人工智能時代青少年創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

人工智能時代青少年創(chuàng)新能力的培養(yǎng)引言三次工業(yè)革命分別將人類帶進了蒸汽時代、電氣時代和信息時代，隨著科技的不斷發(fā)展，第四次工業(yè)革命已悄然來臨。2016年召開的第46屆世界經(jīng)濟論壇以“掌控第四次工業(yè)革命”為主題，在這次會議上，參會者們熱議的話題之一便是人工智能很可能成為第四次工業(yè)革命的核心驅(qū)動力，徹底改變有學者們的生活。每一次工業(yè)革命都將為人類社會帶來巨大的變革，人工智能的發(fā)展對人類社會的影響不容小覷，美國萊斯大學計算機工程教SMosheVardi給出了這樣的預測：在未來30年內(nèi)，人工智能將取代目前世界上50%的工作。與此同時，科技界與企業(yè)界也掀起了人工智能創(chuàng)業(yè)熱潮，越來越多的人工智能產(chǎn)品問世，如智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，利用人工智能算法實時監(jiān)控人流與車流，可以進行更為高效的社會資源管理；基于人工智能算法的自動駕駛技術也將為人們的出行方式帶來極大地便利。除此以外，如圖1，人工智能技術與如教育、醫(yī)療與農(nóng)業(yè)等各行各業(yè)的關系日益緊密，為人類的生活方式與科技發(fā)展帶來革命性的改變。但人工智能領域面臨的人才困境也相當嚴峻相關研究指出人工智能技術發(fā)展的關鍵是科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?？萍紕?chuàng)新在人類發(fā)展歷史中起著不可估量的作用，人類發(fā)展的歷程，實際就是科技創(chuàng)新不斷進行的過程。在當代，科技創(chuàng)新已經(jīng)成為時代的主旋律，以人工智能為代表的信息技術帶動社會飛速發(fā)展，而創(chuàng)新又使這個速度不斷加快，《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010~2020年）》明確指出：突出培養(yǎng)造就創(chuàng)新型科技人才需要探索并推行創(chuàng)新型教育方式方法，突出培養(yǎng)學生的科學精神、創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力，加強對青少年科技創(chuàng)新能力的研究，培養(yǎng)一大批合格的科技創(chuàng)新人才。作為未來的科技重要的發(fā)展方向，及時幫助青少年了解人工智能的相關概念，培養(yǎng)青少年對人工智能技術與相關應用的興趣，引導青少年用創(chuàng)新性的思維去探人工智能在發(fā)展過程中對人類社會的影響，對青少年科技意識的培養(yǎng)與人能領域的人才儲備，都大有裨益。青少年創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方法在創(chuàng)新能力的研究領域，國內(nèi)外的學者從創(chuàng)新能力對應的領域特定性，即科技知識的本質(zhì)和內(nèi)涵以及科技活動的特點出發(fā)，對青少年科學創(chuàng)造力和青少年技術創(chuàng)造力開展了相關的理論和實踐研究，其研究成果對青少年科技創(chuàng)新能力的研究有著積極的借鑒價值2?？萍碱I域追求創(chuàng)新能力絕大部分都以解決實際的生活實際問題為出發(fā)點，如互聯(lián)網(wǎng)的誕生初衷僅僅是為了實現(xiàn)較遠距離的文檔傳輸，但如今這一極富創(chuàng)造力的發(fā)明極大地改變了人類世界。在本質(zhì)上，科技是創(chuàng)造力的一種展現(xiàn)形式，創(chuàng)造力具有特定領域的特性，科學領域的創(chuàng)造力必須建立在科學知識背景與研究方法上。在人工智能領域，除計算機科學外，其他學科也為其發(fā)展提供了相當大的作用，圖2給出了各學科與人工智能研究的相關度。圖2各學科與人工智能的相關度由圖2有學者們可以看到，隨著人工智能技術的發(fā)展，各個學科、各個領域?qū)ζ浒l(fā)展起到的作用也日益均衡，由于涉及的領域廣，技術細節(jié)抽象，對青少年而言最為關鍵的培養(yǎng)內(nèi)容在于幫助青少年了解人工智能的概念及其在未來的人類生活中起到的作用，激發(fā)青少年對人工智能的興趣。近年來，學者們對青少年科學創(chuàng)造力的培養(yǎng)方式有比較充分的理論與實驗研究，首先可以確認的是，科學創(chuàng)造力是可以通過一定的培養(yǎng)方式提升的，相關文獻表明，對青少年科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)大都從兩個方面出發(fā)：（1）選擇適宜青少年性格特征的教學培養(yǎng)模式，如創(chuàng)造性問題解決法、基于互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)造性問題解決法、技術設計教育與計算機實踐活動開發(fā)青少年的創(chuàng)新潛力；（2）通過設置合理的具有針對性的課程培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新能力，如針對某個具有代表性課題的深入挖掘與調(diào)查研究課程。本文將基于這兩種最為有效的培養(yǎng)模式，探討基于人工智能的青少年創(chuàng)新能力的培養(yǎng)理念與培養(yǎng)方法?；谌斯ぶ悄艿那嗌倌陝?chuàng)新能力培養(yǎng)體系設計整體而言，人工智能技術的基礎是神經(jīng)網(wǎng)絡與深度學習，這兩種技術的所要

求的技術背景非常抽象，需要深厚的數(shù)學、邏輯與計算能力理解其背后的實現(xiàn)原理，這對于青少年的知識體系與積累來說是不適宜的，也容易打擊青少年的學習極性。興趣是最好的老師，成就感是最好學習動力，脫離具體技術的實現(xiàn)背景，著眼于前沿技術在生活與的緊密連接與應用，對青少年而言是激發(fā)其學習興趣的有效方法［4］。人工智能的背后隱藏者極為復雜的技術難度，但通過工程實現(xiàn)的人工智能產(chǎn)品在青少年眼里卻代表著新潮與酷炫，從這些已經(jīng)實際應用的產(chǎn)品出發(fā)，為青少年量身定制教學方案與課程，同時對人工智能領域非常關鍵的實現(xiàn)途徑，即編程語言，進行適度的引導與教學，讓青少年獲得一定的成就感，從激發(fā)其探索未知世界的求知欲。2.1編程語言的選取編程語言數(shù)字連接數(shù)字世界與實際生活的橋梁，也是將人工智能從抽象的理論具體實現(xiàn)為有學者們可感知產(chǎn)品的基石［6］。在教學活動中適度開展編程教育對培養(yǎng)青少年的學習成就感，是激發(fā)其持續(xù)學習的動力。表給出了目前國內(nèi)外青少年編程教育中典型的編程語言。表1國內(nèi)外流行的青少年編程語言語言國別年份特點Logo美國1968接近自然語曰，通過繪圖讓初學者學習編程C美國1972編譯方式簡易，運行不需要任何預裝環(huán)境C++美國1983C語言的超集，具有面向?qū)ο筇匦訮ython荷蘭1991腳本本語言，因大數(shù)據(jù)、機器學習廣泛應用Java加拿大1995面向?qū)ο蟮木幊陶Z言功能強大，簡單易用Scratch美國2008拖拽式編程語曰，適合初學者其中，C語言、C++與Java等傳統(tǒng)的編程語言與計算機的思維方式具有類似的表征，其實現(xiàn)方式比較抽象，廣泛應用于工業(yè)界與高學段學生群體中。可視化編程語言Logo、Scratch等，因其使用圖形化界面以及易操作，越來越受到較低學段學生的歡迎，但其缺陷在于與當下較為流行的人工智能理論結合度不高，難以適應人工智能領域的編程語言需求。相比較而言ython語言由于其語法簡單，同時Python的語法風格非常接近人類的自然語言，這也使Python的學習周期極短，另外，Python擁有豐富的人工智能開發(fā)模塊，如智能語音、智能圖像檢測與處理等，學習者極易在Python的學習中獲得充足的成就感，以上特征都非常適宜青少年這類中學段學生的學習。2.2“智能音響背后奧撈—基于智能語音的青少創(chuàng)新能力課程設計近年來，伴隨著AI、機器人商用化的熱潮，智能音響的發(fā)展迅猛，各大巨頭紛紛涌入兒童教育市場，推出了眾多面向兒童陪護、兒童早教應用的智能硬件產(chǎn)品，同時具有家庭娛樂功能的智能音響，如小度音箱（百度）、小愛音響（小米）與EchoDot（Amazon）等紛紛進入市場，其可與人進行對話并具有學習能力的特點迅速吸引了很多人的注意，其中就包括相當多的青少年群體。智能音響的背后蘊藏著諸多人工智能技術，如自動人聲識別、自然語言處理等智能語音技術[7]。本文將以智能語音技術為切入點，為青少年設計寓教于樂的創(chuàng)新能力培養(yǎng)課程。按照青少年各個發(fā)展階段的學習特點，結合青少年創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方法，總結出了一套青少年科技創(chuàng)新能力的教育方案，該體系分成七個階段，從階段一到階段七:（1）第一階段為興趣引導階段。以具體的一款智能音響產(chǎn)品為例（如小愛音響），引導學生與音響對話交流，讓學生充分利用網(wǎng)絡資源查找相關類似的產(chǎn)品并進行體驗，激發(fā)學生的學習興趣；（2）第二階段為概念引出階段。引導學生思考智能音響在哪些方面具有人類的特征，引出人的智能與人工智能這一概念，指導學生進行討論，逐步給學成灌輸人工智能這一概念；（3）第三階段為概念擴展階段。在抽象的人工智能概念的基礎上，將這一概念擴展至生活中，引導學生發(fā)現(xiàn)除智能音響以外的具有人的智能的科技產(chǎn)品，如智能攝像頭、智能機器人等。（4）第四階段為原理介紹階段。為學生簡單介紹智能音響這一典型的人工智能產(chǎn)品背后所蘊含的技術原理，簡要介紹人的大腦的工作原理與模仿人大腦工作原理的深度學習與神經(jīng)網(wǎng)絡，并將這兩個技術結合到智能音響中，促進學生對這一概念的深入理解。（5）第五階段為初步實踐階段。檢驗介紹Python編程語言，并指導學生進行簡單的編程練習，為利用Python進行簡單的智能語音方案探索打下基礎。（6）第六階段為深入實踐階段。當學生具有一定Python基礎后，引導學生利用為學生定制的基于Python的人機對話解決方案進行初級的探索，為理解智能音箱的技術細節(jié)打下基礎。第七階段為總結學習階段。幫助學生總結學習過程中的遇到的困難與收獲，并幫助學生利用網(wǎng)絡了解其他的人工智能產(chǎn)品在生活中的應用，以及如何去獲取相關資源進行自主學習?？偨Y與展望未來社會，對個體而言，人與具有智能的機器的合作