人工智能技術(shù)在智慧課堂中深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用

德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)信息技術(shù)工程系 李 娟

從數(shù)百萬年的第一次仰望星空開始，人類對(duì)科技的探索永不止步，技術(shù)不斷推動(dòng)人類文明的進(jìn)步。人工智能技術(shù)在在教育行業(yè)中，它不但改進(jìn)了教學(xué)方式，而且給教育帶來了全新的技術(shù)支持。在助力創(chuàng)新型人才的培育中，人工智能技術(shù)逐漸融入智慧課堂中，深度學(xué)習(xí)借助智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，促進(jìn)高技能人才的培育。人工智能技術(shù)下的智慧課堂是集成了各種交互式技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、情感感知技術(shù)、及智能網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等信息化手段的設(shè)備。在這些技術(shù)的支持下，在教師指導(dǎo)下能夠讓他們?cè)趯W(xué)習(xí)活動(dòng)中有針對(duì)性的、個(gè)性化的深度學(xué)習(xí)。

未來互聯(lián)網(wǎng)、5G移動(dòng)通信網(wǎng)的全面融合，加快了新一代的信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。人類社會(huì)、信息空間與物理世界全面聯(lián)通并相互融合，進(jìn)入人、物、機(jī)和諧共生的計(jì)算模式。人工智能技術(shù)進(jìn)入后深度學(xué)習(xí)時(shí)代，新一代人工智能技術(shù)是關(guān)鍵所在。人工智能技術(shù)下的智慧課堂是集成了各種交互式技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、情感感知技術(shù)、及智能網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等信息化手段的設(shè)備。在這些技術(shù)的支持下，對(duì)于渴求知識(shí)的學(xué)生來說，能夠讓他們?cè)趯W(xué)習(xí)活動(dòng)中有針對(duì)性的、個(gè)性化的深度學(xué)習(xí)。

1 人工智能技術(shù)、智慧課堂、深度學(xué)習(xí)

1.1 人工智能技術(shù)

人工智能是所研究的、所開發(fā)的功能主要是用于模擬人的思考，讓機(jī)器擁有智能的一門交叉邊緣學(xué)科，被稱為世界三大尖端技術(shù)之一。人工智能是一門介于自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和技術(shù)科學(xué)的交叉邊緣學(xué)科，依據(jù)多元智能理論，可以分為八個(gè)范疇：語言智能、邏輯-數(shù)學(xué)智能、空間智能、身體-動(dòng)覺智能、音樂智能、人際智能、內(nèi)省智能和自然探索智能，讓計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)高層次的應(yīng)用。人工智能技術(shù)是多層面的，貫穿了應(yīng)用、算法、器件、芯片、工藝等技術(shù)層級(jí)。人工智能技術(shù)層級(jí)如圖1所示。

圖1 人工智能技術(shù)層級(jí)圖

1.2 智慧課堂

智慧課堂建設(shè)緊緊扣住“針對(duì)性、創(chuàng)新性、智慧型”這一關(guān)鍵，著眼解決傳統(tǒng)課堂的滯后問題，構(gòu)建起以人工智能微支撐的集軟硬件智能設(shè)施、技術(shù)于一體的高效智慧新生態(tài)。智慧教育借助現(xiàn)代化信息手段如大數(shù)據(jù)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）、人工智能技術(shù)，將教學(xué)過程變得不再那么枯燥，樣式多樣、更加智能，從而實(shí)現(xiàn)智慧賦能，打造新模式，科學(xué)甄別不同專業(yè)不同特征的學(xué)生特征，盡量滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，精確定制課程內(nèi)容，智能優(yōu)化課堂教學(xué)，以師生互動(dòng)、人機(jī)互動(dòng)為主，實(shí)現(xiàn)教育過程的轉(zhuǎn)變，提升課程的針對(duì)性、創(chuàng)新性和智慧型。

1.3 深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，在計(jì)算機(jī)視覺、語音識(shí)別、自然語言處理等領(lǐng)域有非常突出的優(yōu)勢(shì)。其在數(shù)據(jù)挖掘、智能搜索、機(jī)器翻譯、語音識(shí)別、圖像識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、語音處理的使用多重非線性變換構(gòu)成的多個(gè)處理層對(duì)數(shù)據(jù)高層抽象的算法。

2 人工智能技術(shù)在智慧課堂中深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用

在智能化發(fā)展的今天，會(huì)讓學(xué)習(xí)無處不在。智慧教育是對(duì)變革的超越性訴求，將使得教育發(fā)生重大的結(jié)構(gòu)性變革。在學(xué)校里，教師通過智能化的教學(xué)平臺(tái)給學(xué)生提供豐富的資源。與此同時(shí)，人工智能首先要獲取現(xiàn)實(shí)世界的大數(shù)據(jù)，要進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)清洗、特征提取與選擇、模型訓(xùn)練、模型評(píng)估測(cè)試、模型部署與整合等。機(jī)器學(xué)習(xí)的整體流程如圖2所示。

圖2 機(jī)器學(xué)習(xí)的整體流程

2.1 人工智能技術(shù)在智慧課堂精準(zhǔn)教學(xué)中的應(yīng)用

人工智能的自然語言處理技術(shù)包括自然語言處理基礎(chǔ)、語言理解、語言生成和機(jī)器翻譯等四個(gè)子服務(wù)。自然語言處理基礎(chǔ)服務(wù)為用戶提供包括分詞、命名實(shí)體識(shí)別、關(guān)鍵詞提取、文本相似度等自然語言相關(guān)的API，可應(yīng)用于智能回答、對(duì)話機(jī)器人、輿情分析、內(nèi)容推薦等場(chǎng)景中。語言理解服務(wù)為用戶提供情感分析、觀點(diǎn)抽取、文本分類、意圖理解等語言理解相關(guān)的API，可應(yīng)用于評(píng)論觀點(diǎn)挖掘、輿情分析、智能助手、對(duì)話機(jī)器人等場(chǎng)景中。語言生成服務(wù)基于先進(jìn)的語言模型，根據(jù)輸入的信息，包括文本、數(shù)據(jù)或圖像，生成可讀的文字表述，可應(yīng)用于智能問答與對(duì)話、新聞?wù)?、?bào)告生產(chǎn)等人機(jī)交互的場(chǎng)景當(dāng)中。自然語言處理技術(shù)如圖3所示。

圖3 自然語言處理技術(shù)

人工智能技術(shù)的應(yīng)用，就是教師借助智慧職教云課堂中的資源，讓學(xué)生游刃有余地學(xué)習(xí)，教師設(shè)定規(guī)則和提問進(jìn)行模式匹配。教師通過智慧職教云平臺(tái)和光感應(yīng)黑板可以輕松打造新一代智慧課堂。學(xué)生可以隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，通過平臺(tái)構(gòu)建的“云、端、芯”三層生態(tài)：在云側(cè)豐富的前端主流框架；在端側(cè)提供豐富的上層功能業(yè)務(wù)；在芯端異構(gòu)資源靈活調(diào)度，滿足學(xué)習(xí)者的需求。首先，可以將線上的在線資源帶到線下環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)“一次創(chuàng)建，多次復(fù)用”；其次，可以實(shí)時(shí)、隨時(shí)、穩(wěn)定地進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，為教師和學(xué)生帶來了高性能的非凡體驗(yàn)。人工智能技術(shù)的應(yīng)用，智慧課堂光感應(yīng)黑板，PPT、板書、語音、互動(dòng)等授課內(nèi)容可以以時(shí)間軸無縫銜接在一起，形成線性教學(xué)記錄，在課后自動(dòng)沉淀成為課程資源，這樣方便快捷地實(shí)現(xiàn)了“上課即建課”的效果。此外，基于智慧課堂及光感應(yīng)黑板產(chǎn)生的教學(xué)內(nèi)容及數(shù)據(jù)，在很大程度上推動(dòng)教學(xué)改革。比如在計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的Python程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)中，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式完成“打地鼠”游戲，融入python語言的基礎(chǔ)知識(shí)、掌握面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)、掌握python語言的基本語法、函數(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)編程等知識(shí)和技能。

2.2 人工智能技術(shù)在智慧課堂人機(jī)交互學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

人工智能技術(shù)中的人機(jī)交互主要研究人物和機(jī)器之間的信息交流，主要通過語音喚醒、語音識(shí)別服務(wù)、對(duì)終端設(shè)備發(fā)送語音命令，對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，提升人機(jī)交互體驗(yàn)。語音識(shí)別合成服務(wù)可以將書本上的文本內(nèi)容合成為語音，接近真人的發(fā)音可模擬真人教學(xué)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)專業(yè)課程的演示與操作，也可以實(shí)現(xiàn)課文的朗讀和帶讀，幫助學(xué)生更好地理解和掌握教學(xué)內(nèi)容。例如進(jìn)行專業(yè)課程學(xué)習(xí)的時(shí)候，教師通過人工智能技術(shù)將任務(wù)進(jìn)行分解，創(chuàng)建一個(gè)游戲，角色有玩家、計(jì)算地鼠出現(xiàn)的個(gè)數(shù)、生成游戲、玩家開始游戲、不服輸接著玩、創(chuàng)建地鼠對(duì)象、將玩家信息記入數(shù)據(jù)庫(kù)、完成游戲開發(fā)。在學(xué)習(xí)的過程中，通過鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、頭盔式顯示器、位置跟蹤器可以實(shí)時(shí)看到學(xué)生實(shí)際操作的內(nèi)容，并且也能實(shí)時(shí)反饋到數(shù)據(jù)庫(kù)中，教師可以根據(jù)實(shí)際反饋，了解到每個(gè)學(xué)生的掌握情況。

2.3 人工智能技術(shù)在智慧課堂對(duì)學(xué)習(xí)行為的監(jiān)測(cè)應(yīng)用

人工智能技術(shù)中的機(jī)器學(xué)習(xí)有監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等四種形式。

機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練方法可以采用梯度下降，為當(dāng)前位置最快下降方向，梯度下降中越接近目標(biāo)值，變化量越小。公式如下：

目前我國(guó)正處于信息化時(shí)代，人工智能技術(shù)不但改變了我們的工作和生活方式，同時(shí)也改變了我們的學(xué)習(xí)方式?；谌斯ぶ悄艿男乱淮腔壅n堂通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)正在悄然改變。人工智能技術(shù)在智慧課堂精準(zhǔn)教學(xué)、人機(jī)交互學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)行為監(jiān)測(cè)中起到了重要作用。不但為學(xué)習(xí)者提供了更加個(gè)性化和更為智能化的學(xué)習(xí)環(huán)境，而且促進(jìn)信息技術(shù)的常態(tài)化。