基于數(shù)據(jù)挖掘的校園運(yùn)動(dòng)研究

周義 陳婕 孟翔 汪小蕓 張豹

收稿日期：2023-06-27

基金項(xiàng)目：貴州省2022年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202214440127）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.04.009

摘? 要：體質(zhì)測(cè)試作為反饋大學(xué)生體質(zhì)健康水平的根本途徑，為高校開展學(xué)生健康干預(yù)工作提供了數(shù)據(jù)支撐，但如何對(duì)體測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析及合理使用也變得尤為重要。文章通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究大學(xué)生體測(cè)數(shù)據(jù)，分別采用決策樹、樸素貝葉斯、貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)體測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示，貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率最高。利用CART決策樹對(duì)體測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，由此可得到最優(yōu)決策樹，由最優(yōu)決策樹分析影響大學(xué)生體質(zhì)水平的重要因素，進(jìn)一步探討體測(cè)成績(jī)對(duì)大學(xué)生身體素質(zhì)的影響和作用，從而提高大學(xué)生參與校園運(yùn)動(dòng)的熱情和興趣。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘；決策樹；樸素貝葉斯；貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；校園運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP391? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2024）04-0041-05

Research on Campus Sports Based on Data Mining

ZHOU Yi， CHEN Jie， MENG Xiang， WANG Xiaoyun， ZHANG Bao

（Science College， Guizhou Institute of Technology， Guiyang? 550003， China）

Abstract： Physical fitness testing， as the fundamental way to provide feedback on the physical health level of college students， provides data support for universities to carry out student health intervention work. However， it has become particularly important to scientifically analyze and reasonably use physical fitness data. This paper uses data mining techniques to study the physical measurement data of college students， and uses decision trees， naive Bayes， and Bayesian neural networks to predict the physical measurement data. The results show that Bayesian neural networks have the highest prediction accuracy. By using the CART decision tree to classify physical testing data， the optimal decision tree can be obtained. It analyzes the important factors that affect the physical fitness level of college students through the optimal decision tree， further explore the impact and role of physical testing scores on the physical fitness of college students， and thereby enhance their enthusiasm and interest in participating in campus sports.

Keywords： data mining; Decision Tree; naive Bayes; Bayesian Neural Networks; campus sports

0? 引? 言

隨著數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的更新迭代，使用數(shù)據(jù)挖掘工具對(duì)高校學(xué)生的體測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和處理已成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)。在我國，對(duì)此展開了多方面的研究，比如利用Clementine 12.0數(shù)據(jù)挖掘軟件分析高校學(xué)生體測(cè)中各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則[1]，從而對(duì)各個(gè)指標(biāo)的影響因素做出判斷。本文運(yùn)用Jupyter Lab數(shù)據(jù)挖掘軟件對(duì)大學(xué)生體測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析。由于高校學(xué)生體測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量較為龐大，而數(shù)據(jù)挖掘工具在此方面的應(yīng)用也并未成熟，尤其是缺乏高效的數(shù)據(jù)挖掘算法，基于此，本文擬對(duì)大學(xué)生體測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析，并運(yùn)用決策樹算法、樸素貝葉斯算法以及貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，有效降低數(shù)據(jù)計(jì)算量，提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，并將這些算法應(yīng)用到對(duì)大學(xué)生體測(cè)數(shù)據(jù)的挖掘分析之中，從多維角度實(shí)現(xiàn)對(duì)大學(xué)生身心狀況的測(cè)試和評(píng)價(jià)。這有助于引導(dǎo)大學(xué)生轉(zhuǎn)變“重文輕體”的思想觀念，提高大學(xué)生身體素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展[2]。

1? 基于分類算法的數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘是一個(gè)從紛亂龐雜到協(xié)調(diào)有序的有效信息提取過程，是充分挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值的過程[3]，也是統(tǒng)計(jì)分析的延伸和擴(kuò)展，涉及多種技術(shù)和方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹、模糊算法、關(guān)聯(lián)規(guī)則法等。隨著數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)挖掘理論逐漸形成，并以數(shù)據(jù)挖掘過程規(guī)范和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為核心內(nèi)容。數(shù)據(jù)挖掘的應(yīng)用涵蓋商業(yè)、醫(yī)療、金融、教育、政府等多個(gè)領(lǐng)域，可以應(yīng)用于市場(chǎng)營(yíng)銷分析、疾病預(yù)測(cè)和診斷、信用評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理、教育評(píng)估和決策支持、政府決策和公共服務(wù)等方面。數(shù)據(jù)挖掘的持續(xù)發(fā)展，不僅為我們提供了更多富有價(jià)值的信息，也為我們提供了更多的機(jī)會(huì)。

1.1? CART決策樹

CART決策樹是一種可以從復(fù)雜、不規(guī)則數(shù)據(jù)中找出最優(yōu)數(shù)據(jù)的分類模型，其形式主要是建立一個(gè)二分枝模型，從而對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)決策分類，并通過分類實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)。該算法的分類主要是通過計(jì)算Gini系數(shù)選取屬性集中的某個(gè)屬性，將當(dāng)前待分類的樣本集分為兩個(gè)子樣本集，并循環(huán)往復(fù)此步驟，直至當(dāng)前待分類的樣本集被判定為葉節(jié)點(diǎn)或達(dá)到停止分類的條件[4-6]。

CART決策樹選取的分裂屬性為基尼系數(shù)，假設(shè)類的總數(shù)為J，P表示特征，Pj表示第j個(gè)特征在樣本總數(shù)中所占的比例，則基尼系數(shù)的計(jì)算式為：

（1）

樣本集合M的基尼系數(shù)為：

（2）

其中，| M |表示集合M總樣本數(shù)，| Cj |表示集合M中屬性為j的樣本子集數(shù)，基尼系數(shù)Gini（M）表示集合M的不確定性。

1.2? 樸素貝葉斯

樸素貝葉斯的目標(biāo)是通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)集學(xué)習(xí)聯(lián)合概率分布P（X，Y），并由貝葉斯定理將聯(lián)合概率轉(zhuǎn)化為先驗(yàn)概率分布和條件概率分布之積[7]。給定數(shù)據(jù)集T = {（x1， y1）， （x2， y2）， …， （xn， yn）}，其中N表示樣本總數(shù)，xi = （xi（1）， xi（2）， …， xi（n））T是一個(gè)n維向量，yi ∈ {c1， c2， …， ck}，k表示標(biāo)簽類別數(shù)。首先計(jì)算先驗(yàn)概率：

（3）

再給出條件概率：

（4）

由式（2）可以看出，條件概率有指數(shù)級(jí)的參數(shù)數(shù)目，直接計(jì)算的工作量巨大，而貝葉斯關(guān)于條件概率提出一個(gè)條件獨(dú)立的假設(shè)，即：

（5）

對(duì)于給定數(shù)據(jù)x = （x（1）， x（2）， …， x（M））T，聯(lián)立（1）（3）可得：

（6）

在分類時(shí)，樸素貝葉斯通過學(xué)習(xí)到的模型將后驗(yàn)概率最大的類作為x的類輸出[8]，最終的分類函數(shù)為：

（7）

1.3? 貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

隨著深度學(xué)習(xí)的不斷發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因其強(qiáng)大的非線性擬合能力而備受關(guān)注。其中，貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種將貝葉斯理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合在一起進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘的方法。它的優(yōu)點(diǎn)在于將不確定性考慮在內(nèi)使模型更加可靠。具體來說，貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在貝葉斯原理的基礎(chǔ)上引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，在權(quán)值的后驗(yàn)概率下進(jìn)一步優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并利用權(quán)值的最大后驗(yàn)概率來計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，進(jìn)而構(gòu)建一種新型的貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。這個(gè)模型在處理小數(shù)據(jù)集、避免過擬合和提高模型泛化能力方面具有優(yōu)勢(shì)。一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以視為一個(gè)條件分布模型P（ y | x， w），其中y表示標(biāo)簽數(shù)據(jù)，x表示輸入數(shù)據(jù)，w表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，D表示數(shù)據(jù)集，將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高斯分布以獲得更高可能性的參數(shù)。

（8）

通過最大似然估計(jì)（MLE）方法最大化后驗(yàn)概率獲得參數(shù)點(diǎn)估計(jì)：

（9）

在最大似然估計(jì)中，將w取不同值概率視為相等，即并不對(duì)w做出先驗(yàn)估計(jì)。如果為w引入先驗(yàn)估計(jì)，就變成最大后驗(yàn)估計(jì)（MAP）[9]：

（10）

按照已知的先驗(yàn)分布，基于貝葉斯原理對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不確定因素進(jìn)行分析，得到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的后驗(yàn)概率，使得后驗(yàn)概率最大的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是最優(yōu)的。

2? 數(shù)據(jù)處理

2.1? 數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析

由于男、女生的體測(cè)項(xiàng)目和成績(jī)?cè)u(píng)判標(biāo)準(zhǔn)有所不同，需按性別將數(shù)據(jù)集分成兩組。在進(jìn)行具體的分析之前，需要對(duì)分類得到的數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，檢測(cè)數(shù)據(jù)集中體測(cè)項(xiàng)目與最終成績(jī)之間的關(guān)系。本文使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)來檢驗(yàn)不同特征之間的相關(guān)性，假設(shè)有兩個(gè)變量X、Y，兩個(gè)變量之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)計(jì)算式為：

（11）

其中，cov表示變量之間的協(xié)方差，σ表示標(biāo)準(zhǔn)差，E表示期望。相關(guān)系數(shù)的符號(hào)“+”“-”分別表示正相關(guān)、負(fù)相關(guān)，值的大小代表了兩個(gè)變量之間影響關(guān)系的強(qiáng)弱程度。

從表1男性相關(guān)性分析中可以看出，各個(gè)項(xiàng)目之間的相關(guān)性不是太強(qiáng)，有益于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。此外，圖中最后一列，即總分等級(jí)與各測(cè)試項(xiàng)目之間的相關(guān)系數(shù)中，1 000米測(cè)試與總分等級(jí)的相關(guān)性最大，表明1 000米測(cè)試對(duì)總分等級(jí)的影響因子最大，而立定跳遠(yuǎn)、引體向上和50米測(cè)試對(duì)總分等級(jí)的影響也較大。

從表2女性相關(guān)性分析中可以看出，50米測(cè)試和800米測(cè)試之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，而其余各個(gè)項(xiàng)目之間的相關(guān)性并不是太強(qiáng)。此外，圖中最后一列，即總分等級(jí)與各測(cè)試項(xiàng)目之間的相關(guān)系數(shù)中，800米測(cè)試和50米測(cè)試的成績(jī)與總分等級(jí)的相關(guān)性很大，表明對(duì)于女生來說，短、長(zhǎng)跑測(cè)試對(duì)總分等級(jí)的影響因子最大。

2.2? 數(shù)據(jù)的歸一化處理

歸一化是將數(shù)據(jù)的絕對(duì)數(shù)值轉(zhuǎn)化為相對(duì)數(shù)值的一種線性尺度變換過程。通常，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層采用Sigmoid轉(zhuǎn)換函數(shù)，為提高訓(xùn)練速度和靈敏性以及有效避開Sigmoid函數(shù)的飽和區(qū)，一般要求輸入數(shù)據(jù)的值在0～1之間[10]。為確保所構(gòu)建的模型具備一定的外推功能，需要將預(yù)處理數(shù)據(jù)的值控制在0.2～0.8之間。基于此，本文采用標(biāo)準(zhǔn)差方法對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，即：

（12）

其中，μ表示向量x的均值，σ表示向量x的標(biāo)準(zhǔn)差，使原始體測(cè)數(shù)據(jù)在0～1之間變化。

3? 模型預(yù)測(cè)結(jié)果分析及比較

3.1? 歸一化數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)對(duì)比

貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入歸一化是對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法。樣本數(shù)據(jù)歸一化處理后，模型在訓(xùn)練集上的準(zhǔn)確率經(jīng)過500次迭代后，收斂至90%左右，而未經(jīng)歸一化處理的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過500次迭代后仍未收斂。因此，在求解精度上，歸一化處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過模型計(jì)算優(yōu)于未歸一化的數(shù)據(jù)[11]，模型測(cè)試結(jié)果表明，輸入向量各分量經(jīng)歸一化處理后，預(yù)測(cè)效果優(yōu)于轉(zhuǎn)化前的數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1? 歸一化與未歸一化數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2? CART決策樹結(jié)果分析

文中使用JupyterLab實(shí)現(xiàn)CART決策樹的編程，將大學(xué)生體測(cè)原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入處理，獲得男、女生最優(yōu)決策樹，結(jié)果如圖2、圖3所示。

從圖2來看，在男生體測(cè)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集中有7 748

個(gè)數(shù)據(jù)，劃分為4個(gè)類別，數(shù)量分別為2 483、5、

5 043、213，對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽分別是不及格、優(yōu)秀、及格、良好，其中及格的數(shù)量最多。此外，Gini系數(shù)表示樣本的不確定性，Gini的值越大，表明樣本集合的不確定性越大[12]。而決策樹會(huì)把Gini系數(shù)下降最快的特征作為根節(jié)點(diǎn)，所以選擇1 000米測(cè)試作為第一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，表明1 000米測(cè)試是影響男生體測(cè)成績(jī)的第一要素，而立定跳遠(yuǎn)和引體向上也是影響男生體測(cè)成績(jī)的重要因素。

從圖3來看，在女生體測(cè)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集中有2 195

個(gè)數(shù)據(jù)，劃分為4個(gè)類別，數(shù)量分別為312、1、

1 747、135，對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽分別是不及格、優(yōu)秀、及格、良好，其中及格的數(shù)量最多。而決策樹會(huì)把Gini系數(shù)下降最快的特征作為根節(jié)點(diǎn)，所以選擇800米測(cè)試作為第一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，表明800米測(cè)試是影響女生體測(cè)成績(jī)的第一要素，而50米測(cè)試也是影響女生體測(cè)成績(jī)的重要因素。

3.3? 決策樹、樸素貝葉斯與貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比較

在本實(shí)驗(yàn)中，選用決策樹、樸素貝葉斯和貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種分類器進(jìn)行對(duì)比。選擇數(shù)據(jù)集中80%的樣本作為訓(xùn)練樣本集，剩下20%的樣本用作測(cè)試樣本集，將選區(qū)的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)作為輸出，帶入貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)對(duì)測(cè)試集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并分析分類效果。最后，將相同的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)和測(cè)試集數(shù)據(jù)分別帶入決策樹和高斯樸素貝葉斯進(jìn)行性能對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。

從結(jié)果可以看出，取同樣的數(shù)據(jù)和特征，在預(yù)測(cè)男、女生的體測(cè)成績(jī)中，貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確率達(dá)到93%以上，比決策樹和樸素貝葉斯的準(zhǔn)確率都高；從精確率上看，貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)結(jié)果也高于決策樹和樸素貝葉斯。說明貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在分類準(zhǔn)確率和精確率兩個(gè)方面均優(yōu)于決策樹和樸素貝葉斯。

貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適用于具有復(fù)雜輸入輸出關(guān)系的數(shù)據(jù)挖掘，且預(yù)測(cè)時(shí)不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸一化處理，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)模型的求解效率，同時(shí)，該模型能夠通過分析大樣本數(shù)據(jù)來確定影響學(xué)生體測(cè)成績(jī)的關(guān)鍵因素，并對(duì)這些因素之間的相關(guān)性進(jìn)行定量分析，具有較好的泛化能力。與決策樹相比，貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅具備優(yōu)良的非線性性能，還具備貝葉斯后驗(yàn)概率的真實(shí)性。

表3? 不同算法對(duì)于男生體測(cè)成績(jī)預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

算法 指標(biāo)

準(zhǔn)確率 精確率 召回率

決策樹 0.868 4 ± 0.007 2 81.32 83.13

樸素貝葉斯 0.889 0 ± 0.004 7 88.82 80.29

貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 0.934 5 ± 0.004 3 88.91 81.45

表4? 不同算法對(duì)于女生體測(cè)成績(jī)預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

算法 指標(biāo)

準(zhǔn)確率 精確率 召回率

決策樹 0.883 4 78.43 78.43

樸素貝葉斯 0.908 9 86.04 82.55

貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 0.938 1 90.41 85.46

4? 通過數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行體質(zhì)分析

模型預(yù)測(cè)結(jié)果表明，該高校學(xué)生體測(cè)成績(jī)良好及優(yōu)秀率不足2.85%。從整體上來看，該高校學(xué)生的體質(zhì)健康水平有待進(jìn)一步提高。

結(jié)合男生相關(guān)性分析和最優(yōu)決策樹，1 000米測(cè)試對(duì)男生成績(jī)影響最大，而引體向上和立定跳遠(yuǎn)次之。1 000米作為男生體能、耐力和爆發(fā)力的測(cè)試，主要檢驗(yàn)?zāi)猩男姆喂δ?、下肢力量以及肌肉發(fā)展水平是否達(dá)到正常水準(zhǔn)。結(jié)合相關(guān)性和Gini系數(shù)來看，Gini系數(shù)低的因素相關(guān)性也較差，說明在日常訓(xùn)練中男生應(yīng)根據(jù)自身的不足，補(bǔ)足短板，進(jìn)行專項(xiàng)的體能和耐力訓(xùn)練，全面提升自己的體質(zhì)健康水平。

在女生的體測(cè)項(xiàng)目中，起決定性作用的是800米和50米測(cè)試，表明一部分女生在有氧、無氧耐力上與標(biāo)準(zhǔn)水平還有一定的差距，而這類女生可以考慮適當(dāng)增加身體鍛煉的頻次以及提升鍛煉的效果，比如加強(qiáng)日常跑步訓(xùn)練，進(jìn)行跳繩等有氧鍛煉。如果女生能夠在這兩個(gè)項(xiàng)目中取得優(yōu)異成績(jī)，那么女生體測(cè)的及格率將會(huì)大大提高。

5? 結(jié)? 論

學(xué)生的體質(zhì)健康水平一直以來都是高校重點(diǎn)關(guān)注的一項(xiàng)指標(biāo)，而體測(cè)數(shù)據(jù)不僅是學(xué)生體質(zhì)健康水平的一種直觀反映，更是高校學(xué)子身體機(jī)能的綜合體現(xiàn)。本文通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)探索體測(cè)成績(jī)與高校學(xué)生身體素質(zhì)的關(guān)系，利用決策樹、樸素貝葉斯、貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了相應(yīng)處理，再利用CART決策樹得到最優(yōu)分類模型，提取出當(dāng)前學(xué)生的體測(cè)成績(jī)并進(jìn)行了分析，進(jìn)而有效干預(yù)高校學(xué)生身體素質(zhì)的發(fā)展，為進(jìn)一步采取相應(yīng)措施提供可循依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：周義（2000—），男，漢族，貴州畢節(jié)人，本科在讀，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘；通訊作者：張豹（1988—），男，漢族，安徽阜陽人，講師，碩士研究生，研究方向：數(shù)據(jù)安全。