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知识追踪的双图模型集成方法

期刊:ACM Transactions on Information SystemsDOI:https://doi.org/10.1145/3638350

本文属于类型a,即一篇单篇原创研究的学术报告。以下是详细的内容介绍:


一、主要作者及研究机构
本研究由Chaoran Cui、Yumo Yao、Chunyun Zhang、Hebo Ma(山东财经大学)、Yuling Ma(山东建筑大学)、Zhaochun Ren(莱顿大学)、Chen Zhang(香港理工大学)和James Ko(香港教育大学)共同完成,发表于2024年1月的《ACM Transactions on Information Systems》期刊。


二、学术背景
本研究属于在线教育(E-learning)领域,特别是知识追踪(Knowledge Tracing, KT)。知识追踪旨在通过预测学生在与概念相关习题上的未来表现,追踪其知识状态的演变。近年来,基于图(Graph)的模型被开发用于改进知识追踪,但这些模型通常只探索单一类型的关系信息。本研究提出了一种新颖的双图集成学习方法(Dual Graph Ensemble Learning Method for Knowledge Tracing, DGEKT),通过超图(Hypergraph)和有向图(Directed Graph)建模,分别捕捉学生学习交互的异质化习题-概念关联(Exercise-Concept Associations)和交互转换(Interaction Transitions)。为了结合双图模型,本研究引入了在线知识蒸馏(Online Knowledge Distillation)技术,以提高模型能力。

研究的主要目标是开发一种更有效的知识追踪方法,通过整合多种关系信息,提升对学生知识状态的建模能力,从而为个性化学习提供支持。


三、研究流程及方法

  1. 问题定义
    研究将知识追踪问题定义为:给定学生的习题回答序列,预测其在下一个习题上回答正确的概率。学生的知识状态通过其过去的交互来间接推断。

  2. 双图结构设计
    研究提出了双图结构,包括:

  • 概念关联超图(Concept Association Hypergraph, CAHG):通过超图建模习题与知识概念之间的关系。每个超节点代表与同一概念相关的学习交互。
  • 有向转换图(Directed Transition Graph, DTG):通过有向图建模学生学习序列中交互之间的转换关系。每条边表示在某一学生的学习序列中某一交互紧随另一交互。
  1. 图嵌入与序列建模
    使用超图卷积网络(Hypergraph Convolutional Networks, HGCNs)和有向图卷积网络(Directed Graph Convolutional Networks, DGCNs)分别学习双图中的
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