基于双路注意力机制的学生成绩预测模型

李梦莹 王晓东 阮书岚 张 琨 刘 淇

1(河南师范大学计算机与信息工程学院 河南新乡 453000)2(中国科学技术大学计算机科学与技术学院 合肥 230027)(lmengying@yeah.net)

教育数据挖掘旨在从海量的教育数据中发现隐藏在其中的内在联系与规律，为学生学习、教师教学以及教育管理者的管理提供一些帮助[1].作为教育数据挖掘领域的一个重要研究分支，学生成绩预测有助于教师对学生的学习过程进行及时有效的干预和指导，例如识别出有风险的学生，以便及时提供干预措施[2].此外，还可用于在线测评[3]、认知诊断[4]、学生画像构建[5]和推荐系统[6]，具有重要的研究意义与应用价值.

目前，对学生成绩进行预测分析及其成绩关键影响因素挖掘研究已引起国内外学者的关注.在学生成绩预测方面，蒋卓轩等人[7]通过从MOOC学习者的诸多行为特征中选择出若干典型学习行为特征，并利用所选择的特征对学习者能否成功完成学习任务获得通过证书进行预测，从中找出潜在的认真学习者.Pandey等人[8]在影响学生成绩的18个属性特征中通过计算各个属性特征的信息增益率挑选出8个重要属性，并利用所挑选的8个重要属性构建决策树对学生成绩进行预测.在学生成绩影响因素挖掘方面，Bhardwaj等人[9]通过对印度某大学300名学生成绩进行研究发现，学生成绩受家庭住址、家庭年收入、母亲受教育情况、生活习惯及学生历史成绩等因素影响比较大.Thiele等人[10]提出学生的社会人口学特征(如种族、性别和经济地位)和学业特征(如学校类型和在校表现)与他们的学业表现联系紧密.

虽然以上工作已经取得了比较好的表现，但仍然存在2个方面问题：1)当前工作仅考虑已挑选的特征对学生成绩的影响，而忽略了未挑选特征的影响.例如Pandey在构建决策树对学生成绩进行预测时仅选用信息增益率较高的8个特征，而忽略了剩余10个特征对学生成绩的影响.2)当前工作假设关键因素对所有学生的影响程度是相同的，忽略了学生的个体差异.事实上不同因素对同一学生成绩的影响程度是不同的，并且不同学生受同一因素的影响程度也是不同的.如何更全面准确地分析利用这些属性特征对学生成绩进行预测，同时挖掘出影响不同成绩学生的关键因素，实现对学生的个性化分析与指导是目前学生成绩预测研究所面临的一项重大挑战.

为了解决以上挑战，文本提出了一种基于双路注意力机制的学生成绩预测方法(two-way attention, TWA).该方法通过双路注意力机制为不同的属性特征赋予不同的注意力权重，实现了学生属性更全面准确的利用，进而保证了学生成绩的准确预测.具体而言，首先，TWA模型通过两次注意力计算分别得到各属性特征在第1阶段成绩和第2阶段成绩上的注意力得分.然后，在此基础上进行双路特征融合并对期末成绩进行预测.最后在2个公开数据集上进行大量实验，实验结果证明了本文所提出方法的有效性.

本文的主要贡献有3个方面：

1) 通过对数据进行挖掘分析发现学生个体之间存在差异性，不同成绩类别学生所受关键影响因素不同，并且学生期末成绩与第1阶段和第2阶段历史成绩有很大关联；

2) 提出的双路注意力机制可以让模型充分学习各属性特征与成绩间的关系信息，有效标识不同属性特征对成绩的重要程度，同时可以弥补普通注意力机制的不足，提升模型的预测能力；

3) 在2个公开数据集上验证了模型的准确性和有效性，同时模型也具有良好的可解释性.

1 相关工作

本节从学生成绩预测分析、注意力机制研究2个方面介绍相关工作.

1.1 学生成绩预测分析

学生成绩与学生的表现以及所处的环境息息相关，利用教育数据挖掘技术在诸多潜在影响因素中挖掘出影响不同学生成绩的关键因素，并对学生成绩做出早期准确预测，对于实现学生的个性化指导以及提升教学成果具有重大意义.在过去的研究中，学生成绩预测分析方法主要是基于统计和机器学习的传统方法.Zhang等人[11]利用学生历史成绩和在校行为信息，运用朴素贝叶斯、决策树、多层感知器和支持向量机等预测模型分别对学生成绩进行预测，发现多层感知器模型的预测效果更好.Mueen等人[12]根据学生的历史学习成绩和论坛参与度，运用朴素贝叶斯、神经网络和决策树等数据挖掘技术来预测学生的学习成绩，结果显示朴素贝叶斯模型在此数据集上效果最好，预测准确度可达86%.Francis等人[13]将影响学生成绩的特征因素划分为人口统计特征、学术特征、行为特征以及额外特征4类，并提出一种将分类与聚类相结合的方法对成绩进行预测，结果显示综合考虑学术特征、行为特征以及额外特征时得到的预测结果最好.谢娟英等人[14]通过对葡萄牙学生数据挖掘发现，学生的成绩与学生所在学校、家庭住址、母亲学历、家庭有无网络有极大相关性，与父亲受教育程度、上学路上花费时间、想上大学、是否恋爱也具有一定的相关性.

以上研究在建模的过程中要么平等对待了所有因素对学生成绩的影响程度，要么平等对待了不同成绩层次的学生，并将所挖掘出的关键影响因素视为对所有学生的影响程度相同，忽略了学生的个体差异性，所构建的预测模型解释性不强，且无法实现对学生的个性化分析与指导.

1.2 注意力机制

注意力机制最早应用于图像处理领域[15]，旨在使模型在训练的过程中能够高度关注指定的目标.注意力机制主要是模拟人的注意力[16]，可以用人类生物系统来解释[17].例如我们的视觉处理系统会根据我们的需求有选择地聚焦于图像中我们所感兴趣的部分，而忽略其他不相关的信息，从而有助于我们感知到一些关键信息.深度学习中的注意力机制核心思想就是从众多信息中选取对于当前任务目标更为关键的信息，根据其重要度不同对其赋予不同的权重.近年来，注意力机制在图像处理[18]、自然语言处理[19]、语音识别[20]等领域广泛应用.黄友文等人[21]提出了一种基于卷积注意力机制和长短期记忆网络的图像描述生成模型，解决了现有的基于卷积神经网络和循环神经网络搭建的图像描述模型在提取图像关键信息时精度不高而且训练速度缓慢等问题.Cheng等人[22]将注意力机制应用到机器翻译任务中，并提出了全局注意力和局部注意力2种机制，奠定了注意力机制在自然语言处理中的应用基础.于重重等人[23]提出一种基于注意力机制的检索式匹配问答方法，针对输入的中文词向量信息建立实体关注层模型并采用注意力机制算法，很好地解决了检索式匹配问答模型对中文语料适应性弱和句子语义信息被忽略的问题.注意力机制在以上领域中的成功应用也为其在教育数据挖掘领域的研究提供了新的思路.

2 基于双路注意力机制的成绩预测模型

2.1 问题定义

给定一个学生特征集合M，M可由一系列的属性特征attributes={x1,x2,…,xn}以及第1阶段历史成绩G1及第2阶段历史成绩G2表示，即M={attributes,G1,G2}，其中n为属性特征的数量.对于该学生，他的期末成绩为yi，y={y1,y2,…,yc}为学生成绩所划分的类别集合.学生成绩预测任务的目标就是根据给定的学生特征M，判定M的成绩类别yi.

2.2 模型结构

本文旨在通过对教育数据的分析和挖掘，实现对学生期末成绩的准确预测，并找出影响不同成绩类别学生的关键因素，对学生进行个性化分析和指导.通过对数据进行统计分析，结果显示学生前2个阶段的历史成绩和期末成绩的关联性很大.结合学生属性特征及两阶段历史成绩提出一种基于双路注意力的成绩预测模型(two-way attention, TWA)，模型框架如图1所示，TWA共包含3层：

1) 输入编码层.首先对各属性值及历史成绩进行预处理，包括数值转换、归一化、分组等.在此基础上，将离散的属性值映射到高维的特征空间，生成各属性的特征表示和历史成绩的特征表示.

2) 双路注意力层.根据学生的各属性特征和两阶段历史成绩特征，进行双路注意力机制计算.分别得到各属性基于第1阶段成绩的注意力得分β以及基于第2阶段成绩的注意力得分γ，利用两路注意力得分进行属性特征加权求和，得到能体现重要性程度的学生属性特征f1与f2.

3) 标签预测层.对学生属性特征f1与f2进行特征融合，得到具有更丰富信息的最终特征f，从而进行更好的学生成绩预测.

2.2.1 输入编码层(input embedding layer)

输入编码层主要是对各属性值以及历史成绩进行预处理，并将其转成向量表示.具体包括：

1) 数据预处理.为了便于模型的处理，根据属性特征值的特点对数据进行预处理操作，包括对二元数据进行数字编码转换、数值归一化、对成绩进行分组等.年龄属性和缺课次数相对于其他属性取值比较大，为避免其对实验结果的干扰，采用式(1)min-max归一化方法将年龄和缺课次数标准化到[0,1].

其中，x*是年龄属性或缺课次数标准化后的属性取值，x为年龄属性或缺课次数的原始取值，xmin为样本数据的最小值，xmax为样本数据的最大值.

g1=(g11,g12,…,g1k)T,

(3)

g2=(g21,g22,…,g2k)T.

(4)

2.2.2 双路注意力层(two-way attention layer)

通过对各属性特征和历史成绩进行编码后，可以得到特征矩阵A和成绩向量g1与g2.考虑到不同属性特征对成绩影响程度不同，因此所构建的学生成绩预测模型需要学习不同属性特征对于成绩预测结果所起的关键性作用.同时，考虑到学生期末成绩与前两阶段历史成绩有很强的关联性，模型应能够自动挖掘期末成绩和历史成绩之间的内在联系，从而进一步增强对学生期末成绩预测的能力.因此，本文设计了双路注意力机制,对学生期末成绩的重要影响因素进行了建模.

双路注意力层的目标是根据各属性特征与前两阶段历史成绩间的关系信息，分别利用注意力机制为各属性特征分配合适的注意力权重，从而解决了不同因素对学生成绩的影响程度不同以及不同成绩学生所受的关键影响因素也不同的问题.通过利用双路注意力机制，可以实现更全面准确地利用这些属性特征对学生成绩进行预测.具体来说，本文采用多层感知器(multi-layer perceptron, MLP)操作来进行注意力权重计算，视特征矩阵A中的每一列向量Ai为对应位置属性特征向量，即Ai=(a1i,a2i,…,aki)T，基于第1阶段历史成绩向量g1，可以得到任意属性特征Ai的注意力权重ui，具体计算过程为

ui=MLP([g1;Ai]),i=1,2,…,n.

(5)

同理，基于第2阶段历史成绩向量g2，可以得到属性特征向量Ai的对应注意力权重vi:

vi=MLP([g2;Ai]),i=1,2,…,n,

(6)

无特殊说明全文中[.;.]皆表示特征拼接操作.

用softmax函数对所得权重进行归一化处理，分别得到各属性特征在第1阶段历史成绩上的注意力得分β=(β1,β2…,βn)以及第2阶段历史成绩上的注意力得分γ=(γ1,γ2,…,γn)，该过程可形式化表示为

(7)

(8)

其中，βi指第i个属性特征在第1阶段历史成绩上的注意力得分，γi指第i个属性特征在第2阶段历史成绩上的注意力得分.

将注意力得分向量β和γ分别与特征矩阵A中对应位置的属性特征值进行加权求和，得到基于第1阶段成绩的学生属性特征f1以及基于第2阶段成绩的学生属性特征f2，具体计算过程为

(9)

(10)

2.2.3 标签预测层(label prediction layer)

标签预测层的主要任务是根据在双路注意力层所得到的基于第1阶段历史成绩的学生属性特征f1以及基于第2阶段历史成绩的学生属性特征f2预测目标学生的成绩类别.鉴于f1与f2的信息互补性，首先对两者进行特征融合，以便更全面准确地利用这些属性特征对学生成绩进行预测.特别地，本文考虑了3种特征融合方式，分别是maxpooling，avgpooling和concatenation.

以maxpooling方式进行特征融合时，取相应位置最大值，该过程可以形式化表示为

f=max(f1i,f2i),i=1,2,…,k.

(11)

以avgpooling方式进行特征融合时，对各属性特征对应位置的2个值求平均，该过程可以形式化表示为

以concatenation方式进行特征融合时，直接将学生属性特征f1与f2进行拼接，该过程可以形式化表示为

f=[f1;f2].

(13)

式(11)～(13)中f1i指学生属性特征f1中第i个元素，f2i指学生属性特征f2中第i个元素,f为f1与f2进行特征融合后输入分类层的最终特征.

随后将融合后的特征f输入MLP中得到分类结果.本文所使用的是一个3层全连接网络，在2个隐含层中使用ReLU激活函数，输出层使用softmax函数得到各成绩类别的分类预测得分p.

p=MLP(f).

(14)

2.2.4 模型训练

本文使用反向传播算法来训练网络模型，用交叉熵作为分类损失，通过迭代求解损失值和随机梯度下降来优化模型，使得损失函数的值收敛到最小.考虑到模型的复杂性，避免模型在训练的过程中出现过拟合，本文引用了L2正则项对参数进行约束，故模型的最终损失函数为

3 实 验

3.1 数据集

本文在student performance[24]中的葡萄牙语成绩数据集(portuguese)以及数学成绩数据集(math)中展开实验.其中葡萄牙语成绩数据集中的有效数据为649条，数学成绩数据集中有效数据357条.2个数据集都包含有30个维度属性特征信息，前两阶段历史成绩G1和G2以及期末成绩G3，涉及13种二元数据，4种标称数据以及16种数值数据.其中30维属性特征信息以及前两阶段历史成绩作为输入，期末成绩类别为最终输出目标，关于数据集描述如表1所示.(其中编号1～33分别指学校、性别、年龄、…、上课缺席次数、第1阶段历史成绩、第2阶段历史成绩和期末成绩.)

Table 1 The Description of student performance Dataset表1 student performance数据集描述

针对上述各属性特征包含信息的差异性，本文进一步对其进行类别划分.如包含学生性别在内的学生基本信息、家庭主要监护人以及父母教育水平等家庭因素信息、学生的社交及消费情况、学生学习地址以及是否使用网络在内的学习条件信息等，具体划分结果如表2所示.

本文也探究了学生期末成绩与历史成绩之间的关联关系，结果如表3所示.通过对数据集进行数据统计分析，发现学生期末成绩G3与前2个阶段的历史成绩G1和G2具有很强的相关性.在葡萄牙语成绩数据集(portuguese)中，学生期末成绩与第1阶段历史成绩保持一致的占67.35%，与第2阶段历史成绩保持一致的占75.08%，与第1阶段历史成绩和第2阶段历史成绩至少有一个保持一致的占85.65%.由此可见，在葡萄牙语成绩数据集中，学生期末成绩与前2个阶段的历史成绩具有很强的关联性.对于数学成绩数据集(math)也可以得到同样的结论.

Table 2 Category of Each Attribute表2 各属性特征分类

Table 3 Statistical Results on student performance Dataset表3 student performance数据集数据统计结果

本文所有实验均按照8∶2比例划分成训练集和测试集，每次实验用训练集训练模型并选择最优参数，用测试集计算各项指标.

3.2 数据预处理

3.2.1 成绩分组

在本文所选用的数据集中，G1，G2和G3分别表示第1阶段历史成绩，第2阶段历史成绩和期末成绩，并且都是一种0～20的数值数据.由于本文中样本数量的限制，通过对各个成绩上的样本数量进行统计分析发现，在某些成绩上的样本数量分布过少.通过观察分析成绩的数据分布并结合目前常用的成绩等级划分方法，将学生成绩划分为A，B，C，D这4个组别，用来区分不同的学生个体.其中，A组优秀：16～20分；B组良好：13～15分；C组中等：10～12分；D组不及格：<10分.分别对2个数据集中期末成绩分布情况进行统计，统计结果如表4所示:

Table 4 The Statistical Results of Final Grade Distribution表4 期末成绩分布统计结果

3.2.2 异常数据处理

通过对数据进行统计分析得知，2个数据集中的数据均没有缺失值，但存在学生期末成绩为0的情况.对此类数据进行进一步分析发现，当该生期末成绩为0时，其缺席次数并不高而且前2个阶段历史成绩也均处于正常水平，故将此种情况视为该生未参加期末考试，对其结果的预测也失去意义.因此，将期末成绩为0的数据视为异常数据并对其进行删除处理，保留剩余的634条葡萄牙语成绩数据和357条数学成绩数据，进行更进一步的数据挖掘分析.

3.2.3 评价指标

本文中除了预测准确率(Accuracy)外，还采用精确率(Precision)、召回率(Recall)和F1-Measure进行模型分类预测性能度量.Accuracy表示的是正确分类的样本个数占整个样本的比例，准确率越高表明预测越准确.Precision表示正确分类的正例个数占预测为正例总数的比例.Recall表示正确分类的正例个数占预测为正数的比例.F1-Measure是Precision和Recall的折中，F1-Measure值越高，分类效果越好[25].

其中，TP表示真实标签为正例也被正确判定为正例；FP表示真实标签为负例但是被错误地判定为正例；FN表示真实标签为正例但未被正确地判定为正例；TN表示真实标签为负例的未被判定为正例.

3.3 实验参数设置

本文所提模型基于深度学习框架PyTorch展开实验，优化器为随机梯度下降SGD，其中batchsize=16，初始的学习率为0.01，模型迭代次数epoch=2 000，属性类别数为30，初始化属性特征维度为128维，即在式(2)中n=30，k=128.式(5)(6)中所用的是两层全连接网络，拼接特征进行256，32，1的特征维度变换.对于式(14)中的3层全连接网络，当采用concatenation的方式进行特征融合时，特征进行256，128，64，4的特征维度变换，当采用maxpooling或者avgpooling时，进行128，128，64，4的特征维度变换，上述各全连接网络隐含层之间采用的激活函数为ReLU.

3.4 实验结果与分析

3.4.1 对比实验

将本文所提出的基于双路注意力机制的学生成绩预测方法(TWA)同支持向量机[26](support vector machine， SVM)、逻辑回归[27](logistic regression， LR)、高斯朴素贝叶斯[28](gaussion naive bayes，GaussionNB)、决策树[29](decision tree， DT)等4种传统的分类预测方法分别在student performance中的葡萄牙语成绩以及数学成绩这2个公开教育数据集中进行对比实验，验证本文提出方法的有效性.实验结果如表5和表6所示.

Table 5 Performance on Portuguese表5 葡萄牙语数据集上的预测结果 %

Table 6 Performance on Math表6 数学数据集上的预测结果 %

从表5和表6的实验结果可以看出，相比其他4种传统的成绩预测方法(GaussionNB，LR，SVM和DecisionTree)，本文基于two-way attention的方法在2个公开教育数据集上均取得了最好的预测效果.在葡萄牙语成绩数据集和数学成绩数据集上的预测准确率可分别达到96.06%和95.77%，相比于最好的传统方法Decision Tree分别提升了5.51%和2.81%.此外，在查准率(Precision)、查全率(Recall)以及F1-Measure这3个指标上也均有显著性的提高.

对比实验中的4种传统机器学习方法预测准确率普遍不高，分析其原因可能为：传统方法没有针对特定的成绩目标提取更多的特征信息，而是将各属性特征直接作为分类特征输入模型进行学习训练，平等地对待了各属性特征对期末成绩的影响程度.而本文引入注意力机制，可以有区别性地对待各属性特征的重要性.除此之外，与普通注意力机制不同的是，鉴于期末成绩与前两阶段历史成绩的强关联性，在模型中通过设计双路注意力来挖掘出更多的隐藏信息并进行信息互补，有效弥补普通注意力机制的不足，从而大大提升了模型的预测能力，取得了较好的预测效果，实验结果也证明了本文所提方法的有效性.

3.4.2 双路注意力机制的消融研究

为了进一步验证本文所提方法的有效性，在葡萄牙语成绩数据集上进行了双路注意力机制的消融研究，所有实验均在融合方式为maxpooling下进行.实验结果如表7所示，其中No_attention指的是模型完全不采用attention机制而平等对待所有属性特征，即图1中去掉Two-Way Attention Layer模块，将Input Embedding Layer之后的属性特征求平均，再与成绩向量g1和g2求和，得到输入分类预测层的特征f.G1_attention与G2_attention分别指的是单路attention的结果，即图1中变为One-Way Attention而不考虑另一路的影响.可以得出：

1) 相较于G1_attention和G2_attention这样的单路注意力机制以及TWA这样的双路注意力机制，No_attention的结果有了大幅度的下降，其中准确率相较TWA下降6.3%，这说明注意力机制能有效地学习不同属性的相对重要性，相较于平等对待所有属性特征的影响，能更好地提升模型的预测能力.

2) 通过比较G1_attention与G2_attention，可以发现后者预测能力更强，这说明近期的历史成绩与期末成绩更相关，因此对期末成绩预测更具备参考性，该现象也与表3所示的统计规律相一致.

3) 相较于单路注意力机制，本文所提的双路注意力机制在各项评价指标上都有明显的提升，就准确率而言，TWA相较G1_attention提升3.93%,相较G2_attention提升1.57%，这说明双路具有一定的信息互补性，当进行双路融合时，能进一步提升模型的预测性能.

Table 7 Ablation Study on Two-Way Attention Mechanism表7 双路注意力机制的消融研究 %

3.4.3 双路特征融合实验

本文在葡萄牙语数据集上进行了模型变种实验，比较不同特征融合方式(avgpooling，concatena-tion和maxpooling)对模型实验结果的影响.实验结果如表8所示：可以看出，按照maxpooling方式进行特征融合时的效果最好，预测准确率可达到96.06%.按照concatenation方式进行特征融合的效果次之，其预测准确率为95.28%，但较maxpooling融合方式下降了0.78%.按照avgpooling方式进行特征融合的预测准确率为93.70%，较maxpooling融合方式下降了2.36%.

Table 8 Results of Different Feature Fusion Ways on Portuguese表8 葡萄牙语中不同特征融合方式下的预测结果 %

由于特征融合方式的不同使得预测结果有些差异，分析其原因可能为：按照maxpooling方式进行特征融合时，各属性特征中的更高注意力得分被保留，使得各属性特征所表征的信息更加准确和全面，其预测效果最好.按照concatenation方式进行融合后的特征涵盖了特征融合前的所有信息，其预测效果次之.而按照avgpooling方式进行特征融合时对各属性特征所对应的注意力得分取平均，可能导致某些关键属性特征的显著影响力下降，使得该方式下的预测效果相对较差.此外，数据集的数据量也可能会对实验结果造成一些影响.

3.5 可视化分析

为了挖掘出影响不同成绩类别学生的具体因素，实现对学生的个性化指导，我们对不同成绩类别中的各属性特征进行了注意力结果可视化，更直观地显示出每个特征对成绩预测结果的影响.通过对不同成绩类别的学生进行分析来反映学生个体差异的情况.本文对学生葡萄牙语期末成绩按照不同成绩分组进行各属性特征的注意力分布可视化分析.以avgpooling方式进行特征融合为例，可视化结果如图2所示.其中横坐标表示属性特征编号且与表1数据集描述中的编号保持一致，纵坐标表示各属性特征对应的注意力权重，图中虚线表示注意力权重值为0.1.由于属性特征的数量较多，根据各属性特征的概率分布情况，本文将注意力权重大于0.1的属性特征视为学生期末成绩的关键影响因素.

分析图2可知，对于期末成绩类别为A的学生而言，属性特征24(家庭关系)和8(父亲受教育程度)是影响他们成绩的关键因素，其中家庭关系的影响最为显著，其所占比重已经超出50%，说明良好的家庭关系是取得优异成绩的关键.其次，属性特征26(和朋友外出次数)以及29(自身的健康状况)也对该类别的学生成绩有一定的影响.

Fig. 2 The attribute probability distribution on each grade group图2 各成绩分组上的属性概率分布

对于期末成绩类别为B的学生而言，其成绩所受的影响因素种类比较多.其中，属性特征14(一周内学习时长)以及19(是否参加课外活动)是影响他们成绩的关键因素，说明学习时间的投入以及适当的课外活动对他们是很有必要的.此外，属性特征7(母亲受教育程度)、8(父亲受教育程度)、11(选择学校原因)、12(监护人)、13(上学路上花费时间)、16(学校对教育的额外支持)、18(是否补课)、24(家庭关系)、25(课余时间)、26(和朋友外出次数)、27(工作日是否饮酒)、28(周末是否饮酒)、29(自身健康状况)等也对其成绩有不同程度的影响.

对于期末成绩类别为C的学生而言，属性特征7(母亲受教育程度)、10(父亲工作)、25(课余时间长短)、以及29(自身健康状况)是影响他们成绩的关键因素.其次，属性特征8(父亲受教育程度)、9(母亲工作)、11(选择学校原因)、12(监护人)、13(上学路上花费时间)、14(一周内学习时长)、24(家庭关系)、26(和朋友外出次数)、27(工作日饮酒情况)、28(休息日饮酒情况)等对成绩也有一定的影响.

对于期末成绩类别为D的学生而言，属性特征4(家庭住址)、9(母亲工作)、10(父亲工作)、11(选择学校原因)、25(课余时间)以及29(自身的健康状况)均为影响期末成绩的关键因素，属性特征7(母亲受教育程度)也对其成绩有些许影响.

通过对不同成绩类别学生所受的影响因素进行挖掘后可知，在30种属性特征中，有15种属性特征对学生期末成绩存在影响，其所属类别如表9所示:

Table 9 Category of the Key Attributes表9 重要属性特征分类

对表9中各属性类别所包含的属性特征数量进行统计分析可知，在15种关键影响因素中，家庭因素类别中占有6种，所占比重可达40%.学生表现类别占33.3%，学习条件类别占20%，基本信息类别占6.7%.由此可见，家庭因素信息以及学生表现是影响学生成绩的重要因素，不容忽视.

为实现对学生的个性化分析与指导，本文对所挖掘出的对学生期末成绩存在影响的15种属性特征进行注意力得分可视化，可视化结果如图3所示.图3中横坐标表示各属性特征，纵坐标表示各属性特征所对应的注意力权重.

Fig. 3 The influence of each attribute on different grades图3 各属性特征对不同成绩的影响

通过对不同成绩类别学生进行个性化分析，从中发现的主要现象和结论为：

1) 从图3的结果可以观察到，在家庭因素中，成绩类别为A和B的学生受父亲所受教育程度的影响比较大，而成绩类别为C和D的学生受父母亲工作影响比较大.我们推测出现这样的结果是因为父亲受教育程度不同，其教育理念有很大差异，对孩子学习有着直接的影响.父母作为孩子的第一任老师，由于工作原因对孩子陪伴及教育的缺失也会影响孩子成绩.家庭关系对成绩类别为A的学生影响尤其显著，对成绩类别为B，C，D的同学影响不明显.可能是因为A类学生已经具有丰富的知识储备和良好的学习习惯，家庭关系的好坏对其学习情绪和学习状态有直接的影响，相对于其他因素而言，该因素更为重要.

2) 在学生自身表现方面，学生选择学校的原因与学生成绩关联性比较大，成绩越差，其所占比重越大，说明学习动机对学生成绩有着直接影响.一周内学习时长对成绩类别为B和C的学生影响比较大，而对成绩类别为A和D的学生影响甚微，说明在学习上的时间投入是很有必要的.是否参加课外活动对成绩为B的学生影响较大，而对其他学生影响不明显.课后自由时间对成绩类别为A的学生几乎无影响，而对另外3种类别学生的影响程度呈现出上升趋势.我们推测可能对于成绩好的学生而言，课余时间对他们成绩的提升并不是特别重要，相比较而言，其他的行为特征属性可能更重要一点.

3) 就学习条件对不同成绩的影响而言，家庭住址对成绩类别为D的学生影响非常明显，我们推断出现这样的结果是因为家庭经济条件的影响.上学路上花费时间对成绩类别为B的学生影响较大，而对其他成绩类别的学生影响甚微.补课只对成绩类别为B的学生有较为显著的影响，这也说明补课并不是对所有学生都是必要的.

4) 此外，学生成绩越差，自身健康状况对其成绩的影响程度越大.我们推断出现这样的结果可能是因为身体不舒服而导致参加考试时不能够正常发挥.

4 总 结

学生成绩预测是近年教育数据挖掘领域的一个研究热点，也是进行学习分析的重要目标之一.本文针对目前相关研究中没有考虑到不同因素对同一学生成绩的影响程度不同，而且不同学生受同一因素的影响程度也不同等问题，提出了一种基于双路注意力机制的学生成绩预测模型.首先，该模型可以实现对离散属性特征变量输入的处理.其次，模型设计了双路注意力机制有效地学习不同属性特征的相对重要性并通过特征融合进行信息互补，使得模型预测能力更强.最后，在葡萄牙语成绩和数学成绩这2个公开教育数据集上的大量实验结果表明，本文所提出的基于双路注意力机制的学生成绩预测模型均取得了最好的预测效果，充分证明了模型在学生成绩预测问题上的有效性.

未来的研究工作中，可以对于不同特征之间的组合或者更高阶的特征对成绩预测结果的影响上进行更多地考虑和设计.