter Weise soll das System in einer Microservice-Laufzeitumgebung eingebettet sein und aus dem Benutzerverhalten des Lernenden durch den Machine Learning Algorithmus lerninhaltliche Optimierungspotenziale identifizieren. Die Auswertung durch den Leitrechner erfolgt in zeitlich kurzen Abständen wiederkehrend oder permanent, sodass sich die gezeichnete Informationsverarbeitungsarchitektur mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine makroskopische Protokollierung und Auswertung von Bildungsprozessen besonders als vorteilhaft erweist.
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1 zeigt dabei ein Strukturbild zur schematischen Darstellung des Zusammenwirkens von Funktionselementen bei der Erzeugung eines Protokolls ausgehend von einem Leitrechner, der in einer „Microservice System“-Architektur eingebettet ist. -
2 zeigt die erzeugte Prozessvisualisierung, welches die optimierungsbedürftigen Komponenten Bildungsprozesse aufzeigt, die aus dem Benutzerverhalten des Lernenden und der bereitgestellten Informationen des Mitarbeiters ausgewertet wurden.
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1 shows a structure diagram for the schematic representation of the interaction of functional elements when generating a protocol based on a master computer that is embedded in a “microservice system” architecture. -
2 shows the generated process visualization, which shows the components of education processes that need to be optimized, which were evaluated from the user behavior of the learner and the information provided by the employee.
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