學(xué)習(xí)績(jī)效預(yù)測(cè)模型構(gòu)建：源于?學(xué)習(xí)行為大數(shù)據(jù)分析

胡航 杜爽 梁佳柔 康忠琳

【摘要】

隨著教育大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)研究已成為學(xué)習(xí)分析技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，但通過不同場(chǎng)景學(xué)習(xí)行為日志數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)研究較少。研究采集了823名大學(xué)生學(xué)習(xí)場(chǎng)景中在線學(xué)習(xí)日志數(shù)據(jù)和生活場(chǎng)景中一卡通消費(fèi)和借閱圖書日志數(shù)據(jù)，構(gòu)建在線學(xué)習(xí)行為、早起行為、借閱行為和學(xué)習(xí)績(jī)效預(yù)測(cè)指標(biāo)，通過五種機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，結(jié)合提升（Boosting）和裝袋（Bagging）兩種方法提升預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確率，并與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)性能對(duì)比。研究表明，多場(chǎng)景行為表現(xiàn)指標(biāo)有較強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率最高（82%）但耗時(shí)最多。同時(shí)，結(jié)合決策樹與規(guī)則模型建立了分類規(guī)則集，構(gòu)建了一種結(jié)合決策樹和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)行為診斷模型，該模型兼具高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率、易讀性高和易操作等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景學(xué)習(xí)行為診斷，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)干預(yù)與學(xué)習(xí)資源推薦。

【關(guān)鍵詞】? 大學(xué)生;學(xué)習(xí)行為;多場(chǎng)景;學(xué)習(xí)績(jī)效;預(yù)測(cè)模型;機(jī)器學(xué)習(xí);決策樹;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

【中圖分類號(hào)】? ?G40-057? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】? A? ? ? ?【文章編號(hào)】? 1009-458x（2021）4-0008-13

一、引言

隨著教育大數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用，學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)研究已成為學(xué)習(xí)分析技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。學(xué)習(xí)分析技術(shù)已從原理探究、應(yīng)用價(jià)值等理論研究轉(zhuǎn)向基于教育大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)行為分析、數(shù)據(jù)可視化、學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)等實(shí)際應(yīng)用研究（胡航， 等， 2020）。學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)研究主要依據(jù)之前和當(dāng)前的學(xué)習(xí)活動(dòng)特征對(duì)學(xué)習(xí)者未來的結(jié)果表現(xiàn)進(jìn)行預(yù)估，如學(xué)習(xí)成績(jī)、學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)能力等，通過不同形式的學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)來改善學(xué)習(xí)成效和學(xué)習(xí)體驗(yàn)（AlShammari， Aldhafiri， & Al-Shammari， 2013; Nkhoma， Sriratanaviriyakul， Cong， & Lam， 2014）。學(xué)習(xí)結(jié)果預(yù)測(cè)集中在成績(jī)預(yù)測(cè)理論模型構(gòu)建、成績(jī)預(yù)測(cè)模型實(shí)證研究、算法準(zhǔn)確性對(duì)比、算法開發(fā)、預(yù)警因素研究和綜述研究等方面，主要采用決策樹、回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、樸素貝葉斯、支持向量機(jī)等方法來預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)績(jī)效和學(xué)習(xí)效果（王改花， 等， 2019）。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、情感分析、模式識(shí)別等智能技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，特別是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別技術(shù)與教育領(lǐng)域的結(jié)合，為學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)研究提供了有力的技術(shù)支撐，逐步應(yīng)用于學(xué)生學(xué)習(xí)追蹤、表現(xiàn)預(yù)測(cè)、教學(xué)輔助工具和行為分析等場(chǎng)景（陳德鑫， 等， 2019）。盡管學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)研究有了一些初步成果，但以優(yōu)化學(xué)習(xí)過程和改善學(xué)習(xí)成效為目標(biāo)的學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)研究還未在教育領(lǐng)域得到深入實(shí)踐和應(yīng)用，距離準(zhǔn)確和大規(guī)模應(yīng)用還較遠(yuǎn)（牟智佳， 等， 2017）。如何建立具有較高預(yù)測(cè)性能、兼具易讀性和易操作性的學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)方法，并依據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行差異化的干預(yù)與推薦應(yīng)用，成為亟待解決的問題。本研究采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)分析技術(shù)，運(yùn)用多場(chǎng)景學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，構(gòu)建學(xué)習(xí)行為診斷模型，以期為學(xué)習(xí)績(jī)效預(yù)測(cè)分析和學(xué)習(xí)干預(yù)提供參考和指導(dǎo)。

二、研究基礎(chǔ)與研究問題

（一）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)研究

機(jī)器學(xué)習(xí)是一組使計(jì)算機(jī)能夠在沒有人為編程干預(yù)的情況下進(jìn)行自我學(xué)習(xí)的新技術(shù)，在社會(huì)的各個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用（Kannammal， 2015）。隨著技術(shù)的不斷成熟，機(jī)器學(xué)習(xí)中的監(jiān)督學(xué)習(xí)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛和深入。監(jiān)督學(xué)習(xí)主要尋找能夠從外部提供的實(shí)例中進(jìn)行推理的算法，從而產(chǎn)生一般的假設(shè)，其目標(biāo)是根據(jù)預(yù)測(cè)器的特征建立一個(gè)清晰的類標(biāo)簽分類模型（Kotsiantis， 2007）。監(jiān)督學(xué)習(xí)在教育領(lǐng)域中的研究?jī)?nèi)容主要集中在成績(jī)預(yù)測(cè)理論模型構(gòu)建、成績(jī)預(yù)測(cè)模型實(shí)證研究、算法準(zhǔn)確性對(duì)比、算法開發(fā)、預(yù)警因素研究、綜述研究等方面。黃等（Huang & Fang， 2013）基于多元線性回歸（Multiple Linear Regressions，MLR）、多層感知網(wǎng)絡(luò)（Multi-Layer Perceptron，MLP）、徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)（Radial Basis Function，RBF）和支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）四種類型的數(shù)學(xué)建模技術(shù)，結(jié)合六種預(yù)測(cè)變量組合開發(fā)了一個(gè)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)支持向量機(jī)模型的平均準(zhǔn)確率最高。塞勒姆等（Slim， Heileman， Kozlick， & Abdallah， 2014）以第一學(xué)期學(xué)生的基本信息（初始成績(jī)、性別等）作為基線，分析了預(yù)測(cè)指標(biāo)與平均績(jī)點(diǎn)（GPA）的相關(guān)關(guān)系，利用貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)（Bayesian Belief Network，BBN）預(yù)測(cè)了學(xué)生在學(xué)術(shù)生涯早期的表現(xiàn)，在第二學(xué)期加入其他行為表現(xiàn)指標(biāo)后提高了模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。馬布蒂等（Marbouti， Diefes-Dux， & Strobel， 2015）通過采集大一新生前九周的出勤率、測(cè)驗(yàn)和作業(yè)數(shù)據(jù)，利用邏輯回歸（Logistic Regression，LR）模型對(duì)中期考試進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在后期的研究中通過SVM、樸素貝葉斯分類器（Naive Bayes，NB）、決策樹（Decision Tree，DT）、多層感知機(jī)等各種監(jiān)督學(xué)習(xí)中常用的分類預(yù)測(cè)器，以邏輯回歸為基線模型進(jìn)行準(zhǔn)確率的比較（Marbouti， Diefes-Dux， & Madhavan， 2016）。胡塞等（Hussain， Zhu， Zhang， & Abidi， 2018）為了預(yù)測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的參與程度，利用在虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中采集的學(xué)生行為數(shù)據(jù)，對(duì)五種監(jiān)督學(xué)習(xí)算法進(jìn)行了預(yù)測(cè)比較，發(fā)現(xiàn)基于J48決策樹、JRIP和梯度增強(qiáng)分類器在準(zhǔn)確率、Kappa值和召回率（Recall）方面表現(xiàn)出更好的性能。近年來，一些學(xué)者開始將多種機(jī)器學(xué)習(xí)分類器混合使用，結(jié)合樸素貝葉斯分類器的高準(zhǔn)確率和J48分類器的效率，利用學(xué)生學(xué)習(xí)的基本信息和行為表現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)成績(jī)的預(yù)測(cè)和學(xué)生表現(xiàn)的評(píng)估（Karthikeyan， Thangaraj， & Karthik， 2020）。這些研究不僅表現(xiàn)了不同學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效和學(xué)習(xí)效果之間存在顯著的相關(guān)性，還反映出行為表現(xiàn)指標(biāo)良好的預(yù)測(cè)效果。

在預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率提升方法上，除了采用基于不同機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)預(yù)測(cè)效果進(jìn)行篩選外，還可以采用集成算法AdaBoost模型對(duì)學(xué)生進(jìn)行分類預(yù)測(cè)，提升分類器的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率（Han， Tong， Chen， Liu， & Liu， 2017）。尚蒂尼等（Shanthini， Vinodhini， & Chandrasekaran， 2018）將REPTree作為元學(xué)習(xí)的決策樹方法，基于Adaboost、Bagging、Dagging和Grading四種代表性分類器技術(shù)構(gòu)建不同的決策樹，發(fā)現(xiàn)Adaboost是基于學(xué)生測(cè)試成績(jī)預(yù)測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效的最佳元決策分類器，在測(cè)試集上的準(zhǔn)確率從89.4%提升到97.6%。陳子健等（2017）采用Bagging和Boosting集成學(xué)習(xí)方法構(gòu)建集成式學(xué)習(xí)成績(jī)分類預(yù)測(cè)模型，能不同程度地提升貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（BN）、決策樹（DT）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）三種算法的分類性能，真正率、精度和召回率的準(zhǔn)確率從73%～75%提高到79.3%。因此，本研究在機(jī)器學(xué)習(xí)模型的選擇和優(yōu)化上，使用提升（Boosting）和裝袋（Bagging）兩種方法提升模型的準(zhǔn)確率，改進(jìn)模型的預(yù)測(cè)性能。

（二）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)績(jī)效預(yù)測(cè)研究

1. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)研究

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）是模仿生物神經(jīng)元對(duì)等物，由被稱為神經(jīng)元的處理單元相互連接而組成的一套機(jī)器學(xué)習(xí)方法（Adewale， Bamidele， & Lateef， 2018），神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是分層的，神經(jīng)元在連續(xù)的層中進(jìn)行組裝，每一層的輸出被輸入到連續(xù)的層中，在輸入層、隱藏層和輸出層上部署了非線性函數(shù)的組合。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，在教育領(lǐng)域主要通過不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法組合實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果預(yù)測(cè)和學(xué)習(xí)預(yù)警等。里庫(kù)倫佐等（Lykourentzou， Giannoukos， Mpardis， Nikolopoulos， & Loumos， 2009）提出一種多前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將早期學(xué)生在電子學(xué)習(xí)課程中的測(cè)試成績(jī)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)集，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)學(xué)生十周后的最終成績(jī)。牟智佳等（2017）選擇決策樹、樸素貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種預(yù)測(cè)分類算法，比較學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)和學(xué)習(xí)次數(shù)預(yù)測(cè)學(xué)生在MOOC中輟學(xué)的準(zhǔn)確率，發(fā)現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率最優(yōu)，達(dá)到99%以上。法友米等（Fayoumi & Hajjar， 2020）以學(xué)生的學(xué)術(shù)指標(biāo)源作為輸入數(shù)據(jù)集，開發(fā)了一套基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的決策支持系統(tǒng)，用于評(píng)估和預(yù)測(cè)學(xué)生學(xué)業(yè)表現(xiàn)，并將該模型與大數(shù)據(jù)和分析研究相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)高級(jí)可視化。

2. 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)研究

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法被稱為“表示學(xué)習(xí)方法”，由若干層非線性模塊組成。該方法能夠使系統(tǒng)足夠熟練地學(xué)習(xí)復(fù)雜問題，從而使系統(tǒng)足夠健壯，能夠?qū)?fù)雜和微小的特殊情況產(chǎn)生敏感（Waheed， et al.， 2020）。與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相比，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)了泛化，使其能夠從數(shù)據(jù)中正確推斷出隱藏的模式（Montavon， Samek， & Müller， 2018）。近年來，越來越多的學(xué)者將機(jī)器學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合?？吕锔龋–orrigan & Smeaton， 2017）通過分析學(xué)生與虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的互動(dòng)次數(shù)預(yù)測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)，運(yùn)用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）的變異長(zhǎng)短期記憶（LSTM），以隨機(jī)森林為基準(zhǔn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，LSTM方差高達(dá)13.3%;依安達(dá)等（Iyanda， Ninan， Ajayi， & Anyabolu， 2018）利用前期單一學(xué)習(xí)成績(jī)（表現(xiàn)因子）預(yù)測(cè)學(xué)生的后期學(xué)習(xí)成績(jī)，發(fā)現(xiàn)廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種特殊形式）整體性能優(yōu)于多層感知機(jī)模型（MLP）。

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搭建對(duì)研究者的技術(shù)要求較高，需要具備一定的程序開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。懷卡托智能分析環(huán)境Weka，不僅集合了大量能承擔(dān)數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，還能基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖形、文本等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)進(jìn)行分類預(yù)測(cè)（Meruelo， Jacobus， Idy， Nguyen-Louie， & Tapert， 2018）。Weka提供了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組件WekaDeeplearning4j。它是一個(gè)基于Java語(yǔ)言的開源深度學(xué)習(xí)庫(kù)，廣泛支持各種深度學(xué)習(xí)算法的模型框架，為研究者通過圖形用戶界面應(yīng)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)提供了新的手段（Lang， Bravo-Marquez， Beckham， Hall， & Frank， 2019）。

通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用機(jī)器學(xué)習(xí)在學(xué)習(xí)成績(jī)、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)等方面做了大量研究，但現(xiàn)有研究基礎(chǔ)還存在以下不足：一是學(xué)習(xí)分析場(chǎng)景較為單一，通常是基于某一具體學(xué)習(xí)情境的學(xué)習(xí)效果預(yù)測(cè)，較少將多樣化的學(xué)習(xí)環(huán)境納入研究范疇，其應(yīng)用推廣受到限制;二是預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)來源的局限性，較少形成較為完整的學(xué)習(xí)活動(dòng)數(shù)據(jù)鏈路，影響學(xué)習(xí)結(jié)果的準(zhǔn)確率;三是預(yù)測(cè)方法受限于有限的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量，傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法較多，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)績(jī)效預(yù)測(cè)研究，特別是基于多場(chǎng)景、多模態(tài)數(shù)據(jù)源進(jìn)行教育大數(shù)據(jù)挖掘的研究較少。

（三）研究問題

此前，研究團(tuán)隊(duì)通過行為指標(biāo)的聚類和關(guān)聯(lián)建立了早起和借閱行為與學(xué)習(xí)績(jī)效的關(guān)系，并從元認(rèn)知角度進(jìn)行了分析和探討（杜爽， 等， 2020）。在此基礎(chǔ)上，本研究基于大學(xué)生網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)過程、早起行為和圖書借閱行為，將課內(nèi)學(xué)習(xí)表現(xiàn)與課外學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起，建立多個(gè)學(xué)習(xí)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)鏈路，通過對(duì)不同機(jī)器學(xué)習(xí)分類模型的預(yù)測(cè)分析和性能提升，結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)大學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效進(jìn)行分類預(yù)測(cè)，主要聚焦以下問題：

①哪些預(yù)測(cè)指標(biāo)對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效有較好的預(yù)測(cè)能力？

②基于研究樣本，哪些機(jī)器學(xué)習(xí)模型具有更好的預(yù)測(cè)性能和效能？

③結(jié)合不同預(yù)測(cè)模型的優(yōu)勢(shì)，如何建立用于教學(xué)干預(yù)與學(xué)習(xí)推薦系統(tǒng)的學(xué)習(xí)行為診斷模型？

三、研究設(shè)計(jì)

（一）數(shù)據(jù)來源及變量構(gòu)建

1. 數(shù)據(jù)來源

以C市S高校2018級(jí)所有3，243名大學(xué)生作為數(shù)據(jù)采集對(duì)象，共采集到2018年9月至2019年8月23，948條日志數(shù)據(jù)和18，342條成績(jī)數(shù)據(jù)。學(xué)習(xí)場(chǎng)景數(shù)據(jù)來源于在線課程學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，包括學(xué)校超星學(xué)習(xí)平臺(tái)中的學(xué)習(xí)日志數(shù)據(jù);生活場(chǎng)景數(shù)據(jù)包括圖書借閱數(shù)據(jù)和早起數(shù)據(jù)，來源于圖書館業(yè)務(wù)日志和一卡通消費(fèi)日志數(shù)據(jù);學(xué)習(xí)績(jī)效數(shù)據(jù)來自超星學(xué)習(xí)平臺(tái)的在線測(cè)試成績(jī)和學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)課程的期末筆試成績(jī)兩個(gè)方面。

日志數(shù)據(jù)記錄了所有學(xué)生的活動(dòng)，但這些數(shù)據(jù)存在不同程度的缺失和數(shù)據(jù)不平衡情況。對(duì)于數(shù)據(jù)缺失問題，如在一卡通借閱數(shù)據(jù)中有32.5%的學(xué)生在圖書館沒有借閱記錄，而剩下的學(xué)生中又有25.2%的學(xué)生僅借閱過1次，一卡通消費(fèi)數(shù)據(jù)也有類似問題。數(shù)據(jù)缺失的原因主要是大學(xué)目前沒有對(duì)借閱圖書進(jìn)行硬性要求，借閱圖書是學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)的一種行為表現(xiàn);在一卡通消費(fèi)數(shù)據(jù)中也并非所有學(xué)生都會(huì)在早上有消費(fèi)行為。因此在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，除了將重復(fù)、無(wú)效等記錄進(jìn)行刪除之外，還將缺少4個(gè)或更多變量值的學(xué)生記錄進(jìn)行刪除，保證樣本數(shù)據(jù)的完整性和有效性。

對(duì)于數(shù)據(jù)不平衡問題，如在學(xué)習(xí)績(jī)效分布中有82.4%的學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效大于或等于80，僅有17.6%的學(xué)生小于80。對(duì)于這種偏態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用分層抽樣方法，對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效大于或等于80的學(xué)生進(jìn)行隨機(jī)抽樣（樣本量減少），對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效小于80的學(xué)生利用SMOTE方法進(jìn)行重復(fù)抽樣（樣本量增加），抽樣后樣本中學(xué)習(xí)績(jī)效的兩種類別比例接近1∶1，確保樣本數(shù)據(jù)的代表性和無(wú)偏性。通過對(duì)數(shù)據(jù)的多次校驗(yàn)和處理，最終抽取出823名學(xué)生的有效數(shù)據(jù)作為本研究的樣本。

2. 預(yù)測(cè)變量的構(gòu)建

在預(yù)測(cè)指標(biāo)的選擇和處理上，不同學(xué)者針對(duì)不同研究目的有不同的選取方式和處理方式，本研究采用傾向性指標(biāo)和行為表現(xiàn)指標(biāo)相結(jié)合的方式（范逸洲， 等， 2018）。傾向性指標(biāo)也稱“靜態(tài)指標(biāo)”，即在學(xué)習(xí)進(jìn)行中不會(huì)改變的變量，如性別、民族等。具有某些傾向性指標(biāo)（如良好初試成績(jī)）的學(xué)習(xí)者能夠在后期呈現(xiàn)出較好的學(xué)習(xí)狀態(tài)（Mckay， Miller， & Tritz， 2012），初始自我調(diào)節(jié)的學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)力也能很好地估計(jì)學(xué)習(xí)者能否獲得較高的測(cè)試分?jǐn)?shù)（Shum & Crick， 2012）。行為表現(xiàn)指標(biāo)也稱“動(dòng)態(tài)指標(biāo)”，即隨著學(xué)習(xí)的進(jìn)行會(huì)發(fā)生改變的變量，如行為次數(shù)、行為規(guī)律、行為的發(fā)生時(shí)長(zhǎng)等。多數(shù)研究者在建立學(xué)習(xí)績(jī)效和學(xué)習(xí)效果預(yù)測(cè)模型中均加入了行為表現(xiàn)指標(biāo)（Huang， et al.， 2013; Slim， et al.， 2014; Hussain， et al.， 2018; Karthikeyan， et al.， 2020）。傾向性指標(biāo)與行為表現(xiàn)指標(biāo)相互影響，如果對(duì)學(xué)習(xí)早期或中期的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行預(yù)測(cè)，傾向性指標(biāo)的預(yù)測(cè)能力較強(qiáng)（Whitener， 1989），而對(duì)學(xué)習(xí)中后期的學(xué)習(xí)績(jī)效進(jìn)行預(yù)測(cè)，傾向性指標(biāo)的預(yù)測(cè)能力逐漸減弱而行為表現(xiàn)指標(biāo)的預(yù)測(cè)能力隨之增強(qiáng)，后期將成為核心預(yù)測(cè)指標(biāo) （Park & Tennyson， 1986）。

本研究將兩類指標(biāo)結(jié)合，傾向性指標(biāo)包括學(xué)生的性別、院系、專業(yè)等基本信息，行為表現(xiàn)指標(biāo)包括學(xué)習(xí)場(chǎng)景（在線課程）和生活場(chǎng)景（早起行為和借閱行為），預(yù)測(cè)結(jié)果為學(xué)習(xí)績(jī)效變量。在研究早期采集兩類指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)變量值，而在后期數(shù)據(jù)處理階段對(duì)其進(jìn)行篩選。具體指標(biāo)如表1所示。

（二）模型選擇與評(píng)估指標(biāo)

1. 預(yù)測(cè)模型選擇

在預(yù)測(cè)模型選擇上，主要聚焦在多場(chǎng)景學(xué)習(xí)過程中通過傾向性指標(biāo)和行為表現(xiàn)指標(biāo)預(yù)測(cè)大學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效是否大于、等于或小于80分，是一個(gè)典型的二分類問題。因此，采用機(jī)器學(xué)習(xí)中常用的二分類模型——決策樹（J48）、RIPPER規(guī)則模型（JRip）、支持向量機(jī)（SVM）、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（BayesNet）和邏輯回歸（Logistic）分別比較不同模型對(duì)本研究樣本的預(yù)測(cè)性能。預(yù)測(cè)模型分為兩個(gè)階段：一是進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)，將已知的學(xué)習(xí)績(jī)效等級(jí)作為類別標(biāo)簽用于模型對(duì)預(yù)測(cè)變量的訓(xùn)練，建立模型參數(shù);二是使用測(cè)試數(shù)據(jù)將模型用于未知類別的判定，以評(píng)估模型的預(yù)測(cè)性能。

2. 預(yù)測(cè)模型的評(píng)估指標(biāo)

對(duì)二分類模型的性能評(píng)估指標(biāo)，一般統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)正確與否的數(shù)量后計(jì)算評(píng)估指標(biāo)。常用的統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括：True Positive（真正，TP）被模型預(yù)測(cè)為正的正樣本;True Negative（真負(fù)，TN）被模型預(yù)測(cè)為負(fù)的負(fù)樣本;False Positive（假正，F(xiàn)P）被模型預(yù)測(cè)為正的負(fù)樣本;False Negative（假負(fù)，F(xiàn)N）被模型預(yù)測(cè)為負(fù)的正樣本。對(duì)模型預(yù)測(cè)效果最為直觀的評(píng)估指標(biāo)是準(zhǔn)確率（Accuracy），反映了分類算法對(duì)整個(gè)樣本的判定能力，但僅用準(zhǔn)確率來判斷模型的預(yù)測(cè)效果并不能客觀反映出整個(gè)模型的預(yù)測(cè)能力，還需要通過查看模型Kappa值、召回率（Recall）、靈敏度、特異度等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。本研究主要分析以下評(píng)估指標(biāo)：

準(zhǔn)確率 = （TP+FP）/（TP+FP+TN+FN）;

靈敏度 = 真正率（TPR）= TP/（TP+FN）;

特異度 = 1 - 假正率（FPR）= FP/（FP+TN）;

召回率 = TP/（FP+FN）。

準(zhǔn)確率反映整個(gè)模型判定正確的樣本比例，體現(xiàn)模型對(duì)整個(gè)樣本的判別能力;靈敏度也稱“真正率”（TP Rate），反映正確判定的正例占總的正樣本的比值;特異度也稱“假正率”（FP Rate），反映錯(cuò)誤判定為正例占總的負(fù)樣本的比例;召回率反映了被分類算法正確判定的正例占總的正例的比例。

在此基礎(chǔ)上，基于混淆矩陣構(gòu)建靈敏度與特異度的關(guān)系圖，即ROC（Receiver Operating Characteristic）曲線，分別在實(shí)際正樣本和負(fù)樣本中觀察相關(guān)概率分布，通過計(jì)算曲線下面積AUC（Area Under Curve）評(píng)估模型的預(yù)測(cè)能力。

（三）研究方法與研究工具

1. 研究方法

預(yù)測(cè)方法為分析數(shù)據(jù)和生成模型參數(shù)提供有力的技術(shù)保障，本研究的分析過程如圖1所示：①在數(shù)據(jù)清洗的基礎(chǔ)上對(duì)預(yù)測(cè)變量進(jìn)行相關(guān)性和信息增益率計(jì)算，篩選出與學(xué)習(xí)績(jī)效關(guān)系最佳的預(yù)測(cè)變量;②使用十折交叉驗(yàn)證的方法對(duì)五個(gè)模型進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試;③在單一預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上采用Bagging和Boosting方法集成分類器提升各模型預(yù)測(cè)效果，同時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)效果評(píng)估;④以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）為基線模型，與使用DeepLearning4j深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行比較，計(jì)算AUC值來評(píng)估預(yù)測(cè)性能;⑤為了提供用于后期進(jìn)行學(xué)習(xí)行為判斷依據(jù)，對(duì)決策樹進(jìn)行可視化分析，結(jié)合JRip規(guī)則算法共同生成用于診斷學(xué)習(xí)行為的規(guī)則集;⑥結(jié)合前期各預(yù)測(cè)模型的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建基于規(guī)則集的學(xué)習(xí)行為診斷模型，為建立教學(xué)干預(yù)與學(xué)習(xí)資源推薦系統(tǒng)提供可行依據(jù)。

2. 研究工具

常見的學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)工具有Weka、SPSS、SQL Sever 2008 Data Mining、SSAS等，或者幾種工具交替使用共同完成數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)評(píng)估。本研究基于PC平臺(tái)Intel Corei5-9300H和Windows版本1909，為了讓W(xué)ekaDeeplearning4j更好地發(fā)揮性能，安裝了支持GPU CUDA 10.2的安裝包。分析工具使用Weka3.8和Clementine12，利用兩者的優(yōu)勢(shì)達(dá)到最佳研究效果。在數(shù)據(jù)預(yù)處理、分類預(yù)測(cè)、集成分類器和深度學(xué)習(xí)分析階段，采用Weka分析工具;在決策樹可視化和規(guī)則集生成階段，采用Clementine分析工具。

四、數(shù)據(jù)分析結(jié)果

（一）預(yù)測(cè)變量的篩選

1. 相關(guān)性分析與排序

對(duì)所有預(yù)測(cè)變量進(jìn)行相關(guān)性分析，計(jì)算各變量與學(xué)習(xí)績(jī)效F之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，可衡量變量之間的線性相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，計(jì)算變量之間的方差膨脹因子（VIF），檢測(cè)他們之間是否存在高度共線性。若相關(guān)系數(shù)小于0.1或VIF大于10，則表明該變量對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效的預(yù)測(cè)效果不佳，應(yīng)考慮刪除。從表2可以發(fā)現(xiàn)，在13個(gè)預(yù)測(cè)變量中ZY和Pro的相關(guān)系數(shù)小于0.1，并且ZY和VY的VIF數(shù)值遠(yuǎn)高于其他變量，因此將ZY變量刪除，其他變量保持不變。刪除ZY后重新進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，VY的VIF降至1.917，符合共線性要求。

2. 信息增益率分析與排序

計(jì)算所有預(yù)測(cè)變量與學(xué)習(xí)績(jī)效F之間的信息增益率。信息增益率能有效反映預(yù)測(cè)信息量的大小，它是通過計(jì)算變量的熵度量（屬性熵和類別條件熵的比值）來評(píng)估最佳預(yù)測(cè)變量對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效的信息攜帶量，是一種有效地從樣本中選擇屬性的方法（Karthikeyan， et al.， 2020）。研究采用Weka中InfoGain屬性評(píng)估器，同時(shí)采用Ranker進(jìn)行降序排序（如表3所示）。從表3可以看出，Dep、Sex、Pro和ZY四個(gè)變量的信息增益率最低，小于或接近0.1。因此，結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果，刪除ZY、Dep、Sex和Pro四個(gè)變量。從中可以發(fā)現(xiàn)，雖然相關(guān)性和信息增益率排序順序有所不同，但最終保留的9個(gè)變量數(shù)是一致的。

（二）分類預(yù)測(cè)模型效果分析

采用十折交叉驗(yàn)證法對(duì)各個(gè)分類模型進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試。交叉驗(yàn)證法先將數(shù)據(jù)集分成十份，然后輪流將其中的九份作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，剩下的一份作為測(cè)試數(shù)據(jù)，最后通過將每次正確率的平均值作為算法精度的評(píng)估值，這樣可以最大化利用樣本進(jìn)行模型訓(xùn)練（Wong & Yeh， 2020）。經(jīng)過各模型的參數(shù)調(diào)優(yōu)，得到各模型的預(yù)測(cè)結(jié)果（如表4所示），各模型的Kappa值在0.357～0.573之間，Kappa值在0.21～0.40屬于一般一致性（fair），在0.41～0.60屬于中等一致性（moderate）（Viera & Garrett， 2005），說明各模型分類結(jié)果一致性和信度基本達(dá)到要求。

從預(yù)測(cè)結(jié)果分析看，真正率最高且假正率最低的是J48，準(zhǔn)確率達(dá)到0.724，其次是JRip和SVM，最低的是BayesNet和Logistic模型，準(zhǔn)確率僅有0.685。召回率、ROC面積與模型真正率基本成正比，模型的耗時(shí)在0.01～0.03秒之間，構(gòu)建速度很快。其中，與BayesNet準(zhǔn)確率一致的Logistic（0.685），假正率卻低于前者（0.333<0.345），假正率越低說明模型的錯(cuò)誤越少，表明Logistic模型的預(yù)測(cè)能力優(yōu)于BayesNet。

（三）采用Boosting和Bagging集成方法提升分類器預(yù)測(cè)效果

兩種集成方法都使用特殊算法將分類器的分類結(jié)果進(jìn)行組合來判斷預(yù)測(cè)類別，但使用不同的分類策略。提升（Boosting）為每一個(gè)訓(xùn)練樣本賦一個(gè)權(quán)重，在每一輪提升過程結(jié)束時(shí)自動(dòng)調(diào)整權(quán)重。裝袋（Bagging）是將原數(shù)據(jù)集進(jìn)行有放回的抽樣，構(gòu)建出大小和原數(shù)據(jù)集一樣的新數(shù)據(jù)集，再對(duì)所有基分類器的預(yù)測(cè)值進(jìn)行多數(shù)表決（陳子健， 等， 2017）。因此，兩種方法對(duì)不同分類器的預(yù)測(cè)效果和預(yù)測(cè)性能的提高是不一樣的（如圖2所示）。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，各預(yù)測(cè)模型通過兩種集成分類器在真正率、準(zhǔn)確率和召回率上均有不同程度的提高，假正率都有所降低。比較兩種集成方法，除了JRip模型之外，其余預(yù)測(cè)模型使用裝袋（Bagging）比使用提升（Boosting）無(wú)論是在真正率、準(zhǔn)確率和召回率上都有所提高，其中增幅最大的是邏輯回歸模型，準(zhǔn)確率從0.685提高到了0.719，增幅最小的是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，增幅不到0.01。JRip模型在使用提升集成方法而并非在裝袋集成方法取得最好的預(yù)測(cè)性能，這可能與JRip算法本身的運(yùn)行機(jī)制有關(guān)，但準(zhǔn)確率已從0.717提高到0.741，與準(zhǔn)確率最高的J48（0.744）效果相當(dāng);J48在采用裝袋集成方法后的假正率下降到所有模型中最低的0.259，預(yù)測(cè)性能進(jìn)一步得到優(yōu)化。

（四）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)效果分析

Weka中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器是MultilayerPerceptron，運(yùn)行之前需要構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)置激活函數(shù)、損失函數(shù)、隱藏層數(shù)和學(xué)習(xí)率。深度學(xué)習(xí)分類器在Weka中采用Dl4jMlpClassifier，除了與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相似的基本設(shè)置之外，還需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)類型、監(jiān)聽器類型、Epoch個(gè)數(shù)等參數(shù)，然后將之前的9個(gè)預(yù)測(cè)變量作為模型輸入加載到兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，同樣采用十折交叉驗(yàn)證法對(duì)分類模型進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置和預(yù)測(cè)結(jié)果如表5所示。

從表5可以看到，相較之前五個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的真正率、準(zhǔn)確率、召回率、ROC面積等預(yù)測(cè)指標(biāo)均有較大幅度的提升，Kappa值分別為0.674和0.715，模型分類結(jié)果的一致性達(dá)到了高度一致（substantial，0.61～0.80）等級(jí)，模型準(zhǔn)確率分別達(dá)到了0.796和0.820，同時(shí)假正率也降低到0.206和0.179。之后還進(jìn)行了不同方案的模型參數(shù)調(diào)試，如設(shè)置不同的隱藏層數(shù)和修改學(xué)習(xí)率、Epoch數(shù)等，最終經(jīng)過多次嘗試和運(yùn)行，基于本研究的數(shù)據(jù)集深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)效果整體上高于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型運(yùn)行十折交叉驗(yàn)證的時(shí)間較長(zhǎng)，模型耗時(shí)比其他機(jī)器學(xué)習(xí)模型多出較多。

為了比較各個(gè)模型的預(yù)測(cè)性能，計(jì)算出五個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型和兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的ROC面積AUC， AUC的值在0.5到1之間，越接近1預(yù)測(cè)性能越好。圖3是五種機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型在采用提升或裝袋集成分類器后的最優(yōu)AUC值。一般認(rèn)為AUC值為0.6～0.75時(shí)區(qū)分能力一般，大于0.75時(shí)區(qū)分能力較好?？梢钥吹交诒狙芯繑?shù)據(jù)預(yù)測(cè)性能最優(yōu)的是J48決策樹模型，AUC=0.818表示模型的預(yù)測(cè)能力較好，其余模型的AUC值分布在0.736至0.791之間，模型性能尚可接受。對(duì)比兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型（如圖4所示）可以發(fā)現(xiàn)，兩者均高于前五種機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型0.039～0.168，且深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的AUC值已達(dá)到了0.904，說明該模型的預(yù)測(cè)性能很好。

（五）決策樹可視化分析

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型雖然可以得到較高的準(zhǔn)確率，但無(wú)法直觀解釋各預(yù)測(cè)指標(biāo)與學(xué)習(xí)績(jī)效之間的關(guān)系，特別是變量的預(yù)測(cè)重要性等特征，需要進(jìn)一步深入分析，因此采用較為直觀、利于理解并基于本研究數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較高的決策樹模型進(jìn)行可視化構(gòu)圖。采用Clementine中決策樹生成器生成樹狀結(jié)構(gòu)圖，共生成21個(gè)節(jié)點(diǎn)，因節(jié)點(diǎn)5至節(jié)點(diǎn)13的分裂條件與父節(jié)點(diǎn)重復(fù)，且這8個(gè)節(jié)點(diǎn)只覆蓋50名學(xué)生，所以將這8個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行折疊，折疊后的13個(gè)節(jié)點(diǎn)可以解釋823名學(xué)生中773名學(xué)生的變量分布（如圖5所示）。

根據(jù)決策分類圖中的路徑分析，可以較為直觀地分析學(xué)生的學(xué)習(xí)績(jī)效等級(jí)關(guān)系，例如通過節(jié)點(diǎn)0、1、15這條路徑可以得出：如果平均早起時(shí)間早于7.200（7：12AM）并且早起規(guī)律大于0.911（好于91.1%的學(xué)生），那么模型可以預(yù)測(cè)他的學(xué)習(xí)績(jī)效達(dá)到“≥80”這個(gè)等級(jí)。

從決策樹分類結(jié)構(gòu)圖中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效預(yù)測(cè)影響最大的是平均早起時(shí)間，其次是早起規(guī)律、學(xué)習(xí)訪問量、任務(wù)點(diǎn)完成數(shù)、早起次數(shù)及借書量，而視頻學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、借閱深度和平均借書時(shí)長(zhǎng)三個(gè)變量沒有出現(xiàn)在決策樹結(jié)構(gòu)圖中。在Clementine中決策樹生成器算法為C5.0，它選擇具有最高信息增益的變量作為節(jié)點(diǎn)的分裂條件，因此可以看到分裂順序與表2中預(yù)測(cè)變量的排序順序基本一致。三個(gè)沒有出現(xiàn)的變量主要原因是在決策樹生產(chǎn)完后進(jìn)行了剪枝（Pruning），剪枝方法可以處理模型對(duì)數(shù)據(jù)的過擬合問題，通常剪枝方法使用統(tǒng)計(jì)度量，剪去最不可靠的分枝，起到精簡(jiǎn)模型的作用。

（六）基于決策樹和JRip算法生成分類規(guī)則

為了增強(qiáng)決策樹分類結(jié)構(gòu)的易讀性，利用JRip模型產(chǎn)生的規(guī)則與決策樹結(jié)果共同生成規(guī)則集。JRip是RIPPER規(guī)則算法的簡(jiǎn)稱，采用貪婪算法構(gòu)造規(guī)則集，采用錯(cuò)誤率降低剪枝REP（Reduced Error Pruning）技術(shù)，相較于決策樹有更好的剪枝和停止準(zhǔn)則，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化和優(yōu)化規(guī)則集。生成的規(guī)則集按照學(xué)習(xí)績(jī)效“≥80”A型和“<80”B型進(jìn)行分類，并根據(jù)該規(guī)則所能分類的比例進(jìn)行排序（如B類規(guī)則1中“63;0.746”表示該規(guī)則可對(duì)63人中的74.6%也就是47人進(jìn)行分類），比例越高說明規(guī)則的信度越高。選取每一類型比例最高的前三條規(guī)則，最終生成用于學(xué)習(xí)行為診斷模型的規(guī)則集（如表6所示）。

從表6規(guī)則集中可以發(fā)現(xiàn)，在生活場(chǎng)景中早起行為的平均早起時(shí)間是所有規(guī)則中的第一條，而且早起規(guī)律也是較為重要的規(guī)則，其次是學(xué)習(xí)場(chǎng)景中的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)訪問量和任務(wù)點(diǎn)完成數(shù)，而同樣是生活場(chǎng)景的借閱行為中的借書數(shù)量卻只出現(xiàn)了兩次?；诒狙芯繕颖緮?shù)據(jù)，可以將三個(gè)場(chǎng)景的學(xué)習(xí)行為對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效的預(yù)測(cè)重要性排序：早起行為 > 網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí) > 借閱行為。

五、研究討論與總結(jié)

（一）行為表現(xiàn)指標(biāo)有較強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力

從預(yù)測(cè)指標(biāo)的分析中，傾向性指標(biāo)在相關(guān)分析和信息增益率比較排序后被全部刪除掉，排名靠前的均為行為表現(xiàn)指標(biāo)，說明傾向性指標(biāo)和行為表現(xiàn)指標(biāo)對(duì)于學(xué)習(xí)績(jī)效的預(yù)測(cè)能力存在較大差異。這與早期的一些預(yù)測(cè)研究結(jié)果是相符的（斯伯克特， 等， 2012; Park， et al.， 1986），學(xué)習(xí)活動(dòng)開展初期傾向性指標(biāo)的預(yù)測(cè)能力較強(qiáng)，而隨著學(xué)習(xí)活動(dòng)的開展行為表現(xiàn)指標(biāo)逐漸替代傾向性指標(biāo)，成為預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)績(jī)效的主要參數(shù)。學(xué)生的基本屬性隨著時(shí)間的推移，對(duì)學(xué)生自身的發(fā)展而言，在校園學(xué)習(xí)場(chǎng)景和生活場(chǎng)景中發(fā)生的學(xué)習(xí)行為對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效的影響也隨之增加。

不同場(chǎng)景行為表現(xiàn)指標(biāo)的預(yù)測(cè)能力在模型預(yù)測(cè)中是不一樣的，而不同的生活場(chǎng)景對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效的預(yù)測(cè)能力也存在差別。主要原因在于：一是學(xué)習(xí)場(chǎng)景中的在線學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)僅能反映學(xué)生真實(shí)學(xué)習(xí)活動(dòng)中的部分表現(xiàn)，通過在線學(xué)習(xí)日志分析對(duì)基于MOOC等遠(yuǎn)程在線教學(xué)活動(dòng)的預(yù)測(cè)能力較強(qiáng)，而對(duì)于混合式學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂等需要結(jié)合線下課程共同實(shí)施的活動(dòng)，對(duì)學(xué)生最終學(xué)習(xí)績(jī)效的預(yù)測(cè)能力可能是有限的（Hellas， et al.，2018）;二是在生活場(chǎng)景中由于早起與借閱數(shù)據(jù)量的差異影響了預(yù)測(cè)能力，該預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)中早起行為幾乎包括所有學(xué)生每天早上的一卡通消費(fèi)日志，數(shù)據(jù)采集量較大，而圖書館借閱日志的生成需要學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行借閱圖書行為后才能產(chǎn)生，有些學(xué)生一學(xué)期或一學(xué)年的借閱量都較少，也就是這兩種行為數(shù)據(jù)的密度分布存在差異，對(duì)學(xué)生行為表現(xiàn)的度量顯然是不一樣的，從而影響了學(xué)習(xí)績(jī)效的預(yù)測(cè)效果。

（二）機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)性能分析

將多種機(jī)器學(xué)習(xí)分類器混合使用，可以兼具各分類器的性能和效率優(yōu)勢(shì)，綜合和集成多類預(yù)測(cè)模型能顯著提升預(yù)測(cè)能力。本研究采用的五種機(jī)器學(xué)習(xí)模型通過兩種集成方法后預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率平均提升1.01～3.4個(gè)百分點(diǎn)，提升后的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率在69.3%～74.4%，與其他學(xué)者82%～89%（Huang， et al.， 2013）、60%～63%（Hamoud， Hashim， & Awadh， 2018）、82%～88%（Hussain， et al.， 2018）和60%～73%（武法提， 等， 2019）采用不同工具進(jìn)行學(xué)習(xí)績(jī)效預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率基本一致。這些模型在預(yù)測(cè)指標(biāo)和預(yù)測(cè)方法的選擇上都與具體應(yīng)用場(chǎng)景和數(shù)據(jù)樣本有關(guān)。這說明數(shù)據(jù)樣本的差異性使得同一預(yù)測(cè)方法在不同樣本中的預(yù)測(cè)效果存在差異，而同一數(shù)據(jù)樣本采用不同的預(yù)測(cè)方法也會(huì)得到不同的預(yù)測(cè)結(jié)果。因此，在選擇預(yù)測(cè)方法時(shí)需要根據(jù)具體的數(shù)據(jù)樣本類型和分布等情況，基于預(yù)測(cè)目標(biāo)的要求采用有針對(duì)性的預(yù)測(cè)算法，才能實(shí)現(xiàn)較為可靠和可信的預(yù)測(cè)結(jié)果。

（三）深度神經(jīng)預(yù)測(cè)性能和效能分析

從人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)效果來看，僅采用Weka中基本分類器構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，在沒有采用提升與裝袋集成分類器的情況下就達(dá)到了較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度（0.796，0.82）。其他學(xué)者采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率在65%以上（孫發(fā)勤， 等， 2019; Corrigan， et al.， 2017）。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率均高于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，且在Kappa值、召回率等指標(biāo)上均較好。因此，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型可用于對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)行為的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，相較于其他機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型，其優(yōu)異的預(yù)測(cè)性能可用于學(xué)習(xí)行為診斷和學(xué)習(xí)干預(yù)方式的界定。

但深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型也存在耗時(shí)較多的問題。從圖6可以看到，在機(jī)器學(xué)習(xí)模型中各初始預(yù)測(cè)模型的耗時(shí)一般只需0.01～0.03秒，采用了提升和裝袋集成分類器后模型的耗時(shí)開始大幅度增加，但耗時(shí)區(qū)間基本在0.08～0.44秒之間，小于0.5秒。而采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的兩個(gè)模型耗時(shí)在5.66～7.78秒之間，與基本的機(jī)器學(xué)習(xí)模型耗時(shí)相比多了10～15倍。從人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的效能上比較（如圖7所示），預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率僅提高了2.4個(gè)百分點(diǎn)，耗時(shí)就增加了2.12秒，這從預(yù)測(cè)的代價(jià)來說是較大的。不過隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提升，特別是基于并行計(jì)算的GPU價(jià)格下放，無(wú)論是機(jī)器學(xué)習(xí)還是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在GPU上的計(jì)算速度將得到很大改善，計(jì)算效能也有極大提升，這為基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化預(yù)測(cè)應(yīng)用提供了極大的技術(shù)保障。

（四）構(gòu)建學(xué)習(xí)行為診斷模型

雖然基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的預(yù)測(cè)結(jié)果好于其他分類器，但對(duì)于希望挖掘?qū)W習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)發(fā)生的內(nèi)在機(jī)理，目前深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)于學(xué)習(xí)技術(shù)研究來說還是一個(gè)黑盒算法，尚不能提供一個(gè)具體的用于學(xué)習(xí)效果診斷的評(píng)判依據(jù)。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能得到一個(gè)比較理想的預(yù)測(cè)結(jié)果，但預(yù)測(cè)的可操作性還不夠具體。因此，本研究提出一種結(jié)合決策樹規(guī)則集和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)行為診斷模型，相比單一診斷模型，該模型不僅具有深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)精度，而且兼具決策樹和規(guī)則算法的易讀性和可操作性，提升整體模型的泛化能力（如圖8所示）。

從圖8可以看到，該模型分為知識(shí)推理引擎、知識(shí)解釋引擎和知識(shí)應(yīng)用引擎三個(gè)部分。在知識(shí)推理階段，主要是從學(xué)生基礎(chǔ)信息庫(kù)和學(xué)習(xí)事件數(shù)據(jù)庫(kù)中采集模型需要的訓(xùn)練集，用于不同預(yù)測(cè)模型的參數(shù)建立，通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立準(zhǔn)確率較高的預(yù)測(cè)模型，用于判斷行為數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)結(jié)果。同時(shí)，采用基于決策樹和規(guī)則算法的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型生成用于預(yù)測(cè)診斷的規(guī)則集，通過測(cè)試集驗(yàn)證其預(yù)測(cè)效果。在知識(shí)解釋引擎中，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果和預(yù)測(cè)規(guī)則建立學(xué)習(xí)行為診斷模型，通過關(guān)鍵詞AND（并且）、OR（或者）或者不同規(guī)則表達(dá)式的混合使用，當(dāng)新的驗(yàn)證集數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷并形成預(yù)測(cè)結(jié)果時(shí)，解釋引擎具有的IF（條件）THEN（應(yīng)用）結(jié)構(gòu)將觸發(fā)診斷規(guī)則，繼而根據(jù)診斷分類（A型或B型）執(zhí)行特定的應(yīng)用。知識(shí)應(yīng)用引擎根據(jù)特定類型提供相應(yīng)的推薦和干預(yù)模型，對(duì)于學(xué)習(xí)績(jī)效較好的A型依據(jù)資源推薦策略，提供更具個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源推薦;對(duì)于學(xué)習(xí)績(jī)效一般的B型依據(jù)診斷模型中規(guī)則集分析學(xué)習(xí)行為的欠缺之處，提供有針對(duì)性的學(xué)習(xí)行為干預(yù)策略，并對(duì)干預(yù)后的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，通過對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效的測(cè)試和評(píng)價(jià)檢測(cè)推薦和干預(yù)模型的實(shí)施效果，同時(shí)將后期活動(dòng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后存入學(xué)習(xí)事件數(shù)據(jù)庫(kù)中，為進(jìn)一步更新和優(yōu)化預(yù)測(cè)模型提供數(shù)據(jù)保障。

（五）學(xué)習(xí)績(jī)效預(yù)測(cè)機(jī)制與教育價(jià)值

學(xué)習(xí)績(jī)效預(yù)測(cè)的目的不僅是計(jì)算出較高準(zhǔn)確率的分類結(jié)果，更重要的是利用預(yù)測(cè)結(jié)果為學(xué)習(xí)者提供服務(wù)，促使學(xué)習(xí)者優(yōu)化學(xué)習(xí)路徑，改善學(xué)習(xí)成效（Thomas， 2016），從預(yù)測(cè)機(jī)制和教育價(jià)值上分析：

一是在不同場(chǎng)景數(shù)據(jù)的模型預(yù)測(cè)上，局限在一個(gè)具體場(chǎng)景中的學(xué)習(xí)績(jī)效預(yù)測(cè)難以將預(yù)測(cè)結(jié)果泛化到整個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)境中去，而基于多場(chǎng)景數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)模型能比較全面地反映學(xué)習(xí)績(jī)效與場(chǎng)景中不同學(xué)習(xí)行為之間的重要性，不僅對(duì)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率和預(yù)測(cè)效果都有較大的提升，而且預(yù)測(cè)診斷后可以基于規(guī)則為學(xué)生提供在不同學(xué)習(xí)場(chǎng)景的改善意見。如一名學(xué)生經(jīng)過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型診斷為A類型后，發(fā)現(xiàn)符合A類規(guī)則2，說明該學(xué)生有較好的學(xué)習(xí)能動(dòng)性，但生活規(guī)律一般，因此可以在生活場(chǎng)景中鼓勵(lì)學(xué)生定制學(xué)習(xí)規(guī)劃表、推薦與學(xué)科專業(yè)相關(guān)的圖書，在學(xué)習(xí)場(chǎng)景中推薦相關(guān)網(wǎng)絡(luò)課程、提供數(shù)字化學(xué)習(xí)資源等手段，為學(xué)生提升學(xué)習(xí)效率、改進(jìn)學(xué)習(xí)方法、提升學(xué)習(xí)效果提供幫助和指導(dǎo)（胡航， 等， 2020）。隨著智能影像分析和情感識(shí)別等技術(shù)的日益完善，未來可以獲取學(xué)習(xí)者更多場(chǎng)景的數(shù)據(jù)，如在課程學(xué)習(xí)過程中內(nèi)在心理狀態(tài)變化數(shù)據(jù)等，將學(xué)習(xí)表情、學(xué)習(xí)情感、學(xué)習(xí)注意力，從心理學(xué)視角分析學(xué)習(xí)行為和狀態(tài)，探測(cè)影響學(xué)習(xí)結(jié)果的影響因素（牟智佳， 等， 2017），從而提高學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。

二是在學(xué)習(xí)行為的干預(yù)上，根據(jù)被預(yù)測(cè)的等級(jí)進(jìn)行對(duì)應(yīng)級(jí)別的干預(yù)措施。如預(yù)測(cè)為學(xué)習(xí)較差類的學(xué)生進(jìn)行級(jí)別較大的干預(yù)（Perelmutter， McGregor， & Gordon， 2017），然而由于預(yù)測(cè)等級(jí)的具體原因不清晰，常以一類學(xué)生為單位進(jìn)行集體干預(yù)。通過本研究提供的學(xué)習(xí)行為診斷模型，可以反過來從判斷規(guī)則中找到每個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)行為中的問題和薄弱點(diǎn)，避免以群體為單位的粗粒度干預(yù)方式，從而為每個(gè)學(xué)生提供有針對(duì)性的干預(yù)措施，使個(gè)性化的“精準(zhǔn)干預(yù)”成為可能（胡航， 等， 2019）。如一名學(xué)生經(jīng)過模型診斷為B類型后，發(fā)現(xiàn)平均早起時(shí)間晚于7.2，并且網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)訪問量低于88次，符合B類型的規(guī)則1，因此教師可以針對(duì)該學(xué)生的具體情況采取鼓勵(lì)早起學(xué)習(xí)、增加網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)時(shí)間等干預(yù)措施，從而激發(fā)和調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)意識(shí)和學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也為教育政策制定、教學(xué)資源規(guī)劃和教學(xué)方法實(shí)施提供決策支撐。

三是在教育決策上，大數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展為教育決策的制定提供了新的契機(jī)，同時(shí)也帶來了新的挑戰(zhàn)。本研究采集的數(shù)據(jù)由于部分屬性值的缺失（稀疏性）和不平衡（異質(zhì)性），需要高維度的數(shù)據(jù)特征度量和抽樣方法，增加了數(shù)據(jù)處理的難度，降低了數(shù)據(jù)的使用率（從3，243名學(xué)生中抽取出823名），也影響了研究樣本對(duì)總體的解釋程度。因此，基于大數(shù)據(jù)分析的教育決策發(fā)展也面臨一系列亟待解決的問題。但隨著基于大數(shù)據(jù)智能技術(shù)的發(fā)展，特別是面向異構(gòu)大數(shù)據(jù)的新一代統(tǒng)計(jì)推斷體系以及適用于噪聲數(shù)據(jù)挖掘方法和預(yù)測(cè)方法的不斷完善，將為學(xué)校教育管理者和教師分析教育現(xiàn)象和結(jié)果之間的聯(lián)系提供更加可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而增加教育決策的成功率，降低教育決策風(fēng)險(xiǎn)和成本。

六、結(jié)語(yǔ)

本文采用學(xué)生學(xué)習(xí)場(chǎng)景和生活場(chǎng)景中的學(xué)習(xí)行為日志數(shù)據(jù)，通過五種機(jī)器學(xué)習(xí)模型和兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析和比較預(yù)測(cè)結(jié)果和預(yù)測(cè)效能，結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和決策樹與規(guī)則模型的易讀性和易操作性，構(gòu)建了基于規(guī)則集的學(xué)習(xí)行為診斷模型。在研究還存在一些局限性，限于數(shù)據(jù)的缺失和不平衡，研究樣本還未能全覆蓋;三個(gè)場(chǎng)景中的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)績(jī)效還未能涵蓋大學(xué)學(xué)習(xí)場(chǎng)景中對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效影響的其他因素。在后期研究中，將在更多學(xué)習(xí)場(chǎng)景中整合不同學(xué)習(xí)類型和學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，針對(duì)每個(gè)學(xué)習(xí)場(chǎng)景自身的特點(diǎn)和性質(zhì)采取不同的智能化學(xué)習(xí)分析技術(shù)，為學(xué)習(xí)者和教育工作者提供更加精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)與干預(yù)服務(wù)，形成教學(xué)實(shí)驗(yàn)、教學(xué)研究、教學(xué)實(shí)踐的教育大數(shù)據(jù)研究與實(shí)踐的教科研發(fā)展閉環(huán)。

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收稿日期：2020-09-11

定稿日期：2020-11-29

作者簡(jiǎn)介：胡航，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，西南大學(xué)教師教育學(xué)院卓越教學(xué)中心副主任，深度學(xué)習(xí)研究中心主任（400715）。

杜爽，碩士，講師，四川外國(guó)語(yǔ)大學(xué)教育技術(shù)中心（400031）。

梁佳柔，碩士研究生;康忠琳，碩士研究生。西南大學(xué)教育學(xué)部（400715）。

責(zé)任編輯 韓世梅