Knowledge tracing (KT) is a field of study that predicts the future performance of students based on prior performance datasets collected from educational applications such as intelligent tutoring systems, learning management systems, and online courses. Some previous studies on KT have concentrated only on the interpretability of the model, whereas others have focused on enhancing the performance. Models that consider both interpretability and the performance improvement have been insufficient. Moreover, models that focus on performance improvements have not shown an overwhelming performance compared with existing models. In this study, we propose MonaCoBERT, which achieves the best performance on most benchmark datasets and has significant interpretability. MonaCoBERT uses a BERT-based architecture with monotonic convolutional multihead attention, which reflects forgetting behavior of the students and increases the representation power of the model. We can also increase the performance and interpretability using a classical test-theory-based (CTT-based) embedding strategy that considers the difficulty of the question. To determine why MonaCoBERT achieved the best performance and interpret the results quantitatively, we conducted ablation studies and additional analyses using Grad-CAM, UMAP, and various visualization techniques. The analysis results demonstrate that both attention components complement one another and that CTT-based embedding represents information on both global and local difficulties. We also demonstrate that our model represents the relationship between concepts.


翻译:知识追踪(KT)是一个研究领域,根据从智能辅导系统、学习管理系统和在线课程等教育应用中收集的以往业绩数据集预测学生的未来业绩。以前关于KT的一些研究仅侧重于模型的可解释性,而其他研究则侧重于提高绩效。考虑可解释性和绩效改进的模型不够充分。此外,侧重于绩效改进的模型与现有模型相比没有表现出压倒性的绩效。在本研究中,我们提议MonaCoBERT,它取得大多数基准数据集的最佳业绩并具有重要的可解释性。MonaCoBERT使用基于BERT的建筑,以单声波共振多头目关注,反映学生的遗忘行为,并增加模型的表达力。我们还可以使用传统的测试理论(基于CTT)嵌入战略来提高绩效和可解释性。为了确定为什么MonaCoBERT在大多数基准数据集上取得最佳业绩并解释结果,我们利用一个格拉德-CAM、UMAP和各种可视化方法进行对比性研究,我们用一种CAM概念来补充了另一种观点分析。

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