機(jī)器學(xué)習(xí)教父 Tom Mitchell ：人工智能將成為自適應(yīng)學(xué)習(xí)的驅(qū)動式技術(shù) | 全球AI+智適應(yīng)教育峰會

雷鋒網(wǎng)消息，11月15日-16日，“全球AI+智適應(yīng)教育峰會”在北京嘉里中心大酒店盛大開幕，峰會由雷鋒網(wǎng)聯(lián)合乂學(xué)教育松鼠AI，以及IEEE（美國電氣電子工程師學(xué)會）教育工程和自適應(yīng)教育標(biāo)準(zhǔn)工作組共同舉辦，匯聚國內(nèi)外頂尖陣容。

AI 自適應(yīng)學(xué)習(xí)是目前產(chǎn)學(xué)研三界關(guān)注度最高的話題之一。此次峰會邀請到美國三院院士、機(jī)器學(xué)習(xí)泰斗 Michael Jordan，全球公認(rèn)機(jī)器學(xué)習(xí)之父 Tom Mitchell，斯坦福國際研究院（SRI）副總裁 Robert Pearlstein、美國大學(xué)入學(xué)考試機(jī)構(gòu) ACT 學(xué)習(xí)方案組高級研究科學(xué)家 Michael Yudelson 等頂尖學(xué)者。

在 16 日上午主論壇上，Tom Mitchell 帶來了一場精彩的主題演講。以下為他的演講內(nèi)容，雷鋒網(wǎng) AI 科技評論整理。

我認(rèn)為這 10 年對自適應(yīng)教學(xué)來說是最好的 10 年，因為我們開始看到技術(shù)變得成熟，越來越多的公司開始運用這些技術(shù)，我相信本次會議將是這個領(lǐng)域的轉(zhuǎn)折點。

我今天主要想跟大家談幾點想法，內(nèi)容主要關(guān)于人工智能可以如何與自適應(yīng)學(xué)習(xí)產(chǎn)生聯(lián)系。

YouTube 上截取的這幾張圖片告訴我們什么是自適應(yīng)學(xué)習(xí)。在自適應(yīng)體系中，老師會不斷地評估學(xué)生的能力、發(fā)現(xiàn)他們的不足點、給他們設(shè)立目標(biāo)、發(fā)掘他們的學(xué)習(xí)需求，甚至根據(jù)他們的學(xué)習(xí)速度來提供更好的建議。我們發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有系統(tǒng)開始在做這件事情，然而都處于早期階段，我們接下來的工作重點應(yīng)該更多放在系統(tǒng)改善上。

機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能，將成為自適應(yīng)學(xué)習(xí)的驅(qū)動式技術(shù)

機(jī)器學(xué)習(xí)這 10 年的發(fā)展非常快。比如一開始表現(xiàn)不怎么理想的計算機(jī)視覺，后來的識別精度已經(jīng)變得幾乎跟人眼一樣；語音學(xué)習(xí)的情況也一樣；還有圍棋，AI 已經(jīng)成功打敗了世界冠軍；機(jī)器人汽車方面，我們將迎來越來越多的無人駕駛汽車。

展望未來，機(jī)器學(xué)習(xí)將如何促進(jìn) AI 的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)的發(fā)展呢？這里有三個問題值得我們來一起來討論：

1. 機(jī)器應(yīng)該學(xué)習(xí)什么？

我們需要個性化的、基于每個學(xué)生的教學(xué)戰(zhàn)略。我們希望機(jī)器可以根據(jù)學(xué)生的退學(xué)率、學(xué)生的考試成績來提出一些建議，包括老師應(yīng)該在什么時候介入，以及老師應(yīng)該如何在學(xué)生和機(jī)器之間進(jìn)行介入等等。

2. 應(yīng)該從哪些數(shù)據(jù)中進(jìn)行學(xué)習(xí)？

現(xiàn)在存在各種類型的數(shù)據(jù)，當(dāng)中包括環(huán)境式的數(shù)據(jù)，比如說教室里的攝象頭、耳麥、話筒等等，通過這些環(huán)境數(shù)據(jù)我們可以更好地了解學(xué)習(xí)者的情況；身體的傳感數(shù)據(jù)，比如說智能手表、智能椅子，可以感知到學(xué)習(xí)者當(dāng)下的學(xué)習(xí)狀態(tài)；還可以通過 EEG 監(jiān)測大腦的數(shù)據(jù)。總之，選擇什么樣的數(shù)據(jù)來源，對機(jī)器學(xué)習(xí)來說很重要。

對機(jī)器學(xué)習(xí)來說同樣很重要還有算法。

以監(jiān)督式學(xué)習(xí)為例，卡耐基梅隆大學(xué)一名博士生提出的網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)測哪些學(xué)生會從網(wǎng)課中退學(xué)。它監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括學(xué)生在課程上花的時間、鼠標(biāo)的點擊數(shù)等等，實現(xiàn)從輸入與輸出兩端進(jìn)行監(jiān)測。

由于監(jiān)督式學(xué)習(xí)對自適應(yīng)教育來說很重要，所以我們需要一系列的技術(shù)來提升監(jiān)督式學(xué)習(xí)的精確度和效率，同時考慮學(xué)習(xí)環(huán)境的情景。從預(yù)測學(xué)生會從哪門網(wǎng)課中退學(xué)，從而預(yù)測該學(xué)生會不會也從其他課程中退學(xué)，是在跨任務(wù)轉(zhuǎn)移當(dāng)中需要我們重點關(guān)注的。

3. 多任務(wù)處理學(xué)習(xí)

這是 20 世紀(jì) 90 年代末提出的學(xué)習(xí)理論，要想提升系統(tǒng)預(yù)測的準(zhǔn)確度，就要將其他變量也一并考慮進(jìn)來。比如說監(jiān)測哪個肺炎病人的病情將會惡化，除了肺炎本身的嚴(yán)重程度，我們還會一并考慮病人的白細(xì)胞數(shù)量、是否曾經(jīng)轉(zhuǎn)入 ICU 治療等等，通過這種方式來更好地預(yù)測病人肺炎惡化的幾率。同樣的模式運用到學(xué)生的退學(xué)率預(yù)測上，我們可以將學(xué)生的其他變量如期終考試成績等一并考慮進(jìn)來。

這個技術(shù)之所以能成功，是因為它可以訓(xùn)練我們的系統(tǒng)進(jìn)行包含多變量的預(yù)測，在這過程中會產(chǎn)生一些歸納程序，進(jìn)而有效提升系統(tǒng)的預(yù)測效果。

另外一個有意思的算法是非監(jiān)督式學(xué)習(xí)。

這是我的同事在卡耐基梅隆大學(xué)做的研究，他們根據(jù)學(xué)生回答問題的正確率，對學(xué)生進(jìn)行分類。大家可以看到圖中有三種不同顏色的曲線。

綠色一組最開始的表現(xiàn)特別好，后來表現(xiàn)突然下降了，之后再沒之前的表現(xiàn)好。對于非監(jiān)督式學(xué)習(xí)，只要發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律后我們就可以進(jìn)行干預(yù)，比如我們可以預(yù)測這三組學(xué)生的期末考試成績，以便更好地指導(dǎo)其他學(xué)生。

接下來談一下增強(qiáng)學(xué)習(xí)，這種算法的特殊性在于，我們會在不同的時間點給予不同的行動指示，比如 AlphaGo 就是通過這種方式不斷增強(qiáng)自身能力，最終打敗了圍棋冠軍。簡單來說，圍棋上的每個點、走的每步棋都是決策過程，我們通過設(shè)置一個獎勵機(jī)制，不停地告訴系統(tǒng)應(yīng)該如何做才能取得成功，在這過程中將產(chǎn)生數(shù)百萬個行動的序列，我們通過這種方式反復(fù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。

這種方式其實是跟自適應(yīng)學(xué)習(xí)非常類似，在自適應(yīng)學(xué)習(xí)中也存在不同的狀態(tài)和行動，這個狀態(tài)指的是學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、心理狀態(tài)等；而行動則指教學(xué)行為，比如我們應(yīng)該進(jìn)行考試、視頻播放還是學(xué)習(xí)評估。我們可以定義獎勵機(jī)制，讓機(jī)器告訴我們什么樣的行動更能促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)。

增強(qiáng)學(xué)習(xí)在過去 5 年取得了很大的進(jìn)展，過程中產(chǎn)生了很多富有變化兼具個性化的模型。在機(jī)器學(xué)習(xí)的研究人員來看，這些沉淀下來的抽樣方法、算法選擇、數(shù)據(jù)選擇，對于發(fā)展AI + 教育而言是個寶藏。

機(jī)器學(xué)習(xí) + 教育的探索

我們來看一些更加具體的研究。這是我同事正在做的，讓人可以跟計算機(jī)產(chǎn)生互動。這個系統(tǒng)可以做到每一秒都在追蹤人類的面部表情和語音，從而推斷出這個人的情感狀態(tài)，熒幕上的紅點在不斷地移動，反映的是這個人的情感狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)推斷出學(xué)生存在沮喪和消極的情緒，這時老師就會介入提供幫助。當(dāng)老師與學(xué)生一同將問題解決時，系統(tǒng)檢測到了學(xué)生的積極情緒。

這個技術(shù)一旦實現(xiàn)，老師可以根據(jù)系統(tǒng)每秒鐘的反饋，找出哪一名學(xué)生需要被指導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn)，教師延時的反饋和負(fù)面影響是有正相關(guān)關(guān)系的。

這是我給大家舉的一個例子，可能會對教育界產(chǎn)生非常大的影響。

另外一個很有意思的研究方向是探索新的教學(xué)互動方式。我們發(fā)現(xiàn)，通過教別人我們自己反而能學(xué)得好，因此，我們考慮讓學(xué)生充當(dāng)老師的角色，教導(dǎo)由計算機(jī)扮演的模擬學(xué)生。模擬學(xué)生通過屏幕征求人類的解答，而學(xué)生則負(fù)責(zé)教導(dǎo)模擬學(xué)生正確答題，在這過程中，我們會引入教學(xué)督導(dǎo)的角色，一旦學(xué)生在教導(dǎo)的過程中遇到問題時，教學(xué)督導(dǎo)將及時進(jìn)行記錄和指導(dǎo)。

我們發(fā)現(xiàn)這種方式比傳統(tǒng)的教學(xué)更加有效，然而只有人工智能技術(shù)發(fā)展到一定程度，我們才能實現(xiàn)這種教學(xué)。

為此，我的團(tuán)隊試圖建立一個能讓學(xué)生對計算機(jī)進(jìn)行教學(xué)的系統(tǒng)。這個想法最初跟教育沒什么關(guān)系，我們主要想讓手機(jī)用戶能夠?qū)κ謾C(jī)進(jìn)行重新編程。比如我們跟機(jī)器說「四點鐘的時候我們要開會」，機(jī)器會說「我不知道四點鐘開會是什么意思」，然后接著說「你想要教我的話你就教我」，我們會跟系統(tǒng)解釋「下午四點開會」是什么意思，接下來分別要做什么事情，系統(tǒng)經(jīng)過訓(xùn)練之后，他們在第二次就會快速理解這主人的指示，這是自然語言學(xué)習(xí)向來的做法。

這里要強(qiáng)調(diào)兩個理念，第一個是每句話的句式都是可以被執(zhí)行的，我們可以對句式進(jìn)行翻譯并且變成可執(zhí)行的代碼。第二個是系統(tǒng)會不停學(xué)習(xí)新的步驟，最開始它可能不知道「告訴」是什么意思，而現(xiàn)在它知道了。這個研究最開始只是一個小想法，并沒有想到要應(yīng)用到教育上，后來我們發(fā)現(xiàn)如果能把這種想法與當(dāng)前的教育行業(yè)結(jié)合起來，當(dāng)中的潛力是很大的。

最后給大家做一個總結(jié)，這是對自適應(yīng)教育來說最好的一個時代，人工智能會是這個時代的主要驅(qū)動力，將方方面面改變數(shù)據(jù)的本質(zhì)，我們會收集到非常多人與電腦之間的互動性數(shù)據(jù)，這些都可以應(yīng)用到對話式學(xué)習(xí)上。過去我們會覺得教育是老師和學(xué)生之間的事情，現(xiàn)在我覺得它老師、學(xué)生和電腦之間三方的事情。

中國在此擁有獨一無二的優(yōu)勢，有望在 AI 教育領(lǐng)域成為世界的領(lǐng)航者，能夠向其他國家展示如何運用這方面的知識。

最后感謝大家的聆聽，謝謝！

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