Tese Andrea

213 Pages·04.63 MB·Portuguese

Andréa Teresa Riccio Barbosa

MECANISMO DE ADAPTAÇÃO
BASEADO EM REDES NEURAIS ARTIFICIAIS
PARA SISTEMAS HIPERMÍDIA ADAPTATIVOS
FLORIANÓPOLIS
2004
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
EM ENGENHARIA ELÉTRICA

MECANISMO DE ADAPTAÇÃO
BASEADO EM REDES NEURAIS ARTIFICIAIS
PARA SISTEMAS HIPERMÍDIA ADAPTATIVOS
Tese submetida à
Universidade Federal de Santa Catarina
como parte dos requisitos para a
obtenção do grau de Doutor em Engenharia Elétrica .
Andréa Teresa Riccio Barbosa
Florianópolis, novembro de 2004
MECANISMO DE ADAPTAÇÃO
BASEADO EM REDES NEURAIS ARTIFICIAIS
PARA SISTEMAS HIPERMÍDIA ADAPTATIVOS
Andréa Teresa Riccio Barbosa

‘Esta Tese foi julgada adequada para a obtenção do Título de Doutor em
Engenharia Elétrica , Área de Concentração em Sistema de Informação,
e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina’
_________________________________
Fernando Mendes de Azevedo, D. Sc.
Orientador
_________________________________
Denizar Cruz Martins, Dr.
Coordenador do Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Elétrica
Banca Examinadora:
_________________________________
Fernando Mendes de Azevedo, D. Sc.
Presidente
_________________________________
José Palazzo Moreira de Oliveira, D.Sc.
_________________________________
Júlio César Nievola, Dr.
_________________________________
Anita Maria da Rocha Fernandes, Dra.
_________________________________
Jefferson Luiz Brum Marques, Ph.D.
_________________________________
Renato Garcia Ojeda, Dr.
ii
AGRADECIMENTOS
À Universidade Federal de Santa Catarina, ao Programa de Pós-graduação em
Engenharia Elétrica e, em especial, ao Instituto de Engenharia Biomédica pela
oportunidade de desenvolvimento profissional.
Ao Professor Fernando Mendes de Azevedo, pela orientação no
desenvolvimento da Tese, pelo incentivo nos momentos difíceis e pela amizade em
todos estes anos de convívio.
A todos os professores, funcionários, colegas e amigos do Instituto de
Engenharia Biomédica.
Aos professores membros da banca pelas sugestões.
A CAPES pela concessão da bolsa de estudos.
A Felipe Chaves Santos pela colaboração no desenvolvimento de um dos
programas na linguagem Java Server Pages.
A todos os profissionais, das diversas áreas, que colaboraram realizando os
testes do sistema hipermídia adaptativo desenvolvido.
Ao meu companheiro, Fábio Iaione, pela ajuda, pela paciência, pelo carinho e
pelo incentivo, que me fizeram acreditar que tudo é possível.
Aos meus pais, Woulfson e Cléa, pelo apoio constante, incentivo, amor e
exemplo de vida.
Às minhas irmãs, Patrícia e Paula, pela amizade.
A Deus, criador de tudo e fonte de esperança.

iii
Resumo da Tese apresentada à UFSC como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Doutor em Engenharia Elétrica .
MECANISMO DE ADAPTAÇÃO
BASEADO EM REDES NEURAIS ARTIFICIAIS
PARA SISTEMAS HIPERMÍDIA ADAPTATIVOS
Andréa Teresa Riccio Barbosa
novembro / 2004
Orientador: Fernando Mendes de Azevedo, D. Sc.
Área de Concentração: Sistema de Informação
Palavras Chave: Interface Adaptativa, Redes Neurais Artificiais, Sistemas
Hipermídia Adaptativos, Teoria das Inteligências Múltiplas
Número de Páginas: 211
RESUMO: Nesta tese é proposta uma metodologia para construir sistemas que
realizem adaptação automática, na interface de uma hipermídia, conforme o perfil do
usuário. Este perfil é determinado a partir de uma teoria cognitiva denominada
Teoria das Inteligências Múltiplas. O sistema modifica automaticamente as formas de
apresentação do conteúdo usando texto, fluxograma, desenho e animação. Oferece,
também, a possibilidade do usuário alterar explicitamente a mídia em que
determinado conteúdo é apresentado, a fim de adequá-lo às suas necessidades. A
concepção do mecanismo de adaptação levou em consideração a formalização da
interface adaptativa como um autômato. No mecanismo de adaptação foram utilizadas
redes neurais artificiais dos tipos MLP (Multilayer Perceptron) e IAC (Interactive
Activation and Competition) para implementação, respectivamente, da adaptatividade
e adaptabilidade do sistema. Através da adaptatividade o sistema tem a capacidade
de realizar a adaptação da mídia em determinado conteúdo, conforme o perfil do
usuário e, a adaptabilidade permite que sejam realizadas alterações explícitas por
parte do usuário. O estudo de caso desenvolvido na avaliação da metodologia proposta
consiste na implementação de um site adaptativo que disponibiliza um manual de
operação de um monitor multiparamétrico. Uma avaliação motivacional, comparando
um site adaptativo e outro não adaptativo, foi realizada através de um teste aplicado
em 31 voluntários. Verificou-se que o site adaptativo, em relação ao não adaptativo, foi
64,34% mais estimulante, 12,92% mais significativo, 3,50% mais organizado, 2,12%
mais fácil de usar e 17,25% mais motivador. Pelos resultados apresentados, conclui-se
que a metodologia proposta e implementada é viável de ser aplicada em sistemas
hipermídia que necessitem de adaptação.

iv
Abstract of Thesis presented to UFSC as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Doctor in Electrical Engineering .
MECHANISM OF ADAPTATION
BASED ON ARTIFICIAL NEURAL NETWORK
FOR ADAPTIVE HYPERMEDIA SYSTEM
Andréa Teresa Riccio Barbosa
November / 2004
Advisor: Fernando Mendes de Azevedo, D. Sc.
Area of Concentration: Biomedical Engeneering
Keywords: Adaptive Interface, Artificial Neural Network, Adaptive
Hypermedia System and Theory of the Multiple Intelligences
Number of Pages: 211
ABSTRACT: This thesis developed the methodology to project systems that
accomplish automatic adaptation in the interface of a hypermedia, according to the
user's profile. This profile is determined from a cognitive theory denominated of the
Multiple Intelligences Theory. The system modifies the presentation of the content
automatically using: text, flowchart, drawing and animation and it also offers the
user's possibility to alter the media that certain content is presented explicitly, in
order to adapt it to their needs. The conception of the adaptation mechanism took into
account the formalization of adaptive interface as a robot. In the development of the
adaptation mechanism, artificial neural networks were used of the types MLP (Multi-
Layer Perceptron) and IAC (Interactive Activation and Competition) for
implementation, respectively, of the adaptativity and adaptability of the system.
Through the adaptativity the system has the capacity to accomplish the adaptation of
the media in certain content, according to the user's profile and, the adaptability
allows explicit alterations to be accomplished on the part of the user. The case study
developed in the validation of this research consists in the implementation of adaptive
site that makes available an operation manual of the eletrectro medical equipment.
An evaluation, comparing an adaptive site and other non adaptive, it was
accomplished through an applied test in 31 volunteers. In that test it was verified
that the adaptive site in relation to the non adaptive, was 64,34% more stimulant,
12,92% more significant, 3,50% more organized, 2,12% easier to use and 17,25% more
motivational. For the presented results, it is ended that the proposed and
implemented methodology is viable to be applied in hypermedia systems that need
adaptation.

v
Abstract of Thesis presented to UFSC as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Doctor in Electrical Engineering .
MECHANISM OF ADAPTATION
BASED ON ARTIFICIAL NEURAL NETWORK
FOR ADAPTIVE HYPERMEDIA SYSTEM
Andréa Teresa Riccio Barbosa
December / 2004
Advisor: Fernando Mendes de Azevedo, D. Sc.
Area of Concentration: Biomedical Engeneering
Keywords: Adaptive Interface, Artificial Neural Network, Adaptive
Hypermedia System and Theory of the Multiple Intelligences
Number of Pages: 212
ABSTRACT: This thesis developed the methodology to project systems that
accomplish automatic adaptation in the interface of a hypermedia, according to the
user's profile. This profile is determined from a cognitive theory denominated of the
Multiple Intelligences Theory. The system modifies the presentation of the content
automatically using: text, flowchart, drawing and animation and it also offers the
user's possibility to alter the media that certain content is presented explicitly, in
order to adapt it to their needs. The conception of the adaptation mechanism took into
account the formalization of adaptive interface as a robot. In the development of the
adaptation mechanism, artificial neural networks were used of the types MLP (Multi-
Layer Perceptron) and IAC (Interactive Activation and Competition) for
implementation, respectively, of the adaptativity and adaptability of the system.
Through the adaptativity the system has the capacity to accomplish the adaptation of
the media in certain content, according to the user's profile and, the adaptability
allows explicit alterations to be accomplished on the part of the user. The case study
developed in the validation of this research consists in the implementation of adaptive
site that makes available an operation manual of the eletrectro medical equipment.
An evaluation, comparing an adaptive site and other non adaptive, it was
accomplished through an applied test in 31 volunteers. In that test it was verified
that the adaptive site in relation to the non adaptive, was 64,34% more stimulant,
12,92% more significant, 3,50% more organized, 2,12% easier to use and 17,25% more
motivational. For the presented results, it is ended that the proposed and
implemented methodology is viable to be applied in hypermedia systems that need
adaptation.

v
SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS....................................................................................................................IX

LISTA DE TABELAS................................................................................................................XIV

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS......................................................................XVIII

1. INTRODUÇÃO............................................................................................................................1
1.1 OBJETIVOS DO TRABALHO........................................................................................................3
1.2 JUSTIFICATIVA..........................................................................................................................4
1.3 CONTEÚDO DO TRABALHO.........................................................................................................7

2. ESTADO DA ARTE DA HIPERMÍDIA ADAPTATIVA.......................................................9
2.1 NOVOS RECURSOS..................................................................................................................11
2.2 ALGUMAS APLICAÇÕES COM HIPERMÍDIA ADAPTATIVA.........................................................12
2.2.1 Aplicações de Recomendação e Filtragem..................................................................12
2.2.2 Menus Adaptativos......................................................................................................13
2.2.3 Predição de Comandos Unix........................................................................................13
2.2.4 Valores Preditos em Formas.......................................................................................13
2.2.5 Propostas de Tempo de Reunião.................................................................................13
2.2.6 Sistemas Tutores Inteligentes (STIs).........................................................................13
2.2.7 Programando pela Demonstração...............................................................................14
2.2.8 Assessoramento de Rota Adaptativa..........................................................................14
2.3 ESTADO DA ARTE....................................................................................................................14

3. INTELIGÊNCIAS MÚLTIPLAS............................................................................................18
3.1.1 A Inteligência Lingüístico-verbal................................................................................19
3.1.2 A Inteligência Lógico-matemática..............................................................................19
3.1.3 A Inteligência Visual-espacial.....................................................................................19
3.1.4 A Inteligência Cinestésico-corporal............................................................................20
vi
Sumário

3.2 IDENTIFICAÇÃO DAS INTELIGÊNCIAS MÚLTIPLAS...................................................................20

4. REDES NEURAIS ARTIFICIAIS..........................................................................................21
4.1 O MODELO IAC (INTERACTIVE ACTIVATION AND COMPETITION)..........................................22
4.1.1 Arquitetura...................................................................................................................22
4.1.2 A Inserção de Conhecimento na Rede IAC.................................................................24
4.1.3 Ativação Dinâmica.......................................................................................................26
4.2 CONSIDERAÇÕES FINAIS (ESTADO DA ARTE)..........................................................................28

5. METODOLOGIA DESENVOLVIDA.....................................................................................31
5.1 MÓDULO DO USUÁRIO.............................................................................................................32
5.1.1 Redução de Dimensionalidade....................................................................................34
5.1.2 Seleção de Características...........................................................................................35
5.1.3 Podas de Nós (Node Pruning)......................................................................................36
5.1.4 Seleção de Perguntas e Classificação Utilizando uma Rede Neural Artificial........39
5.1.5 Resultados Obtidos no Módulo do Usuário................................................................44
5.1.6 Classificação das IMs do Usuário...............................................................................58
5.2 MÓDULO GERADOR DE ADAPTAÇÃO........................................................................................62
5.2.1 Resultados Obtidos e Discussões................................................................................91
5.2.2 Validação do Mecanismo de Adaptação....................................................................111
5.2.3 Fluxograma do Programa de Adaptação Desenvolvido...........................................116
5.2.4 Correção do Erro da Rede Neural.............................................................................118
5.2.5 Validação do SE Desenvolvido..................................................................................124
5.3 MÓDULO DE INTERFACE.......................................................................................................125
5.3.1 Implementação...........................................................................................................126
5.3.1.1 Processo de Sincronização do MatLab com o JSP...................................126
5.3.1.2 Teste das IMs.............................................................................................130
5.3.1.3 Divisão do Conteúdo..................................................................................130
5.3.1.4 Elaboração das Diferentes Mídias............................................................133
5.3.2 Validação do Sistema Adaptativo.............................................................................138
vii
Sumário

6. INTERFACE ADAPTATIVA ATRAVÉS DE SISTEMAS FORMAIS............................142
6.1 CONCEITOS BÁSICOS DA TEORIA DOS AUTÔMATOS...............................................................143
6.2 INTERFACE ADAPTATIVA COMO AUTÔMATO..........................................................................144

7. VALIDAÇÃO E AVALIAÇÃO DO SISTEMA ADAPTATIVO.........................................153
7.1 CÁLCULO DO RESULTADO DO QUESTIONÁRIO.......................................................................156
7.2 TESTE ESTATÍSTICO..............................................................................................................156
7.3 ANÁLISE DOS RESULTADOS...................................................................................................164

8. DISCUSSÕES E CONCLUSÕES.........................................................................................168
8.1 DISCUSSÕES..........................................................................................................................168
8.1.1 O Desenvolvimento da Pesquisa em Hipermídia Adaptativa.................................168
8.1.2 A Metodologia de Construção do Sistema de Adaptação.........................................169
8.1.3 A Interface como Objeto de Adaptação.....................................................................170
8.1.4 O Perfil do Usuário....................................................................................................171
8.1.5 A Redução da Dimensionalidade do Teste...............................................................172
8.1.6 A Aplicação da Estratégia Pedagógica.....................................................................174
8.1.7 A Nova Forma de Implementação da Rede IAC......................................................174
8.1.8 A Formalização do Site Adaptativo como Autômato................................................176
8.1.9 A Validação e Avaliação do Sistema.........................................................................176
8.1.10 Limitações e Dificuldades........................................................................................180
8.2 CONCLUSÕES........................................................................................................................180

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................................184

viii