ABSTRACT
Teacher professional development (PD) is critical for instructional improvement, and online micro-credentials provide flexible, work-embedded learning opportunities. Knowledge tracing (KT) can support personalization by modeling knowledge state evolution, but systematic application to adult professional learners remains limited, particularly when interaction logs are multi-dimensional and models must balance predictive performance with interpretability under small-sample constraints. Focusing on mathematics teacher micro-credentials, we propose a multi-feature deep KT framework with built-in temporal interpretability. We organize heterogeneous log-derived features into a progressive six-layer hierarchy and apply mutual information-based selection, which is well-suited for small-sample, feature-rich environments. Our residual-injection Time Interpretation Module (TIM) augments LSTM-based Deep Knowledge Tracing with lightweight temporal encoding and causal self-attention, providing intrinsic interpretability through temporal feature importance analysis. Evaluated on a dataset comprising 154 teachers and 22,988 interactions, results demonstrate that compact core-feature configurations achieve strong predictive performance, while indiscriminate feature addition degrades accuracy due to dimensionality effects. TIM improves both predictive performance and training stability while revealing interpretable temporal dynamics distinctive to adult professional learners. The framework offers systematic guidance for KT-based support in resource-constrained professional learning contexts.
Keywords
1. INTRODUCTION
Teacher professional development (PD) is widely viewed as a high-leverage route to improving instruction and student outcomes [29, 6]. Contemporary PD increasingly emphasizes personalization, work-embedded learning, and competency-oriented certification through micro-credentials that enable modular, flexible asynchronous participation [7, 22]. A central goal is strengthening Pedagogical Content Knowledge (PCK) in authentic instructional contexts [3].
Knowledge Tracing (KT) offers data-driven modeling of knowledge state evolution and can underpin adaptive support systems [5, 25]. The field has progressed from Bayesian Knowledge Tracing (BKT) and Performance Factors Analysis (PFA) [24] to LSTM-based Deep Knowledge Tracing (DKT) [25] and attention-augmented architectures [30, 23, 21]. Recent advances have further enhanced KT through multi-time series feature integration [13] and option-level tracing for mathematics assessment [15]. LSTM-based models combined with attention mechanisms represent well-established approaches for capturing temporal dependencies in learner sequences [1]. However, systematic application to adult professional learners remains limited, particularly in asynchronous micro-credential settings where learning rhythms, communicative patterns, and constraints differ substantially from traditional educational environments [19].
Teachers, as adult learners, exhibit autonomy, experience-based reasoning, and problem-centered learning consistent with andragogy [9]. Their professional learning involves complex instructional judgments and deep PCK integration [20]. Using data from a mathematics teacher micro-credential program, we observe distinctive properties: highly concentrated sessions, notably high item difficulty (overall accuracy 33.37%), and substantial variation in skill mastery across 12 teaching dimensions. These characteristics suggest that systematic feature engineering and temporal modeling are particularly important in this context.
Methodologically, teacher PD platforms generate multi-dimensional logs encompassing behavioral, temporal, and performance signals, yet feature processing in existing KT work is often ad hoc [11]. Small-sample, feature-rich settings amplify overfitting risks and dimensionality issues. Additionally, many deep KT models lack intrinsic interpretability for temporal dynamics [1], limiting their utility in professional learning contexts where stakeholders need to understand prediction mechanisms.
We address two research questions that systematically tackle these challenges:
RQ1: How do different log-derived features, organized via a progressive hierarchy and selected through mutual information, affect KT predictive performance in a small-sample professional learning setting?
RQ2: How can a lightweight, residual-injected temporal module enhance LSTM-based DKT performance while providing interpretable temporal dynamics?
2. RELATED WORK
2.1 Knowledge Tracing and Temporal Modeling
KT has evolved from BKT’s Hidden Markov Models [5] and PFA’s logistic regression with engineered predictors [24] to DKT’s recurrent sequence modeling [25]. LSTM-based architectures combined with attention mechanisms are well-established for capturing temporal dynamics in learner modeling [30, 23, 21, 1]. Models such as Dynamic Key-Value Memory Networks (DKVMN) have introduced structured memory mechanisms that provide specific levels of interpretability [21]. Temporal modeling and forgetting effects remain active areas of development [4].
Despite these advances, most KT evidence derives from student learning contexts. Teachers as adult learners follow andragogy principles including self-direction and experience integration, implying KT models must accommodate higher-order cognitive processes distinct from student content learning. Micro-credentials further amplify these differences through competency-oriented certification and asynchronous pacing [22].
2.2 Multi-Feature Integration and Interpretability
As learning platforms expand, KT research increasingly integrates process data such as response time, hints, and navigation paths to improve prediction [1, 17, 2]. Parallel developments in mathematics education have demonstrated the value of multimodal features for automated feedback [12] and collaborative filtering approaches for automatic scoring [16]. However, several methodological challenges persist: feature construction for heterogeneous logs remains largely unstructured, with limited systematic use of nonlinear dependency metrics such as mutual information [10]; temporal features are often incorporated via simple concatenation, which struggles to capture complex sequential effects [4]; and model interpretability typically relies on post-hoc tools such as SHAP or LIME [18, 27], making it difficult to isolate the role of specific temporal features [28].
3. METHOD
We model teacher learning as sequence \(\set {S} = \{(s_t, q_t, r_t)\}_{t=1}^T\), where \(s_t\) denotes skill ID
(\(K=12\)), \(q_t\) question ID (\(Q=127\)), and \(r_t \in \{0,1\}\) binary response. The prediction goal is
\(p_t = P(r_t=1 \mid \set {S}_{
3.1 Platform Context and Dataset Construction
The data originates from an asynchronous mathematics teacher micro-credential platform deployed in the southeastern United States (September 2024–February 2025). The platform supports practicing educators working toward competency-based certification through modular courses. Assessment items consist of complex pedagogical judgment tasks where teachers analyze authentic classroom scenarios and identify specific instructional strategies such as revoicing, fostering reasoning, and leveraging student errors. These higher-order tasks target PCK integration, which accounts for the dataset’s notably low overall accuracy and substantial cross-skill variation.
We align four heterogeneous data sources at teacher and course
levels: assessment response records, content learning progress,
platform interaction logs, and course metadata. The learning
environment follows a standard dashboard-content-assessment
workflow where teachers access materials, attempt items, and
receive feedback within an integrated web platform. All data
were de-identified prior to analysis under institutional data
agreements and ethics review protocols. Preprocessing follows
three rigorous principles: features with \(>70\%\) missingness are dropped
to limit imputation bias; response-time outliers (\(<1\)s or \(>3600\)s)
are removed; and strict temporal ordering is enforced via
cumulative time_since_last_attempt to prevent future
leakage.
Dataset Summary: The final dataset comprises 22,988 valid interaction records from 154 teachers, covering 127 items across 12 skills, with overall accuracy 33.37% and average sequence length \(149.3 \pm 30.2\) items per teacher. Temporal characteristics reflect concentrated adult learning behavior: 99.84% of consecutive responses occur within sessions (\(<6\) minutes apart), while long intervals (\(>1\) week) account for only 0.14% of transitions.
3.2 Training Protocol and Statistical Rigor
Given the relatively small teacher cohort (154 teachers) paired with high interaction volume (22,988 records), teacher-level generalization is the primary evaluation concern. We apply teacher-level stratified splits with complete isolation: Training (107 teachers, 16,065 records, 69.9%), Validation (23 teachers, 3,538 records, 15.4%), Test (24 teachers, 3,385 records, 14.7%). This ensures evaluation reflects true generalization to unseen teachers.
Optimization uses Adam (\(\beta _1=0.9\), \(\beta _2=0.999\), lr=0.001) with class weights (pos_weight=1.99) to address class imbalance, label smoothing (\(\epsilon =0.02\)), gradient clipping (max_norm=0.8), and early stopping (patience=5). To ensure robust statistical reporting, each configuration runs with 5 independent random seeds (42–46), with results reported as empirical mean \(\pm \) standard deviation. We use variance reduction across seeds as the primary stability indicator, which provides reliable evidence of model improvements under deep learning initialization variability.
3.3 Progressive Feature Engineering (RQ1)
We organize features into a six-layer hierarchy from core to contextual, enabling controlled evaluation of each feature group’s contribution under small-sample constraints (Table 1). This design systematically addresses the practical question of which feature subsets offer optimal performance-cost tradeoffs for deployment.
| Layer | Category | Variables & Description | No. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Full configuration: L1(1)+L2(4)+L3(2)+L4(7)+L5(5)=19 total features. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
\(\set {L}_1\) Core (L1_Baseline)
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| Skill | skill_id: 12 categories, 32-dim
embeddings | 1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
\(\set {L}_2\) Performance History
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| History | cumulative_accuracy, rolling_
accuracy_10, skill_accuracy, t
eacher_ability | 4 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
\(\set {L}_3\) Difficulty Parameters
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| Difficulty | item_difficulty, skill_diffic
ulty | 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
\(\set {L}_4\) Temporal Features
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| Temporal | time_since_last_attempt, hour
_of_day, day_of_week, is_weekd
ay, response_time_seconds, res
ponse_time_log, response_time
_zscore | 7 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
\(\set {L}_5\) Behavioral Features
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| Behavioral | total_learning_time, total_vi
sits, avg_time_per_visit, ques
tions_per_hour, total_attempt
s_by_user | 5 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
MI Selection (MI_TopK)
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| Selection | Top-\(K\) by mutual information (\(K\)=5,10,15) | 6,11,16 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Mutual information \(I(f; r) = \sum _{f,r} p(f,r) \log \frac {p(f,r)}{p(f)p(r)}\) is computed via k-nearest-neighbor estimation [10], ranking 18 non-core features to construct MI_Top5/10/15 configurations. This nonlinear dependency metric is particularly effective for capturing complex feature-response relationships in small-sample, feature-rich settings where linear correlation may underestimate feature relevance.
3.4 LSTM-based DKT with Time Interpretation Module (RQ2)
The base DKT concatenates skill embedding \(\vect {e}_s(s_t) \in \R ^{32}\), answer embedding \(\vect {e}_a(r_{t-1}) \in \R ^{16}\), and auxiliary features \(\vect {f}_t\) into input \(\vect {x}_t\). A 2-layer LSTM (hidden size 64, dropout 0.3) encodes \(\vect {h}_t = \text {LSTM}(\vect {x}_t, \vect {h}_{t-1})\), with prediction \(p_t=\sigma (\vect {w}^\top \vect {h}_t+b)\).
Time Interpretation Module (TIM) extends the base DKT with temporal interpretability via residual injection, comprising four components: (1) Temporal encoder: a 2-layer MLP with LayerNorm maps raw temporal features \(\vect {\tau }_t \in \R ^7\) to compact encoding \(\vect {z}_t \in \R ^{16}\); (2) Causal self-attention [28] with scaling factor \(\sqrt {16}\) captures temporal dependencies across sequence steps; (3) Gradient-based feature importance estimation provides step-level interpretability of temporal feature contributions; (4) Residual gated fusion: \(\tilde {\vect {c}}_t = \alpha \cdot \vect {c}_t\), \(\vect {g}_t = \sigma (\mat {W}_g [\vect {h}_t; \tilde {\vect {c}}_t] + \vect {b}_g)\), \(\vect {h}'_t = \text {LayerNorm}(\vect {h}_t + \vect {g}_t \odot \tilde {\vect {c}}_t)\). The gating mechanism adaptively controls temporal signal contribution, providing stable integration while preserving baseline DKT representational capacity.
4. RESULTS
4.1 RQ1: Progressive Feature Integration and Performance
Mutual information ranking reveals the strongest individual
associations with correctness: skill_accuracy (MI=0.064), ite
m_difficulty (0.030), and cumulative_accuracy (0.028).
Temporal features show lower individual MI values, indicating
their contribution depends on sequential relational modeling.
| Configuration | Feat. | AUC | F1 | Acc. |
|---|---|---|---|---|
| BKT (Baseline) | 1 | \(0.445 \pm 0.000\) | \(0.122 \pm 0.000\) | \(66.5\%\) |
| PFA (Full) | 19 | \(0.769 \pm 0.000\) | \(0.508 \pm 0.000\) | \(73.4\%\) |
| DKT (Full) | 19 | \(0.777 \pm 0.008\) | \(0.610 \pm 0.004\) | \(67.5\%\) |
| DKT (MI_Top15) | 16 | \(0.894 \pm 0.011\) | \(0.749 \pm 0.016\) | \(83.0\%\) |
| DKT (MI_Top5) | 6 | \(0.894 \pm 0.006\) | \(0.750 \pm 0.012\) | \(82.9\%\) |
| DKT (L1_Baseline) | 1 | \(\mathbf {0.896 \pm 0.004}\) | \(\mathbf {0.752 \pm 0.003}\) | \(\mathbf {83.0\%}\) |
Three systematic patterns emerge from Table 2. First, core-feature sufficiency: L1_Baseline achieves optimal AUC (0.896), reflecting the strong predictive signal embedded in the inherent difficulty hierarchy across the 12 PCK skills, which LSTM captures efficiently from skill identity alone. Second, dimensionality effects: DKT (Full) with all 19 features drops to AUC=0.777, comparable to PFA, demonstrating that adding noisy features without selection introduces overfitting in this small-sample setting. Third, selection effectiveness: MI_Top5 (6 features) nearly matches the skill-only ceiling while outperforming the full feature set by 15.1% in AUC, confirming that principled mutual-information selection recovers predictive value lost to dimensionality.
4.2 RQ2: TIM Architecture and Temporal Interpretability
Since L1_Baseline contains only skill identity and cannot evaluate temporal modeling, we use DKT (MI_Top15) as the ablation baseline, as it includes all 7 temporal features while maintaining competitive performance.
| Configuration | AUC | F1 | Std Change |
|---|---|---|---|
| TIM w/o attention | \(0.821 \pm 0.021\) | \(0.657 \pm 0.027\) | \(+91\%\) |
| DKT (baseline) | \(0.894 \pm 0.011\) | \(0.749 \pm 0.016\) | ref |
| TIM w/o importance | \(0.921 \pm 0.009\) | \(0.801 \pm 0.022\) | \(-18\%\) |
| TIM (complete) | \(\mathbf {0.925 \pm 0.002}\) | \(\mathbf {0.805 \pm 0.005}\) | \(\mathbf {-82\%}\) |
Three significant findings emerge from Table 3. First, robust temporal integration: Complete TIM improves AUC to 0.925 (\(+3.1\) points over baseline) while reducing standard deviation by 82%, surpassing the skill-only ceiling (0.896) and confirming that temporal features carry genuine predictive value when modeled via gated residual fusion. Second, attention criticality: Removing causal self-attention causes severe degradation (AUC=0.821, std \(+91\%\)), demonstrating that temporal features require relational modeling across sequence steps to contribute reliably. Third, importance estimation: Removing this component yields modest performance decline, confirming it primarily serves interpretability with limited direct predictive impact.
Temporal feature importance: TIM assigns highest importance
to time-arrangement features: day_of_week (\(0.193 \pm 0.103\)), hour_of_day (\(0.187 \pm 0.082\)),
and is_weekday (\(0.171 \pm 0.078\)), while spacing intervals such as tim
e_since_last_attempt (\(0.156 \pm 0.059\)) receive comparatively lower
weights. Attention distributions show stable 77% weight
assigned to distant history (\(\geq 5\) steps, std=0.000), indicating
consistent reliance on accumulated experience over recent
fluctuations, consistent with schema-based reasoning in adult
learners.
5. DISCUSSION
5.1 Systematic Synthesis of Findings
The two research questions together reveal a coherent understanding of teacher KT in micro-credential settings. For RQ1, the strong performance of compact feature sets reflects the structured difficulty hierarchy inherent in PCK assessments: skill identity alone encodes substantial predictive signal, and adding heterogeneous features without principled selection introduces more noise than value in small-sample conditions. The mutual information selection approach effectively recovers this signal by retaining performance-relevant features while discarding redundant ones.
For RQ2, TIM’s improvements demonstrate that temporal features carry genuine predictive value, but only when modeled with appropriate sequential structure. The gated residual design provides a stable integration pathway that incorporates temporal context when informative and attenuates it when weak, enabling reliable performance gains across random seeds. The temporal importance analysis reveals that scheduling context (when teachers engage) is more informative than spacing intervals (how long between sessions), suggesting that adult learners’ within-day engagement patterns carry meaningful predictive signal in concentrated learning settings.
5.2 Practical Implications for Professional Development
These findings offer systematic guidance for deploying KT in professional learning contexts. The MI_Top5 configuration achieves near-optimal performance with only 6 features, providing a favorable performance-cost tradeoff for resource-constrained platforms. TIM’s residual gating provides robustness to variable temporal signal quality across teachers, making it suitable for heterogeneous adult learner populations. Platform designers may prioritize logging scheduling context (time of day, day of week) as high-value signals for future KT integration, while recognizing that skill-based features provide the strongest foundational predictive capacity. To illustrate pedagogical applications, consider a teacher whose TIM-predicted mastery probability in "leveraging student errors" remains below 0.4 despite progress in other PCK dimensions. The model’s temporal importance analysis reveals this teacher typically attempts related items late at night with inconsistent engagement patterns. A PD dashboard could surface this insight by highlighting the lagging skill, visualizing predicted trajectories, and recommending targeted micro-lessons scheduled during time windows when the model estimates higher success probability for this individual teacher. Additionally, content-level adaptations such as readability optimization of mathematical materials can further enhance learner engagement [14].
5.3 Limitations and Future Directions
This study has several constraints that define important directions for future work. First, the dataset derives from a single mathematics micro-credential program, and generalizability to other subject domains or PD modalities requires further validation. Second, our analyses rely on structured interaction logs and do not incorporate richer modalities such as open-ended responses or classroom artifacts, which could deepen pedagogical insight.
Third, the current framework treats the 12 PCK dimensions as distinct tracks, whereas in complex professional development, these instructional strategies (e.g., fostering reasoning vs. leveraging student errors) likely interact dynamically. Exploring how mastery of one specific pedagogical skill sequentially influences the acquisition of another—perhaps through network analysis techniques—could provide deeper understanding of how these competencies co-evolve. Fourth, while TIM provides model-level temporal interpretability, validation with practicing teachers is needed to assess how these model-derived explanations align with teachers’ subjective experiences.
Finally, although we establish clear baselines against BKT, PFA, and standard DKT, comparison with more contemporary attention-based models such as SAKT or AKT would make the performance claims significantly more compelling. The current small-sample constraint (154 teachers) poses practical challenges for training data-intensive transformer architectures; extending these models to accommodate multi-dimensional temporal features [26] with robust optimization strategies [8] under such constraints represents a promising direction for future work.
6. CONCLUSION
This study presents a systematic multi-feature KT framework with intrinsic temporal interpretability for mathematics teacher micro-credentials. A six-layer progressive feature hierarchy with mutual information selection addresses the small-sample, feature-rich challenge, demonstrating that compact MI-selected configurations outperform full feature sets by recovering predictive value lost to dimensionality. A residual-injection Time Interpretation Module extends LSTM-based DKT with stable temporal fusion and gradient-based importance analysis, improving AUC by 3.1 points while reducing training variance by 82%. Temporal analysis reveals that scheduling context and accumulated experience are primary predictive signals in this concentrated adult learning setting. The framework provides a reusable, principled approach to KT-based support for teacher professional development that balances predictive performance with interpretability requirements.
7. ACKNOWLEDGMENTS
The research reported here was supported by AIMS EduData through the Gates Foundation, the Lastinger Center for Learning at the University of Florida, and the One-U Responsible AI Faculty Fellowship at the University of Utah. The views expressed are those of the authors and do not necessarily reflect those of the funders or the University of Utah.
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