Терренс Сейновски – Антология машинного обучения. Важнейшие исследования в области ИИ за последние 60 лет (страница 34)
Марни и Хавьер основали компанию Emotient, чтобы вывести автоматический анализ мимики на рынок. Мы с Полом Экманом входили в ее научно-консультативный совет. Emotient создала сети глубокого обучения с точностью 96 процентов, которые работали в режиме реального времени при разном освещении, определяя выражение лиц людей, ведущих себя естественно и не смотрящих прямо в камеру. На одной из демонстраций за несколько минут они обнаружили, что Дональд Трамп оказывал наибольшее эмоциональное влияние на фокус-группу на первых республиканских дебатах. Социологам потребовалось несколько дней, чтобы прийти к такому же выводу, а экспертам – месяцы, чтобы признать, что ключевой стала эмоциональная вовлеченность. Наиболее выраженными эмоциями на лицах в фокус-группе были радость и страх. Нейросети также предсказали, какой сериал станет хитом, за несколько месяцев до публикации рейтинга Нильсена[318]. Emotient была куплена компанией Apple в январе 2016 года, и Марни и Хавьер теперь работают на Apple Inc.
Возможно, в скором будущем ваш iPhone будет спрашивать вас, почему вы расстроены, и стараться помочь успокоиться.
Наука об обучении
Двенадцать лет назад[319] во время конференции NIPS в Ванкувере я завтракал с Гэри Коттреллом, коллегой с кафедры компьютерных и технических наук Калифорнийского университета в Сан-Диего. Гэри входил в изначальную группу параллельной распределенной обработки с 1980-х годов, и он один из немногих оставшихся в университете – отголосок поколения 1960-х годов, с седой бородой и собранными в хвост волосами. Гэри Коттрелл наткнулся на объявление Национального научного фонда о приеме заявок по программе «Центры науки об обучении» (Science of Learning Centers; SLC). Его внимание привлек бюджет в пять миллионов долларов в год при контракте на пять лет, который может быть продлен еще на пять. Гэри хотел подать заявку и спросил, могу ли я помочь. Он сказал, что, если все получится, ему никогда не придется просить об еще одном гранте. Я сказал, что могу помочь, но в случае успеха этот грант положит конец его карьере. Он усмехнулся, и мы начали обсуждать детали.
Рис. 12.7. Новая наука об обучении включает в себя машинное обучение и нейробиологию, а также углубленные знания в области психологии и образования. [Meltzoff, A.N. Kuhl, P.K. Movellan, J. Sejnowski, T. J. Foundations for a New Science of Learning, Science, 325: 284–288, 2009]
В конечном счете наша заявка была одобрена, и, как я и предполагал, ежегодные 300-страничные отчеты были просто зубодробительными. В наш Центр временно́й динамики обучения (Temporal Dynamics of Learning Center; TDLC) входило более сотни исследователей из 18 организаций со всего мира. Из шести научно-образовательных центров, финансируемых ННФ, наш был наиболее ориентированным на нейробиологию и проектирование, и мы включили последние достижения в области машинного обучения в наши проекты (рис. 12.7)[320]. TDLC спонсировала проекты Rubi и CERT. У нас также была мобильная лаборатория ЭЭГ, где испытуемые могли свободно перемещаться в виртуальной среде, записывая свои мозговые волны. В большинстве лабораторий при записи ЭЭГ требуется не двигаться и не моргать, чтобы избежать помех. Мы использовали независимый компонентный анализ, чтобы убрать помехи, вызванные движением. Это позволило нам наблюдать за активностью мозга, в то время как участники эксперимента активно изучали окружающую среду и взаимодействовали с другими людьми.
Вот лишь немногие из проектов TDLC:
• Один из важнейших этапов развития мозга – созревание всех звеньев слуховой системы, которые помогают мозгу различать звуки, особенно звуки речи, что позволят ребенку понимать произнесенные слова. Эйприл Бенасич из Центра молекулярной и поведенческой нейробиологии в Ратгерском университете разработала тест, который может предсказать, будут ли у ребенка трудности с освоением языка и обучением, на основе времени слухового восприятия. Для детей из группы риска она выявила, что поведенческое вмешательство – тренировки со звуками разной длительности и тональности и вознаграждением за обратную связь – в состоянии исправить этот дефицит, и ребенок сможет развить нормальный слух и обучаться. В экспериментах участвовали дети от трех месяцев до пяти лет. Интерактивная среда полезна и для нормально развивающихся детей. В 2006 году Эйприл Бенасич основала компанию AAB Research LLC с целью вывести на рынок технологию быстрой обработки слуховой информации (rapid auditory processing technology; RAPT), чтобы улучшить способность детей к обучению.
• Учителям нужна обратная связь, чтобы понять, трудно ли ребенку усваивать урок. Если ученик выглядит сбитым с толку, то, скорее всего, он что-то не понимает. Марни Стюарт-Бартлетт и Хавьер Мовеллан использовали машинное обучение для регистрации выражений на лицах учеников[321], чтобы предупреждать учителя, что кто-то выглядит растерянным. Сегодня это можно сделать автоматически и безошибочно, одновременно применяя глубокое обучение для каждого ребенка в классе. Есть много других приложений для анализа мимики в маркетинге, психиатрии и судебной медицине, которые еще не используются.
• Уже более века нам известно, что метод интервального повторения эффективнее для долгосрочного запоминания, чем зубрежка, но почти все исследования длились недолго, всего несколько месяцев, и в основном с участием студентов колледжей. Хэл Пашлер из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Майк Мозер из Колорадского университета в Боулдере провели многолетнее исследование на школьниках всех возрастов, чтобы выяснить, работает ли этот метод в других временных масштабах и для учеников младших классов. Они показали, что оптимальный интервал для повторения тем больше, чем дольше период, на который вы хотите сохранить в голове информацию. Составленное ими расписание для студентов языковых курсов показало отличные результаты.
• Учителя часто используют наиболее подходящий способ обучения для конкретного ученика – визуальный, аудиальный (озвучивание) или тактильный. Крупная индустрия обеспечивает учителей тестами и рекомендациями, основанными на этих методах. Но нет никаких научных доказательств, что применение предпочтительного для ученика стиля дает преимущества. Это вдохновило Бет Роговски, постдокторанта из TDLC, и Паулу Таллал из Ратгерского университета провести исследование, показавшее, что нет статистически заметной разницы между использованием вербальных или письменных материалов в обучении и нет связи между предпочитаемым и используемым методом обучения ни сразу, ни в дальней перспективе[322]. А значит, нет никакого смысла подбирать более удобный для ученика стиль преподавания и индустрия, которая продвигает материалы для определения такого стиля, не приносит особой пользы.
• Национальный научный фонд заинтересован в результатах и долговременном развитии. Паула Таллал сыграла важную роль в учреждении в 2014 году фондом X-Prize премии Global Learning XPRIZE в размере 15 миллионов долларов за новаторские решения в образовании. Цель проекта – разработка масштабируемого программного обеспечения с открытым исходным кодом, которое позволит детям в развивающихся странах овладеть базовыми навыками чтения, письма и арифметики за 18 месяцев. Технологические решения и проекты, основанные на исследованиях, проведенных в области образования для X-Prize, в ближайшие десятилетия повлияют на все страны мира.
• В 2014 году в Шанхае на международной встрече, посвященной образованию, научный директор TDLC Андреа Чиба представила исследование, как обучение меняет структуру мозга. Один из делегатов, с удивлением узнав, что мозг пластичен, спросил, может ли образование изменить потенциал ребенка: «Значит ли это, что стоит обучать каждого ребенка?» Другие делегаты также были поражены, увидев старую проблему в новом свете. Очень многие считают, что дети приходят в мир с определенными способностями и что образование тратится впустую на тех, кто менее талантлив или слишком стар, чтобы учиться. В мире есть огромный человеческий потенциал, который не используется.
Мы обнаружили, что большие проблемы в образовании носят не научный, а социальный и культурный характер. В США 13 500 школьных округов, каждый с собственным школьным советом, который определяет учебную программу, квалификацию учителей и применение передового опыта. Потребуются десятилетия, чтобы охватить их все и рассмотреть каждую уникальную ситуацию. Прежде чем преподаватели приступают непосредственно к обучению, они должны организовать работу в классе, что может быть особенно сложно в начальных классах и школах в неблагополучных районах. Родители, выдвигающие определенные требования, не всегда в состоянии оценить высокий уровень выгорания у учителей из-за нехватки ресурсов и влияния профсоюзов.
Преподавание – трудная работа, как ни посмотри. Лучший и наиболее эффективный способ обучения – взаимодействие между опытным взрослым учителем и ребенком один на один[323]. На нас давит настоящий конвейер, созданный для массового образования, в котором дети разделены по возрасту и обучаются в больших классах, а учителя из года в год проводят одни и те же уроки. Конвейер хорош, чтобы построить автомобиль, и, возможно, его было достаточно в то время, когда работникам хватало только базового образования. Но сегодня, когда хорошие рабочие места требуют более высокого уровня подготовки, эта система не подходит, и важным становится обучение на протяжении всей жизни для обновления профессиональных навыков. Учиться всю жизнь биологически возможно, но возвращение в школу для взрослых может быть неприятно и неудобно. Информационная революция, которую мы переживаем, обогнала временные рамки поколения. Появляются новые технологии, которые могут изменить способ, которым мы получаем знания. Интернет так меняет среду обучения, как мы не могли и ожидать, когда наш Центр науки обучения открылся в 2006 году.