教育的信息化、科學化與智能化

1、教育的信息化、科學化教育的信息化、科學化與智能化與智能化崔光佐，教授，北京大學現(xiàn)代教育技術中心副主任2007年11月于南京理工大學主要內(nèi)容主要內(nèi)容l對教育的理解l教育信息化模型與演變lE-learning的效率與局限性l教育過程的有效性驗證l教育的科學化與智能化l將來的趨勢與期望人類與世界人類與世界獲取知識記憶知識利用知識解決問題實際世界(人, 社會, 自然)知識世界認識和實踐方法: 教 + 學 + 實驗人的模型教育的作用教育的因素及其關系教育的因素及其關系教育內(nèi)容教育手段教育者受教育者教育理論教育技術學習理論學習技能效果知識+能力教學設計關于世界的知識方法、策略、工具內(nèi)容設計+環(huán)境設計學習過

2、程:復雜的主動過程狀態(tài)-1:心智 + 身體狀態(tài)-2:心智 + 身體教學設計教育的目的：知識及能力教育的目的：知識及能力推理判斷概念表象知覺感覺感覺器官，運動器官感性知識及其獲得能力理性知識以及獲得能力 解決問題的能力環(huán)境 描述性知識與程序性知識知識的分類解決問題的能力解決問題的能力個人(1)個人(1)個人(1)社會環(huán)境自然環(huán)境利用知識解決問題利用知識解決問題:(1)個人問題: 身體生存 精神感受(2)社會問題: 人與人之間的關系和矛盾等(3)自然界問題:現(xiàn)實與希望之間的差別222333如何獲得知識和能力？如何獲得知識和能力？l教學內(nèi)容 l世界的知識l知識表示l教師工作l內(nèi)容設計: 如何編排內(nèi)容

3、l環(huán)境設計: 物理的精神的l教育實施l教學手段l教育方法，教育策略l教育工具l學習l獲取知識、技能l知識獲取的能力l解決問題的能力目標支持改進學習活動學習方法學習理論教育活動教育方法教育理論教與學環(huán)境和工具教育的層次結(jié)構教育的層次結(jié)構教育方法、教育策略教育理論：解釋教育哲學：應該是什么？應該如何做？一般哲學目標：學生獲得知識和能力學習活動：主體學生教學活動：主體教師教和學的實際環(huán)境教學設計教育技術：實際的對象具體的教育內(nèi)容、學生、工具等教育理論：抽象的對象對所有對象所適合的方法和模型。以教育總體為研究對象以整個世界為研究對象教育信息化的主要內(nèi)容教育信息化教育信息化l國外也稱為e-learnin

4、gl是一種教育技術l通過使用計算機技術、信息技術、通信技術（Information and Communication Technology, ICT）來增強教育的技術。教育信息化（教育信息化（e-learning）的內(nèi)容）的內(nèi)容學期計劃經(jīng)過教育的人人招生入學畢業(yè)結(jié)業(yè)學習成績大學教育過程教授活動學習活動課程考核教學過程教務管理教育管理課程計劃教學設計N教學內(nèi)容教育信息化教育信息化(e-learning)模型模型課件設計內(nèi)容呈現(xiàn)交互反饋教育評估教育理論教育方法教育研究教育服務器課件資源教育理論教育方法教育研究信息技術通信技術教育研究教育研究教育實踐教育媒介ICT技術教學服務器替代教師的部分工作提

5、高了教學效率（是否提高了學習質(zhì)量？）完成內(nèi)容傳輸和交互為教育內(nèi)容和教育行為建立模型E-learning技術隨技術隨ICT的演變的演變處理技術表示技術Data-Level Information-LKnowledge-LDataProcessInformationProcess(SQL)MetadataMetadataProcess(XML)KnowledgeProcess (OWL)通信技術WiredWirelessUbiquitousMobile網(wǎng)絡技術Binary ProtocolTCP/IPTextProtocolHttpMetadataProtocol WWWSemanticProto

6、col數(shù)據(jù)層元數(shù)據(jù)層。知識處理智能工具移動教育、普適教育移動教育、普適教育m-learning, u-learning課件設計內(nèi)容呈現(xiàn)交互反饋教育評估教育理論教育方法教育研究教育服務器課件資源教育理論教育方法教育研究教育研究教育研究教育實踐數(shù)據(jù)表示元數(shù)據(jù)表示多種網(wǎng)絡類型無線、移動多種類型設備內(nèi)容訪問任何設備、任何網(wǎng)絡、任何時間、任何地點訪問技術上的難題技術上的難題l北京大學網(wǎng)絡教學平臺課件l目前使用手機或PDA無法瀏覽網(wǎng)絡課件統(tǒng)一資源訪問：（1）資源制作一次（2）不同設備都可以訪問該資源；解決的基本原理解決的基本原理PDA設備PC機資源：形式+內(nèi)容資源：內(nèi)容+形式內(nèi)容自適應算法制作內(nèi)容形式內(nèi)容

7、形式用樹表示整體資源用樹表示整體資源根內(nèi)容結(jié)點所選擇的結(jié)點之間語義相關較差每種設備具有每種設備具有特定的屏幕大特定的屏幕大小和應用軟件小和應用軟件所選擇的結(jié)點之間應該具有可理解的語義關系如何保證？內(nèi)容的表示應該含有語義內(nèi)容的表示應該含有語義表示結(jié)點：基本概念或已經(jīng)定義的概念表示連接：基本關系或已經(jīng)定義的關系內(nèi)容的表示：從數(shù)據(jù)到知識內(nèi)容的表示：從數(shù)據(jù)到知識l數(shù)據(jù)表示l使用二進制格式數(shù)據(jù)表示內(nèi)容，如doc、ppt文件l局限性：計算機能處理；人和機器都無法理解語義l元數(shù)據(jù)表示l對數(shù)據(jù)表示的對象進行信息描述，如文件描述信息l局限性：計算機可以查詢、統(tǒng)計；人和機器可以了解部分信息，但無法理解具體內(nèi)容。l

8、對領域包含的基本概念和基本關系進行規(guī)定和形式化表示-領域本體?；陬I域本體描述具體內(nèi)容。l特點：人和機器都可以了解內(nèi)容，便于機器理解和智能處理例子：作業(yè)的知識表示（參考）例子：作業(yè)的知識表示（參考）作業(yè)本體：定義好的概念和關系語義Web工具：支持本體構建；應用對象的描述；應用對象的理解；領域應用的判斷和推理包含關系定義為包含關系類型題干題肢教育語義教育語義WebWeb代碼行為模塊資源模塊人工開發(fā)教育應用素材自動組裝API Interface教育本體邏輯推理，理解語義基于語義基于語義web服務和智能規(guī)劃的服務和智能規(guī)劃的服務自動組裝平臺服務自動組裝平臺可用的基本服務服務執(zhí)行裝入教育本體包含領域知

9、識直接插入已有的服務輸入需求自動組裝產(chǎn)生新的服務OWL-S描述12345基于本體的教育資源搜索引擎基于本體的教育資源搜索引擎提高查全率和查準率提高查全率和查準率標引處理標引處理用戶接口用戶接口提問處理提問處理/ /檢索匹配檢索匹配基于本體的搜索引擎基于本體的搜索引擎基于本體的移動教育平臺基于本體的移動教育平臺Interface-1Interface-0Interface-nInterface-2Interface-m教育服務Service系統(tǒng)/子系統(tǒng)Device Binding具體設備用戶界面Semantic Web Service教育本體上下文感知組裝不同設備 PDA界面界面 PDA手機界面

10、手機界面E-learning認知過程分析認知過程分析工作記憶中央處理Thinking & Reasoning長期記憶ComputerComputerNetI/OSoftware + DataNetI/OSoftware + DataComm.ProtocolMetadataKnowledgeProtocolMetadataKnowledgeSemantic WebWebHTTPOutputInput普適計算:透明的統(tǒng)一訪問OutputInput工作設備: PC, PDA,手機移動計算: 任何時間, 任何第點連接人WWWInternet大腦中央處理機工作記憶長期記憶工作設備World W

11、ide Web 傳統(tǒng)存儲設備，圖書館等E-learning中的認知存儲模型中的認知存儲模型內(nèi)部存儲電子存儲物質(zhì)存儲天然接口人機接口人工接口通信技術大腦學習過程中的例外事件學習過程中的例外事件大腦學習: 發(fā)生在大腦內(nèi)部學習例外:發(fā)生在學習過程內(nèi)部，大腦不能解決的事件。學習中斷：來自學習過程的外部的中斷學習的事件。大腦中央處理機工作記憶長期記憶工作設備www 傳統(tǒng)存儲設備，圖書館等E-learning學習中的事件分析學習中的事件分析大腦學習大腦學習大腦學習大腦學習學習例外外部事件學習中斷工作設備www 傳統(tǒng)存儲設備，圖書館等大腦中央處理機工作記憶長期記憶E-learning學習的效率分析學習的效率

12、分析學習任務例外/中斷開始時間結(jié)束時間例外開銷:Teo啟動開銷:Tei恢復開銷:Ter例外進度:Tep大腦學習:Tbl任務的大腦學習時間 :TtblE-learning的效率模型的效率模型epereibltbleobltbldardSTTTTTTTTEtan教育信息化(e-learning)能夠大大提高學習的效率E-learning減少了例外準備和返回時間個體的學習效果分析：內(nèi)部過程個體的學習效果分析：內(nèi)部過程l學習效率l完成給定學習任務/需要的學習時間l學習質(zhì)量l掌握知識的程度（知識加工深度）l利用所學知識解決問題的能力知識獲取知識記憶知識應用解決問題學習社會環(huán)境自然環(huán)境學習的發(fā)生：心理角度

13、學習的發(fā)生：心理角度來自密西根大學人工智能實驗室 注意需要動機信念毅力外部信息信息工具的作用：認知心理角度信息工具的作用：認知心理角度工作記憶中央處理Thinking & Reasoning長期記憶ComputerComputerNetI/OSoftware + DataNetI/OSoftware + DataComm.ProtocolMetadataKnowledgeProtocolMetadataKnowledgeSemantic WebWebHTTPOutputInput普適計算:透明的統(tǒng)一訪問OutputInput工作設備: PC, PDA,手機移動計算: 任何時間, 任何第

14、點連接人WWWInternet需要動機信念毅力注意教育的質(zhì)量效果分析：教育角度教育的質(zhì)量效果分析：教育角度E-learning的作用教的有效性學習的主動性如何保證其有效性教育理論教育方法教學設計教學實現(xiàn)實際的教與學的過程如何驗證教學的有效性？如何驗證教學的有效性？學期計劃經(jīng)過教育的人人招生入學畢業(yè)結(jié)業(yè)學習成績大學教育過程教授活動學習活動課程考核教學過程教務管理教育管理課程計劃教學設計N教育信息化：教育信息化：能夠保證教能夠保證教學信息的快學信息的快速反饋；速反饋；但不能自動但不能自動分析問題分析問題原因；更不原因；更不能給出改能給出改進建議進建議能不能：在實際教育之前就能科學預測？教學內(nèi)容如何

15、驗證教學的有效性？如何驗證教學的有效性？這樣的教育為什么是有效的?邏輯證明邏輯證明:Logic modelOfKnowledgeInstruction- DesignteachingLearning模擬模擬:ComputationalModel ofKnowledgeInstruction- designTeachingLearning教學試驗教學試驗:With realpracticel教育內(nèi)容 l世界的知識l知識表示l教師l內(nèi)容設計: 如何編排內(nèi)容l環(huán)境設計: 物理的精神的l教育實施l教育手段l教育方法，教育策略l教育工具l學習l獲取知識、技能l知識獲取的能力l解決問題的能力目標支持加強教

16、學試驗驗證的局限性：教學試驗驗證的局限性：非科學非科學教育理論教育方法策略教學設計（+內(nèi)容）教學實現(xiàn)教學活動學習活動學習效果教學過程的有效性依賴學習效果教學效果能否證明教學過程有效性？隱式效果顯式效果短期效果長期效果？很難定位到具體教學環(huán)節(jié)教學的有效性驗證分析教學的有效性驗證分析教學設計實際教學學習過程學習效果教學目標，教學內(nèi)容，學生特點等設計結(jié)果教的效果早期：行為理論的定義早期：行為理論的定義l什么是學習?l行為的改變 (Birkenholz, 1999)l以前：l將人視為黑盒子l對人類社會以及自然界了解不充分l不能科學學習SensorMotorNervous SystemBrain（Con

17、trol）Mind (Memory)環(huán)境（社會+自然界）輸出輸出輸入輸入decidedecidedecidePerson對人的更深入研究和理解對人的更深入研究和理解l但現(xiàn)在：黑盒子正在打開l心理學: l精神過程和行為l腦科學:l物理過程l自然知識l越來越了解l社會知識l越來越了解l人的知識l越來越了解SensorMotorNervous SystemBrain（Control）Mind (Memory)環(huán)境（社會+自然界）行為輸出信息輸入decidedecidedecide學習的邏輯過程學習的物理過程都已經(jīng)并正在取得進展我們渴望在不久的將來能夠獲得更科學詳細的表述新環(huán)境下的教和學新環(huán)境下的教和

18、學l指導學習l（教師、智能工具）l教育將會是什么樣?l信息技術起很么作用呢？SensorMotorNervous SystemBrain（Control）Mind (Memory)真實環(huán)境行為輸出展示，文字，聲音decidedecidedecide世界的知識：信息世界信息服務智能工具:信息技術支持知識處理基于人的智能原理代替心智處理邏輯推理，判斷決策等多媒體動畫主動性智能教育工具教師信息工具的作用：認知工具信息工具的作用：認知工具工作記憶中央處理Thinking & Reasoning長期記憶ComputerComputerNetI/OSoftware + DataNetI/OSoft

19、ware + DataComm.ProtocolMetadataKnowledgeProtocolMetadataKnowledgeSemantic WebWebHTTPOutputInput普適計算:透明的統(tǒng)一訪問OutputInput工作設備: PC, PDA,手機移動計算: 任何時間, 任何第點連接人WWWInternet需要動機需要動機信心毅力信心毅力智能教育工具信息工具的作用：大腦的延伸信息工具的作用：大腦的延伸長期記憶感覺器官工作記憶環(huán)境（社會，自然）中央控制器運動器官工作設備可靠自由連接普適環(huán)境，自然接口 InferenceJudgmentOntologyMetadataUnic

20、odeHTTPTCPIPComputer語義Web，知識網(wǎng)絡人智能應用期望信息工具在教育中更多替代腦力勞動信息工具如何替代腦力勞動？信息工具如何替代腦力勞動？技術實際的世界：復雜多變抽象的世界：關心部分理論抽象和分類：把握本質(zhì)哲學改變世界物質(zhì)工具實現(xiàn)技術精神工具設計技術問題抽象問題抽象對象屬性對象關系腦力勞動體力勞動物質(zhì)工具信息工具應用問題機器完成設計工作自動設計的條件自動設計的條件技術實際的世界：復雜多變抽象的世界：關心部分理論抽象和分類：把握本質(zhì)哲學改變世界物質(zhì)工具實現(xiàn)技術精神工具機器設計問題抽象問題抽象對象屬性對象關系應用問題工具能理解規(guī)范化形式化形式化，可計算教學設計自動化教學設計自動化學生獲得知識和能力學習活動：主體學生教學活動：主體教師