一種結(jié)合深度知識追蹤的個性化習(xí)題推薦方法

馬驍睿，徐 圓，朱群雄

(北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

Email：mxrui1995@163.com

1 引 言

隨著信息化時代的到來，各行各業(yè)都受到了信息時代的影響.在教育領(lǐng)域，在線教育和智能教育產(chǎn)業(yè)規(guī)模這幾年得到了快速增長，在線教育平臺為學(xué)生提供了大量的習(xí)題和教育資源，吸引了大量的學(xué)習(xí)者來到在線平臺進(jìn)行學(xué)習(xí).然而，隨著教育資源規(guī)模的日漸龐大，學(xué)生往往陷入學(xué)習(xí)資源的選擇困難.這既是因?yàn)橘Y源數(shù)量太過龐大，出現(xiàn)了信息過載的問題，也是因?yàn)樵诰€教育方式相比傳統(tǒng)教學(xué)方式不能實(shí)時地對學(xué)生提供指導(dǎo)，無法提供個性化的學(xué)習(xí)推薦.因此，如何在海量的習(xí)題資源中為學(xué)生精準(zhǔn)地推薦合適的習(xí)題就成了一個值得關(guān)注的研究課題.

這幾年來，推薦系統(tǒng)的技術(shù)逐漸被研究者們應(yīng)用在習(xí)題推薦中，學(xué)者們將習(xí)題看作商業(yè)系統(tǒng)中的商品，學(xué)生看作用戶，以學(xué)生在習(xí)題上的成績作為用戶對商品的評分，學(xué)生的習(xí)題得分預(yù)測就可以轉(zhuǎn)化為用戶的商品評分預(yù)測，從而對學(xué)生進(jìn)行推薦.現(xiàn)有習(xí)題推薦方法主要分為基于協(xié)同過濾的方法和基于知識建模的方法，其中基于協(xié)同過濾的習(xí)題推薦方法研究現(xiàn)狀如下：Walker等通過用戶提交有關(guān)教育資源的評論和訪問搜索他人評價(jià)來產(chǎn)生個性化推薦以及尋找具有相似興趣的其他用戶[1]；Hsu等使用協(xié)同過濾和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析學(xué)生的閱讀數(shù)據(jù)并生成推薦分?jǐn)?shù)，幫助學(xué)生選擇合適的課程[2]；Segal等提出了學(xué)生個性化排序算法EduRank，使用協(xié)同過濾找到目標(biāo)學(xué)生的相似學(xué)生，通過匯總相似學(xué)生的排名來構(gòu)建對目標(biāo)學(xué)生的問題難度排名，可以被用來輔助教師為學(xué)生量身定制習(xí)題集和考試[3]；Milicevic等提出了一個編程輔導(dǎo)系統(tǒng)的推薦模塊Protus，通過AprioriAll算法挖掘頻繁序列分析相似學(xué)生的習(xí)慣和興趣，并根據(jù)對這些頻繁序列的評級完成個性化推薦，可以自動適應(yīng)學(xué)生的興趣和知識水平[4]；Wu等提出了一種基于模糊樹匹配的學(xué)習(xí)資料推薦方法[5]；Toledo等使用協(xié)同過濾方法實(shí)現(xiàn)學(xué)生在線編程平臺的推薦系統(tǒng)[6].基于協(xié)同過濾的習(xí)題推薦方法結(jié)構(gòu)簡單、可解釋，但往往忽略了學(xué)生對知識的掌握狀態(tài)信息，在推薦的精準(zhǔn)性方面有所欠缺.

基于知識建模的習(xí)題推薦方法研究現(xiàn)狀如下：Dwivedi等通過考慮學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)方式、目標(biāo)、知識水平、學(xué)習(xí)路徑等提供個性化推薦[7]；Ye等提出了一種基于異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)資源推薦方法，通過貝葉斯知識追蹤對學(xué)生知識建模，并計(jì)算學(xué)生與學(xué)習(xí)資源之間的語義相似度進(jìn)行排名推薦[8]；Halawa等基于邁爾斯-布里格斯類型指標(biāo)(MBTI)理論識別學(xué)生個性和學(xué)習(xí)方式，并以此來推薦學(xué)習(xí)課程[9]；Zhu等提出將認(rèn)知診斷模型與概率矩陣分解結(jié)合進(jìn)行推薦[10]；Jiang等提出了一種基于知識點(diǎn)層次圖的個性化習(xí)題推薦算法，通過構(gòu)建表征知識點(diǎn)層次關(guān)系的權(quán)重圖，結(jié)合學(xué)生的知識掌握情況，產(chǎn)生個性化習(xí)題推薦[11].基于知識建模的方法能夠考慮學(xué)生的知識狀態(tài)，基于個人的知識水平做出推薦，但是沒有將相似學(xué)生的信息加入?yún)⒖迹雎粤藢W(xué)習(xí)的群體性.

協(xié)同過濾推薦方法和基于知識建模的推薦方法相比，前者忽略了學(xué)生的知識掌握狀態(tài)信息，容易給出過簡單或過難的試題，推薦結(jié)果往往不夠合理；而后者主要針對學(xué)生個人的知識狀態(tài)進(jìn)行建模預(yù)測，在推薦結(jié)果上可能比較單一.

針對兩種方法各自的缺陷，本文提出一種基于深度知識追蹤的協(xié)同過濾推薦方法DKT-CF，通過二者的結(jié)合，得到更精準(zhǔn)的個性化習(xí)題推薦.本文算法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)結(jié)合深度知識追蹤模型：DKT-CF結(jié)合深度知識追蹤模型和協(xié)同過濾算法進(jìn)行個性化習(xí)題推薦，它從學(xué)生知識掌握程度出發(fā)，對學(xué)生進(jìn)行建模，具備更好的模型精度；2)使用近鄰信息：DKT-CF結(jié)合學(xué)生自身和其相似學(xué)生的知識水平進(jìn)行推薦，考慮了學(xué)生之間的群體性和學(xué)生自身的學(xué)習(xí)情況，提高了推薦結(jié)果的可靠性；3)不同難度的推薦：通過引入難度范圍參數(shù)，可推薦不同難度范圍的題目，提高了推薦結(jié)果的拓展性和可解釋性.

文章第2節(jié)概述深度知識追蹤模型；第3節(jié)介紹提出的方法框架和內(nèi)容；第4節(jié)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證DKT-CF的有效性；最后，在第5節(jié)進(jìn)行總結(jié)和展望.

2 深度知識追蹤概述

知識追蹤模型最早起源于1972年，其任務(wù)可以描述為：給定一個學(xué)生的練習(xí)序列x0,…，xT，預(yù)測下次的表現(xiàn)xt+1.Corbett等在1995年提出了貝葉斯知識追蹤(Bayesian Knowledge Tracing，BKT)，BKT將學(xué)習(xí)者的潛在知識狀態(tài)建模為一組二元變量，每個二元變量代表表對單個概念的理解或不理解，使用隱式馬爾科夫模型，通過對每個知識點(diǎn)迭代更新猜測率，學(xué)習(xí)率，失誤率和學(xué)習(xí)初始概率，得出學(xué)生的知識點(diǎn)掌握水平[12].BKT提出后成為了評估學(xué)生知識最常用的方法之一，許多研究者對其提出了改進(jìn)方法：Baker等使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對學(xué)生猜測和失誤的概率進(jìn)行上下文估計(jì)，降低了模型退化的風(fēng)險(xiǎn)[13]；Yudelson等將學(xué)生學(xué)習(xí)速度參數(shù)引入BKT，增加了BKT的準(zhǔn)確率，并用在智能輔導(dǎo)系統(tǒng)中輔導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)[14]；深度知識追蹤(Deep Knowledge Tracing，DKT)由Chris 等在2015年提出，通過訓(xùn)練遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN對學(xué)生的知識掌握狀態(tài)建模，在不需要對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進(jìn)行人工標(biāo)注的情況下得到了比BKT更好的效果[15].

DKT的簡單結(jié)構(gòu)如圖1，其中x1…xT為模型輸入，代表學(xué)生的提交序列；y1…yT為模型輸出，代表每個練習(xí)正確的概率向量；h0…h(huán)T為隱含層狀態(tài).ht，yt表達(dá)公式如公式(1)，其中Whx，Whh分別為隱含層與輸入層，隱含層與隱含層之間的權(quán)值矩陣，Wyh為隱含層與輸出層之間的權(quán)值矩陣.模型損失函數(shù)loss如公式(2)，其中qt+1，at+1分別為訓(xùn)練樣本下一次練習(xí)的問題編號和答案.

(1)

(2)

近年來，許多學(xué)者對DKT進(jìn)行了應(yīng)用和改進(jìn)研究：Zhang等提出引入更多的特征進(jìn)行學(xué)習(xí)，并加入自動編碼器層對輸入降維，提升模型的表現(xiàn)[16]；Yu等采用雙向LSTM對問題的文本表述信息進(jìn)行訓(xùn)練，再在對知識狀態(tài)建模的過程中引入注意力機(jī)制，通過兩個模型結(jié)合提高知識追蹤的準(zhǔn)確度[17]；Yeung等通過重構(gòu)DKT模型的損失函數(shù)，并加入3個正則項(xiàng)參數(shù)，提高模型的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度[18]；Wang等將學(xué)生的編程提交記錄編碼輸入DKT中，對模型進(jìn)行訓(xùn)練并預(yù)測學(xué)生在后續(xù)的編程測試中的表現(xiàn)[19].

3 結(jié)合深度知識追蹤的個性化習(xí)題推薦方法

針對目前應(yīng)用協(xié)同過濾方法和知識建模方法產(chǎn)生個性化習(xí)題推薦各自的不足，提出了一種結(jié)合深度知識追蹤模型和協(xié)同過濾方法的個性化習(xí)題推薦方法DKT-CF.該方法通過深度知識追蹤模型對學(xué)生知識狀態(tài)建模，再結(jié)合相似學(xué)生信息進(jìn)行協(xié)同過濾推薦，使推薦結(jié)果既考慮學(xué)生個人的知識狀態(tài)也考慮群體學(xué)生學(xué)習(xí)的共性，提高了推薦結(jié)果的可解釋性和精確度.

3.1 DKT-CF方法整體框架

本節(jié)介紹了本文提出的DKT-CF的方法框架，推薦方法分為3個步驟：

1)輸入：學(xué)生的做題序列xt={qt，at}，其中qt代表在時間t學(xué)生練習(xí)的習(xí)題q，at代表在時間t學(xué)生回答的成績.

2)知識追蹤(第1步)：使用DKT模型對學(xué)生的知識水平進(jìn)行建模，獲得學(xué)生的知識掌握程度，得到學(xué)生的知識水平向量矩陣U.

3)學(xué)生得分預(yù)測(第2步)：結(jié)合協(xié)同過濾算法，通過計(jì)算知識水平向量余弦相似度得到目標(biāo)學(xué)生的相似學(xué)生，和學(xué)生自身知識水平向量結(jié)合得出學(xué)生最終的預(yù)測習(xí)題得分向量f.

4)輸出(第3步)：根據(jù)具體情況設(shè)置合適的難度范圍[β1，β2]，選出預(yù)測作答的概率在范圍內(nèi)的習(xí)題，產(chǎn)生對學(xué)生的個性化習(xí)題推薦.

3.2節(jié)將分別介紹DKT-CF的具體做法.

3.2 DKT-CF具體做法

3.2.1 知識追蹤

在第一步中使用m個學(xué)生做習(xí)題練習(xí)的時間序列S={X1,X2,…,Xm}，其中每個學(xué)生的聯(lián)系序列Xi={xi1,xi2,…,xit}輸入到循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中.將輸入序列進(jìn)行獨(dú)熱編碼表示，如輸入數(shù)據(jù)涉及k個習(xí)題，每道題分別由0，1來表示答錯和答對，對應(yīng)輸入的長度為2k.如若學(xué)生答錯了第i個問題，則輸入中第i個位置的數(shù)值為1，其余位置為0，否則輸入中第i+1位為1，其余為0.將數(shù)據(jù)編碼后輸入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，模型的輸出序列yt建立在對前t時刻的學(xué)生習(xí)題練習(xí)序列的訓(xùn)練上，長度為問題總量n，每一位代表了每一個對應(yīng)題目的答對概率.通過訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對每個學(xué)生計(jì)算其知識水平向量，得到全體學(xué)生的知識水平向量矩陣U(m×n).

3.2.2 學(xué)生得分預(yù)測

對知識水平向量矩陣U，以余弦相似度的來判斷向量Ui和Uj的相似程度.假設(shè)Ui={a1,a2,…,an}，Uj={b1,b2,…,bn}，則Ui和Uj的余弦相似度如公式(3)：

(3)

通過余弦相似度的排名選擇大于一定閾值(實(shí)驗(yàn)中為0.95)的學(xué)生作為相似用戶，對于目標(biāo)學(xué)生i，預(yù)測其最終的習(xí)題得分向量由公式(4)得到：

fi=ρ·Ui+(1-ρ)·average(Ni)

(4)

其中，Ui為學(xué)生的知識水平向量，average(Ni)為其相似學(xué)生的知識水平向量的平均值，學(xué)生個人的知識水平和學(xué)生之間共性的知識水平在使用fi進(jìn)行預(yù)測時的比例由參數(shù)ρ調(diào)節(jié)，ρ的取值范圍為[0, 1].隨著ρ的增大，由學(xué)生個人知識水平產(chǎn)生的影響增大，特別的，當(dāng)ρ=0，fi為其近鄰學(xué)生的知識水平的平均，不包括學(xué)生個人的狀態(tài)；當(dāng)ρ=1，fi完全為DKT模型輸出的個人知識水平向量.

3.2.3 輸出

在這一步中，產(chǎn)生對學(xué)生的推薦結(jié)果.在產(chǎn)生習(xí)題推薦時，確定一個適當(dāng)?shù)碾y度范圍[β1，β2](β2>β1)作為習(xí)題的難度區(qū)間，則可以根據(jù)學(xué)生的習(xí)題得分向量fi，向?qū)W生推薦正確概率在β1到β2的習(xí)題.例如將β1設(shè)置為0.6，β2設(shè)置為0.8，則會根據(jù)預(yù)測的習(xí)題得分向量向?qū)W生推薦正確回答概率在0.6到0.8的習(xí)題.

DKT-CF方法在產(chǎn)生習(xí)題推薦時在考慮學(xué)生個人的知識掌握水平的同時加入了學(xué)生之間相似群體的學(xué)習(xí)情況，其推薦的習(xí)題能夠體現(xiàn)學(xué)生真實(shí)的知識水平，做到為學(xué)生推薦有一定難度的個性化習(xí)題.

算法1.基于深度知識追蹤的協(xié)同過濾推薦方法DKT-CF

輸入：學(xué)生歷史答題提交序列S；目標(biāo)難度范圍[β1，β2]；個性比例參數(shù)ρ；推薦習(xí)題數(shù)K

輸出：推薦習(xí)題集合R

Begin：

1. s=onehot(S) //將輸入進(jìn)行onehot編碼

2. U(m×n)=train_DKT(s) //訓(xùn)練深度知識追蹤模型，輸出知識水平向量矩陣U

3. for Ui∈ U //關(guān)于學(xué)生i

4. for Uj∈ U//遍歷所有的知識水平向量

5. Simi，j=cosine_sim(Ui，Uj) //計(jì)算Ui，Uj的余弦相似度Simi，j

6. Ni=sim_rank(Simi) //根據(jù)相似度排名得到相似學(xué)生Ni

7. fi=ρ*Ui+(1-ρ)*average(Ni) //計(jì)算最終的習(xí)題得分向量

8. Ri=recommend(fi，K，β1，β2) //產(chǎn)生對學(xué)生i的推薦Ri

9. return R //推薦習(xí)題集合R

End

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 數(shù)據(jù)集介紹

實(shí)驗(yàn)采用了2組數(shù)據(jù)集，第1組數(shù)據(jù)為assistments2009公開數(shù)據(jù)集，assistments是一個公開在線教育平臺，可以同時在線教授和評估學(xué)生學(xué)習(xí)，數(shù)據(jù)集包含了超過50萬條小學(xué)數(shù)學(xué)習(xí)題提交數(shù)據(jù).第2組數(shù)據(jù)集是從某高校在線編程平臺(online judge)上爬取的學(xué)生提交歷史紀(jì)錄，兩組數(shù)據(jù)集的相關(guān)信息如表1.

表1 數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)信息

Table 1 Dataset statistics

4.2 實(shí)驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)

4.2.1 精確率、召回率和f1值

為衡量本文提出的DKT-CF方法向?qū)W生產(chǎn)生個性化習(xí)題推薦的有效性，本文首先采用精確率(precision)、召回率(recall)和f1值的指標(biāo)來評價(jià)DKT-CF的推薦效果，并和對比方法進(jìn)行對比.評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算公式如公式(5)所示：

(5)

其中，TP代表推薦習(xí)題中學(xué)生正確回答的個數(shù)，F(xiàn)P代表推薦習(xí)題中學(xué)生錯誤回答的個數(shù)，F(xiàn)N代表其他待推薦習(xí)題中學(xué)生正確回答的個數(shù).

4.2.2 正確回答率

精確率，召回率和f1值適合檢驗(yàn)推薦中較簡單的題目，但是個性化推薦的目標(biāo)不是向?qū)W生推薦最容易完成的習(xí)題，雖然這三個指標(biāo)可以從側(cè)面反映出推薦系統(tǒng)的精確性，但是不能保證在推薦有一定難度的習(xí)題時，學(xué)生的表現(xiàn)依舊能夠符合模型的預(yù)測.

為檢驗(yàn)DKT-CF在一定難度閾值范圍內(nèi)進(jìn)行個性化推薦時的有效性和可解釋性，以答題的正確率SR作為評價(jià)指標(biāo)評價(jià)其表現(xiàn).SR的公式如公式(6)：

(6)

其中right為推薦題目中學(xué)生回答正確的習(xí)題數(shù)，total為推薦題目總數(shù).通過使用SR作為評價(jià)指標(biāo)可以反映出學(xué)生在推薦習(xí)題上的總體表現(xiàn)，當(dāng)難度的范圍[β1，β2]發(fā)生變化時，SR也應(yīng)該隨之變化，并落入對應(yīng)的區(qū)間中.

4.3 對比實(shí)驗(yàn)方法

為驗(yàn)證DKT-CF方法效果，選擇以下幾種方法進(jìn)行對比：

1)DKT：根據(jù)DKT模型輸出的學(xué)生知識水平向量，進(jìn)行排名并推薦正確作答概率最高的習(xí)題.

2)DKT+：DKT+是文獻(xiàn)[18]中提出的對DKT模型的改進(jìn)，通過重構(gòu)損失函數(shù)，引入正則項(xiàng)r，w1，w2，提高模型的穩(wěn)定性和平均精度.r，w1，w2和修改后的損失函數(shù)如公式(7)、公式(8)和公式(9)，其中l(wèi)oss表示原DKT的損失函數(shù)，λr，λw1和λw2分別為3個正則項(xiàng)對應(yīng)的參數(shù).

(7)

(8)

loss′ =loss+λrr+λw1w1+λw2w2

(9)

3)UserCF：使用學(xué)生-習(xí)題得分矩陣進(jìn)行基于用戶的協(xié)同過濾推薦，計(jì)算學(xué)生之間余弦相似度尋找相似學(xué)生，再根據(jù)相似學(xué)生的成績預(yù)測目標(biāo)學(xué)生的成績，根據(jù)不同習(xí)題預(yù)測成績的排名進(jìn)行推薦.

4)KS-CF：使用學(xué)生知識水平向量矩陣U進(jìn)行基于用戶的協(xié)同過濾推薦，計(jì)算學(xué)生之間的余弦相似度，以相似學(xué)生的平均得分概率作為目標(biāo)學(xué)生的得分概率，進(jìn)而根據(jù)概率高低進(jìn)行排名推薦.

4.4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境操作系統(tǒng)為windows10 64位，語言為python3.6，采用tensoflow gpu 1.13版本，顯卡為NVIDIA GTX1080-8G，內(nèi)存16G.

4.4.2 模型參數(shù)

在DKT模型訓(xùn)練階段，隱含層采用200個LSTM節(jié)點(diǎn)，keep_prob設(shè)為0.5，學(xué)習(xí)率learning_rate設(shè)為0.01，訓(xùn)練輪數(shù)max_epoch設(shè)為200，每批數(shù)據(jù)大小batch_size設(shè)為32.

4.4.3 習(xí)題推薦對比實(shí)驗(yàn)

在習(xí)題推薦的對比實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)將本文提出的DKT-CF對比4.3節(jié)中描述的四種方法，以精確度，召回率，f1值的指標(biāo)來評價(jià)五種方法的效果.在兩個數(shù)據(jù)集中，均隨機(jī)劃分80%的學(xué)生用于訓(xùn)練，其余20%的學(xué)生用于測試推薦方法.在進(jìn)行測試時，選取測試集中每位學(xué)生70%的提交數(shù)據(jù)來產(chǎn)生推薦結(jié)果，對每個學(xué)生推薦5道題目，將推薦習(xí)題和后續(xù)的提交結(jié)果進(jìn)行對比來檢驗(yàn)推薦的精確性.

在實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定學(xué)生個人因素的占比參數(shù)ρ=0.4(在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中會驗(yàn)證不同ρ取值的表現(xiàn)).

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2、表3，從中可以得到以下信息：

1)在對兩個數(shù)據(jù)集的實(shí)驗(yàn)中，提出的DKT-CF算法習(xí)題推薦效果均優(yōu)于其他算法，精確度，召回率和f1值均為最高.說明DKT-CF方法相比其他方法能產(chǎn)生更精準(zhǔn)的推薦結(jié)果，比其他方法更加有效.

表2 Assistments數(shù)據(jù)集實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 2 Result of assistments dataset

DKTDKT+UserCFKS-CFDKT-CFprecision0.9570.9550.8850.9540.977recall0.2560.2810.2760.2380.287f10.4040.4340.4210.3800.444

2)在實(shí)驗(yàn)中，使用傳統(tǒng)協(xié)同過濾算法的UserCF算法準(zhǔn)確率相比較低，在融入了學(xué)生的知識狀態(tài)后，得到了較好的效果(KS-CF方法)，精確度的漲幅分別達(dá)到7.7%和6.4%，說明引入知識狀態(tài)的信息來提高傳統(tǒng)協(xié)同過濾的精確度的方法是有效的.

3)本文提出的DKT-CF是DKT方法和KS-CF方法的結(jié)合，達(dá)到了最優(yōu)的效果，說明習(xí)題推薦中既考慮學(xué)生的個性又考慮學(xué)生學(xué)習(xí)的群體性的方法能夠給出最有效的個性化習(xí)題推薦.

表3 OJ數(shù)據(jù)集實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 3 Result of OJ dataset

DKTDKT+UserCFKS-CFDKT-CFprecision0.8490.8530.7950.8460.855recall0.3130.3140.2630.3050.318f10.4570.4590.3950.4480.463

4.4.4 習(xí)題難度范圍實(shí)驗(yàn)

在本文提出的推薦方法步驟中，可以設(shè)置推薦習(xí)題對應(yīng)的難度范圍.為驗(yàn)證對于指定的難度范圍[β1，β2]，DKT-CF方法給出的推薦習(xí)題能否滿足對應(yīng)習(xí)題難度的要求，進(jìn)行不同難度范圍下對應(yīng)學(xué)生的正確作答率SR變化情況的實(shí)驗(yàn).

本文根據(jù)難度范圍從0到1劃分為5個區(qū)間，每個區(qū)間的難度跨度為0.2.在不同難度區(qū)間下，根據(jù)算法得出的學(xué)生正確做答概率，選擇在難度區(qū)間內(nèi)的習(xí)題作為推薦習(xí)題集，計(jì)算測試集中學(xué)生的回答正確比例.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4、表5.

表4 assistments數(shù)據(jù)集正確率對比

Table 4 Comparison of SR in assistments dataset

β1-β20-0.20.2-0.40.4-0.60.6-0.80.8-1SR0.1700.3700.5820.7410.930

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著難度的逐漸降低，學(xué)生的正確作答率不斷提高，例如，在[β1，β2]設(shè)置為[0.2，0.4]時，學(xué)生在兩個數(shù)據(jù)集上的正確作答率分別為0.37 和 0.35左右，當(dāng)[β1，β2]設(shè)置為[0.4，0.6]時，學(xué)生的正確作答率分別提高到0.58和0.50左右.實(shí)驗(yàn)說明，本文提出的DKT-CF方法可以根據(jù)不同的難度范圍向?qū)W生推薦合適的難度的習(xí)題，從而使推薦效果有更好的實(shí)際意義和可解釋性.

表5 OJ數(shù)據(jù)集正確率對比

Table 5 Comparison of SR in OJ dataset

β1-β20-0.20.2-0.40.4-0.60.6-0.80.8-1SR0.2280.3480.4990.6190.926

4.4.5 參數(shù)ρ的設(shè)置實(shí)驗(yàn)

在所提出的DKT-CF方法中，參數(shù)ρ的作用是調(diào)節(jié)學(xué)生個人知識水平和學(xué)生群體共性的知識水平對推薦結(jié)果影響的比例.ρ的取值范圍為[0，1]，當(dāng)ρ越大，代表預(yù)測的習(xí)題得分向量更靠近學(xué)生個人的知識狀態(tài)；當(dāng)ρ越小，代表預(yù)測的習(xí)題得分向量更靠近與目標(biāo)學(xué)生相似的學(xué)生群體知識狀態(tài).特別的，當(dāng)ρ=1，方法退化為DKT方法；當(dāng)ρ=0，方法退化為KS-CF方法.

圖2 assistments數(shù)據(jù)集f1值變化

圖2、圖3顯示了DKT-CF方法分別在兩個數(shù)據(jù)集下以不同的ρ來進(jìn)行推薦時，參數(shù)f1值與ρ之間的變化關(guān)系.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，ρ的取值對推薦效果有明顯影響，并且對于兩個數(shù)據(jù)集，ρ=0.4時均達(dá)到了最高的f1值.雖然在圖3中ρ=0.2和0.6時與最高值相差不大，但是在圖2中差距比較明顯，說明ρ=0.2和ρ=0.6時穩(wěn)定性可能不如ρ=0.4的情況.綜合考慮算法的表現(xiàn)和穩(wěn)定性后，決定選取ρ=0.4作為進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)時的算法參數(shù).

圖3 OJ數(shù)據(jù)集f1值變化

4.4.6 結(jié)果討論

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文提出的基于深度知識追蹤的個性化習(xí)題推薦方法DKT-CF不論是較簡單題的習(xí)題推薦效果，還是推薦有一定難度習(xí)題時，預(yù)期難度與選擇習(xí)題的難度的貼合度上，均有較好的表現(xiàn).這是因?yàn)镈KT-CF方法既考慮學(xué)生個人的知識掌握水平(DKT模型)，又考慮了學(xué)習(xí)的群體性，加入了相似學(xué)生之間的信息(協(xié)同過濾方法).相比于傳統(tǒng)的協(xié)同過濾方法，該方法有更好的精確度和可解釋性，相比于基于知識狀態(tài)建模的方法，該方法具有更好的可靠性和拓展性.

5 結(jié)論和展望

針對傳統(tǒng)協(xié)同過濾推薦方法沒有考慮學(xué)生的知識掌握水平和基于知識建模的推薦方法忽略了學(xué)生之間學(xué)習(xí)的群體性的缺點(diǎn)，本文提出了一種基于深度知識追蹤的個性化習(xí)題推薦方法DKT-CF.該方法以學(xué)生的歷史答題提交序列作為輸入，方法的第1步為結(jié)合深度知識追蹤模型對學(xué)生的知識掌握水平進(jìn)行建模；第2步將學(xué)生的知識水平向量作為計(jì)算相似學(xué)生的參考得出相似用戶，并結(jié)合個人的知識水平向量得出預(yù)測的目標(biāo)得分向量，在考慮學(xué)生個人狀態(tài)信息的同時加入了相似學(xué)生的群體信息；在第3步中，根據(jù)一定的難度范圍[β1，β2]，選擇正確作答概率在范圍內(nèi)的習(xí)題對學(xué)生進(jìn)行推薦；最后通過實(shí)驗(yàn)證明了本文提出的DKT-CF方法的有效性和合理性.

在后續(xù)的研究中，從模型出發(fā)，可以考慮對深度知識追蹤模型進(jìn)行改進(jìn)，加入更多個性化特征進(jìn)行學(xué)習(xí)；從推薦方法出發(fā)，可以考慮結(jié)合其他的推薦算法產(chǎn)生推薦；從推薦的場景出發(fā)，在不同場景下的推薦策略也是一個值得探討的問題，比如根據(jù)難度不同區(qū)分出用于拓展提高的推薦題目和用于復(fù)習(xí)鞏固的推薦題目等，可以更有針對性地進(jìn)行個性化習(xí)題推薦.