校園生活規(guī)律性與學(xué)業(yè)成績的相關(guān)性研究*

肖皇培 王 芳 黎智成

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 廣州 510800）

1 引言

隨著高校信息化建設(shè)的迅速發(fā)展，教育領(lǐng)域與大數(shù)據(jù)技術(shù)的融合已成為必然趨勢?；诖髷?shù)據(jù)的智能決策、智能推薦和校園安全預(yù)警等系統(tǒng)，可以為教育管理部門提供教學(xué)決策、改善管理服務(wù)、提高教學(xué)質(zhì)量，以及促進(jìn)教育針對性和個(gè)性化的發(fā)展。

教育管理部門一直關(guān)注的重要問題之一是如何提高學(xué)生的學(xué)業(yè)成績。然而，影響學(xué)生學(xué)業(yè)成績的因素十分廣泛和復(fù)雜。例如身體的狀態(tài)（身高和體重等）［1～2］、智商（IQ）［3～4］、甚至DNA［5～6］都與學(xué)業(yè)成績有一定的關(guān)系。因此，可以根據(jù)學(xué)生的不同情況，設(shè)計(jì)個(gè)性化的教學(xué)或課程。然而影響學(xué)生學(xué)習(xí)的身高、IQ 和DNA 等因素很難被改變，教育管理者把關(guān)注的重點(diǎn)放在影響學(xué)習(xí)的精神或行為方面。目前有很多關(guān)于學(xué)生行為與學(xué)業(yè)成績相關(guān)的研究，如學(xué)業(yè)成績與責(zé)任心有很強(qiáng)的相關(guān)性［7］，課程出席率作為影響學(xué)業(yè)成績的決定性因素也顯而易見［8］，課外的學(xué)習(xí)時(shí)間與學(xué)習(xí)成績密切相關(guān)［9］。除此之外，一些文獻(xiàn)還指出，好的生活方式［10］和睡眠習(xí)慣［11］對學(xué)生的學(xué)習(xí)也是有益的。

目前，在對高校學(xué)生行為與學(xué)業(yè)成績相關(guān)的傳統(tǒng)研究中，大部分研究采用問卷調(diào)查或自我報(bào)告的方式，因而得出的結(jié)論不夠客觀。傳統(tǒng)研究采用的數(shù)據(jù)集規(guī)模一般僅有幾十到幾百的規(guī)模，因此得出結(jié)論也不夠說服力。由于現(xiàn)代信息技術(shù)的迅速發(fā)展，可以通過多種方式輕易地獲取學(xué)生生活和學(xué)習(xí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，如通過在線課程、校園WiFi，校園一卡通和教務(wù)系統(tǒng)等。通過分析這些與學(xué)生相關(guān)的校園大數(shù)據(jù)，可以獲取一些與學(xué)業(yè)成績相關(guān)的行為特征。例如，文獻(xiàn)［12］通過查看慕課課程學(xué)習(xí)過程中的視頻觀看量以及暫停是否超過一次這兩個(gè)指標(biāo)，來衡量課程學(xué)習(xí)的效果。文獻(xiàn)［13］發(fā)現(xiàn)，花費(fèi)較多時(shí)間在聯(lián)誼會的學(xué)生學(xué)習(xí)成績一般較差。文獻(xiàn)［14］通過校園卡收集本科生的行為數(shù)據(jù)（包括洗澡、就餐、取水和進(jìn)出圖書館等數(shù)據(jù)），指出勤奮性和規(guī)律性兩個(gè)行為特征對學(xué)業(yè)成績有明顯相關(guān)性，并能通過這些特征能成功地預(yù)測出學(xué)生的學(xué)業(yè)成績。

現(xiàn)代人的生活與電息息相關(guān)，人們一進(jìn)門打開電燈開關(guān)就開始用電，各種生活用品更是離不開電，電視、電腦、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)和電吹風(fēng)等必不可少；即使離開房間，很多電器還在為人們服務(wù)?？梢哉f，電的使用記錄著人們生活與學(xué)習(xí)的點(diǎn)滴，因此學(xué)生用電的規(guī)律性從某種程度上體現(xiàn)了生活與學(xué)習(xí)的規(guī)律性。本文主要研究校園生活中的用電量，通過分析學(xué)生宿舍的日常用電信息，找出學(xué)生學(xué)習(xí)生活中的規(guī)律性，以及這些規(guī)律性與學(xué)業(yè)成績之間的關(guān)聯(lián)性。本文以2020 年9 月1 日至12 月13 日某學(xué)院的學(xué)生用電數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)集，提取每個(gè)宿舍的日用電信息，通過真實(shí)熵計(jì)算用電的規(guī)律性；其次，以某專業(yè)2019 級學(xué)生為研究對象，說明規(guī)律性與學(xué)業(yè)成績的相關(guān)性。借此，教育管理者可以根據(jù)用電的規(guī)律性特征，對學(xué)生的學(xué)業(yè)成績進(jìn)行預(yù)測，找出成績不良的學(xué)生提前干預(yù)、警示或輔導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)教育的個(gè)性化，提高教學(xué)質(zhì)量。由于用電信息的特殊性和普遍性，用電信息還可以輔助管理者進(jìn)行校園管理，使教育朝著學(xué)生有利于學(xué)業(yè)進(jìn)步的方向發(fā)展，如及時(shí)找出使用大功率電器的學(xué)生或宿舍，對其進(jìn)行安全預(yù)警，也能輔助輔導(dǎo)員找出上網(wǎng)成癮的學(xué)生，做到及時(shí)有效溝通、疏導(dǎo)和監(jiān)督。

2 用電的規(guī)律性度量

2.1 數(shù)據(jù)來源與獲取

通過調(diào)取某學(xué)院2020 年9 月1 日至12 月13 日共104 天的學(xué)生宿舍用電量作為最初的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集共703309 條記錄，含有電表ID、宿舍ID、獲取時(shí)間，已用電量、剩余電量和免費(fèi)電量等字段。為保護(hù)學(xué)生的隱私，電表ID 和宿舍ID 與學(xué)生宿舍名稱的對應(yīng)關(guān)系是不公開的。為了保證獲取每日用電量的精確性，獲取電表時(shí)間統(tǒng)一為每晚23 點(diǎn)30分，如圖1所示。

圖1 學(xué)生宿舍用電數(shù)據(jù)

通過計(jì)算本日已用電量和上日已用電量之差，得到6924 個(gè)宿舍對應(yīng)的104 天用電量，如宿舍ID分別為933 和934 的每日用電序列F933 和F934 如下：

F933 =［19.55，8.74，12.25，10.03，7.77，12.55，9.57，……，1.85，1.51，1.39，1.94，1.61，1.62，1.55］

F934 =［10.25，5.81，7.36，4.60，8.83，7.68，8.39，……，1.80，1.30，1.42，1.32，2.42，1.64，1.08］

序列中的數(shù)字為該宿舍按時(shí)間順序排列的每日用電量。

2.2 真實(shí)熵的計(jì)算

對于事件發(fā)生的序列有一些經(jīng)典的度量方式，如信息熵或辛普森指數(shù)。由于信息熵或辛普森指數(shù)僅僅考慮了事件發(fā)生的數(shù)量而忽略了事件發(fā)生的時(shí)間順序，均不適合量化規(guī)律性。文獻(xiàn)［14，15］給出了一些具體的例子說明序列的真實(shí)熵比信息熵和辛普森指數(shù)更能刻畫事件的規(guī)律性。

本文利用真實(shí)熵來刻畫一個(gè)給定序列ε的規(guī)律性。真實(shí)熵的定義如式（1）所示：

其中n 為序列ε 的總長度，Λi為從i 開始的、前面從未出現(xiàn)過的ε 最短子序列的長度，如果最短子序列不存在，則Λi=n-i+2。利用上述定義，對給定的 序 列ε=[43，44，43，44，44] ，可 求 得Λ1=1 ，Λ2=1，Λ3=3，Λ4=2，Λ5=2，因此通過式（1）計(jì)算出序列ε 的真實(shí)熵為Se=0.894。

真實(shí)熵作為規(guī)律性的度量，熵越小，序列的規(guī)律性越高。為了更好的量化學(xué)生的規(guī)律性，把每個(gè)學(xué)生的日用電量映射到一個(gè)整數(shù)序列。假設(shè)Hi為第i天的用電量，設(shè)Hi=Ii+Fi，其中Ii和Fi分別為Hi的整數(shù)部分和小數(shù)部分，i=1，2，…，104。定義映射Hi'如下：

通過映射式（2），可以把日用電序列映射到一條離散的整數(shù)序列，如上述宿舍ID號分別為933和934 的用電序列F933 和F934 映射到整數(shù)序列F933'和F934'如下：

F933' =［39， 17， 24， 20， 15， 25， 19，54，……，2，3，3，2，3，3，3，3］

F934'=［20，11，14，9，17，15，16，35，……，2，3，2，2，2，4，3，2］

通過對所有宿舍用電序列求真實(shí)熵，得到與之對應(yīng)的用電量規(guī)律性指標(biāo)，這些真實(shí)熵某種程度上反映了學(xué)生在校生活的規(guī)律。如上述兩條序列求得真實(shí)熵分別為SF933'=1.589 和SF934'=1.610，說明宿舍933的校園生活比宿舍934更有規(guī)律性。

3 規(guī)律性與學(xué)業(yè)成績的相關(guān)性

3.1 真實(shí)熵的分布

在學(xué)生的日常生活學(xué)習(xí)中，基于耗電量計(jì)算規(guī)律性，主要考慮以下幾點(diǎn)：1）數(shù)據(jù)以一種不引人注目的方式取得，能較客觀的反映學(xué)生的生活方式；2）絕大多數(shù)學(xué)生在校園生活和學(xué)習(xí)，因此采用的數(shù)據(jù)集覆蓋面廣，得出的結(jié)論具有較強(qiáng)說服力；3）日常生活離不開電，因此也能獲得大量的用電記錄。

基于以上考慮，耗電量的真實(shí)熵某種程度上反映了學(xué)生的規(guī)律性。通過計(jì)算6924 個(gè)宿舍用電的真實(shí)熵，給出學(xué)生宿舍用電的真實(shí)熵分布如圖2 所示。從圖中可以看出，大部分學(xué)生用電的真實(shí)熵在0.5～3.0 之間，真實(shí)熵的廣泛分布可以區(qū)分出具有不同規(guī)律的學(xué)生，反映了不同學(xué)生的規(guī)律性。

圖2 真實(shí)熵的分布圖

3.2 規(guī)律性與學(xué)業(yè)成績相關(guān)性分析

直觀地，規(guī)律性作為一個(gè)學(xué)生的內(nèi)在個(gè)性特征，不僅表現(xiàn)在用電情況，同時(shí)也表現(xiàn)在洗澡、就餐、出入圖書館和出席上課等。學(xué)生的規(guī)律性越高，自我約束力就越高，學(xué)業(yè)成績就越好。為了分析與驗(yàn)證規(guī)律性與學(xué)業(yè)成績的相關(guān)性，引用斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)（Spearman's Rank Correlation Coefficients）［16］來計(jì)算二者的相關(guān)性，斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)的定義如下：

其中，式（3）中N 為參與計(jì)算的學(xué)生數(shù)量，di的定義為di=r(oi)-r(Gi)，r(Oi)和r(Gi)分別為第i個(gè)學(xué)生的規(guī)律性和學(xué)業(yè)成績排名。斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)rs∈[-1，1]，其絕對值越大，相關(guān)性越高。

通過選取2019 級某專業(yè)所有147 名學(xué)生作為研究對象，把該專業(yè)某門必修課程的期中和期末考試成績作為其學(xué)業(yè)成績，分別計(jì)算學(xué)生的學(xué)業(yè)成績和規(guī)律性（即用電量的真實(shí)熵）的排名。再把104天按期中考試時(shí)間分為考試前的76 天和考試后的28 天，分別與期中和期末考試成績結(jié)合，計(jì)算斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表1 所示。其中104 天的用電量真實(shí)熵與期中成績的相關(guān)系數(shù)為0.1817，與期末成績的相關(guān)系數(shù)為0.1193，期中考試前的真實(shí)熵與期中考試成績相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.1880，說明規(guī)律性與學(xué)業(yè)成績有一定的相關(guān)性，即規(guī)律性越高的學(xué)生，在一定程度上學(xué)業(yè)成績表現(xiàn)越好。

表1 用電真實(shí)熵與學(xué)業(yè)成績的秩相關(guān)系數(shù)表

上表中104 天的真實(shí)熵與期中成績的相關(guān)系數(shù)明顯高于期末成績的相關(guān)系數(shù)，這與數(shù)據(jù)大部分取自期中考試前是相符的。前76 天的真實(shí)熵與期中成績的相關(guān)系數(shù)明顯高于期末的，后28 天的真實(shí)熵與期末成績的相關(guān)系數(shù)明顯高于期中的，這也是符合真實(shí)情況的，因?yàn)槠谥锌荚嚽暗臄?shù)據(jù)更能反映期中成績，而期中考試后的數(shù)據(jù)更能反映期末成績，說明了規(guī)律性與學(xué)業(yè)成績的相關(guān)性與人們預(yù)期是相符的。

4 用電信息輔助校園管理

由于用電信息的特殊性與普遍性，教育管理者還可以通過用電信息輔助高校進(jìn)行管理，使教育朝著學(xué)生有利于學(xué)業(yè)進(jìn)步的方向發(fā)展。如部分學(xué)校由于安全性考慮，禁止學(xué)生在校使用大功率電器。但管理者很難做到每個(gè)宿舍進(jìn)行有效的監(jiān)督，并發(fā)現(xiàn)大功率電器使用者。通過對用電量進(jìn)行分析，很容易篩選出大功率電器的可能使用者，并交由管理者進(jìn)行核實(shí)和監(jiān)督，提高校園的用電安全性。如通過對上述104 天用電量進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)單日用電量超30度且3次以上的宿舍共有21個(gè)，如表2所示，其中ID為8582的宿舍用電情況超用次數(shù)尤其突出。

表2 單日用電量超30度情況表

通過對用電量的分析，還可以找出可能的上網(wǎng)成癮者，協(xié)助輔導(dǎo)員對其做到及時(shí)有效的溝通和疏導(dǎo)。網(wǎng)癮者的最大表現(xiàn)是連續(xù)多天長時(shí)間使用電腦，因此用電情況也會表現(xiàn)為連續(xù)多天高耗電。通過選取連續(xù)20天以上日用電超過15度的宿舍作為可能的網(wǎng)癮者，找出可能的網(wǎng)癮者18 個(gè)，如表3 所示，其中ID 為2333 和6945 宿舍連續(xù)使用高電量的天數(shù)較為突出。

表3 連續(xù)20天以上高電量使用情況表

5 結(jié)語

本文通過學(xué)生的用電數(shù)據(jù)和真實(shí)熵刻畫學(xué)生的規(guī)律性，并說明規(guī)律性與學(xué)業(yè)成績的相關(guān)性。據(jù)此，教育管理者可以根據(jù)規(guī)律性的特征找出潛在的不良學(xué)業(yè)者提前干預(yù)、警示或輔導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)教育的個(gè)性化，提高教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，由于用電信息的特殊性和普遍性，還可以及時(shí)找出使用大功率電器的學(xué)生或宿舍，對其進(jìn)行安全預(yù)警，也能輔助輔導(dǎo)員找出連續(xù)上網(wǎng)成癮的學(xué)生，做到及時(shí)有效溝通、疏導(dǎo)和監(jiān)督。

下一步，將獲取更多學(xué)生的規(guī)律性數(shù)據(jù)加以分析，如除用電量數(shù)據(jù)之外的就餐、洗澡和就寢等數(shù)據(jù)，以及反映學(xué)生勤奮性的數(shù)據(jù)（如課程出勤率和出入圖書館情況等）。把這些影響學(xué)生學(xué)業(yè)成績或其他綜合素質(zhì)的特征數(shù)據(jù)［17］，通過建立深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)并對其進(jìn)行訓(xùn)練，對學(xué)生的學(xué)業(yè)成績等方面進(jìn)行預(yù)測，從而更有效地找出某些方面表現(xiàn)不佳的學(xué)生，以便提前進(jìn)行干預(yù)或輔導(dǎo)。