CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung “Theo Cơ quan Thống kê Giáo dục Đại học (HESA) ở Anh, tỷ lệ bỏ học của các sinh viên đại học đã tăng lên trong ba năm qua. Số liệu thống kê được công bố bởi HESA tiết lộ rằng tổng cộng 26.000 sinh viên ở Anh năm 2015 đã bỏ học từ các chương trình học đã đăng ký sau năm đầu tiên. Ngoài ra, số liệu thống kê cho thấy trình độ giáo dục đại học (HE) mà người học đạt được cho tất cả các cấp, bao gồm cả bậc đại học và sau đại học, đã giảm từ 788. [1] Qua dẫn chứng trên chúng ta thấy được thực trạng sinh viên bỏ học không chỉ là vấn đề đáng quan tâm của các nước đang phát triển hay những nước chưa phát triển.
Mà ở những nước lớn thì đây vẫn là 1 vấn đề nhức nhối cần nghiên cứu và khắc phục. Ảnh minh họa trường đại học 1 Thách thức đối với các trường đại học tại Việt Nam: Chính vì từ tính chất quan trọng đã nêu trên việc dự đoán hiệu suất học tập của sinh viên nhằm phát hiện sớm các sinh viên yếu kém để giúp họ lập kế hoạch học tập phù hợp là một nhu cầu cần thiết ở các trường đại học, cụ thể là đối với cố vấn học tập và ban giám hiệu nhà trường. Bên cạnh đó, các trường đại học tại Việt Nam đã triển khai theo học chế tín chỉ nên các sinh viên thường bị lúng túng khi lựa chọn môn học do có nhiều môn được giảng dạy trong một học kỳ. Khi đó, bên cạnh khả năng tự tìm hiểu thì sinh viên sẽ cần đến sự trợ giúp của giáo viên cố vấn.
Tuy nhiên, bên cạnh kinh nghiệm của mình thì giáo viên cố vấn sẽ phải tra cứu kết quả học tập của từng sinh viên, tìm hiểu hoàn và tư chất của sinh viên để trợ giúp tuỳ theo năng lực của mỗi em, do đó khá tốn thời gian và công sức. Vấn đề đặt ra là làm sao để sử dụng nguồn dữ liệu giáo dục để khai phá và phân tích được xu hướng học tập của sinh viên trong tương lai nhằm giúp cho cả sinh viên và cố vấn học tập. Ảnh minh họa trường đại học 2 1.2 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài Phân tích, dự đoán xu hướng học tập của sinh viên là một nhiệm vụ rất khó khăn vì nó bị ảnh hưởng bởi các yếu tố xã hội, môi trường và hành vi. Thậm chí tâm lý của sinh viên (chủ quan, hay quyết tâm hơn …) cũng trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu suất học tập trong tương lai.
Do đó, thuật toán học máy ngày càng được sử dụng để khám phá mối quan hệ giữa các yếu tố này và kết quả học tập của sinh viên. Có nhiều mô hình dự đoán giáo dục khác nhau để hỗ trợ sinh viên nhằm giúp họ đạt được sự cải thiện trong học tập. Một số lượng đáng kể các nghiên cứu đã được thực hiện để dự đoán hiệu suất của các sinh viên dựa trên phương pháp Bayes. Ví dụ bài “Predicting student performance by using data mining methods for classification.” [2] đã so sánh cách tiếp cận Bayes với các cách tiếp cận phân loại khác để xác định các mẫu hữu ích có thể được trích xuất từ dữ liệu cá nhân và tiền đại học của sinh viên để dự đoán hiệu suất của sinh viên tại trường đại học.
Tương tự, các tác giả của bài “Prediction of student performance using weka tool.” [3] đã sử dụng cách tiếp cận tương tự cho một nghiên cứu so sánh các thuật toán phân loại nhưng mục đích của họ là phân loại các sinh viên và xác định các thuộc tính có ảnh hưởng nhất đến sinh viên thất bại. Hoặc bài “Classification and prediction based data mining algorithms to predict slow learners in education sector” [4] đã thực hiện một nghiên cứu để phân tích dữ liệu nhân khẩu học, xã hội và đánh giá để dự đoán các sinh viên học chậm để cải thiện hiệu suất của họ và giảm tỷ lệ thất bại trước kỳ thi.3 Mục tiêu thực hiện đề tài 1. Tìm hiểu các phương pháp khoa học dữ liệu khác nhau liên quan đến phân tích dữ liệu giáo dục, tập trung vào các phương pháp dự đoán xu hướng kết quả học tập của sinh viên. Thử nghiệm, đánh giá một số phương pháp dự đoán xu hướng kết quả học tập của sinh viên.4 Phương pháp để hiện thực hóa mục tiêu đề tài Khảo sát các nghiên cứu có liên quan tại các hội nghị, trường đại học có uy tín.
Xây dựng dữ liệu cho bài toán dựa theo các quy tắc sau: • Làm sạch dữ liệu • Tích hợp dữ liệu • Biến đổi (Mã hóa) dữ liệu • Rút gọn dữ liệu Tiến hành phân tích dữ liệu theo cách phù hợp: phân tích thống kê và các kỹ thuật: Naïve Bayes, Bayesian Network, Cây quyết định, Bagging Predictors, ANN để phục vụ mục tiêu dự đoán tình trạng học tập của đối tượng sinh viên. Cài đặt thí nghiệm và đánh giá kết quả. Rút ra các kết luận về ưu, nhược điểm và hướng cải tiến cho tương lai.5 Dữ liệu sử dụng Dữ liệu dùng để phân tích của tôi là dữ liệu ở bậc đại học dạng bảng gồm có các thuộc tính: Số thứ tự người học đó (chỉ số đã được mã hóa để không thể hiện tên cá nhân), ngành học của người học đó, số tín chỉ người đó đã học, điểm trung bình, phương thức trúng tuyển đầu vào đại học, điểm trúng tuyển năm đại học, mã tỉnh thường trú, mã trường thpt, ghi chú (tình trạng học tập của sinh viên, còn học, đã tốt nghiệp, đã thôi học,…). Dữ liệu có tất cả 4 khóa tuyển sinh.
4 CHƯƠNG 2 CÁC NGUYÊN TẮC CHUẨN BỊ BỘ DỮ LIỆU Mô phỏng tổng quan về quá trình chuẩn bị bộ dữ liệu 2.1 Giới thiệu chung Sơ đồ giới thiệu sơ lược 5 2.2 Làm sạch dữ liệu Dữ liệu có thể có nhiều phần sai biệt và bị thiếu. Để giải quyết vấn đề này tôi cần làm sạch dữ liệu. Đây là vấn đề quan trọng bậc nhất trước khi muốn thực hiện được 1 kết quả có ích. Bởi vì dữ liệu không chất lượng, không cho kết quả khai thác tốt.
Quyết định đúng đắn của hệ dự đoán phải dựa trên các dữ liệu chính xác. Quy trình thực hiện làm sạch dữ liệu: Điền các giá trị còn thiếu: Tôi tùy biến thực hiện các cách: • Thay thế bằng giá trị trung bình của thuộc tính. • Thay thế bằng giá trị phổ biến nhất trong cùng thuộc tính • Thay thế bằng giá trị trung bình của thuộc tính trong cùng lớp. • Thay thế bằng giá trị có nhiều khả năng nhất: suy ra từ cây quyết định, … ✓ Như đối với dữ liệu điểm, số tín chỉ, ngành học thường loại dữ liệu này sẽ ít bị thiếu, bị mâu thuẫn vì đây là loại dữ liệu bắt buộc và được ưu tiên lưu trữ, bảo quản hàng đầu.
✓ Còn các loại dữ liệu còn lại thì khả năng cao sẽ bị thiếu nhiều dẫn đến việc tôi phải áp dụng các kỹ thuật nêu trên để khắc phục được sự thiếu sót đó. ✓ Đối với Khóa 1 cách thức tuyển thẳng thì đôi khi sẽ không có lưu lại dữ liệu về mã tỉnh thành sinh sống, mã trường trung học phổ thông và điểm trúng tuyển. Đối với trường hợp này tôi thực hiện điền giá trị mã tỉnh trước bằng 6 cách sử dụng cây quyết định. Tôi sử dụng tất cả các instance có phương thức tuyển sinh đã có mã tỉnh để huấn luyện nhằm mục đích dự đoán mã tỉnh cho các instance dữ liệu còn thiếu mã tỉnh (thường là các instance có phương thức tuyển sinh là tuyển thẳng) _có nghĩa tất cả các thuộc tính kia sẽ là đầu vào còn thuộc tính nhãn sẽ là output cần phân lớp.
Sau khi có được kết quả mã tỉnh đầy đủ của khóa 1, tôi tiến hành điền khuyết mã trường thpt của các instance còn thiếu dựa vào mã trường thpt phổ biến nhất trong tỉnh thường trú (chính là căn cứ vào mã tỉnh) của instance đó. Đối với thuộc tính điểm trúng tuyển thì có 1 số instance có cùng cách thức tuyển thẳng đã có đầy đủ, tôi tiến hành lấy trung bình điểm trúng tuyển của các instance này và gán cho các instance còn thiếu điểm trung bình có cùng cách thức tuyển thẳng. ✓ Đối với khóa 3 trường hợp tương tự cũng xảy ra như khóa 1 cách thức tuyển thẳng thì đôi khi sẽ không có lưu lại dữ liệu về mã tỉnh thành sinh sống, mã trường trung học phổ thông và điểm trúng tuyển. Tại đây tôi thực hiện cách tương tự như trên nhưng với dữ liệu của chính khóa 3 này để giải quyết vấn đề.
✓ Đối với khóa 4 cũng gặp tình huống tương tự như 2 khóa trên, tuy nhiên có instance có thêm phương thức tuyển sinh là xét tuyển theo phương thức khác của đơn vị. Trường hợp này cũng không có đầy đủ mã tỉnh thành sinh sống, mã trường trung học phổ thông và điểm trúng tuyển nên tôi cũng áp dụng tương tự như 2 khóa trên. ✓ Đối với khóa 2 dữ liệu mã tỉnh bị thiếu hoàn toàn, vì vậy tôi quyết định sử dụng dữ liệu của cả 3 khóa trên (1,3,4) để huấn luyện cho cây quyết định và dự đoán ra mã tỉnh cho dữ liệu của khóa 2 này. Sau đó tôi tiến hành điền giá trị thiếu của mã trường thpt và điểm trúng tuyển vào tương tự như cách làm với khóa 1.
7 Xác định các sai biệt, khử tạp nhiễu và chỉnh sửa các dữ liệu mâu thuẫn: ✓ Sau khi tiến hành các bước trên tôi tiến hành ra soát lại và chỉnh sửa các dữ liệu sai biệt, tạp, nhiễu, mâu thuẫn. Điều đặc biệt là dữ liệu sai biệt mâu thuẫn rất ít khi xảy ra vì theo tôi nhờ các lý do như: các thuộc tính ngành đào tạo, số tín chỉ, điểm trung bình tích lũy, phương thức trúng tuyển tương đối đủ. Dựa vào đây tôi tiến hành điền thêm các giá trị còn thiếu vào các thuộc tính mã tỉnh, điểm trúng tuyển, mã trường thpt là hết sức hợp lý, khó gây ra mâu thuẫn. Vì thuộc tính phương thức trúng tuyển sẽ chi phối điểm trúng tuyển và mã tỉnh sẽ chi phối mã trường thpt.
Còn về dữ liệu tạp, nhiễu thì tôi không phát hiện trong quá trình rà soát lại.3 Tích hợp dữ liệu Tổng hợp và tích hợp dữ liệu từ nhiều CSDL và tập tin khác nhau khác nhau, điều này là cần thiết các dữ liệu như tôi nêu trên là tập hợp của đa dạng các loại dữ liệu khác nhau.