丘運華，張逸聰

摘要：人工智能已成為國際競爭的重要領(lǐng)域，但公眾對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。由美國人工智能協(xié)會（AAAI）與美國計算機科學(xué)教師協(xié)會（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、機器學(xué)習(xí)、人機交互和社會影響。該文將對這五大概念進行解讀，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;機器學(xué)習(xí);人機交互;社會影響

中圖分類號：G424? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）34-0287-03

人工智能在這個大數(shù)據(jù)時代發(fā)揮著越來越重要的作用，它不但影響著人們的衣食住行，也占據(jù)著國際競爭中重要的技術(shù)高地，引領(lǐng)著未來的發(fā)展[1]。國務(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)階段開設(shè)人工智能相關(guān)課程[2]。2018年教育部聯(lián)合多部門開展“中小學(xué)人工智能教育項目”，構(gòu)建編程平臺、智能應(yīng)用軟件與智能機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]。由此可見人工智能教育在實施國家戰(zhàn)略過程中扮演著重要的角色，在中小學(xué)階段開展人工智能教育勢在必行。

人工智能整合了新型算法、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)[5]，涵蓋范圍非常廣，面對如此龐雜的知識，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)前進行人工智能教學(xué)實踐的教師們所面臨的挑戰(zhàn)。美國人工智能協(xié)會（AAAI）與美國計算機科學(xué)教師協(xié)會（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水平，并創(chuàng)建一個在線資源庫，提供優(yōu)秀的課堂案例及教學(xué)資源。同時，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、機器學(xué)習(xí)、人機交互和社會影響。

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，人類可以通過皮膚、眼睛、耳朵、鼻子等感覺器官幫助感知周圍的世界，而人工智能作為一種模仿人類智能的技術(shù)，也被賦予了生命體的某些特征，感知能力便是其中之一。目前機器主要通過攝像頭和麥克風(fēng)去“看”和“聽”，與之對應(yīng)的便是圖像識別與語音識別技術(shù)，但機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器感知領(lǐng)域。例如無人駕駛汽車中配備了包括攝像頭、激光掃描儀、毫米波雷達和超聲波雷達等傳感器。相比圖像識別和語音識別這兩種劃分類別，“感知”這個概念能更全面地涵蓋機器從外部獲取信息這個過程，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“感知”這個概念給出了相應(yīng)的教學(xué)活動建議，例如認(rèn)識計算機、機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;使用Scratch擴展插件來構(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)，在國內(nèi)使用可能會遇到網(wǎng)絡(luò)連接的問題，教師可以利用國內(nèi)現(xiàn)有的編程平臺例如Mind+、慧編程、源碼編輯器等。這些平臺大多調(diào)用的是百度智能云服務(wù)接口，能實現(xiàn)輕量的語音識別、圖像識別、文字識別、翻譯等功能。需要注意的是，上述功能的實現(xiàn)需要電腦配備麥克風(fēng)和攝像頭，同時對網(wǎng)絡(luò)連接環(huán)境有一定的要求。此外，“感知”這個概念在開源硬件項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行處理的過程便是機器的感知。教師可以結(jié)合一些人工智能應(yīng)用例如無人駕駛汽車、無人售貨機、智能家居等場景將開源硬件融入人工智能教學(xué)中，幫助學(xué)生更好地理解機器感知這個概念。

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特定的邏輯和模型表示現(xiàn)實世界，并用它們進行推理。原中國人工智能學(xué)會理事長鐘義信先生指出人工智能是在理解自然智能尤其是人類智能的基礎(chǔ)上創(chuàng)造出具有一定智能水平的機器[7]。人類智能的獲得離不開知識的獲取，而 “表示”就是指將知識用計算機可理解的符號以某種形式表現(xiàn)出來，即知識的符號化[8]，知識表示是自然智能和人工智能的基本問題之一。好表示能幫助推理，例如，在進行百度搜索時，計算機會從海量的知識圖譜中搜索關(guān)鍵字，并且將關(guān)鍵字周圍關(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。

對于“表示和推理”這個概念A(yù)I4K12建議多采用不插電的方式進行教學(xué)，例如設(shè)計一個教學(xué)活動讓學(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)實世界中的街道、標(biāo)志性建筑畫成一條條線段和圓點，形成一張簡易的地圖，再通過比對測量找出一條最短的路徑。該活動中繪制的地圖是學(xué)生對客觀世界進行的表示，尋找路徑便是推理的過程。此外，生物分類圖譜也是一個很好的例子（如圖1），該圖譜將自然界的植物進行簡單的分類，可以基于一系列“是/否”問題來探究決策樹推理算法的流程。學(xué)生可以兩人合作，一位構(gòu)建生物圖譜進行猜測，另一位在腦海中預(yù)設(shè)一種植物，前者可以通過提出“它是種子植物嗎？”“它是被子植物嗎？”這類問題，進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“猜人物”的游戲，讓用戶心里想一個名人，“天貓精靈”通過“她/他是歌手嗎？”“她/他是國內(nèi)的嗎？”這類問題進行猜測，能大概率推理出用戶心中所想，其原理便是基于決策樹的推理。

1.3 機器學(xué)習(xí)

近年來，研究人員在深度學(xué)習(xí)中取得了突破性的進展，掀起了人工智能的第三次浪潮 [9]。人們希望機器能進行學(xué)習(xí)是基于以下三個原因：首先，人工智能所處的情境不能被完全預(yù)測，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限的發(fā)展與結(jié)果。其次，世界處在不斷變化的過程中，例如股票價格的波動、道路中行駛的車輛，這時候機器需要學(xué)習(xí)以適應(yīng)這些變化。最后，機器學(xué)習(xí)被證明是解決復(fù)雜問題的關(guān)鍵技術(shù)，它們可以極大地簡化人類工作量，提高辦事效率[10]。如果將機器學(xué)習(xí)按照學(xué)習(xí)方式進行分類，它可以分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)和增強學(xué)習(xí)。將幼兒的學(xué)習(xí)與之進行類比的話，監(jiān)督學(xué)習(xí)就像家長幫助孩子認(rèn)識事物，例如指著貓并告訴孩子這種長著胡須、四條腿、有尾巴并能發(fā)出“喵喵”聲音的動物稱為“貓”，其實這是對這類特征的動物貼上“貓”這個標(biāo)簽，而機器也就是在大量貼有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)。增強學(xué)習(xí)就像家長教育孩子時的獎懲措施，在做對或者做錯事情后會得到正向或負(fù)向的反饋，以改進行為。而無監(jiān)督學(xué)習(xí)則是根據(jù)沒有被標(biāo)記的訓(xùn)練樣本進行學(xué)習(xí)，聚類是其中最典型的例子，它將相似的內(nèi)容聚集在一起，通過算法使具有相同特征的數(shù)據(jù)歸整為同類。

教師在向?qū)W生介紹機器學(xué)習(xí)的時候，可以通過上文提及的一些編程平臺讓學(xué)生體驗機器學(xué)習(xí)的過程，并制作一些有趣的人工智能項目。這些平臺開發(fā)了機器學(xué)習(xí)模塊，用戶可將圖片、列表和文本傳輸至系統(tǒng)，來進行機器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練。例如Mind+平臺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應(yīng)的標(biāo)簽（用戶自定義），經(jīng)過多次訓(xùn)練后便能又快又準(zhǔn)確地識別特定的圖片;源碼編輯器平臺中的“GAME AI”模塊可以通過角色的坐標(biāo)位置和鼠標(biāo)或鍵盤操作數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，讓AI進行FlappyBird、飛機大戰(zhàn)這類簡單的游戲。另外，Code.org編程教育網(wǎng)站中“海洋環(huán)保中的人工智能”也是一個有助于學(xué)生理解機器學(xué)習(xí)的項目。它采用闖關(guān)游戲的形式將機器學(xué)習(xí)過程可視化，生動形象的交互式動畫能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該項目中還會涉及特征選取和訓(xùn)練數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的偏見，能夠讓學(xué)生意識到數(shù)據(jù)是如何影響機器學(xué)習(xí)模型的。

1.4 人機交互

要實現(xiàn)機器與人類進行自然而順暢地交互，就要讓機器能夠理解人類的行為、語言、表情等信息，這里面涉及語音識別與合成、情感計算、自然語言理解、意識與心靈哲學(xué)等內(nèi)容。事實上讓機器理解人類是一個艱巨的任務(wù)，還有很長的路要走。筆者嘗試過向天貓精靈提出一個問題：“張三的兒子是小明，小明的父親是誰？”，這個問題在我們看來是非常簡單的，但AI沒能回答出來。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？”這類高深的問題時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”？這時候就涉及圖靈測試這個知識點，圖靈測試是艾倫圖靈提出的一種判斷機器是否具備智能的方法，如果測試者在與被測試者隔開的情況下，測試者通過一些裝置（如鍵盤）向被測試者提問。機器人作為被測試者，如果機器成功“欺騙了”30%的測試者，那么該機器通過了圖靈測試，證明該機器是具備智能的。

對于人機交互這個概念，學(xué)生可以結(jié)合現(xiàn)有編程平臺中開發(fā)的人臉識別、手勢識別、語音合成相關(guān)模塊，制作一些有趣的人機交互應(yīng)用程序，例如可以識別出顧客人臉年齡、性別、心情等信息的AI銷售員。此外，可以利用生活中的智能音箱產(chǎn)品讓學(xué)生體驗人機交互過程，但這個過程并不是盲目進行的，教師需要引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計兩類問題，一種是人工智能一定能回答的問題;另一種是人工智能可能回答不了的問題，并將兩類問題分別記錄下來，再從天貓精靈、小度、小愛等設(shè)備中進行驗證。在這個過程中學(xué)生可能會認(rèn)識到AI并沒有想象中那么聰明，它們有長處同樣也有短處。從某種意義上來說這是在試探人工智能的邊界，有助于學(xué)生在未來更好地進行人機交互與協(xié)作。

1.5 社會影響

當(dāng)人工智能在各個領(lǐng)域取得巨大成功時，人們也開始思考它所帶來的影響。當(dāng)下許多工作正在被機器所取代，如無人機送外賣、智能快遞分揀、自動駕駛等。先進的技術(shù)能將人類從繁重的任務(wù)中解放出來，機器憑借夜以繼日不知疲倦地工作、強大的計算力和信息存儲能力，在某些方面大大超越了人類。我們在未來應(yīng)該如何學(xué)習(xí)、在社會中扮演什么樣的角色？這些問題值得進一步探討[11]。另外，隨著人工智能應(yīng)用場景的不斷增多，其產(chǎn)生的算法偏見問題也逐漸出現(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，而這種偏見主要來源于機器學(xué)習(xí)過程中的數(shù)據(jù)集構(gòu)建（人類社會產(chǎn)生的偏見數(shù)據(jù)）、目標(biāo)制定與特征選取（算法工程師）和數(shù)據(jù)標(biāo)注（標(biāo)注者）這三個環(huán)節(jié)[12]（圖2），這引起人們對人工智能系統(tǒng)透明度和問責(zé)制方面的討論。此外，隨著智能化程度的提高，機器更多地參與到人類的生產(chǎn)生活中，隨之而來的法律道德問題也日益凸顯。例如無人駕駛汽車產(chǎn)生的交通安全事故，這不僅僅與算法的設(shè)計有關(guān)，還涉及倫理學(xué)、法律、哲學(xué)等領(lǐng)域，需要從多種視角進行審視。

對于這部分的內(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，從某種程度上來說科幻電影是基于現(xiàn)有技術(shù)對未來進行的預(yù)測，這不僅能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還能激發(fā)學(xué)生無限的想象力。需要注意的是，這些影視作品對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)生進行有關(guān)人工智能的演講、辯論賽、手抄報、日記等活動，鼓勵學(xué)生們表達和交流自己的觀點。

2 結(jié)語

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、社團拓展課中開展，而上課的老師大多沒有人工智能方面的專業(yè)背景，如何將人工智能專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為學(xué)科教學(xué)知識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，將當(dāng)前人工智能領(lǐng)域的核心知識歸納為感知、表示和推理、機器學(xué)習(xí)、人機交互、社會影響，相較于人工智能行業(yè)中對人工智能領(lǐng)域的專業(yè)劃分（包括計算機視覺、語音識別、自然語言處理、專家系統(tǒng)等），這五大概念并沒有那么全面和嚴(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】