深度學習研究綜述

張菊 郭永峰

[收稿日期] 2020-07-27

[基金項目] 山東省專業學位研究生教學案例庫建設項目（SDYAL18075）

[作者簡介] 張菊（1996—），女，山東泰安人。碩士研究生，主要研究方向為生物學課程與教學論。 *[通信作者] 郭永峰（1967—），男，山東汶上人。碩士，副教授，碩士生導師，主要研究方向為生物學課程與教學論。

[ 摘 要] 信息時代對公民素質提出了更高的要求，培養學生的深度學習能力勢在必行。通過文獻分析法、內容分析法和比較法，從深度學習的文獻分析、內涵、特征、教學策略、評價5個方面出發，對深度學習的相關文獻進行梳理，總結與分析深度學習研究中存在的問題并提出展望。展望主要包括：建立完整的理論體系，使深度學習的理論由淺層研究走向深度研究;深度學習應與信息技術相結合，以降低操作成本并提高效率;更加重視對教學策略的研究，豐富深度學習教學策略;建立完整的評價體系，以促進學習者的學習;注重跨領域研究與多學科合作，以拓展深度學習研究領域。

[ 關鍵詞] 深度學習;文獻分析;內容分析;研究展望

[ 中圖分類號] G642.4 文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634（2021）03-0006-06

隨著信息時代的來臨，學習者可以通過許多渠道獲取信息。同時，社會要求公民能夠掌握精準的信息，并具有處理這些信息的能力，以服務于當代社會。這表明，只注重知識記憶的淺層學習已無法滿足當代人們的需求，而在理解知識的基礎上，以提高學生的問題解決和知識遷移能力為目的的深度學習越來越受到人們的歡迎[1]。

1 深度學習研究回顧

1.1 文獻分析

為了更加清晰地展現近幾年深度學習的整體研究情況并把握深度學習研究的發展趨勢，本研究基于CNKI數據庫中的中國學術期刊全文數據庫，采用文獻分析的方法，整理了2006～2019年深度學習相關主題的論文發表數量，并繪制圖1。

由圖1可知，2006～2010年深度學習研究較少;2011～2014年，深度學習主題的論文稍有增加，但增速仍然較為緩慢;2015～2019年，深度學習研究步入快車道，研究成果逐漸增多，研究內容越來越豐富。本研究從深度學習的應用實踐研究和學段、學科研究兩方面進行敘述。

1）深度學習應用實踐研究。為對深度學習的應用實踐進行直觀研究，本研究將檢索主題設為“深度學習”，并且分別在此基礎上設置檢索主題并含“實踐”“課堂”“策略”教學應用性質的詞匯，逐年統計2006～2019年的論文發表數量并繪制圖2。

從圖2可以看出，深度學習與“實踐”“課堂”“策略”有關主題論文的變化趨勢基本一致。數據分析顯示，深度學習研究者越來越多地嘗試將深度學習應用于實際教學，著眼于如何提高學生的學習效果。

2）深度學習的學段和學科研究。深度學習是一種先進的教學思想與方法，探索其在實際教學中的應用成為了研究者的重要任務。本研究從兩個角度著手，一是不同學習階段的深度學習研究情況，二是中等教育中不同學科的深度學習研究情況。

在論文檢索時，首先將檢索主題設為“深度學習”，然后分別在文獻分類目錄中選中不同學習階段或者不同學科所處的文獻類別，統計每種文獻類別下所屬的論文數量并整理后繪制圖3。

從圖3（a）可以看出，在不同階段的教育中，與中等教育相關的深度學習主題論文最多，經統計為1 839篇;其次為初等教育和高等教育。這種情形符合目前我國的教育現狀，反映了處于中等教育階段的學生對深度學習方法的迫切需求。

從圖3（b）可以看出，深度學習已滲透至中等教育的各個學科。其中，與物理、化學組合相關的文章數最多，達393篇;其次為數學相關文章341篇。與物理、化學和數學相關的文章總數加起來占45%，這在一定程度上反映出學者更傾向于將深度學習應用到對學生理解能力、邏輯思維能力以及創新能力要求更高的學科中。

1.2 深度學習的內涵

1976年，美國學者Marton等人通過實驗得出：學生在學習過程中會根據不同的學習要求，選擇不同的信息處理方式，提出了深度學習（Deep Learning）的概念[2]。Beattie認為深度學習是學生為了理解而學習，提出了深度學習的兩大特征，即深度學習要求學生能夠批判性地理解問題和深度學習中學習材料的相互作用[3]。Biggs通過對修訂后雙因素版本的SPQ理想工具的研究指出：確保高素質教與學的最有效方法是評價因素能以建設性的方式結合[4]。Frances Slack和 Martin Beer認為激發反思對深度學習至關重要，因為反思過程包括聯想、整合、驗證等步驟，最終達到綜合知識的目的[5]。Eric Jensen和Leann Nickelsen將簡單學習和深度學習對比后，進一步明確了深度學習的核心要義：深度學習需要構建完整的學習路線，并且要遵循很多要求和規則[6]。

國內對深度學習的研究較晚，最早由黎加厚和何玲提出[7]。之后，深度學習便受到國內學者的關注，但是前期的關注并不多，發表的論文也較少。2010年頒布的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》指出，教育教學要注意培養學生的自主學習能力，學習的主動性、獨立性、體驗性和問題性[8]，這些要求正是深度學習所研究與追求的。因此，深度學習的優勢顯現出來，獲得了更多學者的關注。段金菊和余勝泉進一步提出深度學習強調反思、元認知等高水平思維，不僅要重視知識的廣度，還應重視知識的深度。學習行為是高情感投入的復雜活動[9]。郭華認為，深度學習指在教師引領下，學生圍繞著具有挑戰性的學習主題，全身心地積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程[10]。包雷認為，教育領域內的深度學習能力是不同于AI提供的、超越簡單計算的高級認知能力，目標是提升人的創造思維和解決問題的能力[11]。

綜合國內外對深度學習的認識，本研究對深度學習定義如下：深度學習是一種強調批判性的學習，要求學生在對知識理解和記憶的基礎上，能夠采用創造性的方法解決實際情景中的問題。深度學習的目的是提高學生解決復雜問題的能力，培養高級思維，最終使其認知結構能夠遷移運用到新的情景中。

1.3 深度學習的特征

在深度學習與淺層學習的辨析中，深度學習的特征逐漸明晰。Beattie于1997年提出深度學習的特征，即注重對問題的理解，重視學習材料之間的相互作用，注重新知識與之前知識和經驗的相互聯系，并強調批判性。張浩和吳秀娟提出深度學習具有注重批判理解、強調信息整合等5個特征，特征之間相互促進[12]。安富海在張浩和吳秀娟的基礎上，再次強調深度學習具有注重知識學習的批判理解、強調學習內容的有機整合、著意學習過程的建構、重視學習的遷移運用這4個特征[13]。郭華對深度學習的特征進行總結和概括后，提出聯想與結構、活動與體驗、本質與變式、遷移與應用、價值與評價5方面特征，說明隨著對深度學習研究的深入，學者們更加重視評價這一環節。通過文獻整理，本研究將深度學習的特征整理為以下幾點：（1）深度學習注重批判理解。深度學習要求學習者對知識持一種敢于質疑、敢于批判的態度，而不能將課本上的知識奉為真理。（2）深度學習強調信息整合，包括各科知識的整合和各種信息獲取手段的整合。深度學習要求學習者把新的信息整合到原有的認知結構中，以達到對信息的長久理解和保持。（3）深度學習注重遷移運用。學生只有在運用知識時，才能真正掌握知識學習的意義和價值。（4）深度學習著意情感投入。深度學習的動力來自于學生本身對進一步探尋知識的渴望，深度學習并非是沒有情感投入的任務式學習。（5）深度學習重視終身學習。隨著科學的不斷發展，知識更新的速度越來越快，深度學習要求學生應該具有“活到老學到老”的信念。

1.4 深度學習的教學策略

杜鵑等人提出教師應該掌握5種相互聯系、相互促進的策略：主導策略、支架策略、建模策略、反思策略、元認知策略[14]。胡丹從深度學習的視角分析了當代課堂環境存在的問題，提出應以探索性問題和學生樂趣的激發作為支撐點開展課堂教學[15]。吳舉宏認為深度學習與淺層學習并不是二元取舍的關系，深層學習是淺層學習的深化和提高，并提出整合內容、創設情景、聚焦問題、注重評價等教學策略[16]。

1.5 深度學習的評價

國內外對深度學習評價的研究主要集中于兩方面：一是對學習結果評價;二是對學習過程評價以說明學習結果。1982年，澳大利亞學者Biggs和Collis深入了解皮亞杰的發展階段論后，針對皮亞杰理論的缺點建立了SOLO分類理論[17]。Smith等人采用SOLO分類理論對教師的教學方法和學生的學習成果進行測評，進一步證明了SOLO分類理論可以有效地反映學習的質量[18]。張浩等人認為深度學習評價應該以學習目標作為導向，并建立起四位一體的深度學習的評價體系[19]。殷常鴻等人整合皮亞杰的認知發展階段論和SOLO分類理論后，創建了“皮亞杰—比格斯”深度學習評價模型[20]。戴歆紫和王祖浩根據評價取向的不同，將國外的評價分為過程取向和結果取向兩類。因為不同的方法具有不同的長處，所以教師在對學生進行評價時可以將不同的方法結合起來[21]。鄭東輝認為深度學習主要采用“為了學習的評價”和“作為學習的評價”兩類評價，并提出了評價合乎倫理，保護學生的評價信息隱私，尊重學習的多樣性3方面的要求[22]。胡久華等人認為為確保設計出來的深度學習活動的質量，需要綜合多方面考量，要進行持續性的評價[23]。

2 深度學習研究存在問題分析

深度學習已經成為現代教育熱衷的領域。我國對深度學習的研究較晚，在其發展的早期對重視不夠，與國外對深度學習的解讀和實踐應用尚存一定差距。通過梳理文獻，筆者發現在深度學習的研究過程中，還具體存在以下5方面的問題。

第一，理論研究不深入，實踐研究缺乏。國內對深度學習的理論研究并未形成完整的體系。深度學習的研究處于淺層階段并且理解泛化。因為教育領域中的深度學習內涵復雜、特征豐富，所以不同學者從不同方面出發，對深度學習的內涵和特征進行界定時容易出現泛化和異化的現象。大多數學者對深度學習理論研究的方式是通過實驗、訪談、調查等方法獲得數據后，分析數據取得結果，因此實踐研究較少。學者們提出的深度學習理論覆蓋范圍大，沒有根據國情細化，在教學實踐中難以實施和推廣。深度學習要求提升教學質量的同時又要提高教學效率，這對教師來說無疑是巨大的挑戰。因此，在深度學習的過程中，如何把握課堂節奏、科學合理地分配時間、有條不紊地組織課堂活動、公平有效地反思評價是學者們需要進一步解決的問題。

第二，信息技術與深度學習融合度不高。國內外學者越來越重視信息技術與深度學習的融合研究。通過信息技術提高課堂效率，實現深度學習，已經成為現在的熱點課題。目前，信息技術與深度學習的融合還存在以下具體問題：（1）傳統教育觀念的束縛。這是信息技術與深度學習融合過程中的最大困難。雖然深度學習的理論研究一直是教育理論界的熱點，但是深度學習的實踐并未真正推廣。究其原因是學校里的開放型活動、實驗活動等雖然有利于深度學習的開展，但是在以高考成績作為唯一評價指標的教育背景下，這樣的學習是效率低下、成本過高的。（2）經費投入有限。這是影響信息技術與深度學習融合的限制條件。兩者融合需要一定經費投入作為必要的物質保障。經費主要用于兩方面：一方面為教育教學改革和課程建設;另一方面為信息技術環境的構建和設置，比如智慧教室構建、網絡普及、信息平臺建設等。

第三，深度學習教學策略存在誤區。科學合理的教學策略是使深度學習成為現實的基礎和保障。深度學習教學策略是在深度學習存在問題的基礎上，對調整教師理念和教學行為的建議。然而，實際的課堂深度學習尚存在著以下問題：（1）重“難”輕“得”。內容難度的片面增加使得學生在有限的課堂時間內無法深度理解知識，違背了知識結構和認知規律，甚至會讓學生產生“挫敗感”。知識的難度不能代替知識的深度，否則學生學到的知識只是粗淺與零碎的，無法挖掘其內在的思想和價值。（2）重“高”輕“低”。有的教學策略只注重“拔高”，而忽略對基礎概念的學習。深層學習是相對于淺層學習提出的，若將兩者完全割裂，結果將導致學生無法完全理解基礎理論，也無法形成高階思維。（3）重“學”輕“教”。一些教學策略過于強調學生的主動性，弱化了教師的引導作用。課堂教學看似由學生深度參與，實際上由于缺乏教師的科學引導，而導致了迷茫和低效。

第四，深度學習評價體系不完善。作為衡量教學成果的重要手段，深度學習評價已經越來越多地受到學者的重視。其既可以為深度學習的有關研究提供論證依據，也可以在實際教學中為教師和學生提供反饋信息，以優化教學效果。但是，目前對于評價的研究遠少于對教學策略和內涵的研究，并且存在一些具體問題：（1）傳統應試教育的主要評價方式是通過紙筆測驗，設計一些良構問題測試學生對于知識的掌握程度。但是學習過程中的表現不算在測量中，這樣的評價方式無法測量出學生運用、遷移知識的能力。（2）客觀、公正的評價標準是深度學習評價的依據。與國外相比，我國對深度學習評價標準的研究仍處于小范圍的探索階段。雖然有些學者提出了深度學習的評價標準，但是被廣泛認可的標準較少。目前，學者們對深度學習評價標準的研究途徑主要是研讀國外已有成果后，根據我國情況進行修改，并沒有通過大規模的對比和跟蹤研究驗證其有效性和科學性。

第五，深度學習研究范圍有限。研究表明，深度學習的研究范圍主要集中于正式學習場域和良構問題領域。正式學習領域主要指課堂。然而，大多數的非正式學習領域也會發生學習。非正式學習作為正式學習的拓展和延伸，對理解和補充課堂上學到的知識起著重要作用。比如，閱讀科學雜志、觀看紀錄片、參觀博物館等學習形式，對學生深度理解課本知識起到積極的促進作用。目前，深度學習中涉及到的問題大多都是良構問題，比如教材中的化學問題、生物問題、數學問題等，然而學生運用知識解決的問題大多是非良構問題。非良構問題情景能夠使學生將知識與真實生活相結合，激發學生學習的積極性，體驗探究的樂趣，實現深度學習。因此，拓展深度學習的研究范圍是十分必要的。

3 深度學習研究展望

鑒于深度學習的優勢越來越明顯，基于上述分析，我國可以在深度學習理論研究、與信息技術的結合、教學策略的研究、評價體系的建立、跨領域研究與多學科合作等方面促進深度學習的發展。

3.1 完善深度學習理論體系

完善深度學習理論體系是后續研究的前提和基礎。對深度學習理論的研究不應該停留于表面，而應深入地研究。深度學習的理論研究并非指向某一個學科，而是多學科的跨越和融合。將不同領域、不同學科的理論都融入深度學習的理論研究中，拓展深度學習理論研究的方向，加深深度學習理論研究的深度。其次，深度學習理論可以科學有效地指導教學實踐，教學實踐又可以完善深度學習理論。我國每個教育階段的情況不同，對深度學習要求的執行情況也會有差別，如果深度學習理論體系沒有根據各階段的實際狀況變化，最終會與實踐脫離。因此，國內學者應根據國情加強對深度學習理論的研究與推廣，學校應對基礎教育者進行深度學習的理論培訓。

3.2 深度學習與信息技術相結合

隨著信息技術的發展，深度學習已經與信息技術逐漸結合，大大降低了操作成本，提高了效率。信息技術可以應用于課堂教學的具體過程中，比如新課導入、實驗探究與反思評價等教學環節。作為良好的學習工具，信息技術具有以下3種功能：（1）促進學生的知識建構。信息技術為知識建構提供了捷徑，給學生帶來豐富學習資源的同時，還提供了構建知識的工具，比如效能工具、信息工具等。（2）促進學生高階思維的形成。例如，數據庫、專家系統等技術手段的興起為提高認知水平、發展高階思維提供了便利，有利于深度學習的發生。（3）促進深度學習評價。例如，電子檔案袋等手段，使深度學習評價更加公平合理，從關注學習的結果轉向了關注學習的過程，幫助學習者反思自己的不足，提供了成長記錄的空間。由此可見，信息技術的功能與深度學習的要求不謀而合。信息技術成為促進深度學習的發展趨勢之一。學校為適應這種趨勢，在課程建設方面，需要強化信息化教學資源建設，實現優質課程資源共享，建立仿真虛擬實驗室;在教學方式方面需要做到優化教學設計，積極采取多種信息技術促進教學方法的更新和改善;在教學環境方面，運用信息技術構造智慧型教室、研討型教室等。

3.3 豐富深度學習教學策略

要重視深度學習的教學策略研究。教師應意識到情景對話在教學中的重要作用，將生活中的情景帶入到課堂教學中，重視“日常會話”的氣息。教師應及時與學生溝通和交流，師生之間敞開心扉，共同解決問題。教學評價的方法可以轉化為教學策略，比如知識的深度模型可以為深度學習的行為提供具體的指向。其他教學策略具體如下：（1）確立教學目標。將培養學生的高階思維能力作為貫穿教學過程始終的目標，改變以“記憶、理解和簡單應用”為教學目標的現狀，將“分析、評價和創造”作為教學目標。（2）整合教學內容。教師可以打破課本內容結構，靈活整合學科知識。（3）創造真實情景。教師在授課中，要有意識地去設置真實的課堂情景，使學生切身感受到知識與情景的聯系。（4）進行評價反思。在教學結束后，應該評價學生的學習水平，判斷其是否進行了深度學習，獲得反饋信息，及時調整教師的教學策略與學生的學習方法。

3.4 建立完整的評價體系

評價是檢驗深度學習教學設計和教學實施效果的基礎和關鍵。深度學習評價一直是研究中的短板。傳統的評價體系無法評價學生對概念理解的深度和對知識的運用程度，因此需要更新評價體系，完善評價機制。（1）在原來的基礎上增加表現性評價，不再將評價視角只放在教學結果上，而是將學生在課堂上的發言、作業的完成程度都作為評價的一部分。（2）構建更為科學的評價標準。明確深度學習的本質是標準構建的前提，可以避免評價標準的模糊和泛化。（3）整合網絡信息技術，開創評價新時代。信息技術的功能之一為促進深度學習評價。整合網絡技術將會降低評價成本，提高評價效率。（4）摒棄功利取向。評價的目的是發展深度學習，關注評價效果是為了給教師和學生提供有意義的指導與反饋。

3.5 注重跨領域研究與多學科合作

深度學習的相關研究不僅存在于教育學領域，還存在于計算機科學、醫學、心理學等諸多領域。例如，在計算機科學領域，深度學習作為機器學習的一個新的分支，可以建立起比傳統機器學習更深層次的模型，從而具有對文字、圖像和聲音等數據更強的處理與學習能力。深度學習在教育學領域的發展有必要借助計算機科學等領域研究的思路與方法，并結合腦科學和心理學等領域的研究方式，拓展發展方向。在學習科學視域下，深度學習的研究更加注重多學科之間的合作。許多帶有跨學科性質的教育模式應時而生，比如STEM教育。注重多學科合作的深度學習對學生提出了新的要求，比如要求學生需要靈活運用多學科的知識解決問題，提高綜合學習的能力等。深度學習打破了理工學科和人文學科之間的隔閡，使教師的教學方式和學生的學習方式面臨巨大的挑戰。因此，如何應對跨領域、多學科的深度學習帶來的挑戰是亟需解決的問題。

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A review of deep learning research

ZHANG Ju，GUO Yong-feng

（Subject Teaching Biology，Qufu Normal University，Qufu，Shandong273100，China）

Abstract

As the information age puts forward higher requirements for citizens′ quality，the ability of deep learning has become an inevitable condition for citizens to adapt to the society. The author uses literature analysis，content analysis and comparison method，from the deep learning literature analysis，the connotation，characteristics，teaching strategies and evaluation of 5 aspects，the literatures of deep learning，summary and analysis of problems existing in the deep learning related research，and looks forward to the prospect for the further study of the deep learning.Prospects mainly include： to establish a complete theoretical system，so that the theory of deep learning from shallow research to deep research;deep learning should be combined with information technology to reduce operational costs and improve efficiency;pay more attention to the research of teaching strategies and enrich the teaching strategies of deep learning;establish a complete evaluation system to promote learners′ learning;focus on cross-disciplinary research and multi-disciplinary cooperation to expand the research field of deep learning.

Keywords

deep learning;literature analysis;content analysis;research prospect.

[責任編輯 孫 菊]