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宓奇:用信息技术支持深度学习

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  走向“深度学习”
 
  2016年初,人工智能AlphaGo与韩国棋手李世石的围棋五番战成为全球瞩目的火热话题。围棋以其极为丰富的可能性,曾被认为是人工智能难以攻克的挑战。而AlphaGo这次之所以能以4:1战胜李世石,取得这场旷世人机大战的胜利,则主要得益于一种全新的机器学习方式——深度学习。科技界顿时掀起了对于深度学习研究的热潮。
 
  其实,在另外一个与人类未来发展息息相关的领域——教育界,对深度学习的研究已经持续多年,大规模的实践也正在铺开。早在2014年9月,教育部课程教材发展中心组织专家团队,在借鉴哈佛大学“为理解而教”等国外先进课程理念的基础上,针对我国课程教学改革的需要,正式启动了“深度学习”教学改进项目。首批实验在10个实验区和北京市海淀区25所学校的初中语文、数学、英语、物理、化学、生物6个学科中展开。
 
  2016年,教育界的深度学习与人工智能领域的深度学习方式遥相呼应,形成了一股可贵的深度学习浪潮。在人工智能领域,深度学习以人工神经网络的研究为基础,其动机在于建立、模拟人脑进行分析学习的神经网络,来解释数据。而在国内教育界,深度学习是指在教师引领下,学生围绕具有挑战性的学习主题,全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。深度学习项目推广至今,走过了哪些道路,取得了哪些进展,又将走向何方?更重要的是,如何借用最新科技发展研究成果,探寻符合时代要求的新教育范式,为我们的教育、教学服务?
 
  这对于每个教育人来说,都是值得思考的重要问题,同时也需要社会各界贡献智慧,共同探讨。本届专题,我们力邀国际国内致力于深度学习研究的专家、学者,以及在这方面进行踏实实践的校长、教师,以期全方位、多角度地对深度学习作出呈现和探讨。
 
  教育中的深度学习和击败李世石的人工智能阿尔法狗有何联系?
 
  深度学习在语文、物理等具体学科中到底如何操作?
 
  如何利用深度学习打造一所学校?
 
  深度学习怎样与核心素养结合?
 
  …………
 
  看京城名校北京第二实验小学的掌门人、北京第二实验小学教育集团总校长李烈,如何用实际行动给教育涂上爱的底色。
 
  ——尽在《当代教育家》第10期杂志中!
宓奇:用信息技术支持深度学习
  宓奇:人大附中物理教研组副组长,研究性学习教研组组长、STEAM教育研究发展中心主任。对学生科学探究和信息技术的教育应用方面有持续的关注。2013年成为神舟十号太空授课备课组成员。
宓奇:用信息技术支持深度学习
  和渊:清华大学理学博士,师从施一公院士和颜宁教授,承担“十二五”和“十三五”教育科学规划课题,主要研究方向为“互联网+”对传统教育的影响以及创新课程开发和创新人才的培养。发表SCI论文4篇(包括Science),著有《创新设计课程》。
 
  随着社会的快速发展,我们的学习方式发生了很大的变化,学习工具的进化推动了学习和教育的变革。农业时代,劳动者通过言传身教的方式传授简单的劳动技能和经验;到了工业时代,人们主要通过群体化的传播工具获取知识,如书本、报纸、广播等,获取的知识信息逐渐增多。而信息时代的到来给我们的学习和教学产生了重要的影响,以计算机为核心的信息技术为教学提供了现代化的学习路径,成了学习的有力工具。
 
  互联网时代,当各种碎片化信息蜂拥而至时,我们希望教学不仅仅停留在浅层学习的状态,更希望利用现代化的信息技术进行深度学习。
 
  目前对深度学习较为认同的观点是:深度学习是基于原有知识能力、以学习者主动参与为前提、重视知识结构和认知策略迁移,以学会解决实际问题为最终目标的学习方式。所以,学习的过程就是积极建构自身知识的过程。
 
  作为深度学习工具的界定
 
  信息技术对信息快速、自动化的加工与处理功能为学习和教育活动提供了更有效、便捷的处理方式。学习者可以利用信息技术更方便地检索、加工、利用、评价、创造和发布信息,提高学习活动效率;其次,信息技术能为学习者提供集文字、图像、声音、视频等各种媒体信息于一身的多媒体资源,从而激发学习者的学习兴趣,拓展经验范围,促进对知识的理解和记忆;再者,与传统的印刷、音像媒体相比,基于计算机的数字媒体具有更高的动态交互性,能针对用户的操作提供快速、动态的反馈,实现信息传递共享与人际交流上的灵活性。
 
  基于以上特点,信息技术对促进深度学习便有了重要的意义。第一,它能实现共享学习。学生要完成某个任务时,每个协作小组成员可以把自己找到的资源发布在共同体平台上,共享资源,节约查找资料的时间。第二,发展学生的思维能力。网络共同体给学生提供了一个讨论的平台,学生可以通过网络相互交流、激发灵感、引发思考,从而提高自身的思维能力。第三,对知识进行管理。学习者可以将自己的学习成果发表在以博客为载体的共同体上,并对自己所发表的内容进行修改、分类、增加和删除,实现对知识的管理。第四,评价学习过程。网络共同体能够记录学习者的学习过程,反映其学习状态,给学习者评价自己的学习过程提供了很好的依据。
 
  在深度学习中的应用
 
  在科学学科中开展深度学习,需在一定的教学单元中培养学生对知识深层的理解,从而促进学生未来知识与技能的迁移应用。信息技术在中学科学深度学习中有如下支持途径。
 
  创设问题情境。近年来,以虚拟现实和增强现实为代表的显示技术迅猛发展,让学生能够身临其境感知问题情境。无论是风力发电机的制造、墨西哥湾原油泄漏,还是从微观角度观察细胞的功能和结构,学生都可以在三维空间内实现多感官渠道的交互,对传统手段难以呈现的过程与情境有更直观的体验和深层的领悟。
宓奇:用信息技术支持深度学习
  利用BodyVR进行生物教学
 
  对定量研究的支持。通过功能日臻强大的移动手持设备,学生可以随时随地研究身边的现象,并与同伴进行交流协作。在手机、平板电脑等移动设备中内置加速度传感器、磁场传感器、声音传感器、GPS模块、录像单元等获取相关物理信息,再以教育类应用程序作为辅助,学生可方便地记录实验现象,并对已提取的相关信息进行数据分析。
 
  综合性问题探究。通过丰富的互联网资源的支持,学生可以方便地开展综合性问题的探究。比如,学生在学完运动学、牛顿运动定律、万有引力定律和能量动量等知识后,收到了一项综合项目——《火星探索计划》。
 
  该任务让学生以3人为小组设计一项火星旅行的计划。要求学生应用所学的知识,通过查阅资料等途径对火星的发射时间、轨迹、降落、返回方案、安全预案和经费预算等进行规划和设计。
宓奇:用信息技术支持深度学习
  火星表面作业机器人
宓奇:用信息技术支持深度学习
  模拟程序中的火箭发射瞬间
宓奇:用信息技术支持深度学习
  模拟程序中火箭推进器和轨道舱分离过程
 
  经过两周的时间,学生完成了任务。在这些作品中,有的用KerbalSpaceProgram软件全程模拟从火箭装配到返回地面的历程,有的利用几何画板绘制了火星探测器发射的最佳轨道,有的利用“引力弹弓效应”对探测器进行轨道优化,有的利用大量的文献资料对项目经费进行了合乎情理的推算,有的则着重讨论了如何在火星上建设生态系统研究基地……在完成整个项目的过程中,互联网文献资源和软件资源为学生提供了强有力的支持。
 
  对小组合作的支持。通信技术的发展为合理利用学习碎片时间、保持学习的连贯性提供了必要的条件。除了功能完善的教学支撑平台外,近年来,普及度极高的视频直播、微博、微信等工具也在促进学生协作、促成有效反思、保存学习过程性资料和展示学习成果等方面发挥了越来越大的作用。
 
  在雾霾期间,老师们利用zoom这一视频会议产品进行远程教学老师提前5分钟把会议号发给学生,学生只需下载一个zoom的应用,就可以选择进入会议。进入会议后,便可在电脑或手机上看到老师制作的PPT,同步听到讲课音频,也能在视频中看到同学,进行实时互动。
 
  不仅如此,学生还可以随时打断老师的讲解,进行提问,真实还原线下授课的场景,比较害羞的同学还可以通过聊天窗口输入文字进行提问。有的老师还使用B站(bilibili网站)进行教学,B站特有的视频弹幕功能增加了学生的课堂参与感,在线课堂氛围非常活跃,学生完全沉浸在学习的愉悦之中。B站中开启的课堂抢答模式让学生的学习热情更加高涨。
 
  有数据显示,直播课程的平均用户完成率达到了80%,这意味着学生非常喜欢这种学习方式。还有的老师利用微课进行教学,将课本中重要的知识点渗透到简短的视频中,帮助学生用最短的时间进行复习回顾和知识讲解。对此,学生的反映也非常好。
 
  文章来源:《当代教育家》
 
  

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