中小學(xué)需要什么樣的人工智能教育

謝作如

隨著Sora等生成式人工智能的出現(xiàn)，在中小學(xué)開展人工智能教育的話題再次引發(fā)人們的熱議。早在2017年，國務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》就提出，應(yīng)實施全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程。迄今為止，中小學(xué)人工智能教育的實施依然重點模糊、效果欠佳，以“人工智能”為關(guān)鍵詞的各類學(xué)生活動及校外培訓(xùn)課程內(nèi)容，大多僅局限于編程或機器人領(lǐng)域；部分中小學(xué)人工智能實驗室購置的器材大多為機器人、智能家居等，很少有圖形處理器（GPU）等支持學(xué)生進行人工智能訓(xùn)練的專業(yè)設(shè)備；有些號稱剖析中小學(xué)人工智能教育的論文，甚至全文未曾關(guān)注過“機器學(xué)習(xí)”“深度學(xué)習(xí)”“數(shù)據(jù)集”“算力”等關(guān)鍵點……

筆者認為，出現(xiàn)上述問題的原因在于，大多數(shù)教育工作者尚未充分理解人工智能的內(nèi)涵，將人工智能教育簡單定義為“創(chuàng)新教育”，甚至直接將樂高積木、3D打印等內(nèi)容納入人工智能教育課程體系，在目標混亂、定位不清的情況下開展“泛人工智能教育”的現(xiàn)象。

那么，究竟什么是真正的人工智能教育？中小學(xué)需要什么樣的人工智能教育？學(xué)校及教師具體應(yīng)該如何做？本文將從追溯人工智能的起源開始，嘗試解答上述問題。

分析：從起源看人工智能的核心概念

在正式開始探討中小學(xué)人工智能教育的話題之前，我們首先需要理解“什么是人工智能”，尤其是新一代人工智能究竟“新”在何處。

從起源看，人工智能的思想根基甚至可以追溯到古希臘哲學(xué)家亞里士多德的“三段論”，即一種由大前提、小前提、結(jié)論三部分組成的演繹推理形式。科學(xué)家們正式開始運用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)來實現(xiàn)智能化操作，則源于自動計算機器的出現(xiàn)。這也是很多人容易在概念上將人工智能和計算機科學(xué)相混淆的主要原因。實際上，計算機的發(fā)明是為了滿足自動計算的需要，而人工智能則是為了模仿人類的智能，二者的起點、發(fā)展和目標均有一定的區(qū)別。

有關(guān)人工智能發(fā)展的研究主要分為兩種范式：一是基于邏輯啟發(fā)的設(shè)計派，二是基于生物學(xué)啟發(fā)的學(xué)習(xí)派。在人工智能發(fā)展的早期階段，設(shè)計派的思路為更多人所推崇，但其發(fā)展很快陷入瓶頸，因為幾乎沒有任何方法能夠做到對現(xiàn)有知識的精確編碼。此后，學(xué)習(xí)派成為主流范式，其支持者重點研究如何從大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)智能規(guī)律，也被稱為“數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能”。

由于研究智能規(guī)律的主體是“機器”，機器學(xué)習(xí)就成為人工智能研究中最重要的技術(shù)領(lǐng)域。中國人工智能學(xué)會第八屆名譽理事長李德毅曾多次強調(diào)，深度學(xué)習(xí)是新一代人工智能的重要特征，可以說，沒有“學(xué)習(xí)”就沒有新一代人工智能。我們常聽到的人工智能的“三駕馬車”——數(shù)據(jù)、算法、算力，這三大技術(shù)，對應(yīng)著典型的機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程，其訓(xùn)練結(jié)果即為人工智能模型。因此，人工智能教育需要讓學(xué)生了解人工智能的內(nèi)涵及原理，進而指導(dǎo)他們針對相關(guān)需求生成相應(yīng)的“人工智能模型”。

定位：中小學(xué)人工智能教育要教什么

基于前文對人工智能核心概念的討論，人工智能教育也應(yīng)圍繞相應(yīng)模型展開，如體驗?zāi)Ｐ?、理解模型、?xùn)練模型、部署模型、應(yīng)用模型等。華南師范大學(xué)教授鐘柏昌曾提出人工智能教育的六層思維模型，即AI功能體驗、AI模型理解、AI模型應(yīng)用、AI模型綜合、AI要素重組和AI算法創(chuàng)新，并提出各學(xué)段學(xué)生應(yīng)重點掌握的思維模型，如小學(xué)可完成1～3層，初中可完成1～4層，高中可完成1～5層。ChatGPT發(fā)布后，有教師嘗試設(shè)計AIGC類課程，帶領(lǐng)學(xué)生利用大模型生成相應(yīng)的文本、圖片、視頻等，便屬于第一層內(nèi)容。第六層“AI算法創(chuàng)新”面向的則是在人工智能方面具有特長或處于高等教育階段的學(xué)生。

筆者認為，中小學(xué)開展人工智能教育的目標可劃分為逐級提升的三個方面，即引導(dǎo)學(xué)生豐富有關(guān)人工智能的應(yīng)用體驗，進行模型訓(xùn)練的系列實驗，利用人工智能解決問題。

行動：中小學(xué)如何開展人工智能教育

針對當下學(xué)校將人工智能教育異化為“泛人工智能教育”的問題，上海人工智能實驗室智能教育中心團隊一度呼吁“讓學(xué)生學(xué)習(xí)真正的人工智能”。要實現(xiàn)這一目標，需要政策制定者和教師共同努力，為中小學(xué)生創(chuàng)造必要的學(xué)習(xí)機會?，F(xiàn)實中，部分政策制定者和教師將“學(xué)生能夠?qū)W得懂”作為判定學(xué)校是否能夠開展人工智能教育的主要標準，進而發(fā)出“青少年是否能夠掌握機器學(xué)習(xí)的原理及深度學(xué)習(xí)中的模型訓(xùn)練、部署、應(yīng)用等人工智能內(nèi)容”這樣更高層次的疑問。

實際上，隨著人工智能的發(fā)展，其技術(shù)門檻正逐漸降低，“智能”已可通過“喂養(yǎng)”數(shù)據(jù)而獲得。且學(xué)習(xí)人工智能基本的硬件條件是計算機，依靠許多學(xué)?，F(xiàn)有的機房配置，借助CPU算力訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)模型的速度已發(fā)展至一定水平，即使訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（如全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等），也已綽綽有余。因此，筆者認為，大部分學(xué)校已具備實施人工智能教育的硬件條件。如果有教師希望帶領(lǐng)學(xué)生開展較為復(fù)雜的模型訓(xùn)練，或結(jié)合科創(chuàng)活動以人工智能手段解決真實生活問題，才需購買其他硬件設(shè)備。

此外，開展中小學(xué)人工智能教育的另一個重要條件是擁有相應(yīng)資質(zhì)的教育隊伍。校領(lǐng)導(dǎo)需要鼓勵信息科技教師自主學(xué)習(xí)，或為他們提供培訓(xùn)，并給予其開設(shè)相關(guān)課程的機會，提升其專業(yè)素養(yǎng)。在具體的教學(xué)中，教育者可選擇如下路徑展開實施。

路徑一：融入信息科技、信息技術(shù)課程。義務(wù)教育階段的信息科技課程與高中的信息技術(shù)課程，是開展人工智能教育的有益空間。目前，浙江教育出版社和清華大學(xué)出版社的信息技術(shù)教材，均在八年級設(shè)置了一個學(xué)期的人工智能內(nèi)容。另外，信息科技與信息技術(shù)的課程標準中已涵蓋數(shù)據(jù)編碼、程序設(shè)計、開源硬件、物聯(lián)網(wǎng)等知識，教師可有機融入數(shù)據(jù)集整理，以及模型的搭建、選擇、訓(xùn)練和部署等人工智能相關(guān)內(nèi)容。教師可依托上述資源，靈活設(shè)計課堂教學(xué)。例如，高中信息技術(shù)課程“人工智能初步”模塊強調(diào)要充分利用豐富的開源硬件和人工智能應(yīng)用框架等，聚焦面向?qū)嶋H生活的應(yīng)用場景，引導(dǎo)學(xué)生借由技術(shù)解決真實問題。在執(zhí)教該類課程的過程中，教師可以適當更換教材中的案例，留出恰當?shù)恼n時用于開展人工智能教育。

路徑二：開發(fā)不同方向的校本課程。人工智能是一門實踐性很強的交叉學(xué)科，一個活動案例、幾個創(chuàng)意實驗都可以設(shè)計成一套3～5課時的課程。筆者認為，開發(fā)校本課程是學(xué)校在探索人工智能教育路徑的有效方式。從幾個質(zhì)量較高的校本課程來看，《校園稻草人項目設(shè)計》促使學(xué)生從零開始設(shè)計人工智能作品；《從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到深度學(xué)習(xí)》組合了一系列經(jīng)典人工智能實驗，便于學(xué)生開展循序漸進的探索；《趣味智聯(lián)網(wǎng)入門》對當前信息技術(shù)教材中的物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容進行了拓展，學(xué)生可在教師的帶領(lǐng)下制作多模態(tài)交互的人工智能應(yīng)用。

路徑三：開展相關(guān)科創(chuàng)活動?？苿?chuàng)活動是中小學(xué)跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動的重要形式，教師可組建跨學(xué)科教學(xué)團隊，通過設(shè)計相關(guān)科創(chuàng)活動，帶領(lǐng)學(xué)生開發(fā)人工智能模型，以促進生活中真實問題的解決。例如，借助“AI+科研”“科學(xué)智能+機器猜想”等融合范式整理煩瑣的數(shù)據(jù)，解放人力。又如，人工智能也可以成為助力創(chuàng)意表達的有效工具，可采用“AI+藝術(shù)”模式，生成藝術(shù)品的草圖，在此基礎(chǔ)上表達自己的創(chuàng)意。