深度學(xué)習(xí)教育應(yīng)用研究綜述

孫連秀 馬玉慧

摘要：人工智能技術(shù)快速發(fā)展，逐漸進(jìn)入教育領(lǐng)域，對教學(xué)環(huán)境、教學(xué)設(shè)計產(chǎn)生影響，深度學(xué)習(xí)是人工智能研究的前沿技術(shù)，基于大量數(shù)據(jù)的特征分析，為教育的變革開辟新的途徑。本文通過梳理深度學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀，探討深度學(xué)習(xí)在教學(xué)設(shè)計的分析、策略選擇和評價三階段對教學(xué)中各個要素的影響，并從技術(shù)支撐的角度分析其在教學(xué)中所發(fā)揮的作用。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);人工智能;教學(xué)設(shè)計;教育應(yīng)用

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2019）17-0098-04

● 引言

人工智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對社會生活的各個方面產(chǎn)生了深刻的影響，深度學(xué)習(xí)被廣泛認(rèn)為是人工智能發(fā)展第三階段的標(biāo)志，是人工智能研究的前沿技術(shù)。2018年4月2日教育部發(fā)布《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》，進(jìn)一步提升高校在人工智能領(lǐng)域科技創(chuàng)新、人才培養(yǎng)和服務(wù)國家需求的能力。人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進(jìn)技術(shù)正在逐漸滲透到教育領(lǐng)域中，并對教與學(xué)的模式、教學(xué)環(huán)境、教學(xué)的組織形式產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性影響。

深度學(xué)習(xí)（Deep Learning，DL）是一個復(fù)雜的機器學(xué)習(xí)算法，是人工智能領(lǐng)域研究的熱點。目前深度學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)在交通管理、網(wǎng)絡(luò)安全、醫(yī)療保健、智能機器人、游戲等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。鑒于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的成功應(yīng)用，教育機構(gòu)和各大高科技企業(yè)、在線教育公司紛紛在教育實踐中引用深度學(xué)習(xí)技術(shù)。

● 深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展

深度學(xué)習(xí)是機器學(xué)習(xí)的眾多算法之一，最初源于對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的研究，是一種深度訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法，具有很強的特征學(xué)習(xí)能力。深度學(xué)習(xí)模型基于大量數(shù)據(jù)特征，利用分類、回歸等統(tǒng)計學(xué)算法解決各類實際問題，在圖像識別、語音識別、自然語言處理、目標(biāo)檢測等方面具有獨特的優(yōu)勢。深度學(xué)習(xí)的性能很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，對于不同類型的數(shù)據(jù)問題，人們發(fā)展了多種不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，其中包括許多經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如深度置信網(wǎng)絡(luò)、多層感知機、長短時記憶網(wǎng)絡(luò)等。

近年來，深度學(xué)習(xí)在機器翻譯、自然語言處理、圖像識別、視頻識別、人機博弈、智能機器人等傳統(tǒng)人工智能領(lǐng)域取得了極大進(jìn)展，在金融、醫(yī)療、物流、交通等領(lǐng)域被人們廣泛應(yīng)用。目前，相關(guān)研究應(yīng)用主要有以下幾個方面。

（1）預(yù)測預(yù)估類。以用戶的在線行為數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對不同個體的行為進(jìn)行分析，得到“千人千面”的個性化結(jié)果。例如，房地產(chǎn)行業(yè)利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)建立用戶畫像，根據(jù)用戶年齡、工作等多方數(shù)據(jù)特征，建立模型進(jìn)行預(yù)測實現(xiàn)的精準(zhǔn)營銷。又如，淘寶的商品推薦、廣告的精準(zhǔn)投放、金融風(fēng)險控制。

（2）文本圖像類。目前應(yīng)用廣泛的基于圖像分類的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）實現(xiàn)圖片內(nèi)容提取（OCR）。牛津視覺幾何小組用深度學(xué)習(xí)技術(shù)讀出視頻中的文字，輸入文字，就可以直接搜出圖像中包含這些文字的BBC新聞視頻。如今，深度學(xué)習(xí)已經(jīng)可以對照片中的各種元素進(jìn)行描述。

對文本信息的處理包括關(guān)鍵詞提取、文本內(nèi)容分析、新聞分類、情感分析等。例如，社區(qū)情感分析將大量用戶評論中表現(xiàn)高興、悲傷、憤怒等的語言進(jìn)行標(biāo)記，訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對評論進(jìn)行分類。

（3）視頻識別類。在2018年神經(jīng)信息處理系統(tǒng)大會（NIPS）的會議論文中，YixiaoGe等人提出了一個行人重識別（reID）新框架——FD-GAN，用于在多個攝像頭中對行人身份進(jìn)行識別。深度學(xué)習(xí)在自動駕駛、目標(biāo)檢測等方面逐漸發(fā)揮作用，是進(jìn)行視頻編輯、對象分割等實現(xiàn)自動識別的關(guān)鍵技術(shù)。

（4）自然語言處理。在人機對話方面，各科技公司紛紛推出自己的人工智能語音助手、家用機器人產(chǎn)品，如小度音響、天貓精靈、小愛同學(xué)等。在機器翻譯方面，微軟的Skype能夠?qū)⒄Z音實時翻譯成不同的語言。

（5）博弈類。生成式對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）是深度學(xué)習(xí)的一種，自AlphaGo后，基于深度強化技術(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使計算機在許多博弈游戲中表現(xiàn)優(yōu)異。同時，Google大腦的研究團隊創(chuàng)建了兩個深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)用于安全工具開發(fā)，他們讓其中一個不斷創(chuàng)造自己的加密算法，然后讓另一個網(wǎng)絡(luò)去盡力攻破它。在兩套系統(tǒng)的反復(fù)纏斗后，第一個系統(tǒng)已經(jīng)能生成非常優(yōu)秀的安全加密算法。

● 深度學(xué)習(xí)在教育中的應(yīng)用

深度學(xué)習(xí)技術(shù)以教與學(xué)過程中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在教學(xué)設(shè)計的分析階段、策略選擇階段以及評價階段對教育系統(tǒng)的各個要素產(chǎn)生影響，滿足教師需要大量調(diào)查和沒有足夠經(jīng)驗指導(dǎo)的教學(xué)需求，為“以學(xué)習(xí)者為中心”的教學(xué)設(shè)計提供指導(dǎo)。

1.在教學(xué)設(shè)計的分析階段

（1）進(jìn)行學(xué)習(xí)需求分析。通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)對學(xué)生在線學(xué)習(xí)行為進(jìn)行分析，能夠精確地掌握學(xué)生對知識的掌握情況，美國斯坦福大學(xué)克里斯·皮希（Chris Piech）團隊發(fā)表了題目為Deep Knowledge Tracing（簡稱DKT）的深度知識追蹤論文，對學(xué)生的知識進(jìn)行時間建模，能精確預(yù)測學(xué)生對知識點的掌握程度，以及學(xué)生在下一次的表現(xiàn)。在特定情境下，確定學(xué)習(xí)者目前的知識狀態(tài)，能為教師確定教學(xué)內(nèi)容、進(jìn)行教學(xué)設(shè)計提供科學(xué)的理論依據(jù)，便于個性化教學(xué)活動的展開。

（2）進(jìn)行學(xué)習(xí)者特征分析。深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用可以幫助教師確定學(xué)習(xí)者的認(rèn)知發(fā)展水平，分析學(xué)習(xí)者起點能力。通過學(xué)習(xí)者與教學(xué)內(nèi)容和環(huán)境的交互行為，分析學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格，代替需要人長期觀察實踐獲得的經(jīng)驗，并不斷自我完善。

2.在策略選擇階段

深度學(xué)習(xí)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的教師、課件的教學(xué)環(huán)境，形成了智能分析、輔助學(xué)生個性化學(xué)習(xí)的智能教與學(xué)的環(huán)境。計算機實時采集形成的數(shù)據(jù)集，對學(xué)生的認(rèn)知情況進(jìn)行分析，使教師對學(xué)生的認(rèn)知狀態(tài)、情緒狀態(tài)有了更加清晰、準(zhǔn)確的分析。深度學(xué)習(xí)技術(shù)為教師教學(xué)過程中進(jìn)行媒體、資源、策略的選擇及設(shè)計，提供數(shù)據(jù)支持和有效分析。基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的智能問答系統(tǒng)能及時解決學(xué)生的問題，并從學(xué)生的問題中提取關(guān)鍵詞，分析與理解問題，從而給出相應(yīng)的回答，提高學(xué)生對課程的滿意度。

深度學(xué)習(xí)技術(shù)的突破，帶動了語音識別、圖像識別、影像識別等感知識別技術(shù)的大爆發(fā)。例如，基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的語音識別功能，微軟小英提供情境模擬、口語特訓(xùn)、單詞修煉等多種功能?！坝嶏w超腦”計劃目前重點研究的課題包括類人答題、作文評閱、語音轉(zhuǎn)寫等。

3.在教學(xué)評價階段

（1）進(jìn)行學(xué)生評價。基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的評價更加科學(xué)、準(zhǔn)確，降低了分析難度，縮短了反饋周期，使教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)有更加準(zhǔn)確的掌握。教師可以通過圖像識別、語音識別、自然語言處理和情緒識別等技術(shù)，判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)效果等，提高學(xué)習(xí)效能，并針對學(xué)生在練習(xí)過程中出現(xiàn)的問題，有針對性地推送相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源，從而有效提升練習(xí)效能。

（2）進(jìn)行教學(xué)評價。基于深度學(xué)習(xí)的人工智能技術(shù)，輔助教師進(jìn)行學(xué)生學(xué)習(xí)行為監(jiān)督、評價，減輕教師教學(xué)管理負(fù)擔(dān)，智能閱卷系統(tǒng)幫助教師減少重復(fù)性勞動。

● 深度學(xué)習(xí)對教育的影響

隨著人工智能技術(shù)研究的不斷深入，關(guān)于深度學(xué)習(xí)跨學(xué)科的研究也得到了飛速發(fā)展，如教育學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域都衍生出了不同層次的深度學(xué)習(xí)研究。深度學(xué)習(xí)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，在人工智能教育、教育環(huán)境、教育資源、整合正式學(xué)習(xí)和非正式學(xué)習(xí)方面逐漸體現(xiàn)出來。深度學(xué)習(xí)技術(shù)在學(xué)習(xí)過程中的監(jiān)督診斷、課堂教學(xué)監(jiān)控、課后評價等方面不斷發(fā)揮作用，它能夠輔助教學(xué)，變革教與學(xué)的模式，加快教育現(xiàn)代化建設(shè)，并從技術(shù)支撐教學(xué)的角度，對學(xué)習(xí)理論和教學(xué)理論革新產(chǎn)生重大影響。

1.以學(xué)生為中心

（1）科學(xué)的學(xué)習(xí)結(jié)果測量分析，對學(xué)生的學(xué)習(xí)評價及后續(xù)的學(xué)習(xí)發(fā)生提供數(shù)據(jù)支持。深度學(xué)習(xí)使對每一位學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)行建模成為可能，根據(jù)每位學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣為他們量身定制學(xué)習(xí)方案，充分挖掘每個學(xué)生的潛能。

（2）利用深度學(xué)習(xí)收集行為數(shù)據(jù)，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，建立認(rèn)知模型。一方面便于學(xué)生對自身學(xué)習(xí)的管理，科學(xué)規(guī)劃學(xué)習(xí)的路徑，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)的產(chǎn)生，提高學(xué)習(xí)效率;另一方面便于教師的教學(xué)管理，對學(xué)生進(jìn)行全面準(zhǔn)確的分析，在教學(xué)過程中實現(xiàn)因材施教，實現(xiàn)以學(xué)生為中心的教育。

2.整合正式學(xué)習(xí)和非正式學(xué)習(xí)

為線上線下的混合學(xué)習(xí)模式展開提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)指導(dǎo)，整合正式學(xué)習(xí)和非正式學(xué)習(xí)。在目標(biāo)分析階段，采用深度學(xué)習(xí)算法，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)得出學(xué)生當(dāng)前狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)之間的差別，能精確、具體、及時、迅速地進(jìn)行學(xué)習(xí)需求分析、教學(xué)對象分析，確定教學(xué)目標(biāo)，實現(xiàn)學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)，便于教師因材施教。在教學(xué)策略階段，基于深度學(xué)習(xí)的語音識別、影像識別、智能機器人等技術(shù)，為教學(xué)活動的展開提供更加高效的媒體選擇，輔助教師監(jiān)控教學(xué)過程，根據(jù)不同學(xué)生的特點對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程主動干預(yù)，優(yōu)化教學(xué)效果。在教學(xué)評價階段，即時反饋學(xué)生評價和教學(xué)評價，從而提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。

● 總結(jié)與展望

人工智能是影響世界政治、經(jīng)濟等的關(guān)鍵技術(shù)，阿里巴巴、亞馬遜、微軟、谷歌等高科技公司紛紛建立人工智能開放平臺、云社區(qū)，分享人工智能技術(shù)的最新研究成果，人工智能必將與教育加速融合，改變教育的形態(tài)。

深度學(xué)習(xí)技術(shù)是人工智能的前沿技術(shù)，我們應(yīng)對深度學(xué)習(xí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用進(jìn)行探討，用技術(shù)支撐教學(xué)，優(yōu)化教學(xué)效果。現(xiàn)階段，教育領(lǐng)域數(shù)據(jù)的收集和整理還未完善，且數(shù)據(jù)集數(shù)量較少、結(jié)構(gòu)分散，教育領(lǐng)域數(shù)據(jù)特征的分析制約了確定學(xué)生知識水平和學(xué)習(xí)狀態(tài)的可能，為個性化、自適應(yīng)學(xué)習(xí)起“向?qū)А弊饔玫闹R圖譜（包括學(xué)科知識圖譜和教學(xué)知識圖譜）并沒有真正完成。而對深度學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷研究，能豐富學(xué)校教育教學(xué)手段，貫徹以學(xué)生為中心的教育理念，為實現(xiàn)教育現(xiàn)代化提供無限可能。

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