KR101370735B1 - Computerized adaptive testing system and method using bayesian networks - Google Patents

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Abstract

베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템 및 방법이 개시된다. 컴퓨터 기반 적응적 평가(CAT: Computerized Adaptive Testing) 시스템은 학습도 추정을 위한 복수개의 평가 문항이 복수개의 세부 학습 영역으로 구분되어 저장되는 평가 문항 데이터베이스, 상기 평가 문항 데이터베이스에 저장된 평가 문항을 클러스터링하여 구조화함으로써 평가하고자 하는 과목의 세부 학습 영역 및 각 평가 문항 간의 연관성 정보를 생성하는 연관성 정보 생성부, 상기 생성된 연관성 정보를 기초로 베이지안 네트워크(Bayesian network)를 생성하는 베이지안 네트워크부 및 상기 생성된 베이지안 네트워크를 이용하여 상기 평가 문항에 대한 사용자의 학습도를 추정하고 동시에 전체적인 학습도 및 각 세부 학습 영역별로 사용자의 학습도를 추정하는 학습도 추정부를 포함할 수 있다.Disclosed are a computer-based adaptive evaluation system and method using a Bayesian network. The computerized adaptive testing (CAT) system is structured by clustering an evaluation item database in which a plurality of evaluation items for estimation of learning are divided into a plurality of detailed learning areas and stored in the evaluation item database. By doing so, an association information generation unit generating association information between the detailed learning area of each subject to be evaluated and each evaluation item, a Bayesian network unit generating a Bayesian network based on the generated association information, and the generated Bayesian network A learning degree estimator for estimating the degree of learning of the user with respect to the evaluation item and the total degree of learning and the degree of learning of the user for each detailed learning area may be included.

Figure R1020110091106
Figure R1020110091106

Description

베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템 및 방법{COMPUTERIZED ADAPTIVE TESTING SYSTEM AND METHOD USING BAYESIAN NETWORKS}Computer-based Adaptive Evaluation System and Method using Bayesian Networks {COMPUTERIZED ADAPTIVE TESTING SYSTEM AND METHOD USING BAYESIAN NETWORKS}

본 발명의 실시예들은 베이지안 네트워크를 이용하여 컴퓨터 기반 적응적 평가(CAT: Computerized Adaptive Testing)를 수행하는 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템 및 방법에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to a computer-based adaptive evaluation system and method using a Bayesian network that performs Computerized Adaptive Testing (CAT) using a Bayesian network.

학습자의 수준에 따른 맞춤형 학습을 위하여 학생의 현재 수준을 측정할 수 있는 다양한 평가 방법이 개발되어 있다. 그러나 현재 대부분의 학교에서는 전통적인 지필고사를 평가 방법에 그대로 적용하고 있다.Various assessment methods have been developed to measure the student's current level for customized learning according to the learner's level. Most schools, however, now apply the traditional paper test to their evaluation methods.

지필고사의 문제점은 다양한 유형을 가진 학습자의 수준을 측정하기 위해 문항수가 필연적으로 많아질 수밖에 없고 문항수가 많아지는 만큼 시험시간이 길어지며, 그에 따라 학습자에게 가해지는 부담이 커진다는 것이다. 또한 학습자의 유형에 맞춘 개별화된 문항의 작성이 곤란하여 검사의 내용이 대부분의 계층을 포함하는 문항으로 구성되기 쉬우며, 이는 해당 유형에 속하지 않는 학습자에게 불필요한 문항에 대한 응답을 요구하여 시간의 낭비와 학습자의 의욕저하를 가져온다.The problem with the paper-based exam is that the number of questions inevitably increases in order to measure the level of learners of various types, and as the number of questions increases, the test time becomes longer, thereby increasing the burden on the learners. In addition, it is difficult to create individualized questions for the learner's type, so the contents of the test are easily composed of the items including most of the hierarchies, which is a waste of time by requiring learners who do not belong to the type to respond to unnecessary questions. And lowering the motivation of the learner.

이를 해결하기 위하여 컴퓨터를 이용한 검사가 해결책의 하나로써 주목을 받기 시작하였고, 컴퓨터의 연산능력과 검사이론을 융합시킨 형태인 컴퓨터 기반 적응적 평가(CAT: Computerized Adaptive Test)를 통하여 학생들의 인지과정과 상태를 파악하려는 연구가 이루어지고 있다.In order to solve this problem, computer-based tests began to receive attention as one of the solutions, and students' cognitive processes and computer cognitive processes were developed through computerized adaptive test (CAT), which combines the computer's computing power and test theory. Research is underway to determine the condition.

CAT는 주어진 문항의 응답 결과에 따라 다음 문항이 채택되어 출제되므로 응시자의 능력을 보다 정밀하게 추정하는 것이 가능하다. 또한 CAT는 기존의 지필검사에 비해 적은 문항으로도 피험자의 능력을 보다 정확하게 평가할 수 있을 뿐 아니라, 검사의 시행 및 결과 확인이 검사와 동시에 이루어지므로 경제적인 측면에서도 매우 유리하다.In the CAT, the following questions are selected and answered according to the response result of a given question, so that the candidate's ability can be estimated more precisely. In addition, the CAT can evaluate the subject's ability more accurately with fewer questions than the paper-based test, and it is very economically advantageous because the test is carried out and the result is confirmed at the same time as the test.

한국공개특허 제10-2001-0103810호(공개일 2001년 11월 24일) "컴퓨터를 이용한 교육평가시스템 및 그 운영방법"에는 소정 검사지를 구성하는 문항 각각의 특성을 분석하고, 분석된 문항의 정보를 근거로 일정 피험자별로 해당 검사목록에 부합하는 문항을 제작하고, 지필검사, 컴퓨터이용검사(CBT: Computer Based Test), CAT 중 피험자의 검사방식 선택에 따라 검사지를 구성하여 검사를 실시하고, 검사분석프로그램을 근거로 문항분석 및 피험자 능력 추정결과를 피험자에게 제공하고 저장하는 것이 기재되어 있다.Korean Patent Application Publication No. 10-2001-0103810 (published November 24, 2001) includes a computer-based educational evaluation system and its operation method. Based on the information, a questionnaire corresponding to the test list is prepared for each subject, and the test sheet is composed according to the test method selected by the test method among paper test, computer based test (CBT), and CAT. Based on the test analysis program, providing and storing the results of item analysis and subject capability estimation to the subject are described.

그러나, 이와 같은 평가 방법으로는 다양한 유형을 가진 학습자의 특성을 세분화하기 어렵다. CAT도 지필고사의 점수와 마찬가지로 능력 모수치라는 하나의 수치로 학습자의 특성을 정의하는데, 이와 같이 하나의 수치만을 기준으로 학습자의 등급을 분류하는 방법은 학습자 개개인의 특성을 고려하는 교육을 위한 능력 평가로서는 부족함이 있다. 또한 문항에 대한 학습자의 응답은 서로 독립임을 가정하여 진행하므로 실세계에서 그렇지 않은 경우, 즉 연관성이 큰 문항이 존재하는 경우에 이미 응답한 문항의 결과를 반영하지 않고 응답했던 문항과 유사한 문항을 제출하게 될 수 있으므로 학습자의 수준을 빠르게 측정하기에는 효율적이지 못하다.However, it is difficult to refine the characteristics of learners of various types with such evaluation methods. CAT, like the paper test score, defines the learner's characteristics with a single parameter, the ability parameter. The method of classifying learner's grade based on only one number is the ability for education to consider the characteristics of each learner. There is a lack of evaluation. In addition, learners' responses to the questions are assumed to be independent of each other, so that if they are not in the real world, that is, if there are highly related questions, they should submit a similar item to the question that was answered without reflecting the result of the already answered question. It is not efficient to quickly measure the level of learners.

따라서, 문항 구성에 있어 CAT는 단순히 문항 반응 이론(IRT: Item Response Theory)만을 이용하여 학습자의 능력에 맞는 난이도의 문제를 추천하는 방식이기 때문에, 문항 간의 연관성이 매우 높은 경우 해당 문항에 미치는 영향을 평가할 수 없고 학습자의 능력치를 빠르고 정확하게 추정하기 어렵다.Therefore, in the composition of items, CAT simply recommends the problem of difficulty that suits the learner's ability by using only item response theory (IRT). It cannot be evaluated and it is difficult to estimate learner's abilities quickly and accurately.

또한, 기존의 IRT 기반의 CAT는 학습자의 전체적인 능력치 만을 평가하기 때문에 세부 학습 영역별 학습자의 능력치를 효과적으로 추정하지 못하는 문제점이 있다.In addition, since the existing IRT-based CAT evaluates only the overall ability of the learner, there is a problem in that it cannot effectively estimate the learner's ability in each detailed learning area.

문항 간의 연관성을 고려하여 학습자의 능력치를 빠르고 정확하게 추정할 수 있는 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템 및 방법이 제공된다.A computer-based adaptive evaluation system and method using Bayesian network that can estimate learner's ability quickly and accurately in consideration of the correlation between questions is provided.

적은 문항 수만으로도 빠른 시간 내에 학습자의 학습 상태를 정확하게 평가할 수 있는 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템 및 방법이 제공된다.A computer-based adaptive evaluation system and method using a Bayesian network that can accurately evaluate a learner's learning status in a short time with a small number of questions is provided.

컴퓨터 기반 적응적 평가(CAT: Computerized Adaptive Testing) 시스템은 학습도 추정을 위한 복수개의 평가 문항이 복수개의 세부 학습 영역으로 구분되어 저장되는 평가 문항 데이터베이스, 상기 평가 문항 데이터베이스에 저장된 평가 문항을 클러스터링하여 상기 학습 영역과 문항별 연관 관계를 베이지안 네트워크 토폴로지로 구조화함으로써 평가하고자 하는 과목의 세부 학습 영역 및 각 평가 문항 간의 연관성 정보를 생성하는 연관성 정보 생성부, 상기 생성된 연관성 정보를 기초로 베이지안 네트워크(Bayesian network)를 생성하는 베이지안 네트워크부 및 상기 생성된 베이지안 네트워크 및 문항별 연관 관계를 이용하여 상기 평가 문항 및 각 세부 학습 영역 별로 사용자의 학습도를 추정하는 학습도 추정부를 포함하고, 상기 연관성 정보 생성부는, 상기 세부 학습 영역 및 평가 문항을 트리 형태로 구조화하고, 상기 문항별 연관 관계는, 상기 사용자에 의해 평가 문항이 응답될 때 마다 응답 결과가 반영될 수 있다.The computerized adaptive testing (CAT) system includes an evaluation item database in which a plurality of evaluation items for estimation of learning are divided into a plurality of detailed learning areas, and clustered evaluation items stored in the evaluation item database. An association information generation unit for generating a detailed learning region of a subject to be evaluated and an association information between each assessment item by structuring the relationship between the learning region and each item in a Bayesian network topology, and a Bayesian network based on the generated association information. A learning degree estimator for estimating a learning degree of the user for each evaluation item and each detailed learning area by using a Bayesian network unit for generating a) and an association relationship between the generated Bayesian network and items, wherein the association information generation unit includes: Above three Structuring the learning area and the test items in the form of a tree, and related items associated with the specific, it can be reflected in the response result each time the test items The response by the user.

일 측에 따르면, 상기 평가 문항에 대한 과거 사용자들의 평가 결과가 저장되어 있는 평가 결과 데이터베이스 및 상기 평가 결과 데이터베이스에 저장된 평가 결과를 기초로 EM(Expectation-Maximization) 알고리즘을 이용하여 상기 베이지안 네트워크의 각 노드별로 확률 계산을 위한 조건부 확률 테이블을 생성하는 CPT 생성부를 더 포함하고, 상기 베이지안 네트워크부는 상기 연관성 정보 및 상기 조건부 확률 테이블을 이용하여 상기 베이지안 네트워크를 생성하고, 상기 EM 알고리즘은, 상기 평가 결과를 활용하여 히든 변수를 추정할 수 있다.According to one side, each node of the Bayesian network using an evaluation-maximization (EM) algorithm based on the evaluation result database that stores the evaluation results of past users of the evaluation item and the evaluation results stored in the evaluation result database And a CPT generator for generating a conditional probability table for each probability calculation, wherein the Bayesian network unit generates the Bayesian network using the association information and the conditional probability table, and the EM algorithm utilizes the evaluation result. We can estimate the hidden variable.

다른 측면에 따르면, 상기 추정된 학습도를 기초로 상기 평가 문항 중 상기 사용자에게 적합한 문항을 추천하는 평가 문항 추천부를 더 포함할 수 있다.According to another aspect, the method may further include an evaluation item recommending unit for recommending an item suitable for the user among the evaluation items based on the estimated degree of learning.

컴퓨터 기반 적응적 평가(CAT: Computerized Adaptive Testing) 방법은 복수개의 세부 학습 영역으로 구분되는 복수개의 평가 문항을 클러스터링하여 상기 학습 영역과 문항별 연관 관계를 베이지안 네트워크 토폴로지로 구조화하는 단계, 상기 구조화된 세부 학습 영역 및 각 평가 문항 간의 연관성 정보를 생성하는 단계, 상기 생성된 연관성 정보를 기초로 베이지안 네트워크(Bayesian network)를 생성하는 단계 및 상기 생성된 베이지안 네트워크 및 문항별 연관 관계를 이용하여 상기 평가 문항 및 각 세부 학습 영역 별로 사용자의 학습도를 추정하는 단계를 포함하고, 상기 구조화하는 단계는, 상기 세부 학습 영역 및 평가 문항을 트리 형태로 구조화하고, 상기 문항별 연관 관계는, 상기 사용자에 의해 평가 문항이 응답될 때 마다 응답 결과가 반영될 수 있다.The computerized adaptive testing (CAT) method comprises clustering a plurality of evaluation items divided into a plurality of detailed learning areas to structure a relationship between the learning areas and the items in a Bayesian network topology, and the structured detail. Generating association information between a learning area and each assessment item; generating a Bayesian network based on the generated association information; and using the generated Bayesian network and item-specific associations; Estimating the degree of learning of the user for each sublearning area, wherein the structuring includes: structuring the sublearning area and the evaluation item in the form of a tree, and the relation of each item is evaluated by the user. Whenever this response is received, the response result may be reflected.

기존의 문항 반응 이론(IRT: Item Response Theory) 대신 문항 간의 연관성을 고려하는 베이지안 네트워크를 이용하여 학습자의 능력치를 평가함으로써 학습자의 능력치를 빠르고 정확하게 추정할 수 있다.Instead of the existing Item Response Theory (IRT), we can estimate learner's ability quickly and accurately by using the Bayesian network which considers the relationship between items.

베이지안 네트워크를 통하여 문항 간의 연관성이 구조화되므로 적은 문항 수만으로도 빠른 시간 내에 학습자의 학습 상태를 정확하게 평가할 수 있고, 전체적인 학습자의 능력치 뿐만 아니라 각 세부 학습 영역별 학습자의 능력치도 추정할 수 있다.Since the association between questions is structured through the Bayesian network, it is possible to accurately assess the learner's learning status in a short time with a small number of questions, and to estimate not only the overall learner's ability but also the learner's ability in each detailed learning area.

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 지식의 영역과 연관성을 이용한 베이지안 네트워크를 이용하여 과목의 세부 학습 영역 및 각 평가 문항을 구조화하는 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 베이지안 네트워크의 각 노드별 CPT를 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템을 이용하여 사용자를 평가하는 과정을 나타내는 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 방법을 나타내는 흐름도이다.
1 is a block diagram illustrating a computer-based adaptive evaluation system using a Bayesian network according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for structuring detailed learning areas of subjects and respective evaluation items using a Bayesian network using associations with areas of knowledge in accordance with an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating CPT for each node of a Bayesian network according to one embodiment of the present invention.
4 to 7 are exemplary diagrams illustrating a process of evaluating a user using a computer-based adaptive evaluation system using a Bayesian network according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph illustrating an experimental result of a computer-based adaptive evaluation system using a Bayesian network according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a computer-based adaptive evaluation method using a Bayesian network according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

종래에서는 학습자의 능력치 추정을 위해 단순히 문항 반응 이론(IRT: Item Response Theory)만을 이용하였다. 즉, 문항 간의 연관성을 전혀 고려하지 않아 실제 평가에 있어 불필요한 문항까지 평가되는 문제가 발생한다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하고자 관찰된 일부 변수 값들을 이용하여 나머지 모든 변수값에 대한 확률을 계산할 수 있는 베이지안 네트워크(Bayesian network)를 이용하여 문항 간의 지식 연관성을 구조화하고, 이를 실제 학습자의 평가에 활용한다.In the related art, only item response theory (IRT) was used for estimating the learner's ability. In other words, there is a problem that the items that are unnecessary in the actual evaluation are evaluated without considering the correlation between the items at all. In order to solve this problem, the present invention uses Bayesian network, which can calculate probabilities for all other variable values by using some observed variable values. Take advantage.

모든 문항 간의 연관성은 베이지안 네트워크를 통해 정의되기 때문에, 한 문항에 대한 응답 결과는 다른 문항의 정답률에 영향을 미치게 된다. 즉, 수험자가 하나의 문항에 응답하면, 그 응답의 결과가 베이지안 네트워크를 통해 베이지안 네트워크에 연결되어 있는 모든 노드들(문항 노드, 학습 영역 노드)에 전파된다. 이를 통해 여러 문항 및 각 영역별 카테고리에 대한 정보를 동시에 얻을 수 있다. 각 문항에 대해서는 해당 문항을 맞출 확률 등을 파악할 수 있으며 또한 각 영역별 카테고리에 대해서는 해당 영역을 명확하게 이해할 확률을 추정할 수 있다.Since the association between all questions is defined through the Bayesian network, the response result of one item affects the percentage of correct answers of the other item. That is, when the examinee responds to a question, the result of the response is propagated to all nodes (question node, learning area node) connected to the Bayesian network through the Bayesian network. Through this, information on several questions and categories of each area can be obtained at the same time. For each item, it is possible to grasp the probability of fitting the item and the like, and for each category, the probability of clearly understanding the area can be estimated.

또한 베이지안 네트워크의 확률 추정 기법을 이용하면, 관찰된 일부 변수 값들을 이용하여 나머지 모든 변수 값에 대한 확률을 효율적으로 계산 및 추정할 수 있다. 즉, 수험자가 어떤 문항에 응답하였을 때, 이 응답한 내용을 바탕으로 나머지 모든 변수들(다른 문항 변수들 및 학습 영역 변수들)에 대한 확률을 계산할 수 있다. 결과적으로 본 발명에 따른 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템은 베이지안 네트워크의 다음의 특성을 이용하여 효과적인 평가를 수행한다.
In addition, using the Bayesian network probability estimation technique, it is possible to efficiently calculate and estimate the probability of all remaining variable values using some observed variable values. That is, when the examinee responds to an item, the probability of all other variables (other item variables and learning area variables) can be calculated based on the response. As a result, the computer-based adaptive evaluation system using the Bayesian network according to the present invention performs an effective evaluation using the following characteristics of the Bayesian network.

(1) 베이지안 네트워크를 통해 변수들간의 연관 관계를 효과적으로 표현 가능(1) Efficiently express associations between variables through Bayesian networks

→ 이를 통해 문항과 지식 영역 간의 연관 관계를 효과적으로 표현 가능.→ Through this, the relationship between the question and the knowledge area can be expressed effectively.

(2) 베이지안 네트워크에서 일부 변수의 값이 관찰되었을 때, 이 관찰된 일부 변수 값들을 이용하여 나머지 모든 변수값에 대한 확률을 계산할 수 있음.(2) When the values of some variables are observed in the Bayesian network, the observed values of some variables can be used to calculate probabilities for all other variables.

→ 이를 통해 사용자가 어떤 문항에 응답했을 때, 이 응답한 결과를 바탕으로 나머지 노드들의 확률값을 추론
¡Æ when a user responds to an item, the probability of the remaining nodes is inferred based on the response

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템을 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a computer-based adaptive evaluation system using a Bayesian network according to an embodiment of the present invention.

베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가(CAT: Computerized Adaptive Testing) 시스템은 평가 문항 데이터베이스(110), 연관성 정보 생성부(120), 평가 결과 데이터베이스(130), CPT 생성부(140), 베이지안 네트워크부(150), 학습도 추정부(160), 평가 문항 추천부(170) 및 사용자 인터페이스(180)를 포함할 수 있다.The computerized adaptive testing (CAT) system using a Bayesian network includes an evaluation item database 110, an association information generating unit 120, an evaluation result database 130, a CPT generating unit 140, and a Bayesian network unit. 150, a learning degree estimator 160, an evaluation item recommender 170, and a user interface 180 may be included.

평가 문항 데이터베이스(110)에는 학습도 추정을 위한 복수개의 평가 문항이 복수개의 세부 학습 영역으로 구분되어 저장될 수 있다.In the evaluation item database 110, a plurality of evaluation items for estimating the degree of learning may be divided into a plurality of detailed learning areas and stored.

연관성 정보 생성부(120)는 평가 문항 데이터베이스(110)에 저장된 평가 문항을 클러스터링(clustering)하여 지식 영역(학습 영역)과 문항별 연관 관계를 베이지안 네트워크 토폴로지(topology)로 구조화함으로써 평가하고자 하는 과목의 세부 학습 영역 및 각 평가 문항 간의 연관성 정보를 생성할 수 있다. 이를 통해 종래의 IRT를 이용한 CAT와는 달리 전체적인 학습 능력치 추정뿐만 아니라 각 세부 학습 영역별 학습자의 능력치 추정이 가능하며, 문항별 연관 관계 또한 실제 평가 시 고려되어 보다 정확하고 효율적인 학습 평가를 수행할 수 있다. 연관성 정보 생성부(120)가 생성하는 연관성 정보에 대해서는 후술되는 도 2를 통하여 보다 상세히 설명하기로 한다.The association information generation unit 120 clusters the evaluation items stored in the evaluation item database 110 to structure the association between knowledge areas (learning areas) and items by Bayesian network topology. Association information between the detailed learning area and each assessment item may be generated. Through this, unlike the CAT using the conventional IRT, it is possible not only to estimate the overall learning ability, but also to estimate the learner's ability in each detailed learning area, and the correlations between the items can be considered in the actual evaluation to perform more accurate and efficient learning evaluation. . The association information generated by the association information generation unit 120 will be described in more detail with reference to FIG. 2 to be described later.

한편, 평가 결과 데이터베이스(130)는 CPT 생성에 필요한 학습 데이터(training data) 즉, 해당 평가 문항들에 대한 과거 학생들의 실제 평가 결과가 저장된다.Meanwhile, the evaluation result database 130 stores training data necessary for generating a CPT, that is, actual evaluation results of past students on corresponding evaluation items.

CPT 생성부(140)는 평가 결과 데이터베이스(130)에 저장된 평가 결과를 기초로 EM(Expectation-Maximization) 알고리즘을 이용하여 베이지안 네트워크의 각 노드별로 확률 계산을 위한 조건부 확률 테이블(CPT: Conditional Probability Table)을 생성한다. CPT 생성부(140)가 조건부 확률 테이블을 생성하는 과정에 대해서는 후술되는 도 3을 통하여 보다 상세히 설명하기로 한다.The CPT generation unit 140 uses a conditional probability table (CPT) for calculating a probability for each node of the Bayesian network based on the evaluation-maximization (EM) algorithm based on the evaluation result stored in the evaluation result database 130. Create A process of generating the conditional probability table by the CPT generator 140 will be described in more detail with reference to FIG. 3.

베이지안 네트워크부(150)는 베이지안 네트워크를 생성한다. 일 예로, 베이지안 네트워크부(150)는 상기 연관성 정보 생성부(120)에서 생성된 연관성 정보와 상기 CPT 생성부에서 생성된 조건부 확률 테이블을 이용하여 베이지안 네트워크를 완성할 수 있다.Bayesian network unit 150 generates a Bayesian network. As an example, the Bayesian network unit 150 may complete the Bayesian network using the association information generated by the association information generator 120 and the conditional probability table generated by the CPT generator.

학습도 추정부(160)는 베이지안 네트워크부(150)에서 생성된 베이지안 네트워크를 이용하여 평가 문항에 대한 사용자의 학습도 추정 뿐만 아니라 전체적인 학습자의 학습도 및 각 세부 학습 영역별 학습자의 학습도를 추정할 수 있다.The learning degree estimator 160 estimates not only the user's learning degree for the evaluation item but also the overall learner's learning degree and the learner's learning degree for each detailed learning area using the Bayesian network generated by the Bayesian network unit 150. can do.

평가 문항 추천부(170)는 학습도 추정부(160)에서 추정된 학습도를 기초로 평가 문항 데이터베이스(110)에 저장된 평가 문항 중 상기 사용자에게 적합한 문항을 추천한다.The evaluation item recommender 170 recommends an item suitable for the user among evaluation items stored in the evaluation item database 110 based on the learning degree estimated by the learning degree estimator 160.

사용자 인터페이스(180)는 평가 문항 추천부(170)에서 추천되는 문항 및 평가 결과를 표시하거나, 사용자로부터 평가 문항에 대한 응답을 입력 받아 학습도 추정부(130)로 전달함으로써 상기 평가 문항에 대한 사용자의 학습도를 추정하도록 하고 상기 응답이 평가 문항 추천부(160)를 통하여 추천되는 문항에 반영되도록 한다.The user interface 180 displays a question and an evaluation result recommended by the evaluation item recommendation unit 170 or receives a response to the evaluation item from the user and transfers the response to the learning estimator 130 to the user for the evaluation item. To estimate the degree of learning and the response is reflected in the item that is recommended through the evaluation item recommender 160.

이하, 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템의 동작을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the operation of the computer-based adaptive evaluation system using the Bayesian network will be described in more detail.

도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 지식의 영역과 연관성을 이용한 베이지안 네트워크를 이용하여 과목의 세부 학습 영역 및 각 평가 문항을 구조화하는 것을 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a diagram for structuring detailed learning areas of subjects and respective evaluation items using a Bayesian network using associations with areas of knowledge in accordance with an embodiment of the present invention.

예를 들어, 함수의 변화율, 극한, 미분, 편미분 및 적분과 같은 과목의 세부 학습 영역이 도 2(a)에 도시된 바와 같이 연관성이 있다고 할 때, 본 발명에 따른 CAT 시스템의 연관성 정보 생성부는 평가 문항 데이터베이스에 저장된 평가 문항을 클러스터링하고 베이지안 네트워크를 이용하여 트리 형태로 구조화함으로써 도 2(b)와 같이 과목의 세부 학습 영역(함수의 변화율, 극한, 미분, 편미분, 적분) 및 각 평가 문항(Q1~Q6) 간의 연관성 정보를 생성할 수 있다.For example, when a detailed learning area of a subject such as a function change rate, limit, derivative, partial derivative and integral is related as shown in FIG. 2 (a), the association information generation unit of the CAT system according to the present invention The evaluation items stored in the evaluation item database are clustered and structured in a tree form using a Bayesian network, as shown in FIG. 2 (b), the detailed learning areas (function change rate, limit, derivative, partial derivative, integral) and each evaluation item ( Q1 to Q6) may generate association information.

일 예로, 사용자가 함수의 변화율과 극한에 대한 문제를 틀렸다면 상기 사용자는 미분 문제를 맞출 확률이 낮아진다. 반대로, 편미분과 적분 문제를 맞춘 사용자는 미분 문제를 맞출 확률이 높아진다. 그렇다면 자동적으로 해당 사용자는 미분 분야를 잘 이해하고 있을 확률도 높아지게 된다.For example, if the user is wrong about the rate of change and the limit of the function, the user is less likely to solve the differential problem. Conversely, users who match partial and integral problems are more likely to solve differential problems. If so, the user is automatically more likely to understand the derivatives.

또한 베이지안 네트워크의 확률 추론 기법을 통해, 만약 사용자가 2번 문제에 응답하였을 때(관찰된 값), 이 응답한 결과를 바탕으로 나머지 모든 노드들의 확률 값을 추론할 수 있다. 이를 통해 적은 수의 문항만을 가지고도 다른 문항을 맞출 확률 및 각 세부 학습 영역별 이해할 확률들을 효과적으로 추정할 수 있다.Also, through the probability inference technique of Bayesian network, if the user responds to the second problem (observed value), the probability value of all remaining nodes can be inferred based on the result of the response. Through this, it is possible to effectively estimate the probability of fitting different items and the probability of understanding in each detailed learning area with only a few items.

이와 같이 베이지안 네트워크를 CAT에 적용시켜 사용자의 응답에 따라 다음 문제를 선택하는 알고리즘 및 각 영역별 학생의 능력치를 평가하는 알고리즘에 사용하면, 기존의 평가 방식 보다 더 빠른 시간 내에 더 적은 수의 문항만을 가지고도 학습자를 빠르게 그리고 정확하게 평가할 수 있을 뿐만 아니라 전체적인 학습자의 능력치 및 각 세부 학습 영역별 학습자의 능력치를 추정할 수 있다.When the Bayesian network is applied to CAT and used for algorithms to select the next problem according to the user's response and algorithms for evaluating the student's abilities in each area, fewer questions are generated in a shorter time than the conventional evaluation method. Not only can they quickly and accurately assess learners, but they can also estimate overall learners 'abilities and learners' abilities for each subfield.

도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 베이지안 네트워크의 각 노드별 CPT를 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating CPT for each node of a Bayesian network according to one embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 CAT 시스템은 도시된 바와 같이, 기존 사용자들의 평가 결과 및 도 2에 도시된 베이지안 네트워크의 연관성 정보를 이용하여 EM 알고리즘을 수행함으로써 각 노드별로 CPT를 생성할 수 있다.As shown, the CAT system can generate a CPT for each node by performing an EM algorithm using evaluation results of existing users and the association information of the Bayesian network shown in FIG. 2.

연관성 정보 생성부에서 지식의 클러스터링 과정을 통해 베이지안 네트워크의 토폴로지가 완성되었다 하더라도, 실제 확률 추정을 수행하기 위해서는 베이지안 네트워크의 각 노드별로 조건부 확률 값이 정의되어 있는 CPT(Conditional Probability Table)가 요구될 수 있다. 이를 위해 본 발명에 따른 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템의 CPT 생성부는 평가 결과 데이터베이스에 저장된 사용자들이 과거에 해당 평가에 응시했던 평가 결과를 학습 데이터(Training Data)로 활용하여 CPT를 자동으로 생성한다.Although the topology of the Bayesian network is completed through the clustering process of knowledge in the association information generation unit, a CPT (Conditional Probability Table) in which conditional probability values are defined for each node of the Bayesian network may be required to perform the actual probability estimation. have. To this end, the CPT generation unit of the computer-based adaptive evaluation system using the Bayesian network according to the present invention automatically utilizes the CPT by using the evaluation results, which the users stored in the evaluation result database have taken in the past, as training data. Create

베이지안 네트워크의 CPT 생성을 위해 평가 결과 데이터베이스에 저장되는 평가 결과는 각 문항별 학생들이 응답한 결과(정답/오답) 자료를 바탕으로 한다. 이 때, 각 학생들의 세부 학습 영역별 성취도는 평가 결과에 주어지지 않는다. 이와 같이 실제 평가 결과에 주어지지 않는 변수 값을 히든 변수(Hidden variable)라 한다.The evaluation results stored in the evaluation results database for the CPT generation of the Bayesian network are based on the results of the students' answers (correct or incorrect) for each question. At this time, the achievement of each student's detailed learning area is not given in the evaluation result. As such, a variable value that is not given to the actual evaluation result is called a hidden variable.

CPT 생성부는 평가 결과를 이용하여 학습 영역 노드의 CPT를 생성하기 위해 EM(Expectation Maximization) 알고리즘을 이용할 수 있다. 이를 통해 전체 평가에 필요한 베이지안 네트워크의 각 노드별 CPT를 자동으로 생성될 수 있다.The CPT generator may use an EM (Expectation Maximization) algorithm to generate the CPT of the learning area node using the evaluation result. This allows the automatic generation of CPTs for each node in the Bayesian network, which is necessary for the overall evaluation.

EM 알고리즘은 주어진 모델의 히든 변수를 주어진 학습 데이터를 활용하여 추정하는 기법으로, 베이지안 네트워크를 비롯하여 Hidden Markov Model(HMM), Gaussian mixture model 등 여러 분야에서 활용되고 있다.EM algorithm is a technique for estimating hidden variables of a given model using given training data. It is used in various fields such as Bayesian network, Hidden Markov Model (HMM) and Gaussian mixture model.

본 발명에 따른 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템은 실제 사용자들이 응시했던 시험의 정/오 응답 여부 자료만을 학습 데이터로서 필요로 한다. 나머지 각 영역별 사용자들의 능력치 자료는 필요로 하지 않으며, 이는 베이지안 네트워크에 의해 자동으로 계산될 수 있다. 이를 통해 실제 평가 수행에 필요한 각 노드별 CPT가 자동으로 생성되어 완전한 베이지안 네트워크가 구성될 수 있다.The computer-based adaptive evaluation system using the Bayesian network according to the present invention requires only the correct answer data of the test that the real users took as learning data. The capability data of the remaining users in each domain is not needed and can be calculated automatically by the Bayesian network. This will automatically generate CPTs for each node needed to perform the actual evaluation, resulting in a complete Bayesian network.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템을 이용하여 사용자를 평가하는 과정을 나타내는 예시도이다.4 to 7 are exemplary diagrams illustrating a process of evaluating a user using a computer-based adaptive evaluation system using a Bayesian network according to an embodiment of the present invention.

종래의 CAT 시스템은 IRT를 이용하여 학습자의 능력치를 추정한다. 이를 바탕으로 적절한 문항을 선택하고, 학생의 능력치를 평가하는 방식으로 진행된다. 그러나 이러한 기존의 방식은 각 문항 간의 연관 관계를 제대로 반영하지 못할 뿐만 아니라 각 세부 학습 영역별 능력치 추정 또한 불가능하여 효율적이지 못하다.The conventional CAT system estimates the learner's ability using the IRT. Based on this, the appropriate questions are selected and students' proficiency is evaluated. However, this conventional method is not effective because it does not reflect the relations among the items properly and also it is impossible to estimate the ability values for each detailed learning area.

그러나 본 발명에 따른 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템은 IRT가 아닌 베이지안 네트워크를 이용하여 학습자의 능력치를 추정하고 이를 바탕으로 최적의 문항을 추천하며, 최종적으로 학습자의 전체적인 능력 및 각 세부 학습 영역별 능력치를 추정한다.However, the computer-based adaptive evaluation system using the Bayesian network according to the present invention estimates the learner's abilities using the Bayesian network rather than the IRT, and recommends the best questions based on the learner's ability. Estimate the capability of each area.

베이지안 네트워크는 일부 노드의 관측 값이 주어졌을 때, 이를 바탕으로 하여 나머지 모든 노드들의 확률 값을 추정할 수 있다. 본 시스템에서는 이러한 베이지안 네트워크의 원리를 실제 평가 과정에 적용한다. 평가 과정을 간략히 나타내면 다음과 같다.
Bayesian networks can estimate the probability values of all the nodes based on the observations of some nodes. In this system, the principles of Bayesian network are applied to the actual evaluation process. The evaluation process is briefly described as follows.

(1) 사용자가 주어진 문항에 응답한다. → 일부 변수의 관측 값이 주어짐.(1) The user responds to a given question. → observations of some variables are given

(2) 이를 바탕으로 세부 학습 영역별 사용자의 능력치 및 나머지 모든 문항들에 대한 맞출 확률(능력치)이 자동으로 계산된다. → 주어진 관측 값을 바탕으로 나머지 모든 노드들의 확률 값이 추정됨.(2) Based on this, the user's stats for each detailed learning area and the probability of matching the other items are automatically calculated. ¡Æ the probability values of all remaining nodes are estimated based on the given observations

(3) 각 문항 별로 추정된 능력치를 바탕으로 문항 정보 함수(Item Information Function)를 이용하여 사용자 능력에 부합하는 최적의 문항을 선택한다. → 기존의 IRT를 사용하여 추정된 능력치를 바탕으로 문항을 추천하는 대신 베이지안 네트워크를 사용하여 능력치를 추정함.(3) Based on the estimated abilities of each item, the item information function is used to select the optimal item that matches the user's ability. ¡Æ instead of recommending items based on existing IRT-estimated stats, Bayesian networks are used to estimate stats

(4) 사용자의 전체 및 세부 영역별 능력치 평가가 완료될 때까지 (1)~(3)의 과정을 반복함.
(4) The process of (1) ~ (3) is repeated until the evaluation of the user's stats by total and detailed area is completed.

문항 정보 함수는 해당 문항이 사용자의 능력을 얼마나 정확하게 추정하는가를 나타내는 함수로서 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
The item information function is a function indicating how accurately the item is estimated by the user, and can be expressed as in Equation 1 below.

Figure 112011070257760-pat00001
Figure 112011070257760-pat00001

여기서

Figure 112011070257760-pat00002
는 문항 i에서 사용자의 능력치 정도를 나타낸다.
here
Figure 112011070257760-pat00002
Denotes the user's ability level in question i.

사용자가 주어진 문항에 응답할 때, 베이지안 네트워크의 원리에 따라 나머지 모든 변수들(세부 학습 영역 노드 및 문항 노드)의 확률 값이 자동으로 계산된다.When the user responds to a given question, the probability values of all other variables (detailed learning area nodes and item nodes) are automatically calculated according to the principles of the Bayesian network.

이 때, 모든 문항들이 서로 연관 관계로 구조화되어 있기 때문에 해당 문항의 응답이 다른 모든 관련 문항들의 확률 값에 영향을 미친다. 이를 통해 기존의 IRT 기반 CAT의 단점으로 꼽혔던 문항 간의 연계성 간과 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 또한, 주어진 문항에 대한 응답 결과가 모든 노드로 전파되어 학습자의 세부 영역 및 각 문항 별 모든 노드들의 확률 값이 자동으로 계산된다.At this time, since all items are structured in relation to each other, the response of the item affects the probability value of all other related items. This effectively solves the problem of overlooking the linkage between items that were considered to be a disadvantage of the existing IRT-based CAT. In addition, the response result for a given item is propagated to all nodes, and the probability values of the learner's detail region and all nodes of each item are automatically calculated.

각 문항별로 맞출 확률(능력치)이 계산되면 이를 바탕으로 본 시스템은 문항 정보 함수를 사용하여 사용자 능력치에 맞는 최적의 문항을 선택한다. 기존의 CAT가 IRT를 이용하여 사용자의 능력치를 평가하였다면, 본 발명에 따른 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템은 사용자 평가 및 문항 추천 모든 부분에서 베이지안 네트워크를 사용하여 사용자의 능력치를 추정한다.Once the probability of matching each item is calculated, the system uses the item information function to select the optimal item for the user's ability. If the existing CAT evaluates the user's capability using the IRT, the computer-based adaptive evaluation system using the Bayesian network according to the present invention estimates the user's capability using the Bayesian network in all parts of user evaluation and item recommendation.

도 4 내지 도 7은 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템을 이용하여 사용자를 평가하는 과정의 일 예를 나타내고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 사용자가 제시되는 문항에 응답할 때 마다, 본 발명에 따른 CAT 시스템은 각 학습 세부 영역별로 사용자의 능력치를 추정한다. 베이지안 네트워크는 일부 주어진 변수 값만을 가지고도 나머지 모든 변수의 확률값을 추정할 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 CAT 시스템은 이러한 베이지안 네트워크의 특성을 이용하여 사용자가 제시된 문항에 응답할 때 마다 각 학습 세부 영역별 학습자의 능력치를 효과적으로 구할 수 있다. 도 5는 각 세부 학습 영역별 학습자의 능력치를 나타내고 있는 도면이다. "true"는 각 학습 영역별로 학습자가 올바르게 이해하고 있을 확률(능력치)를 나타낸다. 도 6에서는 도 4에서와는 반대로, 사용자가 주어진 문항을 틀린 경우 각 세부 영역 별로 사용자의 능력치가 감소됨이 나타나 있다.4 through 7 illustrate an example of a process of evaluating a user using a computer-based adaptive evaluation system using a Bayesian network. As shown in FIG. 4, whenever a user responds to a question presented, the CAT system according to the present invention estimates the user's ability value for each learning detail region. Since the Bayesian network can estimate the probability values of all the remaining variables even with only some given variable values, the CAT system according to the present invention utilizes the characteristics of the Bayesian network so that each time the user responds to the presented question, each learning subregion The ability of star learners can be effectively calculated. 5 is a diagram illustrating the learner's ability value for each detailed learning area. "true" indicates the probability (capability) that the learner correctly understands in each learning area. In FIG. 6, in contrast to FIG. 4, when a user incorrectly answers a given question, the user's ability value is reduced for each subregion.

베이지안 네트워크를 이용한 CAT 시스템은 각 영역별로 학습자의 능력치가 일정 수준에 도달하게 되면 자동으로 평가를 종료한다. 이를 통해 모든 문항을 풀어야 하는 종래의 지필 고사보다 뛰어난 효율성을 가지며, 또한 베이지안 네트워크의 확률 추론 기법을 통해, 종래의 IRT 기반의 CAT보다 더 적은 문항 수만을 가지고도 훨씬 빠르게 학습자의 능력치를 추정할 수 있고, 전체적인 학습자의 능력치 뿐만 아니라 각 세부 학습 영역별 학습자의 능력치를 추정할 수 있다. 도 7은 학습이 모두 종료된 상태를 나타내는 도면이다.The CAT system using the Bayesian network automatically terminates the evaluation when the learner's ability reaches a certain level. Through this, it is more efficient than the paper-based test that requires solving all the questions, and the Bayesian network probability inference technique can estimate the learner's ability much faster with fewer items than the conventional IRT-based CAT. In addition, the learner's ability in each detailed learning area can be estimated as well as the overall learner's ability. 7 is a diagram illustrating a state in which all learning is completed.

도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.8 is a graph illustrating an experimental result of a computer-based adaptive evaluation system using a Bayesian network according to an embodiment of the present invention.

도 8은 대상자의 능력 모수치를 추정하는 방법으로서 최대우도추정법(maximum likelihood estimation)을 사용한 결과를 나타내는 그래프로 각각 A 유형의 문항(도 8a) 및 B 유형의 문항(도 8b)에 대해 실험한 결과를 나타낸다. 도면을 참조하면 종래의 기술들(Naive, IRT(Score), IRT(Theta))에 비해 본 발명에 따른 CAT 시스템(BN: Bayesian Network)은 학습자 능력치 추정에 필요로 하는 문항 수가 더 적음을 확인할 수 있다. 이를 통해 베이지안 네트워크를 이용한 CAT 시스템이 종래의 기술에 비해 보다 더 빠른 시간에, 더 적은 수의 문항만을 가지고도 효과적으로 학습자의 능력치를 평가할 수 있음을 확인할 수 있다.FIG. 8 is a graph showing the results of using the maximum likelihood estimation as a method of estimating the subject's ability parameters. Experiments were performed on items of type A (FIG. 8A) and items of type B (FIG. 8B), respectively. Results are shown. Referring to the drawings, it can be seen that the CAT system (BN: Bayesian Network) according to the present invention has fewer items required for estimating the learner's abilities than the conventional technologies (Naive, IRT (Score), IRT (Theta)). have. Through this, it can be confirmed that the CAT system using Bayesian network can effectively evaluate the learner's ability at a faster time and with fewer questions than the conventional technology.

또한 실험 결과, 본 기법의 상관 계수가 최종적으로 0.9 이상으로 수렴하고 있다. 이는 본 발명이 지필고사와 동등한 수준으로 학습자의 능력을 판별할 수 있음을 나타내고 있다. 따라서 본 발명이 다른 기존의 평가 방식에 비해 더 적은 문항 수만을 가지고도 학습자의 능력치를 정확하게 판별할 수 있음을 확인할 수 있다.As a result of the experiment, the correlation coefficient of this technique finally converged to 0.9 or more. This indicates that the present invention can determine the learner's ability to the same level as the paper test. Therefore, it can be confirmed that the present invention can accurately determine the learner's ability even with a smaller number of questions than other conventional evaluation methods.

도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 방법을 나타내는 흐름도이다.9 is a flowchart illustrating a computer-based adaptive evaluation method using a Bayesian network according to an embodiment of the present invention.

베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템은 먼저 복수개의 세부 학습 영역으로 구분되는 복수개의 평가 문항을 클러스터링하여 구조화한다(S910). 그리고, 구조화된 세부 학습 영역 및 각 평가 문항 간의 연관성 정보를 생성한다(S920). 이후, 평가 결과 데이터베이스에 저장된 평가 결과와 연관성 정보를 기초로 EM 알고리즘을 이용하여 베이지안 네트워크의 각 노드별로 조건부 확률 테이블(CPT)을 생성한다(S930). 그리고, 이와 같은 과정을 통하여 완성된 베이지안 네트워크를 이용하여 사용자의 전체적인 학습도, 각 세부 영역별 학습도 및 각 문항별 학습도를 추정한다(S940). 이 후, 베이지안 네트워크를 이용하여 추정된 학습도를 기초로 평가 문항 중 사용자에게 적합한 문항을 추천(S950)함으로써 사용자는 사용자 인터페이스를 통해 평가를 수행하고, 평가 결과를 통보 받을 수 있다.A computer-based adaptive evaluation system using a Bayesian network first clusters and structures a plurality of evaluation items divided into a plurality of detailed learning areas (S910). In operation S920, correlation information between the structured detailed learning area and each evaluation item is generated. Thereafter, a conditional probability table (CPT) is generated for each node of the Bayesian network based on the evaluation result and the correlation information stored in the evaluation result database (S930). Then, using the Bayesian network completed through such a process, the overall learning degree of the user, the learning degree of each subregion, and the learning degree of each item are estimated (S940). Thereafter, by recommending an appropriate item to the user among the evaluation items based on the estimated learning degree using the Bayesian network (S950), the user may perform the evaluation through the user interface and be notified of the evaluation result.

본 발명에 따른 베이지안 네트워크를 이용한 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템 및 방법은 이미 널리 사용되고 있는 iBT TOEFL, GRE, GMAT 등 CAT 기반 평가 시스템에서 평가의 정확도와 성능 향상을 위해 사용될 수 있으며, TOEIC, TEPS, iTEMPS, MOS 등의 기타 자격시험 등에서도 효과적으로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 지필고사와 동등하게 학습자의 능력을 판별할 수 있기 때문에, 시간과 비용이 많이 소요되는 지필 고사를 점차적으로 대체할 수 있는 효과도 기대할 수 있다.The computer-based adaptive evaluation system and method using the Bayesian network according to the present invention can be used to improve the accuracy and performance of evaluation in CAT-based evaluation systems such as iBT TOEFL, GRE, GMAT, which are already widely used, and TOEIC, TEPS, iTEMPS It can also be used effectively in other qualification tests such as MOS. In addition, since the present invention can determine the ability of the learner on the same basis as the paper-based test, it is also possible to expect the effect of gradually replacing the paper-based test, which takes time and cost.

그리고, 본 기법은 빠른 시간 내에 매우 적은 수의 문항만을 가지고도 학습자의 능력을 정확하게 평가할 수 있을 뿐만 아니라 세부 학습 영역별로 학습자의 능력치를 평가할 수 있으므로, 학습 진단 시스템, 학습 관리 시스템 등에서도 널리 사용될 수 있다.In addition, this technique can not only accurately assess the learner's ability with a very small number of questions in a short time, but also can evaluate the learner's ability by detailed learning area, which can be widely used in learning diagnosis systems and learning management systems. have.

본 발명에 따른 컴퓨터 기반 적응적 평가 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The computer-based adaptive evaluation method according to the present invention can be implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be those specially designed and constructed for the present invention or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.

100: CAT 시스템
110: 평가 문항 데이터베이스
120: 연관성 정보 생성부
130: 평가 결과 데이터베이스
140: CPT 생성부
150: 베이지안 네트워크부
160: 학습도 추정부
170: 평가 문항 추천부
180: 사용자 인터페이스
100: CAT system
110: Evaluation Item Database
120: association information generation unit
130: evaluation results database
140: CPT generator
150: Bayesian Network Division
160: learning degree estimator
170: Evaluation Item Recommendation
180: user interface

Claims (7)

컴퓨터 기반 적응적 평가(CAT: Computerized Adaptive Testing) 시스템에 있어서,
학습도 추정을 위한 복수개의 평가 문항이 복수개의 세부 학습 영역으로 구분되어 저장되는 평가 문항 데이터베이스;
상기 평가 문항 데이터베이스에 저장된 평가 문항을 클러스터링하여 상기 학습 영역과 문항별 연관 관계를 베이지안 네트워크 토폴로지로 구조화함으로써 평가하고자 하는 과목의 세부 학습 영역 및 각 평가 문항 간의 연관성 정보를 생성하는 연관성 정보 생성부;
상기 생성된 연관성 정보를 기초로 베이지안 네트워크(Bayesian network)를 생성하는 베이지안 네트워크부; 및
상기 생성된 베이지안 네트워크 및 문항별 연관 관계를 이용하여 상기 평가 문항 및 각 세부 학습 영역 별로 사용자의 학습도를 추정하는 학습도 추정부
를 포함하고,
상기 연관성 정보 생성부는,
상기 세부 학습 영역 및 평가 문항을 트리 형태로 구조화하고,
상기 문항별 연관 관계는,
상기 사용자에 의해 하나의 평가 문항이 응답될 때마다 응답 결과가 반영되고,
상기 학습도 추정부는,
상기 사용자에 의해 하나의 평가 문항이 응답될 때마다, 상기 응답 결과에 따라 각 평가 문항을 맞출 확률을 추정하고, 각 세부 학습 영역에 대한 사용자의 이해 확률을 추정하고,
상기 사용자의 학습도는,
상기 각 평가 문항을 맞출 확률 및 상기 각 세부 학습 영역에 대한 사용자의 이해 확률을 포함하는, 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템.
In Computerized Adaptive Testing (CAT) system,
An evaluation item database in which a plurality of evaluation items for estimating the degree of learning are divided into a plurality of detailed learning areas and stored;
An association information generation unit configured to cluster the evaluation items stored in the evaluation item database and structure the relationship between the learning area and each item in a Bayesian network topology to generate correlation information between the detailed learning area of each subject to be evaluated and each evaluation item;
A Bayesian network unit generating a Bayesian network based on the generated association information; And
A learning degree estimator for estimating the learning degree of the user for each of the evaluation items and each detailed learning area by using the generated Bayesian network and the relationship for each item.
Lt; / RTI >
The association information generation unit,
The detailed learning area and evaluation items are structured in a tree form,
The relationship between the items,
Whenever one evaluation item is answered by the user, the response result is reflected,
The learning degree estimator,
Whenever one evaluation item is answered by the user, the probability of fitting each evaluation item according to the response result is estimated, and the user's understanding probability for each detailed learning area is estimated.
The learning degree of the user,
And a probability of matching each evaluation item and a user's understanding of each detailed learning area.
제1항에 있어서,
상기 평가 문항에 대한 과거 사용자들의 평가 결과가 저장되어 있는 평가 결과 데이터베이스; 및
상기 평가 결과 데이터베이스에 저장된 평가 결과를 기초로 EM(Expectation-Maximization) 알고리즘을 이용하여 상기 베이지안 네트워크의 각 노드별로 확률 계산을 위한 조건부 확률 테이블을 생성하는 CPT 생성부
를 더 포함하고,
상기 베이지안 네트워크부는,
상기 연관성 정보 및 상기 조건부 확률 테이블을 이용하여 상기 베이지안 네트워크를 생성하고,
상기 EM 알고리즘은,
상기 평가 결과를 활용하여 히든 변수를 추정하는, 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템.
The method of claim 1,
An evaluation result database in which evaluation results of past users of the evaluation item are stored; And
CPT generation unit for generating a conditional probability table for calculating a probability for each node of the Bayesian network based on an evaluation-maximization (EM) algorithm based on the evaluation result stored in the evaluation result database.
Further comprising:
The Bayesian network unit,
Generate the Bayesian network using the association information and the conditional probability table;
The EM algorithm,
And estimating a hidden variable using the evaluation result.
제2항에 있어서,
상기 추정된 학습도를 기초로 상기 평가 문항 중 상기 사용자에게 적합한 문항을 추천하는 평가 문항 추천부
를 더 포함하는, 컴퓨터 기반 적응적 평가 시스템.
3. The method of claim 2,
An evaluation item recommending unit for recommending an item suitable for the user among the evaluation items based on the estimated degree of learning;
The computer-based adaptive evaluation system further comprising.
컴퓨터 기반 적응적 평가(CAT: Computerized Adaptive Testing) 방법에 있어서,
복수개의 세부 학습 영역으로 구분되는 복수개의 평가 문항을 클러스터링하여 상기 학습 영역과 문항별 연관 관계를 베이지안 네트워크 토폴로지로 구조화하는 단계;
상기 구조화된 세부 학습 영역 및 각 평가 문항 간의 연관성 정보를 생성하는 단계; 및
상기 생성된 연관성 정보를 기초로 베이지안 네트워크(Bayesian network)를 생성하는 단계;
상기 생성된 베이지안 네트워크 및 문항별 연관 관계를 이용하여 상기 평가 문항 및 각 세부 학습 영역 별로 사용자의 학습도를 추정하는 단계
를 포함하고,
상기 구조화하는 단계는,
상기 세부 학습 영역 및 평가 문항을 트리 형태로 구조화하고,
상기 문항별 연관 관계는,
상기 사용자에 의해 하나의 평가 문항이 응답될 때 마다 응답 결과가 반영되고,
상기 사용자의 학습도를 추정하는 단계는,
상기 사용자에 의해 하나의 평가 문항이 응답될 때마다, 상기 응답 결과에 따라 각 평가 문항을 맞출 확률을 추정하고, 각 세부 학습 영역에 대한 사용자의 이해 확률을 추정하고,
상기 사용자의 학습도는,
상기 각 평가 문항을 맞출 확률 및 상기 각 세부 학습 영역에 대한 사용자의 이해 확률을 포함하는, 컴퓨터 기반 적응적 평가 방법.
In Computerized Adaptive Testing (CAT) method,
Clustering a plurality of evaluation items divided into a plurality of detailed learning areas to structure a relationship between the learning areas and the items in a Bayesian network topology;
Generating association information between the structured detailed learning area and each evaluation item; And
Creating a Bayesian network based on the generated association information;
Estimating the degree of learning of the user for each of the evaluation items and the detailed learning areas by using the generated Bayesian network and the relationship for each item
Lt; / RTI >
The structuring step,
The detailed learning area and evaluation items are structured in a tree form,
The relationship between the items,
Whenever one evaluation question is answered by the user, the response result is reflected,
Estimating the learning degree of the user,
Whenever one evaluation item is answered by the user, the probability of fitting each evaluation item according to the response result is estimated, and the user's understanding probability for each detailed learning area is estimated.
The learning degree of the user,
And a probability of matching each evaluation item and a user's understanding of each detailed learning area.
제4항에 있어서,
상기 평가 문항에 대한 평가 결과를 기초로 EM(Expectation-Maximization) 알고리즘을 이용하여 상기 베이지안 네트워크의 각 노드별로 확률 계산을 위한 조건부 확률 테이블을 생성하는 단계;
를 더 포함하고,
상기 베이지안 네트워크를 생성하는 단계는,
상기 연관성 정보 및 상기 조건부 확률 테이블을 이용하여 상기 베이지안 네트워크를 생성하는 단계이고,
상기 EM 알고리즘은,
상기 평가 결과를 활용하여 히든 변수를 추정하는, 컴퓨터 기반 적응적 평가 방법.
5. The method of claim 4,
Generating a conditional probability table for calculating a probability for each node of the Bayesian network using an Expectation-Maximization (EM) algorithm based on an evaluation result of the evaluation item;
Further comprising:
Generating the Bayesian network,
Generating the Bayesian network using the association information and the conditional probability table;
The EM algorithm,
And estimating a hidden variable using the evaluation result.
제5항에 있어서,
상기 학습도를 추정하는 단계 이후에,
상기 추정된 학습도를 기초로 상기 평가 문항 중 상기 사용자에게 적합한 문항을 추천하는 단계
를 더 포함하는, 컴퓨터 기반 적응적 평가 방법.
6. The method of claim 5,
After estimating the degree of learning,
Recommending an item suitable for the user among the evaluation items based on the estimated degree of learning;
The computer-based adaptive evaluation method further comprising.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항의 기재에 따른 컴퓨터 기반 적응적 평가 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.A computer-readable recording medium having recorded thereon a program for executing a computer-based adaptive evaluation method according to any one of claims 4 to 6.
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