Visual Analytics of Educational Time-Dependent Data

RNDr. Jan Géryk, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

V této disertaci představíme nový webový framework, který integruje pokročilé metody vizualizace vícerozměrných dat a interaktivní zkoumání dat s časovou charakteristikou. Práce přináší přehled používaných přístupů a metod v oboru Visual Analytics (VA) a souvisejících oblastech. Výzkumná oblast VA kombinuje automatizované metody dolování v datech s vizualizací, které jsou užitečné při analýze těchto typů dat. Dále diskutujeme klasifikaci interakčních metod používaných ve VA systémech. Pro přehlednější modelování časově závislých dat využíváme metody Motion Charts (MC), které prezentují změny v datech pomocí animací. Navržený framework kombinuje upravené metody MC, analýzu a vizualizaci trajektorií a automatické metody analýzy za účelem analýzy dat a jejich vztahů s časovou dimenzí. Klade důraz na zkoumání jednotlivých dimenzí a vztahů mezi nimi. Navržené interaktivní prostředí umožňuje analyzovat různé aspekty dat na různých úrovních. Navržené metody umožňují nové přístupy, které není možné provádět klasickými metodami. Užitečnost frameworku demonstrujeme na příkladech aplikace metod při analýze reálných dat získaných z Informačního systému Masarykovy univerzity. Dále jsme provedli experimenty, které srovnávají užitečnost navržených metod s klasickými vizualizačními metodami při analýze časově zavislých dat. Hlavními nevýhodami navržených metod je složitost, která vyžaduje dostatečné uživatelské zkušenosti s analýzou dat obecně a omezená škálovatelnost počtu zkoumaných dimenzí.

Abstract:

In this thesis, we present a novel web-based framework that makes use of visualization methods, which enable us to perform visual analysis of multidimensional data and offer the interactive exploration of data with temporal characteristics. Moreover, the elaborate discussion about the methodology of Visual Analytics (VA) and the related fields provide the basis for the design and development of the methods. Also we discuss the classification of interaction techniques used in VA systems. The time is an important variable that needs to be modeled in VA. Methods like Motion Charts (MC) show the changes over time by presenting animations in the two-dimensional space and by changing the element appearances. The proposed VA framework employs a combination of improved MC methods, trajectory-based visualizations, and automated analytical methods for the purpose of analyzing data elements based on their relations with the time dimension and examining data dynamics. The interactive exploration environment enables analyzing different data characteristics at multiple levels of detail as well as it emphasizes the dimensions and their relations as an important part of the visualization. The proposed approach is also well suited to gain an overview of multidimensional time-dependent data using analytical and visualization methods, interactions, and coordinated and multiple views. New analysis possibilities and insights in the data go beyond the state-of-the-art techniques. We demonstrate the applicability of the approach by means of case studies with real-world data including data originated from the Information System of Masaryk University. We utilized our methods for analyzing how the changes of the mode and the changes of the field of study are related to study progress. Also both user studies and a questionnaire survey with experts were conducted to evaluate the usability of the methods. The main disadvantages of the proposed methods are the complexity of the visual analysis that requires adequate user training and the scalability limited by the number of investigated dimensions.

Keywords

Visualization, Visual Data Mining, Visual Analytics, Animation, Motion Charts, Educational Data

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 2. 2. 2016

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 14. 9. 2016
• Vedoucí: doc. RNDr. Lubomír Popelínský, Ph.D.
• Oponent: doc. Ing. Ján Genči, Ph.D., Assoc. Prof. Alejandra Martínez Monés, Ph.D.

Masarykova univerzita

Fakulta informatiky

Doktorský studijní program / obor:
Informatika (čtyřleté) / Počítačové systémy a technologie