مقایسه مدل های یادگیری جمعی برای پیش بینی رتبه کشوری دانش آموزان در کنکور سراسری (مقاله علمی وزارت علوم)
درجه علمی: نشریه علمی (وزارت علوم)
آرشیو
چکیده
هدف: این پژوهش به بررسی و مقایسه مدل های یادگیری جمعی می پردازد تا بتواند به پیش بینی دقیق تری از رتبه کشوری دانش آموزان در کنکور سراسری دست یابد. هدف اصلی این پژوهش شناسایی مدل های بهینه ای است که با تحلیل داده های آزمون های آمادگی که پیش از کنکور برگزار می شود، بتوانند رتبه دانش آموزان را با بیشترین دقت پیش بینی کنند. مدل های شناسایی شده می توانند به مشاوران تحصیلی کمک کنند تا با ارائه توصیه های دقیق تر و مبتنی بر داده، به دانش آموزان در انتخاب مسیر تحصیلی و برنامه ریزی آموزشی کمک کنند. روش: در این پژوهش، به منظور تحلیل دقیق عملکرد دانش آموزان، از نرم افزار Octoparse برای جمع آوری داده های مرتبط با آزمون قلمچی کانون فرهنگی آموزش استفاده شد. مجموعه داده ها اطلاعات مهمی بودند، نظیر میانگین نمره آزمون، رتبه های کشوری و منطقه ای، رشته های تحصیلی و دانشگاه های قبولی دانش آموزان. همچنین در این مطالعه، چهار مدل پیشرفته یادگیری جمعی شامل XGBoost، LightGBM، CatBoost و Random Forest به منظور مقایسه و ارزیابی عملکرد در پیش بینی رتبه کشوری دانش آموزان انتخاب شد. به منظور سنجش دقت و کارایی این مدل ها، از معیارهای متنوعی مانند میانگین مربعات خطا، جذر میانگین مربعات خطا، ضریب تعیین و همچنین زمان های آموزش و پیش بینی استفاده شد. داده های جمع آوری شده، به دو بخش آموزشی و آزمایشی تقسیم شدند تا مدل ها بتوانند به بهترین شکل آموزش ببینند و ارزیابی شوند. به منظور دستیابی به عملکرد بهینه، از روش جست وجوی شبکه ای بهره گرفته شد که به ما اجازه می دهد پارامترهای مدل ها را به طور دقیق تنظیم کنیم و بهترین نتایج ممکن را به دست آوریم. یافته ها: نتایج این مطالعه نشان دهنده عملکرد برجسته مدل های XGBoost و LightGBM در پیش بینی رتبه کشوری دانش آموزان بود. مدل XGBoost به عنوان دقیق ترین گزینه شناخته شد؛ زیرا پیش بینی هایی ارائه داد که به مقادیر واقعی بسیار نزدیک بود و کمترین میزان خطا را داشت. این دقت بالا باعث شد که XGBoost به عنوان مدل برتر در این پژوهش شناخته شود. مدل LightGBM نیز با نتایج بسیار مشابه XGBoost، به عنوان یکی دیگر از گزینه های برجسته، برای پیش بینی رتبه کشوری انتخاب شد. این مدل به خاطر سرعت و دقت زیاد، مورد توجه قرار گرفت و به عنوان ابزاری مؤثر در این زمینه شناخته شد. مدل Random Forest نیز با دقتی بهتر نسبت به CatBoost عمل کرد؛ هرچند زمان بیشتری برای آموزش و پیش بینی نیاز داشت. در مقابل، مدل CatBoost به عنوان ضعیف ترین گزینه شناخته شد؛ زیرا در مقایسه با سایر مدل ها دقت کمتری داشت و مقادیر خطای بیشتری ارائه می کرد؛ هرچند سرعت پیش بینی آن بیشتر بود. به نظر می رسد که این مدل به بهبود نیاز دارد تا بتواند با دیگر مدل های موفق رقابت کند. نتیجه گیری: یافته ها نشان می دهد که مدل های XGBoost و LightGBM به عنوان دو ابزار مؤثر در یادگیری جمعی، عملکرد بسیار خوبی برای پیش بینی رتبه دانش آموزان در آزمون های سراسری دارند. این مدل ها با دقت بالا و عملکرد بهینه، می توانند به عنوان راهنماهایی ارزشمند در سیستم های آموزشی عمل کنند و به بهبود فرایندهای یادگیری کمک کنند. این مدل ها قادرند دانش آموزانی را که ممکن است در مسیر تحصیلی خود با چالش مواجه شوند، شناسایی کنند و به طراحی برنامه های یادگیری مؤثرتر یاری دهند. علاوه براین، نتایج این پژوهش می تواند به رهبران مدارس و سیاست گذاران برنامه های آموزشی کمک کند تا تصمیم های هوشمندانه تری در جهتِ ارتقای عدالت آموزشی اتخاذ کنند؛ به طوری که فرصت های یادگیری برابر، برای همه دانش آموزان فراهم شود. در آینده، استفاده از مدل های پیشرفته تر یادگیری عمیق و اضافه کردن داده های مرتبط، مانند عوامل اجتماعی، اقتصادی و نوع مدارس، می تواند به بهبود دقت پیش بینی ها منجر شود. همچنین، ترکیب مدل های مختلف یادگیری ماشین برای ایجاد مدل های ترکیبی می تواند به افزایش دقت و کاهش خطاهای پیش بینی کمک کند. به طور کلی، این پژوهش می تواند نقطه عطفی برای توسعه سیستم های پیش بینی و تصمیم گیری در حوزه آموزش در کشور شمرده شود و زمینه ساز بهبودهای چشمگیر در این زمینه باشد.Unleashing the Power of Ensemble Learning: Predicting National Ranks in Iran’s University Entrance Examination
Objective
This study seeks to explore and compare ensemble learning models for more accurate predictions of students’ national ranks in Iran’s nationwide university entrance examination, commonly known as the Konkur. The primary aim is to identify optimal models capable of predicting students’ ranks with the highest precision by analyzing data from preparatory and simulated exams conducted before the Konkur. These identified models can then empower academic counselors to offer data-driven recommendations, assisting students in making informed decisions about their educational paths and academic planning.
Methods
Initially, Octoparse software was utilized to collect data related to the preparatory tests conducted by the Kanoon Farhangi Amoozesh (Cultural Center of Education, also known as Ghalamchi) to facilitate a precise analysis of students' performance. The dataset contained key information such as the average test scores, students' national and regional ranks in the exams, as well as the academic disciplines and universities where the students were admitted. Additionally, four advanced ensemble learning models—XGBoost, LightGBM, CatBoost, and Random Forest—were selected for comparison and evaluation based on their performance in predicting students' national ranks. To assess the accuracy and efficiency of these models, various metrics were used, including Mean Squared Error (MSE), Root Mean Squared Error (RMSE), coefficient of determination (R²), and training and prediction times. Afterward, The collected data were split into training and testing sets to ensure optimal model training and evaluation. To achieve the best possible performance, the grid search method was applied, enabling precise tuning of the model parameters to obtain optimal results.
Results
The study findings underscored the exceptional performance of the XGBoost and LightGBM models in predicting students' national ranks. XGBoost emerged as the most accurate model, delivering predictions that are closely aligned with the actual values and exhibiting the lowest error rates, positioning it as the top performer in this research. Similarly, LightGBM, with results closely mirroring those of XGBoost, was also recognized as a strong contender for predicting national ranks. Its blend of speed and precision made it a highly effective tool in this context. The Random Forest model also demonstrated superior accuracy compared to CatBoost, albeit requiring more time for training and prediction. In contrast, CatBoost was identified as the weakest option, displaying lower accuracy and higher error rates than the other models, despite its faster prediction times. This suggests that CatBoost may require further refinement to compete with the more successful models.
Conclusion
The research findings highlight the effectiveness of XGBoost and LightGBM models in ensemble learning, showcasing their exceptional performance in predicting students' ranks in nationwide examinations. With their high accuracy and optimal performance, these models can serve as valuable tools within educational systems, contributing to the improvement of learning processes. They have the potential to identify students who may encounter challenges in their educational journeys and aid in the development of more effective learning programs. Furthermore, the outcomes of this study can assist school leaders and educational policymakers in making well-informed decisions to promote educational equity and ensure equal learning opportunities for all students. Looking ahead, leveraging more advanced deep learning models and integrating additional data, such as social and economic factors and school types, could lead to enhanced prediction accuracy. Additionally, the integration of diverse machine learning models to create hybrid systems may enhance precision and minimize prediction errors. Overall, this research marks a significant milestone in the advancement of predictive and decision-making systems within the education sector, laying the groundwork for substantial progress in this field.
تبلیغات
