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一般能力倾向测验的预测效度:神经网络的应用

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人工神经网络(ANN)是近年来发展起来的一门新兴学科、新技术。 从ANN诞生之日起,它与心理学就有着千丝万缕的联系。 般能力倾向测验的预测效度 神经网络的应用 一●童辉杰童定马姗姗鲁圣迪(苏州大学独墅湖校区教育学院心理系) 摘要:本研究运用神经网络检验了一般能力倾向成套测验(GATB)对不同学科大学生专业成绩 的预测效度。对1022名大学生均施测GATB,并随机选取其中652名,将其期末专业考试成绩作为衡 量专业成绩的指标,建立人工神经网络(ANN)模型。研究发现:对文、理、工三类专业大学生专业 成绩预测的ANN模型估计的准确率均在90%vA上,GATB分数可以用来预测不同专业学生的专业成绩 '、 文科大学生最敏感的能力因子是言语能力,系数为0 523;理科大学生最敏感的能力因子是数理能力, 系数为f)471;工科大学生最敏感的能力因子是空间判断能力,系数是()594 关键词:心理学;效度;一般能力倾向成套测验(GATB);人工神经网络(ANN)模型;大学生 一、问题提出 个体在大学期间的专业学习将奠定他们一生职业生涯 的基础。在美国,大学生入学之初,要进行一项学术能力 一般能力倾向成套测验(General Aptitude Test Battery,GATB)是美国劳工部就业保险局历B,J50年, 耗资数亿美元,研究了美国上万种职业后编制而成的著名 测验。这套测验应用较广,已被大量研究证明具有良好的 信效度,能够很好地预测职业成功和学术成就。GATB是 适用于初三以上年级的中学生及成年人的团体测验,包 含15种分测验(1 1种纸笔测验,4种操作测验),可在 120-130分钟内测量9种与职业关系密切并有代表性的 测验(SAT),通过这种学术能力测验,可以预测大学生 在大学期间的专业学习成绩。也有研究者应用一般能力倾 向成套测验(GATB)来预测大学生的专业成绩。在预测 方法方面,以前的研究大都是运用传统的多元回归算法。 如果应用神经网络模型新技术,效度是否会有提高呢?这 值得我们来探索一番。 人工神经网络(Artiifcial Neural Network,ANN) 是近年来发展起来的一门新兴学科、新技术。它应用了一 种信息处理系统或计算机模仿大脑的结构和功能,可称之 能力因素。这9种能力倾向因素为:一般智力、言语能 力、数理能力、空间关系理解力、形状知觉能力、文书 知觉能力、动作协调能力、手指灵活性及手部灵巧性。 Hammond1984年对GATB ̄g结构进行因素分析发现, GATB ̄U量的其实是4种更普遍、更高层次的能力:言语能 为人脑处理信息方式的简化模型ldJ 。ANN今天已经成为世 界关注的热点,引起各国与军界的高度重视。 目前人工神经网络(ANN)的算法基本成熟。人 工神经网络包括三部分:输入层(input layer),隐藏层 (hidden layer),输出层(output layer o输入的数据显 示在第一层,其值从每个神经元传播到下一层的每个神经 力、数理能力、工具组合能力和空间能力r 。GATB在国 外应用广泛,是升学、就业指导以及人员选择与安置的重 要工具。而Droege等研究发现:GATB的一般智力、言 语能力、数理能力和书写知觉测验可以作为预测学业成 绩的良好工具【2]。R.L.Thorndike¥1]E.P.Hagen ̄E告,用 GATB预测工程学校学生的专业成绩的R2最低O.46,最 高0.58[ 。 元,最终从输出层输出结果。ANN是功能强大的函数估计 器,只需基本的统计或数学知识就能够进z…-, /y东,并加以 应用l 4I。特别值得注意的是,它是一种非线性系统,具有 个隐藏层Bgtl ̄经网络算法,可以拟合输入和输出之间的 0净辑 0 … … ……~… l 1任意非线性关系,而不要求资料满足正态分布或其他特殊 分布,可以自由估计模型(即非参数模型)。因此,神经网 络具有很强的综合能力,输入和输出间的联系可由训l练习 得,再运用于计算中 J。 =、研究方法与研究过程 1.研究工具 以戴忠恒等修订的一般能力倾向成套测验(GATB) 为研究工具,该测验共包括15种分测验,其中1 1种为笔 试,分别为:圆内打点测验、记号记入测验、形状相配测验、 名称比较测验、图案相配测验、平面图判断测验、计算测 验、词义测验、立体图判断测验、句子完成测验、算术应 BP(back propagation) ̄8经网络是ANN的一种,由 James McCIelland和Davjd Rumelhart在1986年提出 J。 它是一种典型的前馈神经网络,其权重的调整采用反向传 播的学习算法,神经元的变换函数是S型函数,输出量是 0-1之间的连续量,可以实现从输入到输出的任意非线性 映射[7]。通过对网络参数的选取,在确定了网络层数、隐 用测验;4种为器具测验:插入测验、转动测验、组装测验、 拆卸测验。 本研究采用团体施测方式,每次施测有2名以上熟悉 含层神经元数、初始权重、学习速率、期望误差及最大步 长后,构建神经网络模型。确定网络的结构后,利用输入 输出样本进行训练,也就是对网络进行调整,多次反复, 本测验所有项目的主试,最多对38名被试同时施测。首先 由主试朗读指导语,在所有被试明白测验的要求和具体做 法后开始测验。因1 1项纸笔分测验均为速度测验,所以由 主试使用秒表准确计时。 2.研究对象 直到样本收敛,使网络实现给定的输入输出映射关系,从 而获知最重要的影响因素。 从ANN诞生之日起,它与心理学就有着千丝万缕的 联系。神经网络的灵感来自于神经元的信息处理功能,神 在江苏、安徽、上海等省市的7所院校对在校大学生进 行团体施测。共施测1022人。其中男生521人(51.0%), 经网络的训I练则可以反映感觉、记忆、学习等认知过程 J。 ANN已被研究者广泛应用于视知觉识别[ 、技能培养” 、 女生501人(49.0%);“21 1工程”院校569人(55_7%), 普通本科院校453人(44.3%);大一464人(45.4%),大 -104人(10_2%),大三321人(31.4%),大四133人 -语言发展【1 等认知领域。研究者发现,ANN对于内隐iBt'¥、 内隐学习等无意识认知过程有着极强的适应性 z’ ,对神经 网络来说,外界环境的每一次输入都可能会引起网络结构的 重新调整(权重变化),从而改变该网络下一次的加工模式。 社会认知与ANN有着类似的信息加工过程。社会认知 (13.0%);文科446人(43_7%),理科221人(21.6%), 工科355人(34.7%o 3.数据收集 随机选取其中652名大学生,对他们期末考试中的专 业课成绩求出平均分并以班级为单位进行标准化,以此标 准分作为衡量其专业成绩的标准。在652名大学生中,文 科专业268人,占41.1%;理科专业218人,占33.4%;工 过程中,人们会按照某种规则对所经验的事件进行组织, 从而影响他们在类似环境下对待相似对象agEP象与态度。 因此,许多研究者针对印象形成㈣、归因 、认知矛盾 、 群体印象¨,_等建立了各具特色的神经网络模型。 由于ANN ̄,3模仿对象是人脑神经系统的处理方式,因 科专业166人,占25.5%;年龄17-24岁,平均20±1岁; 男生320人,占46.3%,女生371人,占53_7%。 此,它在功能上也具有某些智能的特点。神经网络主要有 以下几个基本功能:非线性映射、分类识别、知识处理。 三、构建神经网络模型 使用专业软件Clementinel2.0构建神经网络模型。 首先对样本数据进行归一化处理,以便更好地对数据关系 心理测评 赣隧雁隧鼷 目前,神经网络已经广泛应用于信息领域、自动化领域、 工程领域、医学领域、经济学领域等各知识领域中,其智能 化的特征解决了许多传统信息处理方法无法解决的问 J。 目前,学术界已经普遍认同,人工神经网络方法是一种有 效的研究工具,能够代替传统的回归分析方法,并可以在 不同的领域进行广泛应用。然而,心理测量学领域内运用 人工神经网络方法的研究还相当少见。 进行映射,从而使其参数都落在(0,1)之间。归一化选 用以下公式: P=(p-p 1n)/(p 一p i ) 公式中,P Pmax分别表示归~化之前的最小值和最 大值,P为归一化值,p为归一化之前的值。经过归一化转 换的结果在本研究中以P表示,例如p专业课均分。 经过归一化处理后,开始正式建模。在Clementine 中应用神经网络进行能力倾向对专业成绩预测的过程如下: 首先选择数据源,将GATBI ̄'37项能力倾向数据选为输入变 本研究将使用神经网络算法,取代传统的回归分析, 尝试检验一般能力倾向成套测验预测不同学科大学生的专 业成绩的效度。 / ___ _一 ■ _■ ■_■~ 一 为7个、1:3个、1个。 0.048、0.035、0.029、0.008。 理科大学生一般能力倾向对专业成绩预测的各输入点 的敏感度分析显示:按重要性排序为数理能力、一般智力、 空间判断能力、书写知觉、言语能力、形状知觉、运动协调, 其敏感性系数依次为0.471、0.233、0.132、0.073、0.046、 0.042、0.003。 模型分析结果(见图7)显示,工科学生一般能力倾 向对专业成绩模型的平均预测误差在一0.044 ̄1J0.008之 间,绝对平均误差在0.1O6到0.1 15之间。模型精度直方图 (见图8)显示,由图可知,导出值集中在一个很小的范围 之内,模型达到了一定的精度。 , I l I l ● I ● - 密.”比较¥N.P专业课均分与P专业课均分 癯■——————了 隔— 硼 I最小误麓 f最丈谩麓 i I平均i芙麓 …I绝对平均误差 l标准差l线l生相关I发生辜 ; -》。。- .・ .一 l _ } - J _ 一 一 -≯ 一・ -}- ● l ■ l , -0.475 —0.248: 0.44 O.181 0.001 -0.022 0.097 0.097 0.359 0,222 0.006 0.091 * l 咚一 一 {一一 - 一… 一 一… 一一一撵 I l J I I ● I i -≮- -- 一 l 一 -}…’…。, 一一《 } } } } I { 0。12 0.13 0。117 674 0.732 0.715 0.55 124 401 00EO 1 oI璁 2 0E8 3.0E8 4.0E8 5oE8 6.0E8 导出2 图8工科大学生—般能力倾向对专 图 图5理科大学生—殷能力倾向对专业成绩的预测模型分析结果 模型分析结果见图5,由图可知,理科学生一般能力 倾向对专业成绩模型的平均预测误差在一0.022 ̄U0.006之 间,绝对平均误差在0.091到0.097之间,结合图6可知, 模型达到了一定的精度。 五、讨论 神经网络具有的非线性映射、自适应学习、并行性、 知识分布存储、逼近任意复杂连续函数等信息处理能力, 克服了传统预测方法对于数据处理方面的缺陷,使神经网 络能够在心理测量领域发挥重要作用。值得注意的是,回 归分析要求数据正态分布、线性,以及连续变量这些比较 严苛的条件,在神经网络模型中却不需要这些前提条件。 l l 也就是说,神经网络的算法具有非线性的特点。这可以大 大弥补传统统计方法的线性模型的局限。 本研究以人工神经网络建模为统计手段,分别建立文、 一1.0E9-8.0E8_6.0E8-40Eg-2 0E8 0.OEO 2 0Eg 理、工三类大学生一般能力倾向对其专业成绩的预测模 型,由建息和模型分析结果可知,三个模型对建模数 据估计的准确率均达到90%以上,预测的平均预测误差在 0.091到O.115之间,三个模型均达到了一定的精度。 首先,GATB的7项能力倾向对文科专业成绩的影响按 重要性排序依次为言语能力、一般智力、形状知觉、运动 协调、数理能力、书写知觉、空间判断能力,这一结果也 导出2 图6理科大学生—般能力倾向对专业成绩的预测模型精度直方图 3.工科大学生能力倾向对专业成绩的预测模型 工科大学生—般能力倾向对专业成绩的预测模型显示模 型对建模数据估计的准确率达90.381%,输入层、隐藏层、 输出层的神经元个数与之前相同,分别为7个、1:3个、1个。 工科大学生一般能力倾向对专业成绩预测的各输入点 心理测评 暖譬曩露慝 可与文科专业大学生优势能力倾向互为佐证。言语能力的 敏感性系数达到O.523,是影响文科专业成绩表现的关键 的敏感度分析结果显示:按重要性排序为空间判断能力、 一般智力、言语能力、书写知觉、形状知觉、数理能力、 能力,这一结果也符合我们研究前的假设和实际情况。文 科类专业的学生通常对文字、语言更有兴趣,拥有较好的 文字功底,将来所从事的职业多以文字工作为主,专业课 程的设置与考核也是以此职业方向为导向,因而言语能力 运动协调,其敏感性系数依次为0.594、0.202、0.084、 由…比较SN-P专业j5|均分与P专业课均分 最小误差 最大误差 平均iII麓 绝对平均谡差 标准差 线性相关 发生率 -0.283 ・0.36 ・0.216 0.31 0.044 0.008 0 115 0。106 0-135 O.136 0。749 0。666 上得分突出的学生更有可能在文科专业的课程学习中达到 优秀水平。 其次,对理科大学生而言,数理能力、一般智力和空 间判断能力对其专业成绩预测的敏感性系数分别为0.471、 0.233 ̄00.1 32。数理能力是利用算术知识解决实际问题的 0.136 0.769 图7工科大学生一般能力倾向对专业成绩的预测模型分析结果 “ 一一 一 ,、 ^|r, 心理援窳蔫瘦髑 { I7 l心 评 能力,一般智力则是需要根据原理进行推理和判断的能力, 『1 1 Hammod,M An investigation into the factor structure I弱 而空间判断能力是要求在心理空间进行图形转换进而进行 推理、判断的能力,这三类能力对学生的逻辑思维能力有 较高要求,理科类专业侧重于理论研究和科学培养,尤需 of the General Aptitude Test Battery[J1 Journal of Occupational Psychology,1 984.57(1):43 48 学生的理性思维、逻辑思维能力,因此,数理能力、一般 智力和空间判断能力是理科学习关键之所在,理科专业要 求报考者在这些能力上的发展达到一定的水平,而在这些 能力倾向上得分较低的被试可能需要付出相当的努力才能 够胜任理科专业的学习。 最后,工科类专业学生的专业成绩7项能力倾向按重 [2】D roege.R C GATB aptitude inte rco r relations of ninth and twelfth ga rders:A study in o rganization of mental abilities[J1 Personnel&Guidance Jou rnal,1 968,46(7):668~ 672 [3】桑代克,R L,哈根,E P心理与教育的测量与评价[M] 叶佩华,等,译北京:人民教育出版社,1985 [4]林耀斌,杜友福.基于Clementine神经网络的商品促销效 果预测模型应用【J].电脑知识与技术,2009,5(34):90—92 [5】张菊英,韦健,杨树勤.神经网络模型在住院费用影响因 素分析中的应用[J].中华医院管理杂志,2002。18(3):143—145 要性排序依次为:空间判断能力、一般智力、言语能力、 书写知觉、形状知觉、数理能力、运动协调。另外,空间 判断能力也是工科类大学生的优势能力倾向,以往相关研 究也表明,空间想象和空间思维能力对于工科学习是不可 【6]严武基于BP算法的住院天数神经网络模型建模研究}J_ 中国病案,2009,10(11):38—4O [7]易东,王文昌回归分析的人工神经网络算法模型研究[J1 中国卫生统计。1998,15(5) [8]郭秀艳,朱磊。魏知超内隐学习的人工神经网络模型[J_ 心理科学进展,2006,14(6):837—843 『91 Martin,G L Encode r A connectionist modeIs of how Iea rnlna to visually encode fixated text images readlng 或缺的_ ,尤其是机械制图等相关专业。工科专业侧重技 术应用,学生动手能力较强,心理空间的运动能力依赖于 实际动手能力的发展,动手能力的锻炼也会促进其空间想 象能力的发展。值得注意的是,空间判断能力对于工科学 生专业成绩的预测敏感性系数达到了0.594 ̄,3水平——该 项能力对工科学习十分重要,若发展良好,更可能在工科 学习中脱颖而出。 纵观三类专业大学生一般能力倾向对其专业成绩的预 测情况,不难发现,一般智力对于任何一类专业来说都是 fluency[J】Psychological Review,2004,111(3):617 639 [10】Be rthie r,N E.,Rosenstel nl M T.&Ba rto,A G Approximate optimal control as a model for motor learning[J] Psychological Review.2005,69(2):329—346 【1 1]Seidenberg,M S Connectionist models of wo rd reading[J]Cu rrent Di rections jn Psychological Science, 2005.14(5):1238—1242. 基础性的能力倾向。国外相关研究结果也发现,人们的智 力和知识只要达到一定的水平,人们智力的高低差异对于 工作效率不再有明显的影响,然而与专业紧密相关的能力 倾向与工作效率之间始终有显著的正相关。本研究的结论 在一定程度上验证了这一观点:对于不同的专业方向来说 每种专业类型都各有其关键的能力倾向。该专业的潜在报 考者能否胜任该专业的学习和考核,关键能力倾向是至关 重要之因素。 总而言之,人工神经网络模型对三类专业的专业成绩 预测都具有较高的准确性,说明本研究整体的技术路线可 行,GATB所测得B@7项能力倾向的不同组合可以用来预 测不同专业学生的专业成绩。通过人工神经网络模型,中 [12】郭秀艳,邹玉梅,李强,孙怡中学生颜色内隐学习特 征的实验研究【J】心理与行为研究,2003,1《2):122—127 门3】郭秀艳,朱磊.神经网络模型对内隐学习的探索[J]心理 科学,2006,29(2):410—415. 【14]Kashima,Y.,Kerekes,&And rew R Z A distributed memory model of averaging phenomena in pe rson impression fo rmation[J】J0u rnal of Expe rimental Social PsychoIogy, 1 994,30(5):407—455. 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