成人遠(yuǎn)程教育中深度學(xué)習(xí)的可應(yīng)用性
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摘要：隨著科技的進(jìn)步，人工智能的發(fā)展與普及，作為以遠(yuǎn)程教育為主的成人高校，不斷優(yōu)化網(wǎng)上學(xué)習(xí)資源，在保證統(tǒng)一的學(xué)習(xí)環(huán)境下，為每個(gè)學(xué)生打造適合自己的專屬課程，不斷優(yōu)化教學(xué)模式，是成人教育高校學(xué)習(xí)支持服務(wù)一直努力的方向。針對學(xué)生用戶的個(gè)性特征、需求差異，推薦個(gè)性化教育資源是當(dāng)今智能化學(xué)習(xí)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一，也是我們構(gòu)建個(gè)性化學(xué)習(xí)支持服務(wù)的關(guān)鍵。
關(guān)鍵詞：機(jī)器學(xué)習(xí)；深度學(xué)習(xí)；推薦算法；遠(yuǎn)程教育
深度學(xué)習(xí)（DeepLearning），也叫階層學(xué)習(xí)，是機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域研究的分支，它是學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)的表示層次和內(nèi)在規(guī)律，在學(xué)習(xí)的過程中獲取某些信息，對于數(shù)據(jù)的解釋有巨大幫助。比如對文字?jǐn)?shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，在網(wǎng)絡(luò)上獲取關(guān)鍵字，對圖像數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，進(jìn)行人臉識別等等。
一、深度學(xué)習(xí)發(fā)展概述
深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域里一種對數(shù)據(jù)進(jìn)行表征學(xué)習(xí)的方法。一句話總結(jié)三者之間的關(guān)系就是：“機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)人工智能的方法；深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)。深度學(xué)習(xí)目前是機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能領(lǐng)域研究的主要方向，為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域帶來了革命性的進(jìn)步。機(jī)器學(xué)習(xí)最早在1980年被提出，1984年分類與回歸樹出現(xiàn)，直到1986年，Rumelhart等人反向傳播（BackPropaga-tion，BP）算法的提出，解決了感知模型只能處理線性分類的問題，1989年出現(xiàn)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ConvolutionalNeuralNet-works，CNN）也因此得到了一定的發(fā)展。在1990年至2012年，機(jī)器學(xué)習(xí)逐漸成熟并施以應(yīng)用，GeoffreyHinton在2006年設(shè)計(jì)出了深度信念網(wǎng)絡(luò)，解決了反向傳播算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中梯度消失的問題，正式提出了深度學(xué)習(xí)的概念，逐漸走向深度學(xué)習(xí)飛速發(fā)展的時(shí)期。隨后，各種具有獨(dú)特神經(jīng)處理單元和復(fù)雜層次結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷涌現(xiàn)，深度學(xué)習(xí)技術(shù)不斷提高人工智能領(lǐng)域應(yīng)用方面的極限。
二、深度學(xué)習(xí)主要模型
1、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ConvolutionalNeuralNetworks，CNN）是指有著深度結(jié)構(gòu)又包含著卷積計(jì)算的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。卷積物理上理解為系統(tǒng)某一時(shí)刻的輸出是有多個(gè)輸入共同疊加的結(jié)果，就是相當(dāng)于對一個(gè)原圖像的二次轉(zhuǎn)化，提取特點(diǎn)的過程。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上就是一個(gè)不斷提取特征，進(jìn)行特征選擇，然后進(jìn)行分類的過程，卷積在CNN里，首先對原始圖像進(jìn)行特征提取。所以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠得到數(shù)據(jù)的特征，在模式識別、圖像處理等方面應(yīng)用廣泛。一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要由三層組成，即卷積層（convolutionlayer）、池化層（poolinglayer）、全連接層（fullyconnectedlayer）。卷積層是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心部分，通過一系列對圖像像素值進(jìn)行的卷積運(yùn)算，得到圖像的特征信息，同時(shí)不斷地加深節(jié)點(diǎn)矩陣的深度，從而獲得圖像的深層特征；池化層的本質(zhì)是對特征圖像進(jìn)行采樣，除去冗雜信息，增加運(yùn)算效率，不改變特征矩陣的深度；全連接將層間所有神經(jīng)元兩兩連接在一起，對之前兩層的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理。CNN的訓(xùn)練過程是有監(jiān)督的，各種參數(shù)在訓(xùn)練的過程中不斷優(yōu)化，直到得到最好的結(jié)果。目前，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)模型也被廣泛研究，如全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FullyConvolutionalNeuralNetworks，F(xiàn)CN）和深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DeepConvolutionalNeuralNetworks，DCNN）等等。2、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖片處理領(lǐng)域的應(yīng)用，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RecurrentNeuralNetwork，RNN）主要應(yīng)用在自然語言處理領(lǐng)域。RNN最大的特點(diǎn)就是神經(jīng)元的輸出可以繼續(xù)作為輸入，再次利用到神經(jīng)元中循環(huán)使用。RNN是以序列的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，這也是RNN最為獨(dú)特的特征。RNN的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于時(shí)間序列的數(shù)據(jù)，可以完好保持?jǐn)?shù)據(jù)中的依賴關(guān)系。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要有三層結(jié)構(gòu)，輸入層，隱藏層和輸出層。隱藏層的作用是對輸入層傳遞進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的運(yùn)算，并將結(jié)果傳遞給輸出層進(jìn)行輸出。RNN可用于許多不同的地方。下面是RNN應(yīng)用最多的領(lǐng)域：1.語言建模和文本生成，給出一個(gè)詞語序列，試著預(yù)測下一個(gè)詞語的可能性。這在翻譯任務(wù)中是很有用的，因?yàn)樽钣锌赡艿木渥訉⑹强赡苄宰罡叩膯卧~組成的句子；2.語音識別；3.生成圖像描述，RNN一個(gè)非常廣泛的應(yīng)用是理解圖像中發(fā)生了什么，從而做出合理的描述。這是CNN和RNN相結(jié)合的作用。CNN做圖像分割，RNN用分割后的數(shù)據(jù)重建描述。這種應(yīng)用雖然基本，但可能性是無窮的；4.視頻標(biāo)記，可以通過一幀一幀地標(biāo)記視頻進(jìn)行視頻搜索。3、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（deepneuralnetworks，DNN）可以理解為有很多隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)DNN其實(shí)也是指的一個(gè)東西，DNN有時(shí)也叫做多層感知機(jī)（Mul-ti-Layerperceptron,MLP）。DNN內(nèi)部的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層也是分為三類，輸入層，隱藏層和輸出層，一般來說第一層是輸入層，最后一層是輸出層，而中間的層數(shù)都是隱藏層。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）目前作為許多人工智能應(yīng)用的基礎(chǔ)，并且在語音識別和圖像識別上有突破性應(yīng)用。DNN的發(fā)展也非常迅猛，被應(yīng)用到工業(yè)自動駕駛汽車、醫(yī)療癌癥檢測等領(lǐng)域。在這許多領(lǐng)域中，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠超越人類的準(zhǔn)確率，但同時(shí)也存在著計(jì)算復(fù)雜度高的問題。因此，那些能夠解決深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)準(zhǔn)確度或不會增加硬件成本高效處理的同時(shí)，又能提升效率和吞吐量的技術(shù)是現(xiàn)在人工智能領(lǐng)域能夠廣泛應(yīng)用DNN技術(shù)的關(guān)鍵。
三、深度學(xué)習(xí)在教育領(lǐng)域的影響
1、學(xué)生學(xué)習(xí)方面通過網(wǎng)上學(xué)習(xí)的實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)對學(xué)生的學(xué)習(xí)模式進(jìn)行研究，并修正現(xiàn)有教學(xué)模式存在的不足。分析網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)，相對于傳統(tǒng)在線學(xué)習(xí)本質(zhì)區(qū)別在于捕捉學(xué)生學(xué)習(xí)過程，有針對性，實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)。舉個(gè)例子，在學(xué)習(xí)過程中，可以通過學(xué)習(xí)平臺對學(xué)生學(xué)習(xí)課程所花費(fèi)的時(shí)間，參與的程度，知識的偏好等等數(shù)據(jù)加以分析。也可以通過學(xué)生學(xué)習(xí)某門課程的次數(shù)，鼠標(biāo)點(diǎn)擊次數(shù)、停留的時(shí)間等，來推斷學(xué)生學(xué)習(xí)情況。通過以上或類似數(shù)據(jù)匯總分析，可以正向引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，并給予積極的學(xué)習(xí)評價(jià)。這種利用計(jì)算機(jī)收集分析出來的客觀數(shù)據(jù)，很好展示了學(xué)生學(xué)習(xí)行為的結(jié)果，總結(jié)學(xué)習(xí)規(guī)律，而不需要教師多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來判斷。對于教育研究者而言，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以更客觀準(zhǔn)確地了解學(xué)生，使教學(xué)工作良好發(fā)展更進(jìn)一步。2、教學(xué)方面學(xué)習(xí)平臺的數(shù)據(jù)能夠?qū)虒W(xué)模式的適應(yīng)度進(jìn)行預(yù)測，通過學(xué)生的考試成績和對教師的線上評價(jià)等加以分析，能夠預(yù)測出某一階段的教學(xué)方式發(fā)發(fā)是否可行，影響如何。通過學(xué)生與教師的在線互動，學(xué)生測驗(yàn)時(shí)完成的時(shí)間與完成的結(jié)果，都會產(chǎn)生大量的有效的數(shù)據(jù)，都可以為教師教學(xué)支持服務(wù)的更好開展提供幫助，從而避免低效率的教學(xué)模式造成教學(xué)資源的浪費(fèi)。
四、成人遠(yuǎn)程教育中深度學(xué)習(xí)技術(shù)的可應(yīng)用性
深度學(xué)習(xí)方面的應(yīng)用在眾多領(lǐng)域都取得了成功，比如電商商品推薦、圖像識別、自然語言處理、棋類博弈等等。在遠(yuǎn)程教育方面，深度學(xué)習(xí)的技術(shù)還有很大的發(fā)揮空間，智能網(wǎng)絡(luò)教育的實(shí)現(xiàn)是人們的眾望所盼。若要將深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用到遠(yuǎn)程教育平臺，首先要清楚學(xué)生的需求和教學(xué)資源如何分配。1、針對學(xué)生的學(xué)習(xí)需求與學(xué)習(xí)特征進(jìn)行分析美國斯坦福大學(xué)克里斯•皮希研究團(tuán)隊(duì)的研究成果顯示，通過對學(xué)生知識學(xué)習(xí)進(jìn)行時(shí)間建模，可以精確預(yù)測出學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況，以及學(xué)生在下一次學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)。深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用可以幫助教師推測出學(xué)生的學(xué)習(xí)能力發(fā)展水平。通過學(xué)生與教學(xué)環(huán)境的交互行為，分析其學(xué)習(xí)風(fēng)格，避免教師用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推斷而產(chǎn)生的誤差。2、教學(xué)資源的利用與分配深度學(xué)習(xí)技術(shù)能夠形成智能的分析結(jié)論。計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)集，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況加以分析，使教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、情緒狀態(tài)等有更加清晰、準(zhǔn)確的了解。有了上面良好的教學(xué)模式，教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)有了更準(zhǔn)確的掌握，對學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果就有了更科學(xué)的教學(xué)評價(jià)?；谏疃葘W(xué)習(xí)的人工智能技術(shù)，還可以輔助教師實(shí)現(xiàn)智能閱卷，通過智能閱卷自動總結(jié)出學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的問題，幫助教師減少重復(fù)性勞動，減輕教師負(fù)擔(dān)。作為成人高校，遠(yuǎn)程教育是我們的主要教學(xué)手段，也是核心教學(xué)方式，學(xué)校的教學(xué)必定是在學(xué)生方便學(xué)習(xí)的同時(shí)，以學(xué)生的學(xué)習(xí)效果為重。通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)，可以科學(xué)地分析出學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，對后續(xù)教與學(xué)給予科學(xué)、可靠的數(shù)據(jù)支撐。我們可以在平臺上為每位同學(xué)建立學(xué)習(xí)模型，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣為其定制個(gè)性化方案，按他們的興趣進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)揮他們專業(yè)的潛能。同時(shí)，可以將學(xué)生正式在線參加學(xué)習(xí)和考試的學(xué)習(xí)行為和非學(xué)習(xí)時(shí)間瀏覽網(wǎng)站的行為結(jié)合到一起，更加科學(xué)地分析出學(xué)生在學(xué)習(xí)網(wǎng)站上感興趣的地方。采用深度學(xué)習(xí)算法，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)行為產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)推算出學(xué)生當(dāng)前狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)之間的差距，做到精準(zhǔn)及時(shí)的學(xué)習(xí)需求反饋。有助于幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，教師確立教學(xué)目標(biāo)，真正做好因材施教。基于深度學(xué)習(xí)各種智能識別技術(shù)，可以為教師的線上教學(xué)活動增光添彩，在反饋學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的同時(shí)，采用多種形式的教學(xué)方法吸引學(xué)生的注意力，增強(qiáng)教學(xué)活動的互動性，達(dá)到良好的教學(xué)效果。
結(jié)語
人工智能是影響世界各領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，它也必將與教育相互融合，也終將會改變教育的形態(tài)。深度學(xué)習(xí)技術(shù)作為當(dāng)前科技的前沿技術(shù)，我們需要對深度學(xué)習(xí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用進(jìn)行探討，用技術(shù)完善教學(xué)過程，優(yōu)化學(xué)習(xí)效果。作為成人高校教師，我們始終貫徹以學(xué)生為中心的教育理念，對深度學(xué)習(xí)技術(shù)不斷學(xué)習(xí)與研究，不斷豐富學(xué)校教育教學(xué)的手段，為教育現(xiàn)代化最終目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供無限可能。
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作者：陳小樣 單位：吉林廣播電視大學(xué) 吉林省遠(yuǎn)程教育技術(shù)科技創(chuàng)新中心
