成人遠程教育中深度學習的可應用性
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摘要：隨著科技的進步，人工智能的發展與普及，作為以遠程教育為主的成人高校，不斷優化網上學習資源，在保證統一的學習環境下，為每個學生打造適合自己的專屬課程，不斷優化教學模式，是成人教育高校學習支持服務一直努力的方向。針對學生用戶的個性特征、需求差異，推薦個性化教育資源是當今智能化學習領域研究的重點之一，也是我們構建個性化學習支持服務的關鍵。
關鍵詞：機器學習；深度學習；推薦算法；遠程教育
深度學習（DeepLearning），也叫階層學習，是機器學習領域研究的分支，它是學習樣本數據的表示層次和內在規律，在學習的過程中獲取某些信息，對于數據的解釋有巨大幫助。比如對文字數據的學習，在網絡上獲取關鍵字，對圖像數據的學習，進行人臉識別等等。
一、深度學習發展概述
深度學習是機器學習領域里一種對數據進行表征學習的方法。一句話總結三者之間的關系就是：“機器學習，實現人工智能的方法；深度學習，實現機器學習的技術。深度學習目前是機器學習和人工智能領域研究的主要方向，為計算機圖形學、計算機視覺等領域帶來了革命性的進步。機器學習最早在1980年被提出，1984年分類與回歸樹出現，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年出現的卷積神經網絡（ConvolutionalNeuralNet-works，CNN）也因此得到了一定的發展。在1990年至2012年，機器學習逐漸成熟并施以應用，GeoffreyHinton在2006年設計出了深度信念網絡，解決了反向傳播算法神經網絡中梯度消失的問題，正式提出了深度學習的概念，逐漸走向深度學習飛速發展的時期。隨后，各種具有獨特神經處理單元和復雜層次結構的神經網絡不斷涌現，深度學習技術不斷提高人工智能領域應用方面的極限。
二、深度學習主要模型
1、卷積神經網絡卷積神經網絡（ConvolutionalNeuralNetworks，CNN）是指有著深度結構又包含著卷積計算的前饋神經網絡。卷積物理上理解為系統某一時刻的輸出是有多個輸入共同疊加的結果，就是相當于對一個原圖像的二次轉化，提取特點的過程。卷積神經網絡實際上就是一個不斷提取特征，進行特征選擇，然后進行分類的過程，卷積在CNN里，首先對原始圖像進行特征提取。所以卷積神經網絡能夠得到數據的特征，在模式識別、圖像處理等方面應用廣泛。一個卷積神經網絡主要由三層組成，即卷積層（convolutionlayer）、池化層（poolinglayer）、全連接層（fullyconnectedlayer）。卷積層是卷積神經網絡的核心部分，通過一系列對圖像像素值進行的卷積運算，得到圖像的特征信息，同時不斷地加深節點矩陣的深度，從而獲得圖像的深層特征；池化層的本質是對特征圖像進行采樣，除去冗雜信息，增加運算效率，不改變特征矩陣的深度；全連接將層間所有神經元兩兩連接在一起，對之前兩層的數據進行分類處理。CNN的訓練過程是有監督的，各種參數在訓練的過程中不斷優化，直到得到最好的結果。目前，卷積神經網絡的改進模型也被廣泛研究，如全卷積神經網絡（FullyConvolutionalNeuralNetworks，FCN）和深度卷積神經網絡（DeepConvolutionalNeuralNetworks，DCNN）等等。2、循環神經網絡區別于卷積神經網絡在圖片處理領域的應用，循環神經網絡（RecurrentNeuralNetwork，RNN）主要應用在自然語言處理領域。RNN最大的特點就是神經元的輸出可以繼續作為輸入，再次利用到神經元中循環使用。RNN是以序列的方式對數據進行讀取，這也是RNN最為獨特的特征。RNN的串聯式結構適用于時間序列的數據，可以完好保持數據中的依賴關系。循環神經網絡主要有三層結構，輸入層，隱藏層和輸出層。隱藏層的作用是對輸入層傳遞進來的數據進行一系列的運算，并將結果傳遞給輸出層進行輸出。RNN可用于許多不同的地方。下面是RNN應用最多的領域：1.語言建模和文本生成，給出一個詞語序列，試著預測下一個詞語的可能性。這在翻譯任務中是很有用的，因為最有可能的句子將是可能性最高的單詞組成的句子；2.語音識別；3.生成圖像描述，RNN一個非常廣泛的應用是理解圖像中發生了什么，從而做出合理的描述。這是CNN和RNN相結合的作用。CNN做圖像分割，RNN用分割后的數據重建描述。這種應用雖然基本，但可能性是無窮的；4.視頻標記，可以通過一幀一幀地標記視頻進行視頻搜索。3、深度神經網絡深度神經網絡（deepneuralnetworks，DNN）可以理解為有很多隱藏層的神經網絡。多層神經網絡和深度神經網絡DNN其實也是指的一個東西，DNN有時也叫做多層感知機（Mul-ti-Layerperceptron,MLP）。DNN內部的神經網絡層也是分為三類，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，而中間的層數都是隱藏層。深度神經網絡（DNN）目前作為許多人工智能應用的基礎，并且在語音識別和圖像識別上有突破性應用。DNN的發展也非常迅猛，被應用到工業自動駕駛汽車、醫療癌癥檢測等領域。在這許多領域中，深度神經網絡技術能夠超越人類的準確率，但同時也存在著計算復雜度高的問題。因此，那些能夠解決深度神經網絡表現準確度或不會增加硬件成本高效處理的同時，又能提升效率和吞吐量的技術是現在人工智能領域能夠廣泛應用DNN技術的關鍵。
三、深度學習在教育領域的影響
1、學生學習方面通過網上學習的實時反饋數據對學生的學習模式進行研究，并修正現有教學模式存在的不足。分析網絡大數據，相對于傳統在線學習本質區別在于捕捉學生學習過程，有針對性，實現學生個性化學習。舉個例子，在學習過程中，可以通過學習平臺對學生學習課程所花費的時間，參與的程度，知識的偏好等等數據加以分析。也可以通過學生學習某門課程的次數，鼠標點擊次數、停留的時間等，來推斷學生學習情況。通過以上或類似數據匯總分析，可以正向引導學生學習，并給予積極的學習評價。這種利用計算機收集分析出來的客觀數據，很好展示了學生學習行為的結果，總結學習規律，而不需要教師多年的教學經驗來判斷。對于教育研究者而言，利用深度學習技術可以更客觀準確地了解學生，使教學工作良好發展更進一步。2、教學方面學習平臺的數據能夠對教學模式的適應度進行預測，通過學生的考試成績和對教師的線上評價等加以分析，能夠預測出某一階段的教學方式發發是否可行，影響如何。通過學生與教師的在線互動，學生測驗時完成的時間與完成的結果，都會產生大量的有效的數據，都可以為教師教學支持服務的更好開展提供幫助，從而避免低效率的教學模式造成教學資源的浪費。
深度學習方面的應用在眾多領域都取得了成功，比如電商商品推薦、圖像識別、自然語言處理、棋類博弈等等。在遠程教育方面，深度學習的技術還有很大的發揮空間，智能網絡教育的實現是人們的眾望所盼。若要將深度學習技術應用到遠程教育平臺，首先要清楚學生的需求和教學資源如何分配。1、針對學生的學習需求與學習特征進行分析美國斯坦福大學克里斯•皮希研究團隊的研究成果顯示，通過對學生知識學習進行時間建模，可以精確預測出學生對知識點的掌握情況，以及學生在下一次學習中的表現。深度學習的應用可以幫助教師推測出學生的學習能力發展水平。通過學生與教學環境的交互行為，分析其學習風格，避免教師用經驗進行推斷而產生的誤差。2、教學資源的利用與分配深度學習技術能夠形成智能的分析結論。計算機實時采集數據集，對學生的學習情況加以分析，使教師對學生的學習狀態、情緒狀態等有更加清晰、準確的了解。有了上面良好的教學模式，教師對學生的學習狀態有了更準確的掌握，對學生的學習結果就有了更科學的教學評價。基于深度學習的人工智能技術，還可以輔助教師實現智能閱卷，通過智能閱卷自動總結出學習中出現的問題，幫助教師減少重復性勞動，減輕教師負擔。作為成人高校，遠程教育是我們的主要教學手段，也是核心教學方式，學校的教學必定是在學生方便學習的同時，以學生的學習效果為重。通過深度學習技術，可以科學地分析出學生的學習效果，對后續教與學給予科學、可靠的數據支撐。我們可以在平臺上為每位同學建立學習模型，根據學生的學習習慣為其定制個性化方案，按他們的興趣進行培養，發揮他們專業的潛能。同時，可以將學生正式在線參加學習和考試的學習行為和非學習時間瀏覽網站的行為結合到一起，更加科學地分析出學生在學習網站上感興趣的地方。采用深度學習算法，根據學生學習行為產生的海量數據推算出學生當前狀態與目標狀態之間的差距，做到精準及時的學習需求反饋。有助于幫助學生明確學習目標，教師確立教學目標，真正做好因材施教。基于深度學習各種智能識別技術，可以為教師的線上教學活動增光添彩，在反饋學生學習狀態的同時，采用多種形式的教學方法吸引學生的注意力，增強教學活動的互動性，達到良好的教學效果。
結語
人工智能是影響世界各領域的關鍵技術，它也必將與教育相互融合，也終將會改變教育的形態。深度學習技術作為當前科技的前沿技術，我們需要對深度學習技術在教育中的應用進行探討，用技術完善教學過程，優化學習效果。作為成人高校教師，我們始終貫徹以學生為中心的教育理念，對深度學習技術不斷學習與研究，不斷豐富學校教育教學的手段，為教育現代化最終目標的實現提供無限可能。
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作者：陳小樣 單位：吉林廣播電視大學 吉林省遠程教育技術科技創新中心
