Tổng quan nghiên cứu

Thực trạng sinh viên bỏ học, nợ môn và thi lại đang là bài toán nan giải tại nhiều cơ sở giáo dục đại học và cao đẳng trên cả nước. Theo các thống kê giáo dục gần đây, tỷ lệ sinh viên tốt nghiệp đúng hạn tại nhiều trường chỉ dao động trong khoảng 60% đến 80%. Nhiều cơ sở giáo dục đại học ghi nhận hàng trăm đến hàng nghìn trường hợp bị xử lý học vụ mỗi năm, điển hình như quyết định buộc thôi học đối với 346 sinh viên tại một trường đại học khối kinh tế, hay danh sách cảnh cáo và buộc thôi học lên đến 1.036 sinh viên tại một trường đại học khối công nghệ thực phẩm.

Tại Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Bà Rịa Vũng Tàu, số liệu thống kê cuối năm học 2021-2022 cho thấy có gần 200 học sinh sinh viên nghỉ học hoặc bỏ học giữa chừng, đẩy tỷ lệ không đủ điều kiện tốt nghiệp lên tới gần 40% tổng số sinh viên cuối khóa. Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ việc sinh viên thi rớt nhiều môn, nợ tín chỉ kéo dài dẫn đến mất động lực học tập. Trước thực trạng cấp bách đó, luận văn tập trung giải quyết bài toán: Xây dựng mô hình máy học có khả năng dự đoán sớm kết quả môn học và tự động đưa ra các khuyến cáo học tập kịp thời.

Mục tiêu cụ thể của công trình là phân tích các thuộc tính điểm thành phần của 2.200 học sinh sinh viên thuộc 6 khóa đào tạo (T19, T20, T21, CD19, CD20, CD21) trong giai đoạn 2 năm học từ 2020 đến 2022. Đề tài ứng dụng các thuật toán phân loại tiên tiến nhằm phát hiện sớm những sinh viên có nguy cơ không đạt môn học ngay từ giữa học kỳ. Về mặt thực tiễn, việc cảnh báo sớm giúp nhà trường triển khai các giải pháp can thiệp sư phạm chủ động, hướng tới mục tiêu giảm tỷ lệ thôi học từ 20% đến 30% và nâng cao tỷ lệ hoàn thành chương trình đúng hạn cho nhà trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của học máy có giám sát (Supervised Learning), cụ thể là bài toán phân loại nhị phân (Binary Classification) nhằm dự báo nhãn đầu ra gồm hai trạng thái: Đạt hoặc Không đạt. Khung lý thuyết của đề tài tập trung đối sánh 3 mô hình thuật toán phân loại tiêu biểu:

  • Hồi quy Logistic (Logistic Regression): Kỹ thuật phân loại tuyến tính sử dụng hàm kích hoạt Sigmoid để ánh xạ giá trị đầu vào thành xác suất nằm trong khoảng từ 0 đến 1, kết hợp phân phối Bernoulli và ngưỡng quyết định mặc định là 0.5 để gán nhãn cho dữ liệu.
  • Máy vector hỗ trợ (Support Vector Machine - SVM): Thuật toán phân loại dựa trên nguyên lý tối thiểu hóa rủi ro cấu trúc (SRM). SVM xác định siêu phẳng tối ưu nhằm tối đại hóa khoảng cách lề (margin) giữa hai lớp dữ liệu. Để xử lý các tập dữ liệu có nhiễu, mô hình áp dụng cơ chế lề mềm với biến bù và tham số phạt C, kết hợp các hàm nhân (Kernel functions) để ánh xạ không gian phi tuyến sang không gian đặc trưng nhiều chiều.
  • Cây quyết định (Decision Tree): Cấu trúc phân nhánh dựa trên lý thuyết phân chia dữ liệu đệ quy, sử dụng các thuật toán như ID3 với thước đo Độ lợi thông tin (Information Gain) và Entropy, hoặc CART dựa trên hệ số tạp chất Gini để tìm thuộc tính phân chia tối ưu tại từng nút.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích với cỡ mẫu chuẩn gồm 2.200 hồ sơ kết quả học tập của sinh viên thuộc 5 khoa chuyên ngành trọng điểm: Công nghệ thông tin, Điện, Cơ khí, May thời trang và Chế biến thực phẩm. Nguồn dữ liệu do Phòng Đào tạo Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Bà Rịa Vũng Tàu cung cấp trực tiếp, thu thập xuyên suốt trong 2 năm học 2020-2021 và 2021-2022. Mỗi khóa học được trích xuất dữ liệu của 1 môn học chuyên ngành tiêu biểu để bảo đảm tính khách quan và đại diện.

Bộ thuộc tính đầu vào bao gồm 4 cột điểm kiểm tra thường xuyên (quá trình hệ số 1) và 4 cột điểm kiểm tra định kỳ (hệ số 2) được ghi nhận từ đầu học kỳ đến trước thời điểm thi kết thúc môn. Lý do lựa chọn các thuật toán SVM, Logistic Regression và Decision Tree là vì đây là các phương pháp phân loại mẫu dạng bảng kinh điển, có chi phí tính toán thấp, khả năng giải thích cao và đã được chứng minh hiệu quả trên các tập dữ liệu giáo dục quy mô vừa. Toàn bộ quy trình tiền xử lý, huấn luyện và đánh giá mô hình được thực hiện trên môi trường Google Colaboratory thông qua ngôn ngữ lập trình Python và các thư viện chuyên sâu gồm Pandas, NumPy, Matplotlib, Seaborn và Scikit-Learn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm và phân tích dữ liệu trên 2.200 hồ sơ sinh viên đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

  • Tương quan điểm số: Các biến điểm kiểm tra định kỳ 1, 2, 3 (hệ số 2) và điểm quá trình 1, 2, 3 (hệ số 1) có hệ số tương quan rất cao đối với kết quả cuối khóa. Điểm số tích lũy giai đoạn trước tuần thứ 8 đóng góp hơn 75% vào độ chính xác của quyết định phân loại.
  • Hiệu năng vượt trội của mô hình SVM: Thuật toán Support Vector Machine đạt độ chính xác dự báo cao nhất, ghi nhận mức chính xác từ 92,5% đến 94,8% trên tập kiểm thử, cao hơn đáng kể so với mô hình Logistic Regression (đạt khoảng 86,4% đến 88,2%) và mô hình Decision Tree (đạt khoảng 84,1% đến 87,5%).
  • Tốc độ xử lý thực thi: Thời gian huấn luyện và đưa ra dự báo của cả 3 mô hình đều rất tối ưu, trung bình dưới 0,15 giây cho mỗi lượt xử lý dữ liệu của một lớp học 40 đến 50 sinh viên.
  • Khả năng khử nhiễu của SVM lề mềm: Khi điều chỉnh tham số phạt C trong khoảng từ 1.0 đến 10.0, SVM xử lý triệt để các trường hợp điểm số bất thường (sinh viên có điểm quá trình trung bình nhưng bứt phá ở kỳ thi cuối hoặc ngược lại), giảm thiểu tỷ lệ báo động giả xuống dưới 6%.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng vượt trội của SVM được giải thích bởi khả năng tìm kiếm siêu phẳng phân cách tối ưu dựa trên các vector hỗ trợ, giúp mô hình không bị ảnh hưởng quá mức bởi toàn bộ các điểm dữ liệu phân tán. Ngược lại, Cây quyết định dễ rơi vào trạng thái quá khớp (Overfitting) do các nhánh phân chia quá sâu theo từng mốc điểm lẻ, trong khi Hồi quy Logistic gặp hạn chế khi ranh giới phân tách dữ liệu điểm thực tế mang tính phi tuyến.

Về mặt trực quan hóa, ma trận tương quan (Heatmap) thể hiện rõ mức độ ảnh hưởng của từng cột điểm QT và ĐK đến nhãn kết quả. Biểu đồ phân bố mật độ (KDE Distribution) cho thấy các phân vị điểm dưới 5.0 ở các bài kiểm tra định kỳ giai đoạn đầu kỳ phân tách rất rõ ràng giữa hai nhóm đỗ và trượt. Bảng đối chứng kết quả thực nghiệm và biểu đồ thanh so sánh độ chính xác khẳng định mô hình SVM hoàn toàn đủ độ tin cậy để tích hợp vào hệ thống quản lý học tập thực tế. Kết quả này tương đồng với các công bố quốc tế về khai phá dữ liệu giáo dục, chứng minh rằng can thiệp sớm dựa trên dữ liệu đánh giá quá trình là hướng đi mang tính đột phá cho các trường nghề.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp cụ thể:

  • Tích hợp mô hình AI vào cổng thông tin đào tạo: Phòng Đào tạo phối hợp cùng Tổ Công nghệ thông tin triển khai cài đặt module dự báo tự động trên hệ thống quản trị của nhà trường, hoàn thành trong quý 1 năm 2024. Mục tiêu là tự động quét và phân loại nguy cơ học tập cho 100% sinh viên các khoa ngay sau khi có điểm định kỳ lần 2.
  • Thiết lập quy trình tư vấn và can thiệp sư phạm cá nhân hóa: Ban Giám hiệu ban hành quy chế phối hợp giữa Giáo viên chủ nhiệm và Giáo viên bộ môn. GVCN phải tổ chức gặp gỡ, tư vấn trực tiếp cho tối thiểu 90% sinh viên nằm trong danh sách cảnh báo đỏ trong vòng 10 ngày kể từ khi nhận khuyến cáo, giúp sinh viên điều chỉnh phương pháp học tập.
  • Chuẩn hóa quy định cập nhật điểm số định kỳ: Ban Giám hiệu quy định giảng viên các bộ môn phải số hóa và nhập điểm kiểm tra thường xuyên lên hệ thống theo chu kỳ 7 ngày một lần, đảm bảo độ trễ dữ liệu không vượt quá 24 giờ kể từ thời điểm chấm bài để hệ số dự báo đạt độ tin cậy cao nhất.
  • Mở rộng phạm vi và nâng cấp thuật toán: Nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển mô hình trong giai đoạn 2024-2025 bằng cách kết hợp thêm các biến dữ liệu phi học thuật như tỷ lệ chuyên cần, thời gian tự học trên hệ thống trực tuyến, hướng tới mục tiêu nâng độ chính xác dự báo toàn diện lên trên 96%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cán bộ quản lý giáo dục và Ban giám hiệu các trường cao đẳng, đại học: Nắm bắt mô hình ứng dụng phân tích dữ liệu học tập (Learning Analytics) vào quản trị trường học thông minh, hỗ trợ ra quyết định chính sách nhằm giảm tỷ lệ sinh viên thôi học xuống dưới mức 15%.
  • Giảng viên bộ môn và Giáo viên chủ nhiệm: Sử dụng phương pháp luận của đề tài để theo dõi sát sao tiến độ học tập của từng lớp học, áp dụng công cụ cảnh báo nhằm xây dựng kế hoạch bồi dưỡng kiến thức kịp thời cho sinh viên yếu kém trước kỳ thi chính thức.
  • Học viên cao học và Nhà nghiên cứu chuyên ngành Công nghệ thông tin: Khảo cứu tài liệu thực chứng về quy trình xử lý dữ liệu điểm số, kỹ thuật tinh chỉnh siêu tham số cho thuật toán SVM và phương pháp xây dựng hệ thống khuyến cáo trên nền tảng Python.
  • Kỹ sư phát triển phần mềm giáo dục (EdTech): Tận dụng thuật toán và mã nguồn mở từ nghiên cứu để tích hợp các tính năng cảnh báo thông minh vào các hệ thống quản lý học tập (LMS) và phần mềm quản lý đào tạo hiện hành.

Câu hỏi thường gặp

  • Mô hình dự đoán kết quả môn học sử dụng những đặc trưng dữ liệu đầu vào nào? Mô hình khai thác trực tiếp 4 cột điểm kiểm tra quá trình hệ số 1 và 4 cột điểm kiểm tra định kỳ hệ số 2 của sinh viên. Các dữ liệu này được thu thập trong nửa đầu học kỳ từ phòng đào tạo và được chuẩn hóa về thang điểm 10 trước khi đưa vào mô hình huấn luyện.

  • Tại sao thuật toán SVM lại đạt độ chính xác cao hơn Logistic Regression và Cây quyết định? SVM vượt trội nhờ nguyên lý tối thiểu hóa rủi ro cấu trúc và cơ chế tối ưu hóa lề phân cách tối đa giữa các lớp. Điều này giúp SVM phân loại chính xác các điểm dữ liệu nằm gần ranh giới và kiểm soát tốt các mẫu dữ liệu nhiễu với độ chính xác đạt trên 92,5%.

  • Cỡ mẫu thực nghiệm trong nghiên cứu có đảm bảo tính đại diện khoa học không? Nghiên cứu sử dụng cỡ mẫu gồm 2.200 hồ sơ sinh viên thực tế thuộc 6 khóa học khác nhau tại 5 khoa chuyên ngành của Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Bà Rịa Vũng Tàu. Cỡ mẫu này đủ lớn và đa dạng, đảm bảo tính khách quan và khả năng tổng quát hóa cao.

  • Mô hình này có thể triển khai áp dụng cho các cơ sở giáo dục nghề nghiệp khác không? Hoàn toàn có thể áp dụng. Cấu trúc mô hình được thiết kế tổng quát hóa cho dữ liệu điểm dạng bảng tiêu chuẩn. Mọi trường cao đẳng, đại học áp dụng thang điểm quá trình và định kỳ tương tự đều có thể tái sử dụng mã nguồn và quy trình tiền xử lý này.

  • Thời điểm nào trong học kỳ là lý tưởng nhất để hệ thống đưa ra khuyến cáo? Thời điểm tối ưu nhất là giữa tuần thứ 6 và tuần thứ 8 của học kỳ, ngay sau khi sinh viên hoàn thành bài kiểm tra định kỳ lần 2. Khoảng thời gian này cung cấp đủ dữ liệu tin cậy cho mô hình đồng thời vẫn đủ thời gian cho giảng viên và sinh viên can thiệp cải thiện điểm số.

Kết luận

  • Luận văn giải quyết thành công bài toán dự báo học tập bằng cách xây dựng hoàn chỉnh mô hình máy học trên tập dữ liệu 2.200 học sinh sinh viên Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Bà Rịa Vũng Tàu.
  • Thực nghiệm chứng minh thuật toán Support Vector Machine (SVM) đạt hiệu năng tối ưu nhất với độ chính xác đạt trên 92,5%, vượt trội hơn so với Logistic Regression và Decision Tree.
  • Đóng góp chính của đề tài là cung cấp một giải pháp cảnh báo sớm có tính ứng dụng thực tiễn cao, giúp nhà trường chủ động nhận diện sinh viên có nguy cơ rớt môn ngay từ giữa kỳ.
  • Lộ trình triển khai tiếp theo trong giai đoạn 2024-2025 tập trung vào việc nhúng mô hình vào hệ thống phần mềm quản lý đào tạo trực tuyến và mở rộng thêm các thuật toán học sâu kết hợp.
  • Các cơ sở giáo dục đại học và giáo dục nghề nghiệp nên chủ động ứng dụng mô hình chuyển đổi số này để nâng cao chất lượng đào tạo và tối ưu hóa tỷ lệ sinh viên tốt nghiệp đúng hạn.