丘運(yùn)華，張逸聰

摘要：人工智能已成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的重要領(lǐng)域，但公眾對(duì)它的理解往往十分有限，如何普及人工智能教育也成了關(guān)注的焦點(diǎn)。由美國(guó)人工智能協(xié)會(huì)（AAAI）與美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）聯(lián)合成立的中小學(xué)人工智能教育指導(dǎo)工作組（AI4K12）發(fā)布了適用于中小學(xué)人工智能教育的五大概念：感知、表示和推理、機(jī)器學(xué)習(xí)、人機(jī)交互和社會(huì)影響。該文將對(duì)這五大概念進(jìn)行解讀，希望能為參與人工智能教學(xué)的一線教師提供一些啟示。

關(guān)鍵詞：人工智能教育;感知;表示和推理;機(jī)器學(xué)習(xí);人機(jī)交互;社會(huì)影響

中圖分類(lèi)號(hào)：G424? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）34-0287-03

人工智能在這個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，它不但影響著人們的衣食住行，也占據(jù)著國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中重要的技術(shù)高地，引領(lǐng)著未來(lái)的發(fā)展[1]。國(guó)務(wù)院于2017年頒布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出在中小學(xué)階段開(kāi)設(shè)人工智能相關(guān)課程[2]。2018年教育部聯(lián)合多部門(mén)開(kāi)展“中小學(xué)人工智能教育項(xiàng)目”，構(gòu)建編程平臺(tái)、智能應(yīng)用軟件與智能機(jī)器人三大教育裝備體系[3]。新發(fā)布的《高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017版）中將人工智能列入選擇性必修模塊[4]。由此可見(jiàn)人工智能教育在實(shí)施國(guó)家戰(zhàn)略過(guò)程中扮演著重要的角色，在中小學(xué)階段開(kāi)展人工智能教育勢(shì)在必行。

人工智能整合了新型算法、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)[5]，涵蓋范圍非常廣，面對(duì)如此龐雜的知識(shí)，如何系統(tǒng)地梳理，選擇適合中小學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容是當(dāng)前進(jìn)行人工智能教學(xué)實(shí)踐的教師們所面臨的挑戰(zhàn)。美國(guó)人工智能協(xié)會(huì)（AAAI）與美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）聯(lián)合成立了中小學(xué)人工智能教育指導(dǎo)工作組（AI4K12），其目的是定義各年齡段學(xué)生需掌握的人工智能知識(shí)水平，并創(chuàng)建一個(gè)在線資源庫(kù)，提供優(yōu)秀的課堂案例及教學(xué)資源。同時(shí)，該組織提出的中小學(xué)階段人工智能教育的五大概念在國(guó)際范圍內(nèi)產(chǎn)生了較大的影響[6]，分別是：感知、表示與推理、機(jī)器學(xué)習(xí)、人機(jī)交互和社會(huì)影響。

1 人工智能教育五大概念解讀

1.1 感知

感知刺激是生命體的顯著特征之一，人類(lèi)可以通過(guò)皮膚、眼睛、耳朵、鼻子等感覺(jué)器官幫助感知周?chē)氖澜?，而人工智能作為一種模仿人類(lèi)智能的技術(shù)，也被賦予了生命體的某些特征，感知能力便是其中之一。目前機(jī)器主要通過(guò)攝像頭和麥克風(fēng)去“看”和“聽(tīng)”，與之對(duì)應(yīng)的便是圖像識(shí)別與語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，但機(jī)器感知不僅僅包括這兩者，一切外部信息的輸入包括溫濕度、壓力、光照、氣味等都可以列入機(jī)器感知領(lǐng)域。例如無(wú)人駕駛汽車(chē)中配備了包括攝像頭、激光掃描儀、毫米波雷達(dá)和超聲波雷達(dá)等傳感器。相比圖像識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別這兩種劃分類(lèi)別，“感知”這個(gè)概念能更全面地涵蓋機(jī)器從外部獲取信息這個(gè)過(guò)程，從而拓寬學(xué)生的認(rèn)知，有利于培養(yǎng)其發(fā)散性思維。

AI4K12組織也針對(duì)“感知”這個(gè)概念給出了相應(yīng)的教學(xué)活動(dòng)建議，例如認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)、機(jī)器人和智能家電上的傳感器，探究傳感器輸入如何轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字信號(hào);使用Scratch擴(kuò)展插件來(lái)構(gòu)建感知應(yīng)用程序。由于Scratch中與人工智能相關(guān)的插件需要調(diào)用由境外的服務(wù)器提供的云服務(wù)，在國(guó)內(nèi)使用可能會(huì)遇到網(wǎng)絡(luò)連接的問(wèn)題，教師可以利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的編程平臺(tái)例如Mind+、慧編程、源碼編輯器等。這些平臺(tái)大多調(diào)用的是百度智能云服務(wù)接口，能實(shí)現(xiàn)輕量的語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、文字識(shí)別、翻譯等功能。需要注意的是，上述功能的實(shí)現(xiàn)需要電腦配備麥克風(fēng)和攝像頭，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接環(huán)境有一定的要求。此外，“感知”這個(gè)概念在開(kāi)源硬件項(xiàng)目制作中也能夠得到很好的體現(xiàn)，各種傳感器從外部采集信息到主板中進(jìn)行處理的過(guò)程便是機(jī)器的感知。教師可以結(jié)合一些人工智能應(yīng)用例如無(wú)人駕駛汽車(chē)、無(wú)人售貨機(jī)、智能家居等場(chǎng)景將開(kāi)源硬件融入人工智能教學(xué)中，幫助學(xué)生更好地理解機(jī)器感知這個(gè)概念。

1.2 表示與推理

AI4K12組織將“表示與推理”解釋為智能代理通過(guò)特定的邏輯和模型表示現(xiàn)實(shí)世界，并用它們進(jìn)行推理。原中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)鐘義信先生指出人工智能是在理解自然智能尤其是人類(lèi)智能的基礎(chǔ)上創(chuàng)造出具有一定智能水平的機(jī)器[7]。人類(lèi)智能的獲得離不開(kāi)知識(shí)的獲取，而 “表示”就是指將知識(shí)用計(jì)算機(jī)可理解的符號(hào)以某種形式表現(xiàn)出來(lái)，即知識(shí)的符號(hào)化[8]，知識(shí)表示是自然智能和人工智能的基本問(wèn)題之一。好表示能幫助推理，例如，在進(jìn)行百度搜索時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)從海量的知識(shí)圖譜中搜索關(guān)鍵字，并且將關(guān)鍵字周?chē)P(guān)聯(lián)的信息推送至右側(cè)的信息欄，從而提高我們的檢索效率。

對(duì)于“表示和推理”這個(gè)概念A(yù)I4K12建議多采用不插電的方式進(jìn)行教學(xué)，例如設(shè)計(jì)一個(gè)教學(xué)活動(dòng)讓學(xué)生找出從家到學(xué)校的最短路徑。在教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生首先要將現(xiàn)實(shí)世界中的街道、標(biāo)志性建筑畫(huà)成一條條線段和圓點(diǎn)，形成一張簡(jiǎn)易的地圖，再通過(guò)比對(duì)測(cè)量找出一條最短的路徑。該活動(dòng)中繪制的地圖是學(xué)生對(duì)客觀世界進(jìn)行的表示，尋找路徑便是推理的過(guò)程。此外，生物分類(lèi)圖譜也是一個(gè)很好的例子（如圖1），該圖譜將自然界的植物進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類(lèi)，可以基于一系列“是/否”問(wèn)題來(lái)探究決策樹(shù)推理算法的流程。學(xué)生可以?xún)扇撕献?，一位?gòu)建生物圖譜進(jìn)行猜測(cè)，另一位在腦海中預(yù)設(shè)一種植物，前者可以通過(guò)提出“它是種子植物嗎？”“它是被子植物嗎？”這類(lèi)問(wèn)題，進(jìn)行推理從而猜到最終答案。在生活應(yīng)用中智能音箱“天貓精靈”里有一個(gè)“猜人物”的游戲，讓用戶心里想一個(gè)名人，“天貓精靈”通過(guò)“她/他是歌手嗎？”“她/他是國(guó)內(nèi)的嗎？”這類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行猜測(cè)，能大概率推理出用戶心中所想，其原理便是基于決策樹(shù)的推理。

1.3 機(jī)器學(xué)習(xí)

近年來(lái)，研究人員在深度學(xué)習(xí)中取得了突破性的進(jìn)展，掀起了人工智能的第三次浪潮 [9]。人們希望機(jī)器能進(jìn)行學(xué)習(xí)是基于以下三個(gè)原因：首先，人工智能所處的情境不能被完全預(yù)測(cè)，世界公認(rèn)最復(fù)雜的圍棋游戲，不同的戰(zhàn)術(shù)布局使游戲有著近乎無(wú)限的發(fā)展與結(jié)果。其次，世界處在不斷變化的過(guò)程中，例如股票價(jià)格的波動(dòng)、道路中行駛的車(chē)輛，這時(shí)候機(jī)器需要學(xué)習(xí)以適應(yīng)這些變化。最后，機(jī)器學(xué)習(xí)被證明是解決復(fù)雜問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，它們可以極大地簡(jiǎn)化人類(lèi)工作量，提高辦事效率[10]。如果將機(jī)器學(xué)習(xí)按照學(xué)習(xí)方式進(jìn)行分類(lèi)，它可以分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)和增強(qiáng)學(xué)習(xí)。將幼兒的學(xué)習(xí)與之進(jìn)行類(lèi)比的話，監(jiān)督學(xué)習(xí)就像家長(zhǎng)幫助孩子認(rèn)識(shí)事物，例如指著貓并告訴孩子這種長(zhǎng)著胡須、四條腿、有尾巴并能發(fā)出“喵喵”聲音的動(dòng)物稱(chēng)為“貓”，其實(shí)這是對(duì)這類(lèi)特征的動(dòng)物貼上“貓”這個(gè)標(biāo)簽，而機(jī)器也就是在大量貼有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)。增強(qiáng)學(xué)習(xí)就像家長(zhǎng)教育孩子時(shí)的獎(jiǎng)懲措施，在做對(duì)或者做錯(cuò)事情后會(huì)得到正向或負(fù)向的反饋，以改進(jìn)行為。而無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)則是根據(jù)沒(méi)有被標(biāo)記的訓(xùn)練樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，聚類(lèi)是其中最典型的例子，它將相似的內(nèi)容聚集在一起，通過(guò)算法使具有相同特征的數(shù)據(jù)歸整為同類(lèi)。

教師在向?qū)W生介紹機(jī)器學(xué)習(xí)的時(shí)候，可以通過(guò)上文提及的一些編程平臺(tái)讓學(xué)生體驗(yàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程，并制作一些有趣的人工智能項(xiàng)目。這些平臺(tái)開(kāi)發(fā)了機(jī)器學(xué)習(xí)模塊，用戶可將圖片、列表和文本傳輸至系統(tǒng)，來(lái)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練。例如Mind+平臺(tái)中可以獲取攝像頭采集的圖片數(shù)據(jù)，然后給這些圖片貼上對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽（用戶自定義），經(jīng)過(guò)多次訓(xùn)練后便能又快又準(zhǔn)確地識(shí)別特定的圖片;源碼編輯器平臺(tái)中的“GAME AI”模塊可以通過(guò)角色的坐標(biāo)位置和鼠標(biāo)或鍵盤(pán)操作數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，讓AI進(jìn)行FlappyBird、飛機(jī)大戰(zhàn)這類(lèi)簡(jiǎn)單的游戲。另外，Code.org編程教育網(wǎng)站中“海洋環(huán)保中的人工智能”也是一個(gè)有助于學(xué)生理解機(jī)器學(xué)習(xí)的項(xiàng)目。它采用闖關(guān)游戲的形式將機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程可視化，生動(dòng)形象的交互式動(dòng)畫(huà)能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該項(xiàng)目中還會(huì)涉及特征選取和訓(xùn)練數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的偏見(jiàn)，能夠讓學(xué)生意識(shí)到數(shù)據(jù)是如何影響機(jī)器學(xué)習(xí)模型的。

1.4 人機(jī)交互

要實(shí)現(xiàn)機(jī)器與人類(lèi)進(jìn)行自然而順暢地交互，就要讓機(jī)器能夠理解人類(lèi)的行為、語(yǔ)言、表情等信息，這里面涉及語(yǔ)音識(shí)別與合成、情感計(jì)算、自然語(yǔ)言理解、意識(shí)與心靈哲學(xué)等內(nèi)容。事實(shí)上讓機(jī)器理解人類(lèi)是一個(gè)艱巨的任務(wù)，還有很長(zhǎng)的路要走。筆者嘗試過(guò)向天貓精靈提出一個(gè)問(wèn)題：“張三的兒子是小明，小明的父親是誰(shuí)？”，這個(gè)問(wèn)題在我們看來(lái)是非常簡(jiǎn)單的，但AI沒(méi)能回答出來(lái)。相比之下，在回答“地球到月球的距離多遠(yuǎn)”“世界上最大的生物是？”這類(lèi)高深的問(wèn)題時(shí)AI能夠得心應(yīng)手。目前市面上接觸到的人工智能產(chǎn)品到底是“人工智能”還是“人工智障”？這時(shí)候就涉及圖靈測(cè)試這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，圖靈測(cè)試是艾倫圖靈提出的一種判斷機(jī)器是否具備智能的方法，如果測(cè)試者在與被測(cè)試者隔開(kāi)的情況下，測(cè)試者通過(guò)一些裝置（如鍵盤(pán)）向被測(cè)試者提問(wèn)。機(jī)器人作為被測(cè)試者，如果機(jī)器成功“欺騙了”30%的測(cè)試者，那么該機(jī)器通過(guò)了圖靈測(cè)試，證明該機(jī)器是具備智能的。

對(duì)于人機(jī)交互這個(gè)概念，學(xué)生可以結(jié)合現(xiàn)有編程平臺(tái)中開(kāi)發(fā)的人臉識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、語(yǔ)音合成相關(guān)模塊，制作一些有趣的人機(jī)交互應(yīng)用程序，例如可以識(shí)別出顧客人臉年齡、性別、心情等信息的AI銷(xiāo)售員。此外，可以利用生活中的智能音箱產(chǎn)品讓學(xué)生體驗(yàn)人機(jī)交互過(guò)程，但這個(gè)過(guò)程并不是盲目進(jìn)行的，教師需要引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)兩類(lèi)問(wèn)題，一種是人工智能一定能回答的問(wèn)題;另一種是人工智能可能回答不了的問(wèn)題，并將兩類(lèi)問(wèn)題分別記錄下來(lái)，再?gòu)奶熵埦`、小度、小愛(ài)等設(shè)備中進(jìn)行驗(yàn)證。在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生可能會(huì)認(rèn)識(shí)到AI并沒(méi)有想象中那么聰明，它們有長(zhǎng)處同樣也有短處。從某種意義上來(lái)說(shuō)這是在試探人工智能的邊界，有助于學(xué)生在未來(lái)更好地進(jìn)行人機(jī)交互與協(xié)作。

1.5 社會(huì)影響

當(dāng)人工智能在各個(gè)領(lǐng)域取得巨大成功時(shí)，人們也開(kāi)始思考它所帶來(lái)的影響。當(dāng)下許多工作正在被機(jī)器所取代，如無(wú)人機(jī)送外賣(mài)、智能快遞分揀、自動(dòng)駕駛等。先進(jìn)的技術(shù)能將人類(lèi)從繁重的任務(wù)中解放出來(lái)，機(jī)器憑借夜以繼日不知疲倦地工作、強(qiáng)大的計(jì)算力和信息存儲(chǔ)能力，在某些方面大大超越了人類(lèi)。我們?cè)谖磥?lái)應(yīng)該如何學(xué)習(xí)、在社會(huì)中扮演什么樣的角色？這些問(wèn)題值得進(jìn)一步探討[11]。另外，隨著人工智能應(yīng)用場(chǎng)景的不斷增多，其產(chǎn)生的算法偏見(jiàn)問(wèn)題也逐漸出現(xiàn)在人們的視野中。有研究發(fā)現(xiàn)在人臉識(shí)別產(chǎn)品中存在不同程度的性別及有色人種歧視，而這種偏見(jiàn)主要來(lái)源于機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程中的數(shù)據(jù)集構(gòu)建（人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生的偏見(jiàn)數(shù)據(jù)）、目標(biāo)制定與特征選?。ㄋ惴üこ處煟┖蛿?shù)據(jù)標(biāo)注（標(biāo)注者）這三個(gè)環(huán)節(jié)[12]（圖2），這引起人們對(duì)人工智能系統(tǒng)透明度和問(wèn)責(zé)制方面的討論。此外，隨著智能化程度的提高，機(jī)器更多地參與到人類(lèi)的生產(chǎn)生活中，隨之而來(lái)的法律道德問(wèn)題也日益凸顯。例如無(wú)人駕駛汽車(chē)產(chǎn)生的交通安全事故，這不僅僅與算法的設(shè)計(jì)有關(guān)，還涉及倫理學(xué)、法律、哲學(xué)等領(lǐng)域，需要從多種視角進(jìn)行審視。

對(duì)于這部分的內(nèi)容，教師可以展示或推薦一些與人工智能相關(guān)的科幻影視作品，從某種程度上來(lái)說(shuō)科幻電影是基于現(xiàn)有技術(shù)對(duì)未來(lái)進(jìn)行的預(yù)測(cè)，這不僅能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還能激發(fā)學(xué)生無(wú)限的想象力。需要注意的是，這些影視作品對(duì)人工智能的宣傳往往有很多的夸大成分，教師還是需要引導(dǎo)學(xué)生理性地看待技術(shù)，避免將技術(shù)神秘化。此外，教師還可以組織學(xué)生進(jìn)行有關(guān)人工智能的演講、辯論賽、手抄報(bào)、日記等活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生們表達(dá)和交流自己的觀點(diǎn)。

2 結(jié)語(yǔ)

目前中小學(xué)人工智能教育主要在信息技術(shù)課、科學(xué)課、社團(tuán)拓展課中開(kāi)展，而上課的老師大多沒(méi)有人工智能方面的專(zhuān)業(yè)背景，如何將人工智能專(zhuān)業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)科教學(xué)知識(shí)是教師面臨的巨大挑戰(zhàn)。AI4K12工作組以中小學(xué)生應(yīng)該了解的人工智能為出發(fā)點(diǎn)，將當(dāng)前人工智能領(lǐng)域的核心知識(shí)歸納為感知、表示和推理、機(jī)器學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、社會(huì)影響，相較于人工智能行業(yè)中對(duì)人工智能領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)劃分（包括計(jì)算機(jī)視覺(jué)、語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、專(zhuān)家系統(tǒng)等），這五大概念并沒(méi)有那么全面和嚴(yán)謹(jǐn)，但其涵蓋了當(dāng)前人工智能領(lǐng)域的重大議題，且更加簡(jiǎn)潔易于中小學(xué)教師和學(xué)生理解。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】