基于LSTM網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的實(shí)驗(yàn)室開放管理策略研究

蔡文偉 趙玉明 王建彬 陳建平

摘要：實(shí)驗(yàn)室開放是高校實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，是提高學(xué)生解決實(shí)際問題能力、實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要舉措。為實(shí)現(xiàn)高效的實(shí)驗(yàn)室開放管理，本文提出了一種基于LSTM網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的實(shí)驗(yàn)室開放策略，將實(shí)驗(yàn)室開放的歷史數(shù)據(jù)作為LSTM網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，對各個(gè)實(shí)驗(yàn)室預(yù)期的開放需求進(jìn)行預(yù)測，并基于預(yù)測結(jié)果合理安排實(shí)驗(yàn)室的開放。該策略簡化了實(shí)驗(yàn)室開放的申請流程，降低了實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作強(qiáng)度，突破了實(shí)驗(yàn)室分類開放的限制，提高了資源的利用率，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的高效開放。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室開放;LSTM網(wǎng)絡(luò);預(yù)測;高效管理

中圖分類號：TP311? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）23-0191-02

1 引言

目前，國內(nèi)許多高校越來越重視實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，不但加大了實(shí)踐環(huán)節(jié)在教學(xué)計(jì)劃中的比重，而且鼓勵(lì)學(xué)生盡可能多地進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)、參加學(xué)科競賽、嘗試創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、參與科研項(xiàng)目等，這些措施或活動(dòng)在高校中大都需要依托相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的開放展開[1]。實(shí)驗(yàn)室開放是指在完成日常教學(xué)、科研任務(wù)的前提下，利用現(xiàn)有的師資、儀器、設(shè)備等資源，將某些教學(xué)實(shí)驗(yàn)室對學(xué)生開放，供學(xué)生進(jìn)行課外學(xué)習(xí)或研究的一種實(shí)驗(yàn)室管理行為，包括時(shí)間、空間及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開放[2]。一方面，實(shí)驗(yàn)室開放可以幫助學(xué)生構(gòu)建科學(xué)的知識體系，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，強(qiáng)化、加深學(xué)生對理論知識的理解，提高他們利用專業(yè)知識解決實(shí)際問題的能力，有助于學(xué)校實(shí)施素質(zhì)教育和應(yīng)用型人才的培養(yǎng);另一方面，實(shí)驗(yàn)室開放還可以充分整合各種資源，提高相關(guān)儀器設(shè)備的利用率，助力學(xué)校教、科研水平的提升。因此研究高效可行的實(shí)驗(yàn)室開放管理策略，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

通過對相關(guān)資料的整理以及調(diào)查研究得知，目前國內(nèi)外的許多高校已根據(jù)自身實(shí)際情況，有目的、多層次、多元化地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室開放，并針對不同的開放措施，制定了相應(yīng)的規(guī)章管理制度，形成了各有特色的實(shí)驗(yàn)室開放機(jī)制與開放模式[3]。目前主要的實(shí)驗(yàn)室開放模式有以下四種[4，5]。

1）全開放模式

將實(shí)驗(yàn)室資源在其所有空閑時(shí)間里全部開放。現(xiàn)實(shí)中，采用這種模式的高校大都選擇個(gè)別公共類、基礎(chǔ)類和專業(yè)基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)室作為開放實(shí)體，在晚上或周六日開放。由于該模式需要安排實(shí)驗(yàn)室技術(shù)管理人員在下班后或節(jié)假日額外值班，執(zhí)行難度非常大，因此雖然這種方式開放程度最高，但也是最難完全實(shí)現(xiàn)的一種模式。

2）半開放模式

在正常工作時(shí)間內(nèi)，將實(shí)驗(yàn)室資源在其空閑時(shí)間對學(xué)生開放。該模式無須專門安排實(shí)驗(yàn)室技術(shù)管理人員值班，但是當(dāng)工作人員下班時(shí)，學(xué)生就得終止實(shí)驗(yàn)，離開實(shí)驗(yàn)室。

3）預(yù)約模式

學(xué)生根據(jù)需要提前向?qū)嶒?yàn)室管理機(jī)構(gòu)提交預(yù)約申請，待審批通過后可以在預(yù)定的時(shí)間使用預(yù)定的實(shí)驗(yàn)室或資源。該模式下實(shí)驗(yàn)室管理人員可根據(jù)學(xué)生提交的預(yù)約申請安排符合要求的實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)室安全等因素，會安排相關(guān)的工作人員或老師值班、輔導(dǎo)，該模式適用于專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的開放。

4）自主模式

學(xué)生個(gè)人或團(tuán)隊(duì)根據(jù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目或?qū)W科競賽等實(shí)際需要，在一段時(shí)間內(nèi)占用或使用實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)資源。該模式下學(xué)生既是實(shí)驗(yàn)室的使用者，又是實(shí)驗(yàn)室的管理者，一般不需安排工作人員值班，該模式適用于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類實(shí)驗(yàn)室的開放。

以上四種開放模式盡管能夠從一定程度上滿足不同的開放需求，但是依然存在如下問題：一是資源開放程度難以把控，匹配度差，調(diào)整難度大：若預(yù)開放的實(shí)驗(yàn)室資源數(shù)量遠(yuǎn)大于實(shí)際的需求量，就會形成開放過度問題，造成資源浪費(fèi);若開放的資源數(shù)遠(yuǎn)小于實(shí)際的需求量，又會造成開放不足問題，資源利用率低;二是開放時(shí)間不夠靈活，適應(yīng)性差：開放信息一經(jīng)確認(rèn)并公布給學(xué)生后，時(shí)間、地點(diǎn)等一般不再做調(diào)整，對一些臨時(shí)的、突發(fā)性的情況適應(yīng)性較差。

為此本文提出一種基于LSTM網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的實(shí)驗(yàn)室高效開放策略，首先在分析LSTM網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了LSTM網(wǎng)絡(luò)預(yù)測算法，之后將以往實(shí)驗(yàn)室開放的歷史數(shù)據(jù)作為模型訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，對各個(gè)實(shí)驗(yàn)室預(yù)期的開放需求進(jìn)行預(yù)測，并基于此預(yù)測結(jié)果安排實(shí)驗(yàn)室的開放，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)室開放后的數(shù)據(jù)作為新的訓(xùn)練樣本以提高預(yù)測準(zhǔn)確率。

2 基于LSTM網(wǎng)絡(luò)模型的實(shí)驗(yàn)室高效開放策略

高效的實(shí)驗(yàn)室開放就是通過合理的安排開放實(shí)驗(yàn)室資源，在滿足學(xué)生的相關(guān)需求、減輕實(shí)驗(yàn)室技術(shù)管理人員負(fù)擔(dān)的同時(shí)，最大限度地提高資源的利用率。如果能夠利用已有的歷史數(shù)據(jù)預(yù)測各個(gè)實(shí)驗(yàn)室在未來每一個(gè)空閑時(shí)間段的需求信息（人數(shù)、所需設(shè)備等），那么實(shí)驗(yàn)室管理人員就可通過合理安排實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的高效開放。

2.1 LSTM網(wǎng)絡(luò)模型

LSTM網(wǎng)絡(luò)[6]是一種克服梯度消失和爆炸問題的特殊循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN），其構(gòu)成體系中的三種特殊結(jié)構(gòu)：遺忘門、輸入門和輸出門，確保LSTM具有處理長期或短期時(shí)間序列相關(guān)性的能力，其網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 LSTM算法設(shè)計(jì)

由于高校的招生人數(shù)、教學(xué)大綱、開課計(jì)劃等信息在一定的時(shí)間段內(nèi)具有一定的穩(wěn)定性，且多數(shù)高校均采用信息管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的開放管理，歷史數(shù)據(jù)的獲取相對容易，因此可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室開放的歷史數(shù)據(jù)作為LSTM模型的訓(xùn)練樣本序列預(yù)測本學(xué)年度的實(shí)驗(yàn)室開放需求信息。

為此，取以往各學(xué)年同一學(xué)期各個(gè)實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間段里進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的人數(shù)作為LSTM模型的輸入數(shù)據(jù)，預(yù)測各個(gè)實(shí)驗(yàn)室在未來若干個(gè)節(jié)次的人數(shù)信息。

2.3 對算法的修正

由于模型采用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)間可能會存在誤差。為了提高預(yù)測可信度，使預(yù)測數(shù)據(jù)更接近于實(shí)際數(shù)據(jù)，可采取如下的方法對算法進(jìn)行修正：

2）如果新的預(yù)測值與原有預(yù)測值相差較大，則需結(jié)合該實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際使用情況，決定是否需要調(diào)整該實(shí)驗(yàn)室的原有開放安排。

① 若實(shí)際進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的人數(shù)比原有預(yù)測值小，則表示該實(shí)驗(yàn)室還有空閑資源沒被占用，取值為實(shí)際進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的人數(shù);

② 若實(shí)際進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的人數(shù)比原有預(yù)測值大，則表示實(shí)驗(yàn)室滿員，取值為實(shí)際預(yù)約人數(shù)。

2.4 基于預(yù)測信息的實(shí)驗(yàn)室高效開放管理策略

為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室開放的高效管理，基于預(yù)測信息，制定如下實(shí)驗(yàn)室開放管理策略。

1） 為每一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的開放設(shè)置人數(shù)閾值。

這是實(shí)驗(yàn)室允許開放的人數(shù)條件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的類型和開放對象，為每一個(gè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)置一個(gè)人數(shù)開放閾值，只有申請使用實(shí)驗(yàn)室的人數(shù)大于等于該閾值時(shí)才允許開放該實(shí)驗(yàn)室。

2） 為每一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的開放設(shè)置時(shí)間閾值。

這是實(shí)驗(yàn)室允許開放的時(shí)間條件。每學(xué)期教務(wù)員排好課之后，實(shí)驗(yàn)室的空閑時(shí)間就可以確定，只有實(shí)驗(yàn)室的空閑時(shí)間大于等于該閾值時(shí)，該空閑時(shí)間才能作為開放時(shí)間。

3） 實(shí)際開放的實(shí)驗(yàn)室資源要略大于預(yù)測值。

4） 每學(xué)期開學(xué)前，實(shí)驗(yàn)室管理人員須公布本學(xué)期實(shí)驗(yàn)室預(yù)開放時(shí)間表。

在實(shí)際執(zhí)行過程中，可根據(jù)預(yù)約或預(yù)測結(jié)果適當(dāng)調(diào)整開放計(jì)劃。如原計(jì)劃中某一時(shí)間段不開放的實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)其預(yù)約人數(shù)達(dá)到開放閾值時(shí)，可臨時(shí)將該實(shí)驗(yàn)室在該時(shí)間段開放。

5） 學(xué)生須登錄實(shí)驗(yàn)室開放管理平臺進(jìn)行預(yù)約申請。

6） 實(shí)驗(yàn)室無須審批學(xué)生的預(yù)約，但必須對其預(yù)約信息進(jìn)行記錄。

7） 學(xué)生須刷學(xué)生卡才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，使用實(shí)驗(yàn)室資源。

3 結(jié)論

一套完善、高效的實(shí)驗(yàn)室開放管理策略對高校提高學(xué)生解決實(shí)際問題能力、實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)意義重大。本文提出一種基于LSTM網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的實(shí)驗(yàn)室高效開放策略，通過預(yù)測學(xué)生對實(shí)驗(yàn)室資源的需求，合理安排實(shí)驗(yàn)室的開放，并根據(jù)預(yù)測偏差及時(shí)調(diào)整開放計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室開放的高效精準(zhǔn)管理。該策略簡化了實(shí)驗(yàn)室開放的申請流程，有助于實(shí)驗(yàn)室管理人員提前做好管理協(xié)調(diào)工作，降低了他們的工作強(qiáng)度;實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)資源的預(yù)先調(diào)整，提高了設(shè)備的利用率，解決了資源開放過度或開放不足問題;打破了全開放、半開放、預(yù)約開放三種管理模式的界限，突破了實(shí)驗(yàn)室分類開放的限制，開放形式更加靈活，提高了開放效率。另外該策略對未來實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)具有一定的參考價(jià)值，可根據(jù)預(yù)測數(shù)將學(xué)生需求較多、資源比較欠缺、開放頻率較高或供需矛盾比較突出的實(shí)驗(yàn)室作為今后的重點(diǎn)建設(shè)方向。

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