中小學人工智能圖靈測試 體驗式教學活動設計研究

王璇 袁加欣 張鴿 方海光

摘要：本文梳理了國內(nèi)外人工智能教育在中小學的應用，以及在人工智能教學中融合圖靈測試的現(xiàn)狀，指出了將圖靈測試引入中小學人工智能教學的價值，并基于此設計了基于圖靈測試的中小學人工智能教學活動模式，最后介紹了相關的實施案例，希望能為圖靈測試在中小學人工智能課程活動中的應用提供有益參考。

關鍵詞：人工智能;圖靈測試;體驗學習;活動設計

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）10-0089-05

● 問題的提出

隨著教育理念的發(fā)展，人工智能在教育領域越來越受到重視，諸多基于人工智能的教育工具被應用于不同的場景，被教育者和學習者所接納。[1]體驗學習是將學習者置于某些特定情境中，通過給學習者提供直接的感官刺激，并與外界環(huán)境進行交互作用，以此來激發(fā)個體內(nèi)在的探究欲望與情感反應，在實踐中學習者通過體驗、感知、認知、行為等過程的整合統(tǒng)一，構建屬于個體自身的個性化知識體系。[2]因此，本文將體驗學習理論、圖靈測試的概念引入中小學人工智能教育，設計了基于圖靈測試的人工智能體驗式活動模式，并在一定范圍內(nèi)展開了應用。

隨著2017年國務院關于《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的發(fā)布，我國的中小學人工智能教育逐漸進入峰值區(qū)。人工智能在教育中的研究主要呈現(xiàn)以下特征：首先，從研究主體和研究對象來看，研究人員主要集中在高等學校、高職學校等，相對而言中小學等層面的研究人員較少，且研究整體上呈現(xiàn)量增多但質(zhì)不高的現(xiàn)象。[3]其次，從研究領域來看，涉及技術、模式與實踐三個領域。[4]最后，從應用層面來看，主要包括三個方面：第一，建立智能教學系統(tǒng)和學習平臺。第二，將智能機器人應用于教育。第三，建設智慧學習環(huán)境。

國外的人工智能在教育中的應用研究起源較早，對于人工智能應用于教學，主要分為替代教師與賦能教師兩個方面。但由于國外學者并不是直接以人工智能教育形態(tài)和業(yè)態(tài)為研究對象，也沒有考慮特殊的國情、教育現(xiàn)代化發(fā)展政策、經(jīng)濟發(fā)展階段等狀況與區(qū)域發(fā)展動力之間的相關性，所以，其研究不能直接用來解釋并指導我國人工智能教育形態(tài)和業(yè)態(tài)發(fā)展。

● 圖靈測試及其在教育中的應用

1.圖靈測試

圖靈在其論文《計算機與智能》中提出了一個問題：機器能思考嗎？他通過模仿游戲來幫助人們理解這一概念并引出圖靈測試：在相互分隔的情況下，測試者向被測試者進行提問，如果多次測試后，測試者對機器誤判率達到30，就認為這臺計算機通過了圖靈測試，具有了智能。[5]

圖靈測試不僅奠定了計算機智能的理論基礎，還闡發(fā)了對智能的獨到見解。[6]最初，圖靈試圖探究計算機能否像人類一樣進行思考，表現(xiàn)出智能，目的不在于試圖給出智能的定義，而是區(qū)分智能與非智能的狀態(tài)。據(jù)此，他提出“通用圖靈機”的構想，圖靈認為，計算機具備智能的最優(yōu)策略在于努力提供和人一樣的回答，機器的形態(tài)等并不是重點，重點在于是否存在可以想象的計算機能夠通過模仿游戲。在這個過程中，圖靈意在說明人的思維是計算的過程，能夠通過具體的步驟實現(xiàn)，他所構想的圖靈機可以和人一樣進行計算活動。

2.圖靈測試在中小學人工智能教育中的應用

奧蘭多科學中心的交互博物館通過展現(xiàn)圖靈的化身，向訪問者介紹展覽并作為智能向?qū)?。展覽作為非正式科學教育課程，目的是吸引和激發(fā)兒童對計算機科學的興趣，并讓他們考慮未來學習或從事人工智能領域。[7]我國關于圖靈測試應用于人工智能課程的案例較少，但也有實際應用的案例。王麗麗[8]在《初識人工智能》一課中，為了讓學習者更好地了解人工智能的概念和發(fā)展歷史，通過實際的情境體驗感受人工智能的特點，在實際教學活動中，引導學習者自行設計實驗來驗證計算機具有智能，并比對圖靈測試，來了解圖靈測試理念在計算機領域的前瞻性。

目前，人工智能應用于教育開始從關注技術本身發(fā)展，逐步延伸到教育的各個領域，但更多是對人工智能發(fā)展所產(chǎn)生的技術的應用研究，很少有溯及本源，即從如何判斷計算機被賦予人工智能這一角度出發(fā)，去探究其對教育教學活動有何影響，本文旨在將圖靈測試與中小學人工智能教育融合，以體驗式學習的相關理論為基礎，設計基于圖靈測試的中小學人工智能活動。

● 基于圖靈測試的中小學人工智能教學活動模式

1.相關理論

大衛(wèi)·庫伯[9]提出，體驗學習是一個四階段的循環(huán)過程（如圖1），包括具體體驗、反思觀察、抽象概括和行動應用。具體體驗是體驗學習的最初階段，個體依靠具體的、真實的東西來感覺，產(chǎn)生直接經(jīng)驗，從而獲得知識或感性經(jīng)驗;反思觀察是指要參與者在參與活動的基礎上，通過對活動內(nèi)容、過程進行觀察與反思，嘗試對過程中的現(xiàn)象或問題等做出歸納總結，形成個性化見解;抽象概括是讓參與者依靠自身的認知過程，將概念或符號形成抽象化的概念或理論，從而實現(xiàn)知識內(nèi)化。行動應用是對前三個環(huán)節(jié)所獲取的知識深度總結的過程，并將這些知識遷移到其他的情境中去。

2.基于圖靈測試的人工智能體驗式教學活動設計

大衛(wèi)·庫伯的體驗學習圈為本研究提供了體驗學習的綜合模式，筆者在大衛(wèi)·庫伯的體驗學習四階段循環(huán)模式的基礎上，根據(jù)圖靈測試的特點，對基于圖靈測試的中小學人工智能體驗式活動進行了詳細設計，如圖2所示。

（1）準備階段

首先，要設計活動的總目標，活動總目標為通過模擬圖靈測試的體驗式活動，使人工智能初學者能夠了解什么是圖靈測試，如何在具體學習情境或生活實踐中應用圖靈測試解決實際問題。在設計目標的同時要了解學習者的需求，為后續(xù)評價標準的制訂奠定基礎。其次，確定活動的對象，活動對象可以是人工智能初學者。再次，對教師進行相關培訓，使教師能夠具備一定的理論基礎來應對活動中可能出現(xiàn)的情況。最后，對活動環(huán)境的準備，環(huán)境包括軟環(huán)境和硬環(huán)境，硬環(huán)境主要是活動的物理環(huán)境，是外顯且易于把握的，軟環(huán)境則是學習者心里內(nèi)部環(huán)境的建設，是內(nèi)隱的且不利于把握。良好的環(huán)境除了物質(zhì)環(huán)境之外，還應該包括合理的教學設計與組織形式、對整個環(huán)節(jié)科學的管理以及對各環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問題進行有效調(diào)控。

（2）活動實施階段

①前期導入。這一部分主要是由教師主導的，可以通過展示圖靈測試對話的案例，引入人工智能與圖靈測試的關系：圖靈測試能夠判斷機器具有人工智能，同時通過對圖靈測試相關概念與知識內(nèi)容的介紹，引入活動的主題與目標為通過自主提問再現(xiàn)圖靈測試。此外，由于相關法律法規(guī)和倫理道德的要求，人工智能在被設計時會聲明自己的身份等信息。因此，在結合其他干擾因素的影響下，本研究設計出了中小學人工智能圖靈測試提問的三個原則：第一，個人問題和隱私問題不可以問，如性別、姓名、年齡、身高、體重;第二，參與的人不會偽裝，也不會刻意表達，人機之間相互分離;第三，每個人的問題是獨立的，相互之間不可以交流，互不影響。

②具體活動環(huán)節(jié)。這一段主要包括教師活動的模塊和學習者活動的模塊，根據(jù)具體內(nèi)容可以概括為創(chuàng)設情境、具體對話環(huán)節(jié)、學習的指導與支持以及評價與應用環(huán)節(jié)。

創(chuàng)設情境。通過創(chuàng)設與圖靈設計的測試環(huán)境相似的物理環(huán)境，讓學習者的學習效果隨著現(xiàn)實情境與學習環(huán)境一致性的增加而提升，因此情境創(chuàng)設在整個活動過程中非常重要。

具體對話環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)要求學習者在符合基本原則與道德倫理要求的基礎上，根據(jù)自己的理解與判斷，向機器主動提問，根據(jù)機器給出的答案思考下一個問題，在這個過程中鍛煉直觀思維、發(fā)散思維、形象思維和邏輯思維。

學習的指導與支持。在這個環(huán)節(jié)中，教師要對可能出現(xiàn)的問題進行矯正與處理，在學習者遇到困難或阻礙時，給予幫助，以保證活動能夠合理有序進行。引導學習者對整個對話的環(huán)節(jié)進行歸納總結，做出正確判斷，更好地體會圖靈在計算機領域提出這一理論的前瞻性。

評價與應用環(huán)節(jié)。教師根據(jù)最初設計的總目標，制訂評價標準，評價活動過程與結果，判斷學習者是否達到預期目標，達到的程度如何。同時，為了使學習者在活動過程中更加投入，可以加入評選最有價值問題的環(huán)節(jié)。參與活動會大大激發(fā)學習者對人工智能領域的興趣，教師在這一環(huán)節(jié)應正確指導學習者如何將活動所學內(nèi)容應用到生活及其他學科學習的實踐中去，促進這一活動過程中習得知識的有效遷移。

● 應用案例分析

本文以北京市海淀區(qū)某次教師培訓為例，說明在中小學人工智能課程中引入圖靈測試的活動設計方法。由于客觀原因，此次活動的對象為參與培訓的相關教師。

1.教師培訓案例

（1）前期導入

本次培訓的主題是機器人AI新型課堂，因此，在此次培訓活動中引入模擬圖靈測試環(huán)節(jié)的意義在于，通過讓參與者了解人工智能何以具備“智能”，如何判斷機器具有了人的智能，來更好地接受并在課堂中應用機器人輔助教學。活動的場地在北京市海淀區(qū)某學校智慧教室，本次參與圖靈測試的被測試者包括一名人類以及兩個機器人——智能語音助手A、人類B、人工智能教育機器人小娜C，活動過程中機器人、志愿者之間相互分離，互不干擾。

本次活動的導入環(huán)節(jié)為展示人工智能的相關案例，讓參與者體會隨著科學技術的發(fā)展，人工智能在各個方面的卓越提升，并引出此次活動的目標——通過對話模擬圖靈測試，并在開始具體活動前，聲明模擬圖靈測試的三條提問原則。

（2）具體活動環(huán)節(jié)

①創(chuàng)設情境。通過創(chuàng)設類似圖靈測試的環(huán)境，增加參與者參與活動的體驗感。根據(jù)圖靈測試的特點，結合對參與者的分析以及場地的限制，選擇以分小組的形式進行提問環(huán)節(jié)，現(xiàn)場采取圓桌的形式。共有18位參與者參與了此次活動，根據(jù)座次分布，將現(xiàn)場的參與者分成了4組，每一組有4～5位參與者，如圖3所示。

②具體對話環(huán)節(jié)。每一組都有提問的便利貼，組內(nèi)成員將問題寫在便利貼上傳遞。在提問環(huán)節(jié)每組有5張便利貼，組內(nèi)成員商討提問，并根據(jù)傳回的答案選擇下次提問的內(nèi)容，四個組平行進行提問。所有組提問回答完畢后，每一位參與者根據(jù)自己組的問答環(huán)節(jié)判斷誰才是真正的人類。

③學習的指導與支持。在提問環(huán)節(jié)中，有的參與者對所提問題是否屬于隱私問題無法判定，這時需要活動主持人提供幫助與指導，保證活動能夠正常有序地進行。由于活動過程中涉及的道具偏多，為了保證活動能夠正常進行，活動中的道具和輔助人員都應該充分準備，做好預案。在這個過程中，要引導參與者歸納總結，不要局限于活動本身，而應與生活實際相互聯(lián)系。

④評價與應用環(huán)節(jié)。判斷環(huán)節(jié)以問卷星的方式進行，現(xiàn)場參與者對真正的人類B的誤判率為66.67%，對智能語音助手A的誤判率達到了50%，因此可以說明智能語音助手A也通過了圖靈測試，而參與者們對人工智能教育機器人小娜C的誤判率為27.78%，沒能通過這次圖靈測試。

在所有組的提問與回答以及判別結束時，將每一組的問題與回答匯總在白板上，各組在所有的問題中選出認為最有價值的問題。在應用于實際問題環(huán)節(jié)，由于本活動是對教師的培訓，因此將行動應用環(huán)節(jié)設置為在教學中的實際應用，如如何將圖靈測試與實際教學環(huán)節(jié)進行有效結合。

2.教學應用案例

為探討圖靈測試在實際教學中的應用效果，本研究在北京市某中學進行了實驗教學活動。相比于教師培訓，在課堂教學中的應用需要更為靈活，針對不同的學情以及教學環(huán)境，可以適當調(diào)整問題與機器人的數(shù)量。本次活動仍由準備階段和實施階段組成，實施階段的導入環(huán)節(jié)以及座位排列不作贅述，以下是具體活動環(huán)節(jié)。

（1）創(chuàng)設情境

根據(jù)學生的數(shù)量以及教室環(huán)境的客觀條件，本次活動將23名學生分為4組，每組可以討論提出3個問題，由助教進行問題和答案的傳遞，如圖4所示，其中A是人類，B是機器人。

（2）具體對話環(huán)節(jié)

每組學生提出問題，助教進行問題傳遞并傳回問題答案，在這個過程中，教師提供指導與支持，學生根據(jù)問題的回答進行判斷。

（3）評價與應用環(huán)節(jié)

在所有組問答環(huán)節(jié)結束后，每組填寫圖靈測試統(tǒng)計表，學生根據(jù)問題的回答判斷A和B誰是真正的人類。其中，判斷A為機器的人數(shù)為15人，誤判率為65%，判斷B為人類的人數(shù)為2人，誤判率為9%，因此可以說明機器人B沒有通過圖靈測試。

由上述兩個案例可以看出，圖靈測試可以在教育領域廣泛應用，既可以面向教師，也可以面向?qū)W生。在不同的應用場景下，可以根據(jù)客觀環(huán)境和實際需要動態(tài)調(diào)整，問題數(shù)量也可靈活變化。

● 總結

本文以大衛(wèi)·庫伯的體驗學習四階段循環(huán)模型為理論基礎，設計了在人工智能教育中結合圖靈測試的概念的體驗式活動，并在教師培訓和某中學的教學中進行實踐。由于時間和能力有限，本研究還存在以下不足：首先，對研究現(xiàn)狀梳理得到的數(shù)據(jù)并不能夠覆蓋中小學人工智能教育的所有問題，只能涵蓋當下研究中的某些特點。其次，由于這一活動對教學場景、教師背景知識以及學生的研究能力有一定的要求，較為適用于參與人數(shù)較少的情況，能否在大班中推廣仍需要進一步研究。

體驗式學習將學習融入到能夠被分享和理解的個人經(jīng)驗中，不僅適用于教育的實施、學習以及相關培訓，還有利于知識的創(chuàng)造，強調(diào)體驗在整個過程中的重要性。通過引入圖靈測試，同時發(fā)揮體驗式學習的優(yōu)勢，增加了學習者在學習過程中的體驗。教師引導學習者進行深入思考，針對學習者的顧慮給予正面引導，幫助學習者樹立正確的價值觀?；顒拥膶嵤┍仨毧紤]全面，包括場地的布置、人員的定位、對學習者的分析、法律法規(guī)與道德倫理要求、具體環(huán)節(jié)與實際應用等多個方面，根據(jù)實際情況動態(tài)調(diào)整。

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作者簡介：方海光，首都師范大學教育學院教授，研究方向為教育大數(shù)據(jù)、人工智能教育、智能教育機器人、智慧教育等;張鴿，首都師范大學教育學院副教授，碩士生導師，研究方向為教育理論與教學管理;王璇，首都師范大學教師教育學院在讀碩士研究生，研究方向為教育傳播理論與技術。