劉 剛

《北京市加快科技創(chuàng)新培育人工智能產(chǎn)業(yè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出，到2020年，培育一批具有國(guó)際影響力的人工智能領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，涌現(xiàn)一批特色創(chuàng)新型企業(yè)，創(chuàng)新生態(tài)體系基本建立，初步成為具有全球影響力的人工智能創(chuàng)新中心。這說(shuō)明，人工智能對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的支撐能力顯著增強(qiáng)，成為北京市新的重要經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。在信息技術(shù)日新月異的今天，教育信息技術(shù)領(lǐng)域的研究者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，人工智能教育要從青少年抓起，因此，人工智能教育及教育人工智能化在中小學(xué)學(xué)生的教育體系中地位也越來(lái)越重要。

一、人工智能 樂(lè)享生活

現(xiàn)在已經(jīng)有很多人工智能應(yīng)用到生活之中，但是從研究者的角度理解，這種人工智能應(yīng)該被理解為是弱人工智能，因?yàn)槠淙斯ぶ悄芑€不夠，生活中比較常見(jiàn)的有以下幾種。

(1)智能導(dǎo)航。一個(gè)比較簡(jiǎn)單的人工智能應(yīng)用。只需要輸入出發(fā)地點(diǎn)和目的地，再加上如選擇距離最近或經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等對(duì)路線的限定條件，計(jì)算機(jī)可以通過(guò)算法推薦最適合的路線。

(2)翻譯軟件?，F(xiàn)在的翻譯軟件已經(jīng)做得很智能化，前幾年翻譯一篇文章，翻譯軟件是靠逐字翻譯實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，得出的文意很模糊，有時(shí)甚至不知所云。但現(xiàn)在翻譯軟件將人工智能的大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整段的翻譯，因此，在翻譯這一方面，人工智能應(yīng)用后，用戶的體驗(yàn)得到了很大的改善。

(3)支付或者人臉識(shí)別的系統(tǒng)。人臉識(shí)別其實(shí)在人工智能的應(yīng)用方面應(yīng)用比較成熟。無(wú)論是圖像、人臉還是語(yǔ)音識(shí)別，這些技術(shù)很大程度上方便了人們的生活。

二、人工智能替代人類的假說(shuō)

人工智能目前的研究?jī)?nèi)容主要有以下幾方面：機(jī)器如何像人一樣關(guān)注并獲取世界上的信息；信息在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中如何進(jìn)行存儲(chǔ)和加工；機(jī)器如何自主思考、創(chuàng)新和解決問(wèn)題。而人工智能的核心問(wèn)題包括：建構(gòu)能夠與人類類似甚至超越人類的推理、知識(shí)、規(guī)劃、學(xué)習(xí)、交流、感知、移物、使用工具和操控機(jī)械的能力等。人工智能將不僅涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)、哲學(xué)和語(yǔ)言學(xué)等學(xué)科，還將涵蓋自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的所有學(xué)科，其范圍已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)科學(xué)的范疇。

人工智能的到來(lái)勢(shì)必對(duì)人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)挑戰(zhàn)與機(jī)遇，但最終人工智能是否能替代人類，或者是能替代人的什么工作，現(xiàn)在有很多人對(duì)此進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，關(guān)于計(jì)算類的、標(biāo)準(zhǔn)類的或者一些重復(fù)操作且不需要人情關(guān)懷的職業(yè)，肯定會(huì)被人工智能所代替。如精算師、年報(bào)分析師、理財(cái)師、司機(jī)、西裝打版師傅、律師、車間工人、翻譯、導(dǎo)游、打字員、門衛(wèi)、驗(yàn)票員、巡邏員、便利店?duì)I業(yè)員等，這些職業(yè)的人員都可能被人工智能替代，而且有很多工作可以在短時(shí)間內(nèi)讓人們體會(huì)到人工智能的便利性。但歸根結(jié)底，技術(shù)更新的最終目的是服務(wù)于人類?，F(xiàn)在的人工智能雖然能力強(qiáng)大，可是從目前來(lái)看，人工智能至少在短時(shí)間內(nèi)不能做到像人一樣進(jìn)行思考，具有感情或者情緒的變化，因?yàn)槿斯ぶ悄芟鄬?duì)而言，是沒(méi)有自己的思維，它是依照人類編寫的程序進(jìn)行活動(dòng)，但它可以通過(guò)訓(xùn)練與學(xué)習(xí)來(lái)讓自己變得更加強(qiáng)大。

三、有關(guān)人工智能發(fā)展的政策解讀

首先，國(guó)家政策方面。從2015年開(kāi)始，國(guó)務(wù)院先后印發(fā)了《中國(guó)制造2025》《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》等關(guān)于智能制造的發(fā)展綱要。后續(xù)國(guó)家其他部委也頒發(fā)了很多關(guān)于智能制造等方面的政策與倡導(dǎo)。人工智能從國(guó)家層面已經(jīng)成為一個(gè)趨勢(shì)與潮流，但如何把人工智能引進(jìn)教育領(lǐng)域，還有很多工作要做。表1是人工智能化國(guó)家政策方面的發(fā)展歷程。

表1 國(guó)家關(guān)于人工智能的相關(guān)政策發(fā)布時(shí)間軸

表1 (續(xù))

其次，教育政策方面。2017年10月，教育部考試中心發(fā)布了“關(guān)于全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試（NCRE）體系調(diào)整”的通知，決定自2018年3月起，在計(jì)算機(jī)二級(jí)考試中加入“Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”科目。2017年12月，浙江省信息技術(shù)課程改革方案明確規(guī)定：Python語(yǔ)言確定進(jìn)入浙江省信息技術(shù)高考。且從2018年起，浙江省信息技術(shù)教材編程語(yǔ)言會(huì)從VB語(yǔ)言更換為改用簡(jiǎn)單、易懂的Python語(yǔ)言。2017年年底，Python進(jìn)入山東省小學(xué)教材、浙江省的高考試卷。山東省最新出版的小學(xué)信息技術(shù)六年級(jí)教材已加入Python內(nèi)容。2018年1月，人工智能進(jìn)入全國(guó)高中新課程標(biāo)準(zhǔn)，2018秋季學(xué)期執(zhí)行。教育部2018年1月發(fā)布《普通高中課程方案和語(yǔ)文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》，在此次新課標(biāo)改革中，正式將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)處理正式劃入新課標(biāo)。2018秋季入學(xué)的高中生，將要學(xué)習(xí)人工智能的課程。2018年4月，教育部發(fā)布《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》。首部人工智能基礎(chǔ)教材在上海發(fā)布，全國(guó)的40所高中將開(kāi)設(shè)人工智能課程。到2020年，建立50家人工智能學(xué)院、研究院或交叉研究中心，并引導(dǎo)高校通過(guò)增量支持和存量調(diào)整，加大人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)力度。構(gòu)建人工智能多層次教育體系。在中小學(xué)階段引入人工智能普及教育；不斷優(yōu)化完善專業(yè)學(xué)科建設(shè)，構(gòu)建集人工智能專業(yè)教育、職業(yè)教育和大學(xué)基礎(chǔ)教育于一體的高校教育體系。截至2018年5月5日，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、南京大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)等名校均已設(shè)立人工智能學(xué)院。

計(jì)算思維和編程內(nèi)容已經(jīng)出現(xiàn)在高考試卷中，盡管人工智能教育尚未單獨(dú)作為一個(gè)學(xué)科出題。從2018年開(kāi)始，每年的高考數(shù)學(xué)都會(huì)出現(xiàn)一道程序選擇題，以流程圖或偽代碼的形式出現(xiàn)，考查學(xué)生對(duì)循環(huán)語(yǔ)句和條件判斷的掌握情況。例如，2019年北京高考理科數(shù)學(xué)的最后一道題，它雖然是一道序列題，但如果從程序或者動(dòng)態(tài)規(guī)劃的角度來(lái)看，它的思路和解題方式可以有不同的角度。

四、適合青少年人工智能教育的編程語(yǔ)言與課程

1.編程語(yǔ)言及工具

人工智能現(xiàn)在的實(shí)現(xiàn)方式是依靠程序。因此，人工智能教育其實(shí)和信息技術(shù)教育、編程教育是緊密聯(lián)系在一起的。目前市場(chǎng)上，針對(duì)青少年編程教育的主流軟件有4款，如圖1所示，它們背后都有非常強(qiáng)大的學(xué)校與企業(yè)支撐。國(guó)內(nèi)很多的編程語(yǔ)言都是直接使用或者在它的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造優(yōu)化，因?yàn)檫@些軟件都是開(kāi)源的，都可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

圖1

人工智能教育從宏觀政策規(guī)劃已經(jīng)落實(shí)到具體教育實(shí)施任務(wù)要點(diǎn)，但目前國(guó)內(nèi)智能教育還存在著不少挑戰(zhàn)。不管是高校還是中小學(xué)，智能教育理論還沒(méi)有形成成熟的體系；培養(yǎng)學(xué)生模式及教材還處于松散實(shí)踐階段，缺乏統(tǒng)一權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)；作為教學(xué)核心力量的師資，教學(xué)水平參差不齊；教學(xué)裝備及場(chǎng)地資源存在需求不足等問(wèn)題，亟待解決。

中國(guó)科學(xué)院(以下簡(jiǎn)稱“中科院”)計(jì)算技術(shù)研究所依托強(qiáng)大的技術(shù)和專業(yè)優(yōu)勢(shì)，自主研發(fā)的適合中國(guó)青少年使用的編程語(yǔ)言“木蘭”，自主開(kāi)發(fā)可視化智能解決方案“動(dòng)手客”，從幼兒園到高中的全階段，信息技術(shù)及人工智能體系化課程，加上自身中科院平臺(tái)及區(qū)域資源優(yōu)勢(shì)，從發(fā)展目標(biāo)上，與以往最大的區(qū)別是肩負(fù)習(xí)近平總書(shū)記和中科院關(guān)于實(shí)現(xiàn)人工智能國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)及自主可控關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)的深遠(yuǎn)任務(wù)。

(1)編程語(yǔ)言：“木蘭”。這是專為人工智能教育而生的中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)編程語(yǔ)言，由中科院計(jì)算所孵化企業(yè)中科智芯（北京）科技有限公司自主研發(fā)。語(yǔ)言設(shè)計(jì)上屏蔽了其他針對(duì)成人設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言的特性，如編程環(huán)境調(diào)試復(fù)雜等，讓學(xué)生在編程語(yǔ)言學(xué)習(xí)之初不為細(xì)節(jié)所牽絆，具有更易理解、易于學(xué)習(xí)、易于閱讀、易于維護(hù)等特性；且支持跨平臺(tái)，對(duì)Android，UNIX，Windows都可以很好的兼容。中學(xué)階段課程中，為了培養(yǎng)學(xué)生編程語(yǔ)言綜合應(yīng)用能力，本階段人工智能課程，會(huì)在學(xué)習(xí)“木蘭”語(yǔ)言的同時(shí)，學(xué)習(xí)和應(yīng)用Python，C，C++語(yǔ)言，并應(yīng)用這些不同的語(yǔ)言進(jìn)行相對(duì)較大的人工智能和大數(shù)據(jù)項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)。

(2)“動(dòng)手客”移動(dòng)端。主要包括：移動(dòng)設(shè)備教學(xué)、可視化編程、無(wú)線藍(lán)牙燒寫程序，讓編程教學(xué)變得更簡(jiǎn)便；語(yǔ)音識(shí)別、合成，通過(guò)程序設(shè)計(jì)自制智能聊天機(jī)器人；人臉、圖像識(shí)別，讓每個(gè)學(xué)生作品，不但會(huì)聽(tīng)、說(shuō)，還會(huì)看、識(shí)，情緒控制，表情模擬，做個(gè)“有情有義”的人工智能“好朋友”；AR增強(qiáng)、VR虛擬現(xiàn)實(shí)，并非虛擬和現(xiàn)實(shí)的簡(jiǎn)單疊加，而是讓學(xué)生對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，讓作品更豐富。

(3)“動(dòng)手客”PC端。支持模擬連接、模擬仿真，在軟件上驗(yàn)證程序和電路設(shè)計(jì)的正確性；解決以往嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)教學(xué)時(shí)，無(wú)法定位硬件錯(cuò)誤還是軟件錯(cuò)誤問(wèn)題；支持?jǐn)?shù)十種傳感器及外設(shè)設(shè)備，可以充分滿足使用者的功能需求；教學(xué)軟件采用圖形化編程，不需要編寫代碼，避免了復(fù)雜語(yǔ)法的學(xué)習(xí)，降低了學(xué)習(xí)門檻；支持多事件、多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，穩(wěn)定性和功能多樣性遠(yuǎn)超Arduino方案。

2.精品課程

除了軟件之外，中國(guó)科學(xué)院還開(kāi)發(fā)了一些課程，主要有以下幾類。

(1)人工智能基礎(chǔ)套裝Alpha套裝。支持語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成、圖像識(shí)別、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等高端的人工智能應(yīng)用，配套課程以故事的形式引入，以項(xiàng)目的方式教學(xué)，將機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子電路、軟件編程、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)、情緒控制技術(shù)等人工智能領(lǐng)域的知識(shí)娓娓道來(lái)。豐富的金屬結(jié)構(gòu)套件，可搭建出學(xué)生充滿想象力的造型。編程采用圖形化編程，支持Android移動(dòng)平臺(tái)。

該課程可以根據(jù)學(xué)生熟悉的生活場(chǎng)景，讓學(xué)生了解生活中語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛等常見(jiàn)應(yīng)用及未來(lái)的發(fā)展方向，為后續(xù)進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本課程可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，引發(fā)學(xué)生關(guān)注生活中的人工智能，思考人工智能的發(fā)展，進(jìn)而探索人工智能更廣泛的應(yīng)用和創(chuàng)造。

(2)人臉識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)。采用自主研發(fā)的機(jī)器視覺(jué)算法，運(yùn)行效率高、消耗資源低。采用非配合式，自動(dòng)進(jìn)行人臉檢測(cè)與識(shí)別。學(xué)習(xí)者能夠深入了解人臉識(shí)別的基本原理，并也能夠自主開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的應(yīng)用。采用圖形化編程，編程軟件支持Android平臺(tái)。

通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握機(jī)器學(xué)習(xí)和機(jī)器視覺(jué)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，開(kāi)闊學(xué)生視野、使學(xué)生了解人工智能的發(fā)展前沿，培養(yǎng)學(xué)生一定的科學(xué)研究方法與技能，為有潛力成為研究型人才的學(xué)生打下一定基礎(chǔ)。

(3)人工智能決策與博弈。通過(guò)學(xué)生喜聞樂(lè)見(jiàn)的、高對(duì)抗性的娛樂(lè)載體五子棋為研究對(duì)象，以理論與實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)建相結(jié)合為原則，讓學(xué)生完整應(yīng)用計(jì)算思維解決問(wèn)題。通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)器視覺(jué)與機(jī)械臂控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，將博弈系統(tǒng)的最終決策在現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行執(zhí)行，最終實(shí)現(xiàn)真實(shí)的人機(jī)對(duì)弈。圖形化編程軟件支持Windows平臺(tái)，支持代碼編程。

課程中學(xué)生學(xué)會(huì)和應(yīng)用，排序、貪心和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等算法，通過(guò)問(wèn)題解構(gòu)、模式識(shí)別、模式歸納、算法設(shè)計(jì)讓學(xué)生能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)棋類博弈系統(tǒng)程中的棋局表示、走法生成、搜索引擎以及局面評(píng)估4個(gè)部分；針對(duì)人工智能教育專門自主研發(fā)的博弈算法，專為K12人工智能教育而生，極大降低了人工智能教學(xué)門檻。

(4)自動(dòng)駕駛與智慧交通。實(shí)現(xiàn)從圖形化編程到代碼式編程的無(wú)縫銜接，難度從入門到高階。結(jié)構(gòu)由車模組裝件、攝像頭、傳感器、控制板等組成。搭配搭載人工智能模塊的軟硬件，可讓學(xué)生充分理解自動(dòng)駕駛應(yīng)用技術(shù)，并制作出仿真車結(jié)構(gòu)的自動(dòng)駕駛車，培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生創(chuàng)新能力和人工智能技術(shù)實(shí)踐能力。圖形化編程軟件支持Windows平臺(tái)，支持代碼編程。

該課程從培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維作為出發(fā)點(diǎn)，讓學(xué)生設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。從識(shí)別、檢測(cè)和圖像處理的硬件組裝，到車道識(shí)別的算法設(shè)計(jì)、優(yōu)化，再到識(shí)別的軟件開(kāi)發(fā)，讓學(xué)生能夠自主設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過(guò)項(xiàng)目方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)研究的方法與技能。

五、人工智能教育化可采用的模式和對(duì)策

人工智能教育與如何把將人工智能應(yīng)用到教育上是兩個(gè)重要的目標(biāo)。針對(duì)兩者的發(fā)展，可以從學(xué)校、教師和學(xué)生3個(gè)方面采取不同的模式和對(duì)策，如圖2所示。

圖2

(1)學(xué)校方面。傾向于信息化建設(shè)和智慧校園、人工智能學(xué)科建設(shè)。隨著人工智能技術(shù)的剛需發(fā)展，對(duì)其內(nèi)容的學(xué)習(xí)、研究、應(yīng)用、普及也逐漸加入學(xué)校學(xué)科建設(shè)日程，包含了人工智能編程教育課程設(shè)立、教材研發(fā)、人工智能實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等。

(2)教師方面。有很多應(yīng)用服務(wù)于教學(xué)、方便教師優(yōu)化教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)方式。教師由傳統(tǒng)知識(shí)傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生建構(gòu)知識(shí)體系的協(xié)助者、教學(xué)活動(dòng)組織者，同時(shí)具備數(shù)字化能力。目前，有以下幾類系統(tǒng)正在應(yīng)用。

①智能教學(xué)系統(tǒng)。智能教學(xué)系統(tǒng)依靠主體技術(shù)來(lái)進(jìn)行構(gòu)建，通過(guò)建立教師主體、學(xué)生主體、教學(xué)管理主體等，可以根據(jù)不同學(xué)生的特點(diǎn)制訂和實(shí)施相應(yīng)的教學(xué)策略，為學(xué)生提供個(gè)性化的教學(xué)服務(wù)?；诰W(wǎng)絡(luò)的分布式智能教學(xué)系統(tǒng)是目前智能教學(xué)系統(tǒng)的最新發(fā)展方向，它可以使原本相隔在不同地區(qū)的學(xué)生在虛擬的環(huán)境之中共同學(xué)習(xí)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，發(fā)揮學(xué)習(xí)者的主動(dòng)性，帶來(lái)更好的教學(xué)效果。

②智能網(wǎng)絡(luò)組卷閱卷系統(tǒng)。無(wú)紙化考試，使用計(jì)算機(jī)建立與管理題庫(kù)、選題組卷、考試與閱卷等多個(gè)環(huán)節(jié)。

③智能決策支持系統(tǒng)(如圖3所示)。智能決策支持系統(tǒng)(主要由數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)、方法庫(kù)、人機(jī)接口以及智能部件組成)，能夠更充分地應(yīng)用人類知識(shí)，通過(guò)邏輯推理來(lái)幫助解決復(fù)雜的決策問(wèn)題。目前，其在網(wǎng)絡(luò)教育領(lǐng)域的應(yīng)用方面顯示出了極強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿兔篮们熬啊?/p>

圖3

④智能仿真教學(xué)系統(tǒng)。在遠(yuǎn)程教育教學(xué)中，智能仿真技術(shù)是人工智能與仿真技術(shù)的高度集成，它力求克服以往傳統(tǒng)仿真的模型及建模方法的局限性，以及建模困難、界面單調(diào)和結(jié)果費(fèi)解等方面的問(wèn)題。

(3)學(xué)生方面。同樣有很多地方應(yīng)用了人工智能以便學(xué)習(xí)和交流，如技術(shù)學(xué)習(xí)環(huán)境、內(nèi)容、陪伴方面。學(xué)生在學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)思維、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)場(chǎng)景都發(fā)生了變化，不僅體現(xiàn)在校內(nèi)的學(xué)習(xí)，校外的學(xué)習(xí)也偏向其自主性，如圖4所示。

圖4

六、結(jié)語(yǔ)

研究表明，人工智能方面人才的建設(shè)，要從中小學(xué)的階段就著手培養(yǎng)。人工智能的實(shí)現(xiàn)方式主要是依靠程序，因此，本文研究了適合青少年人工智能教育的編程語(yǔ)言與課程，并對(duì)人工智能教育與教育人工智能化可采取的模式和對(duì)策進(jìn)行總結(jié)，期望能為中小學(xué)學(xué)生教育信息化教學(xué)提供參考，促進(jìn)人工智能更深遠(yuǎn)的發(fā)展。