人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在CDIO模式工科高校實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

崔孝煒 狄燕清 周春生 南寧

摘要：通過(guò)借鑒CDIO國(guó)際工程教育模式，構(gòu)建了適合CDIO實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)評(píng)估體系。提出了以實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)習(xí)教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計(jì)與畢業(yè)論文、實(shí)驗(yàn)室管理與設(shè)備利用輸入層，工科高校實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)工作質(zhì)量為輸出層，建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。應(yīng)用結(jié)果表明，采用該方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果能夠較為客觀地反映教學(xué)質(zhì)量管理的情況，為CDIO模式工科高校實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的管理評(píng)價(jià)提供了新的方法和途徑，為工程專業(yè)的人才培養(yǎng)提供了有力的保障。

關(guān)鍵詞：CDIO；實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；工科高校

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）50-0039-02

CDIO是由麻省理工學(xué)院等四所大學(xué)通過(guò)幾年的研究、探索和實(shí)踐建立的一種先進(jìn)的工程教育模式，它繼承和發(fā)展了歐美90年代工程教育大改革的理念，極具可操作性。我國(guó)的工科高校教育中存在很多問(wèn)題，工科高校實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中通常含有非定量的因素，有極大的模糊性無(wú)法定量化，這給高校實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)評(píng)價(jià)帶來(lái)極大困難。本文將經(jīng)過(guò)樣本學(xué)習(xí)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型運(yùn)用到CDIO模式的工科高校實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作評(píng)價(jià)為工程類人才的培養(yǎng)提供有力保障。

一、工科高校實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)是建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，它選取得是否適宜，對(duì)最終的評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的影響。高校本科實(shí)踐教學(xué)工作質(zhì)量受實(shí)驗(yàn)教學(xué)T1、實(shí)習(xí)教學(xué)T2、畢業(yè)設(shè)計(jì)與畢業(yè)論文T3和實(shí)驗(yàn)室管理與設(shè)備利用T4四個(gè)指標(biāo)影響，而諸多指標(biāo)包含14個(gè)影響因素，T1（實(shí)驗(yàn)開(kāi)出率T11、實(shí)驗(yàn)考核T12、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革T13、實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放T14、實(shí)驗(yàn)研Tt15）；T2（計(jì)劃落實(shí)T21、經(jīng)費(fèi)使用T22）；T3（工作安排T31、選題T32、質(zhì)量T33）；T4（崗位職責(zé)及考核T41、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理T42、大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用T43、自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備T44）。

二、構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CDIO模式工科高校實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

（一）模型介紹

模型采用1個(gè)輸入層、若干隱含層及1個(gè)輸出層的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各影響因素被包含于輸入層中稱為神經(jīng)元，同層之間的神經(jīng)元不相連，神經(jīng)元之間的相互影響通過(guò)作用函數(shù)x實(shí)現(xiàn)。作用函數(shù)常選擇S型函數(shù)，其表達(dá)式為：

f（x）=1/[1+exp（-ax）] （1）

也有其他型函數(shù)，如：

f（x）=tan（x/2）=[1-exp（-ax）]/[1+exp（-ax）] （2）

本文所建立的CDIO模式的工科高校實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)含14個(gè)指標(biāo)層，這14個(gè)指標(biāo)層作為網(wǎng)絡(luò)模型輸入層的節(jié)點(diǎn)。由于本文采用定性分析，因此在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)輸入時(shí)，為便于網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用，需要對(duì)指標(biāo)先進(jìn)行定量化。在建造人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)，可把它們作為相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)輸出模式分別為（1.0，0，0，0），（0，1，0，0），（0，0，1，0）及（0，0，0，1），所建立的輸出層中的節(jié)點(diǎn)數(shù)為4。模型最終的結(jié)果是CDIO模式的工科高校實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)，輸出層分為優(yōu)、良、中、差四個(gè)類別。

（二）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用正向傳播算法和反向傳播算法進(jìn)行學(xué)習(xí)的，其描述如下：

1.初始權(quán)值和閾值的確定。確定BP（n，q，m）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，其參數(shù)W■■（i=1，…，n；j=1，…，k）權(quán)值（i單元輸入層到j(luò)單元隱含層）被得到；W■■（j=1，…，q；k=1，…，m）權(quán)值（j單元隱含層到k單元輸出層）被得到；同理θ■■（i=1，…，q）（隱含層j單元）和θ■■（k=1，…，m）（輸出層k單元）激活閾值被得出。

2.訓(xùn)練樣本信息。p個(gè)訓(xùn)練樣本被假設(shè)，輸?shù)趓個(gè)訓(xùn)練樣本信息（r=1，…，p），將訓(xùn)練樣本信息r（r=1，…，p），傳播到隱含層上，通過(guò)激活函數(shù)f（x）得到隱含層的輸出信息。

H■=f（■w■■x■θ■■），（j=1，…，q，r=1，…，p） （3）

通常Sigmoid型激活函數(shù)f（x）被采用，即

f（x）=■ （4）

最終輸出結(jié)果通過(guò)輸出信息（隱含層）傳到輸出層后得到：

Y■=f（■w■■H■θ■■），（k=1，…，m，r=1，…，p） （5）

利用式（6）來(lái)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值

Δw（t+1）=η■αΔw（t） （6）

式中Δw（t）—t次訓(xùn)練時(shí)權(quán)值和閾值的修正，α，η—?jiǎng)恿肯禂?shù)和比例系數(shù)。

E=■■■（Y■-t■）■ （7）

以上過(guò)程被反復(fù)運(yùn)用，直至誤差滿足要求。

三、實(shí)例分析

（一）樣本篩選及預(yù)處理

模型建立的首要問(wèn)題是樣本的選取。對(duì)于CDIO工科高校實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)而言，其內(nèi)在規(guī)律要通過(guò)樣本數(shù)據(jù)反映，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)模型的特點(diǎn)也要考慮進(jìn)去。樣本數(shù)據(jù)選取為陜西省內(nèi)10所高校以及其他省份38所高校評(píng)估數(shù)據(jù)。隨機(jī)選取40份有效樣本中的30份作為訓(xùn)練樣本，測(cè)試樣本為40份樣本中的10份樣本。14項(xiàng)因素評(píng)分包含在每個(gè)工科高校的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)估中，[0，50]為評(píng)分取值范圍，而后對(duì)評(píng)分歸一化處理。

（二）結(jié)果分析

將訓(xùn)練后取得的樣本數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)近10分鐘訓(xùn)練后得到測(cè)試樣本，再將已訓(xùn)練完畢的網(wǎng)絡(luò)中輸入測(cè)試樣本，得到預(yù)測(cè)評(píng)估結(jié)果，見(jiàn)表1。

從表1的測(cè)試結(jié)果中可以看出，14個(gè)樣本測(cè)試后的結(jié)論與經(jīng)過(guò)綜合測(cè)評(píng)后得出的測(cè)試結(jié)論相符，只不過(guò)第10和11個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果精度不是很高。這可能是由于所選擇的測(cè)試樣本數(shù)量不夠充足的原因，但是對(duì)網(wǎng)絡(luò)定性評(píng)估不造成影響。

四、結(jié)論

高校工科實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)是一直困擾全社會(huì)和業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)問(wèn)題。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來(lái)評(píng)估CDIO模式工科高校實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量能真實(shí)地反映出高校實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的不足，減小了人工計(jì)算中帶來(lái)的誤差；根據(jù)工科高校實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量的文獻(xiàn)資料，建立CDIO模式工科高校實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。并通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)，引入CDIO模式實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)過(guò)程中，評(píng)價(jià)結(jié)果保證了評(píng)價(jià)的客觀性。研究結(jié)果表明，選取人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)是有效且可行的。