Advanced Mathematics Exercise Recommendation Based on Automatic Knowledge Extraction and Multi-Layer Knowledge Graph

计算机科学 杠杆(统计) 知识获取 语义学(计算机科学) 人工智能 机器学习 知识抽取 特征提取 认知 知识建模 图形 自然语言处理 情报检索 数据挖掘 领域知识 理论计算机科学 神经科学 生物 程序设计语言
作者
Shi Dong,Xueyun Tao,Rui Zhong,Zhifeng Wang,Mingzhang Zuo,Jianwen Sun
出处
期刊:IEEE Transactions on Learning Technologies [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:17: 776-793 被引量:2
标识
DOI:10.1109/tlt.2023.3333669
摘要

Higher education is rapidly growing in the online learning landscape. However, current personalized recommendation techniques struggle with precise extraction of complex mathematical semantics, hindering accurate perception of learners' cognitive states and relevance of recommendations. This paper proposes a framework for extracting complex mathematical semantics and providing personalized exercise recommendations. We design a tree-based position encoding method to enhance the accuracy of positional representation for mathematical expressions in pre-trained model, aiming to improve the performance of downstream tasks. We propose an automatic method for extracting knowledge attributes based on expert annotations, enabling interpretable cognitive diagnosis. Furthermore, we employ sequential pattern mining to discover the knowledge usage patterns in exercises, generate learning paths using a multi-layer knowledge graph, and leverage cognitive diagnostic results to enhance the relevance of recommendations. Experimental results show a 2.0% improvement in mathematical symbol embedding on mathematical formula retrieval tasks, and knowledge attribute extraction accuracy ranging from 66.5% to 81.7%. Learners' post-test scores significantly improve during group testing, with good consistency between online cognitive diagnosis and self-diagnosis.
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