初探中小學教育中的人工智能思維

馬利榮

[摘? ?要]思維的發(fā)展已被證明是促進學生學習的重要目的。在中小學人工智能教育階段，如何界定人工智能思維（即AI思維），如何讓中小學生的AI思維得到發(fā)展，還面臨著巨大挑戰(zhàn)。研究者通過文獻法、歸納法，闡明了AI思維的概念，并逐步建立了以促進社會發(fā)展為中心的中小學生AI思維學習模型，以幫助教師清晰地把握中小學人工智能教育的核心，為有效促進學生AI思維的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]人工智能;AI思維;智能主體;中小學生;學習模型

一、AI教育概述

《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》（以下簡稱課標）把人工智能初步納入了信息技術(shù)選擇性必修的學習模塊，包括“人工智能基礎(chǔ)”“簡單人工智能應用模塊開發(fā)”“人工智能技術(shù)的發(fā)展與應用”三部分內(nèi)容[1]。從課程內(nèi)容的結(jié)構(gòu)看，側(cè)重的是信息素養(yǎng)下人工智能（亦簡稱AI）的應用。本文認為，在中小學階段，AI教育就發(fā)生在應用AI技術(shù)的過程中，學生信息素養(yǎng)發(fā)展的核心要素是AI思維。

AI思維是人工智能主體（以下簡稱“智能主體”）立足于促進社會發(fā)展，借助人工智能技術(shù)，模仿人或其他生物學習（編碼、存儲、推理）與思維（概念、判斷、推理）的基本形式，在獲取大量信息的基礎(chǔ)上，經(jīng)過表征學習、運算判斷、推理表達的過程來反映事物的本質(zhì)特征與內(nèi)部聯(lián)系。

在中小學階段，學生AI思維能力的發(fā)展，本質(zhì)上是學生學習AI的過程中分析[2]、綜合[3]、比較[4]、抽象[5]、概括[6]、歸納[7]、演繹[8]、類比[9]等思維的發(fā)展。即要提高學生面對現(xiàn)實問題時主動思考、提出問題、分析問題進而解決問題的能力。

二、人工智能及智能主體

1.何為人工智能

要進一步明確AI思維，需要知道什么是AI及智能主體。約翰·麥卡錫從人工智能與科學工程的角度提出：人工智能是制造智能機器的科學與工程，尤其是智能計算機程序。它與使用計算機去理解人類智能的類似任務(wù)有關(guān)，但并不必將自己局限于生物學上可觀察的方法[10]。斯圖爾特·羅素和皮特·諾威格從智能主體的角度將人工智能定義為：對從環(huán)境中感知信息并執(zhí)行行動的主體的研究[11]。史蒂芬·盧奇和丹尼·科佩克從智能主體組成的角度提出：人工智能是由人類、想法、方法、機器和結(jié)果組成的[12]。拉斐爾從人工智能學科屬性的角度指出：人工智能是一門科學，這門科學讓機器做人類依靠智能才能完成的事[13]。鄭南寧從智能主體作用的角度指出：人工智能不是人的智能，但能像人那樣思考，也可能超過人的智能[14]。

以上關(guān)于人工智能的觀點有以下相同之處：一是人工智能屬于應用性技術(shù)科學;二是人工智能可以延伸和擴展人或其他生物的智能;三是研究人工智能的目的是使智能主體具有人或其他生物的智能，并能解決實際問題。

綜上所述，本文認為，人工智能是研究、開發(fā)能夠模擬、延伸和擴展人類或其他生物智能的理論、方法、技術(shù)及應用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學;其研究目的是促使智能主體具有人或者其他生物的智能，會感觸、會聽、會看、會說、會思考、會學習、會行動等。

2.何為智能主體

人工智能通過智能主體發(fā)揮作用。斯圖爾特·羅素和皮特·諾威格認為：智能主體可以被視為通過感受器感知其環(huán)境并通過執(zhí)行器對所處環(huán)境產(chǎn)生影響[15]。王文敏認為：智能主體能夠感知外部環(huán)境，經(jīng)過一定的思維加工，再作用于外部環(huán)境的事物[16]。鄭南寧認為：一般而言，人工智能是指以機器（智能主體）為載體，模擬、延伸和擴展人類或其他生物的智能，使機器能勝任一些通常需要人類智能才能完成的復雜工作[17]。以上觀點的共同之處在于：智能主體可以感知外部環(huán)境;智能主體經(jīng)過一定的思維加工;經(jīng)過思維加工的智能主體進而能夠影響所處的環(huán)境。

因此，從AI思維產(chǎn)生的機理可得出以下觀點：智能主體通過模仿人或其他生物學習與思維的基本形式，感知外部環(huán)境;智能主體能模仿人或其他生物學習與思維的基本形式，如表征、判斷、推理等，進行思維加工;經(jīng)過思維加工后的智能主體，反過來能夠反映事物的本質(zhì)特征與內(nèi)部聯(lián)系，進而影響所處的環(huán)境。

三、AI思維

AI思維就是智能主體模仿人或其他生物學習與思維的基本形式，經(jīng)過表征學習、運算判斷、推理表達的思維形式來反映事物的本質(zhì)特征與內(nèi)部聯(lián)系。在此，將從中西方文化比較、認知神經(jīng)科學、心理學的角度進行闡述。

1.智能主體的發(fā)展遵循自然法則

智能主體作為一種新興的應用技術(shù)科學——人工智能的載體，應該遵循事物發(fā)展的自然法則。文化比較學的研究發(fā)現(xiàn)：西方文化認為天人二分，存在天人對立、相爭的思想[18]。西方文化崇尚“物競天擇，適者生存”的自然法則。中國文化則認為天人合一，天和人是一個整體，自然界和人是一個整體[19]。因此，中國人更崇尚天人合一、和諧相處的自然法則。雖然中西方文化的思想根源不同，所崇尚的法則不同，但都認為事物的發(fā)展遵循自然法則。因此，具有事物特征的智能主體的發(fā)展也遵循事物發(fā)展的自然規(guī)律和法則。

2.智能主體的發(fā)展遵循社會法則

智能主體作為人工智能的載體，也應該遵循事物發(fā)展的社會法則。古希臘哲學家蘇格拉底說過，事物的最終原因是“善”，這就是事物的目的性。中國古代思想家老子說“上善若水”。河上公注釋為：上善之人，如水之性[20]。人心的“善”就像水一樣容納萬物。說文解字中解釋：善，吉也。也即美好的意思。善，對應英語中的good，解釋為“合乎道德的，正直的”。由此，中西方文化價值觀的終極追求都是“善”，即社會的發(fā)展遵循“向善”的社會法則。總之，在自然法則和社會法則范圍內(nèi)創(chuàng)新地解決實際問題，“向善”地促進人類社會發(fā)展是中西方文化追求的共同價值觀。

因此，作為科學技術(shù)產(chǎn)物的智能主體也應遵循人類社會科學技術(shù)的發(fā)展規(guī)律。不同時期的科學技術(shù)造就不同的技術(shù)科學，但是無論技術(shù)發(fā)展到什么程度，其終極目標都是推動人類社會的發(fā)展。同理，智能主體的發(fā)展始終是為了促進社會“向善”的發(fā)展，要在遵循自然法則和社會法則的前提下不斷發(fā)展，最終目的是促進人類社會的發(fā)展。

3.AI思維認知神經(jīng)科學的學習模型

認知神經(jīng)科學中的學習與記憶理論認為：學習與記憶可以劃分為三個主要階段。一是編碼（encoding），即對輸入信息的處理與儲存，包括獲取與鞏固。獲?。╝cquisition）是對感覺通路和感覺分析階段的輸入信息進行登記;鞏固（consolidation）是生成一個隨著時間的推移而增強的表征。二是存儲（storage），這是獲取和鞏固的結(jié)果，代表信息的長久記錄。三是提?。╮etrieval），是通過利用所存儲的信息創(chuàng)建意識表征或執(zhí)行習得的行為，如自動化動作[21]。

智能主體的學習與記憶是模仿人或其他生物的學習與記憶，因此可以假設(shè)為表征學習、運算判斷和推理表達三個主要階段。其中，智能主體的表征學習（representative learning）遵循信息獲取與鞏固的規(guī)律，然后在智能主體中形成特有的模型。智能主體的運算判斷（operational judgement）類似存儲，在智能主體通過表征學習習得的知識中建立模型，并進行運算判斷。智能主體的推理表達（reasoning expression）相當于提取，通過利用所存儲的信息創(chuàng)建意識表征或執(zhí)行習得的行為。因此，智能主體的學習是為了促進社會的發(fā)展，模仿人類或其他生物的學習與記憶過程，在獲取大量信息的基礎(chǔ)上，通過表征學習、運算判斷、推理表達，進而反映事物的本質(zhì)特征與內(nèi)部聯(lián)系的過程（見圖1）。

4.AI思維的心理學模型

心理學認為：思維是人腦借助言語、表象或動作實現(xiàn)的、對客觀現(xiàn)實的概括和間接的反映。思維反映的是事物的本質(zhì)特征和事物之間的內(nèi)在聯(lián)系，它具有概括性和間接性兩個基本特征。在思維過程中，人只有在獲取大量感性材料的基礎(chǔ)上，才能在頭腦中對事物進行分析與綜合、抽象與概括，并通過概念、判斷、推理等思維形式把握事物的本質(zhì)特征與內(nèi)部聯(lián)系[22]。

人的思維有三種基本形式，即概念、判斷、推理。概念是人腦反映客觀事物本質(zhì)特征的思維形式[23]。判斷是人腦借助語言對客觀事物的特性或客觀事物之間的聯(lián)系進行分析與綜合，從而對事物做出肯定或否定的認識[24]。推理是人在頭腦中由具體事物歸納出一般規(guī)律，或根據(jù)已有的判斷推出新的結(jié)論的思維形式[25]?？梢?，人的思維通過概念、判斷和推理等基本形式反映客觀事物的本質(zhì)特征和內(nèi)部聯(lián)系，與認知神經(jīng)科學中學習與記憶理論提出的編碼、存儲、提取相輔相成。

AI思維是智能主體模仿人類或其他生物智能的思維形式。因此，可將AI思維歸納出三種基本形式：表征學習、運算判斷和推理表達。其中，AI思維的表征學習對應思維基本形式中的概念。表征學習是智能主體通過對信息的獲取，建立對事物認知的范圍和概念形成的過程。AI思維的運算判斷對應思維基本形式中的判斷。運算判斷是智能主體及其技術(shù)語言對客觀事物的特性或客觀事物之間的聯(lián)系進行運算，從而對事物做出判斷。AI思維的推理表達對應思維基本形式中的推理。推理表達是智能主體由具體事物歸納出一般規(guī)律，或根據(jù)已有的判斷推出新的結(jié)論，然后用技術(shù)語言來表達的過程。因此，AI思維在心理學層面指的就是智能主體模仿人類或其他生物的思維，在獲取大量信息的基礎(chǔ)上，通過表征學習、運算判斷和推理表達來反映事物的本質(zhì)特征與內(nèi)部聯(lián)系。

綜上所述，AI思維是智能主體圍繞著社會發(fā)展，借助人工智能技術(shù)，模仿人或其他生物學習（編碼、存儲、提取）與思維（概念、判斷、推理）的基本形式，在獲取大量信息的基礎(chǔ)上，經(jīng)過表征學習、運算判斷、推理表達的過程來反映事物的本質(zhì)特征與內(nèi)部聯(lián)系（見圖2）。

四、AI思維學習模型

心理學認為，思維過程是思維活動中一系列復雜的認知操作，它包括分析、綜合、比較、抽象、概括等。在思維過程中，人通過這些操作對反映事物外部特征的感知覺材料進行加工，并通過概念、判斷、推理等思維形式把握和揭露事物的本質(zhì)特征和內(nèi)部規(guī)律[26]。

那么，中小學階段學生AI思維的發(fā)展就是借助智能主體以社會發(fā)展為核心，在表征學習中建立概念，在運算判斷中理解事物，在推理表達中形成結(jié)論。中小學生的AI思維學習模型應在其學習過程中圍繞社會發(fā)展，運用學生已有經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上感知事物，形成概念，通過比較、分析、綜合、抽象、概括判斷事物，通過演繹、歸納、類比推理得出結(jié)論，進而揭示事物的本質(zhì)特征和內(nèi)部規(guī)律。因此，中小學生AI思維的發(fā)展需要在感知的基礎(chǔ)上循序漸進地提升學生的比較、分析、綜合、抽象、概括、演繹、歸納、類比等思維能力（見圖3）。

簡而言之，中小學生AI思維發(fā)展的本質(zhì)就是借助智能主體面對現(xiàn)實問題學會思考，在表征學習、運算判斷和推理表達的思維過程中提升學生提出問題、分析問題和解決問題的能力（見圖4）。

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（責任編輯? ?郭向和）