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Detecção e predição de estados afetivos baseadas em mineração de dados educacionais: considerando a personalidade do aluno para aumentar a precisão da detecção

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Autor Morais, Felipe de;
Lattes do autor http://lattes.cnpq.br/6377445258966035;
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 Detecção e predição de estados afetivos baseadas em mineração de dados educacionais: considerando a personalidade do aluno para aumentar a precisão da detecção;
Resumo As emoções, um tipo de estado efetivo, interferem no processo de aprendizagem, bem como no engajamento dos alunos. Assim, é importante que ambientes educacionais de aprendizagem que visam proporcionar uma melhora no processo de aprendizagem dos alunos, como os Sistemas Tutores Inteligentes (STIs), também possuam a habilidade de reconhecer as emoções dos estudantes e responder adequadamente. Sabe-se que vários ambientes educacionais têm apresentado diferentes formas para realizar o reconhecimento do afeto por meio de sensores ou hardwares específicos. Porém, tal estratégia se torna inviável para a utilização desses ambientes em massa. Neste contexto, a estratégia de detecção livre de sensores, por meio da análise dos dados de interação dos alunos com os sistemas, tem se tornado uma solução interessante. Esse trabalho tem como objetivo detectar os estados de frustração, confusão, tédio e engajamento concentrado dos alunos por meio da mineração dos dados em STIs baseados em passos. A hipótese de pesquisa deste trabalho é que a inserção de características da personalidade dos alunos no treinamento dos detectores pode resultar em uma melhora na precisão da detecção destes quatro estados, pois sabe-se que a personalidade influencia os estados afetivos e sua duração. O método utilizado foi o desenvolvimento de detectores treinados com e sem dados de personalidade. Para a obtenção dos dados de treinamento destes detectores, foi realizada uma coleta de dados com 55 alunos de uma escola privada, que utilizaram o STI PAT2Math durante 10 sessões. Em todas estas sessões os alunos tiveram seus rostos gravados, juntamente com áudio ambiente e a tela do computador enquanto utilizavam o sistema. Dos dados obtidos destas sessões de coleta, foi selecionado um total de 5525 logs de interação entre o aluno e o sistema. Para cada um desses logs, 348 características foram calculadas, contendo informações provenientes (i) das interações do aluno com a interface do PAT2Math, (ii) do módulo do aluno, (iii) dos traços de personalidade e (iv) dos estados afetivos e comportamentos dos alunos. Para a obtenção dos rótulos de estados afetivos, foi desenvolvido um novo protocolo para anotação de estados afetivos e comportamentos baseado na análise dos vídeos gerados durante as sessões de coleta de dados. Esse protocolo segue um conjunto de fases, incluindo treino e teste dos codificadores, e é capaz de ser flexível e generalizável para diferentes aplicações e escalável por não ter a necessidade da presença de anotadores durante a coleta de dados, sendo esta uma contribuição adicional deste trabalho. Por meio deste protocolo, foram coletados 2099 rótulos de estados afetivos e 2059 de comportamentos. Foram desenvolvidos dois detectores para cada estado afetivo, sendo uma versão treinada com e outra treinada sem os dados de personalidade, permitindo verificar o impacto da personalidade na detecção dos estados afetivos. A métrica Cohen’s Kappa foi aplicada para identificar a concordância entre os rótulos de estados afetivos gerados pelos codificadores e as saídas dos detectores de estados afetivos desenvolvidos. Como resultados, foi possível identificar que apenas o detector de engajamento concentrado, treinado com dados da personalidade dos alunos, obteve uma pequena melhora na precisão da detecção. Mas, uma característica de personalidade foi selecionada automaticamente durante o treinamento deste detector. Deste modo, este trabalho aponta indícios de que a personalidade pode impactar de forma positiva na detecção dos estados afetivos dos alunos em ambientes de aprendizagem. Destacam-se como contribuições uma possível nova fonte de dados e um novo protocolo para anotação dos estados afetivos. Ambas as contribuições vão em direção ao objetivo de realizar uma detecção automática e em tempo real dos estados afetivos dos alunos, permitindo uma adaptação instantânea dos STIs de acordo com as emoções dos alunos.;
Abstract It has already been shown in the literature that emotions, an affective state type, interfere in the learning process, as well as in the students’ engagement. Thus, it is important that learning educational environments that aim to provide an improvement in the student learning process, such as Intelligent Tutoring Systems (ITSs), also have this ability. It is known that several educational environments have presented different ways to realize the recognition of affect through specific sensors or hardware. However, such a strategy becomes unfeasible when it comes to the use of these environments in mass, by hundreds or even thousands of students. Thus, the strategy of sensor-free detection, through the use of interaction data of students with educational environments, has become an interesting solution. This work aims to detect students’ frustration, confusion, boredom, and engaged concentration through data mining in step-based ITSs. The research hypothesis of this work is that the addition of personality features of the students in the detectors training of these states can result an accuracy improvement in the detection of these four states since it is known that the personality influences the affective states. The method we used was the development of detectors trained with and without personality features. To collect the training data of these detectors, we carried out a data collection with 55 students from a private school, who used the PAT2Math ITS during ten sessions. During the sessions, students had their faces recorded along with ambient audio and the computer screen while using the system. From the data obtained from these sessions, a total of 5525 interaction logs between the student and the system was selected. For each of these logs, 348 features were calculated, containing information from the (i) student interactions with the PAT2Math interface, (ii) the student module, (iii) the personality traits, and (iv) the affective states and behaviors of the students. We developed a new annotation protocol of affective states and behaviors based on the analysis of the videos generated during the data collection. This protocol follows a set of phases, including training and testing of the coders, and it can be flexible and generalizable for different applications and scalable because it does not require expert coders during data collection. Thus, it is considered an additional contribution to this work. Through this protocol, 2099 labels of affective states and 2059 labels of behaviors were collected. We developed two detectors for each affective state, a trained version with and another without the personality features, allowing to verify the impact of the personality in the detection of the affective states. We applied Cohen’s Kappa metric to identify the agreement between the affective state labels generated by the coders and the outputs of the developed affective state detectors. As results, it was possible to identify that only the engaged concentration detector, trained with personality data of the students, obtained a small improvement in the precision of the detection. But, one personality feature was selected automatically during detectors training. Thus, this work points to the evidence that personality can positively impact the detection of students’ affective states in learning environments. We highlighted the possible viability of a new data source and a new annotation protocol for affective states as the contributions of this work. Both contributions go towards the goal of performing automatic and real-time detection of students’ affective states, allowing instantaneous adaptation of the learning environments according to the students’ emotions.;
Palavras-chave Mineração de Dados Educacionais; Estados Afetivos; Sistemas Tutores Inteligentes; Detecção de Afeto Livre de Sensores; Personalidade; Educational Data Mining; Affective States; Intelligent Tutoring Systems; Sensorfree Affect Detection; Personality;
Área(s) do conhecimento ACCNPQ::Ciências Exatas e da Terra::Ciência da Computação;
Tipo Dissertação;
Data de defesa 2019-03-01;
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/8933;
Programa Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada;


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