中小学人工智能课程分析.doc

中小学人工智能课程定位分析( 原文刊于中国现代教育装备2017 年 10 月基教版 )艾伦摘要 从人工智能的定义出发， 指出人工智能科学与人工智能技术的区别， 分析人工智能技术与信息技术的关系， 并以此为依据讨论中小学人工智能课程的定位、 课程标准的制订以及课程内容的设置。关键词人工智能科学；人工智能技术；信息技术；课程设置；课程标准2017 年 7 月 20 日，国务院颁布了新一代人工智能发展规划（国发201735 号）， 该规划指出人工智能已成为国际竞争的新焦点，明确规定要实施全民智能教育项目，并在中小学设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。就像我国的信息技术迅速走在世界前列而依赖社会需求与应用的同步发展一样，人工智能事业的发展也需要具有一个牢固的社会基础。 所以，中小学开设人工智能课程就是为了这一目的以使得全民族的应用水平普遍提高、社会基础逐步牢固的英明举措。该规划将中小学开设人工智能相关课程的指示放在了“五、 保障措施”的“（六）广泛开展人工智能科普活动”部分，说明了它作为社会基础而起到我国人工智能事业发展保障措施的重要作用。于是， 在中小学开设人工智能课程的必要性、可行性以及操作性等问题摆在了人们的面前，而针对中小学课时资源的紧缺状况，如何科学且有效地设置人工智能课程教学是首先需要解决的难题。一、人工智能要讨论中小学人工智能课程如何定位的问题，首先应该了解人工智能是什么，以及人工智能在课程中意味着什么。为此， 我们对人工智能的定义以及研究与应用领域做一些介绍和分析。（1） 人工智能的定义作为一个研究领域，人工智能 （ Artificial Intelligence，简称 AI ）出现于上个世纪的1956年。此后人工智能科学与技术不断发展，人们对它的研究逐渐深入，并赋予了它一些定义。这些定义大致可以分为两类，一类是从学科角度出发对人工智能进行概念界定，而另一类， 更多的则是从功能角度出发对其概念进行界定。（1） 从学科角度出发对人工智能的部分定义开列如下：人工智能是智能科学（ Artificial Science ）中涉及研究、 设计和应用智能机器和智能系统的一个分支，而智能科学是一门与计算机科学并行的学科。人工智能是计算机科学中与智能行为的自动化有关的一个分支（ Luger & Stubblefield,1997）。（2） 从功能角度出发对人工智能做出的定义较多，部分开列如下2 ：人工智能是指智能机器所执行的与人类智能有关的功能，这些智能功能包括学习、感知、思考、理解、识别、规划、推理、决策、抽象、学习、创造和问题求解等，又称机器智能（ Machine Intelligence ）。（笔者注：原文中出现了两次“学习”，应该去掉重复的一个） 人 工 智 能 是 一 种 使 计 算 机 能 够 思 维 ， 使 机 器 具 有 智 力 的 激 动 人 心 新 尝 试（Haugeland,1985 ）。人工智能是一种能执行人类智能的创造性机器技术（Kurzwell, 1990 ） 。人工智能是研究那些使理解、推理和行为成为可能的计算（Winston, 1992 ）。人工智能是研究和设计具有智能行为的计算程序，以执行人或动物所具有的智能任务（Dean, Allen, Aloimonos, 2003 ） 。（3） 百度百科上则是从学科与功能两个角度出发对人工智能进行了定义：人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及应用系统的一门技术学科。（2） 人工智能研究与应用领域人工智能就是模拟和延伸人类智能，而人类智能最突出的表现在于人类的思维活动（包括识别、理解、分析、综合、判断、规划、推理、决策、抽象、创造和问题求解等）以及由此而产生的有效的肢体动作。 但是人类的正确思维及有效肢体活动又是依赖眼、 耳、鼻、舌、身等器官对外部世界的感知才产生的， 所以对人工智能的研究总是从机器如何实现会看 （图像识别、文字识别、车牌识别）、会听（语音识别、说话人识别、机器翻译）、会说（语音合成、人机对话）、会行动（机器人、自动驾驶汽车、无人机）、会思考（人机对弈、定理证明、医疗诊断）、会学习（机器学习、知识表示）开始进行的。目前，人工智能的实际应用可以大致归纳为以下这些领域。（1） 国家安全方面：大数据智能分析、智能视频监控、语音识别、机器翻译、,（2） 军事国防方面：无人机、作战机器人、智能驾驶、智能电子战、,（3） 医疗健康方面：分子影像、远程医疗、手术机器人、康复机器人、,（4） 先进制造方面：精密感知与控制、仿生机器鱼、智能装备、,（5） 生物认证方面：虹膜识别、人脸识别、指纹识别、掌纹识别、步态识别、,（6） 人机交互方面：智能感知、目标识别、语义理解、智能仿真、,（7） 家庭服务方面：扫地机器人、智能老弱病残孕服务、智能炊事、,（3） 人工智能定位分析通过对上述各种定义和研究应用领域的分析，可以得出如下结论：（1） 从学科角度出发对人工智能的定义基本上都认为人工智能学科与计算机学科是密切相关的，也就是与信息技术学科紧密关联。（2） 从功能角度出发对人工智能的定义基本上都认为人工智能是模拟和延伸人类智能的一种技术。（3） 人工智能技术的发展依靠对人类智能的科学研究，所以从学科角度讲只有对人类智能活动深入理解的情况下才能够更加有效地模拟和延伸人类智能。（4） 人工智能的研究分为科学研究与技术研究，其中人工智能科学的研究范围要远大于人工智能技术的研究。（5） 提出人工智能科学与人工智能技术两个不同的概念，从学科角度讲人工智能科学应属于理科类学科，而人工智能技术应属于工科类学科。二、人工智能与信息技术的关系我们在这里讨论人工智能与信息技术的关系，这是由于两方面的原因： （ 1）从前文人工智能定义的分析可知人工智能技术与信息技术相关，且属于技术类学科；所以在中小学课程体系下人工智能有可能被定位于与信息技术、通用技术相同的技术类课程。（ 2）在现行的高中信息技术课程标准中，人工智能已经作为6 个教学模块（信息技术基础、 算法与程序设计、多媒体技术应用、网络技术应用、数据管理技术以及人工智能初步）之一而存在。从广义上讲， 信息技术是指能充分利用与扩展人类信息器官功能的各种方法、工具与技能。从狭义上讲，信息技术是指利用计算机、网络、广播电视等各种硬件设备及软件工具与 方法，对文图声像各种信息进行获取、加工、存储、传输与使用的技术。作为学科，人工智能与信息技术之间存在如图1 所示 5 种可能的关系，其中AI 代表人工智能， IT 代表信息技术（注: 图中使用的运算符号并不是标准的集合运算符，在这里只是用于进行区分不同关系）。以下对人工智能与信息技术之间实际存在的关系做较为详细的分析。图 1AI 与 IT 的 5 种关系（1） 人工智能是以计算机科学与技术为基础的一个学科，没有计算机技术的发展人工智能学科是不可能建立起来的；但是， 由于计算机技术属于信息技术的范畴，所以人工智能应该与信息技术具有密切的相关性。于是，图1 中的“ E. AI IT ”应该首先被排除掉。（2） 就目前来说，我们总可以找到一些应用技术，如：多媒体技术、视频技术、计算机数据库技术等， 它们显然属于信息技术的范畴，但是又不属于人工智能，所以图 1 中的“A. ITAI ”和“ C. AI = IT ”两种情况就被排除掉了。（3） 能够直接反映人工智能技术水平的就是人工智能应用领域的发展状况，但是在人工智能应用领域的那些项目中尚不能找到哪个项目是与计算机技术、信息技术无关的，所以人工智能技术与信息技术的关系就应该属于图1 中的“ B. AI IT ”。为了更加清晰地表达人工智 能技术与信息技术的关系，我们重画该图于图2 中，并将人工智能技术用AI(T) 来表示。图 2人工智能技术与信息技术的关系（4） 人工智能科学与人工智能技术不同，人工智能科学研究必然要涉及到人类智能、动物智能方面的内容，如：脑科学、神经科学、认知心理学等，而这些内容显然不应该属于信息技术，即人工智能科学与信息技术只是具有交集，应该满足图1 中的“ D. AI IT ”。为了更加清晰地表达人工智能科学与信息技术的关系，我们重画该图于图3 中，并将人工智能科学用 AI(S) 来表示。图 3人工智能科学与信息技术的关系（5） 随着人工智能技术迅速发展，上述第（ 2）部分谈到属于信息技术但不属于人工智能的那些项目也在被智能化。我们可以预想到，信息技术正在逐渐被人工智能技术取代，人工智能技术与信息技术最终将会完全重合（如图4 所示）。图 4人工智能技术与信息技术的渐变关系三、中小学人工智能课程建设中小学课程建设应该具备3个必要条件：教师、教材、教具（实验仪器设备）；这被 20 世纪 50年代时任教育部副部长的蒋南翔先生称为“教育的三大基石” 。在这 3个必要条件中最核心的部分是教材建设，因为教材内容决定了教学内容和教学要求，以此为基础才能够进行教师的培养与培训，才能够进行实验仪器设备的科学配备。但是， 教材建设的依据应该是课程标准，在课程标准中规定了该课程的教学目标、教学内容以及课时和课型。其中教学目标的制定是最为关键的，教学目标确定了也就决定了教学 内容， 并根据教学内容的数量决定课时数，同时根据教学内容的表现形式决定课型。下面以中小学人工智能课程建设为例对此内容与过程做一简要说明。（1） 教学目标的制定：制定教学目标应该依据两个条件，第一是教学需求分析，第二是教学对象分析。 教学需求的本质是社会需求问题，即社会发展到目前这个阶段，人工智能科学与技术的发展已经达到了一个新的水平，作为中国的一个中小学生应该具备人工智能哪些方面的知识和掌握哪些方面的能力。教学对象分析就是了解目前的中小学生在人工智能方面已经具备了哪些知识和掌握了哪些能力。应该具备的知识和能力与学生实际具备的知识和能力之间的差即为我们制定的教学目标，其中知识部分的差为知识目标建立的依据，能力部分的差为能力目标建立的依据。（2） 教学内容的选择：教学目标制定后就要根据这一目标来选择合适的教学内容。一般地讲，教学目标多是较为抽象的，选择教学内容的过程就是将教学目标具象化，使得这些内容可以方便地被组织成为教材。（3） 课时：课时被认为是中小学最紧缺的资源，目前开设的课程已经占据了学生在校的全部时间， 在此基础上增加新的课时是十分困难的事情。2001年11月教育部印发了 义务教育课程设置实验方案 （教基 200128 号），方案规定义务教育阶段9年学校的总课时数为9522 节，其中小学学段的一、二年级每周课时数为26节，小学学段的三年级至六年级每周课时数为30节，初中学段七年级至九年级每周课时数为34节。 2003年3月教育部印发了普通高中课程方案（实验） （教基 20036 号），方案规定学生高中毕业必须修够144学分，其中每 2学分对应一个学习模块（信息技术和通用技术每个学习模块对应1学分），每个学习模块占据36 节课时，所以高中3年总课时数约为2700节，则平均每周课时数约为26节。但是由于高中三 年级最后一个学期面临高考，其实前 5个学期的每周课时数可达28节至 29节。按照每周 5天上课时间计算，各个学段平均每天的课时数基本上在6至7节，上午 4节课，下午 2至 3节课。中小学人工智能课程若成为必修内容，就只能在这些已有的课时中寻找空间，这在人工智能课程标准制定的过程中是必须要给予考虑的。（4） 课型：不同的课型采用不同的教学模式和教学策咯，而课型的确定取决于教学内容的选择。 粗略地讲，中小学课程的课型可以分为两类：一类为分析类课程，用于了解事物的原理与规律（如课文分析、数学题分析、科学现象分析等），对应科学知识的获得；另一类为设计类课程， 用于实现某些事物目标（如绘画练习、 编程训练、 木工制作等） ，对应技术 （与艺术） 能力的提高。 人工智能课程标准应该对其课型做出规定，并根据课型来推荐合适的教 学模式和教学策略。在中小学人工智能课程建设的过程中，课程标准的制定是一个必要且关键的环节，是无法回避的问题，必须对此加以重视，科学认真地完成其中的每一个内容。四、中小学人工智能课程定位通过上面的分析，我们大致可以将中小学人工智能课程在教学目标、教学内容、 课时设置以及课型选择4个方面的问题确定下来。课程定位简略说明基本如下：1 教学目标定位。这里所说的中小学人工智能课程教学目标定位并非教学目标具体内容的详细描述， 而是对该目标的指向做出的规定。如前文所述， 人工智能课程可以定位为科学类课程，讲授人工智能科学知识，也可以定位于技术类课程，训练人工智能技术技能。但是人工智能科学涉及的知识范围过宽，例如脑科学、 神经科学、 认知心理学等这样的内容对中小学生来说要求过高，所以中小学人工智能课程的方向要定位于人工智能技术比较合适。也就是说该课程的教学目标定位应该是培养学生在相关领域内的技术技能，特别是人工智能程序设计方面的技能。其中， 小学生主要是体验人工智能技术产品，初中生可进行简单编程和对智能设备实现控制，高中生则要求在人工智能技术上进行较高层次的设计。2 教学内容定位。根据上述教学目标指向的定位，可以大致确定教学内容的种类范围，即中小学人工智能课程教学内容应该定位于人工智能技术中使得机器能够会看（机器视觉识别技术）、会听（机器听觉识别技术）、会说（人机对话技术）、会行动（机器人技术）等方面的相关内容。3 课时设置定位。在中小学课时资源紧缺的情况下，人工智能课程的课时设置定位已经 不是讨论如何增加课时的问题，而是研究在现有情况下怎样更加合理地占用已有学科课程的课时， 使得学生知识的获得与能力的提高更加符合时代要求，更加均衡地发展。既然在教学目标定位时已将人工智能课程确定为技术类课程，则该课程就应该在其他技术类课程中去挤 占原有那些已经过时的（如 DB2 数据库） 和重复出现的 （如Word 字处理） 技术知识的课时。在小学学段， 人工智能课程可以在科学课程中占据一定的空间。因为小学科学课程的教学内容并非都是真正的科学类知识，许多内容实际上是属于技术类型的，在2017年1月教育部印发的义务教育小学科学标准中规定该课程的目的是提高学生的科学素养，而“科学素养是指了解必要的科学技术知识及其对社会与个人的影响，, ” ；同时规定该课程的教学目标定位为：科学知识，科学探究，科学态度，科学、技术、社会与环境四个方面；而在教学内容规定中则明确具有“技术与工程领域”。所以，人工智能技术教学内容安排在小学科学课程中是完全可行的。在初中学段，人工智能课程可以在“综合实践活动”（占初中课时总数的16%20% ）课程中做出适当安排，因为在义务教育课程设置实验方案中规定了“综合实践活动主要包括：信息技术教育、 研究新学习、 社区服务与社会实践以及劳动与技术教育。”高中学段已经设置的技术类课程包括信息技术和通用技术，其中信息技术课程标准中规定了人工智能初步模块，而通用技术课程标准中则规定了机器人的相关内容，这些都为人工智能技术课程的课时设置提供了有利条件。4 课型选择定位。中小学人工智能课程的课型由其教学目标与教学内容的定位决定，显然应该选择技术类的课型。技术类课型的课程多以培养学生相关能力为主要目的，所以它的教学模式常采用任务驱动型，而教学策略常以PBL 方式为主，PBL 则是基于项目的学习（Project Based Learning ）或基于问题的学习（Problem Based Learning ）教学策略的英文缩写。本文虽然对中小学人工智能课程的定位做出了一些必要性和可行性方面的分析，但是在操作性层面并未提供该课程设置的具体实施方案。中小学人工智能课程设置的工作还有许多 问题需要解决， 期待着人们为此做出更加深入的研究，提出更加可行的计划，采取更加有效的措施。