“現狀、目標、方法”——談人工智慧K12學科教育

人工智慧 · 發表 2018-11-25 07:00:00

摘要：圖片來源：圖蟲創意 2018年，在北京，在上海，在廣州，在成都，“人工智慧”和“人工智慧教育”的展會、培訓會、交流會、釋出會多如牛毛，如果你有興趣，幾乎每天都能參加此類活動。“人工智慧”是2018年科技界最熱的詞彙，也是K12教育領域出現頻率最高的關鍵詞。那麼什麼是人工智...

圖片來源：圖蟲創意

2018年，在北京，在上海，在廣州，在成都，“人工智慧”和“人工智慧教育”的展會、培訓會、交流會、釋出會多如牛毛，如果你有興趣，幾乎每天都能參加此類活動。“人工智慧”是2018年科技界最熱的詞彙，也是K12教育領域出現頻率最高的關鍵詞。

那麼什麼是人工智慧？人工智慧教育的目的和使命是什麼？人工智慧K12教育應當如何開展？為了尋找這三個問題的答案，我們成立了“樂智人工智慧北京研究院”，開始了人工智慧K12教育教育領域的應用探索。

一、什麼是人工智慧

K12教育行業對人工智慧學科教育的廣泛關注是從2017年夏季國務院印發《新一代人工智慧發展規劃》（以下簡稱《AI發展規劃》）開始的。

《AI發展規劃》提出，人工智慧已成為國際競爭的新焦點，應逐步開展全民智慧教育專案，在中小學階段設定人工智慧相關課程、逐步推廣程式設計教育、建設人工智慧學科，培養複合型人才，形成我國人工智慧人才高地。

人工智慧的學科任務就是使用機器實現對自然和社會的認知並做出計算和推理，它的目標是模擬或拓展人類的認知和思維。人工智慧源於數學和計算科學，經過半個多世紀的探索和發展，它已經涉及和影響了我們大部分自然科學和社會科學學科。

目前人工智慧的研究方向可歸納為以下五個方面：

認知科學，包括自然語言理解與交流、計算機視覺等；
計算與推理；
機器學習；
感測與控制，也就是我們常說的機器人學；
博弈與倫理。

二、人工智慧教育的目的，意義和現狀

如《AI發展規劃》所言，人工智慧K12教育的願景目標是“設定人工智慧相關課程、逐步推廣程式設計教育、建設人工智慧學科，培養複合型人才，形成我國人工智慧人才高地”。它的意義在於“搶抓人工智慧發展的重大戰略機遇，構築我國人工智慧發展的先發優勢，加快建設創新型國家和世界科技強國”。

結合已在K12階段廣泛開展的資訊科技教育和創客教育經驗，我們認為人工智慧K12教育的目的可以分解為以下六個方面：

讓學生了解人工智慧的概念、應用方向以及實現原理；
掌握計算機和程式設計知識，能夠使用程式語言進行人工智慧學科專案實踐；
掌握感測、運動、控制知識，並能夠用於人工智慧工程實踐；
掌握人工智慧數學基礎，能用統計建模、演算法工具等解決人工智慧工程問題；
培養學生的創造力、設計能力、動手實踐能力、溝通協作能力；
培養學生的計算思維和工程思維。

科技教育受到科技進步和國家政策的雙重驅動，《AI發展規劃》的印發讓K12教育行業掀起了人工智慧教育研究的熱潮。

目前我國的人工智慧K12教育理念已經居於世界前列，我國在世界上第一次把人工智慧教育納入到了國家戰略層面。通過對歐美日等機器人和程式設計教育接受度比較高的國家和地區的調研資料顯示，目前人工智慧K12學科教育尚未納入這些國家的發展戰略，相應的人工智慧學科教育也沒有開展起來。然而我們也不能掉以輕心沾沾自喜，歐美日等發達國家的程式設計教育和STEM教育的滲透率遠遠高於我國，我國的程式設計教育滲透率是0.96%，而美國是44.8%，我國依然處於非常弱勢的地位，而且，人工智慧的技術基礎是數學和計算科學，這兩方面一直都是歐美日的強項，想要在人工智慧學科研究上超越發達國家，還有很長的路要走。

為了趕上人工智慧K12教育的第一波紅利，去年開始，國內為數眾多的企業、機構、中小學甚至大學等相繼開始了人工智慧K12教育領域的研究。進入18年後，大量的“人工智慧教學體系”、“人工智慧教具”、“人工智慧教材”之類產品面世。這些人工智慧教育產品無非有兩類：

第一類是在現有的創客教育或機器人教育體系的基礎上，增加人工智慧教育的內容（甚至什麼內容都不增加），在宣傳上把原有產品包裝成所謂的“人工智慧教育”。這類產品的特點是都以前的創客教育或者stem教育體系為主，講授機器人的感測控制或程式設計知識。和人工智慧的核心主題關係不大，沒有真正深入到人工智慧學科領域中去。

第二類產品採用的同樣是快速搶佔人工智慧K12教育橋頭堡的方式，直接推出關於人工智慧主題的書籍、課程和軟硬體產品。理論上這種方式更能契合人工智慧的理念，更具專業性。但很多產品為了“搶佔先機”，研發過於倉促，而人工智慧的學科內容又過於龐大和複雜，所以往往沒有條件很好地按照K12教育的實際情況組織內容和軟硬體，而是把大量就連理工類大學的本科生都無法掌握的專業內容灌輸給中小學生，造成課程體系與學生認知水平差異巨大，無法起到良好的教育效果。

通過對大量的人工智慧K12教育產品調研，我們認為目前存在如下問題：

1.從業人員對人工智慧的理解存在誤區。

在很多從業多年的專家、教師和專業人士眼裡，人工智慧和機器人技術、程式語言（比如Python）是劃等號的，我們知道Python語言是一種非常優秀的程式語言，在資訊處理方面能力非常強大，應用在很多人工智慧研究領域，但是Python語言只是一種工具，與人工智慧的核心概念、學科內容相距甚遠。

2.內容產品與課堂教學脫節。

這個問題由來已久，廣泛出現在創客教育領域。造成問題的原因是教育產品研發機構大多是科技企業背景，配套課程和書籍都是由設計研發產品的工程師編寫，沒有能力考慮教育場景下的應用，造成內容產品與教學脫節嚴重，並不像教材，更像產品說明書或廣告冊。

3.產品研發組織倉促，品質無法保證。

這個問題我們已經在前面有過分析，此處不再展開。

4.產品同質化嚴重。

產品同質化同樣是很多創客教育產品一直面臨的問題，企業研發能力往往很有限，大多通過“借鑑”和“微創新”同行產品來研發內容和軟硬體產品，缺乏創新力，造成不同企業的產品之間相似度極高，同質化嚴重。

三、如何開展人工智慧K12教育

理解願景目標和意義是著手教學設計的前提。通過以上對人工智慧架構、人工智慧K12學科教育目的和意義的分析，我們認為K12人工智慧教育的內容結構應包括六個方面：

人工智慧概念、應用方向及其原理；
數學相關學科；
感測、運動、控制；
程式語言；
演算法；
工程思維。

表：人工智慧K12教育各階段內容與教學任務表

確定內容結構後我們與華東師範大學、北京師範大學等高校和教育研究機構的教育學專家們一起探討和研究適合K12年齡階段的人工智慧學科教育理念。充分聽取各家意見後製定了人工智慧K12學科教育體系設計的幾個原則：

知識內容的科學性和專業性；
講授知識的同時注重對方法和能力的培養；
根據學生在不同年齡階段的認知水平和學習方法特點制定相應的課程。

人工智慧學科教育作為一門科普和創客教育課程，首先要保證它的科學性和專業性。我們向學生傳播的知識和方法一定要有確鑿的依據，經得起推敲和驗證。這體現在人工智慧學科架構和概念原理兩個方面，我們不能把與人工智慧無關的知識體系包裝成所謂“人工智慧”課程，也不能把錯誤的理論和方法教授給孩子們。

在小學階段，學生的自律能力往往比較差，研發課程時就應充分考慮如何激發學生的學習興趣。我們的做法是在授課時通過有趣的故事進行情景引入，在知識點講授環節則要注意內容不宜過多，每節課不應超過三個知識點；連續進行知識講授的時間不宜超過15分鐘，否則孩子們很難有足夠的耐心聽下去，同時設計緊扣知識點並且參與感與趣味性都比較強的課堂互動環節讓孩子們更容易地接受和掌握知識內容。