Uma arquitetura conceitual integrando diagnóstico cognitivo e modelos de linguagem de grande escala para avaliação de habilidades

dc.contributor.advisor1Magalhães Netto, José Francisco de
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3958238119785924eng
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-4772-2399eng
dc.contributor.referee2Barreto, Raimundo da Silva
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/1132672107627968eng
dc.contributor.referee2orcidhttps://orcid.org/0000-0001-8494-4225eng
dc.contributor.referee3Pozzebon, Eliane
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/9999217523842385eng
dc.contributor.referee3orcidhttps://orcid.org/0000-0002-4237-6589eng
dc.contributor.referee4Brandão, Leônidas de Oliveira
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/5618622435626525eng
dc.contributor.referee4orcidhttps://orcid.org/0000-0001-8141-4798eng
dc.contributor.referee5Frota, Vitor Bremgartner da
dc.contributor.referee5Latteshttp://lattes.cnpq.br/6100146230873494eng
dc.contributor.referee5orcidhttps://orcid.org/0000-0003-1073-756Xeng
dc.creatorLopes, Arcanjo Miguel Mota
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/8682106333611426eng
dc.creator.orcidhttps://orcid.org/0000-0003-4017-9618eng
dc.date.issued2026-07-30
dc.description.abstractThe measurement of skills in Intelligent Tutoring Systems (ITS) is contingent upon the capacity to symbolise the knowledge under assessment, to deduce the student’s cognitive condition, and to utilise this information to direct the learning process. However, conventional approaches frequently employ aggregated metrics of correct and incorrect answers or address skill representation, cognitive diagnosis, and pedagogical adaptation in a decoupled manner. Cognitive Diagnostic Models (CDM) have been shown to assist in overcoming some of these limitations by providing multidimensional, interpretable profiles of skill mastery. However, the utilisation of these tools necessitates the establishment of relationships between assessment items and Knowledge Components (KC), which are typically represented by a Q-matrix. The construction of this structure is predominantly a manual process that is dependent on expert knowledge, which hinders maintenance and scalability. In this context, the principal contribution of this thesis is CAASA (Cognitive-Adaptive Architecture for Structured Assessment), a conceptual architecture for structured skill assessment in ITS. The architecture integrates item-KC representation via a Q-matrix, Large Language Model (LLM) support for generating and reviewing these relationships, skill mastery inference using CDM, student modelling, pedagogical adaptation, and diagnostic visualisation, within a single assessment and adaptation cycle. The CAASA architecture is the result of an incremental research process developed throughout the doctoral study. A preliminary review of the literature revealed certain limitations with regard to the assessment and modelling of STIs. Subsequently, a multi-agent architecture was explored, with the aim of investigating recommendation and pedagogical intervention mechanisms based on student actions. The research progressed by incorporating a CDM into an ITS, enabling the representation of relationships between items and KC via a Q-matrix, as well as the generation of individual and collective diagnostic profiles within a real-world educational context. The limitations observed during the process, specifically the necessity of manual construction of the Q-matrix, provided the motivation for a third study. This third study investigated the use of LLM as a mechanism to support the generation of item–KC relationships. The resulting Q-matrices were evaluated in terms of both structure by comparing them with expert-defined matrices and function by assessing their impact on cognitive diagnosis outcomes. The consolidation of these findings resulted in the formalisation of CAASA, which organises the components developed and evaluated during the research in a modular fashion and outlines the responsibilities associated with authoring, domain representation, assisted Q-matrix generation, cognitive diagnosis, student modelling, pedagogical adaptation, and result visualisation. The results demonstrated the feasibility of using machine-generated competence profiles to produce interpretable skill-mastery profiles in situated contexts. Furthermore, the results indicated that Q-matrices generated with language model support can achieve functional performance comparable to expert-crafted matrices in controlled scenarios, despite exhibiting structural differences. The findings presented herein provide evidence regarding the key mechanisms that constitute the proposed architecture. The thesis’s principal contribution is the formalisation of CAASA as an architecture that integrates representation, cognitive inference, assisted automation, and pedagogical adaptation into an integrated skill assessment process, offering a modular and scalable framework for the development of more interpretable ITS.eng
dc.description.resumoA avaliação de habilidades nos Sistema Tutor Inteligente (STI) depende da capacidade de representar o conhecimento a ser avaliado, inferir o estado cognitivo do estudante e utilizar essas informações para orientar o processo de aprendizagem. Entretanto, as abordagens convencionais frequentemente utilizam métricas agregadas de acertos e erros ou tratam de maneira desacoplada a representação das habilidades, o diagnóstico cognitivo e a adaptação pedagógica. Os Modelos de Diagnóstico Cognitivo (MDC) possibilitam superar parte dessas limitações ao fornecerem perfis multidimensionais e interpretáveis do domínio das habilidades. Porém, sua utilização requer a construção de relações entre itens de avaliação e os Componentes de Conhecimento (CC), geralmente representadas por uma Q-matriz. A elaboração dessa estrutura é predominantemente manual e dependente de especialistas, o que dificulta sua manutenção e escalabilidade. Nesse contexto, esta tese apresenta como principal contribuição a CAASA-ITS (Cognitive-Adaptive Architecture for Skills Assessment in Intelligent Tutoring Systems), uma arquitetura conceitual cognitivo-adaptativa para avaliação estruturada de habilidades em STI. A arquitetura integra, em um mesmo ciclo de avaliação e adaptação, a representação item–CC por meio da Q-matriz, o apoio de Modelo de Linguagem de Grande Escala (LLM) à geração e revisão dessas relações, a inferência do domínio de habilidades por MDC, a Modelagem do Estudante, a adaptação pedagógica e a visualização diagnóstica. A arquitetura CAASA-ITS resulta de um processo incremental de pesquisa desenvolvido ao longo do doutorado. Inicialmente, um mapeamento da literatura permitiu identificar limitações na avaliação e na modelagem do estudante nos STI. Em seguida, uma arquitetura multiagente explorou mecanismos de recomendação e de intervenção pedagógica com base nas ações dos estudantes. A pesquisa avançou com a incorporação de um MDC em um STI, o que permitiu representar a relação entre itens e habilidades por meio de uma Q-matriz, além de produzir perfis diagnósticos individuais e coletivos em um contexto educacional real. As limitações observadas nesse processo, especialmente a necessidade de construção manual da Q-matriz, motivaram um terceiro estudo, no qual os LLM foram investigados como mecanismo de apoio à geração das relações item–CC. As Q-matrizes produzidas foram avaliadas tanto estruturalmente, em comparação com aquelas definidas por especialistas, quanto funcionalmente, considerando seu impacto sobre os resultados do diagnóstico cognitivo. A consolidação desses resultados resultou na formalização da CAASA-ITS, que organiza os componentes desenvolvidos e avaliados durante a pesquisa de maneira modular e explana as responsabilidades associadas à autoria, à representação do domínio, à geração assistida da Q-matriz, ao diagnóstico cognitivo, à modelagem do estudante, à adaptação pedagógica e à visualização dos resultados. Os resultados demonstraram a viabilidade da utilização de MDC para produzir perfis interpretáveis de domínio de habilidades nos STI e indicaram que Q-matrizes geradas com o apoio da LLM podem alcançar um desempenho funcional comparável ao de matrizes elaboradas por especialistas em cenários controlados, apesar de apresentarem diferenças estruturais. Esses resultados fornecem evidências dos principais mecanismos que compõem a arquitetura proposta. A principal contribuição da tese é a formalização da CAASA-ITS como uma arquitetura que integra representação, inferência cognitiva, automação assistida e adaptação pedagógica em um processo integrado de avaliação de habilidades, oferecendo uma estrutura modular e escalável para o desenvolvimento de STI mais interpretáveis.eng
dc.description.sponsorshipFAPEAM - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Amazonaseng
dc.formatapplication/pdf*
dc.identifier.citationLOPES, Arcanjo Miguel Mota. Uma arquitetura conceitual integrando diagnóstico cognitivo e modelos de linguagem de grande escala para avaliação de habilidades. 2026. 183 f. Tese (Doutorado em Informática) - Universidade Federal do Amazonas, Manaus (AM), 2026.eng
dc.identifier.urihttps://tede.ufam.edu.br/handle/tede/12045
dc.languageporeng
dc.publisherUniversidade Federal do Amazonaseng
dc.publisher.countryBrasileng
dc.publisher.departmentInstituto de Computaçãoeng
dc.publisher.initialsUFAMeng
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Informáticaeng
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/por
dc.subjectSistemas Tutores Inteligentespor
dc.subjectAvaliação de Habilidadespor
dc.subjectModelo de Diagnóstico Cognitivopor
dc.subjectModelos de Linguagem de Grande Escala.por
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA: CIENCIA DA COMPUTACAO: METODOLOGIA E TECNICAS DA COMPUTACAOeng
dc.thumbnail.urlhttps://tede.ufam.edu.br/retrieve/98745/TESE_ArcanjoLopes_PPGI.pdf.jpg*
dc.titleUma arquitetura conceitual integrando diagnóstico cognitivo e modelos de linguagem de grande escala para avaliação de habilidadeseng
dc.title.alternativeA Conceptual Architecture Integrating Cognitive Diagnosis and Large-Scale Language Models for Skill Assessmentpor
dc.typeTeseeng

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