基于決策樹的課程教學(xué)改革實(shí)踐及探索

陰愛英 沈炎斌

（福州大學(xué)至誠學(xué)院，福建 福州 350001）

近幾年，隨著高等教育行業(yè)信息化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在教育行業(yè)中得到了充分發(fā)展與應(yīng)用，國際上許多學(xué)者利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對教育行業(yè)中的數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行了相應(yīng)研究與探索［1-3］，積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)［1］針對教育數(shù)據(jù)挖掘和學(xué)習(xí)分析相結(jié)合展開了研究，并闡述了教育數(shù)據(jù)挖掘的關(guān)鍵方法和途徑；文獻(xiàn)［2］利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對近年來的教育數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與研究；文獻(xiàn)［3］針對教育數(shù)據(jù)庫中存在大量數(shù)據(jù)，利用決策樹分類方法進(jìn)行預(yù)測學(xué)生的最終成績。然而，現(xiàn)有在教育行業(yè)中利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)主要從管理者角度出發(fā)，對學(xué)生信息進(jìn)行挖掘，較少針對學(xué)生課程成績進(jìn)行分析，挖掘出影響學(xué)生成績的主要因素，從而用于指導(dǎo)教師進(jìn)行提升課程教學(xué)質(zhì)量；另外，現(xiàn)有教師對課程期末試卷分析也僅限于卷面知識點(diǎn)難易程度，分析統(tǒng)計(jì)學(xué)生成績各個(gè)分?jǐn)?shù)段的分布情況，并未對學(xué)生成績進(jìn)行深入研究與挖掘， 其試卷分析只是流于形式，對課程教學(xué)過程改革并未起到應(yīng)有的指導(dǎo)和幫助。

一、課程現(xiàn)狀

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”是作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，是提高學(xué)生對計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)及單片機(jī)電路的理解，為后續(xù)的“微機(jī)原理”“單片機(jī)及接口技術(shù)”“計(jì)算機(jī)組成原理”其他相關(guān)硬件課程、嵌入式設(shè)計(jì)與開發(fā)等奠定扎實(shí)的硬件基礎(chǔ)知識。其教學(xué)目的是引導(dǎo)學(xué)生了解計(jì)算機(jī)硬件的組成、掌握硬件的工作原理、進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件的電路分析與設(shè)計(jì)等。

福州大學(xué)至誠學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系對該課程教學(xué)分成兩部分：理論課程和實(shí)踐操作，其中理論課程占48學(xué)時(shí)，實(shí)踐操作占28學(xué)時(shí)，共76學(xué)時(shí)。該課程是以電工基礎(chǔ)及電子電路為基本的理論基礎(chǔ)知識，由于其邏輯性極強(qiáng)、極具抽象性、并枯燥無味［4］，學(xué)生對該門課程的學(xué)習(xí)積極性普遍不高，大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺到學(xué)習(xí)困難，對于邏輯代數(shù)基本理論的掌握、電路結(jié)構(gòu)的分析、電路工作原理的理解等存在著重重困難，影響了學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣和主動性，導(dǎo)致了期末卷面成績無法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，最終教學(xué)目的很難達(dá)到。

二、教學(xué)過程存在問題

（一）理論教學(xué)部分

學(xué)院屬于獨(dú)立學(xué)院，理論教學(xué)和教材內(nèi)容基本上仍然延續(xù)母體學(xué)校的教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)能力方面相對薄弱，在理論課程教學(xué)過程中存在著一些問題。一是學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，對課程認(rèn)識不夠。由于學(xué)生基礎(chǔ)相對薄弱，對計(jì)算機(jī)科學(xué)體系缺乏整體認(rèn)識，且并未意識到該課程在后續(xù)學(xué)習(xí)中的重要性。同時(shí)，由于缺乏相應(yīng)電路方面的理論知識，導(dǎo)致了對該課程缺乏應(yīng)有的興趣和學(xué)習(xí)積極性。在教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)大部分同學(xué)在時(shí)序邏輯電路方面存在理解困難的現(xiàn)象。二是缺乏學(xué)習(xí)主動性，作業(yè)抄襲較為嚴(yán)重。課后作業(yè)是為了加強(qiáng)學(xué)生對課堂知識的理解和鞏固，是課堂教學(xué)的補(bǔ)充和延伸，它會直接影響學(xué)生在各個(gè)部分單元小測的成績。然而，在教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)課后作業(yè)也只是一種形式，學(xué)生為了完成課后作業(yè)任務(wù)，相當(dāng)一部分學(xué)生通過抄襲來達(dá)到目的，缺乏學(xué)習(xí)主動性。

（二）實(shí)踐教學(xué)部分

實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容主要對課程理論部分進(jìn)行驗(yàn)證，以及后續(xù)的綜合設(shè)計(jì)等，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。在教學(xué)過程中，雖然不像理論教學(xué)那樣枯燥無味，學(xué)生對實(shí)踐教學(xué)較感興趣，然而，由于學(xué)生理論知識掌握不牢，使得實(shí)驗(yàn)課上要反復(fù)強(qiáng)調(diào)課程上的理論知識，影響了學(xué)生動手操作的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。另外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，部分學(xué)生只是觀望，并未參與動手操作，實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告抄襲。

三、基于決策樹的成績分析

（一）決策樹簡介

決策樹（Decision Tree）又稱判定樹, 是采用樹型結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的。［5］它是從一堆沒有任何規(guī)則且是無序的數(shù)據(jù)中，根據(jù)分類規(guī)則，利用樹的形狀來表示這些數(shù)據(jù)的分類情況。在構(gòu)造的決策樹中，樹的最頂層是根結(jié)點(diǎn)，它是表示第一次選擇分裂的屬性，而樹的其他內(nèi)部結(jié)點(diǎn)（不是葉子結(jié)點(diǎn)）表示對其他屬性數(shù)據(jù)的測試，葉子結(jié)點(diǎn)表示數(shù)據(jù)屬性的分類情況，而對于一個(gè)決策樹的分支來說, 其代表著某個(gè)測試數(shù)據(jù)屬性的分類情況輸出。

一般來說，利用決策樹進(jìn)行分類挖掘時(shí)，需要經(jīng)歷下面的過程：第一步是構(gòu)建決策樹模型，即利用先知類型的樣本數(shù)據(jù)對其實(shí)行分類，構(gòu)造一個(gè)決策樹模型。［5］在這個(gè)步驟中要經(jīng)歷兩個(gè)階段，即建樹和剪枝；第二步是通過使用已經(jīng)構(gòu)建好的樹型對數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類挖掘。為了找到輸入數(shù)據(jù)所屬的分類情況，需要對決策樹進(jìn)行遍歷，即從根結(jié)點(diǎn)到葉子結(jié)點(diǎn)，依次對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，直到找到該數(shù)據(jù)所屬分類為止。

（二）數(shù)據(jù)處理

為了構(gòu)建決策樹分類情況，搜集了近3年來學(xué)生平時(shí)單元小測和期末卷面成績（Finalgrade），其中單元小測有3個(gè)部分：第一部分（Section1）包含基本知識和邏輯代數(shù)基礎(chǔ)；第二部分（Section2）包含組合邏輯電路分析與設(shè)計(jì)；第三部分（Section3）包含時(shí)序邏輯電路分析與設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)總樣本量為526條記錄。由于學(xué)生單元小測和期末卷面成績是連續(xù)型的數(shù)據(jù)，而決策樹分類技術(shù)需要的是離散型數(shù)據(jù)，因此，通過數(shù)據(jù)處理方法將連續(xù)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成離散型數(shù)據(jù)。例如，在第一部分單元小測的成績中，如果成績在80分以上，用“高”表示；在60分到79分之間，用“中”表示；而60分以下用“低”表示，期末卷面成績用“及格”和“不及格”來表示。具體情況如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

（三）構(gòu)建成績決策樹

隨著決策樹技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)較多的決策樹改進(jìn)算法, 本文采用了文獻(xiàn)［6］的決策樹改進(jìn)算法進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算各個(gè)部分的信息增益值，可以獲得第一部分的信息增益值最小，因此，以第一部分作為決策樹的根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分枝, 并對生成的決策樹進(jìn)行剪枝，最終的決策樹如圖1所示。

從圖1結(jié)果可以看出, 在第一部分的邏輯理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)較差的同學(xué)，期末卷面成績也基本上處于不及格的邊緣；而第一部分的成績較高的情況下，如果說第二部分成績也高，則期末卷面成績基本上都是及格；第一部分的成績?yōu)橹械惹闆r下，如果第二部分的成績較好，那么期末卷面成績基本上也是處于及格以上等。然而，從決策樹中也看到，第一部分成績?yōu)楦咔业诙糠殖煽円矠楦撸瑓s有期末不及格的現(xiàn)象（有6位學(xué)生），除了考試發(fā)揮失常之外，最大可能是放松了期末復(fù)習(xí)或平時(shí)單元考試作弊的情況。

總之，從上述的決策樹結(jié)果來看，該課程的理論教學(xué)是后續(xù)部分學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。因此，要加強(qiáng)第一部分的理論教學(xué)。

圖1

四、課程教學(xué)改革實(shí)踐及探索

從上述構(gòu)造的決策樹情況來看，可以得出影響學(xué)生成績的一些因素，因此，為了提高學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提升課程的教學(xué)效果及教學(xué)質(zhì)量，在課程的教學(xué)過程中，做出了如下教學(xué)改革實(shí)踐與探索：

（一）加強(qiáng)部分內(nèi)容練習(xí)與測驗(yàn)

基于上述的決策樹分析，可以得出在第一部分邏輯代數(shù)基礎(chǔ)得分較高的情況下，其期末卷面成績相對較高，可以看出在“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程中邏輯代數(shù)基礎(chǔ)的重要性，因此，在教授該章節(jié)時(shí)，注重理論知識的講解，并通過加強(qiáng)學(xué)生的作業(yè)練習(xí)，提高學(xué)生對理論知識的掌握。為了防止學(xué)生在課后練習(xí)的抄襲現(xiàn)象，增加了課堂隨機(jī)測驗(yàn)方面，并將測驗(yàn)的成績作為期末成績的一部分，以此引起學(xué)生的重視，能自覺獨(dú)立完成課后作業(yè)，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

（二）以“任務(wù)推進(jìn)式”提高理論教學(xué)

“任務(wù)推進(jìn)式”教學(xué)模式是以完成一個(gè)完整的數(shù)字電路系統(tǒng)為教學(xué)目標(biāo)，將任務(wù)貫穿于整個(gè)課程理論教學(xué)過程，覆蓋理論課程中絕大部分的概念和知識點(diǎn)。［7］從上述決策樹分析情況來看，學(xué)生在第二部成績較差的原因是第一部分理論基礎(chǔ)較差，為了讓學(xué)生能更好地掌握理論知識，結(jié)合“任務(wù)推進(jìn)”的教學(xué)方法來提高課程理論教學(xué)。例如：在第二部分組合邏輯電路分析與設(shè)計(jì)中, 將任務(wù)分解為：小規(guī)模組合電路分析和設(shè)計(jì)、中規(guī)模組合集成芯片、中規(guī)模組合電路分析和設(shè)計(jì)等，通過以完成小規(guī)模的電路分析與設(shè)計(jì)的任務(wù)，逐步推進(jìn)中規(guī)模的電路分析與設(shè)計(jì)。學(xué)生在完成相應(yīng)任務(wù)的同時(shí)，需要涉及到前期的理論知識應(yīng)用，并以此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和邏輯分析能力，引導(dǎo)學(xué)生自覺去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從中加深理論知識的理解和應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)提高理論教學(xué)的目的。

（三）以實(shí)踐操作推動理論教學(xué)

由于該課程是屬于實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識后，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐課程與理論課程相結(jié)合。從上述決策樹可以看出，學(xué)生成績在第二部分較差的情況下，第三部分成績也相對較差。為了解決這種現(xiàn)象，加強(qiáng)了實(shí)踐教學(xué)與理論相聯(lián)系。首先基本驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過對一些經(jīng)典電路進(jìn)行驗(yàn)證，能有效提升學(xué)生對理論知識理解和應(yīng)用能力，并有效提高學(xué)生的動手能力、分析問題能力及解決問題的能力。其次是綜合實(shí)踐，通過以小組為單位，設(shè)計(jì)中小規(guī)模集成電路，將理論知識應(yīng)用于綜合設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)學(xué)生查閱資料、團(tuán)隊(duì)分工合作、綜合設(shè)計(jì)等方面能力。

（四）借鑒翻轉(zhuǎn)課堂方式，引領(lǐng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

從上述決策樹分類的結(jié)果來看，第一部分的邏輯電路基礎(chǔ)是后續(xù)部分的基礎(chǔ)，因此，在該教學(xué)過程中，借鑒翻轉(zhuǎn)課堂方式，讓學(xué)生通過網(wǎng)上MOOC資源，課前做好充分準(zhǔn)備，并在課堂中花費(fèi)20分鐘左右，讓學(xué)生充分展現(xiàn)所學(xué)知識，并予以討論，最后，教師總結(jié)并做詳細(xì)補(bǔ)充。

除此之外，加強(qiáng)了課后答疑環(huán)節(jié)，并建立班級學(xué)習(xí)QQ群，以便學(xué)生可以隨時(shí)交流和解答相關(guān)問題。

五、改革實(shí)踐效果與建議

基于數(shù)據(jù)挖掘中的決策樹分類技術(shù)得出結(jié)果，在本學(xué)期的課程教學(xué)中，引入了上述課程教學(xué)改革實(shí)踐，取得較為良好的結(jié)果。從學(xué)生期末卷面成績對比情況來看（表2所示），其中成績?yōu)閮?yōu)秀率提高了8.6%，良好率提高了6%, 同時(shí), 不及格率下降了9.7%。

表2 期末成績對比表

此外，學(xué)生在期末對教師進(jìn)行綜合評價(jià)中，評教的成績?yōu)?8.19（為歷年新高，同時(shí)在系里也是相對較高），比起去年提升了約3分左右。雖然說這個(gè)數(shù)據(jù)對比是個(gè)小樣本比較，但也足以說明本學(xué)期的課程教學(xué)改革受到學(xué)生們的歡迎與認(rèn)同。

另外，為了有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性，能更好地為后續(xù)專業(yè)課程的深入學(xué)習(xí)提供扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，提出了幾個(gè)建議：

（一）以科研項(xiàng)目為導(dǎo)向，提升教師的專業(yè)水平

由于“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”是具有很強(qiáng)的專業(yè)理論基礎(chǔ)知識，不但要求任課教師掌握基本電路的設(shè)計(jì)與開發(fā)，還要求教師應(yīng)該具有一定的科研水平。通過以科研項(xiàng)目為導(dǎo)向，了解最新的電路設(shè)計(jì)與芯片開發(fā)知識，掌握數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)的最新研究方向與新產(chǎn)品，從而提升教師的專業(yè)素養(yǎng)，服務(wù)于課程教學(xué)。

（二）以工程應(yīng)用為背景，促進(jìn)理論與實(shí)踐相結(jié)合

該課程教學(xué)內(nèi)容偏重于理論分析，以課程理論教學(xué)為主，實(shí)踐課程為輔，導(dǎo)致部分學(xué)生感到學(xué)習(xí)內(nèi)容枯燥無味, 從而產(chǎn)生了厭學(xué)情緒［8］。因此，建議將工程應(yīng)用背景貫穿于課程教學(xué)。例如，在中大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)部分教學(xué)中，可以設(shè)計(jì)相關(guān)的應(yīng)用場景。通過將前面學(xué)到的理論知識應(yīng)用于電路設(shè)計(jì)、芯片開發(fā)以及嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合。

（三）以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為紐帶，提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

現(xiàn)階段，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽在全國高校中受習(xí)的主動性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。例如，在該課程中的綜合應(yīng)用中，可以結(jié)合相關(guān)的電子產(chǎn)到廣泛關(guān)注，通過以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為紐帶，提升學(xué)生學(xué)品設(shè)計(jì)出較為高效的電路系統(tǒng)，參加學(xué)校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，以此來促進(jìn)學(xué)生對該課程理論知識的理解，以及對實(shí)踐操作能力的提升，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

總之，“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”是一個(gè)理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，學(xué)好該門課程，不僅需要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且還需要實(shí)踐動手能力。