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Avaliação do conhecimento do estudante em sistemas tutores inteligentes baseados em passos: uma abordagem baseada em Deep Knowledge Tracing

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Autor Fonseca, Cleber Schroeder;
Lattes do autor http://lattes.cnpq.br/7364254671827839;
Orientador Maillard, Patrícia Augustin Jaques;
Lattes do orientador http://lattes.cnpq.br/5723385125570881;
Instituição Universidade do Vale do Rio dos Sinos;
Sigla da instituição Unisinos;
País da instituição Brasil;
Instituto/Departamento Escola Politécnica;
Idioma pt_BR;
Título Avaliação do conhecimento do estudante em sistemas tutores inteligentes baseados em passos: uma abordagem baseada em Deep Knowledge Tracing;
Resumo Sistemas Tutores Inteligentes (STIs) são ambientes de aprendizagem inteligentes que, por possuírem um modelo do conteúdo a ser ministrado, assim como informações do estudante, são capazes de oferecer ensino e assistência individualizada. Os STIs são quase tão eficientes quanto o aprendizado individualizado (one-to-one tutoring), aquele no qual o estudante fica sozinho com um professor, recebendo sua atenção exclusiva, durante um tempo previamente fixado. Essa maior eficiência se mostra ainda mais efetiva, quando os estudantes usam STIs baseados em passos, no qual recebem feedback do sistema a cada passo dado para a solução de um problema e não somente após a conclusão do exercício. Para fornecer instrução e assistência individualizada, os STIs se utilizam de técnicas de inteligência artificial (IA) para identificar e modelar as dificuldades e conhecimentos de cada estudante, retornando um conteúdo de qualidade, dentro das necessidades individualizadas do estudante. O componente do sistema responsável por avaliar o conhecimento e habilidades do estudante é o modelo de estudante; esse componente é responsável tanto por identificar qual o grau de proficiência dos estudantes em cada unidade de conhecimento, como por avaliar a chance de sucesso na próxima tarefa ou passo, a fim de prover assistência. Redes Bayesianas, Bayesian Knowledge Tracing (BKT) e Deep Knowledge Tracing (DKT) são as ferramentas atuais mais aplicadas para o desenvolvimento do modelo de estudante dos STIs, sendo que a técnica DKT é a que apresenta, atualmente, o melhor desempenho para modelos de estudante que buscam predizer sucesso na próxima tarefa. No entanto, essa técnica só foi empregada em STIs baseados em respostas, ou seja, STIs em que somente é analisada a resposta final do estudante. O objetivo do trabalho desenvolvido é a utilização do DKT para prever o sucesso do estudante no próximo passo em STIs baseados em passos. STIs baseados em passos são aqueles nos quais são analisados cada passo intermediário da resolução apresentada pelo estudante, fornecendo feedback e ajudas a cada nova interação. Ao utilizar os dados de um STI baseado em passos, o sistema recebe uma quantidade maior de informações, já que para concluir um exercício, em regra geral, o estudante fornece mais de um passo, tornando o modelo de estudante baseado em passos mais complexo e eficiente. Para esse estudo, foram utilizados os dados extraídos do sistema tutor PAT2Math, o qual se trata de um STI baseado em passos que assiste os estudantes na resolução de equações de primeiro grau. Os resultados demonstram que as Redes Neurais utilizando a arquitetura Multi-layer perceptron alcançaram um resultado geral muito próximo dos obtidos pelos trabalhos relacionados. No entanto, quando utilizados dados de STIs baseados em passos, esse resultado é ainda melhor. Enquanto os trabalhos relacionados atingiram AUC de 79,24% com redes LSTM para STIs baseados em respostas, o trabalho proposto atingiu AUC de 50% e F1-Score de 0,8506 utilizando a mesma rede LSTM com dados de STI baseado em passos, e AUC de 76,78% e F1-Score de 0,8657, quando aplicada a MLP com os mesmos dados, permitindo identificar que tal modelo de estudante tem potencial de utilização em STIs baseados em passos.;
Abstract Intelligent Tutoring Systems (ITS) are intelligent learning environments that, as they have a model of the content to be taught, as well as student information, are able to offer individualized teaching and assistance. ITS are almost as efficient as one-to-one tutoring, in which the student receives individualized assistance from a teacher. This greater efficiency is shown to be even more effective when students use step-based ITS, in which they receive feedback from the system at each step taken to solve a problem and not only after the end of the exercise. To provide individualized instruction and assistance, ITS use artificial intelligence (AI) techniques to identify and model the difficulties and knowledge of each student, returning quality content, adequate for the needs of the student. The component of the system responsible for assessing the student’s knowledge and skills is the student model; this component is responsible both for identifying the degree of proficiency of students in each knowledge unit, and for assessing the chance of success in the next task or step, in order to provide assistance. Bayesian Networks, Bayesian Knowledge Tracing (BKT) and Deep Knowledge Tracing (DKT) are the most applied current tools for the development of the ITS student model, and the DKT technique is the one that currently presents the best performance for student models that seek to predict success in the next task. However, this technique was only used in answer-based ITS, that is, ITS in which only the student’s final response is analyzed. The aim of the proposed work is to use DKT to predict student success in the next step in a step-based ITS. Step-based ITS are those in which each intermediate step of the solving process presented by the student is analyzed, providing feedback and help with each new interaction. When using data from a step-based ITS, the system receives a greater amount of information, since to complete an exercise, in general, the student provides more than one step, making the step-based student model more complex and efficient. For this study, data extracted from the PAT2Math tutor system was used, which is a step-based ITS that assists students in solving first degree equations. The results demonstrate that the Neural Networks using the multi-layer perceptron architecture achieved an overall result very close to those obtained by the related works. However, when using step-based ITS data, this result is even better. While the related work reached AUC of 79.24 % with LSTM networks for answer-based ITS, the proposed work reached AUC of 50% and of F1-Score of 0.8506 using the same LSTM network with step-based ITS , and AUC of 76.78 % and F1-Score of 0.8657, when applied to MLP with the same data, allowing to identify that such student model has potential for use in step-based ITS.;
Palavras-chave Modelo de estudante; Avaliação do conhecimento; Sistemas tutores inteligentes; Deep Knowledge Tracing; Student model; Knowledge tracing; Intelligent tutoring system;
Área(s) do conhecimento ACCNPQ::Ciências Exatas e da Terra::Ciência da Computação;
Tipo Dissertação;
Data de defesa 2020-10-06;
Agência de fomento CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior;
Direitos de acesso openAccess;
URI http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/9472;
Programa Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada;


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