Variational and learning models for image and time series inverse problems

Inverse problems are at the core of many challenging applications. Variational and learning models provide estimated solutions of inverse problems as the outcome of specific reconstruction maps. In the variational approach, the result of the reconstruction map is the solution of a regularized minimization problem encoding information on the acquisition process and prior knowledge on the solution. In the learning approach, the reconstruction map is a parametric function whose parameters are identified by solving a minimization problem depending on a large set of data. In this thesis, we go beyond this apparent dichotomy between variational and learning models and we show they can be harmoniously merged in unified hybrid frameworks preserving their main advantages. We develop several highly efficient methods based on both these model-driven and data-driven strategies, for which we provide a detailed convergence analysis. The arising algorithms are applied to solve inverse problems involving images and time series. For each task, we show the proposed schemes improve the performances of many other existing methods in terms of both computational burden and quality of the solution. In the first part, we focus on gradient-based regularized variational models which are shown to be effective for segmentation purposes and thermal and medical image enhancement. We consider gradient sparsity-promoting regularized models for which we develop different strategies to estimate the regularization strength. Furthermore, we introduce a novel gradient-based Plug-and-Play convergent scheme considering a deep learning based denoiser trained on the gradient domain. In the second part, we address the tasks of natural image deblurring, image and video super resolution microscopy and positioning time series prediction, through deep learning based methods. We boost the performances of supervised, such as trained convolutional and recurrent networks, and unsupervised deep learning strategies, such as Deep Image Prior, by penalizing the losses with handcrafted regularization terms.

A construção de uma escala de estratégias de aprendizagem para alunos do ensino fundamental

Although learning strategies are important tools for schooling process, there is a lack of national instruments to evaluate their knowledge by brazilian students. Therefore, the objectives of this paper are to describe the steps necessary for the construction of a scale to evaluate the learning strategies for basic education students and to present the preliminary study of its psychometric properties. It is also discussed the utility of this instrument for diagnosis, intervention and prevention in school and educational psychology.

Estratégias de aprendizagem e desempenho acadêmico: evidências de validade

The purpose of the present study was to verify the factorial validity of a learning strategy scale as well as to explore the concurrent validity of the instrument in regard to students´ academic achievement. The sample was composed of 815 basic education children from both public and private schools of São Paulo and Minas Gerais. The Learning Strategy Scale was collectively applied. Exploratory factorial analyses were conducted to achieve the purposes of the study. The alphas of Cronbach of the instrument and of its three subscales showed good reliability. Variance analyses showed significant differences between school achievement and punctuation in the scale. The data were discussed in terms of their possible implications for the psycho-educational evaluation area.

Aprendizagem autorregulada da leitura: resultados positivos de uma intervenção psicopedagógica

The purpose of this study was to evaluate the effects of a pedagogical intervention to improve the reading comprehension of fourth grade students of a public primary school. Two classes of 28 students were randomly assigned to an experimental or control group. The students were assessed during three different moments by means of an informative questionnaire, a Learning Strategies Scale and two cloze tests for reading comprehension. The intervention consisted of seven sessions which included learning strategies instruction, reading strategies instruction, meta-cognition activation, motivational support and study guidance. Results showed improvement in meta-cognition and in reading comprehension in both groups. However, gains were higher and more consistent in the experimental group.

Beyond the middle: A report about literacy and numeracy development of target group students in the middle years of schooling: Volume 1

The report was commissioned by the Department of Education, Science and Training to investigate the perceived efficacy of middle years programmes in all States and Territories in improving the quality of teaching, learning and student outcomes, especially in literacy and numeracy and for student members of particular target groups. These target groups included students from lower socio-economic communities, Aboriginal and Torres Strait Islander communities, students with a language background other than English, rural and remote students, and students struggling with the transition from middle/upper primary to the junior secondary years. The project involved large scale national and international literature reviews on Australian and international middle years approaches as well as an analysis of key literacy and numeracy teaching and learning strategies being used. In the report, there is emergent evidence of the relative efficacy of a combination of explicit state policy, dedicated funding and curriculum and professional development frameworks that are focused on the improvement of classroom pedagogy in the middle years. The programs that evidenced the greatest current and potential value for target group students tended to have developed in state policy environments that encouraged a structural rather than adjunct approach to middle years innovations. The authors conclude that in order to translate the gains made into sustainable improvement of educational results in literacy and numeracy for target groups, there is a need for a second generation of middle years theorising, research, development and practice.

Uma base para o desenvolvimento de estrat??gias de aprendizagem para a gest??o de riscos no servi??o p??blico

Este Caderno traz o relat??rio elaborado pela Mesa-Redonda de Pesquisa A????o sobre Gest??o de Riscos, do Centro Canadense para o Desenvolvimento da Gest??odo Canad??, que objetiva principalmente avaliar as v??rias iniciativas e estudos realizados, identificar princ??pios b??sicos e pr??ticas positivas e definir mecanismos para estimular a divulga????o de estudos te??ricos e medidas pr??ticas no campo da gest??o de riscos

Peer Instruction method in introductory math courses

Learning is not a spectator’s sport. Students do not learn much by just sitting in class listening their teachers, memorizing pre-packaged assignments and spitting out answers. The teaching-learning process has been a constant target of studies, particularly in Higher Education, in consequence of the annual increase of new students. The concern with maintaining a desired quality level in the training of these students, conjugated with the will to widen the access to all of those who finish Secondary School Education, has triggered a greater intervention from the education specialists, in partnership with the teachers of all Higher Education areas, in the analysis of this problem. Considering the particular case of Engineering, it has been witnessed a rising concern with the active learning strategies and forms of assessment. Research has demonstrated that students learn more if they are actively engaged with the material they are studying. In this presentation we describe, present and discuss the techniques and the results of Peer Instruction method in an introductory Calculus courses of an Engineering Bach

Aspectos de aprendizagem em optimização

A optimização e a aprendizagem em Sistemas Multi-Agente são consideradas duas áreas promissoras mas relativamente pouco exploradas. A optimização nestes ambientes deve ser capaz de lidar com o dinamismo. Os agentes podem alterar o seu comportamento baseando-se em aprendizagem recente ou em objectivos de optimização. As estratégias de aprendizagem podem melhorar o desempenho do sistema, dotando os agentes da capacidade de aprender, por exemplo, qual a técnica de optimização é mais adequada para a resolução de uma classe particular de problemas, ou qual a parametrização é mais adequada em determinado cenário. Nesta dissertação são estudadas algumas técnicas de resolução de problemas de Optimização Combinatória, sobretudo as Meta-heurísticas, e é efectuada uma revisão do estado da arte de Aprendizagem em Sistemas Multi-Agente. É também proposto um módulo de aprendizagem para a resolução de novos problemas de escalonamento, com base em experiência anterior. O módulo de Auto-Optimização desenvolvido, inspirado na Computação Autónoma, permite ao sistema a selecção automática da Meta-heurística a usar no processo de optimização, assim como a respectiva parametrização. Para tal, recorreu-se à utilização de Raciocínio baseado em Casos de modo que o sistema resultante seja capaz de aprender com a experiência adquirida na resolução de problemas similares. Dos resultados obtidos é possível concluir da vantagem da sua utilização e respectiva capacidade de adaptação a novos e eventuais cenários.

Prática de ensino supervisionado no 1.º e 2.º ciclo do ensino básico: a importância das atividades práticas no processo de ensino e aprendizagem do Estudo do Meio Social (1.º CEB)

Relatório de Estágio apresentado à Escola Superior de Educação de Lisboa para obtenção de grau de mestre em Ensino do 1.º e 2.º ciclo do Ensino Básico

O processo ensino-aprendizagem: relatório de estágio

I - Inserido no Concelho de Odivelas, cuja realidade e contexto sócio cultural realçam a problemática da diversidade cultural, colocando ao professor dúvidas e dificuldades emrelação às suas práticas educativas, o Conservatório de Música D. Dinis é a escola na qual leciono desde 1993. É também local de reflexão permanente quanto aos critérios e condições que devem nortear a prática pedagógica contemporânea na área da música, cujo objetivo assenta na formação integral do aluno através da utilização de estratégias de ensino que o responsabilizem na própria aprendizagem. Considerando estes desafios, o seguinte trabalho será realizado no contexto da minha classe de violino e incidirá sobre três alunos em particular, que frequentam os seguintes graus, a saber: 1 - Iniciação (1º ciclo do ensino básico); 2 - 2º grau (2º ciclo do ensino básico); 3 - 5º grau (3º ciclo do ensino básico). Apesar de acreditar nas suas capacidades de aprendizagem e ter um cuidado especial sobre as minhas ações e os efeitos destas na aprendizagem académica e social dos meus alunos, os resultados finais são reveladores da importância da motivação, do apoio parental e da responsabilidade dos alunos na obtenção do seu próprio sucesso escolar.

An integrated reusable remote laboratory to complement electronics teaching

The great majority of the courses on science and technology areas where lab work is a fundamental part of the apprenticeship was not until recently available to be taught at distance. This reality is changing with the dissemination of remote laboratories. Supported by resources based on new information and communication technologies, it is now possible to remotely control a wide variety of real laboratories. However, most of them are designed specifically to this purpose, are inflexible and only on its functionality they resemble the real ones. In this paper, an alternative remote lab infrastructure devoted to the study of electronics is presented. Its main characteristics are, from a teacher's perspective, reusability and simplicity of use, and from a students' point of view, an exact replication of the real lab, enabling them to complement or finish at home the work started at class. The remote laboratory is integrated in the Learning Management System in use at the school, and therefore, may be combined with other web experiments and e-learning strategies, while safeguarding security access issues.

Avaliação da Perceção dos diferentes Graus de Maitland, na Região Lombar, entre Estudantes e Fisioterapeutas

Introdução – A perceção dos alunos acerca dos diferentes graus de Maitland quando estão a aprender a mobilizar a coluna vertebral não são conhecidas, no entanto esta informação ajudaria no desenvolvimento de estratégias de ensino/aprendizagem para que a sua aplicação seja segura e eficaz. Objetivo - Comparar a perceção dos diferentes graus na realização do movimento postero-anterior central, entre alunos e fisioterapeutas e alunos entre si. Métodos – No presente estudo observacional, analítico transversal, participaram 29 estudantes, divididos em três subgrupos, GA2 (n= 8); GA3 (n = 10) e GA4 (n = 11) e 12 fisioterapeutas. Todos os participantes realizaram num indivíduo assintomático, 5 oscilações, de cada grau, no segmento de L3. Para a recolha dos dados foi utilizado o sistema BioPlux research e para a sua análise o Software Acqknowledge, versão 3,9. O teste de Man-Whitney foi utilizado para determinar as diferenças entre alunos e fisioterapeutas na força, ritmo e amplitude dos 4 graus, e o teste Kruskal Wallis, para comparar os alunos dos diferentes anos, seguido dos testes Post Hoc de Dunn para analisar as variáveis amplitude e força entre os subgrupos. Resultados – Apenas se verificaram diferenças estatísticas entre os alunos e fisioterapeutas no que diz respeito à força na realização do grau IV (p=0,045) e entre os grupos GA2 e GA4 quanto à amplitude executada no grau I (p=0.018) e II (p=0.037) e na força aplicada no grau I (p=0.02) e III (p=0.031), nos quais os alunos do 2º ano realizaram menor amplitude e força que os do 4º ano. Conclusão -Verificaram-se diferenças na perceção da força no grau IV entre alunos e fisioterapeutas. Os alunos do 2º e 4º anos diferem entre si nos graus I e II quanto à amplitude e nos graus I e III quanto à força.

Híper-heurísticas com aprendizagem

A otimização nos sistemas de suporte à decisão atuais assume um carácter fortemente interdisciplinar relacionando-se com a necessidade de integração de diferentes técnicas e paradigmas na resolução de problemas reais complexos, sendo que a computação de soluções ótimas em muitos destes problemas é intratável. Os métodos de pesquisa heurística são conhecidos por permitir obter bons resultados num intervalo temporal aceitável. Muitas vezes, necessitam que a parametrização seja ajustada de forma a permitir obter bons resultados. Neste sentido, as estratégias de aprendizagem podem incrementar o desempenho de um sistema, dotando-o com a capacidade de aprendizagem, por exemplo, qual a técnica de otimização mais adequada para a resolução de uma classe particular de problemas, ou qual a parametrização mais adequada de um dado algoritmo num determinado cenário. Alguns dos métodos de otimização mais usados para a resolução de problemas do mundo real resultaram da adaptação de ideias de várias áreas de investigação, principalmente com inspiração na natureza - Meta-heurísticas. O processo de seleção de uma Meta-heurística para a resolução de um dado problema é em si um problema de otimização. As Híper-heurísticas surgem neste contexto como metodologias eficientes para selecionar ou gerar heurísticas (ou Meta-heurísticas) na resolução de problemas de otimização NP-difícil. Nesta dissertação pretende-se dar uma contribuição para o problema de seleção de Metaheurísticas respetiva parametrização. Neste sentido é descrita a especificação de uma Híperheurística para a seleção de técnicas baseadas na natureza, na resolução do problema de escalonamento de tarefas em sistemas de fabrico, com base em experiência anterior. O módulo de Híper-heurística desenvolvido utiliza um algoritmo de aprendizagem por reforço (QLearning), que permite dotar o sistema da capacidade de seleção automática da Metaheurística a usar no processo de otimização, assim como a respetiva parametrização. Finalmente, procede-se à realização de testes computacionais para avaliar a influência da Híper- Heurística no desempenho do sistema de escalonamento AutoDynAgents. Como conclusão genérica, é possível afirmar que, dos resultados obtidos é possível concluir existir vantagem significativa no desempenho do sistema quando introduzida a Híper-heurística baseada em QLearning.

Intervalos melódicos: diferentes estratégias de aprendizagem

O presente documento foi realizado no âmbito do Mestrado em Ensino de Música, ramo Formação Musical, na Escola Superior de Educação e Escola Superior de Música Artes e Espectáculos do Instituto Politécnico do Porto. O objectivo central deste documento visa, num primeiro capítulo, contextualizar o meio, a escola e a turma. No segundo capítulo deste documento constará a reflexão da Prática Pedagógica em Formação Musical, no Conservatório de Música de Paredes. No terceiro capítulo será apresentado o Projecto de Investigação em estudo – Intervalos melódicos: diferentes estratégias de aprendizagem. Esta investigação surge no sentido de tentar perceber quais as estratégias que surtem efeitos mais positivos para a aprendizagem de intervalos melódicos. As estratégias adoptadas foram três, são elas: aprendizagem por canções; aprendizagem por grau conjunto; aprendizagem por canções e grau conjunto. Foram seleccionados 18 indivíduos com idades compreendidas entre os 8 e os 12 anos de idade, de ambos os sexos. Todos eles têm em comum o facto de frequentarem o 1º grau de Formação Musical. A metodologia utilizada foi o estudo de caso, com abordagem quantitativa. Para testar as diferentes estratégias de aprendizagem foi realizado um teste após um período de oito semanas (8 aulas). Será feita uma revisão bibliográfica, onde serão abordadas algumas perspectivas de diferentes autores, para que possamos compreender melhor o tema desta investigação. As conclusões deste estudo revelam que a aprendizagem de intervalos melódicos utilizando a complementaridade das estratégias por canções e por grau conjunto são mais positivas, ainda que os resultados não sejam muito evidentes.

Teaching mathematics using Massive Open Online Courses

Distance learning - where students take courses (attend classes, get activities and other sort of learning materials) while being physically separated from their instructors, for larger part of the course duration - is far from being a “new event”. Since the middle of the nineteenth century, this has been done through Radio, Mail and TV, taking advantage of the full educational potential that these media resources had to offer at the time. However, in recent times we have, at our complete disposal, the “magic wonder” of communication and globalization - the Internet. Taking advantage of a whole new set of educational opportunities, with a more or less unselfish “look” to economic interests, focusing its concern on a larger and collective “welfare”, contributing to the development of a more “equitable” world, with regard to educational opportunities, the Massive Open Online Courses (MOOCs) were born and have become an important feature of the higher education in recent years. Many people have been talking about MOOCs as a potential educational revolution, which has arrived from North America, still growing and spreading, referring to its benefits and/or disadvantages. The Polytechnic Institute of Porto, also known as IPP, is a Higher Education Portuguese institution providing undergraduate and graduate studies, which has a solid history of online education and innovation through the use of technology, and it has been particularly interested and focused on MOOC developments, based on an open educational policy in order to try to implement some differentiated learning strategies to its actual students and as a way to attract future ones. Therefore, in July 2014, IPP launched the first Math MOOC on its own platform. This paper describes the requirements, the resulting design and implementation of a mathematics MOOC, which was essentially addressed to three target populations: - pre-college students or individuals wishing to update their Math skills or that need to prepare for the National Exam of Mathematics; - Higher Education students who have not attended in High School, this subject, and who feel the need to acquire basic knowledge about some of the topics covered; - High School Teachers who may use these resources with their students allowing them to develop teaching methodologies like "Flipped Classroom” (available at http://www.opened.ipp.pt/). The MOOC was developed in partnership with several professors from several schools from IPP, gathering different math competences and backgrounds to create and put to work different activities such video lectures and quizzes. We will also try to briefly discuss the advertising strategy being developed to promote this MOOC, since it is not offered through a main MOOC portal, such as Coursera or Udacity.