Η ραγδαία ανάπτυξη και διείσδυση των νέων τεχνολογιών πληροφορίας και επικοινωνίας έχει επιφέρει ριζικές αλλαγές σε όλους τους τομείς της ανθρώπινης δράσης (Castells, 1998). Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η επιρροή των τεχνολογιών αυτών στον τομέα της εκπαίδευσης. Οι εξελίξεις στον χώρο της τεχνολογίας και επικοινωνίας καθώς και η διάδοση του Internet μετεξέλιξαν αναπόφευκτα την εκπαιδευτική διαδικασία, από το κλασσικό συγκεντρωτικό μοντέλο σε ένα πιο άμεσο και ευέλικτο: η «εξ’ Αποστάσεως Εκπαίδευση» (e-learning) είναι μια εναλλακτική μορφή εκπαίδευσης, που επιδιώκει να καλύψει τους περιορισμούς της παραδοσιακής εκπαίδευσης. Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα ολοκληρωμένο σύστημα Δυναμικής Ανάλυσης και Πρόβλεψης της επίδοσης των εκπαιδευομένων, για ένα σύστημα εξ΄ αποστάσεως εκπαίδευσης. Η βασική ιδέα εμφορείται από την ανάγκη των ιδρυμάτων εξ΄ αποστάσεως εκπαίδευσης, για την κάλυψη των εκπαιδευτικών αναγκών και την παροχή υψηλής ποιότητας σπουδών. Η εξόρυξη γνώσης για την πρόβλεψη της επίδοσης των εκπαιδευομένων συμβάλλει καθοριστικά στην επίτευξη υψηλής ποιότητας σπουδών. Η ικανότητα και η δυνατότητα πρόβλεψης της απόδοσης των εκπαιδευομένων μπορεί να φανεί χρήσιμη με αρκετούς τρόπους για την διαμόρφωση ενός συστήματος, που θα μπορεί να αποτρέψει την αποτυχία καθώς και την παραίτηση των εκπαιδευομένων. Αξίζει να σημειωθεί ότι στα συστήματα εξ’ αποστάσεως εκπαίδευσης η συχνότητα «εγκατάλειψης» είναι αρκετά υψηλότερη από αυτή στα συμβατικά πανεπιστήμια. Για την πρόβλεψη της επίδοσης των εκπαιδευομένων, η απαιτούμενη πληροφορία βρίσκεται «κρυμμένη» στο εκπαιδευτικό σύνολο δεδομένων (δλδ. βαθμοί γραπτών εργασιών, βαθμοί τελικής εξέτασης, παρουσίες φοιτητών) και είναι εξαγώγιμη με τεχνικές εξόρυξης. Η χρήση μεθόδων εξόρυξης δεδομένων (data mining) στον τομέα της εκπαίδευσης παρουσιάζει αυξανόμενο ερευνητικό ενδιαφέρον. Ο νέος αυτός «αναπτυσσόμενος» τομέας έρευνας, που ονομάζεται «Εκπαιδευτική Εξόρυξη Δεδομένων», ασχολείται με την ανάπτυξη μεθόδων εξόρυξης «γνώσης» από τα εκπαιδευτικά σύνολα δεδομένων. Πράγμα που επιτυγχάνεται με τη χρήση τεχνικών όπως τα δέντρα απόφασης, τα Νευρωνικά Δίκτυα, Naïve Bayes, k-means, κλπ. Η παρούσα εργασία έχει σχεδιαστεί να προσφέρει ένα μοντέλο εξόρυξης δεδομένων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των δέντρων απόφασης, για το σύστημα τριτοβάθμιας εκπαίδευσης στο ανοιχτό πανεπιστήμιο. Η «γνώση» που προκύπτει από τα δεδομένα εξόρυξης θα χρησιμοποιηθεί με στόχο την διευκόλυνση και την ενίσχυση της μάθησης, καθώς επίσης και στη λήψη αποφάσεων. Στην παρούσα εργασία, εξάγουμε «γνώση» που σχετίζεται με τις επιδόσεις των μαθητών στην τελική εξέταση. Επίσης, γίνεται εντοπισμός των ατόμων που εγκαταλείπουν το μάθημα και των μαθητών που χρειάζονται ιδιαίτερη προσοχή και εντέλει δίνει τη δυνατότητα στους καθηγητές να παράσχουν την κατάλληλη παροχή συμβουλών. / The rapid development and intrusion of information technology and communications have caused radical changes in all sectors of human’s activity. (Castells, 1998). Of particular interest is the great technology’s influence on education. Due to the adoption of the new technologies, e-learning has been emerged and developed. As a result, distance learning has transformed and new possibilities have appeared. It is remarkable that distance learning became and considered as a scout of the new era in education and contributed to the quality of education: e-learning is trying to cover the limitations of conventional teaching environment. In the present thesis, an integrated system of dynamic analysis and prediction of the performance of students in distance education has been designed and implemented. The initial idea for designing this system came from the higher distance education institutes’ need to provide quality education to its students and to improve the quality of managerial decisions. One way to achieve highest level of quality in higher distance education e-learning system is by discovering knowledge from educational data to study the main attributes that may affect the students’ performance. The discovered knowledge can be used to offer a helpful and constructive recommendations to the academic planners in higher distance education institutes to enhance their decision making process, to improve students’ academic performance, trim down failure rate and dropout rate, to assist instructors, to improve teaching and many other benefits. Dropout rates in university level distance learning are definitely higher than those inconventional universities, thus limiting dropout is essential in university-level distance learning.

Πολλά είναι τα προβλήματα απόφασης τα οποία μπορούν να μοντελοποιηθούν ως προβλήματα γραμμικού προγραμματισμού. Πολλές όμως είναι και οι καταστάσεις όπου δεν είναι λογικό να υποτεθεί ότι οι παράμετροι του μοντέλου καθορίζονται προσδιοριστικά. Για παράδειγμα, μελλοντικές παραγωγικότητες σε ένα πρόβλημα παραγωγής, εισροές σε μία δεξαμενή που συνδέεται με έναν υδροσταθμό παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος, απαιτήσεις στους διάφορους κόμβους σε ένα δίκτυο μεταφορών κλπ, είναι καταλληλότερα μοντελοποιημένες ως αβέβαιες παράμετροι, οι οποίες χαρακτηρίζονται στην καλύτερη περίπτωση από τις κατανομές πιθανότητας. Η αβεβαιότητα γύρω από τις πραγματοποιημένες τιμές εκείνων των παραμέτρων δεν μπορεί να εξαλειφθεί πάντα εξαιτίας της εισαγωγής των μέσων τιμών τους ή μερικών άλλων (σταθερών) εκτιμήσεων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μοντελοποίησης. Δηλαδή ανάλογα με την υπό μελέτη κατάσταση, το γραμμικό προσδιοριστικό μοντέλο μπορεί να μην είναι το κατάλληλο μοντέλο για την περιγραφή του προβλήματος που θέλουμε να λύσουμε. Σε αυτή τη διπλωματική υπογραμμίζουμε την ανάγκη να διευρυνθεί το πεδίο της μοντελοποίησης των προβλημάτων απόφασης που παρουσιάζονται στην πραγματική ζωή με την εισαγωγή του στοχαστικού προγραμματισμού. / There are many practical decision problems than can be modeled as linear programs. However, there are also many situations that it is unreasonable to assume that the coefficients of model are deterministically fixed. For instance, future productivities in a production problem, inflows into a reservoir connected to a hydro power station, demands at various nodes in a transportation network, and so on, are often appropriately modeled as uncertain parameters, which are at best characterized by probability distributions. The uncertainty about the realized values of those parameters cannot always be wiped out just by inserting their mean values or some other (fixed) estimates during the modelling process. That is, depending on the practical situation under consideration, the linear deterministic model may not be the appropriate model for describing the problem we want to solve. In this project we emphasize the need to broaden the scope of modelling real life decision problems by inserting stochastic programming.

Σε αυτή την Διπλωματική εργασία μελετήσαμε με ποιο τρόπο μπορούν να εφαρμοστούν οι διάφορες τεχνικές Εξόρυξης Γνώσης (Data Mining) στην εκπαίδευση. Αυτός ο επιστημονικός τομέας o οποίος ερευνά και αναπτύσσει τεχνικές προκειμένου να ανακαλύψει γνώση από δεδομένα τα οποία προέρχονται από την εκπαίδευση ονομάζεται Εξόρυξη Γνώσης από Εκπαιδευτικά Δεδομένα (Educational Data Mining –EDM. Στην εργασία αυτή εκτός από την θεωρητική μελέτη των αλγορίθμων και των τεχνικών που διέπουν την εξόρυξη γνώσης από δεδομένα γενικά, έγινε και μια λεπτομερέστερη μελέτη και παρουσίαση της κατηγορίας των αλγορίθμων κατηγοριοποίησης (Classification), διότι αυτοί οι αλγόριθμοι χρησιμοποιήθηκαν στην φάση της υλοποίησης/αξιολόγησης. Στην συνέχεια η εργασία επικεντρώθηκε στον τρόπο με τον οποίο μπορούν να εφαρμοστούν αυτοί οι αλγόριθμοι σε εκπαιδευτικά δεδομένα, τι εφαρμογές έχουμε στην εκπαίδευση, ενώ αναφερόμαστε και σε μια πληθώρα ερευνών που έχουν πραγματοποιηθεί πάνω στο συγκεκριμένο αντικείμενο. Στην συνέχεια διερευνήσαμε την εφαρμογή τεχνικών κατηγοριοποίησης στην πρόγνωση της επίδοσης μαθητών Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης στα μαθήματα της Γεωγραφίας Α’ και Β’ Γυμνασίου. Συγκεκριμένα υλοποιήσαμε και θα αξιολογήσαμε έξι αλγορίθμους οι οποίοι ανήκουν στην ομάδα των αλγορίθμων κατηγοριοποίησης(Classification) και είναι αντιπροσωπευτικοί των σημαντικότερων τεχνικών κατηγοριοποίησης. Από την οικογένεια των ταξινομητών με χρήση δένδρων απόφασης (Decision Tree Classifiers) υλοποιήσαμε τον J48, από τους αλγορίθμους κανόνων ταξινόμησης (Rule-based Classification ) τον Ripper, από τους αλγόριθμους στατιστικής κατηγοριοποίησης τον Naïve Bayes, από την μέθοδο των Κ πλησιέστερων γειτόνων (KNN) τον 3-ΝΝ, από την κατηγορία των τεχνητών νευρωνικών δικτύων τον Back Propagation και τέλος από τις μηχανές διανυσμάτων υποστήριξης (Support Vector Machines SVM) τον SMO (Sequental Minimal Optimazation). Όλες οι παραπάνω υλοποιήσεις και αξιολογήσεις έγιναν με το ελεύθερο λογισμικού Weka το οποίο είναι υλοποιημένο σε Java και το οποίο προσφέρει μια πληθώρα αλγορίθμων μηχανικής μάθησης για να κάνουμε εξόρυξη γνώσης. / In this work we will study the way the misc data mining techniques can be applied to the misc fields of the education. This new scientific field is commonly named Educational Data Mining. In this study we will study the theoretical analysis of the data mining techniques focussing to the classification techniques as those are the most commonly used for prediction purpose. We also intend to predict student performance in secondary education using data mining techniques. The data we collect are concerned the class of Geography and we apply to them six data mining models with the help of the open source machine learning software Weka. We use supervised machine learning algorithms from the Classification field (Decision Tree Classifiers, Rule-based Classification, Neural Networks, k-Nearest Neighbour Algorithm, Bayesian and Support Vector Machines). After we have evaluate the algorithms we build a java tool, that uses the 3-KNN algorithm, to help us predict the performance of a student at the end of the year.