基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的教材質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

陳江麗，張 嶸

（臨滄師范高等?？茖W(xué)校，云南臨滄 677000）

教材作為教育過(guò)程中一種必不可少的工具，已經(jīng)成為師生教學(xué)活動(dòng)中最重要的工具和媒介〔1-2〕。教材為教師組織教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)知識(shí)和技能的途徑。好的教材能促進(jìn)教學(xué)積極有效地開(kāi)展，有利于教學(xué)目標(biāo)和人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。而質(zhì)量不好的教材會(huì)給師生的教學(xué)帶來(lái)負(fù)面的影響，制約學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握新的知識(shí)。因此，教材的質(zhì)量將直接影響教學(xué)的效果和人才培養(yǎng)的能力。

近年來(lái)，伴隨著國(guó)家教育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，各類(lèi)教材出版行業(yè)也掀起了熱潮。面向多學(xué)科領(lǐng)域多學(xué)歷層次的教材比比皆是，其中不乏經(jīng)典的、有創(chuàng)新、緊跟科學(xué)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的優(yōu)秀教材，但也存在一些諸如盲目模仿、內(nèi)容陳舊、不聯(lián)系實(shí)際等問(wèn)題的教材。因此，學(xué)校應(yīng)該加強(qiáng)教材管理工作，規(guī)范教材選用制度，建立教材質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，把好教材質(zhì)量關(guān)。

1 傳統(tǒng)教材質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

目前，大部分的學(xué)校的教材工作還主要由任課教師完成，在實(shí)施過(guò)程中會(huì)存在一些主觀的片面性，影響教材選用的質(zhì)量。因此，為了避免此類(lèi)問(wèn)題，學(xué)校應(yīng)當(dāng)采取教材的質(zhì)量跟蹤和信息反饋制度，廣泛收集教師、學(xué)生對(duì)教材質(zhì)量的反饋意見(jiàn)和建議。通過(guò)表1所示的教材質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)選用教材進(jìn)行跟蹤調(diào)查，其中包含3個(gè)一級(jí)指標(biāo)，再進(jìn)一步劃分為11 個(gè)二級(jí)指標(biāo)，全面反映教材的質(zhì)量水平。掌握足夠的教材質(zhì)量反饋信息后，就該進(jìn)入教材質(zhì)量評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的教材質(zhì)量評(píng)價(jià)方法中，評(píng)價(jià)指標(biāo)被指定相應(yīng)的權(quán)值，來(lái)表示其在教材質(zhì)量判別中的地位。但評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值一般由主觀經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，缺乏理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)證明，直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性和科學(xué)性。

因此，鑒于傳統(tǒng)方法存在的弊端，本文提出將BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論和技術(shù)應(yīng)用于教材質(zhì)量評(píng)價(jià)之中。運(yùn)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行教材質(zhì)量評(píng)價(jià)，不僅能克服傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法存在的缺陷，還能準(zhǔn)確、快速地獲得教材質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的教材質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的主要特點(diǎn)是輸入信息從輸入層經(jīng)隱藏層，向前傳遞到輸出層。若輸出結(jié)果達(dá)不到期望值，則根據(jù)誤差向后調(diào)整權(quán)值，通過(guò)不斷地訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，最終使輸出結(jié)果逼近期望值，產(chǎn)生具有較高準(zhǔn)確度的分類(lèi)模型〔3〕。利用構(gòu)建好的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)模型對(duì)新樣本進(jìn)行分類(lèi)，能夠最大程度地保證分類(lèi)結(jié)果的正確性并提高分類(lèi)的效率。

本文通過(guò)4 個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的教材質(zhì)量分類(lèi)〔4〕。見(jiàn)圖2。

2.1 數(shù)據(jù)選擇和歸一化根據(jù)表1 所示的教材質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)多渠道獲取教師、學(xué)生和專家對(duì)教材的質(zhì)量評(píng)價(jià)得分，存儲(chǔ)于Matlab2012 的data.Mat 數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，每組數(shù)據(jù)為12維，其中第1維為類(lèi)別標(biāo)識(shí)，后11 維為教材質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)得分。隨機(jī)抽取其中的2/3 作為訓(xùn)練樣本對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，其余1/3作為測(cè)試樣本對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試。本文選取了40 個(gè)樣本數(shù)據(jù)，將其中的25個(gè)作為訓(xùn)練樣本，15個(gè)作為測(cè)試樣本。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)教材質(zhì)量分類(lèi)的流程

為了減小預(yù)測(cè)誤差，在Matlab2012 中利用公式（1）所示的mapminmax函數(shù)對(duì)訓(xùn)練樣本input_train做歸一化處理，把所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為〔0，1〕之間的數(shù)。將處理后的訓(xùn)練樣本inputn作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。

其次，利用訓(xùn)練樣本歸一化后得到的結(jié)構(gòu)體inputps，用于測(cè)試樣本input_test的歸一化，如公式（2）所示。將處理后的測(cè)試樣本inputn_test作為輸入來(lái)驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)能力。

表1 教材質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建合理確定BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)和各層的節(jié)點(diǎn)數(shù)，能夠減少網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練次數(shù)，提高訓(xùn)練的精度。本文采用3 層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中分別含1個(gè)輸入層、隱藏層和輸出層，即能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又能保證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

由表1 構(gòu)造的教材質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中包含11 個(gè)二級(jí)指標(biāo)，于是BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)n=11。教材質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果分為優(yōu)秀（100 表示）、一般（010表示）和差（001表示）3種，因此輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)m=3。由于隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)影響B(tài)P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度，最佳的隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)可以參考公式（3）、（4）等經(jīng)驗(yàn)公式。由此可以得出，隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)l=7。最終確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為11—7—3。

另外，初始化BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層和隱含層的連接權(quán)值w1、隱含層和輸出層的連接權(quán)值w2 和隱含層閾值b1、輸出層閾值b2，它們的初值各取0～1之間的隨機(jī)數(shù)，學(xué)習(xí)率x取0.1。

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練使用訓(xùn)練樣本對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，根據(jù)預(yù)測(cè)誤差不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，最終獲得期望誤差情況下的最佳權(quán)值。

本文利用Matlab2012 平臺(tái)開(kāi)發(fā)程序，輸入訓(xùn)練樣本，對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。主要算法分為下列6個(gè)步驟。

步驟1：根據(jù)輸入訓(xùn)練樣本inputn，輸入層和隱含層間連接權(quán)值w1 和隱含層閾值b1，計(jì)算隱含層輸出H。

步驟2：根據(jù)隱含層輸出H，隱含層和輸出層的連接權(quán)值w2 和隱含層閾值b2，計(jì)算輸出層輸出output。

步驟3：根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)輸出output和期望輸出output_train，計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差E。

步驟4：根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差E更新網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值w1、w2。

步驟5：根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差E更新閾值b1、b2。

步驟6：判斷預(yù)測(cè)誤差是否小于期望誤差且達(dá)到預(yù)定的訓(xùn)練次數(shù)。若滿足條件，則結(jié)束訓(xùn)練，否則返回步驟1繼續(xù)進(jìn)行訓(xùn)練。

2.4 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)利用訓(xùn)練好的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)測(cè)試的教材評(píng)價(jià)樣本進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)分類(lèi)結(jié)果驗(yàn)證BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能力。若分類(lèi)結(jié)果的準(zhǔn)確率較高，教材質(zhì)量評(píng)價(jià)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型就可對(duì)新樣本進(jìn)行分類(lèi)，能夠正確評(píng)價(jià)出教材的質(zhì)量。

本文用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)15組測(cè)試樣本進(jìn)行分類(lèi)，仿真結(jié)果如圖3 所示，從圖中可以看出，只有第8號(hào)樣本的輸出結(jié)果與實(shí)際結(jié)果不一致。總體來(lái)看，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果誤差較小，分類(lèi)誤差如圖4所示，分類(lèi)準(zhǔn)確率如表2所示。

表2 教材質(zhì)量分類(lèi)的準(zhǔn)確率

通過(guò)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)結(jié)果可以看出，基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的教材質(zhì)量分類(lèi)算法具有較高的準(zhǔn)確性，能夠正確識(shí)別出教材質(zhì)量的類(lèi)別，是一種合理的、可行的、準(zhǔn)確的教材質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

規(guī)范的教材質(zhì)量評(píng)價(jià)方法能有效地指導(dǎo)教材的選用，提高教材的利用率。但傳統(tǒng)教材質(zhì)量評(píng)價(jià)方法中存在的主觀因素，降低了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且處理過(guò)程較繁瑣，評(píng)價(jià)效率低。為了有效地解決傳統(tǒng)方法存在的缺陷，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理和方法對(duì)教材質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)〔5-10〕。在科學(xué)的理論指導(dǎo)下，通過(guò)Matlab2012 軟件編程，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、訓(xùn)練和分類(lèi)，最終形成具有較高準(zhǔn)確率的教材質(zhì)量評(píng)價(jià)模型。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的教材質(zhì)量評(píng)價(jià)方法能有效避免評(píng)價(jià)的主觀性，同時(shí)解決了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)過(guò)程的復(fù)雜性，能夠更加科學(xué)和規(guī)范地指導(dǎo)教材的選用和管理。

圖3 預(yù)測(cè)與實(shí)際分類(lèi)結(jié)果對(duì)比

圖4 教材質(zhì)量評(píng)價(jià)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)誤差

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