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KR102685644B1 - Learning diagnostic system using explainable artificial intelligence - Google Patents

Learning diagnostic system using explainable artificial intelligence Download PDF

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KR102685644B1
KR102685644B1 KR1020210134246A KR20210134246A KR102685644B1 KR 102685644 B1 KR102685644 B1 KR 102685644B1 KR 1020210134246 A KR1020210134246 A KR 1020210134246A KR 20210134246 A KR20210134246 A KR 20210134246A KR 102685644 B1 KR102685644 B1 KR 102685644B1
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learning
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손민재
홍성관
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주식회사 교원
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Abstract

본 발명에 따른 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템은 사전에 훈련된 진단 모델을 기반으로 사용자의 지식 진단을 수행하여 상기 사용자에게 맞춤형 학습 콘텐츠를 제공하는 처리유닛을 포함하고, 상기 처리유닛은 상기 진단 모델을 기반으로 지식맵을 구축하고, 상기 사용자의 지식 상태에 따라 상기 지식맵의 학습 경로를 제공할 수 있다.The learning diagnosis system using explainable artificial intelligence according to the present invention includes a processing unit that performs a knowledge diagnosis of a user based on a pre-trained diagnostic model and provides customized learning content to the user, wherein the processing unit is configured to: A knowledge map can be constructed based on the diagnostic model, and a learning path of the knowledge map can be provided according to the user's knowledge state.

Description

설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템{LEARNING DIAGNOSTIC SYSTEM USING EXPLAINABLE ARTIFICIAL INTELLIGENCE} Learning diagnosis system using explainable artificial intelligence {LEARNING DIAGNOSTIC SYSTEM USING EXPLAINABLE ARTIFICIAL INTELLIGENCE}

본 발명은 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 학습자의 학습 진단을 수행하는 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a learning diagnosis system using explainable artificial intelligence, and more specifically, to a learning diagnosis system using explainable artificial intelligence that performs a learning diagnosis of a learner.

일반적으로 온라인 교육 시스템은 온라인 환경을 통해 학습자에 대한 교육을 수행한다. 다만, 온라인 교육 시스템에서 교수자가 학습자의 수준을 진단하고, 각 학습자에게 필요한 피드백을 적절하게 제공하기는 어려운 문제점이 있다.Generally, online education systems provide education to learners through an online environment. However, in the online education system, it is difficult for instructors to diagnose the level of learners and appropriately provide the necessary feedback to each learner.

종래의 온라인 교육 시스템은 이미 "대한민국 공개특허공보 제2007-0068594호(온라인 교육 시스템 및 방법, 2007.07.27.)"에 의해 공개되어 있다. 상기 공개발명은 온라인 환경을 통해 학습자에 대한 피드백을 제공하는 것을 특징으로 하고 있다.The conventional online education system has already been disclosed by “Korea Patent Publication No. 2007-0068594 (Online Education System and Method, July 27, 2007).” The disclosed invention is characterized by providing feedback to learners through an online environment.

이와 같이, 학습자 각각의 지식수준에 맞춘 맞춤형 학습 콘텐츠에 대한 가능성 및 필요성이 대두되고 있다. 학습자들은 개인별로 다른 지식수준과 능력을 보유하고 있고, 각자 다른 취약 부분을 가지고 있다. 이에, 현재 제공되는 온라인 교육 시스템은 개인의 지식수준에 맞는 콘텐츠를 제공하는 데에 집중하고 있으며, 다양한 방식으로 학습 효과를 향상시키기 위해 노력하고 있다. In this way, the possibility and need for customized learning content tailored to the knowledge level of each learner is emerging. Learners have different knowledge levels and abilities, and each individual has different weaknesses. Accordingly, the currently available online education system focuses on providing content appropriate to the individual's knowledge level and strives to improve learning effectiveness in various ways.

그러나 종래의 온라인 교육 시스템은 학습자의 학습 진단이 정교하지 않다. 그리고 정확하지 않은 학습 진단 결과에 근거하여 맞춤형 학습 콘텐츠를 제공함에 따라 효율성 및 신뢰성이 확보되지 않는 문제점 있다. However, conventional online education systems do not provide sophisticated diagnosis of learner learning. Additionally, there is a problem in that efficiency and reliability are not secured as customized learning content is provided based on inaccurate learning diagnosis results.

"대한민국 공개특허공보 제2007-0068594호(온라인 교육 시스템 및 방법, 2007.07.27.)"“Republic of Korea Patent Publication No. 2007-0068594 (Online education system and method, July 27, 2007)”

본 발명의 목적은 학습자의 지식수준을 진단하고 진단결과에 긍정적 영향 및 부정적 영향을 준 지식개념에 대한 분석 결과를 활용하여 지식 영역별 지식맵에서 학습자별 학습 경로를 최적화하는 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템을 제공하기 위한 것이다.The purpose of the present invention is to use explainable artificial intelligence to diagnose the learner's knowledge level and optimize the learning path for each learner in the knowledge map for each knowledge area by utilizing the analysis results of knowledge concepts that had a positive and negative impact on the diagnosis result. It is intended to provide a learning diagnosis system.

본 발명에 따른 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템은 사전에 훈련된 진단 모델을 기반으로 사용자의 지식 진단을 수행하여 상기 사용자에게 맞춤형 학습 콘텐츠를 제공하는 처리유닛을 포함하고, 상기 처리유닛은 상기 진단 모델을 기반으로 지식맵을 구축하고, 상기 사용자의 지식 상태에 따라 상기 지식맵의 학습 경로를 제공할 수 있다.The learning diagnosis system using explainable artificial intelligence according to the present invention includes a processing unit that performs a knowledge diagnosis of a user based on a pre-trained diagnostic model and provides customized learning content to the user, wherein the processing unit is configured to: A knowledge map can be constructed based on the diagnostic model, and a learning path of the knowledge map can be provided according to the user's knowledge state.

상기 처리유닛은 상기 지식맵의 구축에서 복수의 사용자로부터 제공되는 학습 데이터를 수집하여 상기 진단 모델을 생성할 수 있다.The processing unit may generate the diagnostic model by collecting learning data provided from a plurality of users in constructing the knowledge map.

상기 처리유닛은 상기 진단 모델의 생성에서 DKVMN(DKVMN(Dynamic Key-Value Memory Networks for Knowledge Tracing) 알고리즘을 적용할 수 있다.The processing unit may apply the Dynamic Key-Value Memory Networks for Knowledge Tracing (DKVMN) algorithm in generating the diagnostic model.

상기 처리유닛은 상기 진단 모델을 이용하여 지식개념 간 상관관계를 산출하고, 상기 상관관계를 이용하여 상기 지식맵을 구축할 수 있다.The processing unit may calculate a correlation between knowledge concepts using the diagnostic model and construct the knowledge map using the correlation.

상기 처리유닛은 상기 사용자의 지식 진단을 수행한 이후에 상기 사용자의 지식개념별 이해도를 산출할 수 있다.The processing unit may calculate the user's level of understanding for each knowledge concept after performing a diagnosis of the user's knowledge.

상기 처리유닛은 상기 사용자의 지식 진단을 수행한 이후에 상기 사용자의 지식개념별 이해도를 산출할 수 있다. The processing unit may calculate the user's level of understanding for each knowledge concept after performing a diagnosis of the user's knowledge.

상기 처리유닛은 상기 사용자의 지식 진단을 수행한 이후에 상기 학습 진단에 영향을 미친 개념들의 기여도를 분석할 수 있다.After performing the user's knowledge diagnosis, the processing unit may analyze the contribution of concepts that influenced the learning diagnosis.

상기 기여도 분석에서는 LRP(Layer-wise Relevance Propagation) 알고리즘이 적용될 수 있다.In the contribution analysis, the Layer-wise Relevance Propagation (LRP) algorithm may be applied.

상기 처리유닛은 상기 사용자의 지식 진단을 수행한 이후에 상기 지식맵의 학습 경로에 대한 최적화 분석하여 상기 지식맵의 학습 경로를 제공할 수 있다.After performing a diagnosis of the user's knowledge, the processing unit may provide a learning path of the knowledge map by optimally analyzing the learning path of the knowledge map.

한편, 본 발명에 따른 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 방법은 사전에 훈련된 진단 모델을 기반으로 지식맵을 구축하는 단계 및 상기 진단 모델을 기반으로 사용자의 지식 진단을 수행하는 단계 및 상기 사용자의 지식 상태에 대한 분석을 수행하여 상기 사용자에게 맞춤형 학습 콘텐츠를 제공하고, 상기 맞춤형 학습 콘텐츠는 상기 지식맵의 학습 경로를 포함할 수 있다.Meanwhile, the learning diagnosis method using explainable artificial intelligence according to the present invention includes the steps of building a knowledge map based on a pre-trained diagnosis model, performing a diagnosis of the user's knowledge based on the diagnosis model, and the steps of diagnosing the user's knowledge based on the diagnosis model. Analysis of the knowledge state is performed to provide customized learning content to the user, and the customized learning content may include a learning path of the knowledge map.

본 발명에 따른 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템은 여러 문항에 복합적으로 적용된 개념에 대한 개념별 이해도를 산출하고, 이를 기반으로 학습자의 지식수준에 대한 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The learning diagnosis system using explainable artificial intelligence according to the present invention has the effect of calculating the level of understanding for each concept for concepts applied in complex to multiple questions, and improving the accuracy of the learner's knowledge level based on this.

또한, 본 발명에 따른 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템은 모델을 활용하여 지식맵을 구성하고 진단결과에 대한 특성 기여도를 분석함으로써 지식맵의 맞춤학습 경로 분석에 활용할 수 있으며 이를 통해 학업 효율성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the learning diagnosis system using explainable artificial intelligence according to the present invention can be used to analyze the customized learning path of the knowledge map by constructing a knowledge map using a model and analyzing the characteristic contribution to the diagnosis result, thereby improving academic efficiency. There is an effect that can be improved.

이상과 같은 본 발명의 기술적 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention as described above are not limited to the effects mentioned above, and other technical effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 실시예에 따른 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도이고,
도 2는 본 실시예에 따른 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템의 지식맵 구축 방법 및 학습 진단 방법을 나타낸 흐름도이고,
도 3은 종래의 Knowledge Tracing 알고리즘과 본 실시예에 따른 DKVMN 알고리즘을 나타낸 개념도이고,
도 4는 본 실시예에 따른 DKVMN 알고리즘의 특성을 개략적으로 나타낸 개념도이고,
도 5는 본 실시예에 따른 LRP 알고리즘을 이용한 기여도 분석을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
1 is a conceptual diagram schematically showing a learning diagnosis system using explainable artificial intelligence according to this embodiment,
Figure 2 is a flowchart showing a knowledge map construction method and a learning diagnosis method of a learning diagnosis system using explainable artificial intelligence according to this embodiment;
Figure 3 is a conceptual diagram showing the conventional Knowledge Tracing algorithm and the DKVMN algorithm according to this embodiment;
Figure 4 is a conceptual diagram schematically showing the characteristics of the DKVMN algorithm according to this embodiment,
Figure 5 is a conceptual diagram schematically showing contribution analysis using the LRP algorithm according to this embodiment.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예는 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장되게 표현된 부분이 있을 수 있으며, 도면 상에서 동일 부호로 표시된 요소는 동일 요소를 의미한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. However, this embodiment is not limited to the embodiment disclosed below and can be implemented in various forms. This embodiment only serves to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to convey the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided for complete information. The shapes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation, and elements indicated with the same symbol in the drawings refer to the same elements.

도 1은 본 실시예에 따른 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도이다.1 is a conceptual diagram schematically showing a learning diagnosis system using explainable artificial intelligence according to this embodiment.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템(1000, 이하, 진단 시스템이라 칭한다.)은 학습자로부터 학습 데이터를 수집하여 개인 맞춤형 학습 진단을 수행할 수 있다.As shown in FIG. 1, the learning diagnosis system 1000 (hereinafter referred to as the diagnosis system) using explainable artificial intelligence according to this embodiment can collect learning data from learners and perform personalized learning diagnosis. .

이러한, 진단 시스템(1000)은 통신유닛(100), 데이터 수집유닛(200) 및 처리유닛(300)을 포함할 수 있다. This diagnostic system 1000 may include a communication unit 100, a data collection unit 200, and a processing unit 300.

통신유닛(100)은 유무선 방식을 통해 개인 단말기(10)와 연동되어, 학습자로부터 취득된 학습 데이터를 데이터 수집유닛(200)으로 제공할 수 있다. 여기서, 학습 데이터는 문항 풀이 결과데이터를 포함할 수 있다. 문항 풀이 결과데이터는 학습자에게 제공된 진단 문제에 대한 답안일 수 있다. 그리고 개인 단말기(10)는 학습 데이터를 취득하기 위한 컴퓨터, 스마트폰 및 태블릿 PC 등을 포함할 수 있다.The communication unit 100 can be linked with the personal terminal 10 through a wired or wireless method and provide learning data acquired from the learner to the data collection unit 200. Here, the learning data may include question solution result data. The question solution result data may be the answer to the diagnostic problem provided to the learner. And the personal terminal 10 may include a computer, a smartphone, a tablet PC, etc. for acquiring learning data.

이에, 데이터 수집유닛(200)은 학습자로부터 제공되는 학습 데이터를 저장 및 관리할 수 있고, 학습 데이터를 필요에 따라 처리유닛(300)으로 제공할 수 있다.Accordingly, the data collection unit 200 can store and manage learning data provided by learners, and provide the learning data to the processing unit 300 as needed.

이에, 처리유닛(300)은 학습자의 학습 진단을 수행할 수 있다. 이하에서는 진단 모델 생성에 따른 지식맵 구축 방법 및 진단 방법에 대하여 설명하도록 한다. Accordingly, the processing unit 300 can perform a learning diagnosis of the learner. Below, we will explain the knowledge map construction method and diagnosis method according to the creation of the diagnosis model.

도 2는 본 실시예에 따른 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템의 지식맵 구축 방법 및 학습 진단 방법을 나타낸 흐름도이다.Figure 2 is a flowchart showing a knowledge map construction method and a learning diagnosis method of a learning diagnosis system using explainable artificial intelligence according to this embodiment.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 진단 시스템(1000)의 처리유닛(300)은 진단 모델 생성에 따른 지식맵 구축(S100) 및 학습 진단(S200)을 수행할 수 있다.As shown in FIG. 2, the processing unit 300 of the diagnostic system 1000 according to this embodiment can perform knowledge map construction (S100) and learning diagnosis (S200) according to diagnostic model generation.

먼저, 지식맵 구축 방법에 대하여 설명하면, 진단 시스템(1000)은 개인 단말기(10)를 소지하고 진단 시스템(1000)에 접근 가능한 전체 사용자의 문제 풀이 결과데이터를 수집한다(S1). 이때, 진단 시스템(1000)은 문항 풀이 결과데이터를 수집하기 위하여 전체 사용자에게 진단 문제를 제공한 이후에, 문항 풀이 결과데이터를 수집할 수 있다.First, explaining how to build a knowledge map, the diagnostic system 1000 collects problem-solving result data from all users who possess the personal terminal 10 and can access the diagnostic system 1000 (S1). At this time, the diagnosis system 1000 may provide a diagnostic problem to all users in order to collect question solution result data and then collect the item solution result data.

이후, 진단 시스템(1000)은 문항 풀이 결과데이터를 포함하는 학습 데이터에 대한 데이터 정제 작업을 수행한다(S2). 이때, 진단 시스템(1000)은 문항 풀이 결과데이터를 전처리하는 과정을 거쳐 진단 모델을 생성하기 위한 훈련 데이터를 생성할 수 있다.Afterwards, the diagnosis system 1000 performs a data purification operation on the learning data including the question solution result data (S2). At this time, the diagnostic system 1000 may generate training data for generating a diagnostic model through a process of preprocessing the question solution result data.

이후, 진단 시스템(1000)은 훈련 데이터를 이용하여 모델 변수를 선택하고 지식 진단에 대한 진단 모델을 생성한다(S3). 일반적으로 학습자의 지식 상태를 진단하기 위해서는 Knowledge Tracing 알고리즘이 사용되고 있다. Afterwards, the diagnosis system 1000 selects model variables using the training data and creates a diagnosis model for knowledge diagnosis (S3). In general, the Knowledge Tracing algorithm is used to diagnose the learner's knowledge status.

도 3은 종래의 Knowledge Tracing 알고리즘과 본 실시예에 따른 DKVMN 알고리즘을 나타낸 개념도이다.Figure 3 is a conceptual diagram showing the conventional Knowledge Tracing algorithm and the DKVMN algorithm according to this embodiment.

도 3에 도시된 바와 같이, Knowledge Tracing 알고리즘(이하, KT 알고리즘이라 칭한다.)은 어떤 기능을 습득하는 동안 변화하는 학습자의 지식 상태를 모델링할 수 있다. KT 알고리즘은 학습 데이터, 즉 학습자별로 풀이한 문항과 정답 여부를 활용하여 학습자가 학습한 지식개념에 대한 숙련 정도를 정량적으로 진단한다.As shown in Figure 3, the Knowledge Tracing algorithm (hereinafter referred to as the KT algorithm) can model the learner's knowledge state that changes while acquiring a certain function. The KT algorithm uses learning data, that is, questions solved by each learner and whether or not they are correct, to quantitatively diagnose the learner's level of proficiency in the knowledge concepts they have learned.

특히, 종래의 온라인 교육 시스템에서는 지식 진단을 위해 통계기반 KT 알고리즘인 BKT(Bayesian Knowledge Tracing) 알고리즘을 사용하고 있다. In particular, conventional online education systems use the BKT (Bayesian Knowledge Tracing) algorithm, a statistical-based KT algorithm, to diagnose knowledge.

BKT 알고리즘은 은닉 마르코프 모델(HMM : Hidden Markov Model)과 베이지안(Bayesian) 추론을 이용하여 학습자의 지식 상태를 모델링한다. 그러나 길이가 긴 학습 이력에 대해 모델링이 어렵기 때문에 복잡한 데이터를 처리하기에 적합하지 않다. 그리고 문항 간 관계를 독립적으로 가정하는데 현실의 학습개념은 위계적으로 관계가 있어 적용에 한계가 있다.The BKT algorithm models the learner's knowledge state using the Hidden Markov Model (HMM) and Bayesian inference. However, it is not suitable for processing complex data because it is difficult to model long learning histories. In addition, the relationship between items is assumed to be independent, but the actual learning concept is hierarchically related, so there are limitations in application.

이에, 개념을 따로 가정하지 않고 사용자에 따라 반응을 예측하는 딥러닝 모델을 활용한 DKT(Deep Knowledge Tracing) 알고리즘에 대한 연구개발이 이루어지고 있다. 그러나 DKT 알고리즘은 딥러닝의 특성상 학습개념이 딥러닝 상에서 숨겨진 블랙박스(Black box)로 존재하여 학습개념을 파악하기 어려운 문제점이 있다. Accordingly, research and development is being conducted on the DKT (Deep Knowledge Tracing) algorithm using a deep learning model that predicts responses according to the user without making separate assumptions about the concept. However, due to the nature of deep learning, the DKT algorithm has a problem in that the learning concept exists as a hidden black box in deep learning, making it difficult to understand the learning concept.

이에, 본 실시예에 따른 진단 시스템은 DKVMN(DKVMN(Dynamic Key-Value Memory Networks for Knowledge Tracing) 알고리즘을 적용하여 진단 모델을 생성한다. DKVMN 알고리즘은 한계점이 있는 BKT 알고리즘보다 높은 성능을 발휘하고, 다양한 개념들 사이의 상호작용을 고려하기 위한 딥러닝 기법의 접근 방법이다. DKVMN 알고리즘은 주어진 문제에서 각 개념의 가중치를 계산하고 각 학생이 각 개념들을 어떻게 이해하는지를 추적하는 key-value maxrix를 활용하는 방식으로 여러 문항에 복합적으로 적용된 지식개념에 대한 지식수준을 산출한다.Accordingly, the diagnostic system according to this embodiment generates a diagnostic model by applying the Dynamic Key-Value Memory Networks for Knowledge Tracing (DKVMN) algorithm. The DKVMN algorithm exhibits higher performance than the BKT algorithm, which has limitations, and provides various The DKVMN algorithm is a deep learning approach to consider interactions between concepts and uses a key-value maxrix to calculate the weight of each concept in a given problem and track how each student understands each concept. This calculates the level of knowledge about knowledge concepts applied complexly to multiple questions.

도 4는 본 실시예에 따른 DKVMN 알고리즘의 특성을 개략적으로 나타낸 개념도이다.Figure 4 is a conceptual diagram schematically showing the characteristics of the DKVMN algorithm according to this embodiment.

도 4에 도시된 바와 같이, DKVMN 알고리즘에서는 S1과 같이 상관 가중치를 구할 수 있다. 이때, DKVMN 알고리즘에서는 문제 인덱스 임베딩 벡터와 Key Matrix의 각 열벡터들과 어텐션(Attention)을 통해서 n개의 잠재개념(Latent Concept)들 각각에 대한 유사도를 계산하다. 그리고 소프트맥스(Softmax)를 통해 정규화를 수행하여 상관 가중치를 구할 수 있다. As shown in Figure 4, in the DKVMN algorithm, the correlation weight can be obtained as in S1. At this time, the DKVMN algorithm calculates the similarity for each of n latent concepts through the problem index embedding vector, each column vector of the key matrix, and attention. And the correlation weight can be obtained by performing normalization through Softmax.

또한, DKVMN 알고리즘에서는 S2와 같이 도출된 상관 가중치

Figure 112021115887579-pat00001
에 Value Matrix 의 각 행을 합해 학습자의 문제 에 대한 이해상태 를 계산할 수 있다. 다만, 다른 난이도의 문제일 때 같은 가중치를 가지면 같은 값이 나올 수 있다. 이를 해결하기 위해 레이어를 적용하여 최종 문제를 맞힐 확률 를 산출할 수 있다.Additionally, in the DKVMN algorithm, the correlation weight derived as in S2
Figure 112021115887579-pat00001
In Value Matrix Learner's problem by summing up each row of state of understanding can be calculated. However, when problems of different difficulty levels are given the same weight, the same value may be obtained. Probability of getting the final problem right by applying layers to solve it can be calculated.

그리고 DKVMN 알고리즘에서는 S3과 같이 사용자의 상호작용을 활용하여 현재 사용자의 개념상태(Concept State)를 업데이트하는 과정을 거칠 수 있다. And in the DKVMN algorithm, like S3, the user's interaction can be used to update the current user's concept state.

이러한 DKVMN 알고리즘을 이용하여 진단 모델을 생성되면, 진단 시스템(1000)은 지식개념 간 상관관계를 산출할 수 있다(S4).When a diagnostic model is created using the DKVMN algorithm, the diagnostic system 1000 can calculate correlations between knowledge concepts (S4).

그리고 진단 시스템(1000)은 지식개념 간 상관관계를 이용하여 지식맵을 구축한다(S5). 지식맵은 지식 콘텐츠를 분야 및 개념 등으로 분류 및 연계하여 연속적으로 지식 콘텐츠를 제공할 수 있는 콘텐츠를 의미할 수 있다. 즉, 복수의 콘텐츠를 연계하여 마이즈맵 형태로 연속 학습하도록 하는 콘텐츠를 의미할 수 있으나, 이는 본 실시예를 설명하기 위한 것으로 이를 한정하지는 않는다. Then, the diagnosis system 1000 builds a knowledge map using the correlation between knowledge concepts (S5). A knowledge map may refer to content that can continuously provide knowledge content by classifying and linking knowledge content into fields and concepts. In other words, it may refer to content that links multiple contents to enable continuous learning in the form of a Mysmap, but this is for the purpose of explaining the present embodiment and is not limited thereto.

그리고 지식맵이 구축되면, 진단 시스템(1000)은 학습 진단을 위한 서비스를 시작할 수 있다.And when the knowledge map is built, the diagnosis system 1000 can start a service for learning diagnosis.

이하, 학습 진단 방법에 대하여 설명하면, 진단 시스템(1000)으로는 학습 진단을 수행하고자 하는 사용자가 접근할 수 있다. 이에, 진단 시스템(1000)은 사용자 접근에 따라 해당 사용자에 대응되는 정보가 존재하는지 확인을 한다(S6).Hereinafter, the learning diagnosis method will be described. The diagnosis system 1000 can be accessed by a user who wishes to perform a learning diagnosis. Accordingly, the diagnosis system 1000 checks whether information corresponding to the user exists according to the user access (S6).

이후, 진단 시스템(1000)은 진단 모델을 기반으로 학습 진단을 수행한다(S7). 즉, DKVMN 알고리즘을 통해 생성된 진단 모델을 이용하여 사용자 개인에 대한 학습 진단을 수행할 수 있다. Afterwards, the diagnosis system 1000 performs learning diagnosis based on the diagnosis model (S7). In other words, learning diagnosis for individual users can be performed using the diagnosis model generated through the DKVMN algorithm.

그리고 진단 시스템(1000)은 지식개념별 이해도 산출(S8) 수행 및 진단결과에 긍정 및 부정 영향을 미친 개념들의 기여도 분석(S9)을 수행할 수 있다.In addition, the diagnosis system 1000 can perform understanding calculation for each knowledge concept (S8) and contribution analysis (S9) of concepts that had a positive or negative impact on the diagnosis result.

먼저 진단 시스템(1000)은 사용자의 이해도를 산출할 수 있다. 이때, 진단 시스템은 지식개념별 이해도를 산출할 수 있다. 즉, 진단 시스템(1000)은 DKVMN 알고리즘의 상관 가중치를 이용하여 지식개념별 이해도를 산출할 수 있다.First, the diagnostic system 1000 can calculate the user's level of understanding. At this time, the diagnosis system can calculate the level of understanding for each knowledge concept. That is, the diagnosis system 1000 can calculate the degree of understanding for each knowledge concept using the correlation weight of the DKVMN algorithm.

그리고 진단 시스템(1000)은 학습 진단 예측에 영향을 미친 개념들의 기여도를 분석할 수 있다. 기여도 분석에서는 LRP(Layer-wise Relevance Propagation) 알고리즘이 적용될 수 있다. And the diagnosis system 1000 can analyze the contribution of concepts that influenced the learning diagnosis prediction. In contribution analysis, the Layer-wise Relevance Propagation (LRP) algorithm can be applied.

도 5는 본 실시예에 따른 LRP 알고리즘을 이용한 기여도 분석을 개략적으로 나타낸 개념도이다.Figure 5 is a conceptual diagram schematically showing contribution analysis using the LRP algorithm according to this embodiment.

도 5와 같이, 본 실시예에 따른 LRP 알고리즘은 분해를 통한 설명(explanation by decomposition)을 통해 뉴럴 네트워크의 결과물을 이해할 수 있도록 지원하는 방법이다. 이러한 LRP 알고리즘은 딥러닝의 활성화 기능(activation function)에 대하여 이전 레이어에서 얼마나 영향을 주는지에 대한 관련성 점수(relevancy score)를 산출할 수 있다.As shown in FIG. 5, the LRP algorithm according to this embodiment is a method that supports understanding the results of a neural network through explanation by decomposition. This LRP algorithm can calculate a relevance score that indicates how much influence the previous layer has on the activation function of deep learning.

기본가정에서 각 뉴런은 어느 정도의 기여도(certain relevance)를 가지고 있다. 기여도는 탑-다운(Top-Down) 방식으로 각 뉴런의 출력단에서 입력단 방향으로 재분배되는 특성을 가지고 있다. 여기서, LRP 알고리즘은 분배 및 재분배 시의 기여도가 보존되는 특성을 갖는다.The basic assumption is that each neuron has some degree of contribution (certain relevance). Contribution has the characteristic of being redistributed from the output end of each neuron to the input end in a top-down manner. Here, the LRP algorithm has the characteristic of preserving contributions during distribution and redistribution.

이에, 기여도를 산출하기 위해서 LRP 알고리즘은 특정 입력

Figure 112021115887579-pat00006
에 대한 뉴럴 네트워크의 최종 출력은
Figure 112021115887579-pat00007
이다. 출력단의 뉴런이 가지는 관련성 점수
Figure 112021115887579-pat00008
Figure 112021115887579-pat00009
와 같게 둔 다음 이전 레이어들로 번식(propagation)을 진행한다. 이에, 이전 레이어로 계속해서 번식을 진행하면 뉴럴 네트워크 상의 모든 뉴런들의 관련성 점수를 계산할 수 있기 때문에 진단 시스템(1000)은 진단결과에 긍정 및 부정 영향을 미친 개념들에 대한 기여도를 분석할 수 있다.Therefore, in order to calculate the contribution, the LRP algorithm uses a specific input
Figure 112021115887579-pat00006
The final output of the neural network for is
Figure 112021115887579-pat00007
am. Relevance score of the output neuron
Figure 112021115887579-pat00008
cast
Figure 112021115887579-pat00009
Leave it the same as and then proceed with propagation to the previous layers. Accordingly, if propagation continues to the previous layer, the relevance score of all neurons in the neural network can be calculated, so the diagnosis system 1000 can analyze the contribution of concepts that had a positive and negative influence on the diagnosis result.

한편, 다시 도 2를 참조하면, 이해도 산출(S7) 및 기여도 분석(S8)이 완료된 이후에 진단 시스템(1000)은 사전에 생성된 지식맵의 학습 경로에 대한 최적화 분석을 수행할 수 있다(S10). Meanwhile, referring again to FIG. 2, after computation of understanding (S7) and contribution analysis (S8) are completed, the diagnosis system 1000 may perform optimization analysis on the learning path of the knowledge map created in advance ( S10).

즉, 사용자 맞춤형 학습 방법을 설정할 수 있다. 그리고 진단 시스템(1000)은 사용자마다 대응되는 학습 경로로 맞춤형 학습 콘텐츠를 제공할 수 있다(S11). In other words, you can set a user-tailored learning method. And the diagnosis system 1000 can provide customized learning content with a learning path corresponding to each user (S11).

한편, 진단 시스템(1000)으로는 학습 진단을 수행하고자 하는 신규 사용자가 접근할 수 있다(S12). 이에, 진단 시스템(1000)은 사용자 접근에 따라 해당 사용자에 대응되는 정보가 존재하는지 우선적으로 확인을 한다. Meanwhile, the diagnosis system 1000 can be accessed by a new user who wishes to perform a learning diagnosis (S12). Accordingly, the diagnosis system 1000 first checks whether information corresponding to the user exists according to the user's access.

만약, 접근한 사용자에 대한 점수 예측 모델이 존재하지 않는다면, 진단 시스템(1000)은 사용자에게 진단 문제를 제공한다(S13). 그리고 사용자로부터 진단 문제에 대한 문항 풀이 결과데이터가 제공되면, 진단 시스템(1000)은 학습 데이터의 정제 과정을 거쳐 해당 사용자에 대한 모델링 데이터를 생성한다(S14).If there is no score prediction model for the accessed user, the diagnosis system 1000 provides a diagnosis problem to the user (S13). Then, when the user provides result data for solving the diagnostic problem, the diagnostic system 1000 generates modeling data for the user through a purification process of the learning data (S14).

이후, 진단 시스템은 상술한 바와 같이, 학습 진단 모델을 기반으로 지식 진단을 수행하고, 이해도 산출 및 기여도 분석 과정을 거쳐 해당 사용자의 지식맵 학습 경로를 최적화한다. 그리고 진단 시스템(1000)은 사용자에 대응되는 학습 경로로 맞춤형 학습 콘텐츠를 제공할 수 있다. Afterwards, as described above, the diagnosis system performs knowledge diagnosis based on the learning diagnosis model and optimizes the user's knowledge map learning path through understanding calculation and contribution analysis processes. And the diagnosis system 1000 can provide customized learning content through a learning path corresponding to the user.

이와 같이, 본 발명에 따른 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템은 여러 문항에 복합적으로 적용된 개념에 대한 개념별 이해도를 산출하고, 이를 기반으로 학습자의 지식수준에 대한 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In this way, the learning diagnosis system using explainable artificial intelligence according to the present invention has the effect of calculating the understanding of each concept for concepts applied in complex to several questions, and improving the accuracy of the learner's knowledge level based on this. there is.

또한, 본 발명에 따른 설설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템은 모델을 활용하여 지식맵을 구성하고 진단결과에 대한 특성 기여도를 분석함으로써 지식맵의 맞춤학습 경로 분석에 활용할 수 있으며 이를 통해 학업 효율성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the learning diagnosis system using explainable artificial intelligence according to the present invention can be used to analyze the customized learning path of the knowledge map by constructing a knowledge map using a model and analyzing the contribution of characteristics to the diagnosis result, thereby improving academic efficiency. There is an effect that can improve.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.An embodiment of the present invention described above and shown in the drawings should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the matters stated in the claims, and those skilled in the art can improve and change the technical idea of the present invention into various forms. Therefore, such improvements and changes will fall within the scope of protection of the present invention as long as they are obvious to those skilled in the art.

Claims (10)

사전에 훈련된 진단 모델을 기반으로 사용자의 지식 진단을 수행하여 상기 사용자에게 맞춤형 학습 콘텐츠를 제공하는 처리유닛을 포함하고,
상기 진단 모델은
DKVMN(Dynamic Key-Value Memory Networks for Knowledge Tracing) 알고리즘을 기반으로 생성되고,
상기 처리유닛은
상기 진단 모델을 이용하여 산출되는 지식개념 간의 상관관계를 이용하여 지식맵을 구축하고,
상기 사용자의 지식 진단에서,
상기 사용자의 정보를 상기 진단 모델에 입력하여 지식 진단을 수행하고,
상기 지식 진단을 수행한 이후에 상기 진단 모델로부터 상기 지식 진단에서 생성되는 상기 각 지식개념의 상관 가중치를 이용하여 상기 사용자의 지식개념별 이해도를 산출하고,
상기 지식 진단에 영향을 미친 지식개념들의 기여도를 분석하고,
상기 지식개념별 이해도와 상기 기여도를 기반으로 판단되는 상기 사용자의 지식 상태에 따라 상기 지식맵의 학습 경로에 대한 최적화를 분석하여 상기 사용자에게 상기 학습 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템.
It includes a processing unit that performs a user's knowledge diagnosis based on a pre-trained diagnosis model and provides customized learning content to the user,
The diagnostic model is
Generated based on the DKVMN (Dynamic Key-Value Memory Networks for Knowledge Tracing) algorithm,
The processing unit is
Construct a knowledge map using the correlation between knowledge concepts calculated using the diagnostic model,
In the diagnosis of the user's knowledge,
Perform knowledge diagnosis by inputting the user's information into the diagnosis model,
After performing the knowledge diagnosis, the user's understanding of each knowledge concept is calculated from the diagnosis model using the correlation weight of each knowledge concept generated in the knowledge diagnosis,
Analyzing the contribution of knowledge concepts that influenced the above knowledge diagnosis,
Explainable artificial intelligence is characterized in that it provides the learning path to the user by analyzing the optimization of the learning path of the knowledge map according to the user's knowledge state determined based on the understanding of each knowledge concept and the contribution. Learning diagnosis system used.
제1 항에 있어서,
상기 처리유닛은
상기 지식맵의 구축에서 복수의 사용자로부터 제공되는 학습 데이터를 수집하여 상기 진단 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템.
According to claim 1,
The processing unit is
A learning diagnosis system using explainable artificial intelligence, characterized in that the diagnosis model is generated by collecting learning data provided from a plurality of users in constructing the knowledge map.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 기여도 분석에서는
LRP(Layer-wise Relevance Propagation) 알고리즘이 적용되는 것을 특징으로 하는 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 시스템.
According to claim 1,
In the above contribution analysis,
A learning diagnosis system using explainable artificial intelligence, characterized by applying the LRP (Layer-wise Relevance Propagation) algorithm.
삭제delete 처리유닛이 사전에 훈련된 진단 모델을 기반으로 지식맵을 구축하는 단계;
상기 처리유닛이 상기 진단 모델을 기반으로 사용자의 지식 진단을 수행하는 단계; 및
상기 처리유닛이 상기 사용자의 지식 상태에 대한 분석을 수행하여 상기 사용자에게 맞춤형 학습 콘텐츠를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 진단 모델은
DKVMN(Dynamic Key-Value Memory Networks for Knowledge Tracing) 알고리즘을 기반으로 생성되고,
상기 지식맵을 구축하는 단계에서는
상기 처리유닛이 상기 진단 모델을 이용하여 산출되는 지식개념 간의 상관관계를 이용하여 지식맵을 구축하고,
상기 학습 진단을 수행하는 단계는
상기 처리유닛이 상기 사용자의 정보를 상기 진단 모델에 입력하여 지식 진단을 수행하는 단계와,
상기 처리유닛이 상기 진단 모델로부터 상기 지식 진단에서 생성되는 상기 각 지식개념의 상관 가중치를 이용하여 상기 사용자의 지식개념별 이해도를 산출하는 단계와,
상기 처리유닛이 상기 지식 진단에 영향을 미친 지식개념들의 기여도를 분석하는 단계를 포함하고,
상기 맞춤형 학습 콘텐츠를 제공하는 단계에서는
상기 지식개념별 이해도와 상기 기여도를 기반으로 판단되는 상기 사용자의 지식 상태에 따라 상기 지식맵의 학습 경로에 대한 최적화를 분석하고 상기 학습 경로를 상기 사용자에게 제공하는 것을 특징으로 하는 설명 가능한 인공지능을 이용한 학습 진단 방법.
A processing unit constructing a knowledge map based on a pre-trained diagnostic model;
performing, by the processing unit, a user's knowledge diagnosis based on the diagnosis model; and
A step of the processing unit performing analysis on the user's knowledge state and providing customized learning content to the user,
The diagnostic model is
Generated based on the DKVMN (Dynamic Key-Value Memory Networks for Knowledge Tracing) algorithm,
In the step of building the knowledge map,
The processing unit constructs a knowledge map using correlations between knowledge concepts calculated using the diagnostic model,
The steps for performing the learning diagnosis are
performing knowledge diagnosis by the processing unit inputting the user information into the diagnosis model;
The processing unit calculates the user's understanding of each knowledge concept using the correlation weight of each knowledge concept generated in the knowledge diagnosis from the diagnosis model;
A step of the processing unit analyzing the contribution of knowledge concepts that influenced the knowledge diagnosis,
In the step of providing the customized learning content,
Explainable artificial intelligence is characterized in that the optimization of the learning path of the knowledge map is analyzed according to the user's knowledge state determined based on the understanding of each knowledge concept and the contribution, and the learning path is provided to the user. Learning diagnosis method used.
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