基于深度信念網(wǎng)絡(luò)的高校教育管理模式評(píng)價(jià)研究

劉靜

(西安工程大學(xué)， 高等教育研究所， 陜西， 西安 710048)

0 引言

高校教育管理模式是高校教學(xué)管理的核心，國(guó)家對(duì)教育事業(yè)的重視程度顯著提高，因此對(duì)高校教育管理模式評(píng)價(jià)具有實(shí)際意義。當(dāng)前有許多學(xué)者對(duì)高校教育管理模式評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，取得了不錯(cuò)的研究成果。但當(dāng)前評(píng)價(jià)方法經(jīng)常存在局限性，有學(xué)者提出了研究基于大數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)方法[1]，該方法通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)收集信息作為評(píng)價(jià)依據(jù)，結(jié)合構(gòu)建全過(guò)程評(píng)價(jià)體系實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)，但該方法技術(shù)要求較高，導(dǎo)致評(píng)價(jià)效率低，還需要進(jìn)一步深入研究；有學(xué)者提出了基于AHP層次分析法的評(píng)價(jià)方法[2]，通過(guò)該方法構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)，由于該方法計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，導(dǎo)致評(píng)價(jià)效果不佳。

深度信念網(wǎng)絡(luò)(DBN)，可提高訓(xùn)練的效率，在評(píng)價(jià)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。因此為彌補(bǔ)以往方法的劣勢(shì)，本文提出了基于深度信念網(wǎng)絡(luò)的高校教育管理模式評(píng)價(jià)方法，提升高校教育管理模式評(píng)價(jià)效果，為今后高校教育改革提供新的發(fā)展思路。

1 深度信念網(wǎng)絡(luò)的高校教育管理模式評(píng)價(jià)

1.1 深度信念網(wǎng)絡(luò)

受限玻爾茲曼機(jī)模型(RBM)包括隱性與顯性神經(jīng)元，受限玻爾茲曼機(jī)模型需定義能量函數(shù)后導(dǎo)進(jìn)相關(guān)的概率分布函數(shù)。設(shè)在狀態(tài)不變的條件下，能量函數(shù)定義為

(1)

其中，b表示偏置系數(shù)，c表示自身權(quán)重，W表示權(quán)值，n表示神經(jīng)元數(shù)量。

隱層神經(jīng)元hj被激活的概率為

(2)

隱層神經(jīng)元可激活顯層神經(jīng)元vi，則有

(3)

其中，σ(x)=x·sigmoid(x)。

受限玻爾茲曼機(jī)模型各層神經(jīng)元相互獨(dú)立，則概率密度為

(4)

隨機(jī)數(shù)μ的閾值為0～1，顯層中存在1條數(shù)據(jù)后，為求解各隱層神經(jīng)元被發(fā)現(xiàn)的概率，需通過(guò)顯層神經(jīng)元激活，具體如下：

hj=1,P(hj|x)≥μ

hj=0,P(hj|x)<μ

(5)

通過(guò)上式得出隱層各神經(jīng)元是否被激活。顯層和隱層求解過(guò)程一樣。

由多個(gè)RBM堆疊生成DBN模型結(jié)構(gòu)，其模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 深度信念網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

1.2 深度信念網(wǎng)絡(luò)及訓(xùn)練算法

因高校教育管理模式評(píng)價(jià)實(shí)質(zhì)上是判別分類(lèi)問(wèn)題，故可以將深度信念網(wǎng)絡(luò)用于高校教育管理模式評(píng)價(jià)過(guò)程中，并主要負(fù)責(zé)分類(lèi)[3]。DBN權(quán)值參數(shù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)過(guò)程包括：通過(guò)RMB實(shí)施分層預(yù)訓(xùn)練[4]，再通過(guò)BP算法實(shí)施調(diào)優(yōu)，詳細(xì)過(guò)程如下。

Step 1 預(yù)處理網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和參數(shù)。利用分歧算法訓(xùn)練RBM1并保存偏置、權(quán)值，RBM2的輸入為RBM1隱含層的輸出，以同樣方式訓(xùn)練RBM，預(yù)處理模型權(quán)值。為得出權(quán)值參數(shù)的最優(yōu)值，通過(guò)無(wú)監(jiān)督的貪心逐層訓(xùn)練算法實(shí)現(xiàn)預(yù)處理，通過(guò)預(yù)訓(xùn)練階段可減少采樣噪聲，但為減小誤差有時(shí)需微調(diào)[5]。

Step 2 參數(shù)調(diào)優(yōu)階段。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的調(diào)整通過(guò)反向傳播算法實(shí)現(xiàn)，反向傳播網(wǎng)絡(luò)的輸入是預(yù)訓(xùn)練最后RBM的輸出，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)已確定，總體DBN網(wǎng)絡(luò)權(quán)值參數(shù)調(diào)整，再通過(guò)帶標(biāo)簽的訓(xùn)練樣本實(shí)施調(diào)整至符合條件。反向傳播算法運(yùn)算過(guò)程，設(shè)置反向傳播網(wǎng)絡(luò)各層處理單元為n個(gè)，作用函數(shù)用式(6)描述：

(6)

假設(shè)有m個(gè)樣本模式(xs,ys)學(xué)習(xí)集，訓(xùn)練樣本用s=(1,2,…,m)描述，osj表示單元j的輸出，asj表示輸入綜合，具體為

(7)

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)初始值的取值范圍為0～1，各輸入模式s，此時(shí)期望輸出和網(wǎng)絡(luò)輸出會(huì)存在誤差，網(wǎng)絡(luò)誤差如式(8)：

(8)

其中dsj表示第s個(gè)輸入模式輸出單元j的期望輸出。

權(quán)值w的修正具體如下：

wji(t+1)=wji(t)+ηδsjosj

(9)

為了提升網(wǎng)絡(luò)收斂速度，在式(9)中導(dǎo)入學(xué)習(xí)速率，添加姿態(tài)項(xiàng)到權(quán)值修正公式，即：

wji(t+1)=wji(t)+ηδsjosj+a(wji(t)-wji(t-1))

(10)

其中勢(shì)態(tài)因子用常數(shù)a描述。

權(quán)值更新隨姿態(tài)因子的權(quán)值變化，各層權(quán)值利用誤差反向傳播實(shí)施優(yōu)化[6]。

1.3 基于深度信念網(wǎng)絡(luò)的高校教育管理模式評(píng)價(jià)

按照評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建原則，構(gòu)建高校教育管理模式評(píng)價(jià)指標(biāo)，見(jiàn)圖2。由圖2可知，按照評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建原則，構(gòu)建高校教育管理模式一二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，一級(jí)指標(biāo)包括教學(xué)管理效果、教學(xué)管理隊(duì)伍、教學(xué)計(jì)劃管理、教學(xué)基礎(chǔ)建設(shè)管理、教學(xué)環(huán)節(jié)管理。

圖2 高校教育管理模式評(píng)價(jià)指標(biāo)

高校教育管理模式評(píng)價(jià)可體現(xiàn)高校教學(xué)水平的能力，由此構(gòu)建深度信念網(wǎng)絡(luò)的高校教育管理模式評(píng)價(jià)模型，見(jiàn)圖3。

圖3 深度信念網(wǎng)絡(luò)的高校教育管理模式評(píng)價(jià)模型

為提高深度信念網(wǎng)絡(luò)模型泛化和學(xué)習(xí)能力，通過(guò)上面兩步實(shí)施參數(shù)分組，先找出各自的相對(duì)局部位置[7-8]，依據(jù)局部結(jié)果實(shí)施全局尋優(yōu)，提升其評(píng)價(jià)的效果。由圖3可知，將圖2中高校教育管理模式評(píng)價(jià)指標(biāo)作為原始指標(biāo)，輸入深度信念網(wǎng)絡(luò)模型中，分別采用基于分歧算法和反向傳播算法對(duì)深度信念網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)施預(yù)處理和參數(shù)調(diào)優(yōu)處理后，深度信念網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果就是高校教育管理模式評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選取某所高校作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)該高校的教育管理模式進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證本文方法評(píng)價(jià)效果。設(shè)置高校教育管理模式評(píng)價(jià)結(jié)果分為優(yōu)秀、一般、較差三個(gè)級(jí)別；評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分總分為100分，優(yōu)秀為80～100，一般為50～79，較差為0～49。實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法為文獻(xiàn)[1]的大數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方法、文獻(xiàn)[2]的AHP評(píng)價(jià)方法。

本文方法以深度信念網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)，構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，勢(shì)態(tài)因子會(huì)影響權(quán)值更新，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)之前先要確定在何種勢(shì)態(tài)因子之下模型具有較高評(píng)價(jià)精度，假設(shè)勢(shì)態(tài)因子取值范圍為4～7，驗(yàn)證在不同迭代次數(shù)之下，勢(shì)態(tài)因子對(duì)于模型精度影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4能夠看出，隨著迭代次數(shù)增加，各態(tài)勢(shì)因子下模型精度不斷提升，當(dāng)態(tài)勢(shì)因子為7時(shí)，模型精度最高，由此可以看出，后續(xù)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展時(shí)選取態(tài)勢(shì)因子為7，能夠保證評(píng)價(jià)結(jié)果具有較高準(zhǔn)確性。

圖4 勢(shì)態(tài)因子對(duì)于模型精度影響

使用本文方法對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5中能夠直觀看出使用本文方法評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)對(duì)象后各指標(biāo)的得分，大多數(shù)指標(biāo)得分都在80分以上,也就是評(píng)價(jià)結(jié)果為優(yōu)秀，僅有教研室管理與課程標(biāo)準(zhǔn)制定兩個(gè)指標(biāo)在80分以上，也就是評(píng)價(jià)結(jié)果為一般，出現(xiàn)這種評(píng)價(jià)結(jié)果的原因可能是高校對(duì)這兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)存在忽視的問(wèn)題，按照該評(píng)價(jià)結(jié)果高?？蛇m當(dāng)調(diào)整現(xiàn)有教育模式。

(a) 二級(jí)指標(biāo)評(píng)分結(jié)果

通過(guò)專(zhuān)家評(píng)價(jià)等形式獲得各高校評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際教育管理模式的得分，分別使用三種評(píng)價(jià)方法對(duì)高校教育管理模式一級(jí)指標(biāo)實(shí)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6中能夠看出，使用本文方法對(duì)研究對(duì)象實(shí)行評(píng)價(jià)，與專(zhuān)家評(píng)價(jià)的實(shí)際結(jié)果最為接近，說(shuō)明針對(duì)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)使用本文評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果最為準(zhǔn)確。兩種對(duì)比方法由于各種因素限制，導(dǎo)致與實(shí)際評(píng)價(jià)結(jié)果差別較大。

圖6 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

統(tǒng)計(jì)三種方法的評(píng)價(jià)方差，結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖7中能夠看出，使用本方法評(píng)價(jià)教育管理模式能夠獲得較小的方差，由此可以進(jìn)一步看出使用本文方法評(píng)價(jià)教育管理模式更加具有準(zhǔn)確性，兩種對(duì)比方法的方差較大，說(shuō)明運(yùn)用這兩種對(duì)比評(píng)價(jià)方法無(wú)法獲得良好的評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖7 評(píng)價(jià)方差結(jié)果對(duì)比

分析以往評(píng)價(jià)研究經(jīng)驗(yàn)，各類(lèi)評(píng)價(jià)方法均存在誤評(píng)價(jià)的可能性，因此本文研究也需要驗(yàn)證評(píng)價(jià)過(guò)程中是否出現(xiàn)誤評(píng)價(jià)情況，結(jié)果見(jiàn)圖8。分析圖8可知，使用本文方法評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)對(duì)象出現(xiàn)較低誤評(píng)價(jià)率，誤評(píng)率不超過(guò)1%，從側(cè)面證明使用本文方法評(píng)價(jià)高校教育管理模式時(shí)，具有較高的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。

圖8 高校教育管理模式誤評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

3 總結(jié)

針對(duì)高校教育管理模式評(píng)價(jià)方法比較片面的問(wèn)題，本文研究基于深度信念網(wǎng)絡(luò)的高校教育管理模式評(píng)價(jià)方法，提升高校教育管理模式評(píng)價(jià)全面性及效率。通過(guò)構(gòu)建基于受限玻爾茲曼機(jī)模型堆疊的深度信念網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)高校教育管理模式評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行訓(xùn)練調(diào)優(yōu)后，得出高校教育管理模式評(píng)價(jià)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法的高校教育管理模式評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性高，可較好實(shí)現(xiàn)高校教育管理模式評(píng)價(jià)。