基于決策樹的課程教學改革實踐及探索

陰愛英 沈炎斌

（福州大學至誠學院，福建 福州 350001）

近幾年，隨著高等教育行業信息化技術的發展，數據挖掘技術在教育行業中得到了充分發展與應用，國際上許多學者利用數據挖掘技術對教育行業中的數據挖掘進行了相應研究與探索［1-3］，積累了許多寶貴經驗。文獻［1］針對教育數據挖掘和學習分析相結合展開了研究，并闡述了教育數據挖掘的關鍵方法和途徑；文獻［2］利用數據挖掘技術，對近年來的教育數據進行挖掘與研究；文獻［3］針對教育數據庫中存在大量數據，利用決策樹分類方法進行預測學生的最終成績。然而，現有在教育行業中利用數據挖掘技術主要從管理者角度出發，對學生信息進行挖掘，較少針對學生課程成績進行分析，挖掘出影響學生成績的主要因素，從而用于指導教師進行提升課程教學質量；另外，現有教師對課程期末試卷分析也僅限于卷面知識點難易程度，分析統計學生成績各個分數段的分布情況，并未對學生成績進行深入研究與挖掘， 其試卷分析只是流于形式，對課程教學過程改革并未起到應有的指導和幫助。

一、課程現狀

“數字電路與邏輯設計”是作為計算機專業的專業基礎課，具有很強的理論性和實踐性，是提高學生對計算機硬件技術及單片機電路的理解，為后續的“微機原理”“單片機及接口技術”“計算機組成原理”其他相關硬件課程、嵌入式設計與開發等奠定扎實的硬件基礎知識。其教學目的是引導學生了解計算機硬件的組成、掌握硬件的工作原理、進行計算機硬件的電路分析與設計等。

福州大學至誠學院計算機工程系對該課程教學分成兩部分：理論課程和實踐操作，其中理論課程占48學時，實踐操作占28學時，共76學時。該課程是以電工基礎及電子電路為基本的理論基礎知識，由于其邏輯性極強、極具抽象性、并枯燥無味［4］，學生對該門課程的學習積極性普遍不高，大部分學生在學習過程中感覺到學習困難，對于邏輯代數基本理論的掌握、電路結構的分析、電路工作原理的理解等存在著重重困難，影響了學生對該課程的學習興趣和主動性，導致了期末卷面成績無法達到預期的教學效果，最終教學目的很難達到。

二、教學過程存在問題

（一）理論教學部分

學院屬于獨立學院，理論教學和教材內容基本上仍然延續母體學校的教學，學生在學習能力方面相對薄弱，在理論課程教學過程中存在著一些問題。一是學生基礎薄弱，對課程認識不夠。由于學生基礎相對薄弱，對計算機科學體系缺乏整體認識，且并未意識到該課程在后續學習中的重要性。同時，由于缺乏相應電路方面的理論知識，導致了對該課程缺乏應有的興趣和學習積極性。在教學過程中，發現大部分同學在時序邏輯電路方面存在理解困難的現象。二是缺乏學習主動性，作業抄襲較為嚴重。課后作業是為了加強學生對課堂知識的理解和鞏固，是課堂教學的補充和延伸，它會直接影響學生在各個部分單元小測的成績。然而，在教學過程中，發現課后作業也只是一種形式，學生為了完成課后作業任務，相當一部分學生通過抄襲來達到目的，缺乏學習主動性。

（二）實踐教學部分

實踐教學內容主要對課程理論部分進行驗證，以及后續的綜合設計等，具有很強的理論性和實踐性。在教學過程中，雖然不像理論教學那樣枯燥無味，學生對實踐教學較感興趣，然而，由于學生理論知識掌握不牢，使得實驗課上要反復強調課程上的理論知識，影響了學生動手操作的實驗時間。另外，在實驗教學中，部分學生只是觀望，并未參與動手操作，實驗分析報告抄襲。

三、基于決策樹的成績分析

（一）決策樹簡介

決策樹（Decision Tree）又稱判定樹, 是采用樹型結構對數據進行分類的。［5］它是從一堆沒有任何規則且是無序的數據中，根據分類規則，利用樹的形狀來表示這些數據的分類情況。在構造的決策樹中，樹的最頂層是根結點，它是表示第一次選擇分裂的屬性，而樹的其他內部結點（不是葉子結點）表示對其他屬性數據的測試，葉子結點表示數據屬性的分類情況，而對于一個決策樹的分支來說, 其代表著某個測試數據屬性的分類情況輸出。

一般來說，利用決策樹進行分類挖掘時，需要經歷下面的過程：第一步是構建決策樹模型，即利用先知類型的樣本數據對其實行分類，構造一個決策樹模型。［5］在這個步驟中要經歷兩個階段，即建樹和剪枝；第二步是通過使用已經構建好的樹型對數據集進行分類挖掘。為了找到輸入數據所屬的分類情況，需要對決策樹進行遍歷，即從根結點到葉子結點，依次對輸入數據進行測試，直到找到該數據所屬分類為止。

（二）數據處理

為了構建決策樹分類情況，搜集了近3年來學生平時單元小測和期末卷面成績（Finalgrade），其中單元小測有3個部分：第一部分（Section1）包含基本知識和邏輯代數基礎；第二部分（Section2）包含組合邏輯電路分析與設計；第三部分（Section3）包含時序邏輯電路分析與設計；數據總樣本量為526條記錄。由于學生單元小測和期末卷面成績是連續型的數據，而決策樹分類技術需要的是離散型數據，因此，通過數據處理方法將連續型數據轉變成離散型數據。例如，在第一部分單元小測的成績中，如果成績在80分以上，用“高”表示；在60分到79分之間，用“中”表示；而60分以下用“低”表示，期末卷面成績用“及格”和“不及格”來表示。具體情況如表1所示。

表1 數據處理結果

（三）構建成績決策樹

隨著決策樹技術的發展，出現較多的決策樹改進算法, 本文采用了文獻［6］的決策樹改進算法進行計算，通過計算各個部分的信息增益值，可以獲得第一部分的信息增益值最小，因此，以第一部分作為決策樹的根節點進行分枝, 并對生成的決策樹進行剪枝，最終的決策樹如圖1所示。

從圖1結果可以看出, 在第一部分的邏輯理論基礎學習較差的同學，期末卷面成績也基本上處于不及格的邊緣；而第一部分的成績較高的情況下，如果說第二部分成績也高，則期末卷面成績基本上都是及格；第一部分的成績為中等情況下，如果第二部分的成績較好，那么期末卷面成績基本上也是處于及格以上等。然而，從決策樹中也看到，第一部分成績為高且第二部分成績也為高，卻有期末不及格的現象（有6位學生），除了考試發揮失常之外，最大可能是放松了期末復習或平時單元考試作弊的情況。

總之，從上述的決策樹結果來看，該課程的理論教學是后續部分學習的基礎。因此，要加強第一部分的理論教學。

圖1

四、課程教學改革實踐及探索

從上述構造的決策樹情況來看，可以得出影響學生成績的一些因素，因此，為了提高學生對該課程的學習興趣，進而提升課程的教學效果及教學質量，在課程的教學過程中，做出了如下教學改革實踐與探索：

（一）加強部分內容練習與測驗

基于上述的決策樹分析，可以得出在第一部分邏輯代數基礎得分較高的情況下，其期末卷面成績相對較高，可以看出在“數字電路與邏輯設計”課程中邏輯代數基礎的重要性，因此，在教授該章節時，注重理論知識的講解，并通過加強學生的作業練習，提高學生對理論知識的掌握。為了防止學生在課后練習的抄襲現象，增加了課堂隨機測驗方面，并將測驗的成績作為期末成績的一部分，以此引起學生的重視，能自覺獨立完成課后作業，從而提高學生學習的主動性。

（二）以“任務推進式”提高理論教學

“任務推進式”教學模式是以完成一個完整的數字電路系統為教學目標，將任務貫穿于整個課程理論教學過程，覆蓋理論課程中絕大部分的概念和知識點。［7］從上述決策樹分析情況來看，學生在第二部成績較差的原因是第一部分理論基礎較差，為了讓學生能更好地掌握理論知識，結合“任務推進”的教學方法來提高課程理論教學。例如：在第二部分組合邏輯電路分析與設計中, 將任務分解為：小規模組合電路分析和設計、中規模組合集成芯片、中規模組合電路分析和設計等，通過以完成小規模的電路分析與設計的任務，逐步推進中規模的電路分析與設計。學生在完成相應任務的同時，需要涉及到前期的理論知識應用，并以此培養學生的創新意識和邏輯分析能力，引導學生自覺去發現問題、解決問題，從中加深理論知識的理解和應用，從而實現提高理論教學的目的。

（三）以實踐操作推動理論教學

由于該課程是屬于實踐性很強的課程，學生在學習理論知識后，應加強實踐課程與理論課程相結合。從上述決策樹可以看出，學生成績在第二部分較差的情況下，第三部分成績也相對較差。為了解決這種現象，加強了實踐教學與理論相聯系。首先基本驗證實驗，通過對一些經典電路進行驗證，能有效提升學生對理論知識理解和應用能力，并有效提高學生的動手能力、分析問題能力及解決問題的能力。其次是綜合實踐，通過以小組為單位，設計中小規模集成電路，將理論知識應用于綜合設計中，培養學生查閱資料、團隊分工合作、綜合設計等方面能力。

（四）借鑒翻轉課堂方式，引領學生自主學習

從上述決策樹分類的結果來看，第一部分的邏輯電路基礎是后續部分的基礎，因此，在該教學過程中，借鑒翻轉課堂方式，讓學生通過網上MOOC資源，課前做好充分準備，并在課堂中花費20分鐘左右，讓學生充分展現所學知識，并予以討論，最后，教師總結并做詳細補充。

除此之外，加強了課后答疑環節，并建立班級學習QQ群，以便學生可以隨時交流和解答相關問題。

五、改革實踐效果與建議

基于數據挖掘中的決策樹分類技術得出結果，在本學期的課程教學中，引入了上述課程教學改革實踐，取得較為良好的結果。從學生期末卷面成績對比情況來看（表2所示），其中成績為優秀率提高了8.6%，良好率提高了6%, 同時, 不及格率下降了9.7%。

表2 期末成績對比表

此外，學生在期末對教師進行綜合評價中，評教的成績為98.19（為歷年新高，同時在系里也是相對較高），比起去年提升了約3分左右。雖然說這個數據對比是個小樣本比較，但也足以說明本學期的課程教學改革受到學生們的歡迎與認同。

另外，為了有效提升學生學習積極性和主動性，能更好地為后續專業課程的深入學習提供扎實的理論基礎，提出了幾個建議：

（一）以科研項目為導向，提升教師的專業水平

由于“數字電路與邏輯設計”是具有很強的專業理論基礎知識，不但要求任課教師掌握基本電路的設計與開發，還要求教師應該具有一定的科研水平。通過以科研項目為導向，了解最新的電路設計與芯片開發知識，掌握數字電路與邏輯設計的最新研究方向與新產品，從而提升教師的專業素養，服務于課程教學。

（二）以工程應用為背景，促進理論與實踐相結合

該課程教學內容偏重于理論分析，以課程理論教學為主，實踐課程為輔，導致部分學生感到學習內容枯燥無味, 從而產生了厭學情緒［8］。因此，建議將工程應用背景貫穿于課程教學。例如，在中大規模的電路設計部分教學中，可以設計相關的應用場景。通過將前面學到的理論知識應用于電路設計、芯片開發以及嵌入式系統的開發，從而實現理論與實踐相結合。

（三）以創新創業為紐帶，提升學生學習積極性

現階段，大學生創新創業大賽在全國高校中受習的主動性和積極性，培養學生的創新能力。例如，在該課程中的綜合應用中，可以結合相關的電子產到廣泛關注，通過以創新創業為紐帶，提升學生學品設計出較為高效的電路系統，參加學校的創新創業大賽，以此來促進學生對該課程理論知識的理解，以及對實踐操作能力的提升，同時培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

總之，“數字電路與邏輯設計”是一個理論與實踐緊密結合的課程，學好該門課程，不僅需要有扎實的理論基礎，而且還需要實踐動手能力。