Разработка AI-системы анализа вовлечённости студентов

Разработка AI-системы анализа вовлечённости студентов

Вовлечённость (engagement) — ведущий предиктор успеваемости и риска отчисления. Системы LMS (Moodle, Canvas, Blackboard) накапливают цифровой след каждого студента: активность в материалах, тайминги, паттерны взаимодействия. ML превращает этот след в ранние сигналы для кураторов.

Источники данных и сигналы вовлечённости

Поведенческие события из LMS:

engagement_signals = {
    # Когнитивная вовлечённость
    'video_completion_rate': 'процент просмотренного видео (не просто opened)',
    'rewatch_rate': 'доля пересматриваемых фрагментов = сложный материал',
    'reading_time_vs_expected': 'фактическое время чтения / ожидаемое',
    'quiz_attempts': 'повторные попытки = заинтересованность или затруднение',

    # Временные паттерны
    'session_regularity': 'STD времени между сессиями (высокий = нерегулярность)',
    'night_study_ratio': 'доля активности после 22:00 = прокрастинация',
    'deadline_clustering': 'концентрация активности перед дедлайнами',

    # Социальная вовлечённость
    'forum_posts_count': 'посты на форуме курса',
    'peer_review_quality': 'оценка работ однокурсников',
    'group_project_contribution': 'вклад в командную работу (git-коммиты, если CodeGrade)',

    # Сигналы затруднения
    'help_requests': 'обращения к преподавателю/AI-тьютору',
    'time_on_wrong_answers': 'время на задачах, где несколько неверных попыток'
}

Построение Engagement Score

Составной индекс вовлечённости:

import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler

def compute_engagement_score(student_weekly_data: pd.DataFrame) -> pd.Series:
    """
    Взвешенный индекс по компонентам.
    Веса получены из регрессии engagement → итоговая оценка.
    """
    weights = {
        'video_completion_rate': 0.20,
        'quiz_participation_rate': 0.20,
        'session_regularity_score': 0.15,  # обратная к STD
        'forum_activity_score': 0.10,
        'assignment_lead_time': 0.15,       # дней до дедлайна при сдаче
        'material_depth_score': 0.20        # % дополнительных материалов
    }

    scaler = MinMaxScaler()
    normalized = pd.DataFrame(
        scaler.fit_transform(student_weekly_data[list(weights.keys())]),
        columns=list(weights.keys()),
        index=student_weekly_data.index
    )

    score = sum(normalized[col] * weight for col, weight in weights.items())
    return score  # 0-1, где >0.7 = высокая вовлечённость

def session_regularity_score(session_timestamps):
    """
    Регулярность = обратная к коэффициенту вариации интервалов между сессиями
    """
    intervals = np.diff(sorted(session_timestamps))
    if len(intervals) < 2:
        return 0.5
    cv = np.std(intervals) / (np.mean(intervals) + 1e-9)
    return max(0, 1 - cv)

Модель раннего предупреждения (At-Risk Detection)

XGBoost классификатор риска отчисления:

from xgboost import XGBClassifier
from sklearn.model_selection import StratifiedKFold
import shap

def build_at_risk_model(historical_data):
    """
    Данные: week-1..week-4 engagement features → итоговый результат курса
    Цель: предсказать риск неуспешного завершения на 4-й неделе
    """
    feature_cols = [
        'engagement_score_w1', 'engagement_score_w2',
        'engagement_score_w3', 'engagement_score_w4',
        'engagement_trend',          # slope за 4 недели
        'engagement_volatility',     # STD за 4 недели
        'missed_quizzes_count',
        'avg_score_first_assignments',
        'prior_course_completion_rate'  # история студента
    ]

    model = XGBClassifier(
        n_estimators=200,
        scale_pos_weight=3,  # at-risk студентов обычно ~25%
        eval_metric='aucpr'
    )
    model.fit(
        historical_data[feature_cols],
        historical_data['at_risk_label']
    )

    # SHAP для объяснения куратору
    explainer = shap.TreeExplainer(model)
    return model, explainer

def explain_student_risk(model, explainer, student_features):
    """
    Возвращает ТОП-3 причины риска понятным языком
    """
    shap_values = explainer.shap_values(student_features)
    feature_importance = dict(zip(student_features.index, shap_values[0]))

    top_factors = sorted(feature_importance.items(),
                         key=lambda x: abs(x[1]), reverse=True)[:3]

    explanations = {
        'engagement_trend': 'снижение активности за последние 4 недели',
        'missed_quizzes_count': 'пропущенные тесты',
        'engagement_score_w4': 'низкая активность на текущей неделе',
        'avg_score_first_assignments': 'слабые результаты первых заданий'
    }

    return [explanations.get(feat, feat) for feat, _ in top_factors]

Паттерны деградации вовлечённости

Типология at-risk студентов:

from sklearn.cluster import KMeans
import matplotlib.pyplot as plt

def cluster_engagement_trajectories(student_weekly_scores: pd.DataFrame):
    """
    Кластеризация по динамике — разные паттерны требуют разных интервенций
    """
    # 8 недель × N студентов → матрица траекторий
    trajectories = student_weekly_scores.pivot(
        index='student_id', columns='week', values='engagement_score'
    ).fillna(method='ffill')

    kmeans = KMeans(n_clusters=4, random_state=42)
    clusters = kmeans.fit_predict(trajectories)

    # Типичные паттерны:
    # Кластер 0: "Старт высокий, падение к сессии" → напоминания в середине курса
    # Кластер 1: "Стабильно низкий с начала" → немедленное вмешательство
    # Кластер 2: "Низкий старт, рост" → у студентов был стрессовый период
    # Кластер 3: "Стабильно высокий" → норма

    return dict(zip(trajectories.index, clusters))

Автоматические интервенции

Trigger-based alerts для кураторов:

def generate_intervention_recommendations(student_risk_profile):
    rules = [
        {
            'condition': lambda p: p['engagement_score_current_week'] < 0.2,
            'action': 'urgent_curator_call',
            'message': 'Студент {name} не активен 2+ недели'
        },
        {
            'condition': lambda p: p['engagement_trend'] < -0.1 and p['at_risk_prob'] > 0.5,
            'action': 'automated_email',
            'message': 'Приглашение на консультацию + ссылки на проблемные модули'
        },
        {
            'condition': lambda p: p['rewatch_rate'] > 0.4 and p['quiz_attempts_avg'] > 2,
            'action': 'suggest_tutoring',
            'message': 'Признаки затруднения с материалом — предложить тьютора'
        }
    ]

    triggered = [r for r in rules if r['condition'](student_risk_profile)]
    return triggered

Интеграция с LMS API: Moodle: mod_forum_add_discussion, message_send_instant_messages. Canvas: Events API + Webhooks. Данные о вовлечённости обновляются ночью (batch) и раз в час для студентов с высоким риском.

Сроки: Engagement Score + базовый at-risk XGBoost + дашборд куратора — 3-4 недели. Кластеризация траекторий, SHAP объяснения, автоинтервенции, LMS API интеграция — 2-3 месяца.