分類(lèi)技術(shù)在高職教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)分析中的應(yīng)用

黃 敏，何中市

（1.重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，重慶408000；2.重慶大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶400044）

0 引 言

教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)作為保障教學(xué)質(zhì)量的重要手段之一，各高職院校建立了相應(yīng)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)內(nèi)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)也在飛速的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析手段已明顯落后。簡(jiǎn)單地將評(píng)價(jià)結(jié)果反饋給教學(xué)管理部門(mén)，并將該結(jié)果作為教師獎(jiǎng)懲、晉升職稱(chēng)等的依據(jù)之一，無(wú)法對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象與評(píng)價(jià)結(jié)果間隱含的信息進(jìn)行深入挖掘。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)作為一種新興的先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析工具，正被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域［1－4］?；跀?shù)據(jù)挖掘技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)也進(jìn)行了較多的研究［5－8］，但對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的分析及應(yīng)用方面研究較少。鑒于此，本文利用數(shù)據(jù)挖掘中的分類(lèi)技術(shù)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)像與評(píng)價(jià)結(jié)果之間的關(guān)系進(jìn)行深入研究，采用分類(lèi)算法構(gòu)造決策樹(shù)，挖掘出潛在關(guān)系，并將研究結(jié)果運(yùn)用于實(shí)際，為教學(xué)管理者提供了更多的幫助信息。

1 數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘也叫數(shù)據(jù)開(kāi)采，就是按照既定的目標(biāo)，從大量數(shù)據(jù)中提取先前未知的信息或模式。它是從數(shù)據(jù)庫(kù)中知識(shí)發(fā)現(xiàn) （knowledge discovery in database，KDD）過(guò)程中的一個(gè)主要步驟。

KDD過(guò)程可以分為4部份：數(shù)據(jù)清理與集成 （cleaning and integration）、選擇與轉(zhuǎn)換 （selection and transformation）、數(shù)據(jù)挖掘 （data mining）、評(píng)估與表示 （evaluation and presentation）。數(shù)據(jù)清理與集成的目的是辨別出需要分析的數(shù)據(jù)集合，縮小處理范圍，然而實(shí)際系統(tǒng)中收集到的原始數(shù)據(jù)通常是 “臟”的，即數(shù)據(jù)存在雜亂性、重復(fù)性以及不完整性；選擇與轉(zhuǎn)換可以處理數(shù)據(jù)中的遺漏及清洗臟數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)挖掘的質(zhì)量；數(shù)據(jù)挖掘階段進(jìn)行實(shí)際的挖掘操作，它要先決定是進(jìn)行發(fā)現(xiàn)型的數(shù)據(jù)挖掘還是驗(yàn)證型的數(shù)據(jù)挖掘，然后選擇合適的工具，進(jìn)行發(fā)現(xiàn)知識(shí)的操作及證實(shí)發(fā)現(xiàn)的知識(shí)；評(píng)估與表示這一步聚的任務(wù)不僅是采用特定的方式把結(jié)果表達(dá)出來(lái)，還要對(duì)信息進(jìn)行過(guò)濾處理，如果不能令人滿(mǎn)意，需要重復(fù)以上數(shù)據(jù)挖掘過(guò)程。

2 數(shù)據(jù)挖掘分類(lèi)技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘分類(lèi)技術(shù)主要有決策樹(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、k－均值、貝葉期分類(lèi)、粗糙集、遺傳算法、回歸算法等等，這些技術(shù)一般有兩個(gè)步驟［9］。①建立模型，通過(guò)分析由屬性描述的樣本集來(lái)建立模型；②模型應(yīng)用，即使用模型進(jìn)行分類(lèi)，通過(guò)對(duì)模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率進(jìn)行評(píng)估，如果認(rèn)為模型的準(zhǔn)確率可以接受，則可以用它對(duì)數(shù)據(jù)樣本或?qū)ο筮M(jìn)行分類(lèi)。分類(lèi)結(jié)果的好壞取決于預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的高低，選擇不同的分類(lèi)技術(shù)將導(dǎo)致不同的分類(lèi)結(jié)果。

2.1 基于決策樹(shù)的分類(lèi)

決策樹(shù)又稱(chēng)判定樹(shù)，它是一個(gè)類(lèi)似于流程圖的樹(shù)結(jié)構(gòu)，提供了使用一組 “if－then”規(guī)則來(lái)分類(lèi)記錄的技術(shù)［10］。決策樹(shù)由節(jié)點(diǎn)、分支和葉子3部分組成，節(jié)點(diǎn)代表屬性，葉子結(jié)點(diǎn)代表類(lèi)別，樹(shù)的最頂層節(jié)點(diǎn)是根節(jié)點(diǎn)，從根節(jié)點(diǎn)到葉子結(jié)點(diǎn)的一條路徑開(kāi)成一條分類(lèi)規(guī)則，其應(yīng)用較為廣泛［11－12］。目前已形成了多種決策樹(shù)算法，如 CLS、ID3、CHAID、CART、FACT、C4.5、GINI、SEE5、SLIQ、SPRINT等［13］。其中最著名的算法是1986年J.R.Quinlan在 “Induction of Decision Trees”論文中提出的ID3算法和1993年改進(jìn)后的C4.5算法。C4.5算法是ID3算法的改進(jìn)版本，它采用信息增益率 （gain ratio）克服了用信息增益選擇屬性時(shí)偏向于選擇取值多的屬性不足；在樹(shù)構(gòu)造過(guò)程中或者構(gòu)造完成之后，進(jìn)行剪枝；能夠完成對(duì)連續(xù)屬性的離散化處理；能夠?qū)τ诓煌暾麛?shù)據(jù)進(jìn)行處理；最終可以形成產(chǎn)生式規(guī)則。

2.2 算法策略

C4.5算法是通過(guò)訓(xùn)練樣本集構(gòu)造一個(gè)決策樹(shù)，而決策樹(shù)的每個(gè)結(jié)點(diǎn)是使用信息增益率來(lái)選擇屬性。信息增益率計(jì)算方法如下：

設(shè)S＝ ｛S1，S2，…，Sn｝，每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象有 m個(gè)屬性，選擇其中一個(gè)屬性V為類(lèi)標(biāo)號(hào)屬性，且V＝ ｛V1，V2，…，Vk｝，其中k為屬性V的取值個(gè)數(shù)，則屬性V的取值將數(shù)據(jù)對(duì)象集合S劃分為k個(gè)子集Ci（i＝1，2，…k）。設(shè)si是子集Ci中的對(duì)象個(gè)數(shù)，則對(duì)一個(gè)給定的對(duì)象分類(lèi)所需要的期望信息為

其中pi＝si/n，是任意對(duì)象屬于Ci的概率。

設(shè)屬性A有u個(gè)不同取值 ｛a1，a2，…，au｝，利用屬性A的不同取值可以將數(shù)據(jù)對(duì)象集合S劃分為u個(gè)子集｛S1，S2，…，Su｝，其中Sj包含了S中在屬性A上具有相同值aj，設(shè)Sij是子集Sj中集合Cj的對(duì)象個(gè)數(shù)，則由屬性A劃分子集的熵為

其中I（s1j＋…＋skj）＝。

因此，在屬性A上分枝的信息增益為

屬性A的信息熵為

屬性A的信息增益率為

通過(guò)以上公式，可求出數(shù)據(jù)對(duì)象各屬性的信息增益率，找出其中具有最高信息增益率的屬性作為分支結(jié)點(diǎn)，依次類(lèi)推即可構(gòu)建一棵分類(lèi)決策樹(shù)。

3 分類(lèi)技術(shù)在高職教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

本應(yīng)用研究以重慶某職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)管理系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，主要是針對(duì)教師的基本情況和評(píng)價(jià)結(jié)果之間的關(guān)系進(jìn)行分析，建立優(yōu)秀教師模型，使學(xué)校對(duì)教師激勵(lì)有一個(gè)確切的依據(jù)，同時(shí)對(duì)學(xué)校將來(lái)引進(jìn)人才方面提供一定的參考。研究過(guò)程使用的是教師基本情況和2009年秋期教學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)目前正在使用的教學(xué)管理系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)庫(kù)獲取 （見(jiàn)表1和表2）。

表1 教師基本信息

表2 教師教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)消減等幾步。在教師信息表中雖然有一些感興趣的屬性缺少屬性值，但根據(jù)C4.5算法的特點(diǎn)，這些記錄可以保留。在評(píng)價(jià)結(jié)果表中，有些教師因?yàn)閰⑴c評(píng)價(jià)的學(xué)生過(guò)少 （＜20）或者某老師在該學(xué)期沒(méi)有任課而沒(méi)有評(píng)價(jià)結(jié)果，所以進(jìn)行了刪除，同時(shí)對(duì)一些不感興趣的屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)清理、集成后共有168條記錄，占總記錄數(shù)的98.6%。為了讓挖掘結(jié)果易于理解，我們采用直方圖中的分箱法對(duì)年齡進(jìn)行處理，最終生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 最終生成的訓(xùn)練數(shù)據(jù)

3.2 構(gòu)造決策樹(shù)

本研究中，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練共有168個(gè)教學(xué)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，4個(gè)屬性，分別是性別、學(xué)歷、職稱(chēng)、年齡，根據(jù)教學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果屬性的不同取值，將樣本分為兩個(gè)不同的子集： ｛“yes”｝、｛“no”｝。表4是用于計(jì)算增益的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

現(xiàn)在計(jì)算教學(xué)評(píng)價(jià) （JXPJ）的信息熵

表4 各屬性樣本分布

下面計(jì)算教學(xué)評(píng)價(jià)基于其它屬性的條件信息熵

E （XB）＝ － （99/168 （（37/99）log2（37/99）＋（62/99）log2（62/99））－ （69/168 （（29/69）log2（29/69）＋ （40/69）log2（40/69））＝0.965035562

Gain＝I （S1，S2） － E （XB） ＝0.993883692－0.965035562＝0.0288481

split＿info （XB）＝ － （99/168）log2（99/168）－（69/168）log2（69/168）＝0.976874013

則教師性別 （XB）的信息增益率為

gain＿ratio （XB）＝Gain/split＿info＝0.0288481/0.976874013＝0.029531

同理可計(jì)算

gain＿ratio （XL）＝0.150159766

gain＿ratio （ZC）＝0.067266797

gain＿ratio （NL）＝0.060292002

經(jīng)過(guò)比較，由于教師學(xué)歷 （XL）屬性具有最高信息增益率，可以得出決策樹(shù)的第一層節(jié)點(diǎn)為教師學(xué)歷，然后建立第一層節(jié)點(diǎn)。

其它節(jié)點(diǎn)依次類(lèi)推，直到所有的樣本都屬于同一類(lèi)或樣本數(shù)為空，建立葉子節(jié)點(diǎn)，當(dāng)所有的屬性值都已經(jīng)訪(fǎng)過(guò)，就完成了決策樹(shù)的建立 （見(jiàn)圖1）。

3.3 決策樹(shù)的修剪

當(dāng)決策樹(shù)創(chuàng)建時(shí)，由于訓(xùn)練樣本太少或數(shù)據(jù)中存在噪聲和孤立點(diǎn)，許多分枝反映的是訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的異?，F(xiàn)象，建立的決策樹(shù)會(huì)過(guò)度擬合訓(xùn)練樣本集，反而不具有很好的預(yù)測(cè)性能［14］。通常用兩種方法對(duì)樹(shù)進(jìn)行修剪，分別為先剪枝方法、后剪枝方法，后剪枝方法主要有4種：悲觀錯(cuò)誤剪枝 （PEP）、最小錯(cuò)誤剪枝 （MEP）、代價(jià)復(fù)雜度剪枝（CCP）、基于錯(cuò)誤剪枝 （EBP）［15］。本文采用的是基于錯(cuò)誤剪枝。其基本思想是讓決策樹(shù)完全地生長(zhǎng)，通過(guò)計(jì)算某結(jié)點(diǎn)上的子樹(shù)被剪枝可能出現(xiàn)有期望錯(cuò)誤率，如果剪去該結(jié)點(diǎn)導(dǎo)致較低的期望錯(cuò)誤率，則刪除該結(jié)點(diǎn)；如果剪去該結(jié)點(diǎn)導(dǎo)致較高的期望錯(cuò)誤率，則保留該子樹(shù)。圖2就是通過(guò)后剪枝后的教學(xué)效果是否優(yōu)秀的分類(lèi)決策樹(shù)。

3.4 生成分類(lèi)規(guī)則

決策樹(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以直接提取分類(lèi)規(guī)則。將決策樹(shù)進(jìn)行廣度優(yōu)先搜索，對(duì)每一個(gè)葉節(jié)點(diǎn)，求出從根節(jié)點(diǎn)到該葉節(jié)點(diǎn)的路徑，該路徑所有節(jié)點(diǎn)的劃分條件并在一起，并在每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)生成IF－THEN規(guī)則，即構(gòu)成一條分類(lèi)規(guī)則。由于本研究中主要是希望了解教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為“優(yōu)”的情況，因此所提取的規(guī)則主要考慮分類(lèi)為 “yes”的百分比規(guī)則。所生成的分類(lèi)規(guī)則如下：

規(guī)則1：IF學(xué)歷＝碩士 THEN 類(lèi)是 “yes”的比例為92.3%；

規(guī)則2：IF學(xué)歷＝本科AND性別＝男AND職稱(chēng)＝副教授THEN類(lèi)是 “yes”的比例為85.5%；

規(guī)則3：IF學(xué)歷＝本科AND性別＝男AND職稱(chēng)＝高講AND年齡＞37THEN類(lèi)是 “yes”的比例為87.5%；

規(guī)則4：IF學(xué)歷＝本科AND性別＝女AND職稱(chēng)＝副教授AND年齡＞45THEN類(lèi)是 “yes”的比例為90.9%；

圖1 教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果決策樹(shù)

圖2 剪枝后的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果決策樹(shù)

規(guī)則5：IF學(xué)歷＝本科AND性別＝女AND職稱(chēng)＝高講AND年齡＞45THEN類(lèi)是 “yes”的比例為79.3%。

3.5 結(jié)論的運(yùn)用

將從決策樹(shù)中提取的分類(lèi)規(guī)則匯報(bào)給教學(xué)管理者，根據(jù)規(guī)則，教學(xué)管理者對(duì)學(xué)校教師任課情況做了一定的調(diào)整，對(duì)具有高學(xué)歷、高職稱(chēng)及年齡在37歲以上的教師充實(shí)到教學(xué)第一線(xiàn)，并適當(dāng)增加課時(shí)量，發(fā)揮他們的長(zhǎng)處，在教學(xué)隊(duì)伍中起到帶頭、示范作用。對(duì)于年青教師則通過(guò)交流、聽(tīng)課、教學(xué)活動(dòng)等手段來(lái)提高他們的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及能力。在引進(jìn)人才方面也以高學(xué)歷高職稱(chēng)為主。經(jīng)過(guò)2010年春期實(shí)踐，對(duì)2010年春期的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行挖掘，30歲以下的年青教師的優(yōu)秀率從原來(lái)的10.12%提高到28.43%，具有明顯的提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合重慶某職業(yè)技術(shù)學(xué)院2009年秋教學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果及教師個(gè)人信息數(shù)據(jù)，利用決策樹(shù)分類(lèi)算法實(shí)現(xiàn)了二者之間關(guān)系的分析，并得出一定的結(jié)論，為教學(xué)管理者提供決策支持并取得一定的效果。當(dāng)然，教師的儀表、行為，學(xué)生自身素質(zhì)及其它因素是否也會(huì)影響到學(xué)生對(duì)教師的評(píng)價(jià)，這也值得探討。將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)充分應(yīng)用到教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，能幫助教學(xué)管理者和決策者從中獲取更多有價(jià)值的、有興趣的信息與知識(shí)，對(duì)教學(xué)的發(fā)展與教學(xué)質(zhì)量的提高有很大的幫助。

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