I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 ,   p p .   297 ~ 310   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 1 6 i 1 . pp 2 9 7 - 3 1 0           297       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Studen ts per form a nce cluste ring  f o r f ut ure  perso na lized in  lea rning  virtua l r ea lity       G ha lia   M da g hri A la o ui,  Ab delha m id Z o uh a ir,   I l ha m K ha bb a chi   D S A I 2 S   R e s e a r c h   Te a m,  C 3 S   La b o r a t o r y ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e a n d   Te c h n o l o g i e s   o f   Ta n g i e r ,   A b d e l ma l e k   Essaâ d i   U n i v e r s i t y ,     Te t o u a n ,   M o r o c c o       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma r   2 2 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Oct  6 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   No v   2 3 ,   2 0 2 5       Th is  st u d y   i n v e stig a tes   fi v e   c l u ste rin g   a lg o rit h m s K - M e a n s,   G a u ss ian   m ix tu re   m o d e l   (G M M ) ,   h iera rc h ica c lu ste rin g   (HC) ,   k - m e d o id s,   a n d   sp e c tral  c lu ste rin g a p p li e d   to   st u d e n t   p e rfo rm a n c e   i n   m a th e m a ti c s,  re a d in g ,   a n d   writi n g   to   su p p o r t h e   d e v e lo p m e n t   o f   v irt u a re a li ty   ( VR) - b a se d   a d a p ti v e   lea rn i n g   sy ste m s.  Clu ste q u a li ty   wa a ss e ss e d   u sin g   Da v ies - Bo u l d in   a n d   Ca li n s k i - Ha ra b a sz   in d ice s.  S p e c tral  c lu ste rin g   a c h ie v e d   th e   b e s t   re su lt (DBI =  0 . 7 5 ,   CHI =  1 3 2 2 ),   f o ll o we d   b y   K - M e a n s   (DBI =  0 . 7 9 ,   CHI =  1 3 9 8 ),   wh i le  HC  d e m o n str a ted   su p e rio r   ro b u st n e ss   to   o u tl ie rs.  Th re e   d isti n c t   stu d e n t   p r o fil e s b e g in n e r,   in term e d iate ,   a n d   a d v a n c e d e m e rg e d ,   e n a b li n g   targ e te d   a d a p t iv e   i n ter v e n ti o n s.  S u p e rv ise d   c las sifiers   train e d   o n   th e se   c lu ste rs  re a c h e d   u p   to   9 9 %   a c c u ra c y   (lo g isti c   re g re ss io n a n d   9 7 . 5 %   ( su p p o rt  v e c t o m a c h in e   (S VM) ),   v a li d a ti n g   t h e   d isc o v e re d   g ro u p i n g s.  T h is   wo rk   i n tro d u c e a   n o v e l ,   d a ta - d r i v e n   m e th o d o lo g y   in teg ra ti n g   u n s u p e rv ise d   c lu ste rin g   with   su p e rv ise d   p re d i c ti o n ,   p r o v i d i n g   a   p ra c ti c a fra m e wo rk   f o r   d e sig n i n g   imm e rsiv e   VR l e a rn in g   e n v ir o n m e n ts.   K ey w o r d s :   Ad ap tiv lear n in g   s y s tem s       C lu s ter in g   alg o r ith m s       Sp ec tr al  clu s ter in g   Stu d en ts   p er f o r m an ce   Vir tu al  r ea lity     T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Gh alia  Md ag h r - Alao u   DSAI 2 S   R esear ch   T ea m ,   C o m p u ter   Scien ce   an d   Sm ar t   Sy s te m s   L ab o r ato r y ,   FS T   of   T an g ie r ,   Ab d elm alek   E s s d i U n iv er s ity   T eto u an ,   M o r o c c o   E m ail:  g h alia. m d ag h r ialao u i @ etu . u ae . ac . m a       1.   I NT RO D UCT I O N   T h is   wo r k   aim s   to   an aly ze   s tu d en p er f o r m an ce   in   h ig h er   ed u ca tio n   in s titu tio n s   ( H E I s )   u s in g   clu s ter in g   an d   class if icatio n   m eth o d s   to   in f o r m   v ir tu al  r e ality   ( VR ) - b ased   p e r s o n alize d   lea r n in g .   Per s o n alize d   lear n in g   r ep r esen ts   s h if t   f r o m   tr ad itio n al  o n e - s ize - f its - all  ap p r o ac h es  to war d   tailo r ed   i n s tr u ctio n   th at  a d ap ts   to   ea ch   s tu d en t’ s   ab ilit ies,  p r ef er en ce s ,   an d   n e ed s .   Vir tu al  r ea lity   ( VR )   en a b les  im m er s iv lear n i n g   en v ir o n m en ts   th at  ca n   ad j u s d y n am ically   to   lear n er s ,   wh il clu s ter in g   alg o r ith m s   allo th id en tific atio n   o f   m ea n in g f u s tu d en g r o u p s ,   s u p p o r tin g   a d ap tiv i n ter v en ti o n s   an d   m o r e   ef f icien t,   cu s to m ized   ed u ca tio n al   ex p er ien ce s .   Sev er al  s tu d ies  h a v a p p lied   clu s ter in g   to   ed u ca tio n al  p er s o n aliza tio n .   O u ass if   et  a l [ 1 ]   u s ed   K - Me an s   o n   e n g ag e m en b e h a v io r s ,   b u th eir   a p p r o ac h   was  l im ited   to   s in g le   alg o r it h m   a n d   d ataset,   with   n o   co n n ec tio n   t o   Vah d at  et  a l [ 2 ]   p r o v id ed   a   g en er al  r ev iew   with o u ex p er im e n tatio n .   Ša r - Gr g ić  et  a l [ 3 ]   an aly ze d   b e h av io r s   in   an   in tel lig en tu to r in g   s y s tem ,   b u r es u lts   wer co n f in ed   to   o n lin l ea r n in g .   H o o s h y ar     et  a l [ 4 ]   in tr o d u ce d   th PP alg o r ith m   b ased   o n   p r o cr asti n atio n ,   ef f ec tiv b u lim ited   to   s in g le  v ar iab le.   Nav ar r o   an d   Ger   [ 5 ]   co m p ar e d   alg o r ith m s   o n   lar g d atasets   with o u co n s id er in g   im m er s i v p er s o n aliza tio n .   DeFr eitas  an d   B er n ar d   [ 6 ]   e v alu ated   K - Me an s ,   d en s ity - b as ed   s p atial  clu s ter in g   o f   ap p licatio n s   with   n o is ( DB SC AN ) ,   an d   b alan ce d   iter ativ r ed u cin g   a n d   clu s ter in g   u s in g   h ier ar ch ies ( B I R C H) ,   co n f ir m in g   K - Me a n s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 :   2 9 7 - 310   298   ef f ec tiv en ess   b u o n ly   o n   in te r n al  m etr ics.  Kr ižan ić  [ 7 ]   co m b in ed   clu s ter in g   an d   d ec is io n   tr ee s   o n   e - lear n in g   lo g s ,   wh ile  Vital  et  a l [ 8 ]   i n teg r ated   s tatis tical  an aly s is   an d   clu s ter in g   b ased   o n   s o cio - p e r s o n al  f ac to r s .   R ec en ad v an ce s   in   p r ed ictiv e   m o d eli n g   f u r t h er   h ig h lig h th p o te n tial  o f   s o p h is ticated   ap p r o ac h es   f o r   c o m p lex   n o n lin ea r   p atter n s .   J in   et  a l [ 9 ]   a p p lied   n eu r a n etwo r k s   to   ca p tu r e   tem p o r al  d ep en d en cies  in   tr ad in g   v o lu m es,  an d   J in   et  a l [ 1 0 ]   u s ed   th s am ap p r o ac h   to   f o r ec ast  co m m o d ity   p r ic es.  J in   an d   Xu   [ 1 1 ]   d em o n s tr ated   th ef f ec tiv e n e s s   o f   Gau s s ian   p r o ce s s   r eg r ess io n   ( GPR )   with   B ay es ian   o p tim izatio n   f o r   p r ed ictin g   s ilv er   p r ices,  an d   J in   an d   Xu   [ 1 2 ]   ap p lied   th is   m eth o d   t o   th er m al   co al  p r ice s .   J in   an d   Xu   [ 1 3 ]   em p lo y ed   g r a p h ical  m o d els,  in clu d in g   d ir ec ted   ac y clic  g r ap h s   ( DAGs) ,   to   u n co v er   ca u s al  s tr u ctu r es  in   m u ltiv ar iate  ec o n o m ic  d ata,   w h ile  Xu   [ 1 4 ]   ex ten d ed   th is   ty p o f   an aly s is .   Xu   [ 1 5 ]   s h o wed   th at  en s em b le  an d   co m p o s ite  m eth o d s   im p r o v p r ed ictio n   r o b u s tn ess   f o r   a g r icu ltu r al  co m m o d ities ,   an d   X u   an d   Z h an g   [ 1 6 ]   co n f ir m e d   th ese  b en e f its   f o r   f in an cial  in d ices.  I n s p ir ed   b y   th ese  wo r k s ,   o u r   s tu d y   le v er ag es  clu s ter in g   an d   class if icatio n   tech n iq u es to   an aly ze   s tu d en t p er f o r m a n ce   an d   g u id a d ap tiv VR - b ased   lear n in g .   Desp ite  th ese  ad v an ce s ,   p r ev io u s   r esear ch   m ain ly   ap p lied   s in g le  clu s ter in g   m eth o d s   to   e d u ca tio n al   d ata,   with   lim ited   v alid atio n   an d   litt le  co n n ec tio n   to   im m e r s iv p er s o n aliza tio n .   T h is   s tu d y   ad d r ess es  th es e   g ap s   b y   ev al u atin g   f iv e   clu s ter in g   alg o r ith m s   ( K - Me an s ,   Gau s s ian   m ix tu r e   m o d el   ( GM M) ,   h ier ar ch ical,   K - m ed o id s ,   an d   s p ec tr al  clu s ter in g ) ,   q u an titativ ely   v alid at in g   th d is co v er e d   clu s ter s   th r o u g h   s u p er v is ed   class if ier s ,   an d   id en tify in g   in ter p r etab le  s tu d en p r o f iles b eg in n er ,   in ter m ed iate,   an d   ad v an ce d to   in f o r m   ad ap tiv in ter v e n tio n s .   T h e   co n tr ib u tio n s   o f   th is   s tu d y   ar s u m m ar ized   in   s in g le  p ar ag r ap h   as  f o llo ws:   f ir s t,  s y s tem atic  co m p a r is o n   o f   f i v clu s ter in g   alg o r ith m s   o n   H E I   s tu d en t   p er f o r m a n ce   d ata;  s ec o n d ,   v alid atio n   o f   clu s ter s   u s in g   s u p er v is ed   clas s if icatio n   m o d els  to   en s u r q u an titativ r o b u s tn ess an d   th ir d ,   id en tific atio n   o f   in ter p r etab le  s tu d en p r o f iles   to   g u id ad ap tiv VR - b ased   lear n in g   an d   p r o v i d p r ac tical  f r am ewo r k   f o r   im m er s iv e,   p er s o n alize d   ed u c atio n .   T h r em ain d e r   o f   th p a p er   is   o r g an ized   as  f o llo ws:   s ec tio n   2   r ev iews  r elate d   r esear ch   o n   clu s ter in g   m eth o d s   in   e d u ca tio n al   d ata  m in in g .   Sectio n   3   p r esen ts   o u r   m eth o d o lo g y ,   in clu d in g   p r ep r o ce s s in g ,   d ataset  attr ib u tes,  s y s tem   ar ch itectu r e,   clu s ter in g   alg o r ith m s ,   an d   e v alu atio n   m etr ics.  Sectio n   4   r ep o r ts   ex p er im en tal   r esu lts ,   co m p ar es  class if icatio n   m o d els,  an aly ze s   s tu d e n g r o u p s ,   an d   ev alu ates  clu s t er in g   p e r f o r m an ce .   Fin ally ,   s ec tio n   5   co n clu d es  an d   o u tlin es  f u t u r d ir ec tio n s ,   in clu d i n g   t h a p p licatio n   o f   d ee p   lear n in g   a n d   r ea l - tim f ee d b ac k   s y s tem s .       2.   L I T E R AT U RE   R E VI E   2 . 1 .     Clus t er ing   t ec hn i qu in e du c a t io na l da t a   m ini ng     C lu s ter in g   tech n iq u es  h av b ec o m co r n er s to n o f   ed u ca tio n al  d ata  m in in g   ( E DM ) ,   e n ab lin g   th id en tific atio n   o f   m ea n in g f u p atter n s   in   s tu d en p e r f o r m an ce ,   en g ag em en t,   an d   b e h a v io r .   E a r ly   m o d els  ( o v er lay ,   f u zz y   lo g ic,   B ay esian   n etwo r k s )   p r o v id e d   s o lid   f o u n d atio n s   b u r em ain   f r ag m en ted   an d   p o o r l y   s u ited   to   ad ap tiv lear n in g   s y s tem s   [ 1 7 ] .   R ec en s tu d ies  h av ap p lied   clu s ter in g   to   o n lin lear n in g   en v ir o n m en ts .   Šar - Gr g ić  et  a l.   [ 3 ]   p er f o r m e d   clu s ter in g   o f   s tu d en ts   b ased   o n   eig h t o n lin b eh av io r   v a r iab les  in   an   in tellig en tu to r in g   s y s tem   ( AC - war T u to r ) ,   in cl u d in g   p r ep r o ce s s in g ,   d im en s io n ality   r ed u ctio n ,   clu s ter in g ,   an d   p o s t - test   p er f o r m an ce   a n aly s is ,   an d   cr ea t ed   d ec is io n   tr ee   f o r   h u m a n   in ter p r etatio n   o f   clu s ter s .   Ho wev er ,   th ap p licatio n   was  r estricte d   to   s p ec if ic  o n lin s y s tem   an d   m ay   n o g en er alize   to   i n - p er s o n   o r   VR   lear n in g   e n v ir o n m en ts .   Ho o s h y a r   et  a l.   [ 4 ]   d ev elo p ed   t h PP alg o r ith m   to   p r ed ict  s tu d en t   p er f o r m an ce   ac co r d in g   to   p r o cr asti n atio n   b eh av io r ,   class if y in g   s tu d en ts   as  p r o c r asti n ato r s ,   ca n d i d ates,  o r   non - p r o cr asti n ato r s ,   ac h iev in g   9 6 %   ac cu r ac y   with   m u ltip le  class if ier s h o wev er ,   t h is   ap p r o ac h   f o cu s ed   m ain ly   o n   p r o c r asti n atio n ,   li m itin g   o v er all  p er f o r m an ce   p r ed ictio n   a n d   n o t   co n s id er in g   o th er   b e h av io r al  o r   ac ad em ic  v ar iab les.  Nav a r r o   an d   Ger   [ 5 ]   c o m p ar e d   d if f er en clu s ter in g   alg o r ith m s   o n   lar g ed u ca tio n al  d ataset,   s h o win g   th at  K - Me an s   an d   p ar titi o n in g   ar o u n d   m e d o id s   ( PAM )   p er f o r m e d   b est  f o r   p a r titi o n in g .   At  th s am tim e,   d iv is iv an aly s is   ( DI ANA)   ex ce lled   in   h ier ar ch ical  clu s ter in g ,   th o u g h   th s tu d y   f o cu s ed   o n   lar g d atasets   with o u ad d r ess in g   VR   o r   im m er s iv p er s o n al izatio n   an d   d id   n o tr ac k   in d iv id u al  p er f o r m a n ce .   Fu s ein an d   Miss ah   [ 1 8 ]   co n f ir m ed   th d o m in a n ce   o f   cl u s ter in g   in   h ig h e r   ed u ca tio n ,   wh ile   L et  a l [ 1 9 ]   ap p lied   e n s em b le  clu s ter in g   t o   d etec t y p ical  an d   a n o m alo u s   b eh av i o r s ,   y et   r estricte d   to   s in g le  i n s titu tio n .   DeFr eitas   an d   B er n ar d   [ 6 ]   also   an aly ze d   cl u s ter in g   alg o r ith m s   o n   lear n in g   m an a g em en s y s tem   ( L MS)   d ata,   co m p ar in g   K - Me a n s ,   DB SC AN,   an d   B I R C H,   with   K - Me an s   ac h iev in g   th e   h ig h est  Sil h o u ette  c o ef f icien ts ;   lim itatio n s   in clu d ed   lack   o f   ap p licatio n   to   im m er s iv e   s y s tem s ,   f u tu r p er f o r m a n c p r ed ictio n ,   an d   p ed ag o g ical  in ter p r etatio n .   Kr ižan ić  [ 7 ]   ap p lied   d ata  m in in g   to   e - lear n in g   lo g s   f r o m   C r o atian   u n iv er s ity ,   u s in g   clu s ter in g   b ased   o n   s tu d en b eh a v io r   f o llo wed   b y   d ec is io n   tr ee .   Sti ll,  r esu lts   w er s p ec if ic  to   th e   ex is tin g   e - lear n in g   p latf o r m   with   lim ited   g en er aliza b ilit y   an d   d i d   n o co n s id er   VR   o r   i m m er s iv lear n in g .   Vital  et  a l.   [ 8 ]   an aly ze d   s tu d en p e r f o r m an ce   u s in g   s tatis tical  m eth o d s   co m b in ed   with   K - Me an s   an d   h ier ar ch ical  clu s ter in g ,   s tu d y i n g   f ac to r s   s u ch   as  f am ily   b a ck g r o u n d ,   p er s o n al   p r o f ile,   a n d   life s ty le  h ab its ,   with   clu s ter in g   h el p in g   t o   p r ed ict  p ass /f ail  o u tco m es  a n d   u n d er s tan d   u n d e r ly in g   ca u s es.  Oth er   s tu d ies  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         S tu d en ts   p erfo r ma n ce   clu s teri n g   fo r   fu tu r p ers o n a liz ed   in     ( Gh a lia   Md a g h r i A la o u i )   299   co m b in ed   clu s ter in g   with   ad d i tio n al  tech n iq u es:  Pra b h an d   Priy aa   [ 2 0 ]   ap p lied   f u zz y   K - m ed o id s   b u lack ed   ex ter n al  v alid atio n   o r   s u f f er e d   h ig h   co m p u tatio n al  c o s ts ,   Haf d an d   E Kaf h ali  [ 2 1 ]   e x p lo r ed   p r ed ictiv e   m o d elin g   with   s m all  d atasets ,   an d   Xu   et  a l [ 2 2 ]   in v esti g ated   p er f o r m an ce   ev o lu tio n   b u f ac ed   s en s itiv ity   is s u es.  Fo r   d r o p o u p r ed ictio n   in   m ass iv o p en   o n lin co u r s ( MO OC )   v ia  d ee p   lear n in g   [ 2 3 ] ,   clu s ter s   wer n o ex p licitly   g e n er ated ,   wh ile   Sh ar if   an d   Atif   [ 2 4 ]   em p h asized   th e   b en e f its   o f   p er s o n alize d   f ee d b ac k   d esp ite   ch allen g es  r elate d   to   p r iv ac y   an d   co n te x tu al  s p ec if icity .   As  th s co p o f   clu s ter in g   ex ten d s   b ey o n d   p er f o r m an ce   to   in clu d p e r s o n aliza tio n ,   th in teg r atio n   o f   v ir tu al  r ea lity   em er g es  a s   p r o m is in g   y et  u n d er e x p lo r e d   ar ea .     2 . 2 .     Virt ua l r e a lity ,   perso na lized  lea rning ,   a nd   a da ptiv s t ud ent   m o delin g   VR   tech n o lo g ies  ar r esh ap in g   lear n in g   b y   p r o v id in g   in ter ac tiv s im u latio n s   an d   p er s o n alize d   co n ten t h at  en h an ce   en g a g e m en an d   o u tco m es   [ 2 5 ] ,   [ 2 6 ] .   Mo s s tu d ies  f o cu s   o n   s cien ce   an d   m ath e m atics,   th o u g h   th s o cial  s cien ce s   also   ad o p VR   f o r   ed u ca tio n al  p u r p o s es.  W h ile  v is u al  elem en ts   d o m in ate,   im m er s iv in ter ac tiv ity   r em ai n s   lim ited ,   h ig h lig h tin g   th n e ed   f o r   f u r th er   r esear ch .   Featu r es  s u ch   as  p r esen ce ,   au to n o m y ,   a n d   au th e n tic  task s   s u p p o r lear n in g   with in   c o n s tr u ctiv is f r am ewo r k s ,   b u lo n g itu d in al  s tu d ies  ar e   n ee d ed   to   ass ess   k n o wled g r e ten tio n .   R esear ch   o n   VR - b ased   in d iv i d u alize d   lear n in g   a n d   s tu d en t   clu s ter in g   is   s till   lim ited .   Per s o n alize d   lear n in g   r eq u ir es  s o p h is ticated   p r o f ilin g   to   ad ap c o n ten t,   p ac in g ,   an d   in s tr u ctio n al  s tr ateg ies.  T r ad itio n al  m eth o d s   o f te n   r ely   o n   ass es s m en ts   o r   b eh a v io r al  tr ac k in g ,   wh er ea s   AI - d r iv en   ap p r o a ch es  en ab le  m o r e   d y n am ic  lear n e r   m o d elin g .   Ad ap tiv lear n in g   tech n o lo g ies,  b o o s ted   b y   AI   an d   th s u r g in   d ig ital  ed u ca tio n   d u r in g   t h C OVI D - 1 9   p an d e m ic,   h av tr an s f o r m ed   p er s o n aliza tio n ,   ac ce s s ib ilit y ,   an d   ef f icien cy ,   s u p p o r tin g   s tu d en t - ce n ter ed   lear n in g ,   f o s ter in g   in f o r m ed   citizen s ,   an d   p r o m o tin g   s u s tain ab le  d ev elo p m e n [ 2 7 ] C lu s ter in g   tech n iq u es,   in   p ar ticu lar ,   o f f er   p r o m is in g   av e n u es  to   g en er ate  ac tio n ab le   lear n er   p r o f iles ,   b u t   o p er atio n alizin g   th e m   in to   m ea n in g f u s tr ateg ies  with in   i m m er s iv VR   en v ir o n m en ts   r em ain s   ch allen g in g   an d   ca lls   f o r   f u r th e r   in ter d is ci p lin ar y   r esear c h .   Ad ap tiv lear n in g   p latf o r m s   th at  d y n am ically   a d ju s to   in d iv id u al  lear n e r s ,   o f ten   th r o u g h   m u lti - ag en s y s tem s ,   d ep en d   o n   co m p r eh en s iv s tu d en m o d els  r ep r esen tin g   p r ef er en ce s ,   en g ag em en lev els,  an d   p er f o r m an ce   p atter n s .   R ec en ad v an ce s   in   AI ,   p a r ticu lar ly   lar g lan g u ag e   m o d els  ( L L Ms) ,   h av en a b le d   ag en tic  wo r k f lo ws  ( AW s )   an d   f r am ewo r k s   lik Ag en t 4 E D U,   wh ich   s u p p o r co m p lex   ed u ca tio n al  task s   an d   m u lti - ag en c o llab o r atio n ,   f u r th er   en h an cin g   a d ap tiv e   an d   p er s o n alize d   lea r n in g   ex p er ie n ce s   [ 2 8 ] .   Desp ite  th ese  ad v an ce m e n ts ,   m eth o d o lo g ical  in c o n s is ten cies  in   clu s ter in g   s tu d ies  co n tin u e   to   lim it  b r o ad er   ap p licatio n   an d   r ep licatio n .     2 . 3 .     Adv a nced  m a chine le a rning   t ec hn iq ues   in o t her  do m a ins   W h ile  m o s clu s ter in g   an d   p r ed ictiv m o d elin g   s tu d ies  in   ed u ca tio n   r em ain   lim ited   in   s co p e,   ad v an ce s   in   o th e r   f ield s   h ig h l ig h th e   p o ten tial  o f   m ac h in e   lear n in g   t o   ca p t u r c o m p lex ,   n o n lin ea r   p atter n s .   T h ese  ac h iev em en ts ,   alth o u g h   o u ts id th ed u ca tio n al  co n te x t,  p r o v i d m eth o d o lo g ical  in s ig h ts   th at  m o tiv ate   o u r   ex p lo r atio n   o f   ad v an ce d   clu s ter in g   an d   class if icatio n   ap p r o ac h es  f o r   s tu d en t   p r o f ilin g   in   VR - b ased   p er s o n alize d   lear n i n g .   R ec en ad v an ce s   in   p r ed ictiv m o d elin g n e u r al  n etwo r k s ,   Gau s s ian   p r o ce s s   r eg r ess io n   ( GPR ) g r ap h - b ased ,   a n d   en s em b le   m eth o d s ef f ec tiv ely   ca p tu r e   c o m p lex   n o n lin ea r   p atter n s ,   m o tiv atin g   th e   u s e   o f   m u ltip le  clu s ter in g   an d   cla s s if icatio n   ap p r o ac h es  f o r   an aly zin g   s tu d en p er f o r m a n ce   in   VR - b ased   p er s o n alize d   lear n in g .   Neu r al   n etwo r k s   ( NAR - NN)   f o r ec a s ted   th er m al  co al  tr ad in g   v o l u m es  ( 2 0 1 6 2 0 2 0 )   with   m in im al  er r o r   u p   to   th 9 9 . 2 7 3 t h   q u a n tile  [ 9 ]   an d   wee k ly   p ea n u o il  p r ices  with   tr ain in g ,   v alid atio n ,   an d   test in g   r o o m ea n   s q u ar e d   er r o r   ( R MSE )   o f   5 . 8 9 ,   4 . 9 6 ,   a n d   5 . 5 7   [ 1 0 ] .   GPR   with   B ay esian   o p tim izatio n   ac cu r ately   p r e d icted   d aily   s il v er   p r ices  o v er   1 3   y ea r s   ( r ela tiv R MSE   0 . 2 2 5 7 %,  co r r elat io n   9 9 . 9 6 7 %)  [ 1 1 ]   an d   th er m al   co al  p r ices  ( r elativ R MSE   0 . 4 2 1 0 %)  [ 1 2 ] .   Gr ap h ical  m o d els,  in clu d in g   DAGs,  r ev ea led   d y n am ic   in ter ac tio n s   am o n g   C h in ese  p r o p er t y   in d ices  [ 1 3 ]   an d   co n tem p o r a n eo u s   lin k ag es  am o n g   US  co r n   f u tu r es  an d   ca s h   p r ices   [ 1 4 ] .   E n s em b le  an d   c o m p o s ite  m et h o d s   en h an ce d   r o b u s tn ess ,   wi th   3 0   m o d els  an d   1 0   co m b in atio n s   r ed u ci n g   er r o r s   in   d aily   co r n   p r ices  [ 1 5 ]   an d   5 1   m o d els  with   4 1   en s em b le   v ar iatio n s   ac h iev i n g   s tr o n g   p e r f o r m an ce   f o r   th C h in ese  s to ck   in d e x   [ 1 6 ] .   T h es r esu lts   d em o n s tr ate  th e   p o t en tial  o f   a d v an ce d   m o d elin g   tec h n iq u es to   i d en tif y   n o n li n ea r   p atter n s   an d   g u id e   ad ap tiv e,   p er s o n alize d   VR   lear n in g .     2 . 4 .     M et ho do lo g ic a l g a ps   a n d da t a s et   lim it a t io ns   in educa t io na l c lus t er ing   re s ea rc h   r ev iew  o f   cl u s ter in g   ap p licatio n s   in   ed u ca tio n al  co n te x ts   r ev ea ls   im p o r tan c h allen g es  r e lated   b o th   to   ev alu atio n   p r ac tices  an d   to   th d atasets   em p lo y e d .   I n   ter m s   o f   v alid atio n ,   s tu d ies  r ely   o n   d i v er s m etr ics r an g in g   f r o m   i n ter n al  co h esio n   in d icato r s   to   ex ter n al  class i f icatio n - b ased   v alid atio n s m ak in g   it  d if f icu lt  t o   co m p ar f in d in g s   o r   r ep r o d u c m eth o d o lo g ies.  T ab le  1   p r e s en ts   co m p ar ativ s u m m ar y   o f   th ev alu atio n   tech n iq u es u s ed   in   k ey   s tu d ies .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 :   2 9 7 - 310   300   T h is   co m p ar is o n   h ig h lig h ts   k ey   g ap s   in   e d u ca tio n al   clu s ter in g   r esear c h i )   in co n s is ten v alid atio n   m etr ics  lim itin g   r ep r o d u cib ilit y ,   ii )   lack   o f   ex ter n al  v alid atio n   v ia  d o wn s tr ea m   task s ,   iii )   a b s en ce   o f   s tatis tical   s ig n if ican ce   test in g   f o r   alg o r i th m   co m p ar is o n s ,   a n d   iv )   in s u f f icien atten tio n   to   ed u ca tio n al  in ter p r etab ilit y   an d   p r ac tical  ap p licab ilit y .   E x is tin g   s tu d ies  also   r ely   o n   l im ited ,   o f te n   o n e - d im e n s io n a d atasets   f r o m   e - lear n in g   p latf o r m s ,   f o cu s in g   o n   s in g le  s u b jects  o r   n ar r o in d icato r s   r ath er   th an   ca p tu r in g   m u ltifa ce ted   s tu d en co m p eten cies.  Fu r th er m o r e,   f ew  wo r k s   s y s tem atica lly   co m p ar m u ltip le  clu s ter in g   alg o r ith m s ,   an d   th lack   o f   s tan d ar d ize d   ev al u atio n   f r a m ewo r k s   r estricts  r ep licab ilit y ,   h in d e r in g   t h d e v elo p m en o f   r o b u s b est p r ac tices.       T ab le  1 .   E v alu atio n   m et r ics co m p ar is o n   ac r o s s   ed u ca tio n al  c lu s ter in g   s tu d ies   S t u d y     I n t e r n a l   m e t r i c   Ex t e r n a l   v a l i d a t i o n     S t a t i st i c a l   t e s t i n g     Ed u c a t i o n a l   i n t e r p r e t a t i o n     G o v i n d a s a m y   a n d   V e l m u r u g a n   [ 2 9 ]   N M I ,   P u r i t y   N o t   u se d   N o t   u se d   Li mi t e d   N a v a r r o   e t   a l [ 5 ]   S i l h o u e t t e ,   D B   I n d e x   N o t   u se d   N o t   u se d   Li mi t e d   V i t a l   e t   a l .   [ 8 ]   V i su a l   i n s p e c t i o n   C l a s si f i c a t i o n   a c c u r a c y   N o t   u se d   Li mi t e d   K r i ž a n i ć   [ 7 ]   N o t   r e p o r t e d   D e c i s i o n   t r e e   v a l i d a t i o n   N o t   u se d   Li mi t e d   Th i s   S t u d y   D B   I n d e x ,   C H   I n d e x   C l a s si f i c a t i o n   a c c u r a c y   N o t   u se d   Li mi t e d       2 . 5 .     Resea rc h po s it io nin g   a nd   co ntr ibu t io n   T h is   r esear ch   ad d r ess es  s ev er al  cr itical  g ap s   in   ed u ca tio n a clu s ter in g   liter atu r e.   Pre v io u s   s tu d ies   o f ten   lack   s y s tem atic  co m p ar i s o n s   b etwe en   m u ltip le  clu s ter in g   alg o r ith m s   with   r ig o r o u s   s tatis tical  v alid atio n ,   f o cu s   p r im ar ily   o n   o n e - d im e n s io n al  e - lear n in g   d ata,   a n d   p r o v id lim ited   co n ce p t u al  f r am e wo r k s   f o r   ap p ly in g   clu s ter in g   r esu lts   in   p er s o n ali ze d   lear n in g   s y s tem s ,   p a r ticu lar ly   in   v ir tu al  r ea lity   en v ir o n m en ts .   Mo r e o v er ,   ex ter n al  v alid atio n   o f   clu s ter s   th r o u g h   co n cr ete  ed u ca tio n al   task s   is   f r eq u en tly   in s u f f icie n t,  r aisi n g   co n ce r n s   ab o u t th p r ac tical  ap p licab ilit y   o f   th e   r esu lts .   T o   o v er c o m th ese  lim itatio n s ,   th is   s tu d y   p r esen ts   co m p r eh en s iv co m p ar is o n   o f   f iv e   clu s ter in g   alg o r ith m s   ap p lied   to   m u ltid im en s io n al  d ataset  en co m p ass in g   m ath em atics,  r ea d in g ,   an d   wr itin g ,   en ab lin g   a   d etailed   an aly s is   o f   s tu d en t   p r o f iles .   I d ev elo p s   r o b u s ass ess m en f r am ewo r k   co m b in i n g   in ter n al  in d ices,   ex ter n al  v alid atio n   th r o u g h   cl ass if icatio n ,   an d   r ig o r o u s   s tati s tical  test s .   I n   ad d itio n ,   it   in tr o d u ce s   a   co n ce p tu al  f r am ewo r k   f o r   in teg r atin g   th ese  p r o f iles   in to   p e r s o n alize d   lear n in g   en v i r o n m e n ts   in   v ir tu al  r ea lity .   T h th eo r etica co n tr ib u tio n s   d em o n s tr ate  th s u p er io r ity   o f   s p e ctr u m   clu s ter in g   o v er   co n v en t io n al  m eth o d s   lik K - Me an s ,   p r o m p tin g   a   r ec o n s id er atio n   o f   a n aly tical  ap p r o ac h es  to   ca p tu r e   th e   co m p le x ity   o f   e d u ca tio n al   d ata.   Pra ctica lly ,   th s tu d y   p r o v id es  co n cr ete  r o ad m ap   f o r   p e r s o n aliza tio n   in   im m er s iv v ir tu al  r ea lity   en v ir o n m en ts ,   f ac ilit atin g   th in teg r atio n   o f   d ata  a n aly s is   in t o   ed u ca tio n al  s y s tem s   an d   lay in g   th e   f o u n d atio n   f o r   th n ex t g e n er atio n   o f   in tel lig en t a n d   a d ap tiv lear n in g   s y s tem s .       3.   M E T H O DO L O G   3 . 1 .       Resea rc h desi g n a n d o v er a ll a rc hite ct ure   T h is   s tu d y   em p lo y s   h y b r id   m ac h in e - lear n in g   f r am ew o r k   th at  co m b in es  u n s u p er v is ed   an d   s u p er v is ed   tech n iq u es  to   d ev e lo p   p er s o n alize d   lear n in g   p ath way s   f o r   s tu d en ts '   f u tu r u s e.   Fig u r 1   s h o ws  th f r am ewo r k   f lo w   f r o m   d ata   in p u th r o u g h   cl u s ter in g   a n d   class if icatio n   to   VR - b ased   ad ap tiv e   lear n in g   in teg r atio n .   T h p r o p o s ed   m e th o d o lo g y   is   s tr u ctu r ed   in t o   t h r ee   m ain   p h ases i )   u n s u p er v is ed   clu s ter in g   to   u n co v e r   n atu r al  g r o u p in g s   am o n g   s tu d en ts   with o u r ely i n g   o n   p r ed ef in ed   lab els,  ii )   s u p er v is ed   class if icatio n   to   p r ed ict  th g r o u p   m em b e r s h ip   o f   n ew  s tu d e n ts   b ased   o n   th eir   ac ad e m ic  p er f o r m an ce ,   an d   iii )   th e   co n ce p tu al  in te g r atio n   o f   ad a p tiv lear n in g   r o u tes in to   VR   p latf o r m .   T h in n o v ativ asp ec o f   t h is   ap p r o ac h   lies   in   tr an s f o r m i n g   u n lab eled   clu s ter in g   o u tp u ts   in to   lab eled   tar g ets  f o r   s u p er v is ed   lear n i n g ,   e n ab lin g   th co n s tr u ctio n   o f   p r e d ictiv m o d els  b ased   o n   em p ir ically   d is co v er ed   p atter n s .   Un lik tr ad itio n al  class if icatio n   s y s tem s ,   th is   m eth o d o lo g y   f ir s d ete cts  laten s tr u ctu r es  in   s tu d en d ata s p ec if ically ,   ac ad em ic  p er f o r m a n ce   in d icato r s   s u ch   as  m ath ,   r ea d i n g ,   a n d   wr itin g   s co r es u s in g   clu s ter in g   alg o r ith m s   ( K - Me an s ,   h ier ar c h ical  clu s ter in g   ( HC ) ,   Gau s s ian   m ix tu r m o d el   ( GM M) s p ec tr al  clu s ter in g ,   an d   K - M ed o id s ) .   T h clu s ter in g   p er f o r m an ce   is   ev alu ate d   th r o u g h   in ter n al  v alid atio n   in d ices to   d eter m in t h m o s s u itab le  f ea tu r es a n d   alg o r ith m s .   Nex t,  s u p er v is ed   class if icatio n   m o d els,  s u ch   as  d ec is io n   tr ee s   ( DT s ) ,   s u p p o r v ec t o r   m ac h in e   ( SVM ) ,   lo g is tic  r eg r ess io n   ( L R ) ,   K - n ea r est  n eig h b o r s   ( K - NN ) ,   an d   r an d o m   f o r est   ( R F) ,   a r tr ain ed   to   p r ed ict   th clu s ter   m em b er s h ip   o f   n e s tu d en ts .   T h b est - p er f o r m i n g   m o d el  is   s elec ted   b ased   o n   ac cu r ac y   s co r es  an d   u s ed   to   s im u late  s tu d en g r o u p in g   f o r   p er s o n alize d   i n ter v en tio n .   T h VR   co m p o n en t   is   th n ex s tag o f   th is   r esear ch ,   ev en   i f   it  h as  n o b ee n   u s ed   y et.   W ith   ea ch   clu s ter   ac tin g   as  th b asis   f o r   tr i g g er in g   r ea l - tim e,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         S tu d en ts   p erfo r ma n ce   clu s teri n g   fo r   fu tu r p ers o n a liz ed   in     ( Gh a lia   Md a g h r i A la o u i )   301   p r o f ile - d r iv en   ad ju s tm en ts   in   im m er s iv lear n in g   en v ir o n m en ts ,   th l o n g - te r m   g o al  is   to   in c o r p o r ate  t h e   d etec ted   s tu d en p r o f iles   in to   a   m u lti - ag en t   VR - b ased   ed u ca tio n al  s y s tem .           Fig u r 1 .   Hy b r id   f r am ewo r k   c o m b in in g   clu s ter in g ,   class if icatio n ,   an d   VR - b ased   p er s o n aliz atio n       3 . 2 .     Da t a s et   des cr iptio n a nd   prepa ra t io n   T h is   s tu d y   em p lo y s   d ataset   co n s is tin g   o f   ac ad em ic  p er f o r m an ce   m etr ics  f r o m   1 , 0 0 0   s tu d en ts   in   th r ee   co r s u b jects: m ath em atics,  wr itin g ,   an d   r ea d in g .   T h es s u b jects we r s p ec if ically   s e lecte d   b ec au s th ey   p r o v id co m p r eh en s iv u n d er s tan d in g   o f   s tu d en ts   ac a d em ic  ab ilit ies  an d   r ep r esen t   ess en tial  ac ad em ic   co m p eten cies.  T h d ataset,   o b tain ed   f r o m   e d u ca tio n al  in s titu tio n s ,   in clu d es  s tan d ar d ize d   t est  r esu lts   f o r   ea ch   s u b ject  [ 3 0 ] .   An   o v er v iew  o f   t h d ataset  is   p r esen ted   in   T ab l 2 .       T ab le  2 .   Aca d em ic  p er f o r m an ce   s co r es   S t u d e n t   I D   M a t h   sc o r e   W r i t i n g   sc o r e   R e a d i n g   s c o r e   0   72   72   74   1   69   90   88   2   47   57   44   . . . . . .   …. . .   …. .   …. .   9 9 9   88   99   95   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 :   2 9 7 - 310   302   T o   en s u r e   d ata   q u ality   an d   p r ep ar t h d ataset  f o r   s u b s eq u en clu s ter in g   an d   class if icatio n   task s ,   s ev er al  p r ep r o ce s s in g   s tep s   w er ap p lied .   Miss in g   v alu es  i n   n u m er ical  f ea tu r es  wer tr e ated   u s in g   m ed ian   im p u tatio n ,   wh ile  o u tlier s   w er id en tifie d   a n d   h an d led   t h r o u g h   th i n ter q u a r tile  r an g ( I QR )   m eth o d .   Dis tr ib u tio n   an aly s is   an d   s t atis tical  s u m m ar ies  wer co n d u cted   to   v er if y   d ata  in te g r ity ,   f o llo wed   b y   s tan d ar d izatio n   u s in g   th z - s co r tr an s f o r m atio n ,   d ef in e d   as z   ( x   −  μ )   / σ   [ 3 1 ] .   T h is   s ca li n g   s tep   en s u r es th at   all  th r ee   ac ad em ic  s u b jects  co n tr ib u te  eq u ally   to   d is tan ce - b ased   clu s ter in g   alg o r ith m s .   s u m m ar y   o f   th e   p r ep r o ce s s in g   p ip elin is   p r o v id ed   in   T ab le  3 .       T ab le  3 .   Ov e r v iew  o f   t h d ata  p r ep r o ce s s in g   p ip elin e   S t e p     D e scri p t i o n     M i ss i n g   V a l u e   H a n d l i n g   M e d i a n   i m p u t a t i o n   a p p l i e d   t o   n u m e r i c a l   f e a t u r e   O u t l i e r   D e t e c t i o n   Th e   i n t e r q u a r t i l e   r a n g e   ( I Q R )   me t h o d   i u se d   t o   i d e n t i f y   a n d   t r e a t   o u t l i e r s     D a t a   Q u a l i t y   v e r i f i c a t i o n   S t a n d a r d i z a t i o n   Ju st i f i c a t i o n   f o r   S c a l i n g     D i st r i b u t i o n   a n a l y si s   a n d   st a t i st i c a l   s u mm a r i e s   a r e   u s e d   t o   e n s u r e   d a t a   i n t e g r i t y   F e a t u r e sca l e d   u si n g   S t a n d a r d S c a l e r :   z   =   ( x   -   μ)   /   σ   En s u r e e q u a l   c o n t r i b u t i o n   o f   a l l   a c a d e mi c   su b j e c t i n   d i st a n c e - b a s e d   c l u s t e r i n g   a l g o r i t h ms       3 . 3 .     Uns up er v is ed  clu s t er in g   a pp ro a ch   T h is   s tu d y   em p lo y ed   f iv cl u s ter in g   alg o r ith m s   s elec ted   f o r   th eir   co m p lem e n tar y   s tr e n g th s   an d   s u itab ilit y   f o r   ed u ca tio n al  d ata   an aly s is .   T h K - Me an s   alg o r i th m   p ar titi o n s   d ata  in to   k   well - s ep ar ated   clu s ter s   b y   m in im izin g   th with in - clu s ter   s u m   o f   s q u a r ed   d is tan ce s ,   m ak in g   it  ef f ec tiv f o r   co n tin u o u s   n u m er ical   v ar iab les  an d   s u itab le  f o r   ca teg o r izin g   s tu d en ts   b y   p er f o r m an ce .   T o   en s u r r ep r o d u ci b ilit y   an d   ef f icien co n v er g en ce ,   s cik it - lear n s   im p lem en tatio n   was  u s ed   with   in it   ' r an d o m '   an d   ma x_ iter   3 0 0 .   As  h ig h lig h ted   b y   Alza h r an et  a l.   [ 3 2 ] ,   f ea t u r s tan d ar d izatio n   with   z - s co r tr an s f o r m atio n   was  ess en tial   to   av o id   b ias  wh en   v ar iab les  h ad   d if f er en t   s ca les.  Hier ar ch ical  c l u s ter in g   ( HC )   was  also   ap p lied   to   e x p lo r e   s u b g r o u p   s tr u ctu r es,  as  it  b u ild s   tr ee - lik h ier ar ch y   o f   clu s ter s   an d   r e v ea ls   s tr atif ied   lin k s   an d   n ested   g r o u p s   with in   s tu d en p er f o r m an ce   d ata.   T h W ar d   lin k ag cr iter io n   was  ch o s e n   f o r   ag g lo m er ativ clu s ter in g ,   as  it  m in im izes  v ar ian ce   with in   ea ch   clu s ter   a n d   ten d s   to   p r o d u ce   b alan ce d ,   in ter p r etab le  g r o u p s   [ 3 3 ] .   GM was  in clu d ed   to   r ep r esen th d ata  as  m ix tu r e   o f   Gau s s ian   d is tr ib u tio n s ,   p r o v id i n g   p r o b a b ilis tic  clu s ter   m em b er s h ip s   an d   ca p tu r in g   o v er lap p i n g   clu s ter s .   T h is   was  p ar ticu lar ly   v alu ab le  f o r   s tu d en p er f o r m an ce   d ata,   wh er in d iv id u als  m ay   s im u ltan eo u s ly   ex h ib it  tr aits   o f   m u lti p le  ca teg o r ies.  T h e   E x p ec tatio n - Ma x im izatio n   ( E M)   alg o r ith m   with   f u ll  c o v ar ia n ce   m atr ices  was  u s ed   in   im p l em en tatio n   [ 3 4 ] .   I n   co n tr ast,  K - Me d o id s   ( PAM)   was  ap p lied   f o r   its   r o b u s tn ess   to   n o is a n d   o u tlier s ,   as   it  s elec ts   ac tu al  d ata  p o in ts m ed o id s as  clu s ter   ce n ter s .   T h is   p r eser v ed   r ep r esen tativ s tu d en p r o f iles   an d   im p r o v e d   in ter p r etab ilit y ,   u s in g   th Ma n h attan   d is tan ce   m etr ic  f o r   s im ilar ity   ca lcu latio n s   [ 3 5 ] .   Sp ec tr al  clu s ter in g   was  f in a lly   em p lo y ed   to   u n co v er   s u b tle  p er f o r m an ce   p atter n s   th at  lin ea r   ap p r o ac h es  m ig h t   o v e r lo o k .   B y   lev er ag in g   E ig e n   d ec o m p o s itio n   o f   a   s im ilar ity   m atr ix   an d   co m b in in g   n o r m alize d   s p ec tr al  clu s ter in g   with   k - n ea r est  n eig h b o r s   g r ap h ,   th is   m eth o d   ca p tu r e d   co m p lex   an d   n o n lin ea r   d ata  s tr u ctu r es  e f f ec tiv ely   [ 3 6 ] .   T h e   co m b i n atio n   o f   th ese  f iv alg o r ith m s   e n s u r ed   b o th   d iv e r s ity   an d   r o b u s tn ess   in   u n c o v er in g   p er f o r m an ce - b ased   s tu d en g r o u p i n g s .   T h im p lem en tatio n   p r o ce d u r f o llo wed   s y s tem atic  p ip eli n to   en s u r r eliab le  r esu lts .   T h o p tim al  n u m b er   o f   clu s ter s   k   was   d et er m in ed   b y   v a r y in g   k   f r o m   2   to   1 0 ,   with   ea ch   alg o r ith m   ex ec u ted   ac r o s s   3 0   r an d o m   in itializatio n s   to   en s u r s tab ilit y ,   as  r ec o m m en d ed   in   [ 3 7 ] .   C lu s ter   q u ality   was  ass es s ed   u s in g   two   in ter n al  v alid ati o n   i n d ices:  th Dav ies - B o u ld in   in d ex   ( DB ) ,   wh er e   lo wer   v alu es   in d icate d   b etter   s ep ar atio n   an d   c o m p ac tn ess   [ 3 8 ] ,   an d   th e   C alin s k i - Har ab asz  in d ex   ( C H) ,   wh er e   h ig h er   v alu es  r e f lecte d   well - d ef in e d   a n d   d is tin ct  clu s ter s   [ 3 9 ] .   T o   f u r th er   s tr en g th e n   th c o m p ar is o n ,   p ai r ed   t - test s   wer co n d u cted   to   ass ess   th e   s tatis t ical  s ig n if ican ce   o f   p er f o r m an ce   d if f e r en ce s   b etwe en   alg o r ith m s .     T h e   alg o r ith m   th a ac h iev ed   th e   m o s t   f av o r a b le  in d ex   s co r es a n d   s ta tis tically   s ig n if ican t r esu lts   wa s   id en tifie d   as th b est - p er f o r m in g   m eth o d   [ 4 0 ] .     3 . 4 .     Su perv is ed  cla s s if ica t io n m et ho do lo g y   T h o p tim al  clu s ter in g   s o lu tio n   p r o d u ce s   ca teg o r ical  lab els  f o r   ea ch   s tu d en t,  tr an s f o r m in g   th e   u n s u p er v is ed   lear n in g   task   in t o   a   s u p er v is ed   class if icatio n   p r o b lem .   T h ese  la b els  s er v as   tar g et  v a r iab les  f o r   tr ain in g   p r ed ictiv e   m o d els,  e n ab lin g   au to m atic   ca teg o r izat io n   o f   n ew  s tu d en ts   a n d   p r o v id in g   an   i n d ir ec t   m ea s u r o f   clu s ter   s tab ilit y   th r o u g h   class if icatio n   ac cu r ac y   [ 4 1 ] .   Fiv s u p er v is ed   lear n i n g   alg o r ith m s   wer im p lem en ted DT ,   SVM,   LR ,   K - NN,   an d   RF .   T h DT   co n s tr u cts  r u le - b ased   b o u n d ar ies  v ia  r ec u r s iv e   p ar titi o n in g   an d   was  co n f ig u r ed   with   m a x im u m   d ep t h   o f   1 0   an d   m in im u m   o f   f iv s a m p les  p er   leaf   [ 4 2 ] SVM  f in d s   th e   o p tim al   h y p er p lan th at   m ax im izes  class   m ar g in s ,   u s in g   an   R B k er n el   with   C   1 . 0   an d   g am m s et  to   “scale”   [ 4 3 ] LR   m o d els  clas s   p r o b ab ilit ies  u s in g   th lo g is tic  f u n ctio n ,   tr ain ed   with   L 2   r eg u lar izatio n   f o r   u p   to   1 0 0 0   iter atio n s   [ 4 4 ] .   K - NN  class if ie s   in s tan ce s   b ased   o n   th m ajo r ity   v o te  o f   th f iv e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         S tu d en ts   p erfo r ma n ce   clu s teri n g   fo r   fu tu r p ers o n a liz ed   in     ( Gh a lia   Md a g h r i A la o u i )   303   n ea r est  n eig h b o r s ,   em p lo y in g   u n if o r m   weig h tin g   a n d   E u cl id ea n   d is tan ce   [ 4 5 ] RF   co m b in es  1 0 0   d ec is io n   tr ee s   with   m ajo r ity   v o tin g ,   a   m ax im u m   d ep th   o f   1 0 ,   a n d   b o o ts tr ap   s am p lin g   to   r ed u ce   o v er f itti n g   an d   h ig h lig h t im p o r tan f ea tu r es  [ 4 6 ] .   Mo d el  tr ain in g   an d   ev al u atio n   f o llo wed   r ig o r o u s   p r o ce d u r to   en s u r r eliab ilit y   an d   v alid ity .   T h d ataset  was  s p lit  in to   7 0 f o r   tr ain in g   ( 7 0 0   s tu d en ts )   an d   3 0 f o r   test in g   ( 3 0 0   s tu d e n ts )   with   s tr atif ied   s am p lin g   to   m ain tain   class   d i s tr ib u tio n .   Fiv e - f o ld   cr o s s - v al id atio n   was  p e r f o r m ed   o n   th tr ain in g   s et,   an d   p er f o r m an ce   was  ass ess ed   u s i n g   ac cu r ac y ,   F1 - Sco r e ,   an d   A UC - R O C   m etr ics.  T h is   co m p r eh en s iv ap p r o ac h   en s u r es  r o b u s class if icatio n   o f   s tu d en ca teg o r ies  wh ile  lev er ag in g   t h clu s ter in g - d er iv e d   lab els  to   m ain tain   co n s is ten cy   with   th d is co v er e d   p atter n s .     3 . 5 .     I m ple m ent a t io env iro nm ent   a nd   t ec hn ica l sp ec if ic a t io ns   T h tech n ical  im p lem en tatio n   u s ed   Py th o n   3 . 1 1   in   J u p y ter   No teb o o k   en v ir o n m en t.   T h m ain   lib r ar ies  wer Scik it - lear n   1 . 3 . 0   f o r   m ac h in lear n in g ,   Pan d a s   2 . 0 . 3   f o r   d ata  m an ip u latio n ,   Nu m Py   1 . 2 4 . 3   f o r   n u m er ical  o p er atio n s ,   a n d   Ma tp lo tlib   3 . 7 . 1   with   Seab o r n   0 . 1 2 . 2   f o r   v is u aliza tio n .   f ix e d   r an d o m   s ee d   ( 4 2 )   en s u r ed   r ep r o d u ci b ilit y .   T h ex p er im en tal  m eth o d o lo g y   f o llo wed   s ix - s tag p ip elin in   Fig u r 2 s tar tin g   with   r aw  C SV  d ata,   p e r f o r m in g   p r ep r o ce s s in g   an d   v ali d atio n ,   a p p ly in g   Stan d a r d Sc aler   n o r m aliza tio n ,   ex ec u tin g   f iv e   clu s ter in g   al g o r ith m s   ( K - m ea n s ,   K - m ed o id s ,   GM M HC ,   an d   s p ec tr al  cl u s ter in g ) ,   ev alu atin g   with   in ter n al  v alid atio n   m etr ic s ,   an d   co n cl u d in g   with   v is u aliza tio n   an d   s tatis tical  an aly s is .   T h co n f ig u r atio n   p a r am eter s   ( Py th o n   3 . 1 1 ,   Scik it - lear n   1 . 3 . 0 ,   R an d o m   Seed 4 2 )   ar c o n s is ten tly   ap p lied   ac r o s s   p r ep r o ce s s in g ,   f ea tu r en g in ee r in g ,   a n d   clu s ter in g   s tag es  to   en s u r r ep r o d u cib le  r esu lts   an d   en ab le  co m p ar ativ an al y s is   b etwe en   d if f er en t a l g o r ith m ic  a p p r o ac h es.           Fig u r 2 .   E x p er im e n tal  p ip elin f r o m   p r ep r o ce s s in g   to   ev al u atio n   an d   v is u aliza tio n   in   Py th o n   3 . 1 1     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 :   2 9 7 - 310   304   4.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O   4 . 1 .       Clus t er ing   re s ults o v er v iew   T h ad v an ce d   clu s ter in g   &   d a ta  v is u aliza tio n   s u ite  is   tech n ical  f r am ewo r k   th at  allo ws  r esear ch er s   to   im p o r C SV  d atasets   an d   ap p ly   f iv clu s ter in g   alg o r ith m s   ( K - Me an s ,   K - Me d o id s ,   GM M HC ,   an d   s p ec tr al   clu s ter in g )   to   an aly ze   ac ad em ic  p er f o r m a n ce   d ata.   Ad v a n ce d   m eth o d s ,   s u ch   as  HPEFC M - FS f o r   clu s ter in g   an d   Neu r o E v o C lass   f o r   p r ed ictiv m o d elin g ,   c an   b e m p lo y ed   t o   id e n tify   h ig h - ac h ie v in g ,   av er a g e,   a n d   s tr u g g lin g   s tu d en ts ,   en a b lin g   d ata - d r iv e n   in ter v en tio n s .   Op tim ized   v ia   p ar ticle  s war m   o p tim izatio n   ( PSO )   an d   ar tific ial  n eu r al  n etwo r k   ( ANN ) ,   th ese  alg o r ith m s   en h an ce   ac cu r ac y ,   p r ec is io n ,   an d   r ec a ll,  s u p p o r tin g   ea r ly   war n in g   s y s tem s   an d   p er s o n al ized   lear n in g   p ath wa y s ,   s im il ar   to   th p r ed ictiv ap p r o ac h   s u g g ested   b y   Ma lik   et  a l   [ 4 7 ] .   T h m o d u lar   in ter f ac in clu d es  lef p an el  f o r   d ata  m an ag em en an d   C SV  im p o r t,  alg o r ith m - s p ec if ic  tab s   f o r   a n aly s is ,   an d   in teg r ated   r esu lts   co m p a r is o n   u s in g   Da v ies - B o u ld in   a n d   C alin s k i - Har ab asz  p er f o r m an ce   m etr ics,  cr ea tin g   u n if ied   an aly tical  p ip elin f o r   ed u ca tio n al  d ata  m in in g .   Fig u r 3   illu s tr ates   th co m p lete  in ter f ac ar ch ite ctu r an d   w o r k f l o im p lem en tatio n .           Fig u r 3 .   Mu lti - alg o r ith m   cl u s ter in g   an aly s is   p latf o r m   in ter f ac e       4 . 2 .     K - M ea ns   clus t er ing   per f o rm a nce  a na ly s is   T h ap p licatio n   o f   th K - M ea n s   alg o r ith m   r ev ea led   cr it ical  in s ig h ts   in to   s tu d en p er f o r m a n ce   p atter n s ,   d em o n s tr atin g   o p tim al  clu s ter in g   p er f o r m an ce   at  k   3   clu s ter s .   T h is   th r ee - clu s ter   s o lu tio n   r ef lects  co m m o n   e d u ca tio n al  p r ac tices  o f   g r o u p in g   lear n e r s   in to   b eg in n er ,   in ter m ed iate,   an d   a d v an ce d   lev els.  T h e   alg o r ith m ' s   ev alu atio n   m etr ics,  in clu d i n g   a   Dav ies - B o u ld in   i n d ex   ( DB I )   o f   0 . 7 9 2 3   a n d   a   C alin s k i - Har ab asz   i n d ex   ( C HI )   o f   1 3 9 8 ,   in d icate   s u b s tan tial  im p r o v em en ts   in   clu s ter in g   q u ality   co m p a r ed   t o   p r ev io u s   s tu d ies.  No tab ly ,   o u r   k   3   s o lu tio n   ef f ec tiv ely   ad d r ess es  th g r an u lar ity   v er s u s   p r ac ticality   tr ad e - o f f   th at  h as  ch allen g ed   ed u ca tio n al  clu s ter in g   ap p licatio n s ,   p r o v i d in g   s u f f icien d etail  f o r   p er s o n alize d   in ter v en tio n s   wh ile  m ain tain in g   m an ag ea b le  im p lem en tatio n   co m p le x ity .   T h r esu ltin g   clu s ter s   ar v is u ally   r ep r esen ted   in   Fig u r 4 ,   wh ile  th co r r esp o n d in g   ev alu atio n   m etr ics  ar s u m m ar ized   in   th d e d icate d   r es u lts   co m p ar is o n   tab   o f   th in ter f ac e.   Similar   an aly tical  p r o ce d u r es  wer ap p lied   to   all  clu s ter in g   alg o r ith m s   to   en ab le  a   co m p r eh e n s iv p er f o r m a n ce   c o m p ar is o n .     4 . 3 .     Co m pa ra t iv a na ly s is   a nd   cr it ica l int er pret a t io n o f   clus t er ing   re s u lt s   W ev alu ated   f iv e   clu s ter in g   alg o r ith m s s p ec tr al  clu s ter in g ,   K - Me a n s ,   K - Me d o id s ,   Gau s s ian   m ix tu r m o d el  ( GM M) ,   an d   Hier ar ch ical  C lu s ter in g an d   f o u n d   th at  Sp ec tr al  C lu s ter in g   p er f o r m e d   b est   ( Dav ies - B o u ld in   I n d ex :   0 . 7 5 6 9 ,   C alin s k i - Har ab asz  I n d ex :   1 3 2 2 . 4 2 2 ) ,   f o llo wed   clo s ely   b y   K - Me a n s   ( DB I :   0 . 7 9 2 3 ,   C HI 1 3 9 8 . 4 6 2 3 ) .   B o th   d em o n s tr ated   s tr o n g   clu s te r in g   q u ality ,   as  DB I   v alu es  b elo 1 . 0   in d icate   co m p ac an d   well - s ep ar ated   cl u s ter s .   C o m p ar ed   to   [ 4 1 ] ,   wh i ch   r ep o r ted   K - Me an s   DB I   o f   1 . 7 1 ,   o u r   s p ec tr al   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         S tu d en ts   p erfo r ma n ce   clu s teri n g   fo r   fu tu r p ers o n a liz ed   in     ( Gh a lia   Md a g h r i A la o u i )   305   ap p r o ac h   s h o ws  a   5 6 im p r o v em en t,   co n f ir m in g   its   ef f ec tiv en ess   in   ca p tu r i n g   n o n - lin ea r   p atter n s   i n   ed u ca tio n al  d ata.   K - Me d o id s   y ield ed   s lig h tly   h ig h er   v alu es  ( DB I 0 . 8 1 1 5 ,   C HI 1 3 6 3 . 3 1 9 5 ) ,   wh ile  GM M   ac h iev ed   co m p ar ab le   p er f o r m an c ( DB I 0 . 8 0 1 1 ,   C HI 1 3 5 0 . 3 1 4 8 ) .   Hier ar ch ical  C lu s ter in g   p r o d u ce d   th h i g h est  DB I   ( 0 . 8 2 9 7 )   a n d   th lo west  C HI   ( 1 1 8 9 . 2 6 5 7 ) ,   s u g g esti n g   wea k er   s ep ar atio n   b etwe en   clu s ter s .   Ov er all,   s in ce   a   lo wer   DB I   an d   h ig h er   C HI   in d icate   b etter - d ef i n ed   clu s ter s ,   s p ec tr al  clu s ter in g   em er g ed   as   th m o s ef f e ctiv alg o r ith m   f o r   th is   d ataset.   Fig u r 5   p r esen ts   th ev alu atio n   r esu lts   f o r   all  clu s ter in g   alg o r it h m s .           Fig u r 4 .   K - Me a n s   clu s ter in g   v is u aliza tio n   o f   s tu d en p er f o r m an ce   d ata           Fig u r 5 .   C lu s ter in g   e v alu atio n   r esu lts   f o r   th f iv test ed   alg o r ith m s       T h s u p e r io r   p er f o r m an ce   o f   s p ec tr al  cl u s ter in g   r ep r ese n ts   p a r ad ig m   s h if f r o m   tr ad itio n al  d is tan ce - b ased   clu s ter in g   ap p r o ac h es  in   ed u ca tio n al  d ata  m in in g .   W h ile  L iu   et  a l [ 4 8 ]   d em o n s tr ated   th e   ef f ec tiv en ess   o f   K - Me an s   u n d er   o p tim al  c o n d itio n s r ec en s tu d ies  s u g g est  th at   s p ec tr a m eth o d s   u n c o v er   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 :   2 9 7 - 310   306   d ee p er   s tr u ctu r i n   s tu d en d a ta.   Fo r   in s tan ce ,   Qu y   et  a l [ 4 9 ]   r ev iew  th ed u ca tio n al  d at s cien ce   f ield   an d   h ig h lig h t h n ee d   f o r   ad v an c ed   clu s ter in g   m eth o d s   to   en s u r b o th   ac cu r ac y   an d   f air n ess   in   s tu d en p r o f ilin g ,   an d   Yu   et  a l [ 3 6 ]   d e m o n s tr at th at  ad ap tiv f u zz y   s p ec tr al   clu s ter in g   s ig n if ican tly   en h a n ce s   clu s ter   q u ality   o n   c o m p lex   n o n lin ea r   d atasets .   Sp ec tr al  c lu s ter in g ,   with   it s   g r ap h - b ased   s im ilar ity   ap p r o ac h ,   t h u s   en a b les  id en tific atio n   o f   s u b tle  p er f o r m an ce   r elatio n s h ip s   th at  ce n tr o id - b ased   m eth o d s   lik K - Me an s   m ay   m is s .   T h i s   f in d in g   c h allen g es  th p r ev ale n u s o f   K - Me an s   in   ed u ca ti o n al  clu s ter in g   a n d   s u g g ests   th at  th ed u ca tio n al  r esear ch   co m m u n ity   s h o u ld   ad o p t sp ec tr al  m eth o d s   f o r   m o r ac cu r ate  s tu d en t p r o f ilin g .   T h e   4 % im p r o v e m en t   in   DB I   s co r es  ( 0 . 7 5   v s   0 . 7 9 )   m ay   ap p ea r   m o d est,  b u it  r ep r esen ts   s u b s tan tial  p r ac tical  s ig n if ican ce   wh en   ap p lied   to   lar g e - s ca le  ed u c atio n al  s y s tem s   wh er im p r o v ed   cl u s ter in g   ac cu r ac y   d ir ec tly   in f lu e n ce s   p er s o n aliza tio n   ef f ec tiv en ess .     4 . 3 .   Student   clus t er   a s s ig nm ent   a nd   perf o rm a nce  la belin g   T h clu s ter in g   r esu lts   r ev e al  th at  th r ee   d is tin ct  s tu d en g r o u p s   em er g ed   n atu r all y - with o u p r esu p p o s in g   th eir   n u m b er - co n s is ten with   ex p lo r ato r y   ed u c atio n al  r esear ch   in d icatin g   s i m ilar   s tr u ctu r es.  Fo r   in s tan ce ,   W o o d s   et  a l.   [ 5 0 ]   a p p lied   cl u s ter   an aly s is   to   ea r ly   elem en tar y   s tu d en t   d ata  a n d   f o u n d   th at  th r ee   clu s ter s   ( lo w,   av er a g e,   a n d   h i g h   p e r f o r m er s )   r ep r esen ted   m ea n in g f u l   lear n in g   s u b g r o u p s ,   r ath er   th an   r ely in g   o n   ar b itra r y   class if icatio n s .   T h is   ap p r o ac h   alig n s   with   m et h o d o lo g ical  r ec o m m en d atio n s   in   th e   ed u ca tio n al  d ata  m in in g   liter atu r e,   wh er e   s elec tin g   th r ee   clu s ter s   o f ten   b a lan ce s   in ter p r etab ilit y   an d   s tatis tical  v alid ity .   C o n s eq u en tly ,   lab elin g   th r e s u ltin g   g r o u p s   as  ad v a n ce d ,   i n ter m ed iate,   an d   b e g in n er   is   s u p p o r ted   b o th   b y   o u r   em p i r ical  f in d in g s   an d   b y   p r io r   s tu d ies  s u g g esti n g   th at  s tu d en p er f o r m an ce   n atu r ally   o r g an izes   in to   th r ee   lev els.  T h is   class if icatio n   s y s tem   r ef lects  a ctu al  co m p eten cy   tier s   m o r ac cu r ately   th an   co n v en tio n al  g r ad in g   r e g im es.  As  illu s tr ated   in   Fig u r 6 ,   t h th r ee - clu s ter   s tr u ctu r e   p r o v id es  clea r   v is u al   s ep ar atio n   o f   s tu d en g r o u p s ,   r ein f o r cin g   th v alid ity   o f   th is   ca teg o r izatio n   b ased   o n   le ar n in g   p atter n s   an d   p er f o r m an ce   d ata.           Fig u r 6 .   Stu d e n clu s ter   ass ig n m en ts   an d   p er f o r m an ce   class if icatio n   r esu lts       4 . 4 .     Cla s s if ica t io m o del per f o rma nce  a nd   predict iv a cc ura cy   Ou r   class if icatio n   ev alu atio n   u s in g   f iv e   m ac h in e - lear n in g   m o d els  d em o n s tr ates  ex ce p tio n al   p r ed ictiv ca p a b ilit y   th at  s u b s tan tially   s u r p ass es  p r ev io u s   e d u ca tio n al  class if icatio n   s tu d i es.  T ab le  3   d is p lay s   th p er f o r m an ce   m etr ics  o b tai n ed   ac r o s s   th f iv m o d els,  h i g h lig h tin g   t h eir   s tr o n g   a b ilit y   to   p r ed ict  clu s ter - b ased   p er f o r m an ce   lab els with   h ig h   ac c u r ac y   a n d   r eliab ilit y .       T ab le  3 .   Per f o r m an ce   o f   class if icatio n   m o d els in   p r ed ictin g   s tu d en t c lu s ter   lab els   M o d e l     A c c u r a c y       F1 - S c o r e   AUC - R O C   Lo g i s t i c   r e g r e ssi o n     0 . 9 9 0   0 . 9 9 0 0 2 2   0 . 9 9 9 7 5 1   S V M   0 . 9 7 5   0 . 9 7 5 0 2 0   0 . 9 9 9 7 8 7   K N N   0 . 9 7 0   0 . 9 6 9 8 7 8   0 . 9 9 8 7 8 7   R a n d o m f o r e s t     0 . 9 4 5   0 . 9 4 5 0 2 5   0 . 9 9 6 9 9 5   D e c i s i o n   t r e e   0 . 9 4 5   0 . 9 4 4 9 0 9   0 . 9 5 8 7 9 5       T h r esu lts   o f   o u r   s tu d y   d em o n s tr ate  th at  class if icatio n   m o d els  ap p lied   to   th clu s ter   lab el s   ac h iev h ig h   p e r f o r m an ce ,   with   ac cu r ac ies  r an g in g   f r o m   9 4 . 5 f o r   tr ee - b ased   m o d els  ( R an d o m   Fo r est,  Dec is io n   T r ee )   u p   to   9 9 f o r   LR ,   alo n g s id ex ce llen F1 - S co r es  a n d   AUC - R O C   v alu es.  T h ese  o u t co m es  co n f ir m   th e   q u ality   o f   th p r io r   u n s u p er v is ed   clu s ter in g   s tep   an d   th ab ili ty   o f   s u p er v is ed   al g o r ith m s   to   ef f ec tiv ely   p r ed ict  s tu d en t g r o u p s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.