漫談中小學(xué)人工智能教育

漫談中小學(xué)人工智能教育上海市虹口區(qū)教育學(xué)院課程中心教師，上海師范大學(xué)教育碩士導(dǎo)師，中國教育學(xué)會(huì)科學(xué)教育分會(huì)常務(wù)理事。一直從事課程教學(xué)、科學(xué)課程、技術(shù)課程、研究性學(xué)習(xí)和教育信息化的實(shí)踐與研究;在教育軟件開發(fā)領(lǐng)域，主要承擔(dān)行業(yè)行為模型自然語言建模的設(shè)計(jì)工作，主持開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的研究性學(xué)習(xí)課程平臺(tái)等應(yīng)用系統(tǒng)。北京市東城區(qū)教育科學(xué)研究院研修員，教育碩士，高級教師。北京市教育學(xué)會(huì)教育評價(jià)專業(yè)委員會(huì)理事。主持北京市教育學(xué)會(huì)“十三五”教育科研課題1項(xiàng)。特約撰稿人/專欄作者，發(fā)表文章300余篇。從嚴(yán)格意義上來說，人工智能課程的落地并不限于科學(xué)或技術(shù)類課程，語文、數(shù)學(xué)、道德與法治等都可以納入人工智能課程體系中來，在相應(yīng)的課程空間內(nèi)落實(shí)相關(guān)學(xué)習(xí)活動(dòng)。但我們也要看到，一方面，在中小學(xué)我們可以接觸到各式各樣的新技術(shù)，另一方面，由于缺乏系統(tǒng)的思考和架構(gòu)，這些技術(shù)內(nèi)容的出現(xiàn)多少有些隨意。不同的技術(shù)內(nèi)容應(yīng)該如何安排在課程中？它們該有怎樣的內(nèi)容體系？類似這樣的理性思考與研究還滯后于技術(shù)本身的發(fā)展。面對人工智能這樣的前沿技術(shù)，一線教師保持了一如既往的火熱激情，但有時(shí)候也需要靜下來思考一下。特別是從一些更加上位、更加本質(zhì)的問題入手，如技術(shù)的本質(zhì)、人工智能的知識(shí)體系、學(xué)校課程體系等，以此為起點(diǎn)深入思考人工智能教育。我相信，這對于理解和實(shí)踐中小學(xué)人工智能教育大有裨益。今天，就和柳棟老師一起聊聊這個(gè)話題。柳棟：人工智能教育是當(dāng)前的熱點(diǎn)話題，對它的關(guān)注已經(jīng)超出了教育界，這也和當(dāng)前的國際國內(nèi)大背景相關(guān)聯(lián)。當(dāng)然，在中小學(xué)階段開設(shè)人工智能教育，是一個(gè)系統(tǒng)工程，它不是僅依靠一門信息技術(shù)課程就能夠?qū)崿F(xiàn)的。在中小學(xué)階段實(shí)施人工智能教育，學(xué)校以及教師自身需要從課程建設(shè)、知識(shí)體系、教學(xué)方式等多個(gè)方面有所突破，依靠自己的智慧，探索出一條人工智能教育的有效路徑。柳棟：是這樣的，我們先從宏觀一些的課程建設(shè)說起吧。對廣大中小學(xué)校來說，學(xué)校課程教學(xué)實(shí)踐的法定依據(jù)是國家課程方案、國家學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)、區(qū)域?qū)W科教學(xué)要求、區(qū)域?qū)ｎ}教育規(guī)劃等文件。學(xué)校以此為依據(jù)，結(jié)合自身的具體情況，形成學(xué)校課程體系，并進(jìn)一步細(xì)化課程設(shè)置、課時(shí)安排、科目銜接等要素。如果我們從這個(gè)角度看待人工智能課程，重新架構(gòu)基于人工智能課程的課程體系，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)安排這些學(xué)習(xí)活動(dòng)的時(shí)空“已經(jīng)存在”，我們需要做的只是找對它們的位置。正如教育部答復(fù)函中所提到的，中小學(xué)階段人工智能方面的學(xué)習(xí)內(nèi)容，根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)的差異，可以靈活安排在不同的板塊中實(shí)施，小學(xué)科學(xué)、初中科學(xué)、普通高中信息技術(shù)、普通高中通用技術(shù)和中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)等課程領(lǐng)域都是人工智能教育實(shí)施的有效載體。對于學(xué)校課程的“頂層設(shè)計(jì)”來說，需要有一個(gè)整體的設(shè)計(jì)思路。并且，從嚴(yán)格意義上來說，人工智能課程的落地并不限于科學(xué)或技術(shù)類課程，語文、數(shù)學(xué)、道德與法治等都可以納入人工智能課程體系中來，在相應(yīng)的課程空間內(nèi)落實(shí)相關(guān)學(xué)習(xí)活動(dòng)。當(dāng)然，這需要我們對人工智能的知識(shí)體系有一個(gè)全面的把握和認(rèn)識(shí)。魏寧：確實(shí)如此，人工智能課程體系這一概念拓寬了人工智能教育的路徑，讓我們看到了實(shí)踐中的更多可能性。雖然這一人工智能人才培養(yǎng)新模式針對的是高等教育，但其“人工智能+X”的復(fù)合專業(yè)培養(yǎng)模式，顯然值得基礎(chǔ)教育借鑒。只不過，這里的X需要我們在基礎(chǔ)教育的框架內(nèi)重新加以定位。柳棟：這種課程建設(shè)的起點(diǎn)，應(yīng)該是對人工智能知識(shí)體系的梳理。如同對“人工智能課程究竟是應(yīng)該單一學(xué)科實(shí)現(xiàn)，還是應(yīng)該多學(xué)科廣域融合”這一問題的回答，除了對課程相關(guān)政策的梳理，還必須建立在對人工智能知識(shí)體系的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上。也就是說，課程相關(guān)政策給了我們實(shí)施的空間，但究竟應(yīng)該如何科學(xué)設(shè)置課程，還必須厘清人工智能的知識(shí)體系，從人工智能的知識(shí)體系出發(fā)，來看它的實(shí)施途徑。魏寧：這正是一種“自上而下”的思考路徑，它的邏輯是清晰而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，也是非常有價(jià)值的。您是如何理解和認(rèn)識(shí)人工智能知識(shí)體系的呢？柳棟：首先，我們還是需要從本體論的角度來討論人工智能的知識(shí)體系。這里，曾任中國人工智能學(xué)會(huì)理事長的我國著名信息科學(xué)家鐘義信教授的“全信息理論”為我們提供了一個(gè)很好的思考框架和邏輯起點(diǎn)。鐘義信教授認(rèn)為信息科學(xué)與技術(shù)的研究內(nèi)容主要有信息、信息的性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及信息運(yùn)動(dòng)過程中相關(guān)手段與工具的設(shè)計(jì)、研發(fā)與運(yùn)用等。而對于具體的信息運(yùn)動(dòng)過程來說，它既包括了常規(guī)信息處理，如對模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)、特征抽取等加工，也包括了對智能信息的處理，如邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)發(fā)掘、建模等。請注意，在信息技術(shù)的大框架下看人工智能，它就處在“智能信息處理”這個(gè)位置上，如文字識(shí)別、機(jī)器翻譯、語音識(shí)別、音樂編輯、現(xiàn)場監(jiān)視、目標(biāo)檢測、機(jī)器人應(yīng)用等。我們再從技術(shù)的本質(zhì)出發(fā)來思考，技術(shù)在本質(zhì)上是人的主觀世界對客觀世界的主動(dòng)構(gòu)造，這種構(gòu)造導(dǎo)致了我們使用工具。人類是技術(shù)過程的內(nèi)在參與者，技術(shù)是人類與客觀世界的互動(dòng)手段與互動(dòng)途徑（現(xiàn)代科學(xué)通過技術(shù)來影響人類，從這個(gè)意義上，現(xiàn)代科學(xué)相對技術(shù)更為專業(yè)化）。技術(shù)是一類社會(huì)實(shí)踐的結(jié)構(gòu)，通過將社會(huì)實(shí)踐情境化和具體化，積極地達(dá)成人與自然、社會(huì)和諧的整體性。因此，鐘義信教授認(rèn)為：“人工智能的研究目的，是要在理解自然智能（特別是人類智能）基礎(chǔ)上，創(chuàng)制具有一定智能水平的智能機(jī)器，服務(wù)于人類社會(huì)?！边@為人工智能教學(xué)的知識(shí)體系給出了一個(gè)理解框架。我們再看一些具體的產(chǎn)業(yè)研究提供的參考：中國信息通信研究院在《2018世界人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書》中，從產(chǎn)業(yè)“存在”的角度出發(fā)，將我們用“人工智能”這個(gè)詞匯所指代的事物涉及的領(lǐng)域劃分為三層——基礎(chǔ)層、軟件算法層、應(yīng)用層，這三層包含了8大類、24小類的相關(guān)事物、事件。此外，我們研究中小學(xué)人工智能課程的知識(shí)體系，也不能忽視高校相關(guān)領(lǐng)域的課程設(shè)置，這會(huì)給我們帶來有益的啟示。我們考察了國內(nèi)主要高校的人工智能本科專業(yè)設(shè)置，發(fā)現(xiàn)它們大都是基于課程群的方式來構(gòu)建的。例如，南京大學(xué)人工智能本科專業(yè)的課程設(shè)置就是由4類課程群——數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程、學(xué)科基礎(chǔ)課程、專業(yè)方向課程、專業(yè)選修課程構(gòu)成的一個(gè)課程體系。值得注意的是，這里把數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程單獨(dú)列出，表明了數(shù)學(xué)對于人工智能的基石作用。而西安交通大學(xué)的人工智能本科專業(yè)課程設(shè)置，則由專業(yè)基礎(chǔ)類課程群、專業(yè)主干類課程群、專業(yè)交叉類課程群這3大課程群組成，里面具體涵蓋8類課程。魏寧：所以，您理解的人工智能課程體系應(yīng)該是以一種“課程群”的形態(tài)存在。那么，您有哪些實(shí)踐方面的探索呢？柳棟：是的，中小學(xué)課程框架中的人工智能課程，應(yīng)該是廣域融合的，它不應(yīng)是一個(gè)單一學(xué)科的概念，而應(yīng)是以一個(gè)課程群的形態(tài)存在。我們認(rèn)為，要想在基礎(chǔ)教育中落實(shí)人工智能領(lǐng)域的培養(yǎng)，就要重視人工智能領(lǐng)域的跨界融合特征，重視人工智能基礎(chǔ)性的特征。這意味著不能夠僅僅通過單一的某一門課程，如信息技術(shù)課程來落實(shí)人工智能教育，要考慮現(xiàn)有課程方案框架下各類課程的作用，要在真實(shí)問題解決的前提下整體思考。既要看到諸如信息技術(shù)等技術(shù)類課程的主干作用，也要看到語文、數(shù)學(xué)、道德與法治、物理、化學(xué)、生物、歷史、地理等學(xué)科在人工智能人才培養(yǎng)中的作用。僅僅停留在單一學(xué)科途徑上，不符合復(fù)雜性理論所揭示的事物運(yùn)行基本規(guī)律。為此，我們構(gòu)建了一個(gè)中小學(xué)人工智能課程群的廣義框架，它是跨領(lǐng)域的，是開放的。目前的這個(gè)廣義框架，我們設(shè)想主要由三部分組成：我們認(rèn)為，人工智能教育在未來可能的分類包括狹義和廣義兩種形態(tài)。狹義的“人工智能”課程聚焦于“人工智能主干領(lǐng)域”的中小學(xué)人工智能課程，幫助中小學(xué)生體驗(yàn)圖像識(shí)別、語音識(shí)別等現(xiàn)有的人工智能應(yīng)用，并從智能機(jī)器（俗稱“智能機(jī)器人”）等角度介紹相關(guān)的編程技能，個(gè)別高中人工智能課程則涉及算法體驗(yàn)和修改的學(xué)習(xí)內(nèi)容。這可以被稱之為“狹義方式”的中小學(xué)人工智能課程，這種方式目前能夠得到教育外部的支持相對較多。廣義的“人工智能”課程則是由“主干學(xué)科、領(lǐng)域應(yīng)用、基礎(chǔ)學(xué)科”三類科目組構(gòu)成的中小學(xué)人工智能課程群，這種方式能夠調(diào)動(dòng)學(xué)校內(nèi)更多的教師參與到中小學(xué)人工智能課程的實(shí)踐中來，同時(shí)能夠很好地運(yùn)用現(xiàn)有國家課程方案中“綜合實(shí)踐活動(dòng)”板塊中的研究性學(xué)習(xí)以及校本課程落實(shí)教學(xué)實(shí)踐。此外，還必須考慮到長遠(yuǎn)的發(fā)展。這就需要從信息哲學(xué)出發(fā)，重新認(rèn)識(shí)已有各類學(xué)科和可能的跨領(lǐng)域?qū)嵺`活動(dòng)，升級各類學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)，重構(gòu)中小學(xué)課程體系。在美國版的指南中，把適合k-12階段學(xué)習(xí)的人工智能知識(shí)分為5大主題——感知、表示與推理、機(jī)器學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、社會(huì)影響。感知指通過傳感器感知世界，它涵蓋了人工智能領(lǐng)域的很多重要應(yīng)用，如語音識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、場景理解等。表示與推理指通過特定的邏輯模型表示現(xiàn)實(shí)世界，并進(jìn)行推理，像網(wǎng)絡(luò)智能搜索、自動(dòng)駕駛汽車、人工智能對弈等都是它的具體應(yīng)用。機(jī)器學(xué)習(xí)指計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)以及各種算法進(jìn)行學(xué)習(xí)，它的具體應(yīng)用有機(jī)器翻譯、各種搜索、識(shí)別系統(tǒng)的訓(xùn)練等。人機(jī)交互指計(jì)算機(jī)與人類自然交互，如聊天機(jī)器人、教育中的智能學(xué)習(xí)伙伴等。社會(huì)影響要求對人工智能帶來的正面或負(fù)面的影響予以關(guān)注，包含了人工智能在道德層面的決策標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方案等。指南的編制者認(rèn)為，上述5個(gè)主題可以覆蓋人工智能的各個(gè)領(lǐng)域，而且是適合中小學(xué)生實(shí)際需求的。但如果我們從人工智能自身的知識(shí)體系看，這樣的劃分在邏輯上還不能完全自洽，如社會(huì)影響與前面4個(gè)主題就不處于同一個(gè)層次上。柳棟：這樣的比較研究也是有價(jià)值的，但一定要以我們的教學(xué)實(shí)際情況為基礎(chǔ)。在美國版的指南中，把適合k-12階段學(xué)習(xí)的人工智能知識(shí)分為感知、表示與推理、機(jī)器學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、社會(huì)影響5大主題，這樣的分類是有條件的。在美國，學(xué)生的語文和數(shù)學(xué)課程中已經(jīng)對人工智能相關(guān)內(nèi)容有所鋪墊，而在我國的教學(xué)實(shí)踐中，這類條件未必具備。這就要求我們在整個(gè)課程體系中要關(guān)照應(yīng)有的變化，所以，我們特別列出了與語文、數(shù)學(xué)學(xué)科相關(guān)的科目組，注重自然語言清晰表達(dá)的學(xué)習(xí)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域中規(guī)律尋找與空間拓?fù)浞矫娴膶W(xué)習(xí)。自然語言清晰表達(dá)，不是文學(xué)方式的表達(dá)，而是更為邏輯、理性的陳述，追求的是別人在理解的時(shí)候歧義能夠更少。另外，對于美國版指南中的人工智能知識(shí)分類，我倒不認(rèn)為其分類方式不自洽，分類中的四個(gè)事實(shí)領(lǐng)域和一個(gè)價(jià)值領(lǐng)域并沒有什么違和的地方，因?yàn)槭聦?shí)評判和價(jià)值評判總是伴隨著人的一生。從技術(shù)教育的角度出發(fā)，人工智能相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)應(yīng)該注意什么？又有什么需要避免的？柳棟：作為技術(shù)教育的一部分，人工智能的課程教學(xué)肯定會(huì)受到技術(shù)教育方式的影響。對于教師來說，有什么樣的技術(shù)教育理念，就會(huì)反映到課堂教學(xué)方式中，這當(dāng)然也包括了人工智能教學(xué)。正如你所說，在進(jìn)行人工智能教學(xué)時(shí)，我們應(yīng)該避免以往技術(shù)教育中的一些誤區(qū)。魏寧：對于人工智能教育，還有一個(gè)不容忽視的內(nèi)容，就是對人工智能與人類、社會(huì)的關(guān)系的思考，包括相關(guān)的倫理問題，我想，這將一直是人工智能教育的一個(gè)重要組成部分。柳棟：是的。這不僅僅是對人工智能教育，對整個(gè)技術(shù)教育來說都是不可忽視的。它至少包含對如下幾種關(guān)系的思考：人類與人工制品之間的關(guān)系。這是一個(gè)主客體問題，對主體迷失、客體崇拜的反思。局部與整體的關(guān)系。像空間與機(jī)能的問題、如何避免孤立地看待技術(shù)問題。過去、現(xiàn)在與未來的關(guān)系。包括傳承與發(fā)展的問題，如我們經(jīng)常會(huì)犯這樣的錯(cuò)誤——在不了解歷史發(fā)展脈絡(luò)的前提下，一味地談創(chuàng)新?？偟膩碚f，“主體迷失、手段至上”是面對技術(shù)時(shí)常見的迷思，這類迷思或讓我們恐懼于未來的不確定性，或讓我們沉溺于盲目的技術(shù)樂觀之中，或在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)無意中埋下災(zāi)難的可能。對于教育而言，倫理的考量，不能夠僅僅停留在“事后”，更需要通過各種方式，讓我們能夠在一個(gè)事件剛開始規(guī)劃、設(shè)計(jì)的時(shí)候，就開始倫理思考與衡量。柳棟：也謝謝雜志，讓我們有機(jī)會(huì)暢談中小學(xué)人工智能教育，祝愿中小學(xué)人工智能教育在未來有更好的發(fā)展。雖然這一人工智能人才培養(yǎng)新模式針對的是高等教育，但其“人工智能+X”的復(fù)合專業(yè)培養(yǎng)模式，顯然值得基礎(chǔ)教育借鑒。只不過，這里的X需要我們在基礎(chǔ)