C4.5算法在提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果中的應(yīng)用

苗維誠(chéng)

（蚌埠醫(yī)學(xué)院 數(shù)理教研室，安徽 蚌埠 233030）

C4.5算法在提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果中的應(yīng)用

苗維誠(chéng)

（蚌埠醫(yī)學(xué)院 數(shù)理教研室，安徽 蚌埠 233030）

針對(duì)醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行了問卷調(diào)查，應(yīng)用決策樹C4.5算法對(duì)問卷的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響教學(xué)效果的關(guān)鍵因素、建立決策樹模型，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革提供思路和參考.

物理實(shí)驗(yàn)；問卷調(diào)查；數(shù)據(jù)挖掘；教學(xué)改革

蚌埠醫(yī)學(xué)院開設(shè)醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，每年實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)1000余學(xué)時(shí).為了切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平和科學(xué)素養(yǎng)，將C4.5算法應(yīng)用在提高醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的研究中，為教學(xué)改革提供參考[1].

1 C4.5決策樹算法公式定義

設(shè)D是類標(biāo)記元組訓(xùn)練集，類標(biāo)號(hào)屬性具有m個(gè)不同值，m 個(gè)不同類 C（i=1，2，…，m），CiD 是 D 中 C 類的元組的集合，|D|和|CiD|分別是D和CD中的元組個(gè)數(shù).對(duì)D中的元組分類所需的期望信息記為Info（D），也叫作D的熵，公式為：

假定按照屬性A劃分D中的元組，且屬性A將D劃分成v個(gè)不同的類，還需要計(jì)算D關(guān)于屬性A的熵EntropyA(D).

原來的信息需求與新需求之間的差定義為信息增益Gain（A），即：

將D劃分成對(duì)應(yīng)于屬性A測(cè)試的v個(gè)輸出的v個(gè)劃分產(chǎn)生的信息，這個(gè)值記為SplitInfoA(D)，公式為：

信息增益率（GainRatio）是C4.5算法的分枝準(zhǔn)則，它選擇具有最高信息增益的屬性來作為節(jié)點(diǎn)N的分裂屬性[2].公式為：

2 C4.5決策樹算法在教學(xué)改革中的應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理

2.1.1 問卷調(diào)查與分析.數(shù)據(jù)挖掘的原始數(shù)據(jù)來自《醫(yī)用物理學(xué)教學(xué)效果調(diào)查問卷》，問卷調(diào)查的對(duì)象為2016級(jí)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)的學(xué)生，共收回有效問卷296份，調(diào)查結(jié)果具有較強(qiáng)的代表性.（1）Q1對(duì)物理實(shí)驗(yàn)是否感興趣？選擇“感興趣”占30%；“一般”占42%；“不感興趣”占28%.Q2實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)是？選擇“掌握實(shí)驗(yàn)技能，提高綜合素質(zhì)”占25%；“應(yīng)付課程考試”占60%；“沒有目標(biāo)”占15%.由Q1、Q2看到，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課不反感的學(xué)生占到了70%以上，但是有明確學(xué)習(xí)目標(biāo)的學(xué)生只有25%，大多數(shù)學(xué)生對(duì)于為什么要學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)并不清楚.由此把“學(xué)習(xí)目的”作為一個(gè)關(guān)鍵因素.（2）Q3上實(shí)驗(yàn)課前您預(yù)習(xí)嗎？選擇“經(jīng)常預(yù)習(xí)”占42%；“偶爾預(yù)習(xí)”占37%；“不預(yù)習(xí)”占21%.Q4若預(yù)習(xí)，所花時(shí)間為？選擇“10分鐘之內(nèi)”占22%；“20分鐘左右”占42%；“30分鐘以上”占36%.由Q3、Q4看到，大約40%的學(xué)生有按時(shí)預(yù)習(xí)的習(xí)慣，進(jìn)一步調(diào)研發(fā)現(xiàn)，每次預(yù)習(xí)時(shí)間都在20分鐘以上的學(xué)生大約只占總?cè)藬?shù)的30%.這里把經(jīng)常預(yù)習(xí)且時(shí)間大于20分鐘的學(xué)生歸為“認(rèn)真預(yù)習(xí)”，把“認(rèn)真預(yù)習(xí)”作為一個(gè)關(guān)鍵因素.（3）Q5您認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)過程中，以下哪個(gè)因素對(duì)您幫助最大？選擇“實(shí)驗(yàn)教材”占16%；“教師的講解”占75%；“同學(xué)的幫助”占9%.由Q5看到，老師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果起到了決定因素.根據(jù)調(diào)查問卷和學(xué)校對(duì)教師教學(xué)評(píng)價(jià)中學(xué)生評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)，把“教學(xué)評(píng)價(jià)”作為一個(gè)關(guān)鍵因素.（4）Q6您在實(shí)驗(yàn)過程中，有沒有遇到過問題？選擇“經(jīng)常遇到”占76%；“偶然遇到”占18%；“沒有遇到”占6%.Q7若實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)問題，您的做法是？選擇“獨(dú)立解決”占37%；“同學(xué)幫助”占27%；“立即向老師報(bào)告”占36%.由Q6、Q7看到，在實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題，只有37%的學(xué)生有獨(dú)立解決問題的意識(shí)，大部分學(xué)生面對(duì)困難總想找別人解決，自己的思維能力、實(shí)踐能力得不到鍛煉.這里把“實(shí)驗(yàn)操作”作為一個(gè)關(guān)鍵因素.

2.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理.通過分析問卷，已經(jīng)提取出C4.5算法的四個(gè)決策屬性：“學(xué)習(xí)目的”“認(rèn)真預(yù)習(xí)”“教學(xué)評(píng)價(jià)”和“實(shí)驗(yàn)操作”.我們把學(xué)習(xí)目的分為“明確”和“不明確”兩類；認(rèn)真預(yù)習(xí)分為“是”和“否”；教學(xué)評(píng)價(jià)分為“優(yōu)”和“一般”；實(shí)驗(yàn)操作分為“好”和“不好”.根據(jù)調(diào)查問卷、學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末成績(jī)，三者的數(shù)據(jù)結(jié)合起來分析，得出實(shí)驗(yàn)課教學(xué)效果的情況，把教學(xué)效果分為“好”和“一般”.對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理共獲得296條有效數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分為兩部分：訓(xùn)練數(shù)據(jù)集220條，測(cè)試數(shù)據(jù)集76條.

2.2 依據(jù)C4.5算法構(gòu)造決策樹

首先計(jì)算樣本分類所需的期望信息量，即熵值.訓(xùn)練數(shù)據(jù)集220條數(shù)據(jù)，教學(xué)效果好的有66條，一般的有154條；

由公式①得：

然后計(jì)算每一個(gè)決策屬性的信息增益率.

（1）屬性“學(xué)習(xí)目的”，由訓(xùn)練集得，學(xué)習(xí)目的=“明確”有55條，其中50條教學(xué)效果好，5條教學(xué)效果不好.

學(xué)習(xí)目的=“不明確”有165條，其中16條教學(xué)效果好，149條教學(xué)效果不好；

由公式②計(jì)算其熵值為：

由公式③計(jì)算其信息增益為：

由公式④計(jì)算分裂信息：

最終公式⑤計(jì)算：

（2）屬性“認(rèn)真預(yù)習(xí)”，認(rèn)真預(yù)習(xí)=“是”有72條，其中46條教學(xué)效果好，26條教學(xué)效果不好；認(rèn)真預(yù)習(xí)=“否”有148條，其中20條教學(xué)效果好，128條教學(xué)效果不好.

（3）屬性“教學(xué)評(píng)價(jià)”，教學(xué)評(píng)價(jià)=“優(yōu)”有93條，其中51條教學(xué)效果好，42條教學(xué)效果不好；教學(xué)評(píng)價(jià)=“一般”有127條，其中15條教學(xué)效果好，112條教學(xué)效果不好.

（4）屬性“實(shí)驗(yàn)操作”，實(shí)驗(yàn)操作=“好”有61條，其中49條教學(xué)效果好，12條教學(xué)效果不好；實(shí)驗(yàn)操作=“不好”有159條，其中17條教學(xué)效果好，142條教學(xué)效果不好.

由上面計(jì)算出的每個(gè)決策屬性信息增益率的值，來確定決策樹的根結(jié)點(diǎn)，生成決策樹，再對(duì)決策樹進(jìn)行剪枝.剪枝采用自下而上的方式，最后生成一棵教學(xué)效果決策樹[5].

2.3 描述分類規(guī)則

從決策樹可以得到分類規(guī)則如下：

IF學(xué)習(xí)目的=“明確”AND實(shí)驗(yàn)操作=“好”THEN教學(xué)效果=“好”；IF學(xué)習(xí)目的=“明確”AND實(shí)驗(yàn)操作=“不好”THEN教學(xué)效果=“一般”；IF學(xué)習(xí)目的=“不明確”AND實(shí)驗(yàn)操作=“好”AND認(rèn)真預(yù)習(xí)=“是”THEN教學(xué)效果=“好”；IF學(xué)習(xí)目的=“不明確”AND實(shí)驗(yàn)操作=“好”AND認(rèn)真預(yù)習(xí)=“否”AND教學(xué)評(píng)價(jià)=“優(yōu)”THEN教學(xué)效果=“好”；IF學(xué)習(xí)目的=“不明確”AND實(shí)驗(yàn)操作=“好”AND認(rèn)真預(yù)習(xí)=“否”AND教學(xué)評(píng)價(jià)=“一般”THEN教學(xué)效果=“一般”.

IF學(xué)習(xí)目的=“不明確”AND實(shí)驗(yàn)操作=“不好”AND認(rèn)真預(yù)習(xí)=“是”AND教學(xué)評(píng)價(jià)=“優(yōu)”THEN教學(xué)效果=“好”；IF學(xué)習(xí)目的=“不明確”AND實(shí)驗(yàn)操作=“不好”AND認(rèn)真預(yù)習(xí)=“是”AND教學(xué)評(píng)價(jià)=“一般”THEN教學(xué)效果=“一般”；IF學(xué)習(xí)目的=“不明確”AND實(shí)驗(yàn)操作=“不好”AND認(rèn)真預(yù)習(xí)=“否”THEN教學(xué)效果=“一般”.

3 總結(jié)

由以上規(guī)則可以看出，要提高實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果，首先要使學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)目的，其次要提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，第三要使學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí)，最后要提高教師的教學(xué)水平.

〔1〕呂道文,魏杰,張擁軍.我院醫(yī)學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀的調(diào)查與思考[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2006,23(1)：30,79-80.

〔2〕吳信東,庫瑪爾.數(shù)據(jù)挖掘十大算法[M].北京：清華大學(xué)出版社,2013.

〔3〕羅玉梅,白小東,何顯儒,周松,趙春霞.專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀問卷調(diào)查分析[J].高教學(xué)刊,2017(3)：33-35.

〔4〕吳陳,林炎鐘.C4.5算法在高校老師評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J].信息技術(shù),2010(1)：17-19.

〔5〕王黎黎,劉學(xué)軍.決策樹C4.5算法在成績(jī)分析中的應(yīng)用[J].海南工程學(xué)院學(xué)報(bào),2014,26(4)：69-73.

G642.0

A

1673-260X（2017）12-0014-02

2017-09-13

校級(jí)重大教學(xué)改革項(xiàng)目（2016jyxm07）