教育的信息化、科學(xué)化與智能化

1、教育的信息化、科學(xué)化教育的信息化、科學(xué)化與智能化與智能化崔光佐，教授，北京大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心副主任2007年11月于南京理工大學(xué)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(yàn)證l教育的科學(xué)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(shí)際世界(人, 社會, 自然)知識世界認(rèn)識和實(shí)踐方法: 教 + 學(xué) + 實(shí)驗(yàn)人的模型教育的作用教育的因素及其關(guān)系教育的因素及其關(guān)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(shù)學(xué)習(xí)理論學(xué)習(xí)技能效果知識+能力教學(xué)設(shè)計(jì)關(guān)于世界的知識方法、策略、工具內(nèi)容設(shè)計(jì)+環(huán)境設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過

2、程:復(fù)雜的主動過程狀態(tài)-1:心智 + 身體狀態(tài)-2:心智 + 身體教學(xué)設(shè)計(jì)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(yùn)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(gè)人(1)個(gè)人(1)個(gè)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(gè)人問題: 身體生存 精神感受(2)社會問題: 人與人之間的關(guān)系和矛盾等(3)自然界問題:現(xiàn)實(shí)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(xué)內(nèi)容 l世界的知識l知識表示l教師工作l內(nèi)容設(shè)計(jì): 如何編排內(nèi)容

3、l環(huán)境設(shè)計(jì): 物理的精神的l教育實(shí)施l教學(xué)手段l教育方法，教育策略l教育工具l學(xué)習(xí)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(biāo)支持改進(jìn)學(xué)習(xí)活動學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)理論教育活動教育方法教育理論教與學(xué)環(huán)境和工具教育的層次結(jié)構(gòu)教育的層次結(jié)構(gòu)教育方法、教育策略教育理論：解釋教育哲學(xué)：應(yīng)該是什么？應(yīng)該如何做？一般哲學(xué)目標(biāo)：學(xué)生獲得知識和能力學(xué)習(xí)活動：主體學(xué)生教學(xué)活動：主體教師教和學(xué)的實(shí)際環(huán)境教學(xué)設(shè)計(jì)教育技術(shù)：實(shí)際的對象具體的教育內(nèi)容、學(xué)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(gè)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(shù)l通過使用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)（Information and Communication Technology, ICT）來增強(qiáng)教育的技術(shù)。教育信息化（教育信息化（e-learning）的內(nèi)容）的內(nèi)容學(xué)期計(jì)劃經(jīng)過教育的人人招生入學(xué)畢業(yè)結(jié)業(yè)學(xué)習(xí)成績大學(xué)教育過程教授活動學(xué)習(xí)活動課程考核教學(xué)過程教務(wù)管理教育管理課程計(jì)劃教學(xué)設(shè)計(jì)N教學(xué)內(nèi)容教育信息化教育信息化(e-learning)模型模型課件設(shè)計(jì)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(wù)器課件資源教育理論教育方法教育研究信息技術(shù)通信技術(shù)教育研究教育研究教育實(shí)踐教育媒介ICT技術(shù)教學(xué)服務(wù)器替代教師的部分工作提

5、高了教學(xué)效率（是否提高了學(xué)習(xí)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(shù)隨技術(shù)隨ICT的演變的演變處理技術(shù)表示技術(shù)Data-Level Information-LKnowledge-LDataProcessInformationProcess(SQL)MetadataMetadataProcess(XML)KnowledgeProcess (OWL)通信技術(shù)WiredWirelessUbiquitousMobile網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shè)計(jì)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(wù)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(shí)踐數(shù)據(jù)表示元數(shù)據(jù)表示多種網(wǎng)絡(luò)類型無線、移動多種類型設(shè)備內(nèi)容訪問任何設(shè)備、任何網(wǎng)絡(luò)、任何時(shí)間、任何地點(diǎn)訪問技術(shù)上的難題技術(shù)上的難題l北京大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺課件l目前使用手機(jī)或PDA無法瀏覽網(wǎng)絡(luò)課件統(tǒng)一資源訪問：（1）資源制作一次（2）不同設(shè)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(shè)備PC機(jī)資源：形式+內(nèi)容資源：內(nèi)容+形式內(nèi)容自適應(yīng)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(diǎn)所選擇的結(jié)點(diǎn)之間語義相關(guān)較差每種設(shè)備具有每種設(shè)備具有特定的屏幕大特定的屏幕大小和應(yīng)用軟件小和應(yīng)用軟件所選擇的結(jié)點(diǎn)之間應(yīng)該具有可理解的語義關(guān)系如何保證？內(nèi)容的表示應(yīng)該含有語義內(nèi)容的表示應(yīng)該含有語義表示結(jié)點(diǎn)：基本概念或已經(jīng)定義的概念表示連接：基本關(guān)系或已經(jīng)定義的關(guān)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(jìn)制格式數(shù)據(jù)表示內(nèi)容，如doc、ppt文件l局限性：計(jì)算機(jī)能處理；人和機(jī)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(jìn)行信息描述，如文件描述信息l局限性：計(jì)算機(jī)可以查詢、統(tǒng)計(jì)；人和機(jī)器可以了解部分信息，但無法理解具體內(nèi)容。l

8、對領(lǐng)域包含的基本概念和基本關(guān)系進(jìn)行規(guī)定和形式化表示-領(lǐng)域本體?；陬I(lǐng)域本體描述具體內(nèi)容。l特點(diǎn)：人和機(jī)器都可以了解內(nèi)容，便于機(jī)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(guān)系語義Web工具：支持本體構(gòu)建；應(yīng)用對象的描述；應(yīng)用對象的理解；領(lǐng)域應(yīng)用的判斷和推理包含關(guān)系定義為包含關(guān)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(yīng)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(wù)和智能規(guī)劃的服務(wù)和智能規(guī)劃的服務(wù)自動組裝平臺服務(wù)自動組裝平臺可用的基本服務(wù)服務(wù)執(zhí)行裝入教育本體包含領(lǐng)域知

9、識直接插入已有的服務(wù)輸入需求自動組裝產(chǎn)生新的服務(wù)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(zhǔn)率提高查全率和查準(zhǔn)率標(biāo)引處理標(biāo)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(wù)Service系統(tǒng)/子系統(tǒng)Device Binding具體設(shè)備用戶界面Semantic Web Service教育本體上下文感知組裝不同設(shè)備 PDA界面界面 PDA手機(jī)界面

10、手機(jī)界面E-learning認(rèn)知過程分析認(rèn)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(jì)算:透明的統(tǒng)一訪問OutputInput工作設(shè)備: PC, PDA,手機(jī)移動計(jì)算: 任何時(shí)間, 任何第點(diǎn)連接人WWWInternet大腦中央處理機(jī)工作記憶長期記憶工作設(shè)備World W

11、ide Web 傳統(tǒng)存儲設(shè)備，圖書館等E-learning中的認(rèn)知存儲模型中的認(rèn)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(jī)接口人工接口通信技術(shù)大腦學(xué)習(xí)過程中的例外事件學(xué)習(xí)過程中的例外事件大腦學(xué)習(xí): 發(fā)生在大腦內(nèi)部學(xué)習(xí)例外:發(fā)生在學(xué)習(xí)過程內(nèi)部，大腦不能解決的事件。學(xué)習(xí)中斷：來自學(xué)習(xí)過程的外部的中斷學(xué)習(xí)的事件。大腦中央處理機(jī)工作記憶長期記憶工作設(shè)備www 傳統(tǒng)存儲設(shè)備，圖書館等E-learning學(xué)習(xí)中的事件分析學(xué)習(xí)中的事件分析大腦學(xué)習(xí)大腦學(xué)習(xí)大腦學(xué)習(xí)大腦學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)例外外部事件學(xué)習(xí)中斷工作設(shè)備www 傳統(tǒng)存儲設(shè)備，圖書館等大腦中央處理機(jī)工作記憶長期記憶E-learning學(xué)習(xí)的效率分析學(xué)習(xí)的效率

12、分析學(xué)習(xí)任務(wù)例外/中斷開始時(shí)間結(jié)束時(shí)間例外開銷:Teo啟動開銷:Tei恢復(fù)開銷:Ter例外進(jìn)度:Tep大腦學(xué)習(xí):Tbl任務(wù)的大腦學(xué)習(xí)時(shí)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(xué)習(xí)的效率E-learning減少了例外準(zhǔn)備和返回時(shí)間個(gè)體的學(xué)習(xí)效果分析：內(nèi)部過程個(gè)體的學(xué)習(xí)效果分析：內(nèi)部過程l學(xué)習(xí)效率l完成給定學(xué)習(xí)任務(wù)/需要的學(xué)習(xí)時(shí)間l學(xué)習(xí)質(zhì)量l掌握知識的程度（知識加工深度）l利用所學(xué)知識解決問題的能力知識獲取知識記憶知識應(yīng)用解決問題學(xué)習(xí)社會環(huán)境自然環(huán)境學(xué)習(xí)的發(fā)生：心理角度

13、學(xué)習(xí)的發(fā)生：心理角度來自密西根大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室 注意需要動機(jī)信念毅力外部信息信息工具的作用：認(rèn)知心理角度信息工具的作用：認(rèn)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(jì)算:透明的統(tǒng)一訪問OutputInput工作設(shè)備: PC, PDA,手機(jī)移動計(jì)算: 任何時(shí)間, 任何第

14、點(diǎn)連接人WWWInternet需要動機(jī)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(xué)習(xí)的主動性如何保證其有效性教育理論教育方法教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)現(xiàn)實(shí)際的教與學(xué)的過程如何驗(yàn)證教學(xué)的有效性？如何驗(yàn)證教學(xué)的有效性？學(xué)期計(jì)劃經(jīng)過教育的人人招生入學(xué)畢業(yè)結(jié)業(yè)學(xué)習(xí)成績大學(xué)教育過程教授活動學(xué)習(xí)活動課程考核教學(xué)過程教務(wù)管理教育管理課程計(jì)劃教學(xué)設(shè)計(jì)N教育信息化：教育信息化：能夠保證教能夠保證教學(xué)信息的快學(xué)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(jìn)建議進(jìn)建議能不能：在實(shí)際教育之前就能科學(xué)預(yù)測？教學(xué)內(nèi)容如何

15、驗(yàn)證教學(xué)的有效性？如何驗(yàn)證教學(xué)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(xué)試驗(yàn)教學(xué)試驗(yàn):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(shè)計(jì): 如何編排內(nèi)容l環(huán)境設(shè)計(jì): 物理的精神的l教育實(shí)施l教育手段l教育方法，教育策略l教育工具l學(xué)習(xí)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(biāo)支持加強(qiáng)教

16、學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證的局限性：教學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證的局限性：非科學(xué)非科學(xué)教育理論教育方法策略教學(xué)設(shè)計(jì)（+內(nèi)容）教學(xué)實(shí)現(xiàn)教學(xué)活動學(xué)習(xí)活動學(xué)習(xí)效果教學(xué)過程的有效性依賴學(xué)習(xí)效果教學(xué)效果能否證明教學(xué)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(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)的有效性驗(yàn)證分析教學(xué)的有效性驗(yàn)證分析教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)際教學(xué)學(xué)習(xí)過程學(xué)習(xí)效果教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生特點(diǎn)等設(shè)計(jì)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(xué)習(xí)?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(xué)學(xué)習(xí)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(xué): l精神過程和行為l腦科學(xué):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(xué)習(xí)的邏輯過程學(xué)習(xí)的物理過程都已經(jīng)并正在取得進(jìn)展我們渴望在不久的將來能夠獲得更科學(xué)詳細(xì)的表述新環(huán)境下的教和學(xué)新環(huán)境下的教和

18、學(xué)l指導(dǎo)學(xué)習(xí)l（教師、智能工具）l教育將會是什么樣?l信息技術(shù)起很么作用呢？SensorMotorNervous SystemBrain（Control）Mind (Memory)真實(shí)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(wù)智能工具:信息技術(shù)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(rèn)知工具信息工具的作用：認(rèn)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(jì)算:透明的統(tǒng)一訪問OutputInput工作設(shè)備: PC, PDA,手機(jī)移動計(jì)算: 任何時(shí)間, 任何第點(diǎn)連接人WWWInternet需要動機(jī)需要動機(jī)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(yùn)動器官工作設(shè)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(luò)人智能應(yīng)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(shù)實(shí)際的世界：復(fù)雜多變抽象的世界：關(guān)心部分理論抽象和分類：把握本質(zhì)哲學(xué)改變世界物質(zhì)工具實(shí)現(xiàn)技術(shù)精神工具設(shè)計(jì)技術(shù)問題抽象問題抽象對象屬性對象關(guān)系腦力勞動體力勞動物質(zhì)工具信息工具應(yīng)用問題機(jī)器完成設(shè)計(jì)工作自動設(shè)計(jì)的條件自動設(shè)計(jì)的條件技術(shù)實(shí)際的世界：復(fù)雜多變抽象的世界：關(guān)心部分理論抽象和分類：把握本質(zhì)哲學(xué)改變世界物質(zhì)工具實(shí)現(xiàn)技術(shù)精神工具機(jī)器設(shè)計(jì)問題抽象問題抽象對象屬性對象關(guān)系應(yīng)用問題工具能理解規(guī)范化形式化形式化，可計(jì)算教學(xué)設(shè)計(jì)自動化教學(xué)設(shè)計(jì)自動化學(xué)生獲得知識和能力學(xué)習(xí)活動：主體學(xué)生教學(xué)活動：主體教師