鄧連瑾

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津　300221)

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基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的高職信息資源獲取研究

鄧連瑾

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300221)

摘要：高校信息系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，積累了海量綜合反映學(xué)生各方面學(xué)習(xí)特征的數(shù)據(jù)，充分利用這些信息將極大改進(jìn)教學(xué)工作。但從這些海量數(shù)據(jù)中提取出規(guī)律性的信息并指導(dǎo)教學(xué)工作，卻是信息系統(tǒng)使用的瓶頸。文本提出了采用C4.5決策樹這一數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的重要算法，為海量數(shù)據(jù)提取提供了一條行之有效的途徑。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘；高校；C4.5

一、 引言

近年來(lái)，隨著教育信息化水平的進(jìn)一步提高，高校信息管理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，存儲(chǔ)了海量歷史數(shù)據(jù)，從這些不斷積淀的歷史數(shù)據(jù)中挖掘出有用信息將會(huì)對(duì)提高高職院校教學(xué)工作起到很大作用。作者經(jīng)過(guò)多年探討和研究，最終選擇以數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來(lái)解決從這些海量歷史數(shù)據(jù)中抽取有用信息的難題，進(jìn)一步推動(dòng)了高職院校教育信息化工作。

數(shù)據(jù)挖掘(Data Mining)就是從海量數(shù)據(jù)中抽取出潛在的、有價(jià)值的知識(shí)(模型或規(guī)則)的過(guò)程。它融合了數(shù)據(jù)庫(kù)、人工智能等等多個(gè)領(lǐng)域的前沿理論，能提取海量歷史數(shù)據(jù)中隱藏的、并且具有應(yīng)用價(jià)值的深層信息。目前在我國(guó)教育領(lǐng)域，該技術(shù)的應(yīng)用研究還處于初級(jí)階段。本文結(jié)合自身多年高職教育實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該技術(shù)在高職教育信息化中的應(yīng)用展開深入研究。

二、 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)挖掘(Data Mining)就是從海量數(shù)據(jù)中，抽取出潛在的、有價(jià)值的知識(shí)(模型或規(guī)則)的過(guò)程，屬于一種深層次的數(shù)據(jù)分析方法。它是一門交叉學(xué)科，包括統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)、模式識(shí)別等多種相關(guān)前沿技術(shù)。該技術(shù)主要由挖掘算法、海量歷史數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)建模能力這三個(gè)部分組成。

作為一種有效利用海量數(shù)據(jù)資源的技術(shù)手段，數(shù)據(jù)挖掘在教育領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。只有正確理解數(shù)據(jù)挖掘的技術(shù)特點(diǎn)，才能減少應(yīng)用的盲目性，充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。下面簡(jiǎn)要介紹數(shù)據(jù)挖掘的幾種技術(shù)方法。

(一)關(guān)聯(lián)規(guī)則

關(guān)聯(lián)規(guī)則，是指挖掘用來(lái)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用在有效提取海量教育歷史數(shù)據(jù)中有用信息這一教育領(lǐng)域，將有非常高的利用價(jià)值和發(fā)展前景。但是在實(shí)際研究過(guò)程中，只有正確理解該技術(shù)的特點(diǎn)才能避免盲目性，降低研發(fā)過(guò)程中的損失，使研究更有方向性，更能充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

(二)分類與預(yù)測(cè)

對(duì)海量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和預(yù)測(cè)是數(shù)據(jù)挖掘的另一種重要方法。它針對(duì)已有數(shù)據(jù)集，構(gòu)建出一個(gè)分類函數(shù)或模型，從而將數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)分別映射到已識(shí)別出的類別中。預(yù)測(cè)是從已有數(shù)據(jù)中自動(dòng)推導(dǎo)出推廣的模型，即對(duì)未知數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(三)聚類規(guī)則

聚類是一種比較常見(jiàn)的處理過(guò)程，其依托已有數(shù)據(jù)，將海量原始數(shù)據(jù)按照某種潛在的相似性進(jìn)行歸類，最終得到若干種類別。歸類的目標(biāo)是類別內(nèi)部個(gè)體關(guān)系盡量近，類別之間個(gè)體關(guān)系盡量遠(yuǎn)，從而達(dá)到一種“抱團(tuán)”效應(yīng)。和上文所述的分類方法不同，最終得到的不同類別不是事先預(yù)定的，而是在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中逐步產(chǎn)生的。

(四)孤立點(diǎn)分析

孤立點(diǎn)是指數(shù)據(jù)集中與多數(shù)數(shù)據(jù)的特征或行為完全不一致的數(shù)據(jù)。早期數(shù)據(jù)挖掘算法中，習(xí)慣將孤立點(diǎn)從數(shù)據(jù)集合中刪除，以保證數(shù)據(jù)的純潔性。經(jīng)深入研究發(fā)現(xiàn)孤立點(diǎn)可能代表了某些具有較大應(yīng)用價(jià)值的特殊規(guī)則，因而需對(duì)其作特殊處理。

(五)演變分析

演變分析是指根據(jù)已有數(shù)據(jù)的特征對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)展變化作出預(yù)測(cè)與分析。該方法主要應(yīng)用于對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的分析。

數(shù)據(jù)挖掘整個(gè)過(guò)程一般包括以下七個(gè)步驟：?jiǎn)栴}的理解和提出、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)挖掘、模式評(píng)估、知識(shí)表示，上述各過(guò)程不是一次完成，某些步驟或全過(guò)程均可能出現(xiàn)重復(fù)進(jìn)行。

1.問(wèn)題的理解和提出：在開始數(shù)據(jù)挖掘之前，最基礎(chǔ)的工作就是理解數(shù)據(jù)集和相關(guān)業(yè)務(wù)問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上提出問(wèn)題，并明確數(shù)據(jù)挖掘的目標(biāo)；

2.數(shù)據(jù)收集：廣泛收集源數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)庫(kù)等形式進(jìn)行存儲(chǔ)，為下一步數(shù)據(jù)挖掘準(zhǔn)備；

3.數(shù)據(jù)處理：對(duì)收集的源數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，例如去除噪聲數(shù)據(jù)等等，去除各干擾因素的影響，使數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映挖掘?qū)ο螅?/p>

4.數(shù)據(jù)變換：針對(duì)后面數(shù)據(jù)挖掘的要求，將經(jīng)過(guò)去除噪聲數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其更加適合數(shù)據(jù)挖掘操作；

5.數(shù)據(jù)挖掘：可以利用單一或復(fù)合的數(shù)據(jù)挖掘方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘已確定的目標(biāo)所需要的各種規(guī)則、趨勢(shì)、類別、模型等；

6.模式評(píng)估：對(duì)挖掘后發(fā)現(xiàn)的各種規(guī)則、趨勢(shì)、類別、模型等等進(jìn)行評(píng)估，從而保證挖掘結(jié)果的正確性；

7.知識(shí)表示：將挖掘結(jié)果以可視化的形式提供給用戶，以便使用。

為初始數(shù)據(jù)建立模型是數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的關(guān)鍵步驟。同一數(shù)據(jù)源，采用不同的建模方法，其建模結(jié)果也不相同，因此建模技術(shù)才是數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的核心。通過(guò)對(duì)該技術(shù)的深入研究，目前已經(jīng)發(fā)展出諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、遺傳算法和決策樹法等多種建模方法。其中決策樹法應(yīng)用最為廣泛。

決策樹法的核心思想是將原始數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，先對(duì)其進(jìn)行分類，在分類過(guò)程中逐漸形成樹結(jié)構(gòu)。如果僅根據(jù)已有的原始數(shù)據(jù)不能形成正確的分類樹，則補(bǔ)充一些例外數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，重復(fù)上述過(guò)程直到形成正確的決策樹分類。在數(shù)據(jù)挖掘過(guò)程中可以根據(jù)決策樹分類結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。決策樹由分支、決策節(jié)點(diǎn)和葉子組成。其中最上面的節(jié)點(diǎn)是根節(jié)點(diǎn)，向下每一個(gè)分支是決策節(jié)點(diǎn)或葉子節(jié)點(diǎn)。決策節(jié)點(diǎn)代表對(duì)當(dāng)前的一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行決策，決策的依據(jù)就是該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于待分類對(duì)象的各項(xiàng)屬性。樹中每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)都代表一種分類結(jié)果。利用決策樹進(jìn)行分類的過(guò)程即沿已有決策樹自上而下進(jìn)行不斷決策的過(guò)程，在每個(gè)決策節(jié)點(diǎn)都會(huì)依據(jù)當(dāng)前對(duì)象屬性進(jìn)行一次決策，走向下一個(gè)分支，重復(fù)進(jìn)行該決策過(guò)程，最終到達(dá)葉子節(jié)點(diǎn)，獲得判斷結(jié)果。數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域很多建模方法均需要事先熟知決策所屬領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，設(shè)定相關(guān)決策參數(shù)。根據(jù)上述算法流程可知，決策樹算法的優(yōu)勢(shì)在于不需要這些領(lǐng)域知識(shí)，并根據(jù)這些知識(shí)設(shè)定決策參數(shù)。因此該算法適用于探索性領(lǐng)域的數(shù)據(jù)挖掘。

由J.Ross Quinlan提出的C4.5算法是國(guó)際上公認(rèn)的最具影響的基于信息熵的決策樹算法，它根據(jù)屬性集的取值進(jìn)行分類。該算法源于ID3算法，但在以下幾方面進(jìn)行了優(yōu)化。

(1)對(duì)源數(shù)據(jù)要求較低，能夠?qū)Σ煌暾臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理；

(2)可以在決策樹的構(gòu)造過(guò)程中剪枝；

(3)不僅能夠處理離散數(shù)據(jù)，還能夠完成對(duì)連續(xù)屬性進(jìn)行離散化處理；

(4)原ID3算法使用信息增益選擇屬性，改進(jìn)后的算法使用信息增益率來(lái)選擇屬性，解決了選擇屬性時(shí)偏向選擇取值多的屬性的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)對(duì)大量原始數(shù)據(jù)的分類測(cè)試對(duì)比，證明改進(jìn)后的C4.5算法較原始的ID3算法生成的決策樹更小，生成規(guī)則更簡(jiǎn)便，而且其分類效率更高，性能更優(yōu)越。

三、 數(shù)據(jù)挖掘算法研究

C4.5算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，有兩個(gè)最核心的技術(shù)點(diǎn)，分別是屬性選擇度量和樹剪枝，下面將分別介紹它們。

(一)屬性選擇度量

鑒于通過(guò)原始數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)挖掘處理，可以獲得一個(gè)完整的決策樹，在對(duì)一個(gè)新數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行判別時(shí)，只需沿這個(gè)決策樹走下來(lái)即可得到判別結(jié)果。但是一個(gè)數(shù)據(jù)元組本身有很多屬性，該如何對(duì)各項(xiàng)屬性進(jìn)行排序是個(gè)重要的研究點(diǎn)，其實(shí)解決該問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)在于屬性選擇度量。

屬性選擇度量決定了給定節(jié)點(diǎn)上元組如何分裂，因此又被稱為分裂規(guī)則。屬性選擇度量給源數(shù)據(jù)每個(gè)屬性提供了秩評(píng)定，將具有最高得分的屬性作為分裂屬性。目前屬性選擇度量中最為流行的是信息增益和增益率。

假設(shè)D是類標(biāo)記元組訓(xùn)練集，類標(biāo)記屬性具有Ci(i=1,2,...,m)這m個(gè)不同值，CiD是D中Ci類的元組的集合，|D|和|CiD|則為D和CiD中元組的數(shù)量。

1.信息增益

ID3算法中使用信息增益來(lái)進(jìn)行屬性選擇度量。該算法在處理決策樹中某一節(jié)點(diǎn)時(shí)，選擇信息增益最大的屬性作為該節(jié)點(diǎn)的分裂屬性。采用該屬性將使結(jié)果劃分過(guò)程中所需信息量最小。在對(duì)D中的元組進(jìn)行分類時(shí)所需要的期望信息為：

(1)

按屬性A將D中的元組劃分成v個(gè)不同的類。此時(shí)為得到準(zhǔn)確的分類所需要的期望信息為：

(2)

信息增益即為兩者之差：

Gain(A)=Info(D)-InfoA(D)

(3)

2.信息增益率

信息增益率使用“分裂信息”值將前述信息增益進(jìn)行規(guī)范化，分裂信息的定義為：

(4)

該值表示將數(shù)據(jù)集D劃分成對(duì)應(yīng)于屬性A的v個(gè)輸出而產(chǎn)生的信息。信息增益率則定義為：

(5)

最終選擇具有最大增益率的屬性作為分裂屬性。

(二)樹剪枝

構(gòu)建決策樹過(guò)程中，原始數(shù)據(jù)中的噪聲數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致所構(gòu)建的樹中某些節(jié)點(diǎn)反映的正是這些異常數(shù)據(jù)。對(duì)于這種現(xiàn)象，決策樹算法中采用剪枝方法來(lái)解決該問(wèn)題。剪枝方法通常進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)度量，剪去最不可靠的分支節(jié)點(diǎn)。根據(jù)剪枝時(shí)間的不同，一般分為兩種剪枝方法：先剪枝、后剪枝。

1.先剪枝

先剪枝方法是指在構(gòu)建決策樹過(guò)程中，遇到某個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)根據(jù)某一原則停止繼續(xù)構(gòu)造基于該節(jié)點(diǎn)的子樹而達(dá)到剪枝的目的。該截止的節(jié)點(diǎn)即變?yōu)槿~子節(jié)點(diǎn)，該葉子節(jié)點(diǎn)取該節(jié)點(diǎn)下原始數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集中最頻繁的類作為自己對(duì)應(yīng)的類。該剪枝方法的剪枝原則有如下幾種：

(1)根據(jù)決策樹的高度限制進(jìn)行剪枝，當(dāng)超出高度閾值就停止決策樹生長(zhǎng)；

(2)放寬節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的限制只需其具有相同特征向量，不一定屬于同類也可停止繼續(xù)構(gòu)造子樹；

(3)設(shè)置某個(gè)該節(jié)點(diǎn)最小實(shí)例數(shù)據(jù)數(shù)的閾值，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)例數(shù)據(jù)數(shù)量小于此閾值時(shí)即可停止構(gòu)造子樹。此方法不會(huì)遺漏數(shù)據(jù)量較小的那些特殊情況，而有時(shí)這些特殊情況會(huì)反映問(wèn)題的實(shí)質(zhì)；

(4)在每次構(gòu)造新節(jié)點(diǎn)時(shí)計(jì)算對(duì)整個(gè)決策樹性能的增益，如果該增益小于某個(gè)設(shè)定的閾值則停止構(gòu)造新節(jié)點(diǎn)。

先剪枝方法存在視野方面的缺陷，即當(dāng)基于上述某一原則應(yīng)該進(jìn)行剪枝、停止構(gòu)造時(shí)，如果依然構(gòu)造則發(fā)現(xiàn)下一步又符合前述原則可以繼續(xù)構(gòu)造，因此會(huì)導(dǎo)致過(guò)分剪枝的情況，造成決策樹的缺陷。

2.后剪枝

基于前述先剪枝方法存在固有缺陷，因此中實(shí)際構(gòu)造決策樹時(shí)更多使用后剪枝方法，即先構(gòu)造完全生長(zhǎng)的決策樹，再在此基礎(chǔ)上剪去部分多余分支，而改為葉子節(jié)點(diǎn)。該葉子節(jié)點(diǎn)一般用子樹中最頻繁的子類來(lái)作為自己對(duì)應(yīng)的類。

C4.5算法采用悲觀剪枝法，該方法不需要獨(dú)立的剪枝數(shù)據(jù)集，而采用原始數(shù)據(jù)集來(lái)構(gòu)造決策樹，并使用它來(lái)進(jìn)行剪枝。具體算法如下所述。

首先定義如下變量：

T：訓(xùn)練集生成的決策樹

S：T的子樹

L(s)：S的葉節(jié)點(diǎn)數(shù)

K：到達(dá)某個(gè)葉節(jié)點(diǎn)的元組數(shù)

J：K中分類錯(cuò)誤的元組數(shù)

∑K：到達(dá)此子樹的葉節(jié)點(diǎn)的元組個(gè)數(shù)總和

∑J：此子樹中被錯(cuò)誤分類的元組個(gè)數(shù)總和

因此在分類新元組時(shí)錯(cuò)誤分類個(gè)數(shù)為∑J+L(S)/2。當(dāng)采用此決策樹分類數(shù)據(jù)時(shí)，假設(shè)E為分類錯(cuò)誤個(gè)數(shù)，如下式成立則刪掉子樹S，并用葉節(jié)點(diǎn)代替。

關(guān)鍵算法代碼如下：

function tree = make_tree(patterns, targets, inc_node, discrete_dim, maxNbin, base) ;//遍歷構(gòu)建樹

[Ni, L]= size(patterns);

Uc = unique(targets);

tree.dim = 0;

tree.split_loc = inf;

if isempty(patterns), return end [m, largest] = max(H);

tree.Nf = [];

tree.split_loc = [];

tree.child = Uc(largest);

return end

Pnode(i) = length(find(targets == Uc(i))) / L;

end

Inode = -sum(Pnode.*log(Pnode)/log(2));

split_loc = ones(1, Ni)*inf;

for i = 1:Ni,

data = patterns(i,:);

Ud = unique(data);

Nbins = length(Ud);

if (discrete_dim(i)),

for j = 1:length(Uc), for k = 1:Nbins,

indices = find((targets == Uc(j)) & (patterns(i,:) == Ud(k)))。

四、 技術(shù)應(yīng)用

由于招生工作是高校重點(diǎn)工作之一，因此對(duì)高考畢業(yè)生的專業(yè)選擇進(jìn)行分析，對(duì)招生工作，以及后面的課程建設(shè)工作至關(guān)重要。初始數(shù)據(jù)集如下表1所示，它表示的是高校專業(yè)相關(guān)信息與高考畢業(yè)生專業(yè)選擇之間的關(guān)系。

序號(hào)專業(yè)就業(yè)機(jī)會(huì)起薪課程難易度興趣是否詵擇1金融學(xué)2565388454068TRUETRUE2土木工程2215432535672TRUETRUE3國(guó)際經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易2144896420257FALSEFALSE4機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化1884855315854FALSEFALSE5會(huì)計(jì)學(xué)1713520375062TRUEFALSE6電氣工程及其自動(dòng)化1656524334056FALSEFALSE7經(jīng)濟(jì)學(xué)1587732480066TRUETRUE8臨床醫(yī)學(xué)1377034465075TRUEFALSE9英語(yǔ)1258043363059FALSEFALSE10法學(xué)1254556326052TRUEFALSE

表1高考畢業(yè)生專業(yè)選擇初始數(shù)據(jù)集

五、 總結(jié)與展望

隨著教育信息化的不斷發(fā)展，各信息系統(tǒng)中存儲(chǔ)的教學(xué)信息量不斷增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為充分利用這些數(shù)據(jù)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本文在分析數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)利用C4.5決策樹這一數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域最常用的方法，對(duì)積淀的教學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)處理結(jié)果尋找其隱含的內(nèi)在聯(lián)系，最后依據(jù)這些內(nèi)在聯(lián)系采用有針對(duì)性的教學(xué)方法，提高教育水平。實(shí)踐證明，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用空間，因此將其應(yīng)用于高等教育，必將取得良好的應(yīng)用效果。

圖1　在數(shù)據(jù)集上通過(guò)C4.5生成的決策樹

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Research on Obtaining of Higher Vocational Information Resources based on Data Mining Technology

DENG Lian-jin

(TianjinBohaiVocationalTechnicalCollege,Tianjin, 300221)

Abstract:through many years’ running, the college information system has accumulated masses of data reflecting various learning characteristics of the students and the full utilization of such information will improve teaching greatly.However, it is a bottleneck for the use of information system to abstract regular information from these masses of data and guide teaching.In this paper, it is proposed o apply C4.5 decision-making tree, an important algorithm in data mining field to provide an effective approach for the extraction of masses of data.

Key words:data mining; college; C4.5

中圖分類號(hào)：TP751.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-582X(2016)04-0099-07

作者簡(jiǎn)介：鄧連瑾(1981-)，女，天津市人，天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系講師，主要研究方向：人工智能與圖形圖像。

收稿日期：2016-01-22