├── LICENSE ├── README.md ├── data ├── student-mat.csv ├── student-por.csv └── student.txt └── model.py /LICENSE: -------------------------------------------------------------------------------- 1 | MIT License 2 | 3 | Copyright (c) 2016 Sachandhan Ganesh 4 | 5 | Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy 6 | of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal 7 | in the Software without restriction, including without limitation the rights 8 | to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell 9 | copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is 10 | furnished to do so, subject to the following conditions: 11 | 12 | The above copyright notice and this permission notice shall be included in all 13 | copies or substantial portions of the Software. 14 | 15 | THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR 16 | IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, 17 | FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE 18 | AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER 19 | LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM, 20 | OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE 21 | SOFTWARE. 22 | -------------------------------------------------------------------------------- /README.md: -------------------------------------------------------------------------------- 1 | # Student Performance Prediction # 2 | 3 | ## Preface ## 4 | 5 | Having spent the past few months studying quite a bit about machine learning and statistical inference, I wanted a more serious and challenging task than simply working and re-working the examples that many books and blogs make use of. After all, there's only so many times you can look at the Iris dataset and be surprised. I wanted to work on something that was completely new to me in terms of the data, to see if I could start with the unknown and chart my way out with success. 6 | 7 | **Dataset:** [Student Performance Dataset](https://archive.ics.uci.edu/ml/datasets/Student+Performance) 8 | 9 | **Accompanying Paper:** [Using Data Mining to Predict Secondary School Student Performance](http://www3.dsi.uminho.pt/pcortez/student.pdf) 10 | 11 | ## Objective ## 12 | 13 | My objective was to build a model that would predict whether or not a student would fail the math course that was being tracked. I focused on failure rates as I believed that metric to be more valuable in terms of flagging struggling students who may need more help. 14 | 15 | To be able to preemptively assess which students may need the most attention is, in my opinion, an important step to personalized education. 16 | 17 | ## Process ## 18 | 19 | The target value is `G3`, which, according to the accompanying paper of the dataset, can be binned into a passing or failing classification. If `G3` is greater than or equal to 10, then the student passes. Otherwise, she fails. Likewise, the `G1` and `G2` features are binned in the same manner. 20 | 21 | The data can be reduced to 4 fundamental features, in order of importance: 22 | 1. `G2` score 23 | 2. `G1` score 24 | 3. `School` 25 | 4. `Absences` 26 | 27 | When no grade knowledge is known, `School` and `Absences` capture most of the predictive basis. As grade knowledge becomes available, `G1` and `G2` scores alone are enough to achieve over 90% accuracy. I experimentally discovered that the model performs best when it uses only 2 features at a time for each experiment. 28 | 29 | The model is a linear support vector machine with a regularization factor of 100. This model performed the best when compared to other models, such as naive bayes, logistic regression, and random forest classifiers. 30 | 31 | ## Results ## 32 | 33 | The following results have been averaged over 5 trials. 34 | 35 | | Features Considered | G1 & G2 | G1 & School | School & Absences | 36 | |--------------------- |:-------: |:-----------: |:-----------------: | 37 | | Paper Accuracy | 0.919 | 0.838 | 0.706 | 38 | | My Model Accuracy | 0.9165 | 0.8285 | 0.6847 | 39 | | False Pass Rate | 0.096 | 0.12 | 0.544 | 40 | | False Fail Rate | 0.074 | 0.1481 | 0.2185 | 41 | 42 | [Why these metrics?](https://github.com/sachanganesh/student-performance-prediction/issues/1#issuecomment-508577754) 43 | 44 | ## Discussion ## 45 | 46 | Without any prior academic performance in similar courses, the problem is difficult to solve; however, my model achieves 68% accuracy using only the school the student attends and the number of absences that they accrue to judge whether or not they fail. What is interesting is that my model, with these parameters, has a false pass rate of over 50%, meaning that it classifies more than half of the students who end up failing as passing instead. This number falls drastically as more information becomes available and better parameters are used, but it highlights one major area of improvement for the model. 47 | 48 | To achieve their performance noted above, the original authors had to alternate models for each experiment, using both support vector machines and naive bayes. My support vector machine's performance closely follows the original author's results and displays a more streamlined approach to solving the problem, as the underlying model does not change. In addition, the original authors made use of all variables (excluding grade knowledge) in achieving the stated 70.6% accuracy in the third experiment, while my model makes use of only two parameters at a time to achieve similar results. 49 | -------------------------------------------------------------------------------- /data/student-mat.csv: -------------------------------------------------------------------------------- 1 | school;sex;age;address;famsize;Pstatus;Medu;Fedu;Mjob;Fjob;reason;guardian;traveltime;studytime;failures;schoolsup;famsup;paid;activities;nursery;higher;internet;romantic;famrel;freetime;goout;Dalc;Walc;health;absences;G1;G2;G3 2 | "GP";"F";18;"U";"GT3";"A";4;4;"at_home";"teacher";"course";"mother";2;2;0;"yes";"no";"no";"no";"yes";"yes";"no";"no";4;3;4;1;1;3;6;"5";"6";6 3 | "GP";"F";17;"U";"GT3";"T";1;1;"at_home";"other";"course";"father";1;2;0;"no";"yes";"no";"no";"no";"yes";"yes";"no";5;3;3;1;1;3;4;"5";"5";6 4 | 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"MS";"F";18;"U";"GT3";"T";3;3;"services";"services";"course";"father";1;2;0;"no";"yes";"no";"no";"yes";"yes";"no";"yes";5;3;4;1;1;5;0;"10";"10";10 616 | "MS";"F";17;"R";"GT3";"T";4;4;"teacher";"services";"other";"father";2;2;0;"no";"yes";"yes";"yes";"yes";"yes";"yes";"no";4;3;3;1;2;5;2;"12";"12";12 617 | "MS";"F";17;"U";"LE3";"A";3;2;"services";"other";"reputation";"mother";2;2;0;"no";"no";"no";"no";"yes";"yes";"no";"yes";1;2;3;1;2;5;0;"15";"14";15 618 | "MS";"M";18;"U";"LE3";"T";1;1;"other";"services";"home";"father";2;1;0;"no";"no";"no";"no";"no";"yes";"yes";"yes";3;3;2;1;2;3;2;"14";"13";14 619 | "MS";"F";18;"U";"LE3";"T";1;1;"at_home";"services";"course";"father";2;3;0;"no";"no";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"no";5;3;2;1;1;4;0;"19";"17";18 620 | "MS";"F";18;"R";"LE3";"A";1;2;"at_home";"other";"course";"mother";3;2;0;"no";"no";"no";"no";"yes";"yes";"no";"yes";4;3;4;1;4;5;0;"16";"15";15 621 | "MS";"F";18;"U";"GT3";"T";3;3;"services";"services";"other";"mother";2;2;0;"no";"yes";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"yes";4;3;2;1;3;3;6;"13";"12";13 622 | "MS";"F";17;"U";"LE3";"T";4;4;"at_home";"at_home";"course";"mother";1;2;0;"no";"yes";"no";"yes";"yes";"yes";"yes";"yes";2;3;4;1;1;1;4;"15";"14";15 623 | "MS";"F";17;"R";"GT3";"T";1;2;"other";"services";"course";"father";2;2;0;"no";"no";"no";"no";"no";"yes";"no";"no";3;2;2;1;2;3;0;"13";"13";13 624 | "MS";"M";18;"R";"GT3";"T";1;3;"at_home";"other";"course";"mother";2;2;0;"no";"yes";"yes";"no";"yes";"yes";"no";"no";3;3;4;2;4;3;0;"8";"10";9 625 | "MS";"M";18;"U";"LE3";"T";4;4;"teacher";"services";"other";"mother";2;3;0;"no";"no";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"yes";4;2;2;2;2;5;0;"15";"16";16 626 | "MS";"F";17;"R";"GT3";"T";1;1;"other";"services";"reputation";"mother";3;1;1;"no";"yes";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"yes";5;2;1;1;2;1;0;"8";"8";9 627 | "MS";"F";18;"U";"GT3";"T";2;3;"at_home";"services";"course";"father";2;1;0;"no";"yes";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"yes";5;2;3;1;2;4;0;"10";"10";10 628 | "MS";"F";18;"R";"GT3";"T";4;4;"other";"teacher";"other";"father";3;2;0;"no";"yes";"no";"no";"no";"yes";"yes";"yes";3;2;2;4;2;5;0;"7";"5";0 629 | "MS";"M";18;"R";"LE3";"T";1;2;"at_home";"services";"other";"father";3;1;0;"no";"yes";"no";"yes";"yes";"no";"yes";"yes";4;3;3;2;3;3;3;"9";"10";10 630 | "MS";"F";17;"U";"GT3";"T";2;2;"other";"at_home";"home";"mother";1;3;0;"no";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"no";"yes";3;4;3;1;1;3;8;"10";"11";12 631 | "MS";"F";17;"R";"GT3";"T";1;2;"other";"other";"course";"mother";1;1;0;"no";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"yes";"no";3;5;5;1;3;1;4;"7";"8";9 632 | "MS";"F";18;"R";"LE3";"T";4;4;"other";"other";"reputation";"mother";2;3;0;"no";"no";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"no";5;4;4;1;1;1;0;"15";"17";17 633 | "MS";"F";18;"R";"GT3";"T";1;1;"other";"other";"home";"mother";4;3;0;"no";"no";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"no";4;3;2;1;2;4;4;"10";"11";12 634 | "MS";"F";19;"R";"GT3";"T";1;1;"at_home";"other";"course";"other";2;2;1;"no";"yes";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"yes";4;3;3;1;1;3;4;"7";"8";9 635 | "MS";"F";18;"R";"LE3";"T";4;4;"teacher";"services";"course";"mother";1;2;0;"no";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"yes";"no";5;4;3;3;4;2;1;"13";"14";14 636 | "MS";"F";18;"U";"GT3";"T";3;3;"other";"other";"home";"mother";1;2;0;"no";"no";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"yes";4;1;3;1;2;1;1;"16";"16";16 637 | "MS";"F";17;"R";"GT3";"T";3;1;"at_home";"other";"reputation";"mother";1;2;0;"no";"yes";"no";"yes";"no";"yes";"yes";"no";4;5;4;2;3;1;10;"8";"9";9 638 | "MS";"M";18;"U";"GT3";"T";4;4;"teacher";"teacher";"home";"father";1;2;0;"no";"no";"no";"yes";"no";"yes";"yes";"no";3;2;4;1;4;2;4;"17";"18";19 639 | "MS";"M";18;"R";"GT3";"T";2;1;"other";"other";"other";"mother";2;1;0;"no";"no";"no";"yes";"no";"yes";"yes";"yes";4;4;3;1;3;5;0;"7";"7";0 640 | "MS";"M";17;"U";"GT3";"T";2;3;"other";"services";"home";"father";2;2;0;"no";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"yes";"no";4;4;3;1;1;3;4;"14";"15";16 641 | "MS";"M";19;"R";"GT3";"T";1;1;"other";"services";"other";"mother";2;1;1;"no";"no";"no";"no";"yes";"yes";"no";"no";4;3;2;1;3;5;0;"5";"8";0 642 | "MS";"M";18;"R";"GT3";"T";4;2;"other";"other";"home";"father";2;1;1;"no";"no";"yes";"no";"yes";"yes";"no";"no";5;4;3;4;3;3;0;"7";"7";0 643 | "MS";"F";18;"R";"GT3";"T";2;2;"at_home";"other";"other";"mother";2;3;0;"no";"no";"no";"no";"yes";"yes";"no";"no";5;3;3;1;3;4;0;"14";"17";15 644 | "MS";"F";17;"U";"GT3";"T";4;3;"teacher";"other";"other";"mother";2;2;0;"no";"no";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"no";5;5;4;1;1;1;0;"6";"9";11 645 | "MS";"F";18;"R";"GT3";"T";4;4;"teacher";"at_home";"reputation";"mother";3;1;0;"no";"yes";"no";"yes";"yes";"yes";"yes";"yes";4;4;3;2;2;5;4;"7";"9";10 646 | "MS";"F";19;"R";"GT3";"T";2;3;"services";"other";"course";"mother";1;3;1;"no";"no";"no";"yes";"no";"yes";"yes";"no";5;4;2;1;2;5;4;"10";"11";10 647 | "MS";"F";18;"U";"LE3";"T";3;1;"teacher";"services";"course";"mother";1;2;0;"no";"yes";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"no";4;3;4;1;1;1;4;"15";"15";16 648 | "MS";"F";18;"U";"GT3";"T";1;1;"other";"other";"course";"mother";2;2;0;"no";"no";"no";"yes";"yes";"yes";"no";"no";1;1;1;1;1;5;6;"11";"12";9 649 | "MS";"M";17;"U";"LE3";"T";3;1;"services";"services";"course";"mother";2;1;0;"no";"no";"no";"no";"no";"yes";"yes";"no";2;4;5;3;4;2;6;"10";"10";10 650 | "MS";"M";18;"R";"LE3";"T";3;2;"services";"other";"course";"mother";3;1;0;"no";"no";"no";"no";"no";"yes";"yes";"no";4;4;1;3;4;5;4;"10";"11";11 651 | -------------------------------------------------------------------------------- /data/student.txt: -------------------------------------------------------------------------------- 1 | # Attributes for both student-mat.csv (Math course) and student-por.csv (Portuguese language course) datasets: 2 | 1 school - student's school (binary: "GP" - Gabriel Pereira or "MS" - Mousinho da Silveira) 3 | 2 sex - student's sex (binary: "F" - female or "M" - male) 4 | 3 age - student's age (numeric: from 15 to 22) 5 | 4 address - student's home address type (binary: "U" - urban or "R" - rural) 6 | 5 famsize - family size (binary: "LE3" - less or equal to 3 or "GT3" - greater than 3) 7 | 6 Pstatus - parent's cohabitation status (binary: "T" - living together or "A" - apart) 8 | 7 Medu - mother's education (numeric: 0 - none, 1 - primary education (4th grade), 2 – 5th to 9th grade, 3 – secondary education or 4 – higher education) 9 | 8 Fedu - father's education (numeric: 0 - none, 1 - primary education (4th grade), 2 – 5th to 9th grade, 3 – secondary education or 4 – higher education) 10 | 9 Mjob - mother's job (nominal: "teacher", "health" care related, civil "services" (e.g. administrative or police), "at_home" or "other") 11 | 10 Fjob - father's job (nominal: "teacher", "health" care related, civil "services" (e.g. administrative or police), "at_home" or "other") 12 | 11 reason - reason to choose this school (nominal: close to "home", school "reputation", "course" preference or "other") 13 | 12 guardian - student's guardian (nominal: "mother", "father" or "other") 14 | 13 traveltime - home to school travel time (numeric: 1 - <15 min., 2 - 15 to 30 min., 3 - 30 min. to 1 hour, or 4 - >1 hour) 15 | 14 studytime - weekly study time (numeric: 1 - <2 hours, 2 - 2 to 5 hours, 3 - 5 to 10 hours, or 4 - >10 hours) 16 | 15 failures - number of past class failures (numeric: n if 1<=n<3, else 4) 17 | 16 schoolsup - extra educational support (binary: yes or no) 18 | 17 famsup - family educational support (binary: yes or no) 19 | 18 paid - extra paid classes within the course subject (Math or Portuguese) (binary: yes or no) 20 | 19 activities - extra-curricular activities (binary: yes or no) 21 | 20 nursery - attended nursery school (binary: yes or no) 22 | 21 higher - wants to take higher education (binary: yes or no) 23 | 22 internet - Internet access at home (binary: yes or no) 24 | 23 romantic - with a romantic relationship (binary: yes or no) 25 | 24 famrel - quality of family relationships (numeric: from 1 - very bad to 5 - excellent) 26 | 25 freetime - free time after school (numeric: from 1 - very low to 5 - very high) 27 | 26 goout - going out with friends (numeric: from 1 - very low to 5 - very high) 28 | 27 Dalc - workday alcohol consumption (numeric: from 1 - very low to 5 - very high) 29 | 28 Walc - weekend alcohol consumption (numeric: from 1 - very low to 5 - very high) 30 | 29 health - current health status (numeric: from 1 - very bad to 5 - very good) 31 | 30 absences - number of school absences (numeric: from 0 to 93) 32 | 33 | # these grades are related with the course subject, Math or Portuguese: 34 | 31 G1 - first period grade (numeric: from 0 to 20) 35 | 31 G2 - second period grade (numeric: from 0 to 20) 36 | 32 G3 - final grade (numeric: from 0 to 20, output target) 37 | 38 | Additional note: there are several (382) students that belong to both datasets . 39 | These students can be identified by searching for identical attributes 40 | that characterize each student, as shown in the annexed R file. 41 | -------------------------------------------------------------------------------- /model.py: -------------------------------------------------------------------------------- 1 | """ 2 | 3 | The goal of this experiment is to develop a model that will predict (to a certain level of acceptable accuracy) whether a student will pass or fail a mathematics course over a year (two semesters). 4 | The features will consist of all given features within the dataset excluding the GX factors that represent semester grades. G3 will be the target feature. 5 | 6 | """ 7 | 8 | """ Import helper libraries """ 9 | import numpy as np 10 | import pandas as pd 11 | 12 | """ Read data file as DataFrame """ 13 | df = pd.read_csv("./data/student-mat.csv", sep=";") 14 | 15 | """ Import ML helpers """ 16 | from sklearn.preprocessing import LabelEncoder 17 | from sklearn.model_selection import train_test_split 18 | from sklearn.metrics import confusion_matrix 19 | from sklearn.model_selection import GridSearchCV, cross_val_score 20 | 21 | from sklearn.pipeline import Pipeline 22 | from sklearn.feature_selection import SelectKBest, chi2 23 | from sklearn.svm import LinearSVC # Support Vector Machine Classifier model 24 | 25 | """ Split Data into Training and Testing Sets """ 26 | def split_data(X, Y): 27 | return train_test_split(X, Y, test_size=0.2, random_state=17) 28 | 29 | """ Confusion Matrix """ 30 | def confuse(y_true, y_pred): 31 | cm = confusion_matrix(y_true=y_true, y_pred=y_pred) 32 | # print("\nConfusion Matrix: \n", cm) 33 | fpr(cm) 34 | ffr(cm) 35 | 36 | """ False Pass Rate """ 37 | def fpr(confusion_matrix): 38 | fp = confusion_matrix[0][1] 39 | tf = confusion_matrix[0][0] 40 | rate = float(fp) / (fp + tf) 41 | print("False Pass Rate: ", rate) 42 | 43 | """ False Fail Rate """ 44 | def ffr(confusion_matrix): 45 | ff = confusion_matrix[1][0] 46 | tp = confusion_matrix[1][1] 47 | rate = float(ff) / (ff + tp) 48 | print("False Fail Rate: ", rate) 49 | 50 | return rate 51 | 52 | """ Train Model and Print Score """ 53 | def train_and_score(X, y): 54 | X_train, X_test, y_train, y_test = split_data(X, y) 55 | 56 | clf = Pipeline([ 57 | ('reduce_dim', SelectKBest(chi2, k=2)), 58 | ('train', LinearSVC(C=100)) 59 | ]) 60 | 61 | scores = cross_val_score(clf, X_train, y_train, cv=5, n_jobs=2) 62 | print("Mean Model Accuracy:", np.array(scores).mean()) 63 | 64 | clf.fit(X_train, y_train) 65 | 66 | confuse(y_test, clf.predict(X_test)) 67 | print() 68 | 69 | """ Main Program """ 70 | def main(): 71 | print("\nStudent Performance Prediction") 72 | 73 | # For each feature, encode to categorical values 74 | class_le = LabelEncoder() 75 | for column in df[["school", "sex", "address", "famsize", "Pstatus", "Mjob", "Fjob", "reason", "guardian", "schoolsup", "famsup", "paid", "activities", "nursery", "higher", "internet", "romantic"]].columns: 76 | df[column] = class_le.fit_transform(df[column].values) 77 | 78 | # Encode G1, G2, G3 as pass or fail binary values 79 | for i, row in df.iterrows(): 80 | if row["G1"] >= 10: 81 | df["G1"][i] = 1 82 | else: 83 | df["G1"][i] = 0 84 | 85 | if row["G2"] >= 10: 86 | df["G2"][i] = 1 87 | else: 88 | df["G2"][i] = 0 89 | 90 | if row["G3"] >= 10: 91 | df["G3"][i] = 1 92 | else: 93 | df["G3"][i] = 0 94 | 95 | # Target values are G3 96 | y = df.pop("G3") 97 | 98 | # Feature set is remaining features 99 | X = df 100 | 101 | print("\n\nModel Accuracy Knowing G1 & G2 Scores") 102 | print("=====================================") 103 | train_and_score(X, y) 104 | 105 | # Remove grade report 2 106 | X.drop(["G2"], axis = 1, inplace=True) 107 | print("\n\nModel Accuracy Knowing Only G1 Score") 108 | print("=====================================") 109 | train_and_score(X, y) 110 | 111 | # Remove grade report 1 112 | X.drop(["G1"], axis=1, inplace=True) 113 | print("\n\nModel Accuracy Without Knowing Scores") 114 | print("=====================================") 115 | train_and_score(X, y) 116 | 117 | 118 | 119 | main() 120 | --------------------------------------------------------------------------------