劉峽壁

摘要： 將人工智能引入教育的價值是多重的。在中小學開展人工智能教育，不僅能為學生適應人工智能時代的生產(chǎn)和生活儲備知識與技能，還是推動人類教育走向更高階段的必然需要。人工智能與教育的內(nèi)在統(tǒng)一性在于二者都是為了人類更好地認識和完善自己。在基礎教育階段，教師可通過“人工智能+教育”與“教育+人工智能”兩種模式開展人工智能教育，幫助學生更好地認識與完善自己。

關(guān)鍵詞：人工智能；基礎教育；AI教育；教育AI；智慧教育

近年來，人工智能教育在基礎教育中得到了快速發(fā)展。這在很大程度上是政策驅(qū)動的結(jié)果，但更深層次的原因是科學技術(shù)發(fā)展的趨勢使然。人類發(fā)展科學技術(shù)的目的是拓展人認識世界和改造世界的能力。目前，拓展人體力的技術(shù)已發(fā)展到相當高的程度，其進一步的發(fā)展只會體現(xiàn)為量的增長，而無法引起質(zhì)的飛躍。能讓人類認識世界和改造世界能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍的，則是拓展人智力的技術(shù)。因此，承擔這一使命的人工智能技術(shù)成為當今科學技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。這種趨勢首先體現(xiàn)在，科幻電影大多以人工智能為主題，或者以高度發(fā)展的人工智能作為其敘事背景，“科幻電影中的場景變成現(xiàn)實”是人們對人工智能的一種樸素認識。這種趨勢還體現(xiàn)在人工智能向各技術(shù)分支越來越寬廣和深入的滲透上。目前，很多學科均以人工智能作為未來進一步發(fā)展的突破口，或者將人工智能作為引起未來技術(shù)突破的必要工具。除此之外，筆者認為人工智能教育的快速發(fā)展還源自教育本身。在基礎教育階段引入人工智能教育，不僅能為人工智能產(chǎn)業(yè)的興起培育技術(shù)人才，還可以為人們適應人工智能時代的生產(chǎn)和生活儲備知識與技能。更重要的是，發(fā)展人工智能教育是推動人類教育走向更高階段的必然需要。這是因為發(fā)展人工智能與發(fā)展教育的內(nèi)在是統(tǒng)一的。

一、人工智能與教育具有內(nèi)在統(tǒng)一性

為何人工智能與教育具有內(nèi)在統(tǒng)一性？這要從人工智能與教育各自的使命說起。

就字面意思來理解，人工智能是“人工”+“智能”的組合，即“在認識與理解智能的基礎上，對其加以人工的實現(xiàn)”。不難看出，人工智能的關(guān)鍵是智能。如果人類能夠理解智能的本質(zhì)，那么人工實現(xiàn)它是順理成章的事情。因此，人工智能的未來將是智能學。而何為智能？就我們已知的世界來說，這個世界上真正具有高級智能的只有我們?nèi)祟?。擁有高級智能，正是人類區(qū)別于世間萬物的根本特征。因此，要理解和實現(xiàn)高級智能，就需要理解人類自身。這使得人工智能從根本上來說，是認識人自身的學問，即所謂“認識你自己”（know yourself）。

再說到教育，何為教育？教育的終極目標是“使每個人成為更好的自己”。人是物質(zhì)性的，也是精神性的。作為物質(zhì)性的人，我們需要在這個世界上生存；作為精神性的人，我們需要在這個世界上探索自身的價值和意義。無論是作為物質(zhì)性的人，還是作為精神性的人，我們都需要通過教育來使自己變得更好，以更好地適應和改變環(huán)境與社會，從而有更多的精神性追求。歸根結(jié)底，教育是每個個體能夠改變先天不公平的最主要手段，是幫助個體適應并改造環(huán)境與社會的重要途徑。而做到這些，最關(guān)鍵的一點還是“認識你自己”。每個人都有自己的特質(zhì)，都有最適合自己的發(fā)展道路。幫助每個人正確地認識自己，并在此基礎上更好地完善自己，正是教育的最高境界。

綜合上述兩方面的認識，人工智能與教育具有內(nèi)在統(tǒng)一性，換句話說，二者有著共同的根本任務，那就是“認識自己”。在認識自己的基礎上，一個人可以通過人工智能技術(shù)來完善自己，也可以通過教育提高自身能力來完善自己。從認識與完善自己的角度來看，人工智能與教育是相輔相成的?；诖耍處熆赏ㄟ^兩種模式更好地開展人工智能教育。第一種模式，從人工智能的視角入手，是為“人工智能+教育”，簡稱AI教育；第二種模式，從教育的視角入手，是為“教育+人工智能”，簡稱教育AI，通常也稱作智慧教育。

二、AI教育：人工智能+教育

從人工智能的視角來看，AI教育是在基礎教育階段教好人工智能技術(shù)?；谌斯ぶ悄芘c教育的內(nèi)在統(tǒng)一性，好的AI教育應該不僅使學生學好人工智能技術(shù)，更要幫助他們建構(gòu)“認識自己”的意識、興趣與思維方式。

（一）從認識自己出發(fā)

人類智能的外在表現(xiàn)包括感知能力、行為能力、推理能力、問題求解能力、語言能力、學習能力、社交能力和創(chuàng)造能力。人工智能首先是對這些人類智能外在表現(xiàn)的模擬，由此形成四種實現(xiàn)途徑：行為智能（模擬人類智能的感知能力、行為能力）、符號智能（模擬人類智能的推理能力、問題求解能力、語言能力）、機器學習（模擬人類智能的學習能力）、群智能（模擬人類智能的社交能力）。創(chuàng)造能力作為人類智能中最神秘的部分，目前還沒有有效的模擬技術(shù)。

除此之外，人們通過人工智能技術(shù)也試圖模擬人類智能外在表現(xiàn)背后的基礎，由此形成另外兩種實現(xiàn)途徑：人工神經(jīng)網(wǎng)絡（對人類大腦結(jié)構(gòu)的模擬）和進化計算（對人類智能起源的模擬）。圖1呈現(xiàn)了上述六大實現(xiàn)途徑與人類智能的關(guān)系。

那么，學校對人工智能的教學，就應該讓學生系統(tǒng)地了解這六種實現(xiàn)途徑。教師應從人類智能的外在表現(xiàn)入手，使學生帶著對自己的認識與了解，去學習人工智能技術(shù)背后的思想與方法，形成對人工智能技術(shù)系統(tǒng)、全面和正確的認知。這樣的教學，既能讓學生學習人工智能的核心內(nèi)容，不與編程、機器人等關(guān)聯(lián)內(nèi)容混淆，又避免了教師在教學中只講深度學習等流行技術(shù)，忽視了學生面向未來的知識與能力儲備。

（二）再回到認識自己

通過對以上人工智能思想與方法的系統(tǒng)性認知，學生不僅能了解人工智能技術(shù)，更能了解人工智能與人類智能的聯(lián)系，知曉自身智能表現(xiàn)背后的原理與機制，從而自覺地把握與人類智能有關(guān)的規(guī)律。比如，在學習AlphaGo圍棋程序的工作原理時，學生可以清楚地認識和描述自身解決博弈問題的基本思維方式，從而讓自己的思維更加規(guī)范和有效，以更好地解決生活和工作中面臨的同類問題。這種學習就使得學生有意識地認識和完善自己成為可能，人工智能與人類智能就能形成相互的正反饋。換句話說，通過人工智能的學習，學生越了解自己便越能進步，越進步便越想了解自己。

當學生“認識自己”的興趣被激活以后，他們會清晰地認識到，語言、數(shù)學、物理、生物、化學等基礎學科在“認識自己”這一路途中必不可少的價值。事實上，人工智能作為應用學科的集大成者，是建構(gòu)在基礎學科的根基之上的。甚至可以說，人類各種學問的終極目標都是為了回答“人是什么”這一根本問題。因此，當學生具備一定的知識基礎時，教師還可開展人工智能與基礎學科的融合教學。如，在數(shù)學課程中講述人工智能中的數(shù)學，在物理課程中講述人工智能計算的物理基礎、人工神經(jīng)網(wǎng)絡電路，在生物課程中講述進化計算的生物學原理等。這種跨學科學習的設計，能激發(fā)學生對基礎學科濃厚的學習興趣，從而取得更好的學習效果。學生對于人工智能的學習也會有更穩(wěn)固的根基，達到人工智能與基礎學科教育相互促進的效果。

三、教育AI：教育+人工智能

從教育的視角來看，教育AI是在基礎教育階段用好人工智能技術(shù)，為更好地教與學服務。教師可通過綜合應用模式識別、計算機視覺、自然語言理解、大數(shù)據(jù)挖掘等人工智能技術(shù)，從規(guī)律、工具、環(huán)境三個層面展開教學研究并綜合研究成果，形成人工智能輔助下的新型教育模式，從而提升學生認識與完善自己的能力。

（一）在規(guī)律層面，挖掘教育規(guī)律，提高教育質(zhì)量

在基礎教育階段，借助人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，教師能夠挖掘出更多有關(guān)教育教學的規(guī)律。教師應結(jié)合教育學知識與人工智能手段，發(fā)現(xiàn)學習過程中影響學生能力（尤其是閱讀理解、運算、推理等基礎能力）發(fā)展的關(guān)鍵因素、關(guān)鍵過程，以及行之有效的干預策略，為開發(fā)有效的教育教學方法與工具提供依據(jù)。人工智能技術(shù)可以輔助教師實現(xiàn)對兩類教育規(guī)律的挖掘：一是群體性規(guī)律，二是個體性規(guī)律。

群體性規(guī)律挖掘是指從教育大數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)普遍的教育規(guī)律，或者對于某類群體適用的學習規(guī)律，為教育政策、教學方法的制訂以及在此基礎上的教學創(chuàng)新提供科學支撐。例如，分析學生人口統(tǒng)計學特征與學業(yè)成績的關(guān)系，以探究評估學業(yè)的最佳指標、影響學業(yè)成敗的潛在因素等。又如，分析學生閱讀全過程的數(shù)據(jù)，確定影響學生閱讀理解能力發(fā)展的認知、心理關(guān)鍵因素。

個體性規(guī)律是指從學習者個人數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的特定學習規(guī)律，以支撐個性化教育。例如，采用眼球追蹤技術(shù)，檢測學生的注意力水平、視覺注意力和學習習慣。又如，利用皮膚電反應、皮膚溫度、心率等多模態(tài)信息，推斷學生的認知負荷。

（二）在工具層面，提供智能輔助學習工具，開展個性化教學

在學生一側(cè)，智能輔助學習工具不僅可幫助學生提高學習興趣，還能讓學生發(fā)現(xiàn)學習中存在的問題，更充分地認識到自身的優(yōu)勢與不足，從而改變學習習慣與方式，提高學習效率與成果，實現(xiàn)個性化發(fā)展。在教師一側(cè)，智能輔助學習工具可幫助教師發(fā)現(xiàn)學生學習中的難點和教學實施中出現(xiàn)的問題，從而有針對性地改進教學內(nèi)容、方案、教具等。利用智能輔助學習工具，教師還可以發(fā)現(xiàn)不同學生的不同特點，在尊重個體差異的基礎上實施個性化教學。智能輔助學習工具的典型代表有教育機器人和智能輔導系統(tǒng)。

教育機器人可作為學生的導師或?qū)W習伙伴，調(diào)動學生的學習積極性，增強學生的學習體驗。教育機器人不知疲倦，并且學生與教育機器人互動時不會有太大的心理負擔，有助于他們更好地獲取知識，提高操作技能。例如，人形教育機器人可以作為學生的學習導師，向小學生傳遞科學知識和概念；在英語學習中，智能聊天機器人可以通過對話引導學生，鍛煉和提升學生的口語表達能力。

智能輔導系統(tǒng)能夠根據(jù)學生對知識的理解和掌握情況，為他們選擇合適的教學策略，并在一定程度上模擬真實教學專家的教學活動。智能輔導系統(tǒng)還可以根據(jù)學生的學習歷程，為他們推薦合適的學習路徑，并根據(jù)學生的學習過程與所達到的水平，為他們推薦適當?shù)膶W習任務與資源，等等。

（三）在環(huán)境層面，豐富學習場景，實現(xiàn)泛在學習

人工智能技術(shù)的應用，使得學習場景從單一的課堂場景向家庭場景、虛擬場景、增強現(xiàn)實場景、混合場景延展。眾多的學習場景為學生提供無處不在的泛在學習服務，從而使學生能充分利用最適合他們學習的時間、空間氛圍與工具，顯著提高學習成效。智能學習環(huán)境會根據(jù)學生的個人需求以及學生所處的學習空間，為他們提供即時和適應性的支持。支撐智能學習環(huán)境構(gòu)建的基礎設施主要包括虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實與物聯(lián)網(wǎng)。

1.虛擬現(xiàn)實（VR）

虛擬現(xiàn)實，即通過計算機生成可交互的三維環(huán)境，向使用者提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，從而讓人產(chǎn)生身臨其境之感。虛擬現(xiàn)實具有沉浸性、交互性等特征，允許學生通過不同的輸入、輸出設備與計算機實時交互，能有效改善學生的學習體驗，增強學生的學習動機。其應用場景案例有：基于VR游戲開展的英語移動學習；使用沉浸式VR技術(shù)星際旅行，并降落到某個星球上開展“實地”考察；使用VR技術(shù)遠程訪問實驗室；使用VR手勢交互，術(shù)前傳授手術(shù)程序和概念；等等。

2.增強現(xiàn)實（AR）

增強現(xiàn)實，即通過智能設備將虛擬與真實場景融合起來，以一種更吸引人、更互動的方式增強學生的學習體驗。例如，教師建立古建筑的三維模型，并提供歷史資料，在此基礎上通過增強現(xiàn)實之旅提升學生學習歷史的興趣；采用交互式增強現(xiàn)實技術(shù)，為學生英語閱讀學習提供更適宜的環(huán)境；等等。增強現(xiàn)實技術(shù)通過結(jié)合真實世界、真實圖像和虛擬圖像，激發(fā)學生的想象力，提高他們學習的欲望和動力。

3.物聯(lián)網(wǎng)（IoT）

物聯(lián)網(wǎng)可為學生提供互聯(lián)在一起的各種傳感器和可穿戴式跟蹤器，能夠?qū)W生復雜的學習過程進行精細建模，從而實現(xiàn)及時的自適應反饋。例如，教師可通過物聯(lián)網(wǎng)將普通教室轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蚋兄虒W上下文的智能教室，用于支持學習、教學和管理等各類教育活動；使用空氣質(zhì)量、光、溫度、濕度、聲學、輻射等傳感器，構(gòu)建自適應物理學習環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)應用到課堂上，還可以基于行為分析和情緒識別，實時向主講人提出建議，提升其演講質(zhì)量；通過檢測學生的疲勞水平，建議適當?shù)膶W習策略。

四、結(jié)論

從“認識自己”這一共同的根本任務出發(fā)，人工智能與教育是內(nèi)在統(tǒng)一的。大力發(fā)展人工智能教育，對于教育而言具有重要意義。借助人工智能，教師可使用兩種模式更好地開展教育：一是從人工智能角度切入，講好人工智能技術(shù)，培養(yǎng)學生認識自己的意識、興趣與思維方式；二是從教育角度切入，用好人工智能技術(shù)，輔助學生更好地認識與完善自己。目前，人工智能與教育的融合方興未艾，在以上兩個方面已經(jīng)開展了大量工作，但還有很多根本性問題有待解決，需要集合人工智能專家、教育專家、大中小學教師、教育管理者等各方面力量共同努力，開展廣泛而深入的交流與探索。

參考文獻

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（作者系北京理工大學計算機學院教授、博士生導師）

責任編輯：牟艷娜