Una Nuova Linea di Ricerca per l’E-learning

Gli strumenti già disponibili

Da poco più di diciotto anni, presso il Dipartimento di Automatica e Informatica del Politecnico di Torino e in stretta collaborazione con la scuola “Amedeo Peyron” di Torino (che ha la responsabilità della gestione della “Scuola in Ospedale” della Regione Piemonte), opera a titolo gratuito un gruppo di una decina di ricercatori e insegnanti chiamato “Gruppo Didattico”. Gli obiettivi principali di quel gruppo sono stati la produzione di unità didattiche speciali, funzionali alle esigenze della scuola ospedaliera e domiciliare, e lo sviluppo di strumenti tecnologici che consentano ai bimbi e ragazzi ammalati di partecipare in videoconferenza alle attività delle loro classi (obiettivo utile non soltanto ai fini didattici, ma anche dal punto di vista psicologico).
Si ricorda che il Gruppo Didattico ha sviluppato anche il cosiddetto “registro elettronico della scuola in ospedale” che è stato adottato e continua ad essere utilizzato dalle scuole in ospedale della maggioranza delle regioni italiane. Questo registro elettronico costituisce il punto di partenza di un progetto presentato dalla Scuola in Ospedale della Regione Piemonte, in collaborazione con il Politecnico di Torino, al fine di collaborare alla gara aperta dal MIUR per la realizzazione di un portale nazionale delle scuole italiane.
Da alcuni anni il Gruppo Didattico ha preso consapevolezza del fatto che gli strumenti tecnologici sviluppati e le unità didattiche costruite possano essere utili in tutte le scuole e non soltanto nella scuola in ospedale, e più in generale nell'attività di diffusione della cultura scientifica.
In questa recente fase di attività il Gruppo Didattico ha sviluppato un nuovo portale chiamato FARE, come “Free Architecture for Remote Education”, accessibile all’indirizzo “fare.polito.it”.
Le più importanti caratteristiche di questo portale sono le seguenti.

FARE è innanzitutto un grande archivio, basato prevalentemente su strumenti interattivi, di unità scientifiche o didattiche elementari come conferenze, documenti, dispense e libri didattici (che potranno essere liberamente stampati o trasformati in file per “e-book”), videolezioni, videogiochi didattici, esperienze remote di laboratorio, visite virtuali a musei. Tale archivio è orientato alla diffusione della cultura scientifica nella società e nella scuola.
Il portale è dotato di una linea di strumenti tecnologici finalizzati alla costruzione di nuovi corsi di informazione, formazione e insegnamento, basati anche sul materiale didattico dell'archivio. Utilizzando tali strumenti, ad esempio, i docenti della scuola in ospedale potranno costruire unità didattiche ("Lerning Objects") brevi orientate alle particolare esigenze dei ragazzi e dei bambini ammalati.
Il portale è stato dotato di specifici strumenti tecnologici che consentiranno, in modo automatico molto semplice, di effettuare lezioni in videoconferenza, con lavagna e altri supporti didattici condivisi, in funzione delle diverse esigenze della scuola in ospedale e domiciliare, di sedi scolastiche decentrate, di conferenze ad ampia diffusione.
E' in fase avanzata di sviluppo la creazione di una linea di strumenti tecnologici che consentiranno ad altre istituzioni di realizzare rapidamente un proprio portale, identico a quello del Politecnico di Torino. I diversi portali saranno intercomunicanti, per cui le singole ricerche effettuate su un portale si svolgeranno automaticamente, in modo trasparente, su tutti gli archivi di questa famiglia di portali.
FARE è stato recentemente dotato di una linea di strumenti software per la generazione automatica di MOOC (Massive Open On-line Courseware).

Tutti gli strumenti e tutti i contenuti scientifici e didattici sono assolutamente liberi, essendo protetti da licenze “Creative Commons”. In particolare, sono liberi i libri di testo (anche multimediali), fruibili su stampante, personal computer o tablet, lettore di libri digitali (“e-book”).
Si noti che sono già disponibili molte conferenze e lezioni, nonché le tecnologie di base per la relativa fruizione. Ad esempio, sono già disponibili sul portale:

Oltre 1500 filmati di conferenze divulgative.
Molto materiale didattico e i libri di testo per la scuola secondaria di secondo grado di matematica, scienze, fisica, latino, biologia.
Tre libri di testo di informatica per la scuola primaria e secondaria di primo grado dedicati, nell’ordine, ai principi del calcolatore e di Internet in particolare, alla storia dell’informatica e alla programmazione in linguaggio Python.
Materiale didattico vario per l'insegnamento di Scienze nelle scuole di ogni ordine e grado
Altro materiale scientifico e didattico.

Ad esempio, è stato realizzato quello che abbiamo chiamato “lo scrigno del pirata buono”, un nuovo dispositivo hardware, figlio del noto "pirate box", del costo di un paio di decine di euro, che in virtù di una comune "pendrive" USB può consentire di far condividere contenuti e risorse a più utenti. E' in sostanza un piccolo router sul quale viene installato un sistema di software libero che consente di trasformarlo in un minuscolo server in grado di distribuire i contenuti via rete wireless (connessione Wi.Fi.) a una distanza di circa 50 metri, a velocità dell’ordine di 100 Mbps. Hardware e software sono assolutamente liberi.
I contenuti vengono predisposti dall’insegnante e collocati nella penna USB, che viene inserita nel router. La cosa interessante è che la PirateBox non richiede connessione ad Internet e per questo rappresenta una soluzione di distribuzione informazioni efficace, anche laddove Internet non vi sia, o sia ad accesso filtrato.
Tutto il materiale didattico del portale FARE e molto altro ancora sarà installato sulla "chiavetta", in virtù del fatto che le pendrive di oggi hanno capacità di memoria dell'ordine delle centinaia di GB. La soluzione è ideale per le aule e per gli allievi ammalati a casa che non dispongano di connessione ad Internet.
Il Gruppo Didattico è anche attivo nella preparazione di materiale didattico "free" non soltanto per la "Scuola in Ospedale" ma per tutte le scuole di ogni ordine e grado. Parte di questo materiale è disponibile su FARE; parte è stato pubblicato su vari libri "free" disponibili in Rete.
Nel 2002 l'UNESCO ha coniato il termine “OER” (Open Educational Resources). Da allora le iniziative legate all'Open Education si sono moltiplicate e le OER sono ormai un fenomeno accettato e riconosciuto a livello didattico, anche se alcuni paesi, tra cui il nostro, sono in ritardo nell'implementazione delle iniziative OER.
Comunque, la cultura open sta entrando prepotentemente nel settore dell'educazione, dalla scuola all'università, dall'apprendimento formale a quello informale. Dal 2012 il fenomeno Open Education ha conquistato molta attenzione a livello internazionale in virtù della creazione dei primi MOOC.
Attualmente, il Gruppo Didattico è molto attivo nella generazione di nuovi MOOC rivolti soprattutto all'insegnamento dell'informatica nella scuola primaria e secondaria. Inoltre, ha creato un portale specificatamente progettato per l'ospitalità dei MOOC creati con gli strumenti del portale FARE (openedx.polito.it) .
I nuovi MOOC sono caratterizzati anche da alcuni videogiochi didattici (fruibili in Rete, o su personal computer, o su smartphone in ambiente Android) che sono stati sviluppati ad hoc per questi obiettivi.

Lo stato dell'arte internazionale

Negli ultimi anni è molto cresciuto, a livello internazionale, l'interesse per i sistemi di “e-learning”, ossia di apprendimento elettronico, in funzione di obiettivi di costo, adattabilità alle esigenze diverse degli allievi, apprendimento remoto. Tutti i sistemi di “e-learning” si basano su LOR’s o (“Learning Object Repositories”, ossia archivi di oggetti di apprendimento), come Alfresco, Nuxeo, Merlot e su meccanismi per la creazione di contenuti come Moodle.
Il grande numero di soluzioni importanti ha determinato una eccessiva frammentazione. Istituzioni molto simili dal punto di vista della vocazione didattica e della organizzazione hanno adottato soluzioni diverse. Ad esempio, il Politecnico di Torino ha scelto Alfresco, mentre l'Università di Torino ha preferito Nuxeo.
In passato sono state proposte alcune interessanti soluzioni per superare i problemi determinati dalla etereogenità e dalla frammentazione degli archivi. La più importante di queste soluzioni è chiamata Unified E-learning Repositories (UER) ed è caratterizzata dal tentativo di semplificare la condivisione degli archivi di diverse istituzioni con l'utilizzo di un unico punto di accesso, ma alcuni importanti problemi di interoperabilità devono ancora essere risolti.
L'interoperabilità richiede un'interfaccia standard per impostare le ricerche e gli ordini operativi. Un tentativo di creazione di questa interfaccia standard è rappresentato da Simple Query Interface (SQI) che è già stato adottato da alcuni sistemi di archiviazione di oggetti didattici. L'adozione di questa soluzione ha richiesto lo sviluppo di una linea di specifici strumenti per la traduzione di proposizioni scritte nel linguaggio proprietario, nelle corrispondenti proposizioni scritte nel linguaggio comune, e viceversa. La soluzione implica la generazione di costi dal punto di vista dei tempi di elaborazione e delle risorse di calcolo.
Più importante è lo standard definito da Content Management Interoperability Services (CMIS) che definiscono una linea di specificazioni di interfaccia (o API) che sono ora accettate da molti sistemi di gestione dei contenuti o “Content management systems”, compresi Alfresco e Nuxeo. Le API di CMIS consentono una facile gestione degli ordini di immissione o cancellazione di nuovi oggetti o di ricerche sull'archivio o anche il trattamento di alcuni dati di sintesi.

I meccanismi di interoperabilità di FARE

Per lo sviluppo del software di FARE abbiamo perseguito gli obiettivi di interoperabilità adottando un nuovo standard che abbiamo chiamato “Free Architecture for Interoperable Repositories (FAIR)”. La nostra soluzione sarà caratterizzata dai seguenti elementi:

adozione di solo software libero o “open source”;
tutti i contenuti disponibili sotto una licenza permissiva (Creative Commons BY-SA 3.0 IT);
semplice interfaccia utente sul web sia per gli insegnanti sia per gli allievi;
trasparente gestione, manipolazione e condivisione degli oggetti di diversi archivi;
controllo della qualità dei contenuti attraverso un processo di revisione;
ottimizzazione delle funzionalità, inclusa la produzione di diversi formati in funzione dei diversi dispositivi di collegamento al server.

Il nostro obiettivo primario è rappresentato dalla possibilità di connessione a molti degli archivi istituzionali attualmente esistenti, in modo tale che le risorse disponibili possano essere ricercate e utilizzate, sia dagli insegnanti sia dagli allievi, con meccanismi semplici. Inoltre, un sistema di accesso uniforme ed una interfaccia opportuna assicurano che gli insegnanti abbiano bisogno di apprendere soltanto un sistema semplice e non i molti sistemi che sono attualmente disponibili in ogni istituzione. Si noti che questa impostazione è anche adatta a integrare i contenuti che traggono origine non soltanto dalle scuole e dagli istituti di ricerca, ma anche dai musei e dalle istituzioni culturali che potrebbero disporre di archivi interessanti.
Inoltre, in conformità con l’obiettivo del controllo della qualità dei contenuti, la nostra architettura è stata progettata in modo tale che ogni risorsa nuova automaticamente includa una presentazione del contenuto basato su HTML 5 che potrà essere usato direttamente nel browser sia in modo online sia in modo offline. Questa caratteristica è stata particolarmente apprezzata dagli utenti del sistema.
Per quanto riguarda l’adozione esclusiva di software libero, i nostri strumenti sono composti da unità software sviluppate prevalentemente da ricercatori e insegnanti del “gruppo didattico”, sotto la direzione di un giovane ricercatore del Politecnico, l’ing. Leonardo Favario, e resi liberi sotto la licenza GNU General Public License (GPL). Piccole parti del software sviluppato dipendono da altro software a sua volta libero. In maggior dettaglio, l’infrastruttura che rende possibile l’applicazione e il web è uno standard ambiente LAMP: Linux, Apache, MySQL e PHP. A sua volta l’applicazione web è basata sull’architettura Drupal e Bootstrap che sono a loro volta software libero.
Ogni funzionalità è disponibile sia agli insegnanti sia agli allievi attraverso una opportuna interfaccia web relativamente semplice. Il sistema può gestire una grande varietà di oggetti di apprendimento, che vanno dai più semplici (come file di testo e immagini) a quelli più elaborati come i file SCORM, che sembrano rappresentare i fondamenti per costruire archivi interoperabili di apprendimento. Ogni oggetto di apprendimento è arricchito da opportuni dati di sintesi i cui valori sono memorizzati nell’archivio laddove risiedono gli stessi oggetti di apprendimento.
FARE è stato dotato anche di opportuni strumenti software, basati sul noto prodotto libero “Big Blue Button”, che consentono una facile attuazione di videolezioni e videoconferenze verso una pluralità di soggetti, tipicamente insegnanti o allievi. E’ anche possibile presentare lucidi, disegnare su una lavagna virtuale, attivare “chat”.
Il sottosistema di videoconferenza è perfettamente integrato in FAIR. Ad esempio, è possibile usare nell’ambito delle videolezioni gli oggetti didattici presenti sull’archivio. Inoltre, una videolezione può essere registrata e divenire un oggetto didattico memorizzato nell’archivio di FARE.

Il programma delle attività future

Il programma delle attività che si intende sviluppare nell’ambito dell’ iniziativa qui proposta può essere idealmente suddiviso nei tre capitoli centrali del “piano strategico di Ateneo”: la didattica, la ricerca e la terza missione.
Per quanto riguarda la didattica si intende prevalentemente ampliare l’archivio dei “Learning Objects” disponibili: conferenze, lezioni, libri, documenti, immagini e filmati, videolezioni interattive. I ricercatori del Politecnico certamente porteranno il loro contributo, ma si pensa che il volume più importante del materiale didattico sarà sviluppato da ricercatori o insegnanti esterni, di tutti i livelli di scuola dalla primaria all’università.
Per quanto riguarda la ricerca si intende prevalentemente perseguire i seguenti obiettivi.

Integrazione con standard IEEE LTSC

Il Learning Technologies Standards Committee sta lavorando su una serie di standard per la definizione, lo sviluppo e l’utilizzo di nuove tecnologie nel mondo della “Engineering Education”. Uno di questi standard è particolarmente adatto ai laboratori remoti da integrare in un LMS. Il sistema attualmente presente in FARE sarà adattato in modo tale da essere compatibile con questi standard ed essere facilmente integrabile con diverse piattaforme di elearning.

Creazione di un XBlock dedicato in Open edX

Siccome l’accesso ad un laboratorio remoto è particolarmente importante nel caso in cui tutta la didattica sia fruita via rete, le piattaforme che permettono di ospitare MOOC sono lo use case principale. Open edX è attualmente la piattaforma aperta di maggior successo nel campo dei MOOC. Data la sua natura modulare è possibile creare un modulo dedicato (XBlock) ad una particolare funzionalità ed integrarlo al suo interno. Un XBlock dedicato al laboratorio remoto sarà sviluppato e testato all’interno dei primi corsi su Python già presenti sulla piattaforma Open edX di ateneo.

Estensione della compatibilità

La versione attuale del laboratorio è dedicata ad unafamiglia specifica di robot, ma, per rendere la piattaforma più fruibile, è importante pensare ad una futura compatibilità con diverse piattaforme quali, e.g., Arduino/Rpi etc. Per far ciò è necessario scrivere delle librerie di traduzione specifiche che diano la possibilità di programmare un robot anche con nozioni di programmazione di base.

Creazione di test e correzione automatica

In ambienti remoti è necessario non solo utilizzare strumenti accessibili e fruibili anche in ambienti mobili, ma è anche fondamentale riuscire ad automatizzare alcuni processi. Ad esempio, il laboratorio remoto, che si compone di una parte di front-end dedicata all’interazione con del codice sorgente Python ed una di back-end per l’interazione con il robot fisico, sarà equipaggiato anche delle funzionalità di auto-correzione del codice. In questo modo, l’educatore potrà avvalersi di tale feature per comporre facilmente nuovi esercizi ed usare test automatici per la correzione. Questo permette una maggior scalabilità e la facile gestione di molteplici situazioni di educazione remota caratterizzati da molti utenti (i.e., MOOC).

Prototipo distribuito su più laboratori fisici

Siccome attualmente il laboratorio remoto sfrutta un solo luogo fisico per far muovere il robottino, esiste un problema di scalabilità: se molti utenti accedono al portale simultaneamente, essi dovranno aspettare a lungo prima di poter interagire con il robot (le sessioni hanno una durata di 10 minuti e sono prenotabili). Per ovviare a questa problematica sarà ingegnerizzata un’architettura scalabile che consentirà di accedere a diversi laboratori remoti in modo del tutto trasparente all’utente, ovvero l’utente non saprà a quale laboratorio starà accedendo ma potrà utilizzarlo come tutti gli altri, senza cambiare l’esperienza utente. Questo approccio distribuito permetterà di scalare rapidamente e affrontare la crescente domanda di educazione a distanza.

Integrazione nel portale della scuola in ospedale

Il laboratorio sarà integrabile nel nuovo portale della scuola in ospedale in modo tale da permettere ad insegnanti ed allievi ammalati di godere di un’esperienza di programmazione di robot remota.

Al capitolo della ricerca e a quello della formazione può essere attribuito il seguente programma di attività che intendiamo svolgere per migliorare le funzionalità e le prestazioni di FARE.
Il contesto della didattica internazionale sta lentamente virando verso una formazione sempre più a distanza e raggiungibile da ogni luogo e ad ogni ora grazie alle tecnologie dell’informazione. Si ricorda che sulle piattaforme disegnate e sviluppate dal gruppo di ricerca, più di 80% degli accessi avviene da dispositivo mobile (smartphone o tablet) e questi numeri sono perfettamente allineati con le statistiche delle piattaforme più conosciute a livello globale. Questa variazione nella modalità di fruizione di contenuti ha portato anche a modificare la composizione di un corso online che è sempre più dedicato ai nuovi “formati”: la lunghezza dei contenuti video si è ulteriormente accorciata rispetto agli standard settati pochi anni fa per i Massive Open Online Courses, le interfacce diventano “mobile first” e non più solo “responsive” by design, le pagine caricano contenuti in modo “lazy” grazie ad una pletora di script lato utente che quindi permettono di risparmiare banda – utile in special modo nel caso in cui l’utente usi una connessione dati – e favorisce una ricezione più immediata dei Learning Objects (LO).
Gli strumenti realizzati dal gruppo seguono questi approcci di design e usabilità. Infatti, le piattaforme sono state realizzate pensando all’utente finale, in questo caso lo studente che ha tipicamente bisogno di mobilità e accesso alle risorse a basso prezzo.
Per quanto riguarda i MOOC, l’accesso da parte di molti utenti su scala globale da diversi dispositivi risulta in un costo computazionale e di banda elevato anche lato server. A questo pro, è importante realizzare software in grado di scalare rapidamente in modo da assicurare la stessa Quality of Experience agli utenti finali e non rallentare le sessioni. Un esempio di piattaforma che rispetta queste specifiche ed è in
grado di garantire ottime prestazioni per utenti eterogenei è OpenedX. Open edX, già testata dal gruppo per pubblicare diversi MOOC di prova, è una piattaforma coperta da licenza libera che
rende possibile la creazione, l’organizzazione e la successiva pubblicazione di uno o più MOOC. La modularità dell’intera architettura permette di scalare velocemente e affrontare una mole elevata di richieste. Open edX è attualmente utilizzata da altre università nel mondo tra cui il Massachusetts Institute of Technology (MIT) e Stanford (Lagunita).
Infine, potrà essere considerato come “terza missione” il compito di illustrare agli operatori della scuola e ai loro allievi le modalità di impiego didattico e tecnologico degli strumenti e dei vari “learning objects”. Pensiamo che tale compito potrà essere svolto efficacemente da insegnanti e allievi di tutte le scuole.

Le collaborazioni aperte

Molti amici e colleghi del nostro ateneo hanno manifestato il loro interesse per il progetto qui presentato, nonché la loro disponibilità a collaborare, compatibilmente con i loro impegni già assunti..
Altre collaborazioni sono già attive a livello cittadino. Ricordiamo ad esempio il Progetto PON del Dipartimento di Informatica dell’Università di Torino, “ADOTTIAMO LA NOSTRA CITTÀ: IMPARIAMO AD AMARLA E VALORIZZARLA”.
Nel contesto di questo PON, il portale FARE gioca un ruolo fondamentale. Infatti, la piattaforma è stata scelta come il riferimento ufficiale del progetto. In prima battuta, gli studenti, coadiuvati da una serie di professori ed esperti, creeranno dei materiali didattici aperti e li inseriranno all’interno di uno dei repository collegati a FARE. Successivamente, i professori degli istituti partecipanti sceglieranno una serie di contenuti tramite le funzionalità di ricerca del portale e creeranno delle lezioni utilizzabili sia per lezioni frontali che in contesti remoti.
Ricordiamo anche il progetto “Erasmus+ KA229: Call 2018 Round 1 KA2 - Cooperation for innovation and the exchange of good practices”.
All’interno di questo progetto, il portale FARE sarà utilizzato come portale di riferimento per quanto riguarda le funzionalità di
repository di contenuti didattici aperti (OER). I contenuti creati dai vari partner del progetto – sia in lingua inglese che in italiano – saranno resi disponibili tramite l’interfaccia web del portale.
Si ricorda anche il concorso nazionale “Talentitaly” promosso dal MIUR, dove il portale FARE è stato premiato con il secondo posto con il punteggio finale di 92/100. Tra i commenti del scientific committee del premio è importante segnalare i seguenti: “Potenziale risolutivo ottimo. La proposta non è un MOOC quanto una piattaforma “open source” per la costruzione di MOOC. Novità e originalità eccellenti”.
A livello internazionale il nostro progetto è stato discusso in una cinquantina di convegni o conferenze.