數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究

劉志嫵

(沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110159)

隨著海量數(shù)據(jù)收集、強(qiáng)大的多處理器計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)挖掘算法三種基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展成熟，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在商業(yè)及電子商務(wù)應(yīng)用中已經(jīng)大量投入使用。目前隨著高等教育改革的不斷深入，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)正在向該領(lǐng)域發(fā)展。

高等教育的重點(diǎn)是提高教育質(zhì)量，為社會(huì)培養(yǎng)具有綜合素質(zhì)的復(fù)合型人才。而提高學(xué)生成績(jī)是衡量教學(xué)質(zhì)量的主要依據(jù)之一，也是評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度的重要標(biāo)志之一，因此，通過(guò)對(duì)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，可以為教學(xué)管理者深化教學(xué)改革，合理安排教學(xué)計(jì)劃，提高教學(xué)質(zhì)量提供重要依據(jù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)雖然可以高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入、查詢和統(tǒng)計(jì)的功能，但卻無(wú)法發(fā)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)中隱藏的關(guān)系和規(guī)則。而采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可以從海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱藏的知識(shí)和規(guī)律。

各學(xué)校多年來(lái)積累了大量的學(xué)生成績(jī)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于成績(jī)預(yù)測(cè)分析，可以對(duì)其進(jìn)行全面分析，找到潛在的影響學(xué)生成績(jī)的因素，使教學(xué)管理者可以得到許多有價(jià)值的信息和知識(shí)，并利用其提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)管理水平。

目前數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用在逐漸增多，例如將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)用于學(xué)生綜合排名的分析［1］，有的用于試卷分析［2］，也有用于學(xué)生的文理分科的分析［3］。

本文主要研究用數(shù)據(jù)挖掘中的決策樹(shù)算法，對(duì)學(xué)校的學(xué)生成績(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，建立學(xué)生成績(jī)的預(yù)測(cè)分析模型及分類規(guī)則，力求找到基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課之間潛在的聯(lián)系，并用實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

1 決策樹(shù)C4.5算法

1.1 決策樹(shù)方法

決策樹(shù)方法是利用信息論中的互信息(信息增益)尋找數(shù)據(jù)庫(kù)中具有最大信息量的屬性字段，建立決策樹(shù)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，再根據(jù)該屬性字段的不同取值建立樹(shù)的分支。每個(gè)分支子集中重復(fù)建立樹(shù)的下層結(jié)點(diǎn)和分支的過(guò)程［4］。采用決策樹(shù)，可以將數(shù)據(jù)規(guī)則可視化，不需要長(zhǎng)時(shí)間的構(gòu)造過(guò)程，實(shí)際應(yīng)用中的決策樹(shù)可能很復(fù)雜，但每一條從根結(jié)點(diǎn)到葉結(jié)點(diǎn)的路徑的含義仍然是可以理解的。決策樹(shù)的這種易于理解性，對(duì)于數(shù)據(jù)挖掘的使用者來(lái)說(shuō)是一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，因此決策樹(shù)方法在知識(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛。

決策樹(shù)是通過(guò)一系列規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。該方法的思路就是從訓(xùn)練集數(shù)據(jù)中，自動(dòng)地構(gòu)造決策樹(shù)，從而可以根據(jù)這個(gè)決策樹(shù)對(duì)任意實(shí)例進(jìn)行判定。決策樹(shù)可分為分類樹(shù)和回歸樹(shù)兩種，分類樹(shù)對(duì)離散變量做決策樹(shù)，而回歸樹(shù)是對(duì)連續(xù)變量做決策樹(shù)。決策樹(shù)算法的核心是確定分支準(zhǔn)則，即如何從眾多的屬性中選擇一個(gè)最佳的分支屬性。

最早的決策樹(shù)算法是由Hunt等人［5］于1966年提出的概念學(xué)習(xí)系統(tǒng)CLS(Concept Learn System)，CLS的不足之處是它處理的問(wèn)題不能太大，為此Quinlan于1986年提出了ID3算法，ID3只能處理離散型描述屬性，Quinlan于1993年又提出了能處理連續(xù)屬性的C4.5算法。C4.5算法是ID3的改進(jìn)算法，不僅可以處理離散型描述屬性，還能處理連續(xù)型描述屬性［5］。本文根據(jù)需求確定分析目標(biāo)，采用C4.5算法建立決策樹(shù)分析模型和分類規(guī)則，很好地對(duì)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

1.2 決策樹(shù)C4.5算法

決策樹(shù)C4.5算法用信息增益比作為選擇根結(jié)點(diǎn)和各內(nèi)部結(jié)點(diǎn)中分支屬性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，克服了ID3算法使用信息增益選擇屬性時(shí)偏向于取值較多的屬性的不足。其處理數(shù)據(jù)的過(guò)程如下。

1)元數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過(guò)ETL將所有的元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，如果元數(shù)據(jù)是連續(xù)型，則應(yīng)離散化處理。

2)算每個(gè)屬性的信息增益和信息增益率計(jì)算過(guò)程如下:

(1)計(jì)算每個(gè)訓(xùn)練集分類信息的期望值

設(shè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集為T(mén)，在T中類別標(biāo)識(shí)屬性有m個(gè)獨(dú)立的取值，即定義了m個(gè)分類Ci，i=1，2，3，...，m，Ri為數(shù)據(jù)集 T 中屬于 Ci類的子集，ri是Ri中元組的數(shù)量，則T在分類中的期望信息量可由式(1)計(jì)算。

(2)計(jì)算屬性A的信息熵

假設(shè)屬性A具有n個(gè)不同的取值{a1，a2，…，an}，則通過(guò)屬性A的取值將數(shù)據(jù)集T劃分為n個(gè)子集，其中Tj表示在數(shù)據(jù)集T中屬性A的取值為aj(j=1，2，…，n)的子集，如果 A 被選為決策屬性，則這些子集將對(duì)應(yīng)該結(jié)點(diǎn)的不同分支。

用 Tij表示 Tj子集中屬于 Ci(i=1，2，3，…，m)類的元組數(shù)，則屬性A對(duì)于分類Ci的熵可由式(2)計(jì)算。

屬性A的每個(gè)取值對(duì)分類Ci的期望信息量計(jì)算如下:

(3)計(jì)算屬性A的信息增益

屬性A為分類提供的信息量就是屬性A的信息增益，由式(4)計(jì)算:

(4)計(jì)算信息增益率

信息增益率定義如下:

必須用式(5)對(duì)每個(gè)屬性(A，B，C，…)計(jì)算增益率。

3)構(gòu)造決策樹(shù)

信息增益率是選擇決策樹(shù)分裂屬性的基礎(chǔ)，擁有最大增益率的屬性將被選擇作為決策樹(shù)的分支屬性。將要構(gòu)建決策樹(shù)的訓(xùn)練集T，按照計(jì)算的增益率劃分成n個(gè)子集。如果第i個(gè)子集Ti中所有的元組類別相同，該節(jié)點(diǎn)將成為決策樹(shù)的葉結(jié)點(diǎn)，并停止分裂。訓(xùn)練集T中不符合上述條件的其它子集將繼續(xù)遞歸分割構(gòu)造樹(shù)的分支，直到所有的子集中的元組屬于同一類別。生成決策樹(shù)后，可以從樹(shù)中提取規(guī)則，用于對(duì)新的數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類。

2 實(shí)例分析

2.1 學(xué)生成績(jī)的元數(shù)據(jù)

以學(xué)校的工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生一些課程成績(jī)數(shù)據(jù)為例，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘分析，找到各科成績(jī)的內(nèi)在聯(lián)系，從而有的放矢，提高學(xué)生的整體學(xué)習(xí)質(zhì)量。學(xué)生成績(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)包含學(xué)生序號(hào)(SNO)，和某些主要課程的分?jǐn)?shù)。例如:電工基礎(chǔ)(記為FEE)、電機(jī)與拖動(dòng)(記為EMD)、自動(dòng)控制原理(記為ACP)，自動(dòng)控制系統(tǒng)(記為ACS)和高等數(shù)學(xué)(記為HM)，部分?jǐn)?shù)據(jù)列于表1。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了便于進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化，將小于60分的成績(jī)用0表示，大于等于60分的成績(jī)用1表示，結(jié)果將表1轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)據(jù)只有0和1的表。

從所有學(xué)生數(shù)據(jù)中抽樣作為數(shù)據(jù)訓(xùn)練集，共有210條記錄。其中各科及格人數(shù)和不及格人數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表1 學(xué)生成績(jī)表 分?jǐn)?shù)

表2 各門(mén)課成績(jī)統(tǒng)計(jì) 人數(shù)

2.3 用C4.5算法構(gòu)造決策樹(shù)

表2顯示了樣本訓(xùn)練集中，含有基于課程的五個(gè)分類，在每個(gè)類別中，根據(jù)成績(jī)的及格與否將學(xué)生人數(shù)分為兩個(gè)子集。

課程ACS(自動(dòng)控制系統(tǒng))被選為類別標(biāo)識(shí)屬性，其余課程作為決策屬性集。構(gòu)造決策樹(shù)的目的是發(fā)現(xiàn)課程ACS(自動(dòng)控制系統(tǒng))與其它課程的內(nèi)在聯(lián)系。

訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中包含210個(gè)元組，其中ACS(自動(dòng)控制系統(tǒng))所對(duì)應(yīng)的子集中的元組數(shù)為:及格人數(shù)r1=137，不及格人數(shù)r2=73。

為了計(jì)算每個(gè)決策屬性的信息增益，首先要計(jì)算課程ACS(自動(dòng)控制系統(tǒng))的期望信息量如下:

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)，其它作為決策屬性的任一課程與標(biāo)識(shí)屬性課程ACS的成績(jī)搭配情況，例如課程HM(高等數(shù)學(xué))成績(jī)及格(為1)且課程ACS(自動(dòng)控制系統(tǒng))成績(jī)也及格(為1)的人數(shù)為110人，HM(高等數(shù)學(xué))成績(jī)及格(為1)且ACS(自動(dòng)控制系統(tǒng))成績(jī)不及格(為0)的人數(shù)為52人，HM成績(jī)不及格(為0)且ACS成績(jī)及格(為1)的人數(shù)為27人，HM 成績(jī)不及格(為0)且ACS成績(jī)也不及格(為0)的人數(shù)為21人。其它課程成績(jī)與課程ACS的成績(jī)搭配情況，列于表3。而其它任兩門(mén)課程成績(jī)與標(biāo)識(shí)屬性課程ACS的成績(jī)搭配情況列于表4。其中只列出EMD(電機(jī)與拖動(dòng))和FEE(電工基礎(chǔ))兩門(mén)課成績(jī)與ACS成績(jī)的搭配情況。

表3 兩門(mén)課程的成績(jī)搭配情況

表4 三門(mén)課程的成績(jī)搭配情況

按式(4)，得決策屬性HM的信息增益為

按式(5)，可得決策屬性HM的信息增益率為

用同樣的方法，可以對(duì)其它決策屬性進(jìn)行信息增益和信息增益率的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果列于表5。

表5 各門(mén)課程的信息增益和信息增益率

由表5結(jié)果可知，決策屬性FEE(電工基礎(chǔ))的信息增益率最大，因此將該屬性選作決策樹(shù)的根結(jié)點(diǎn)，并且因?yàn)镕EE屬性只有兩種取值:0(不及格)和1(及格)，所以，從該結(jié)點(diǎn)可以分裂出兩個(gè)分支:一支為不及格(記為:分支0)，另一支為及格的(記為:分支1)。由表3搭配4的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，F(xiàn)EE和ACS都及格的人數(shù)為108人，占FEE及格人數(shù)(125人，參見(jiàn)表2)的比例為

108/125=0.864

它表示分支1的估計(jì)準(zhǔn)確率為86.4%，滿足設(shè)置的80% 的標(biāo)準(zhǔn)，因此分支1可以停止分裂。

在分支0中，F(xiàn)EE不及格人數(shù)為85人(見(jiàn)表2)，F(xiàn)EE和ACS都不及格的人數(shù)為60人，準(zhǔn)確率為70.59%，不滿足要求，因此需要進(jìn)一步分裂。

為確定下一個(gè)分支結(jié)點(diǎn)，用上述方法計(jì)算除根結(jié)點(diǎn)之外的另三個(gè)屬性的信息增益率，結(jié)果顯示，屬性EMD具有最大的信息增益率，因此它被選擇為根結(jié)點(diǎn)的分支0的下一個(gè)分支結(jié)點(diǎn)。

面對(duì)種種似是而非的說(shuō)法，很多人無(wú)法弄清真相。應(yīng)該說(shuō)，這不是老師們的問(wèn)題。因?yàn)檎Z(yǔ)文本色教學(xué)，不管怎樣系統(tǒng)全面，不管怎樣立足實(shí)際，它還只是一個(gè)教學(xué)主張，而不是具體的教學(xué)方法。為了推動(dòng)語(yǔ)文課程改革的深入，也為了更好地滿足教師實(shí)踐本色語(yǔ)文教學(xué)主張的需要，我們必須總結(jié)出能體現(xiàn)語(yǔ)文本色教學(xué)主張的教學(xué)方法。

同樣屬性EMD也有兩個(gè)取值0和1，所以也分裂為分支1和分支0。由表4可以看到，在FEE和EMD都不及格的學(xué)生中，有18人ACS成績(jī)不及格，有3人ACS成績(jī)及格，所以在EMD的分支0上，ACS不及格的估計(jì)準(zhǔn)確率為 18/21=85.7%。分支0滿足預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，可以停止分裂。

在表3中也可以看到，在FEE不及格且EMD及格的學(xué)生中，有52人ACS成績(jī)及格，12人不及格，因此在EMD結(jié)點(diǎn)的分支1上，ACS及格的估計(jì)準(zhǔn)確率為:52/64=81.3%，分支1滿足預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，也可以停止分裂。則所構(gòu)造的決策樹(shù)如圖1所示。

圖1 學(xué)生成績(jī)決策樹(shù)

圖1中，結(jié)點(diǎn)X為電工基礎(chǔ)(FEE)，結(jié)點(diǎn)Y為電機(jī)與拖動(dòng)(EMD)，結(jié)點(diǎn) Z1為自動(dòng)控制系統(tǒng)(ACS)及格，結(jié)點(diǎn)Z0為自動(dòng)控制系統(tǒng)(ACS)不及格。

2.4 分類規(guī)則描述

決策樹(shù)算法的主要優(yōu)勢(shì)就是可以用來(lái)直接抽取分類規(guī)則。對(duì)于圖1的決策樹(shù)從根結(jié)點(diǎn)到每個(gè)葉結(jié)點(diǎn)的路徑用IF…THEN的形式描述分類規(guī)則。這里僅以ACS屬性提取的分類規(guī)則描述如下:

IF電工基礎(chǔ)成績(jī)及格THEN自動(dòng)控制系統(tǒng)成績(jī)通常也及格，準(zhǔn)確率為86.4%，學(xué)生人數(shù)的覆蓋率為125/210=59.5%。

IF電工基礎(chǔ)成績(jī)不及格 并且電機(jī)與拖動(dòng)成績(jī)也不及格THEN自動(dòng)控制系統(tǒng)成績(jī)通常不及格，準(zhǔn)確率為85.7%，學(xué)生人數(shù)的覆蓋率為21/210=10%。

IF電工基礎(chǔ)成績(jī)不及格，但電機(jī)與拖動(dòng)成績(jī)及格THEN自動(dòng)控制系統(tǒng)成績(jī)一般及格，準(zhǔn)確率為81.25%，學(xué)生人數(shù)的覆蓋率為64/210=30.5%。

因此，可以得出結(jié)論:學(xué)生的電工基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的情況會(huì)嚴(yán)重影響到專業(yè)課自動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)效果。學(xué)生的電機(jī)與拖動(dòng)課程學(xué)習(xí)的情況也會(huì)影響到專業(yè)課自動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)效果。因此，要使學(xué)生學(xué)好專業(yè)課自動(dòng)控制系統(tǒng)，必須重視電工基礎(chǔ)課程教學(xué)效果。那些電工基礎(chǔ)課不及格的學(xué)生，必須重視電機(jī)與拖動(dòng)課程的學(xué)習(xí)，才能在自動(dòng)控制系統(tǒng)課程上取得好成績(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用決策樹(shù)C4.5算法，對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課成績(jī)進(jìn)行分析，提出了提高學(xué)生的自動(dòng)控制系統(tǒng)專業(yè)課程成績(jī)的決策樹(shù)模型，從而有助于教師有針對(duì)性的開(kāi)展教學(xué)改革，提高授課質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)用該算法，構(gòu)造的決策樹(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分類基本正確。本文是使用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在教學(xué)管理領(lǐng)域的一個(gè)嘗試，仍有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和探索。

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