王學男　林眾等

編者按：隨著2017年國務院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，其中明確指出應在中小學階段設置人工智能相關(guān)課程、逐步推廣編程教育、建設人工智能學科，培養(yǎng)復合型人才。這為從小學開始開設機器人課程，落實STEM教育理念中的跨學科教育和科學素養(yǎng)提供了最佳入口，由此，機器人教育再度成為教育熱點。機器人教育被現(xiàn)代教育學家認為是培養(yǎng)學生創(chuàng)造力和想象力的有效工具，集機械、電子、編程、物理、數(shù)學、藝術(shù)設計等多學科于一體，有助于學生的邏輯思維能力、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)和實踐動手能力的培養(yǎng)，同時也為我國理工科人才的建設奠定基礎(chǔ)，契合我國課程改革的趨勢與需求。2017年起，以浙江為先的部分地區(qū)將信息技術(shù)（含編程）正式升級為高考項目;大學院校相繼開設機器人類專業(yè)并納入自主招生。但機器人教育的實踐及其課程、教材與STEM理念、核心素養(yǎng)在對接的過程中，仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，以整體的課程體系未建立和缺少國家層面的示范引領(lǐng)為首要問題，智能機器人課程多作為校本課程、興趣小組或社團活動，面向個別群體，由少部分老師自發(fā)組織，或由培訓機構(gòu)提供有償教育服務進行;目前學校多處于實驗室等硬件建設階段，注重環(huán)境創(chuàng)設，但是對核心的課程和教師專業(yè)發(fā)展并沒有明確方向，缺乏能夠勝任教學的老師、老師沒有可教的課程內(nèi)容即載體很突出;課程內(nèi)容主要集中于編程的學習，以Arduino平臺為基礎(chǔ)的服務型機器人為典型，難度不適宜和學科內(nèi)容孤立的問題仍然無法解決;主要采取以賽促學的形式促進該學科發(fā)展，缺乏其他形式的學習、實踐和交流平臺等等?；谶@一前提和背景，本課題組向張鈸院士請教相關(guān)問題并進行了訪談，并圍繞在基礎(chǔ)教育階段，開展機器人課程的教育目標、課程內(nèi)容和形式、人才貫通培養(yǎng)、人工智能的影響以及對機器人教育的相關(guān)建議，這幾個主題進行了深入訪談。

張鈸，清華大學計算機系教授、博士生導師、俄羅斯自然科學院外籍院士、中國科學院院士，現(xiàn)任清華大學人工智能研究院院長，從事人工智能理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、分形和小波等理論研究;并把上述理論應用于模式識別、知識工程、智能機器人與智能控制等領(lǐng)域的應用技術(shù)研究。

張鈸院士與張鈴教授合作提出人工智能問題求解的商空間理論，解決不同粒度空間的問題描述、它們之間的相互轉(zhuǎn)換以及復雜性分析等理論問題，并以該理論為指導，提出多層信息綜合、多層規(guī)劃與搜索等新的研究方法，形成新的算法。在這些領(lǐng)域他已發(fā)表200多篇學術(shù)論文和5篇（或章節(jié)）專著（中英文版），十多項成果分別獲得國家級、部級和國際獎;他的專著獲得國家教委高等學校出版社頒發(fā)的優(yōu)秀學術(shù)專著特等獎;他的科研成果分別獲得ICL歐洲人工智能獎、國家自然科學三等獎、國家科技進步三等獎、國家教委科技進步一、二等獎、電子工業(yè)部科技進步一等獎以及國防科工委科技進步一等獎等獎勵。

關(guān)鍵詞：科學素養(yǎng);基礎(chǔ)教育;機器人教育;課程教材;人才培養(yǎng)

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、培養(yǎng)科學素養(yǎng)是基礎(chǔ)教育的重要目標

訪談者：張院士，您好！非常感謝您在百忙之中抽出時間接受我們課題組的訪談。我們知道您多年來一直致力于計算機科學與技術(shù)的科學研究和人才培養(yǎng)，同時也是國內(nèi)人工智能與機器人領(lǐng)域的知名學者。畢業(yè)后留校任教至今，到2018年已經(jīng)整整六十個年頭，在此期間您對計算機科學與技術(shù)、人工智能領(lǐng)域的研究和高層次人才培養(yǎng)、學科建設等均做出了巨大的貢獻。我們的課題《STEM教育創(chuàng)新與實踐：中小學機器人課程建設的研究》主要是面向基礎(chǔ)教育，基于STEM強調(diào)的學科融合的理念，以機器人課程為載體和切入口，力求從小培養(yǎng)學生的計算思維、創(chuàng)造力等。這與高等教育階段進行機器人教學和研究肯定存在巨大的差別，但基礎(chǔ)教育與高等教育之問的銜接、基礎(chǔ)教育奠定的基礎(chǔ)作用，對機器人教育的系統(tǒng)性也會產(chǎn)生影響。請您從您的角度談談，在基礎(chǔ)教育階段，機器人教育的目標應該什么樣的？

張院士：教育的問題是一個很深刻、很重要的問題，義務教育更是一個非常重要的基礎(chǔ)性問題。你們提出的問題應該由教育家來回答，我不是教育家，所以我只是從受教育者的角度，或者從我所從事的專業(yè)角度來談一些想法。為了回答機器人在基礎(chǔ)教育中的作用，我們需要先搞清楚基礎(chǔ)教育的目的和任務。我認為基礎(chǔ)教育的目的是培養(yǎng)和塑造高素質(zhì)的國民，那么什么是“高素質(zhì)”的國民？它應該包含兩大方面。一個是人文素質(zhì)，包括理想、道德和文化素養(yǎng)等，這涉及國家、社會、家庭和個人等各個方面，涉及教育學的很多問題，今天我不談這些。二是科學素質(zhì)，是我今天要談的主題。我在一次科協(xié)召開的關(guān)于“科學普及”的大會上，聽到以下的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，“2018年我國具備科學素質(zhì)的公眾比例達到了8.47%，比2015年第九次調(diào)查的6.20%提高了2.27個百分點”。但中國人的基本科學素養(yǎng)、科學素質(zhì)仍然在世界平均水平之下。這給予我很大的震撼，并留下很深的印象。

造成這個現(xiàn)象的原因可能有兩個方面，一方面是關(guān)于科學素養(yǎng)、科學素質(zhì)的教育不夠普及，這個“教育”是說的大教育的概念，不只是學校的教育。一般來講發(fā)展中國家國民的科學素養(yǎng)、科學素質(zhì)與發(fā)達國家之間有比較大的差距，這屬于科學普及的問題，因為一個人科學知識缺乏，就會容易傾向于輕信。另外一方面則是學校教育本身。學校基礎(chǔ)教育對科學素質(zhì)的培養(yǎng)通常是通過傳授核心科學（Core Sciences）知識來完成的。這個核心科學過去主要指數(shù)學、物理、化學，有時還包括生物（隨著科學技術(shù)的發(fā)展，普遍認為目前中小學教育所教的核心科學，除數(shù)理化三門之外，還需增加生態(tài)學、地球科學和計算機科學），即通過核心科學知識的傳授，培養(yǎng)學生以下三個方面的科學素養(yǎng)。一個是科學精神，即科學的批判精神，以建立一種獨立的、科學的批判能力。馬克思不是說過他最喜歡的格言是“懷疑一切”？因為“懷疑一切”是科學批判精神的精髓，也是創(chuàng)新的出發(fā)點。二是教給學生科學的方法，提高他們獨立分析問題和解決問題的能力，以應對今后工作上和生活上所面臨的問題。三是培養(yǎng)科學的作風，即嚴謹、實事求是的科學作風。從科學素質(zhì)的培養(yǎng)來看，我國當前的中小學教育（基礎(chǔ)教育）究竟發(fā)揮著什么樣的作用？哪些是好的應該繼續(xù)發(fā)揚，哪些是不好的應該注意改進呢？面對信息爆炸、知識快速增長的現(xiàn)代社會，中小學教育應該如何面對呢？在這方面我們與西方國家教育思想的差異還比較大，我們比較重視核心科學知識的傳授，而他們更重視通過核心科學知識的傳授，讓學生建立起科學精神，掌握好科學方法，樹立起科學作風。

現(xiàn)在回到機器人教育在基礎(chǔ)教育中的作用問題。我贊成把生態(tài)學、地球科學和計算機科學列入當今中小學教育的核心科學（Core Science），因此我贊成把計算機科學列入中小學的必修課。但是我不贊成把機器人、人工智能等列入必修課程里，因為基礎(chǔ)教育的時間有限，我們不可能把所有的科學內(nèi)容都列入中小學必修課程?；A(chǔ)教育的正式課程中，所傳授的科學知識應該屬于相當穩(wěn)定，已經(jīng)形成體系，且具有普適意義的基礎(chǔ)科學知識。我們剛才說過，傳授科學知識的主要目的是提高學生的科學素養(yǎng)，因此不是科學知識傳授的越多越好。但我認為機器人可以作為選修的內(nèi)容設計在課程體系中，因為機器人是目前很熱門的領(lǐng)域，許多青少年對此感興趣，因此學生可按照興趣來選修、選學。機器人教育的目標應該是，培養(yǎng)學生對科學的興趣與熱愛。機器人課程應該重視實踐，通過它還可以培養(yǎng)學生的動手能力。

二、中小學機器人課程和教材要注重互動性

訪談者：您剛剛從提高國民科學素養(yǎng)的視角和高度，為我們闡釋了基礎(chǔ)教育階段進行機器人教育的一個基本前提和目標。讓我們理解到從科學家、科學觀的角度來看待，基礎(chǔ)教育對于培養(yǎng)人的科學素養(yǎng)的重要意義。知識的增加只是外顯的行為上的變化，知識不斷更新?lián)Q代，知識學習是無法窮盡的，學校教育也很難跟上科技知識的更新速度，那么您給出了我們?nèi)绾胃脩獙Φ摹暗馈?，就是關(guān)注對人的科學素養(yǎng)、素質(zhì)上的培養(yǎng)，通過科學的精神和作風去對待，用科學的方法去獲取和判斷。那么如果從這個基本認知的前提出發(fā)，在基礎(chǔ)教育階段開設機器人課程，應該如何定位呢？

張院士：我覺得我國的基礎(chǔ)教育與國外的差異，主要不是體現(xiàn)在教材上，我們的教材內(nèi)容通常比國外的更多和更深，而是體現(xiàn)在教學方法或者教育思想上。我們重視知識傳授，大多數(shù)是灌輸式的滿堂灌，課堂很不活躍。相反，國外的教學則是互動式的，學生踴躍參與，對任何的科學結(jié)論都可以有自己的看法，都可以提出質(zhì)疑，老師積極鼓勵學生這樣去做，因此教學的效果很不相同。下面是美國一所私立小學對5年級優(yōu)秀（班上唯一獲得A+）學生的獎狀（評語），從中可以看出他們怎么看待“優(yōu)秀生”。

******（姓名）

Is presented with this award for being an Educated Achiever

Demonstrates critical thinking，problem solving and proficient writing.Have a knowledge that exceeds state academic standards.Working independently and cooperatively with peers.Understanding and engage in all areas of the curriculum across Science，Technology，Engineering，Arts and Math.

Upper School Director*****（簽名）

Oct.24.2018

其中提到：批判性思維，獨立工作能力，與他人合作精神，具有超過國家知識標準的知識，參與并理解所有課程包括科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學等（即全面發(fā)展）。

我在美國看到一位老師帶領(lǐng)一群4-5歲小孩看畫展，印象深刻。在國內(nèi)看畫展的場景一般是這樣的，觀眾跟著講解員一路走一路聽下去。設想一下，如果這些聽眾是4-5歲小孩，情況會是怎樣？孩子們無法耐心聽下去，到處亂跑，或者心不在焉。而我看到的場景卻是這樣：老師帶著一群小孩圍坐在一副畫前，孩子們爭相舉手發(fā)表意見，老師趁勢進行講解，這是一個師生參與的完全互動的過程，非?；钴S。

機器人教育不只是給孩子們普及一點相關(guān)的知識，重要的是要利用學生的好奇心，引導他們熱愛科學，從中學到科學知識。因機器人課程的教學過程也必須是互動的，生動的，特別要把動手制作與知識學習結(jié)合起來。

三、機器人課程中的編程是為了更好的思維和理解

訪談者：我們課題組有這樣一個初心，因為孩子天生是愛玩的，學習本來就是要吃苦的，那么我們能不能將機器人作為一個學習科學、學習計算機科學的載體，把這些相關(guān)的知識“裝”進去，以此來提高孩子對抽象知識的興趣，并通過知識的學習同時培養(yǎng)他們的科學素養(yǎng)呢？

張院士：我知道您的意思。您說的很對，必須提高學生對學習的興趣。這也是我們現(xiàn)在中小學教育的最大弊病，我們的課堂很嚴肅，很沉悶，只有老師在講。相反，他們的課堂很活躍，能夠喚起孩子對學習的興趣，滿足他們對知識的渴望。為什么他們能做到這一點？主要是依靠啟發(fā)式和互動式的教學理念與方法。舉一個簡單的例子，我記得我在小學時上的“圖畫課”，是老師先在黑板上畫一只蘋果，大家照著畫，誰畫得像，誰的成績好（不知道現(xiàn)在是不是這樣）。他們的繪畫課完全不同，老師出一道題目叫“Spring”（春天），讓學生作畫。結(jié)果每個學生都非常有興趣，充分展開想象力，有畫一輪升起的太陽，有地上長出的一枝嫩芽，土里爬出的一只小蟲，五花八門，每個學生畫的都不一樣。顯然，二者的教育思想很不相用，一個是培養(yǎng)繪畫技巧，一個是培養(yǎng)想象力與創(chuàng)造性。說明二者設立繪畫課的目的是不一樣的，因為基礎(chǔ)教育不同于專業(yè)教育，學生進入藝術(shù)學院學繪畫，其目的要把繪畫作為職業(yè)，繪畫技巧自然對他們很重要。而基礎(chǔ)教育中的繪畫教育，不是要培養(yǎng)學生成為畫家，而是為了提高他們的藝術(shù)素養(yǎng)。這同樣適用于中小學階段的機器人教育，它不是培養(yǎng)未來從事機器人研制與應用的工程師，而是通過它培養(yǎng)學生的科學素質(zhì)。

訪談者：在小學的科學課程標準里，其中有一個單元，叫技術(shù)與工程。在這個領(lǐng)域里就涉及了計算機、機械等。這樣的話，其實是給機器人作為一個小載體，提供了一定的前提條件。

張院士：把機器人作為學習“技術(shù)與工程”這門課的載體，這個想法很好，能夠充分體現(xiàn)機器人在基礎(chǔ)教育中的作用?！凹夹g(shù)與工程”課程設置的目的是要培養(yǎng)學生的動手能力，通過機器人這個載體，完全可以達到這個目的，而且“機器人”更能引起學生的學習興趣。

訪談者：張院士，剛才您說的那些觀點，我都非常贊同。我在做教育教學實踐、教師培訓的過程中，其實一直都踐行今天您剛剛談到的批判性思維、創(chuàng)新精神，我覺得這在中小學也特別值得提倡的。但在理念落地的過程中，也就是在中小學開展機器人、人工智能教育，現(xiàn)在大家還特別迷茫。例如編程，我們中小學究竟應該給孩子教什么，小學教什么，初中教什么，高中教什么。所以在這個過程中，我探究了20多年。其實在小學階段，關(guān)于從哪個年級開始開課，我就經(jīng)過了長達10多年的實驗探究。我發(fā)現(xiàn)從四年級開始開課教編程還是可以的，因為孩子的數(shù)學知識、語文知識都建構(gòu)了一定的基礎(chǔ);然后到了高年級講代碼。我就想向您請教，機器人、人工智能中間搭橋的是不是這個編程？

張院士：如果認為計算機科學是21世紀的核心科學，那么計算機科學進入中小學必修課程則勢在必然。編程是學習計算機原理的重要途徑，因為通過編程我們會了解到計算機是如何工作，它是怎樣地去解決實際問題的。至于從何時開始學習，學到怎樣的深度，這是需要認真研究的，我不好發(fā)表意見。我覺得考慮這個問題的出發(fā)點應該是：中小學生為什么要學習編程，它的目的是什么。這就要回到基礎(chǔ)教育的目的上來。因為我們不是專業(yè)教育，我們教中小學生編程不是為了他們將來成為程序員，而是通過它讓學生掌握計算機科學的基本原理與知識。當然機器人和人工智能都可以作為學習編程的載體，但目的還是不變的，即通過編程學習計算機科學的基本原理，通過它提高學生科學分析的能力和創(chuàng)新的能力。

四、研究型大學的本科教育應寬口徑、重基礎(chǔ)

訪談者：根據(jù)您剛才講的，如果從學生發(fā)展的時間維度來看的話，基礎(chǔ)教育一定要學核心的知識、核心的科學。那學生隨著年齡的增長，從基礎(chǔ)教育到高等教育，他學的知識是越來越精、越來越專的嗎？

張院士：這要看他們進入那一類型的高等學校。美國大概有3000多所大學，其中研究型大學大概也就100所200所。中國也有大學3000多所（包括大專），其中研究型大學大概不到10%，應用型本科和研究型本科有不同的定位，應用型大學偏重于專業(yè)教育，由于專業(yè)相對比較窄，因此學習的內(nèi)容相對專一些。研究型大學實際上是側(cè)重于素質(zhì)教育，或者叫通識教育，雖然有不同學科的劃分，但學科比較寬。以工科為例，它通常分為電機、機械、土木、建筑和計算機科學等門類，專業(yè)的口徑很寬，也就是說這些門類的基礎(chǔ)基本相同，不同只是后面的少數(shù)專業(yè)課。學校教學的重點在于基礎(chǔ)教育，這樣做的好處是，由于基礎(chǔ)打得寬，適應性就比較強。既能適應不同類型的工作，也能適應科學發(fā)展帶來的技術(shù)更新與變化。比如，一位電機專業(yè)畢業(yè)的學生，可以適應多方面的工作，如電力、通訊、計算機工程等。

訪談者：您說的這個觀點，我特別贊同，尤其是理工科的專業(yè)基礎(chǔ)課非常多，以后確實不會都用到，但是人的職業(yè)生涯往往只能從這棵樹上剪下一到幾支，但需要你學習新知時，你幾乎所有的脈絡和思維管道都是打通的，是成體系的，這就頗有不同了。

五、人工智能在冷與熱中逐步推進

訪談者：現(xiàn)在對于人工智能和機器人教育，不同學科領(lǐng)域和媒體對他的理解與解釋都不盡相同，機器人教育也已經(jīng)存在了一段時間。想請您談談，目前人工智能是不是一種“虛火”？人工智能對機器人教育的影響是什么？

張院士：應該看到人工智能在近20多年有巨大的進展，它帶來許多出乎人們預想不到的應用，如人臉識別、語音識別等等。這也是近年來人工智能掀起熱潮的重要原因，人工智能的高潮也帶來機器人的熱潮。目前看來，為了防止過熱，需要注意以下兩點：一是目前人工智能還是處在發(fā)展的初期，深度學習只是人工智能中的一個小領(lǐng)域，人工智能中還有大量的問題還沒有解決，如常識表示、不確定性推理等等;二是目前深度學習能夠解決的問題還十分有限，而且理論與技術(shù)本身還有三個巨大缺陷，即不可解釋性、脆弱性和不具備理解能力等。上述問題如果不能得到及時解決，人工智能就有可能陷入困難，其發(fā)展就有可能受阻。這一點我們必須清醒地看到，加強基礎(chǔ)研究防患于未然，才能防止陷入盲目性。機器人也可以看作是人工智能的一個分領(lǐng)域，我的意見是，目前人工智能還不宜于作為一個學科在研究型大學的本科進行培養(yǎng)?？梢栽趹眯偷拇髮W（或大專）里設置相應的專業(yè)作為試點，但也不宜全面鋪開，因為人工智能還處在發(fā)展的初期，尚未形成成熟的學科。

六、教育自信與省思是未來發(fā)展的基本態(tài)度

訪談者：最后，想請您再從人才培養(yǎng)，尤其是現(xiàn)在國際上、國內(nèi)都非常重視的創(chuàng)造性來談談，給我們一些建議。

張院士：我只能從我身邊接觸的年青教師和博士生來談一點體會，應該說我所接觸的這些年輕人，是我國目前培養(yǎng)的最高水平的人才。與發(fā)達國家（如美國）的同齡人相比，應該說已經(jīng)沒有什么差距了。但是，大家可能要問，那我們國家的科技創(chuàng)新能力卻不如他們，而且差距還很大？我認為這還需要時間，因為我們目前只是在少數(shù)地方，極少數(shù)年青人中達到這個水平。一個國家要具備高度的創(chuàng)新能力，不僅需要成長一批宏大的高素質(zhì)的科技隊伍，還要形成高度開放和寬松的創(chuàng)新環(huán)境，吸引全世界的優(yōu)秀人才與我們共同努力才能達到這個目標。因此我們離這個目標還有很長的路要走。