基于優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)指數(shù)的評(píng)價(jià)研究

◆趙智鵬 高艷梅 趙寅旭 王 巍

(1.德惠市校外教育指導(dǎo)中心；2.德惠衛(wèi)生職工中等專業(yè)學(xué)校；3.大連民族大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院)

基于優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)指數(shù)的評(píng)價(jià)研究

◆趙智鵬1高艷梅1趙寅旭2王 巍3

(1.德惠市校外教育指導(dǎo)中心；2.德惠衛(wèi)生職工中等專業(yè)學(xué)校；3.大連民族大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院)

隨著教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式方法不斷改進(jìn)，學(xué)生為教學(xué)主體的理念逐步深化。有效的掌握學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，能夠有效提升教學(xué)效果。如何評(píng)價(jià)學(xué)生主體的學(xué)習(xí)狀態(tài)，成為教師關(guān)注的重點(diǎn)。算法采用經(jīng)附加動(dòng)量和自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back-Propagation Network)進(jìn)行學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明參與評(píng)價(jià)的在校學(xué)生的整體學(xué)習(xí)狀態(tài)較好，影響其學(xué)習(xí)狀態(tài)的的主要因素是學(xué)習(xí)計(jì)劃的有效執(zhí)行，課前課后主動(dòng)復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)、自信樂觀程度、當(dāng)前學(xué)習(xí)成績(jī)等。

教學(xué)模式 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率

一、問題背景

隨著目前教學(xué)研究?jī)?nèi)容的逐步細(xì)化，教學(xué)模式和教學(xué)方法也在不斷改進(jìn)。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，行為導(dǎo)向教學(xué)法、案例教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法等，這些教學(xué)方式的實(shí)施前提都是以學(xué)生為主體，以此提高教學(xué)效果。教學(xué)效果的評(píng)價(jià)可以通過歷年考試或成績(jī)?cè)u(píng)定，那么如何評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)主動(dòng)性方面的進(jìn)步，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生參與到教學(xué)活動(dòng)中來，注重課前預(yù)習(xí)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，自我管理能力，讓學(xué)生意識(shí)到自己是教學(xué)的主體，這才是提高教學(xué)效果的根本。本文研究如何進(jìn)行學(xué)習(xí)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)的問題。以統(tǒng)計(jì)分析調(diào)查問卷的方式來研究該指數(shù)。通過已有調(diào)查問卷的結(jié)果的分析，確立了評(píng)價(jià)在校學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的18個(gè)指標(biāo)。調(diào)查問卷的每個(gè)問題和每個(gè)指標(biāo)一一對(duì)映，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)。

在目前常用的評(píng)價(jià)模型中，層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP)是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。采用層次分析法定量數(shù)據(jù)較少，定性成分多，評(píng)價(jià)結(jié)果說服力不強(qiáng)； BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)在于其可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的非線性映射并且具有較強(qiáng)的泛化能力，學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，受人為和新增數(shù)據(jù)影響小，其結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性使得評(píng)價(jià)魯棒且有效。本文采用優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

二、評(píng)價(jià)體系的建立

1.“5分制”標(biāo)準(zhǔn)

規(guī)定調(diào)查問卷中各題的每個(gè)選項(xiàng)的分值為自然數(shù)1、2、3、4、5，選項(xiàng)含義越積極分值越大。

2.評(píng)價(jià)指標(biāo)確立

問卷調(diào)查部分統(tǒng)計(jì)信息結(jié)果會(huì)在實(shí)驗(yàn)部分指出。

經(jīng)過進(jìn)一步討論與總結(jié)，將影響學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的指標(biāo)歸為以下十八項(xiàng)：

學(xué)習(xí)活動(dòng)因素包括如下(T的下標(biāo)排序與問卷題號(hào)順序?qū)?yīng))：

在學(xué)習(xí)過程中有自己的學(xué)習(xí)計(jì)劃、每天的課程學(xué)習(xí)時(shí)間、每周題庫登陸次數(shù)、每周完成題庫題目數(shù)量、每周在線學(xué)習(xí)平臺(tái)學(xué)習(xí)時(shí)長、關(guān)注老師發(fā)布的教學(xué)內(nèi)容、愿意主動(dòng)和老師進(jìn)行交流、愿意和同學(xué)進(jìn)行交流、小組合作提高了學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)進(jìn)度、在課前和課后主動(dòng)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)、對(duì)目前教學(xué)方式滿意。

例如，在每日學(xué)習(xí)過程中能執(zhí)行自己的學(xué)習(xí)計(jì)劃嗎(限選一項(xiàng))

沒有計(jì)劃……………………l

偶爾有……………………2

有計(jì)劃，但執(zhí)行力差……………………3

能基本執(zhí)行計(jì)劃…………………………4

嚴(yán)格執(zhí)行計(jì)劃…………………………5

以下問題討論非學(xué)習(xí)活動(dòng)因素對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的影響：

和老師的關(guān)系，和同學(xué)的關(guān)系、自信樂觀程度、經(jīng)濟(jì)壓力、學(xué)習(xí)成績(jī)、業(yè)余生活、自身健康。

上述18個(gè)指標(biāo)隨機(jī)分布，分別用T1到T18表示。

經(jīng)過調(diào)研，以上十八個(gè)指標(biāo)影響著學(xué)生個(gè)體的學(xué)習(xí)狀態(tài)指數(shù)。對(duì)于每個(gè)被調(diào)查的個(gè)體而言，他的最終結(jié)果T取決于他在T1到T18中的選擇結(jié)果，而一個(gè)總體的指數(shù)，取決于每個(gè)個(gè)體的貢獻(xiàn)值，在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入中所有的輸入值都向T的值靠攏，T的值為用戶回答問題(即認(rèn)為自己的學(xué)習(xí)狀態(tài)如何)所得的分值。因此，可以指出T1到T18十八個(gè)指標(biāo)能夠體現(xiàn)總體的學(xué)習(xí)狀態(tài)指數(shù)。

三、模型的建立與求解

1.模型的建立

(1)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

反向傳播網(wǎng)(Back-Propagation Network，BP網(wǎng)絡(luò))是將由威德羅和霍夫提出的W-H學(xué)習(xí)規(guī)則一般化，對(duì)非線性可微分函數(shù)進(jìn)行權(quán)值訓(xùn)練的多層網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程采用誤差反向傳播算法，它是一個(gè)有監(jiān)督的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法。

(2)附加動(dòng)量法

針對(duì)于BP網(wǎng)絡(luò)存在局部極小值的情況，利用附加動(dòng)量的作用則有可能滑過局部極小值。如式3所示。

(3)自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率

自適應(yīng)學(xué)習(xí)效率是指在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程中，為了避免陷入局部最小解，根據(jù)訓(xùn)練集的實(shí)際收斂狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)速率。

根據(jù)評(píng)測(cè)取得的26份調(diào)查問卷，將其中調(diào)查問題Q1到Q18的相應(yīng)數(shù)據(jù)構(gòu)造矩陣P26×18，矩陣P的每一行即為每份問卷的指標(biāo)向量。用問題Q1的答案構(gòu)造與P對(duì)應(yīng)的輸出向量Out。

2.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練與使用

(1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始化

根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置規(guī)則，并通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，本文算法將第一層神經(jīng)元個(gè)數(shù)設(shè)為18，對(duì)應(yīng)的輸入向量為本文確定的18個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分值，隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)設(shè)為5，輸出向量為5維向量，表示該問卷的學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)指數(shù)等級(jí)。

第一層的激活函數(shù)為正切S型函數(shù)，第二層為線性激活函數(shù)，有監(jiān)督的學(xué)習(xí)方式采用梯度下降動(dòng)量和自適應(yīng)學(xué)習(xí)率的BP算法。

(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練

在訓(xùn)練過程中迭代次數(shù)設(shè)為1000，誤差值是0.001，學(xué)習(xí)速率為0.01，學(xué)習(xí)速率增長上限為1.05，增長下限為0.7，訓(xùn)練結(jié)果如圖1所示。

(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算

使用已經(jīng)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)P矩陣進(jìn)行每一行的神經(jīng)計(jì)算和識(shí)別，并將計(jì)算結(jié)果歸一化。輸出結(jié)果與學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)指數(shù)的映射關(guān)系如表1所示：

從調(diào)查問卷中隨機(jī)取出6個(gè)樣本P6、P20、P15、P3、P16、P4作為測(cè)試數(shù)據(jù)，其余20個(gè)作為訓(xùn)練樣本。通過模型計(jì)算得輸出矩陣如式4所示。

通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算后返回的各指標(biāo)權(quán)重為W其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下，T、W兩個(gè)向量按順序一一對(duì)應(yīng)。

T={關(guān)注老師發(fā)布的教學(xué)內(nèi)容，每周題庫登陸次數(shù)，和同學(xué)的關(guān)系，愿意和同學(xué)交流學(xué)習(xí)，小組合作提高了學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)進(jìn)度，每周完成題庫題目數(shù)量，愿意主動(dòng)和老師進(jìn)行交流，在課前和課后主動(dòng)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，自身健康，經(jīng)濟(jì)壓力，對(duì)目前教學(xué)方式滿意，每周在線學(xué)習(xí)平臺(tái)學(xué)習(xí)時(shí)長，自信樂觀程度，和老師的關(guān)系，每天的課程學(xué)習(xí)時(shí)間，學(xué)習(xí)成績(jī)，學(xué)習(xí)過程中有學(xué)習(xí)計(jì)劃，業(yè)余生活}

W={0.2373，0.1746，0.5613，0.3693，-0.2270，0.0614，0.2186，-0.7524，0.6202，0.5122，-0.5278，-0.0553，-0.6948，-0.0971，-0.4196，0.6480，-0.8516，0.4530}

在本次調(diào)查問卷范圍內(nèi)，即學(xué)校范圍內(nèi)，影響該范圍的學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)指標(biāo)的重要程度可以從上表通過對(duì)權(quán)重進(jìn)行排序得出。關(guān)注學(xué)生的教師可以參考本狀態(tài)指標(biāo)，有針對(duì)性的對(duì)學(xué)生進(jìn)行管理，從而達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性，提高學(xué)習(xí)效果的目的。

四、結(jié)語

本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理建立的數(shù)學(xué)模型具有極好的魯棒性，是一個(gè)能夠全面服務(wù)于各地域、各年級(jí)不同條件的被調(diào)查者群體。尤其是對(duì)教學(xué)一線的教師，讓教師有效理解學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，從而更有效的利用各種教育方法，發(fā)揮各種教育理念的最優(yōu)效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

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