Comme beaucoup d’élèves dans le monde, Eithne, 14 ans, de Chorley, au Royaume-Uni, avait du mal à suivre son rythme en mathématiques à l’école après plus d’un an de perturbations liées au COVID-19. En juin 2021, ses parents l'ont inscrite à un programme d'été proposé par Eedi, un service de tutorat en mathématiques en ligne.
« Rien qu'avec le confinement, elle n'avait pas eu assez d'une très bonne expérience », a déclaré sa mère, Arianna. « Elle a raté la plupart des cours de mathématiques de 7e année, puis de 8e année. Nous avons donc pensé : « Essayons, voyons où elle a besoin d'un peu d'aide. »
Les étudiants nouvellement inscrits sur Eedi sont invités à répondre à un quiz dynamique composé de 10 questions de diagnostic à choix multiples que le service utilise pour savoir où les étudiants ont le plus de difficultés en mathématiques. Ces informations permettent au service de placer les étudiants sur un parcours d'apprentissage pour surmonter ces obstacles spécifiques ou ces idées fausses.
« Nous leur posons une question basée à peu près sur leur tranche d'âge, puis nous leur disons : « Eh bien, quelle est la meilleure question à leur poser en fonction de leur réponse précédente ? » », a expliqué Iris Hulls, responsable des opérations chez Eedi. « Nous en apprenons le plus possible sur eux pour prédire pour eux des sujets de croissance ou de confort. »
Le quiz dynamique est alimenté par l'IA développée par des chercheurs du Microsoft Research Lab de CambridgeRoyaume-Uni, spécialisé dans les algorithmes d'apprentissage automatique qui aident les gens à prendre des décisions.
L'IA utilise chaque réponse pour prédire la probabilité que l'élève réponde correctement à chacune des milliers d'autres questions suivantes possibles, puis pèse ces probabilités pour décider quelle question poser ensuite afin d'identifier les lacunes dans les connaissances.
Les informations tirées du quiz s'apparentent à ce qu'un enseignant pourrait apprendre lors d'une conversation en tête-à-tête avec un élève, a expliqué Cheng Zhangchercheur principal de Microsoft au laboratoire qui a dirigé le développement du modèle d'apprentissage automatique qui alimente le quiz dynamique d'Eedi.
« Si l'élève ne sait pas 3 fois 7, nous pourrions lui demander 1 plus 1 », a expliqué Zhang. « Nous souhaitons adapter le quiz en fonction de la réponse précédente. »
Une fois les idées fausses des élèves identifiées, la plateforme Eedi les oriente vers un parcours d'apprentissage qui les aide à surmonter leurs idées fausses et à mieux réussir en mathématiques à l'école.
Eithne a été inscrite dans un parcours qui comprenait un examen des sujets abordés en 8e année et l'a préparée à réussir en 9e année, y compris la géométrie.
« C'est très bien pour découvrir vos faiblesses et vos forces et pour être capable de comprendre pourquoi vous n'êtes peut-être pas aussi bon dans ce domaine », a déclaré Eithne. « Vous êtes capable de réaliser : 'Je fais ça mal depuis des lustres.' »
Bonnes questions, bonnes données
Le succès de Microsoft modèle de la prochaine meilleure question dépend des données utilisées pour le former, a noté Zhang. Dans le cas d'Eedi, il s'agit de milliers de questions diagnostiques vérifiées et de haute qualité, développées spécifiquement pour aider les enseignants à identifier les idées fausses des élèves sur des sujets mathématiques.
« Notre technologie n'est qu'un outil qui permet à ces données de haute qualité de fournir davantage d'informations », a déclaré Zhang.
Les questions de diagnostic sont des questions à choix multiples bien pensées qui comportent une bonne réponse et trois mauvaises réponses, chaque mauvaise réponse étant conçue pour révéler une idée fausse spécifique.
« Les mathématiques se prêtent assez bien à ce type d'évaluation à choix multiples car le plus souvent, il y a une bonne réponse et des mauvaises réponses ; c'est beaucoup moins subjectif que certains sujets de sciences humaines », a déclaré Craig Bartonco-fondateur d'Eedi et directeur de l'éducation de l'entreprise.
Barton s'est rendu compte du pouvoir des questions diagnostiques lorsque, en tant que professeur de mathématiques, il a suivi un cours de formation sur les évaluations formatives et a appris que de mauvaises réponses bien formulées peuvent donner un aperçu des raisons pour lesquelles un élève est en difficulté.
« Dans le passé, c'était toujours les enfants qui faisaient les choses correctement, ce qui est bien, ou bien ils se trompaient, et j'ai ensuite dû commencer à faire un travail de détective pour comprendre où ils se trompaient », a-t-il déclaré. « Ce n'est pas grave si vous travaillez en tête-à-tête, mais si vous avez 30 enfants dans une classe, cela peut prendre beaucoup de temps. »
Les bonnes questions de diagnostic, a déclaré Barton, doivent être claires et sans ambiguïté, vérifier une chose, répondre en 20 secondes, relier chaque mauvaise réponse à une idée fausse et garantir qu'un élève est incapable d'y répondre correctement tout en ayant une idée fausse clé.
« Cette idée selon laquelle les enfants ne peuvent pas faire les choses correctement tout en ayant une idée fausse clé est la plus difficile à prendre en compte, mais c'est probablement la plus importante », a-t-il déclaré.
Par exemple, considérons la question : « Lequel des énoncés suivants est un multiple de 6 ? – A : 20, B : 62, C : 24 ou D : 26. »
Selon Barton, à première vue, c’est une question intéressante. En effet, les élèves pourraient penser qu'un « multiple » signifie que le « 6 » est le premier nombre (B) ou le dernier nombre (D), ou encore ils pourraient avoir des difficultés avec leurs tables de multiplication et sélectionner A. La bonne réponse est C : 24.
« Mais le principal défaut de cette question est que si vous ne connaissez pas la différence entre un facteur et un multiple, vous pourriez répondre correctement à cette question, alors que l'expérience nous dira que la plus grande idée fausse que les étudiants ont avec les multiples est qu'ils les confondent avec facteurs », a-t-il déclaré.
Une meilleure question à se poser est alors : « Lequel de ces éléments est un multiple de 15 ? – A : 1, B : 5, C : 60 ou D : 55. » C'est parce que les réponses possibles incluent des facteurs et des multiples. La bonne réponse est C : 60. Un élève qui confond les facteurs avec les multiples pourrait plutôt choisir A : 1 ou B : 5, et un élève qui a besoin de travailler sur la multiplication pourrait choisir D : 55.
« Lorsque vous écrivez ces choses, vous devez vraiment réfléchir : 'Quelles sont les différentes façons dont les enfants peuvent se tromper et comment vais-je les capturer dans trois mauvaises réponses ?' », a expliqué Barton.
Outils pour enseignants pour tuteur en ligne
Après l'atelier, Barton est rentré chez lui et a rédigé environ 50 questions de diagnostic et les a testées auprès des élèves de sa classe. Ils ont travaillé.
Barton est également auteur de livres de mathématiques et podcasteur avec des milliers de followers sur les réseaux sociaux. Il a utilisé son influence pour faire connaître les questions de diagnostic et a collaboré avec le co-fondateur d'Eedi, Simon Woodhead, pour créer une base de données en ligne contenant des milliers de questions de diagnostic auxquelles les enseignants peuvent accéder pour planifier leurs cours.
« Puis j'ai pensé : 'Attendez une minute, nous pourrions faire quelque chose d'un peu mieux que ça' », a déclaré Barton. « Imaginez si les enfants pouvaient répondre aux questions en ligne et si nous pouvions capturer ces données et ensuite, avant que vous vous en rendiez compte, nous aurons un aperçu des domaines spécifiques dans lesquels les élèves ont des difficultés. »
Le site Web a explosé en popularité et a attiré les investisseurs ainsi que l'attention de Hulls, qui, avec ses collègues, explorait les options permettant d'utiliser les données à grande échelle et de rendre les avantages du tutorat en mathématiques accessibles à davantage de familles. L'équipe a formé Eedi. Un conseiller leur a présenté les recherches de Zhang et de son équipe sur l'algorithme de la prochaine meilleure question, qui vise à accélérer la prise de décision en rassemblant et en analysant des informations personnelles pertinentes.
À l’époque, les chercheurs de Microsoft travaillaient sur des scénarios de soins de santé, utilisant l’IA pour aider les médecins à prendre des décisions plus efficaces quant aux tests à prescrire pour diagnostiquer les affections des patients.
Par exemple, si un patient arrive aux urgences avec un bras blessé, le médecin lui posera une série de questions menant à une radiographie, telles que « Comment vous êtes-vous blessé au bras ? » et « Pouvez-vous bouger vos doigts? » au lieu de « Avez-vous un rhume ? » car la réponse révélera des informations pertinentes pour le traitement de ce patient. L'algorithme de la meilleure question suivante automatise ce processus de collecte d'informations.
Le conseiller a pensé que le modèle fonctionnerait bien avec l'ensemble de données de questions de diagnostic d'Eedi, automatisant la collecte d'informations qu'un tuteur pourrait glaner lors d'une conversation en tête-à-tête avec un étudiant.
« Nous savions que nous avions collecté beaucoup de données. Nous voulions faire des choses plus intelligentes avec nos données ; nous voulions être en mesure de prédire les idées fausses que les étudiants pourraient avoir avant même de répondre aux questions », a déclaré Woodhead, responsable des données chez Eedi.
L'équipe Eedi a travaillé avec les chercheurs de Microsoft pour entraîner le modèle sur leurs questions de diagnostic afin d'identifier efficacement les domaines où les étudiants ont le plus besoin de soutien en mathématiques.
Le modèle fonctionne sans collecter aucune information d’identification personnelle auprès des étudiants, a noté Woodhead.
« Il n'est pas nécessaire qu'il connaisse un nom. Il n'est pas nécessaire de connaître une adresse e-mail. Il s'agit d'examiner des modèles », a-t-il déclaré.
À partir de ces informations, le système peut identifier les meilleures leçons que les étudiants peuvent suivre sur Eedi. Sans ces conseils, les étudiants ont tendance à s'appuyer sur des stratégies qu'ils utilisent déjà à l'école, ce qui n'est pas le bon point de départ pour la majorité des étudiants qui recherchent un tuteur privé, selon Hulls.
«Cela aide vraiment les enfants et leurs familles à la maison à savoir par où commencer», a-t-elle déclaré.
C'est une excellente idée qu'il puisse y avoir des parcours d'apprentissage ou des cours personnalisés pour les étudiants. Tous les élèves n’apprennent pas au même rythme ni de la même manière.
Cause et effet
Les données internes d'Eedi montrent que le service de tutorat résout 95 % des idées fausses des étudiants, a noté Hulls, et que les étudiants qui utilisent la plateforme expriment dans leur grande majorité une plus grande confiance en mathématiques.
Après le programme d'été sur la plateforme Eedi, Eithne est entrée en 9e année avec une longueur d'avance sur ses camarades de classe.
«Je me disais: 'Je peux le faire'», a-t-elle déclaré. « Je peux réellement expliquer aux gens autour de moi comment résoudre les problèmes. »
Eithne a continué à utiliser la plateforme Eedi, se tournant souvent vers le service lorsqu'elle est bloquée dans ses devoirs. Elle bénéficie d'un programme de récompenses qui encourage les étudiants à suivre leurs cours et trouve que les explications des idées fausses fournies par la plateforme sont utiles pour apprendre les concepts clés.
L'équipe Eedi travaille désormais avec des chercheurs de Microsoft pour mettre en œuvre un modèle d'apprentissage automatique de nouvelle génération qui s'appuie sur le inférence causale profonde de bout en bout algorithme pour recommander des parcours d’apprentissage personnalisés pour chaque élève.
« Les gens pensent que tous les élèves doivent d’abord apprendre le diagramme de Venn, puis la géométrie. Mais ce n’est peut-être pas la meilleure solution pour chaque étudiant. Chaque élève apprend différemment », a déclaré Zhang. « Peut-être que pour un étudiant, l’ordre devrait être inversé, et pour un autre étudiant, nous devrons revoir un autre sujet. »
Cet algorithme de nouvelle génération est à la pointe de l’apprentissage automatique causal, un domaine de recherche qui intègre la notion de cause à effet, de causalité, dans des outils qui aident les gens à prendre des décisions.
« C'est une excellente idée qu'il puisse y avoir des parcours d'apprentissage ou des cours personnalisés pour les étudiants », a déclaré Arianna, la mère d'Eithne. « Tous les élèves n’apprennent pas au même rythme ni de la même manière. »
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John Roach écrit sur la recherche et l'innovation de Microsoft. Suivez-le sur Twitter.
Image du haut : Eithné, 14, à Chorley, Royaume-Uni, fait une leçon sur le service de cours de mathématiques en ligne Eedi. Le service les usages IA développé par Microsoft. Photo de Jonathan Banks.