美國(guó)人工智能基礎(chǔ)教育國(guó)家導(dǎo)則編制及啟示

秦建軍 楊芳

雖然人工智能的相關(guān)內(nèi)容在現(xiàn)有美國(guó)信息技術(shù)教學(xué)或其他ICT（信息與通信技術(shù)）課程中有所涉及，但并未得到足夠的重視。為應(yīng)對(duì)人工智能技術(shù)可能對(duì)學(xué)習(xí)、生活和工作所產(chǎn)生的變革性影響，越來(lái)越多的學(xué)者及教育工作者意識(shí)到讓每個(gè)孩子普及人工智能教育的重要性[1]。2018年5月，美國(guó)人工智能學(xué)會(huì)（AAAI）和CSTA聯(lián)手成立并發(fā)布了面向所有孩子的“AI4K12”人工智能教育項(xiàng)目，后來(lái)得到了美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)（NSF）的資助，其主要目標(biāo)是制定類似于國(guó)家計(jì)算機(jī)教育的K-12人工智能國(guó)家導(dǎo)則（National Guidelines），在該計(jì)劃發(fā)布一年多的時(shí)間內(nèi)已召開(kāi)了數(shù)次與導(dǎo)則編制有關(guān)的研討交流活動(dòng)，并陸續(xù)有更多的組織機(jī)構(gòu)加入。本文對(duì)正在起草中的教學(xué)導(dǎo)則（以下簡(jiǎn)稱導(dǎo)則）做了簡(jiǎn)要分析，以期為我國(guó)制定相關(guān)綱要或標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)教育教師開(kāi)設(shè)課程提供參考。

導(dǎo)則起草概況

起草中的導(dǎo)則旨在為所有基礎(chǔ)教育階段學(xué)生的人工智能普及教育提供綱領(lǐng)性的指導(dǎo)文件（類似其他K-12學(xué)科的標(biāo)準(zhǔn)），包括一個(gè)主導(dǎo)則和四個(gè)分導(dǎo)則[2]，主導(dǎo)則適用于整個(gè)K-12學(xué)段，分導(dǎo)則根據(jù)不同學(xué)段進(jìn)行劃分，共分為學(xué)前到2年級(jí)（K-2）、3～5年級(jí)、6～8年級(jí)和9～12年級(jí)四個(gè)學(xué)段。

組織機(jī)構(gòu)由指導(dǎo)委員會(huì)、學(xué)術(shù)/產(chǎn)業(yè)工作小組、對(duì)應(yīng)各個(gè)學(xué)段的教師工作小組以及咨詢小組組成。一年來(lái)舉辦的公開(kāi)推進(jìn)活動(dòng)包括2018年7月在CSTA2018年會(huì)上的K-12人工智能教育早餐會(huì)、10月在AAAI秋季研討會(huì)上的K-12人工智能教育研討會(huì)（主題為“展望K-12人工智能教育：每個(gè)孩子應(yīng)該對(duì)AI知道什么”）、2019年1月底2月初的AAAI2019大會(huì)上舉辦了K-12教師專門(mén)研討會(huì)、2月在SIGCSE（ACM下屬的計(jì)算機(jī)科學(xué)教育特別興趣小組）上的K-12人工智能教育特別分組討論會(huì)和“K-12人工智能教育：在K-12計(jì)算機(jī)課程中為人工智能留出空間”、6月在ISTE 2019上的“K-12人工智能教育指導(dǎo)方針：學(xué)生和教師應(yīng)該知道什么”以及7月即將在CSTA2019上舉辦的兩個(gè)相關(guān)活動(dòng)等。

K-12人工智能教育的五大概念

編制中的導(dǎo)則的最大亮點(diǎn)是提出了人工智能基礎(chǔ)教育的五大概念（Big Ideas），分別是感知、表示和推理、學(xué)習(xí)、自然交互以及社會(huì)影響，其突出特點(diǎn)是既覆蓋了人工智能的主要技術(shù)領(lǐng)域又能夠讓教育工作者與實(shí)際相結(jié)合開(kāi)展人工智能的相關(guān)教學(xué)，以下是關(guān)于五大概念的概要介紹。

大概念1：感知——計(jì)算機(jī)能夠用傳感器感知外部世界

人工智能系統(tǒng)通常被稱為智能體（Agent），它用來(lái)認(rèn)知世界、執(zhí)行計(jì)算，并且能夠產(chǎn)生影響并向外部世界輸出。認(rèn)知能力需要的不僅僅是感知，它還需要從信號(hào)中提取和分析信息，并根據(jù)已有的知識(shí)做出判斷，這需要對(duì)這一領(lǐng)域有很高的理解。智能被看作是一種特定環(huán)境中“生存”的實(shí)體，它可以是大家熟知的自主機(jī)器人（如清潔機(jī)器人），也可以是純軟件。目標(biāo)檢測(cè)、機(jī)器視覺(jué)、環(huán)境感知、人臉識(shí)別等都需要通過(guò)傳感器感知外部世界，獲取信息并進(jìn)行分析。機(jī)器通過(guò)傳感器感知外部世界，就如同人用器官進(jìn)行感知，對(duì)智能體來(lái)說(shuō)是必不可少的。

大概念2：表示和推理——智能體能對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行模擬和表示，并據(jù)此進(jìn)行推理

如當(dāng)一臺(tái)電腦下象棋或圍棋的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生棋盤(pán)的模型，跟蹤它已經(jīng)完成的步驟，并且搜索未來(lái)的步驟。智能體將它的模型用算法或計(jì)算機(jī)代碼來(lái)表示，并從已知信息中分析得到新的信息。例如，智能體從模型中找出適合某個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)的最佳方案、利用智能模型解決調(diào)度問(wèn)題實(shí)現(xiàn)利益最大化等。

大概念3：學(xué)習(xí)——計(jì)算機(jī)能夠從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)允許計(jì)算機(jī)通過(guò)分析訓(xùn)練數(shù)據(jù)產(chǎn)生他們自己的模型和算法，這個(gè)結(jié)果很可能比人類程序員構(gòu)建的更復(fù)雜、更精密。機(jī)器學(xué)習(xí)依賴于訓(xùn)練數(shù)據(jù)或者已有的數(shù)據(jù)集，但是這些數(shù)據(jù)也是來(lái)自一手經(jīng)驗(yàn)或者通過(guò)觀察（模仿）。由于這項(xiàng)技術(shù)，人工智能近幾年在很多領(lǐng)域有很大的進(jìn)步，但想取得成功，還需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。例如，Open Image Dataset V4包含900萬(wàn)張訓(xùn)練圖像和3000萬(wàn)個(gè)標(biāo)簽。處理這種規(guī)模的數(shù)據(jù)需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，而這在幾年前根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

大概念4：自然交互——人工智能系統(tǒng)努力與人類自然地交互

能夠正常與人類交流互動(dòng)仍是智能體目前所面臨的一大難題。完全理解人類的交流，必須具備各種人文知識(shí)等常識(shí)，并且能夠理解語(yǔ)義中代詞的指代意義，這對(duì)于機(jī)器來(lái)說(shuō)是很困難的。人與人交流時(shí)不僅通過(guò)語(yǔ)言，還能夠從對(duì)方的面部表情、肢體動(dòng)作、語(yǔ)調(diào)等非語(yǔ)言信息來(lái)判斷對(duì)方表達(dá)的含義，這對(duì)智能體來(lái)說(shuō)也是很困難的。人工智能系統(tǒng)和人類能夠正常地交互，這也需要我們從機(jī)器的角度來(lái)理解人的行為，進(jìn)而將人工智能系統(tǒng)完善。

概念5：社會(huì)影響——人工智能可以對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生正面和負(fù)面影響

人工智能將廣泛應(yīng)用于商業(yè)、金融、管理、教育、科學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。人工智能可以解決對(duì)人來(lái)說(shuō)很復(fù)雜的問(wèn)題，也能夠勝任精度很高、很危險(xiǎn)的任務(wù)，但是這也存在潛在的不利影響。在就業(yè)方面，人工智能的發(fā)展將在未來(lái)幾十年里取代很大一部分人的工作，這將導(dǎo)致一部分人的失業(yè)。人工智能與人類相處的倫理問(wèn)題也是我們應(yīng)該關(guān)注的。在倫理道德方面，英國(guó)上院人工智能特別委員會(huì)2018年提出了人工智能倫理的五個(gè)主要原則，包括：發(fā)展人工智能是為了人類的共同利益;人工智能應(yīng)當(dāng)保證公平，并且讓人容易理解;人工智能不應(yīng)當(dāng)用來(lái)侵犯人們的隱私;所有公民都有權(quán)利接受教育，使他們能在精神、情感與經(jīng)濟(jì)上和人工智能一起繁榮發(fā)展;人工智能不應(yīng)被賦予傷害、破壞或欺騙人類的自主能力。對(duì)于人工智能產(chǎn)生決策時(shí)的偏差、可能出現(xiàn)的種族歧視等問(wèn)題也值得我們關(guān)注，也需要讓學(xué)生剛剛接觸人工智能之初就對(duì)人工智能有正確的理解。

導(dǎo)則的基本體例

起草中的導(dǎo)則嘗試給出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的框架模板供所有參與大綱撰寫(xiě)的人員補(bǔ)充完善，每個(gè)導(dǎo)則的五大概念之下都分別包括基本解釋、關(guān)鍵詞、分標(biāo)題、示例、學(xué)生應(yīng)該了解什么、學(xué)生能夠做什么、資源和資源期望清單等內(nèi)容。

1.基本解釋

導(dǎo)則根據(jù)不同學(xué)段特點(diǎn)對(duì)基本的概念進(jìn)行了扼要解釋，且有所區(qū)別，主要內(nèi)容是在五大概念的基礎(chǔ)上做具體化描述。包括了解人工智能適用于K-12不同學(xué)段的相關(guān)例子，如哪些是學(xué)生需要知道、記住和了解的概念以及與其他K-12學(xué)科（例如科學(xué)、數(shù)學(xué)、歷史、科技等）產(chǎn)生聯(lián)系的必備知識(shí)。

2.關(guān)鍵詞和分標(biāo)題

考慮到不同學(xué)段學(xué)生認(rèn)知和理解能力差異，對(duì)應(yīng)五大概念分別提煉出相應(yīng)的關(guān)鍵詞，如自主的、協(xié)作、分類器等，標(biāo)題則是結(jié)合應(yīng)用對(duì)象和關(guān)鍵詞對(duì)應(yīng)的具體詞匯或圍繞主題詞所做的進(jìn)一步的簡(jiǎn)單解釋，如人臉識(shí)別、目標(biāo)檢測(cè)、動(dòng)作識(shí)別等。表1對(duì)K-12主導(dǎo)則中五大概念的關(guān)鍵詞進(jìn)行了羅列，教師可以根據(jù)該大綱對(duì)學(xué)生的規(guī)劃學(xué)習(xí)方向進(jìn)行引導(dǎo)性的設(shè)計(jì)。

3.示例

示例則是對(duì)主題詞及分標(biāo)題進(jìn)行的具象解釋，便于教師開(kāi)展教學(xué)示例，如：自動(dòng)駕駛的汽車能識(shí)別停車標(biāo)志是目標(biāo)識(shí)別，數(shù)碼相機(jī)和美顏相機(jī)都具有濾鏡功能，電腦和手機(jī)上的攝像頭及麥克風(fēng)等都是提供視覺(jué)和語(yǔ)音輸入的傳感器。

4.學(xué)生應(yīng)該了解什么/學(xué)生能做什么

該部分是導(dǎo)則制定的重點(diǎn)，涉及具體教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)目標(biāo)以及每個(gè)學(xué)段學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能所要達(dá)到的能力目標(biāo)，包括需要掌握的技能，如數(shù)學(xué)技能、推理、編程等，并能夠根據(jù)要求完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

以“感知”部分為例，由于K-2學(xué)段學(xué)生年齡較小，對(duì)于概念理解不強(qiáng)，應(yīng)注重興趣培養(yǎng)和體驗(yàn)人工智能技術(shù)的魅力為主，感受人工智能技術(shù)對(duì)生活和學(xué)習(xí)的重要作用。需要特別指出的是K-2、3～5年級(jí)學(xué)段的教學(xué)要求都有較詳細(xì)的介紹，但其他學(xué)段尚不具體。6～8年級(jí)的導(dǎo)則在學(xué)習(xí)和能力目標(biāo)方面也在嘗試加入基本理解、學(xué)習(xí)目標(biāo)、基本原理、學(xué)科聯(lián)系、活動(dòng)/例子、資源等方面的內(nèi)容，但是此方面尚有爭(zhēng)議。

5.資源和期望資源清單

資源部分包括開(kāi)展人工智能教學(xué)相關(guān)的工具（如機(jī)器人、軟件小程序等）、便于教師或者學(xué)生可以理解的Demo視頻、用于教學(xué)設(shè)計(jì)或教學(xué)研究參考的學(xué)術(shù)論文等。

導(dǎo)則實(shí)驗(yàn)情況

依托于卡耐基梅隆大學(xué)、麻省理工學(xué)院等眾多單位的支持，位于匹茲堡的Montour學(xué)區(qū)于2018年秋季推出人工智能基礎(chǔ)教育計(jì)劃（媒體報(bào)道為美國(guó)首個(gè)中學(xué)公立學(xué)校的人工智能計(jì)劃）[4]，麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的研究助理Blakeley H. Payne去年10月在David E. Williams中學(xué)面向約225名五年級(jí)到八年級(jí)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)了為期一周半的“不插電”人工智能倫理課程[5]。每個(gè)45分鐘的課程通常包括簡(jiǎn)短的講解和演示，然后是小組活動(dòng)和開(kāi)放式討論。該學(xué)區(qū)下一步的計(jì)劃包括覆蓋所有中學(xué)生以及在小學(xué)階段探索人工智能課程。

麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的Cynthia Breazeal副教授等人指導(dǎo)了波士頓地區(qū)的3個(gè)公立學(xué)校和1個(gè)私立學(xué)校的80個(gè)4～6歲兒童進(jìn)行了的學(xué)前階段的實(shí)驗(yàn)，每5～20個(gè)孩子配一個(gè)指導(dǎo)教師，這些孩子的活動(dòng)通過(guò)5個(gè)半小時(shí)的課程，每組通過(guò)具有人工智能技術(shù)的機(jī)器人套件Popbot進(jìn)行學(xué)習(xí)，主要涉及的概念有基于知識(shí)的系統(tǒng)、產(chǎn)生人工智能、監(jiān)督學(xué)習(xí)等，然后是反思和評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，學(xué)生們基本理解套件的相關(guān)信息，但是因?yàn)榛顒?dòng)的不同呈現(xiàn)理解方面的巨大差異，并且和套件使用熟練情況也有很大關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，孩子們可以通過(guò)建構(gòu)的方法學(xué)習(xí)人工智能，孩子們?cè)谧寵C(jī)器思考之后思維發(fā)生了很大變化，如果孩子們和機(jī)器人有更多的社交互動(dòng)則會(huì)加深對(duì)算法的理解、可以利用新知識(shí)來(lái)解決人工智能的影響等。

對(duì)我國(guó)課標(biāo)制定的啟示

人工智能普及教育標(biāo)準(zhǔn)先行。2019年5月16-18日召開(kāi)的國(guó)際人工智能與教育大會(huì)上，相關(guān)負(fù)責(zé)人提出要在基礎(chǔ)教育階段普及人工智能教育。義務(wù)教育階段課程標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施是對(duì)課程教學(xué)所做的基本約束，同時(shí)也是人工智能教育普及化的重要舉措、促進(jìn)教育公平的重要前提條件。盡管現(xiàn)階段美國(guó)開(kāi)展人工智能基礎(chǔ)教育的學(xué)校還不多，但已經(jīng)意識(shí)到制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的重要性，聯(lián)合了相關(guān)組織、大學(xué)、中小學(xué)、企業(yè)等共同參與標(biāo)準(zhǔn)研討、起草、修改和完善，如導(dǎo)則的過(guò)程文檔共享給所有參與人員采用“眾包”的形式進(jìn)行補(bǔ)充和修改。盡管教學(xué)導(dǎo)則還處在討論和修改中，邊制定、邊討論、邊實(shí)驗(yàn)、邊修改的模式值得我們借鑒。

正視階段劃分的重要性與接受能力差異。近年來(lái)，我國(guó)人工智能基礎(chǔ)教育已經(jīng)進(jìn)行了諸多嘗試和探索，但是，初中及以下的市面非統(tǒng)編教學(xué)用書(shū)還存在按技能側(cè)重點(diǎn)或某個(gè)專題進(jìn)行分冊(cè)等不合理的做法，忽視了不同年齡階段認(rèn)知水平的差異性。此方面美國(guó)導(dǎo)則所提出的五大概念和4個(gè)階段的劃分等思路對(duì)于我國(guó)人工智能課程標(biāo)準(zhǔn)制定有諸多借鑒。

知識(shí)點(diǎn)主導(dǎo)難以真正做到學(xué)段區(qū)別。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了美國(guó)教學(xué)導(dǎo)則中所存在的諸多問(wèn)題，如在主題詞和分標(biāo)題中過(guò)分強(qiáng)調(diào)知識(shí)點(diǎn)而無(wú)法和能力目標(biāo)形成完整閉環(huán)。如K-2階段的分標(biāo)題中已經(jīng)出現(xiàn)了監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、模式識(shí)別等和學(xué)術(shù)研究無(wú)差異的詞匯，且不能很好地與其他學(xué)段進(jìn)行區(qū)分。這也導(dǎo)致了分導(dǎo)則之間的知識(shí)點(diǎn)差別并不大，多數(shù)分導(dǎo)則尚缺少實(shí)質(zhì)性內(nèi)容。當(dāng)然，這個(gè)導(dǎo)則還在修改、完善和討論中，后續(xù)還會(huì)存在很多變數(shù)。

參考文獻(xiàn)

David Touretzky， Christina Gardner-McCune， Fred Martin， Deborah Seehorn. Envisioning AI for K-12： What should every child know about AI.

AI4K12官網(wǎng)，AI4K12.org.

https：//raw.githubusercontent.com/touretzkyds/ai4k12/master/documents/AI4K12_Five_Big_Ideas_Graphic.png.

Nations First Public School AI Program Launched in Partnership with CMU， https：//www.bboxservices.com/resources/blog/bbns/2018/11/08/nation-s-first-public-school-ai-program-launched-in-partnership-with-cmu.

How to Teach Kids About AI，https：//www.wsj.com/articles/how-to-teach-kids-about-ai-11557759541.