Time series is the most prevalent form of input data for educational prediction tasks. The vast majority of research using time series data focuses on hand-crafted features, designed by experts for predictive performance and interpretability. However, extracting these features is labor-intensive for humans and computers. In this paper, we propose an approach that utilizes irregular multivariate time series modeling with graph neural networks to achieve comparable or better accuracy with raw time series clickstreams in comparison to hand-crafted features. Furthermore, we extend concept activation vectors for interpretability in raw time series models. We analyze these advances in the education domain, addressing the task of early student performance prediction for downstream targeted interventions and instructional support. Our experimental analysis on 23 MOOCs with millions of combined interactions over six behavioral dimensions show that models designed with our approach can (i) beat state-of-the-art educational time series baselines with no feature extraction and (ii) provide interpretable insights for personalized interventions. Source code: https://github.com/epfl-ml4ed/ripple/.

神经网络无处不在用于教育的应用机器学习。他们在预测性能方面的普遍成功伴随着严重的弱点，缺乏决策的解释性，尤其是在以人为中心的领域中。我们实施了五种最先进的方法，用于解释黑盒机器学习模型（Lime，PermiputationShap，kernelshap，dice，CEM），并检查每种方法的优势在学生绩效预测的下游任务上，用于五个大规模开放的在线在线公开培训班。我们的实验表明，解释者的家属在与同一代表学生集的同一双向LSTM模型中相互重要性不同意。我们使用主成分分析，詹森 - 香农距离以及Spearman的等级相关性，以跨方法和课程进行定量的盘问解释。此外，我们验证了基于课程的先决条件之间的解释器表现。我们的结果得出的结论是，解释器的选择是一个重要的决定，实际上对预测结果的解释至关重要，甚至比模型的课程更重要。源代码和模型在http://github.com/epfl-ml4ed/evaluating-explainers上发布。

Deep learning models for learning analytics have become increasingly popular over the last few years; however, these approaches are still not widely adopted in real-world settings, likely due to a lack of trust and transparency. In this paper, we tackle this issue by implementing explainable AI methods for black-box neural networks. This work focuses on the context of online and blended learning and the use case of student success prediction models. We use a pairwise study design, enabling us to investigate controlled differences between pairs of courses. Our analyses cover five course pairs that differ in one educationally relevant aspect and two popular instance-based explainable AI methods (LIME and SHAP). We quantitatively compare the distances between the explanations across courses and methods. We then validate the explanations of LIME and SHAP with 26 semi-structured interviews of university-level educators regarding which features they believe contribute most to student success, which explanations they trust most, and how they could transform these insights into actionable course design decisions. Our results show that quantitatively, explainers significantly disagree with each other about what is important, and qualitatively, experts themselves do not agree on which explanations are most trustworthy. All code, extended results, and the interview protocol are provided at https://github.com/epfl-ml4ed/trusting-explainers.

Student success models might be prone to develop weak spots, i.e., examples hard to accurately classify due to insufficient representation during model creation. This weakness is one of the main factors undermining users' trust, since model predictions could for instance lead an instructor to not intervene on a student in need. In this paper, we unveil the need of detecting and characterizing unknown unknowns in student success prediction in order to better understand when models may fail. Unknown unknowns include the students for which the model is highly confident in its predictions, but is actually wrong. Therefore, we cannot solely rely on the model's confidence when evaluating the predictions quality. We first introduce a framework for the identification and characterization of unknown unknowns. We then assess its informativeness on log data collected from flipped courses and online courses using quantitative analyses and interviews with instructors. Our results show that unknown unknowns are a critical issue in this domain and that our framework can be applied to support their detection. The source code is available at https://github.com/epfl-ml4ed/unknown-unknowns.

在这项工作中，我们审查并评估了一个具有公开可用和广泛使用的数据集的深度学习知识追踪（DLKT）模型，以及学习编程的新型学生数据集。评估的DLKT模型已重新实现，用于评估先前报告的结果的可重复性和可复制性。我们测试在与模型的主要架构上独立于模型的比较模型中找到的不同输入和输出层变化，以及在某些研究中隐含地和明确地使用的不同最大尝试计数选项。几个指标用于反映评估知识追踪模型的质量。评估的知识追踪模型包括Vanilla-DKT，两个长短期内存深度知识跟踪（LSTM-DKT）变体，两个动态键值存储器网络（DKVMN）变体，以及自我细致的知识跟踪（SAKT）。我们评估Logistic回归，贝叶斯知识跟踪（BKT）和简单的非学习模型作为基准。我们的结果表明，DLKT模型一般优于非DLKT模型，DLKT模型之间的相对差异是微妙的，并且在数据集之间经常变化。我们的研究结果还表明，通常的纯模型，例如平均预测，比更复杂的知识追踪模型更好地表现出更好的性能，尤其是在准确性方面。此外，我们的公制和封路数据分析显示，用于选择最佳模型的度量标准对模型的性能有明显的影响，并且该度量选择可以影响模型排名。我们还研究了输入和输出层变化的影响，过滤出长期尝试序列，以及随机性和硬件等非模型属性。最后，我们讨论模型性能可重量和相关问题。我们的模型实现，评估代码和数据作为本工作的一部分发布。

随着AI系统表现出越来越强烈的预测性能，它们的采用已经在许多域中种植。然而，在刑事司法和医疗保健等高赌场域中，由于安全，道德和法律问题，往往是完全自动化的，但是完全手工方法可能是不准确和耗时的。因此，对研究界的兴趣日益增长，以增加人力决策。除了为此目的开发AI技术之外，人民AI决策的新兴领域必须采用实证方法，以形成对人类如何互动和与AI合作做出决定的基础知识。为了邀请和帮助结构研究努力了解理解和改善人为 - AI决策的研究，我们近期对本课题的实证人体研究的文献。我们总结了在三个重要方面的100多篇论文中的研究设计选择：（1）决定任务，（2）AI模型和AI援助要素，以及（3）评估指标。对于每个方面，我们总结了当前的趋势，讨论了现场当前做法中的差距，并列出了未来研究的建议。我们的调查强调了开发共同框架的需要考虑人类 - AI决策的设计和研究空间，因此研究人员可以在研究设计中进行严格的选择，研究界可以互相构建并产生更广泛的科学知识。我们还希望这项调查将成为HCI和AI社区的桥梁，共同努力，相互塑造人类决策的经验科学和计算技术。

在学习分析领域的最新研究重点是利用机器学习方法来预测高危学生，以便及时启动干预措施，从而提高保留率和完成率。这些研究大多数的总体特征仅在预测科学方面。与解释模型内部的预测分析的组成部分，并在很大程度上忽略了其对利益相关者的个人案例的预测。此外，尝试使用数据驱动的规范分析来自动为高危学习者生成基于证据的补救建议的工作仍处于起步阶段。可解释的AI是一个最近出现的领域，它提供了尖端工具，该工具支持透明的预测分析和技术，以为高危学生生成量身定制的建议。这项研究提出了一个新的框架，该框架既可以统一透明的机器学习，又可以实现规定性分析的技术。这项工作实际上使用了使用预测模型来识别计划不完整的高危学习者的预测模型。然后，该研究进一步证明了如何通过两项案例研究的规定性分析来增强预测性建模，以便为有危险的人产生可读的规定反馈。

我们在数字世界中采取的每一步都会落后于我们行为的记录;数字足迹。研究表明，算法可以将这些数字足迹转化为精确的心理特征估计，包括人格特质，心理健康或情报。然而，AI产生这些见解的机制通常保持不透明。在本文中，我们展示了如何解释AI（XAI）可以帮助域专家和数据主体验证，问题和改进分类数字足迹的心理特征的模型。我们在来自金融交易数据的大五个人格预测（特征和方面）的范围内，详细说明了两个流行的XAI方法（规则提取和反事实解释）（n = 6,408）。首先，我们展示了全球规则提取在模型中标识的消费模式中如何阐明了最重要的人格，并讨论这些规则如何用于解释，验证和改进模型。其次，我们实施当地规则提取，以表明，由于其独特的财务行为，个人分配给个性课程，并且模型的预测信心与促进预测的特征数量之间存在积极的联系。我们的实验突出了全球和本地XAI方法的重要性。通过更好地了解预测模型如何工作，以及他们如何获得特定人的结果，Xai促进了一个世界的问责制，其中AI影响了世界各地数十亿人的生命。

全球越来越多的大学将各种形式的在线学习和混合学习作为其学术课程的一部分。此外，由于199年大流行而造成的最新变化导致在线教育的重要性和无处不在。电子学习的主要优点之一不仅是改善学生的学习经验并扩大教育前景，而且还可以通过学习分析来洞悉学生的学习过程。这项研究有助于通过以下方式改善和理解电子学习过程的主题。首先，我们证明可以根据从学生的行为数据中得出的顺序模式来构建准确的预测模型，这些模式能够在课程的早期识别出表现不佳的学生。其次，我们通过研究是否应根据特定于课程的顺序模式或基于更一般的行为模式的几个课程来构建每个课程的预测模型，从而调查了建立此类预测模型的特异性征用性权衡。最后，我们提出了一种捕获行为数据中时间方面的方法，并分析了其对模型预测性能的影响。我们改进的序列分类技术的结果能够以高度准确性来预测学生的表现，而对于课程特异性模型的结果达到了90％。

如今，人工智能（AI）已成为临床和远程医疗保健应用程序的基本组成部分，但是最佳性能的AI系统通常太复杂了，无法自我解释。可解释的AI（XAI）技术被定义为揭示系统的预测和决策背后的推理，并且在处理敏感和个人健康数据时，它们变得更加至关重要。值得注意的是，XAI并未在不同的研究领域和数据类型中引起相同的关注，尤其是在医疗保健领域。特别是，许多临床和远程健康应用程序分别基于表格和时间序列数据，而XAI并未在这些数据类型上进行分析，而计算机视觉和自然语言处理（NLP）是参考应用程序。为了提供最适合医疗领域表格和时间序列数据的XAI方法的概述，本文提供了过去5年中文献的审查，说明了生成的解释的类型以及为评估其相关性所提供的努力和质量。具体而言，我们确定临床验证，一致性评估，客观和标准化质量评估以及以人为本的质量评估作为确保最终用户有效解释的关键特征。最后，我们强调了该领域的主要研究挑战以及现有XAI方法的局限性。

由于算法预测对人类的影响增加，模型解释性已成为机器学习（ML）的重要问题。解释不仅可以帮助用户了解为什么ML模型做出某些预测，还可以帮助用户了解这些预测如何更改。在本论文中，我们研究了从三个有利位置的ML模型的解释性：算法，用户和教学法，并为解释性问题贡献了一些新颖的解决方案。

Explainable AI (XAI) is widely viewed as a sine qua non for ever-expanding AI research. A better understanding of the needs of XAI users, as well as human-centered evaluations of explainable models are both a necessity and a challenge. In this paper, we explore how HCI and AI researchers conduct user studies in XAI applications based on a systematic literature review. After identifying and thoroughly analyzing 85 core papers with human-based XAI evaluations over the past five years, we categorize them along the measured characteristics of explanatory methods, namely trust, understanding, fairness, usability, and human-AI team performance. Our research shows that XAI is spreading more rapidly in certain application domains, such as recommender systems than in others, but that user evaluations are still rather sparse and incorporate hardly any insights from cognitive or social sciences. Based on a comprehensive discussion of best practices, i.e., common models, design choices, and measures in user studies, we propose practical guidelines on designing and conducting user studies for XAI researchers and practitioners. Lastly, this survey also highlights several open research directions, particularly linking psychological science and human-centered XAI.

我们研究了点击流行为中预测在线课程中学生知识获取的问题。通过电子学习讲座交付的激增，我们专注于讲座视频中的学生在视频活动中，由内容和视频测验组成。我们预测视频测验性能的方法基于我们开发的三个关键思路。首先，我们通过在原始事件数据上运行的时间序列学习架构模拟学生的点击行为，而不是定义可能在现有方法中定义手工制作的功能，可能丢失在单击序列内的重要信息。其次，我们开发了一个自我监督的Clickstream预培训，以学习Clickstream事件的信息表示，可以有效地初始化预测模型。第三，我们提出了一种基于聚类的基于元学习的培训，可以优化预测模型，以利用学生点击流序列中的频繁模式集群。通过对三个现实世界数据集的实验，我们证明我们的方法在预测学生的视频测验性能方面的两个基线模型中获得了大量改进。此外，我们通过消融研究验证了我们框架的预培训和元学习组成部分的重要性。最后，我们展示了我们的方法论如何了解与有用的学习分析有用的知识获取相关的视频监视行为的见解。

这项调查回顾了对基于视觉的自动驾驶系统进行行为克隆训练的解释性方法。解释性的概念具有多个方面，并且需要解释性的驾驶强度是一种安全至关重要的应用。从几个研究领域收集贡献，即计算机视觉，深度学习，自动驾驶，可解释的AI（X-AI），这项调查可以解决几点。首先，它讨论了从自动驾驶系统中获得更多可解释性和解释性的定义，上下文和动机，以及该应用程序特定的挑战。其次，以事后方式为黑盒自动驾驶系统提供解释的方法是全面组织和详细的。第三，详细介绍和讨论了旨在通过设计构建更容易解释的自动驾驶系统的方法。最后，确定并检查了剩余的开放挑战和潜在的未来研究方向。

越来越多的电子健康记录（EHR）数据和深度学习技术进步的越来越多的可用性（DL）已经引发了在开发基于DL的诊断，预后和治疗的DL临床决策支持系统中的研究兴趣激增。尽管承认医疗保健的深度学习的价值，但由于DL的黑匣子性质，实际医疗环境中进一步采用的障碍障碍仍然存在。因此，有一个可解释的DL的新兴需求，它允许最终用户评估模型决策，以便在采用行动之前知道是否接受或拒绝预测和建议。在这篇综述中，我们专注于DL模型在医疗保健中的可解释性。我们首先引入深入解释性的方法，并作为该领域的未来研究人员或临床从业者的方法参考。除了这些方法的细节之外，我们还包括对这些方法的优缺点以及它们中的每个场景都适合的讨论，因此感兴趣的读者可以知道如何比较和选择它们供使用。此外，我们讨论了这些方法，最初用于解决一般域问题，已经适应并应用于医疗保健问题以及如何帮助医生更好地理解这些数据驱动技术。总的来说，我们希望这项调查可以帮助研究人员和从业者在人工智能（AI）和临床领域了解我们为提高其DL模型的可解释性并相应地选择最佳方法。

人工智能（AI）使机器能够从人类经验中学习，适应新的输入，并执行人类的人类任务。 AI正在迅速发展，从过程自动化到认知增强任务和智能流程/数据分析的方式转换业务方式。然而，人类用户的主要挑战是理解和适当地信任AI算法和方法的结果。在本文中，为了解决这一挑战，我们研究并分析了最近在解释的人工智能（XAI）方法和工具中所做的最新工作。我们介绍了一种新颖的XAI进程，便于生产可解释的模型，同时保持高水平的学习性能。我们提出了一种基于互动的证据方法，以帮助人类用户理解和信任启用AI的算法创建的结果和输出。我们在银行域中采用典型方案进行分析客户交易。我们开发数字仪表板以促进与算法的互动结果，并讨论如何提出的XAI方法如何显着提高数据科学家对理解启用AI的算法结果的置信度。

与此同时，在可解释的人工智能（XAI）的研究领域中，已经开发了各种术语，动机，方法和评估标准。随着XAI方法的数量大大增长，研究人员以及从业者以及从业者需要一种方法：掌握主题的广度，比较方法，并根据特定用例所需的特征选择正确的XAI方法语境。在文献中，可以找到许多不同细节水平和深度水平的XAI方法分类。虽然他们经常具有不同的焦点，但它们也表现出许多重叠点。本文统一了这些努力，并提供了XAI方法的分类，这是关于目前研究中存在的概念的概念。在结构化文献分析和元研究中，我们识别并审查了XAI方法，指标和方法特征的50多个最引用和最新的调查。总结在调查调查中，我们将文章的术语和概念合并为统一的结构化分类。其中的单一概念总计超过50个不同的选择示例方法，我们相应地分类。分类学可以为初学者，研究人员和从业者提供服务作为XAI方法特征和方面的参考和广泛概述。因此，它提供了针对有针对性的，用例导向的基础和上下文敏感的未来研究。

可解释的人工智能和可解释的机器学习是重要性越来越重要的研究领域。然而，潜在的概念仍然难以捉摸，并且缺乏普遍商定的定义。虽然社会科学最近的灵感已经重新分为人类受助人的需求和期望的工作，但该领域仍然错过了具体的概念化。通过审查人类解释性的哲学和社会基础，我们采取措施来解决这一挑战，然后我们转化为技术领域。特别是，我们仔细审查了算法黑匣子的概念，并通过解释过程确定的理解频谱并扩展了背景知识。这种方法允许我们将可解释性（逻辑）推理定义为在某些背景知识下解释的透明洞察（进入黑匣子）的解释 - 这是一个从事在Admoleis中理解的过程。然后，我们采用这种概念化来重新审视透明度和预测权力之间的争议权差异，以及对安特 - 人穴和后宫后解释者的影响，以及可解释性发挥的公平和问责制。我们还讨论机器学习工作流程的组件，可能需要可解释性，从以人为本的可解释性建立一系列思想，重点介绍声明，对比陈述和解释过程。我们的讨论调整并补充目前的研究，以帮助更好地导航开放问题 - 而不是试图解决任何个人问题 - 从而为实现的地面讨论和解释的人工智能和可解释的机器学习的未来进展奠定了坚实的基础。我们结束了我们的研究结果，重新审视了实现所需的算法透明度水平所需的人以人为本的解释过程。

在机构研究模式中，为了探索哪些特征是预测具有高维，不平衡分类的小型样本的学生行为数据集的最佳指标，它将大学生的学术风险预测转化为二元分类任务。基于LightGBM模型的学术风险及福利价值的可解释机学习方法预测。仿真结果表明，从全球的预测模型的角度来看，学术伙伴的质量等特点，课堂上的座位位置，宿舍学习氛围，学院入学员的英语分数，学术伙伴的数量，视频游戏的成瘾水平，学术伙伴的流动性，以及逃学程度是学术风险最佳的8个预测因子。它违背了生活在校园里或没有工作，工作研究，口红成瘾，学生领导者，情人金额和吸烟的特征与本实验中的大学学术风险几乎没有相关。从样本的局部视角来看，影响学术风险的因素因人的人而异。它可以通过传统的数学统计预测模型来执行个性化的可解释分析，这不能通过传统的数学统计预测模型来完成。本研究的学术贡献主要是在两个方面：首先，第一次提出学习互动网络，使社会行为可用于弥补单方面的个人行为，提高学术风险预测的性能。其次，福利价值计算的引入使机器学习缺乏明确的推理过程可视化，并为教育管理者提供直观的决策支持。

众所周知，端到端的神经NLP体系结构很难理解，这引起了近年来为解释性建模的许多努力。模型解释的基本原则是忠诚，即，解释应准确地代表模型预测背后的推理过程。这项调查首先讨论了忠诚的定义和评估及其对解释性的意义。然后，我们通过将方法分为五类来介绍忠实解释的最新进展：相似性方法，模型内部结构的分析，基于反向传播的方法，反事实干预和自我解释模型。每个类别将通过其代表性研究，优势和缺点来说明。最后，我们从它们的共同美德和局限性方面讨论了上述所有方法，并反思未来的工作方向忠实的解释性。对于有兴趣研究可解释性的研究人员，这项调查将为该领域提供可访问且全面的概述，为进一步探索提供基础。对于希望更好地了解自己的模型的用户，该调查将是一项介绍性手册，帮助选择最合适的解释方法。