Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10216/175696
Author(s): Eduardo Salé Areias
Title: Virtual Choreographies of Learning: AI-Driven Discovery in K-12 Online American Schools
Issue Date: 2026-07-22
Abstract: Fully online K-12 education models, such as those provided by Connections Academy, serve over 100,000 students across the U.S., many of whom transition from traditional schools due to prior academic or personal challenges. While national reports often show lower standardized test scores for online learners, these environments enroll a significantly higher proportion of at-risk students, complicating fair comparisons. Despite the massive scale of online learning, there is limited granular research on how students actually navigate these platforms, how their study patterns evolve, and how these routines relate to their learning progress. This dissertation addresses these questions by applying the learning choreographies framework to detect recurring sequences of online learning actions. Due to the unavailability of proprietary institutional logs, the project adopted a data engineering approach, developing a simulator to generate a large-scale synthetic dataset designed to reflect the pedagogical rules and academic rhythms of a fully online K-12 environment. An end-to-end analytical pipeline was then constructed: unsupervised methods, primarily k-means clustering, were used to identify distinct behavioral profiles, while a supervised Random Forest model was trained to predict student success and extract early behavioral signals. The analysis surfaced four distinct learning choreographies, indicating that the quality and intent of engagement are associated with academic success far more than the sheer volume of clicks. The predictive model found that frequent, distributed study sessions and synchronous participation are strongly associated with passing, while it flagged "unproductive navigation", such as excessive dashboard refreshing and repeated grade-checking without content consumption as an early and critical risk signal. Ultimately, this work contributes a validated, data-agnostic analytical pipeline, fully prepared to process real institutional data and to support educators with actionable insights for early pedagogical interventions.
Description: Os modelos de ensino totalmente online para o ensino básico e secundário (K-12), como os disponibilizados pela Connections Academy, servem mais de 100 000 alunos nos Estados Unidos, muitos dos quais transitam do ensino tradicional devido a dificuldades académicas ou pessoais prévias. Embora os relatórios nacionais mostrem frequentemente resultados mais baixos em exames padronizados para os alunos online, estes ambientes acolhem uma proporção significativamente maior de alunos em risco, o que dificulta comparações justas. Apesar da grande escala do ensino online, existe pouca investigação detalhada sobre a forma como os alunos efetivamente navegam nestas plataformas, como evoluem os seus padrões de estudo e como essas rotinas se relacionam com o seu progresso de aprendizagem. Esta dissertação aborda estas questões aplicando o enquadramento das coreografias de aprendizagem para detetar sequências recorrentes de ações de aprendizagem online. Devido à indisponibilidade dos registos institucionais proprietários, o projeto adotou uma abordagem de engenharia de dados, desenvolvendo um simulador para gerar um conjunto de dados sintético de larga escala, concebido para refletir as regras pedagógicas e os ritmos letivos de um ambiente K-12 totalmente online. Foi então construído um pipeline analítico completo: métodos não supervisionados, sobretudo o algoritmo k-means, foram usados para identificar perfis comportamentais distintos, enquanto um modelo supervisionado de Random Forest foi treinado para prever o sucesso dos alunos e extrair sinais comportamentais precoces. A análise revelou quatro coreografias de aprendizagem distintas, indicando que a qualidade e a intenção do envolvimento estão associadas ao sucesso académico muito mais do que o simples volume de cliques. O modelo preditivo identificou que sessões de estudo frequentes e distribuídas, bem como a participação síncrona, estão fortemente associadas à aprovação, ao passo que sinalizou a "navegação improdutiva", como a consulta excessiva do painel e a verificação repetida de notas sem consumo de conteúdo como um sinal de risco precoce e crítico. Em última análise, este trabalho contribui com um pipeline analítico validado e agnóstico à origem dos dados, totalmente preparado para processar dados institucionais reais e apoiar os educadores com informação acionável para intervenções pedagógicas atempadas.
Subject: Engenharia electrotécnica, electrónica e informática
Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering
Scientific areas: Ciências da engenharia e tecnologias::Engenharia electrotécnica, electrónica e informática
Engineering and technology::Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering
URI: https://hdl.handle.net/10216/175696
Document Type: Dissertação
Rights: openAccess
Appears in Collections:FEUP - Dissertação

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