The Application of Machine Learning to Education

Abstract

The field of education is constantly seeking more innovative and effective methods of teaching foundational knowledge to students. Organizations in both secondary and post-secondary education groups offer Physics Education Groups that try to better teach fundamental physics concepts to students in both university and high school. There are also government agencies such as the Educational Quality and Accountability Office (EQAO) in Ontario, which provides standardized tests to students. Although these standardized tests do not test the full capabilities and thought processes of students, they still provide insights into how students learn. Data from standardized EQAO tests can be analyzed to obtain crucial information about how to improve education standards by showing where resources can be allocated more effectively. One of the most powerful tools that can be used to analyze data is machine learning, which can find patterns and correlations in data that the human eye cannot see. This experiment used the linear regression algorithm to find correlations in data obtained from grade 9 EQAO mathematics tests from 50 schools in Ontario. The algorithm analyzed how students with varying scores answered a multiple-choice questionnaire at the end of the exam, which included statements such as “I am able to answer difficult mathematics questions.” Based on the variables output from the machine learning algorithm, the importance of each statement was then ranked; this ranking can then lead to insights into how students learn, and how to better utilize resources. This experiment has shown that an elementary application of machine learning can lead to valuable insights into student learning and that more should be done to better analyze the abundant data in the education field. Le domaine de l’éducation recherche continuellement des méthodes innovatrices et efficaces pour l’enseignement de connaissances fondamentales aux étudiants. Les organisations de niveau secondaire et post-secondaire offrent des groupes d’éducation en physique qui essaient d’améliorer l’enseignement des concepts fondamentaux en physique aux étudiants à l’université ainsi qu’au secondaire. Il y a également des agences gouvernementales telles que l’Office de la qualité et de la responsabilité en éducation (OQRE) en Ontario, qui offre des tests standardisés aux étudiants. Bien que ces tests standardisés n’évaluent pas la pleine capacité et le processus de réflexion des élèves, ils offrent tout de même un aperçu des méthodes d’apprentissage. Les données des tests standardisés de l’OQRE peuvent être analysés afin d’obtenir des renseignements essentiels quant à la façon d’améliorer les normes d’éducation en démontrant où les ressources peuvent être attribuées plus efficacement. Un des outils les plus puissants qui peut être utilisé pour analyser les données est le l’apprentissage automatique, ce qui peut trouver des tendances et des corrélations à travers les données que l’œil humain ne peut percevoir. Cette expérience a utilisé l’algorithme à régression linéaire afin de trouver des corrélations dans les données obtenues des tests de mathématique de l’OQRE pour la mième année dans 50 écoles en Ontario. L’algorithme a analysé comment les étudiants possédant un résultat différent ont répondu à un questionnaire de questions à choix multiples à la fin de l’examen incluant des énoncés tels que « Je suis en mesure de répondre à des questions mathématiques dif ciles. » Selon les variables produits par l’algorithme d’apprentissage automatique, l’importance de chaque énoncé fut classée; ce classement peut ainsi mener à une compréhension envers l’apprentissage de l’étudiant, et comment maximiser les ressources. Cette expérience a démontré qu’une application élémentaire de l’apprentissage automatique peut mener à de précieux renseignements sur l’apprentissage des étudiants et que plus d’efforts doivent être accomplis afin de faciliter l’analyse des nombreuses données retrouvées dans le domaine de l’éducation.