Yapay sinir ağı, karar ağaçları ve ayırma analizi yöntemleri ile PISA 2012 matematik başarılarının sınıflandırılma performanslarının karşılaştırılması
Comparison of classification performances of mathematics achievement at PISA 2012 with artificial neural network, decision trees and discriminant analysis
Yazar: EMRE TOPRAK
Danışman: PROF. DR. SELAHATTİN GELBAL
Hacettepe Üniversitesi / Eğitim Bilimleri Enstitüsü / Eğitim Bilimleri Ana Bilim Dalı / Eğitimde Ölçme ve Değerlendirme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Eğitim ve Öğretim = Education and Training
Dizin: Ayırma analizi = Separation analysis ; Karar ağacı = Decision tree ; Matematik = Mathematics ; Matematik başarısı = Mathematics achievement ; Performans = Performance ; Sınıflandırma = Classification ; Uluslararası Öğrenci Değerlendirme Programı = Programme for International Student Assesment ; Yapay sinir ağları = Artificial neural networks ; Öğrenci başarısı = Student achievement

Özet:
Bu araştırmada yapay sinir ağı, karar ağaçları ve ayırma analizi yöntemlerinin öğrenci başarılarını sınıflandırma performansları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Yöntemlerin performansları farklı örneklem büyüklükleri ve farklı alt grup sayılarına sınıflama yapmada ele alınmıştır. Araştırmanın çalışma grubunu PISA 2012 matematik uygulamasına katılan tüm öğrenciler oluşturmaktadır. Öğrenci başarılarının karşılaştırılmasında PISA 2012 uygulamasına dünyanın farklı ülkelerinden katılan tüm öğrencilerin matematik testi ve anket sonuçlarından faydalanılmıştır. Araştırmada yapay sinir ağı modelinin oluşturulmasında çok katmanlı algılayıcı model, karar ağaçları yönteminin uygulanmasında CHAID algoritması ve ayırma analizi çeşitlerinden doğrusal ayırma analizi kullanılmıştır. 
6 alt gruba yönelik sınıflama Düzey1/Düzey2/Düzey3/Düzey4/Düzey5/Düzey6 şeklinde yapılmıştır. PISA sınıflamasında yer alan her bir başarı düzeyi bir grup oluşturmuştur. 3 alt gruba yönelik sınıflama
Alt Düzey/Orta Düzey/Üst Düzey şeklinde yapılmıştır. Alt düzey grubu PISA'da Düzey1 ve Düzey2'de yer
alan öğrencilerden, orta düzey grubu PISA'da Düzey3 ve Düzey4'te yer alan öğrencilerden, üst düzey grubu PISA'da Düzey5 ve Düzey6'da yer alan öğrencilerden oluşmaktadır. 2 alt gruba yönelik sınıflama Alt Düzey/Üst Düzey şeklinde yapılmıştır. Alt düzey grubu PISA'da Düzey1, Düzey2 ve Düzey3'te yer alan öğrencilerden, üst düzey grubu PISA'da Düzey4, Düzey5 ve Düzey6'da yer alan öğrencilerden oluşmaktadır. 
Araştırma sonucunda 6, 3 ve 2 alt gruba sınıflama yapmada büyük, orta büyüklükteki ve küçük örneklemlerde en yüksek performansı gösteren yöntem yapay sinir ağı olmuştur. Varyans-kovaryans matrislerinde homojenliğin sağlandığı çok küçük örneklemde 6, 3 ve 2 alt gruba sınıflama yapmada en yüksek performansı gösteren yöntem ayırma analizi olurken; varyans-kovaryans matrislerinde homojenliğin sağlanmadığı çok küçük örneklemde en yüksek performansı gösteren yöntem 6 alt grup için ayırma analizi, 3 ve 2 alt grup için yapay sinir ağı olmuştur. Varyans-kovaryans matrislerinde homojenliğin sağlandığı çok küçük örneklemde yöntemlerin performansı, varyans-kovaryans matrislerinde homojenliğin sağlanmadığı örnekleme göre daha yüksek olmuştur. Yöntemlerin örneklem büyüklüklerine göre performansları ele alındığında örneklem büyüklüğü azaldıkça karar ağaçları yönteminin performansının düştüğü, ayırma analizi yönteminin performansının ise arttığı gözlenmiştir. Yapay sinir ağı açısından ise böyle doğrusal bir ilişki tespit edilmemiştir. Yapay sinir ağı her uygulamada verilerin bir kısmını eğitim seti, diğer bir kısmını test seti olarak ayırdığı için, yöntem aynı koşullardaki her uygulamada farklı performans göstermiştir. Araştırma sonuçları yapay sinir ağı ile yapılacak uygulamalarda mümkün olduğunca fazla deneme yapılmasının en yüksek performansı yakalama fırsatını artırdığını ortaya koymuştur. Bunun yanında karar ağaçlarıyla yapılacak uygulamalarda ise büyük örneklemlerle çalışılmasının yöntemin performansının yüksek olmasını sağladığı sonucuna ulaşılmıştır. Ayırma analizi ile yapılacak uygulamalarda ise küçük örneklemlerle çalışılmasının ve varyans-kovaryans matrislerinde homojenlik varsayımının karşılanmasının yöntemin performansını iki kata kadar artırdığı belirlenmiştir.




Anahtar sözcükler: Yapay sinir ağı, karar ağaçları, ayırma analizi, PISA, öğrenci başarısı

Abstract:
This study aims to compare the performance of artificial neural network, decision trees and discriminant analysis methods to classify student success. The performance of each method is investigated in different sample sizes when classifying into different numbered sub-groups. The participants of the study are all the students who took part in PISA 2012 mathematics test. The mathematics test scores and data from the questionnaires of all the students from all over the world who took part in PISA 2012 are used to compare student success. The study uses multilayer perceptron model to form the artificial neural network model, CHAID algorithm to apply the decision trees method and linear discriminant analysis. 
The six sub-groups are formed as Level1/Level2/Level3/Level4/Level5/Level6. Each performance level in PISA classification forms a sub-group. The three sub-groups are named as Below the Average, Average, and Above the Average. Below the Average group includes students from Level1 and Level2, Average group includes students from Level3 and Level4 and Above the Average group includes students from Level5 and Level6. When classifying into 2 sub-groups, students from Level1, Level2 and Level3 form Below the Average group and students from Level4, Level5 and Level6 form Above the Average group. 
The study reveals that the artificial neural network has the best performance in big, medium and small sample sizes when classifying into six, three and two sub-groups. In the very small sample size which has homogeneous variance-covariance matrixes, discriminant analysis performs the best, while in the very small sample size which does not have homogeneous variance-covariance matrixes, it is the discriminant analysis which performs the best when classifying into six sub-groups and artificial neural network performs the best when classifying into two and three sub-groups. The performance of the methods in the very small sample size which has homogeneous variance-covariance matrixes is better than that of the very small sample size which does not have homogeneous variance covariance matrixes. Considering the performance of the methods with respect to sample size, it can be concluded that as the sample size gets smaller, the performance of decision trees method gets worse, whereas the performance of discriminant analysis method improves. When it comes to artificial neural network method, no correlation of this kind is found. Because the artificial neural network method divides the data into two groups, the education set and test set, in each application, the method performs differently in each application under the same circumstances. The findings of the study suggest that in artificial neural network method applications, it is better to carry out as many trials as possible in order to achieve the highest performance. It is also found that big sample sizes enable a better performance when the decision trees method is used. Finally, in discriminant analysis applications, working with a small sample size and homogeneous variance covariance matrixes improves the performance of the method twice as much.


Keywords: Neural network, decision trees, discriminant analysis, PISA, student success