基于關(guān)聯(lián)規(guī)則方法的高校學生學業(yè)預(yù)警研究

余楨偉 孫玉珠

（江蘇科技大學蘇州理工學院 江蘇省張家港市 215600）

隨著高等教育普及化，高校教學管理迎來了新問題，大學生因無法完成學業(yè)而退學給個人和家庭都造成了很大損失。為了讓學生盡早意識并解決學習中存在的問題，各高校建立了學業(yè)預(yù)警機制，基于教育大數(shù)據(jù)的學業(yè)預(yù)警研究成為了當下高等教育研究熱點。大部分高校以往屆學生的考試成績作為主要數(shù)據(jù)來源，通過計算學生掛科門數(shù)或取得學分數(shù)，對比預(yù)警標準，考察學生是否會被預(yù)警。這種 “事后預(yù)警”無法對學生學業(yè)情況有效地跟進和及時反饋。

本文運用Apriori 算法分析數(shù)據(jù)來研究和構(gòu)建學生學業(yè)預(yù)警模型，對學生掛科課程預(yù)警展開研究。以教務(wù)系統(tǒng)中的真實成績數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析課程之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。目的在于優(yōu)化現(xiàn)有的學業(yè)預(yù)警機制，體現(xiàn)預(yù)警的時間預(yù)先性，分析課程成績之間的關(guān)聯(lián)度，輔助高校教學管理部門提高教育教學管理水平，幫助學生更好的規(guī)劃完成學業(yè)。

1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)提取

本文所使用的原始數(shù)據(jù)來自江蘇某獨立學院教務(wù)系統(tǒng)2016年以來所有學生的學業(yè)成績數(shù)據(jù)。根據(jù)高校學生手冊，將預(yù)警生定義為：學生每學期必修課程掛科數(shù)量在2 到4 門之間的學生定義為預(yù)警警示的學生；一學年必修課程掛科數(shù)量在4 門及以上的學生視為退學預(yù)警的學生。為便于探究，選取該校2017 級船舶與海洋專業(yè)（以下簡稱船海專業(yè)）學生學業(yè)成績進行挖掘分析。在數(shù)據(jù)選取時除去學生補考和重修的成績，只保留學生初修成績。

1.2 數(shù)據(jù)標準化

在學生成績表里，大部分課程是百分制形式（0-100 分），少數(shù)課程采用五級制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）。為方便數(shù)據(jù)標準化，將百分制統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成五級制。優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格分別設(shè)定為：成績大于90，成績介于80 到90，成績介于70 到80，成績介于60 到70，成績小于60。再將成績數(shù)據(jù)基于學號進行行列互換。

1.3 成績數(shù)據(jù)離散化

為方便后續(xù)分析，對轉(zhuǎn)換后的成績數(shù)據(jù)進行離散化處理。課程只列舉10 門，課程與代碼之間的對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。分別用A、B、C、D 和E 來代表課程成績中的優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格。

表1：課程與代碼對應(yīng)關(guān)系表

表2：離散化后的學生成績數(shù)據(jù)

表3：船海專業(yè)預(yù)警學生成績數(shù)據(jù)

并且為了簡化表格，把表中列出的全部的課程用代碼來表示，離散化后的數(shù)據(jù)表如表2 所示，以下為部分樣本。

2 學生掛科課程關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘

根據(jù)本文對學業(yè)預(yù)警的界定，在第一學期掛科兩門及以上的情況需要予以關(guān)注。基于預(yù)處理后的學生學業(yè)成績數(shù)據(jù)，得到預(yù)警警示學生的名單。將上述轉(zhuǎn)換后的學生學業(yè)成績表與預(yù)警警示學生名單關(guān)聯(lián)，得到預(yù)警學生的成績數(shù)據(jù)。對2017 級船海專業(yè)學生一學年里預(yù)警學生成績數(shù)據(jù)進行代碼化和離散化處理，取其中部分學生的13 門課程數(shù)據(jù)如表3 所示。

挖掘?qū)W生課程成績?yōu)椤癊”(“不及格”)的課程之間的關(guān)系。設(shè)置最小支持度大小為50%，最小置信度大小為70%。因為這些數(shù)據(jù)是預(yù)警學生的成績數(shù)據(jù)，所以掛科課程會很多，由表里面課程成績?yōu)椴患案竦臄?shù)據(jù)進行變換后得到事務(wù)數(shù)據(jù)庫，再用Apriori 關(guān)聯(lián)規(guī)則算法依次求出候選項集、頻繁項集等。這里在課程之間先后關(guān)系限制和最小支持度與最小置信度的規(guī)則限制下，從這些頻繁項集中得出對應(yīng)的規(guī)則共14 條，抽選出若干條強關(guān)聯(lián)規(guī)則來作以下分析。

規(guī)則1：{船舶流體力學1}→{船舶阻力與推進}，該規(guī)則的支持度為100%，置信度為76.92%。支持度越大，說明在預(yù)警學生中該兩門課程同時不及格非常普遍，且前置課程不及格導致后置課程不及格可能性比較大，為76.92%。

規(guī)則2：{船舶結(jié)構(gòu)力學1} →{船舶阻力與推進}的置信度為76.92%，支持度為100%。說明當預(yù)警學生的船舶結(jié)構(gòu)力學1 不及格時，該生的船舶阻力與推進也極有可能不及格。

規(guī)則3：{ 船舶流體力學1，船舶結(jié)構(gòu)力學1 }→{船舶阻力與推進}的置信度大小為76.92%，支持度為100%。在預(yù)警警示學生里面，當船舶流體力學1 和船舶結(jié)構(gòu)力學1 課程都掛科的時候，該生的船舶阻力與推進課程也極有可能會不及格。

由以上結(jié)果可知，在學生第一學期掛科的情況下，需要警示學生下一學期極大概率會不及格的課程，用以提醒教學管理部門要充分考慮好課程的先修與后繼關(guān)系來調(diào)整安排授課計劃，減少學生后繼課程掛科的概率。

結(jié)合學生日常學業(yè)情況分析，一部分原因是部分課程作為先修課程難度較大，二是學生學習態(tài)度不認真，松懈了自己所修課程，老師需要及時地督促學生吸收理解所學知識，同時重視學生對基礎(chǔ)知識的掌握。學校教學管理部門可以探索修訂教學計劃安排，加強學生理解專業(yè)知識的能力，強調(diào)基礎(chǔ)知識的鞏固。教師在教學上，學生在學習中都要高度重視先修課程的教學與學習。

3 Weka實驗驗證

在Weka 中運用關(guān)聯(lián)規(guī)則算法對前面整理好的學生離散化成績數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，找出學生被預(yù)警情況和掛科之間的關(guān)系，對前期樣本挖掘結(jié)果進行驗證。

將船海專業(yè)預(yù)警學生成績離散化后的數(shù)據(jù)表導入Weka 后，在分類面板里面選擇Associate 子面板，選擇其中的Apriori 算法，修改屬性設(shè)置，將其中的選項“output itemsets”選擇為“True”，其他保留默認設(shè)置，執(zhí)行數(shù)據(jù)挖掘。通過該實驗挖掘出的相關(guān)規(guī)則如下：

對比分析以上結(jié)果，表示前面得出的學業(yè)成績預(yù)警是有效的，樣本挖掘結(jié)果可靠。在船海專業(yè)課程關(guān)系里，課程船舶流體力學1，船舶結(jié)構(gòu)力學1 和船舶阻力與推進仍然是強關(guān)聯(lián)規(guī)則。

4 結(jié)論

本文研究發(fā)現(xiàn)，教學管理部門和任課教師要高度重視先修課程的教學，尤其要注意有先修課程掛科兩門及以上情況的學生，激勵學生努力趕上，先修課程沒有學好的情況下，雖然會加大后繼課程的學習難度，但學生如能及時努力，也有機會達到學業(yè)合格要求。教學管理部門要在重視先修和后繼課程之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)上制定教學計劃，修訂人才培養(yǎng)方案，更加科學合理的編排課程教學順序。