IPSO-BP神经网络模型的教学质量评价.pdf
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1、 第卷 第期 年月:神 经 网 络 模 型 的 教 学 质 量 评 价张涛,刘晶,胡 海 波(第 一 汽 车 集 团 培 训 中 心,长 春;长 春 汽 车 工 业 高 等 专 科 学 校 马 克 思 主 义 学 院,长 春;东 北 师 范 大 学 马 克 思 主 义 学 院,长 春)摘要:针 对 目 前 教 学 质 量 评 价 过 程 中 存 在 的 评 价 方 法 单 一、主 观 性 强 等 问 题,为进 一 步 提 高 教 学 质 量 评 价 的 有 效 性 和 准 确 性,将 粒 子 群 算 法()和神 经 网络 相 融 合,建 立 了 一 种 基 于算 法 的 神 经 网 络 评 价
2、 模 型。利 用 教 学 方 法、教学 内 容、教 学 态 度 以 及 教 学 效 果个 指 标 构 建 教 学 质 量 评 价 指 标 体 系;采 用算 法 对模 型 的 参 数 进 行 训 练,优 化 其 权 值 和 阈 值;将 训 练 好 的 模 型 用 于 教 学 质量 评 价 的 测 试 和 验 证。结 果 表 明,所 构 建 的模 型 收 敛 速 度 快、寻 址 效 率高,可 大 大 提 高 评 估 准 确 率,与 普 通神 经 网 络 相 比,预 测 准 确 率 达 到,在教 学 质 量 评 价 中 具 有 一 定 的 应 用 和 参 考 价 值。关 键 词:神 经 网 络;教
3、学 质 量 评 价;评 价 体 系;改 进 粒 子 群 优 化中 图 分 类 号:文 献 标 志 码:文 章 编 号:(),(,;,;,):,:;收 稿 日 期:基 金 项 目:国 家 社 会 科 学 基 金 项 目();吉 林 省 教 育 科 学“十 三 五”规 划 项 目()作 者 简 介:张涛(),男,吉 林 长 春 人,硕 士,副 教 授,研 究 方向 为 思 想 政 治 教 育。:;:通 信 作 者:刘晶(),女,吉 林 长 春 人,硕 士,讲 师,研 究 方 向为 思 想 政 治 教 育。:;:引言教 学 质 量 是 高 校 生 存 的 根 本,也 是 衡 量 高 校 教 学管 理
4、 和 教 学 有 效 性 的 重 要 环 节,具 有 教 学 效 果 检 验、教学 反 馈 指 导 以 及 调 控 教 学 管 理 等 作 用。通 过 不 同主 体 对 教 师 的 教 学 活 动 进 行 量 化 评 价,检 验 教 学 效 果是 否 达 到 了 预 期 的 教 学 目 标,并 发 现 教 学 过 程 中 存 在的 问 题,从 而 对 其 进 行 优 化 和 改 进。第期张涛,等:神 经 网 络 模 型 的 教 学 质 量 评 价教 学 质 量 评 价 是 一 个 模 糊 非 线 性 问 题,对 评 价 的准 确 性 会 产 生 很 大 影 响。随 着 教 学 改 革 的 深
5、入,学 者们 对 教 学 评 价 方 法 不 断 改 进,神 经 网 络 法、模 糊 综合 评 估 法、层 次 分 析 法以 及 支 持 向 量 机等 方法 被 广 泛 应 用,使 评 价 准 确 性 得 以 提 高。尽 管 这 些 方法 都 考 虑 了 教 学 质 量 与 各 评 价 指 标 之 间 相 应 关 系,但评 价 指 标 体 系 不 完 善、评 价 方 法 不 科 学 等 问 题 还 在 一定 程 度 上 存 在。神 经 网 络 能 够 模 拟 人 类 大 脑 的 神经 系 统,可 以 逼 近 任 意 的 非 线 性 函 数,具 有 强 大 的 自 学习 能 力。近 年 来,学
6、者 们 尝 试 将神 经 网 络 应 用于 教 学 质 量 评 价,取 得 了 一 定 的 效 果。但 是,由 于神 经 网 络 采 用 的 梯 度 下 降 学 习 方 法 收 敛 速 度 较 慢,容易 陷 入 局 部 最 小 值,泛 化 能 力 受 到 一 定 限 制。因 此,需要 针 对 不 同 课 程 和 学 生 特 点 建 立 科 学 的 教 学 质 量 评 价指 标 体 系,并 利 用 智 能 控 制 算 法 建 立 评 价 模 型,从 而 提高 教 学 质 量 精 准 度,为 教 学 管 理 与 决 策 提 供 科 学 的依 据。在 现 有 研 究 的 基 础 上,本 文 利 用
7、粒 子 群 算 法 对 神经 网 络 的 权 值 和 阈 值 进 行 优 化,从 而 建 立 一 种神 经 网 络 模 型,用 于 改 善算 法 的 性 能,以 期 缩短 运 行 时 间、提 高 预 测 效 率 和 准 确 率。同 时,将 训 练 好的 网 络 模 型 用 于 高 校 教 学 质 量 评 价,以 验 证 所 建 模 型的 可 靠 性 和 有 效 性。神 经 网 络 网 络 结 构 及 原 理神 经 网 络 是 一 种 按 误 差 逆 向 传 播 进 行 训 练 的多 层 前 馈 网 络,通 过 模 拟 人 类 大 脑 神 经 系 统,可 以 无 限逼 近 任 意 的 非 线 性
8、 函 数。神 经 网 络 具 有 强 大 的 自学 习 功 能,通 过 不 断 调 整 各 层 之 间 的 权 值 和 阈 值 不 断优 化 和 修 正 网 络,从 而 使 输 出 值 和 目 标 值 之 间 的 误 差最 小 化。神 经 网 络 的 学 习 过 程 包 括 信 号 的 正 向 传播 和 误 差 的 反 向 传 播 两 个 阶 段。信 号 进 行 正 向 传 播时,训 练 样 本 从 输 入 层 传 入,经 过 隐 含 层 处 理 后,传 向输 出 层。将 实 际 输 出 结 果 与 目 标 输 出 结 果 进 行 比 较,若 两 者 不 一 致,则 转 入 误 差 的 反 向
9、 传 播 阶 段。反 向 传播 是 将 输 出 误 差 以 某 种 形 式 通 过 隐 含 层 向 输 入 层 反 向传 递,并 将 误 差 分 配 给 每 个 神 经 元,不 断 修 正 各 层 之 间的 连 接 权 值 和 阈 值,使 误 差 沿 梯 度 方 向 下 降,直 到 输 出误 差 达 到 预 设 精 度 或 设 定 的 最 大 学 习 次 数 为 止。神 经 网 络 通 常 包 括 输 入 层、隐 含 层 和 输 出 层 网 络 结构,如 图所 示。设 训 练 样 本 的 输 入 数 据 和 输 出 数 据 分 别 为()和(),选 择函 数 构 建 映 射 关 系,传 递 函
10、数 为:()()图 神 经 网 络 的 结 构则 隐 含 层 的 输 出 可 表 示 为 ()式 中:为 输 入 层 和 隐 含 层 之 间 的 权 值;为 隐 含 层阈 值;为 隐 含 层 节 点 数。输 出 层 的 输 出 表 达 式 为 ()式 中:为 隐 含 层 和 输 出 层 之 间 的 权 值;为 输 出 层阈 值;为 输 出 层 节 点 数。定 义 实 际 输 出 与 目 标 输 出 之 间 的 误 差 为 ()()式 中:为 实 际 输 出;为 目 标 输 出;为 输 入 层 节点 数。应 用 梯 度 下 降 法 更 新 权 值,表 达 式 为:()()()()()更 新 阈
11、值,其 表 达 式 为:()()()()()训 练 流 程神 经 网 络 学 习 和 训 练 的 过 程 也 就 是 根 据 误 差不 断 调 整 权 值 和 阈 值 的 过 程,使 模 拟 的 实 际 输 出 逐渐 收 敛 于 期 望 输 出,直 至 迭 代 达 到 设 置 上 限 值 或 者 预测 准 确 率 达 到 门 限 值,训 练 流 程 如 图所 示。神 经 网 络 改 进 粒 子 群 算 法粒 子 群 算 法(,)是基 于 鸟 群 捕 食 活 动 而 演 化 出 来 的 优 化 算 法。在 寻 优 计第卷图 神 经 网 络 的 训 练 流 程算 中,通 过 不 断 跟 踪 最 优
12、 解,实 现 对 粒 子 速 度 和 位 置 的更 新,从 而 不 断 寻 求 最 优 解,被 广 泛 应 用 于 优 化 问 题 的求 解 过 程。若 将 粒 子 看 作 是 一 个维 空 间 的 解 向 量,假 设和分 别 代 表 粒 子的 空 间 位 置 和 速 度,则 粒 子 的 更新 策 略 可 以 表 示 为:()()()()()()()()()()()式 中:()、()分 别 为时 刻 个 体 最 优 解 和 全 局 最优 解;为 当 前 粒 子 的 维 数,且 ,;为 粒子 的 惯 性 权 重;、为 粒 子 更 新 时 的 学 习 因 子;、为,之 间 均 匀 分 布 的 随
13、机 数。传 统 的 粒 子 群 算 法 容 易 陷 入 局 部 最 优,出 现“早熟”现 象,使 寻 址 精 度 受 到 影 响。因 此,为 增 加 粒 子 的认 知 能 力 及 搜 索 范 围,对算 法 进 行 改 进。为 此,设 计 了 一 种 惯 性 权 重 调 整 方 法,即:(槡)()式 中:为 空 间 长 度;为 粒 子的 坐 标 值;为 所 有粒 子 坐 标 的 平 均 值。经 过 改 进 后,粒 子 在 寻 址 过 程 中,先 变 大,随 后又 变 小,从 而 扩 大 了 粒 子 的 搜 索 范 围,解 决“过 早 熟”问 题。神 经 网 络 模 型将 改 进 的 粒 子 群
14、算 法(,)与神 经 网 络 相 结 合,通 过 粒 子 之 间 合 作 和 竞 争 产 生 的 群体 智 能 指 导 优 化 搜 索,不 断 修 正 神 经 网 络 的 权 值 和 阈值,从 而 改 善算 法 的 性 能。优 化 后 的算 法 收 敛速 度 快、全 局 搜 索 能 力 强,且 寻 址 过 程 不 依 赖 于 梯 度 信息,避 免 了 梯 度 下 降 法 对 函 数 的 要 求,缩 短 了 神 经 网 络的 训 练 时 间,有 效 提 高 搜 索 效 率 和 精 度。算 法 与算 法 的 融 合 主 要 体 现 在 两 个 方面:算 法 中 粒 子 的 位 置 向 量 会 对
15、应算 法 的全 部 连 接 权 值 和 阈 值,并 通 过 适 应 度 函 数 寻 找 最 优 位置,也 就 是 寻 找网 络 的 最 优 权 值 和 阈 值;采 用神 经 网 络 的 前 向 传 播 理 论 计 算 粒 子 的 适 应 度,并 根据 训 练 得 到 的 均 方 误 差 定 义 粒 子 的 适 应 度 函 数。具 体流 程 如 图所 示。图 算 法 训 练 流 程 仿 真 结 果 与 分 析为 验 证 教 学 质 量 评 价 指 标 体 系 的 科 学 性 以 及模 型 的 可 靠 性,在平 台 下,由 程 序 随 机在,之 间 产 生个 数 据 作 为 训 练 样 本。本 文
16、 采 用层神 经 网 络 框 架 结 构,输 出 层 有个 节 点,隐 含 层 为个 节 点,输 出 层 有个 节 点。取 粒 子 的 维 度 为(),粒 子 的 数量 为;最 大 迭 代 次 数 为;惯 性 权 重 的 最 大 值 和 最小 值 分 别 为 和;学 习 因 子 ;网 络的 目 标 误 差 为,训 练 误 差 小 于 目 标 误 差 时 训 练结 束,则 训 练 时 间 如 图所 示。图不 同 模 型 的 训 练 结 果 为 进 一 步 分 析的 性 能,将 两 个 模 型 的 训练 时 间、均 方 差、迭 代 次 数 以 及 准 确 率 列 表 进 行 对 比,如 表所 示。
17、表两 种 模 型 训 练 结 果 对 比评 价 模 型 训 练 时 间 平 均 方 差 迭 代 次 数 准 确 率 从 表可 见,与神 经 网 络 模 型 相 比,第期张涛,等:神 经 网 络 模 型 的 教 学 质 量 评 价模 型 收 敛 速 度 快,能 够 在 较 少 的 训 练 时 间 和 迭 代 次 数内 找 到 最 优 解。同 时,该 模 型 训 练 误 差 小,准 确 率 高,缩 小 了,准 确 率 提 高 了。训 练 结 果表 明,神 经 网 络 模 型 可 靠、有 效,可 以 将 其 用于 课 堂 教 学 质 量 的 评 价。模 型 教 学 质 量 评 价 教 学 质 量 评
18、 价 指 标 体 系教 学 评 价 用 于 考 查 教 师 的 教 学 质 量、掌 握 学 生 的学 习 效 果 和 验 证 教 学 管 理 工 作 是 否 规 范 化,以 便 调 整教 学 计 划 和 育 人 目 标。指 标 体 系 是 教 学 质 量 评 价 的 核心 内 容,评 价 指 标 体 系 是 否 科 学、合 理 直 接 决 定 了 评 价结 果 的 准 确 性。本 文 通 过 梳 理 相 关 文 献 和 进 行 深入 调 研,并 结 合 本 单 位 教 学 实 际 建 立 教 学 质 量 评 价 指标 体 系。该 体 系 包 括 教 学 方 法、教 学 效 果、教 学 态 度
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