基于科學素養的機器人教育與人才培養

王學男　林眾等

編者按：隨著2017年國務院印發了《新一代人工智能發展規劃》，其中明確指出應在中小學階段設置人工智能相關課程、逐步推廣編程教育、建設人工智能學科，培養復合型人才。這為從小學開始開設機器人課程，落實STEM教育理念中的跨學科教育和科學素養提供了最佳入口，由此，機器人教育再度成為教育熱點。機器人教育被現代教育學家認為是培養學生創造力和想象力的有效工具，集機械、電子、編程、物理、數學、藝術設計等多學科于一體，有助于學生的邏輯思維能力、創新精神的培養和實踐動手能力的培養，同時也為我國理工科人才的建設奠定基礎，契合我國課程改革的趨勢與需求。2017年起，以浙江為先的部分地區將信息技術（含編程）正式升級為高考項目;大學院校相繼開設機器人類專業并納入自主招生。但機器人教育的實踐及其課程、教材與STEM理念、核心素養在對接的過程中，仍然面臨諸多挑戰，以整體的課程體系未建立和缺少國家層面的示范引領為首要問題，智能機器人課程多作為校本課程、興趣小組或社團活動，面向個別群體，由少部分老師自發組織，或由培訓機構提供有償教育服務進行;目前學校多處于實驗室等硬件建設階段，注重環境創設，但是對核心的課程和教師專業發展并沒有明確方向，缺乏能夠勝任教學的老師、老師沒有可教的課程內容即載體很突出;課程內容主要集中于編程的學習，以Arduino平臺為基礎的服務型機器人為典型，難度不適宜和學科內容孤立的問題仍然無法解決;主要采取以賽促學的形式促進該學科發展，缺乏其他形式的學習、實踐和交流平臺等等。基于這一前提和背景，本課題組向張鈸院士請教相關問題并進行了訪談，并圍繞在基礎教育階段，開展機器人課程的教育目標、課程內容和形式、人才貫通培養、人工智能的影響以及對機器人教育的相關建議，這幾個主題進行了深入訪談。

張鈸，清華大學計算機系教授、博士生導師、俄羅斯自然科學院外籍院士、中國科學院院士，現任清華大學人工智能研究院院長，從事人工智能理論、人工神經網絡、遺傳算法、分形和小波等理論研究;并把上述理論應用于模式識別、知識工程、智能機器人與智能控制等領域的應用技術研究。

張鈸院士與張鈴教授合作提出人工智能問題求解的商空間理論，解決不同粒度空間的問題描述、它們之間的相互轉換以及復雜性分析等理論問題，并以該理論為指導，提出多層信息綜合、多層規劃與搜索等新的研究方法，形成新的算法。在這些領域他已發表200多篇學術論文和5篇（或章節）專著（中英文版），十多項成果分別獲得國家級、部級和國際獎;他的專著獲得國家教委高等學校出版社頒發的優秀學術專著特等獎;他的科研成果分別獲得ICL歐洲人工智能獎、國家自然科學三等獎、國家科技進步三等獎、國家教委科技進步一、二等獎、電子工業部科技進步一等獎以及國防科工委科技進步一等獎等獎勵。

關鍵詞：科學素養;基礎教育;機器人教育;課程教材;人才培養

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、培養科學素養是基礎教育的重要目標

訪談者：張院士，您好！非常感謝您在百忙之中抽出時間接受我們課題組的訪談。我們知道您多年來一直致力于計算機科學與技術的科學研究和人才培養，同時也是國內人工智能與機器人領域的知名學者。畢業后留校任教至今，到2018年已經整整六十個年頭，在此期間您對計算機科學與技術、人工智能領域的研究和高層次人才培養、學科建設等均做出了巨大的貢獻。我們的課題《STEM教育創新與實踐：中小學機器人課程建設的研究》主要是面向基礎教育，基于STEM強調的學科融合的理念，以機器人課程為載體和切入口，力求從小培養學生的計算思維、創造力等。這與高等教育階段進行機器人教學和研究肯定存在巨大的差別，但基礎教育與高等教育之問的銜接、基礎教育奠定的基礎作用，對機器人教育的系統性也會產生影響。請您從您的角度談談，在基礎教育階段，機器人教育的目標應該什么樣的？

張院士：教育的問題是一個很深刻、很重要的問題，義務教育更是一個非常重要的基礎性問題。你們提出的問題應該由教育家來回答，我不是教育家，所以我只是從受教育者的角度，或者從我所從事的專業角度來談一些想法。為了回答機器人在基礎教育中的作用，我們需要先搞清楚基礎教育的目的和任務。我認為基礎教育的目的是培養和塑造高素質的國民，那么什么是“高素質”的國民？它應該包含兩大方面。一個是人文素質，包括理想、道德和文化素養等，這涉及國家、社會、家庭和個人等各個方面，涉及教育學的很多問題，今天我不談這些。二是科學素質，是我今天要談的主題。我在一次科協召開的關于“科學普及”的大會上，聽到以下的調查統計結果，“2018年我國具備科學素質的公眾比例達到了8.47%，比2015年第九次調查的6.20%提高了2.27個百分點”。但中國人的基本科學素養、科學素質仍然在世界平均水平之下。這給予我很大的震撼，并留下很深的印象。

造成這個現象的原因可能有兩個方面，一方面是關于科學素養、科學素質的教育不夠普及，這個“教育”是說的大教育的概念，不只是學校的教育。一般來講發展中國家國民的科學素養、科學素質與發達國家之間有比較大的差距，這屬于科學普及的問題，因為一個人科學知識缺乏，就會容易傾向于輕信。另外一方面則是學校教育本身。學校基礎教育對科學素質的培養通常是通過傳授核心科學（Core Sciences）知識來完成的。這個核心科學過去主要指數學、物理、化學，有時還包括生物（隨著科學技術的發展，普遍認為目前中小學教育所教的核心科學，除數理化三門之外，還需增加生態學、地球科學和計算機科學），即通過核心科學知識的傳授，培養學生以下三個方面的科學素養。一個是科學精神，即科學的批判精神，以建立一種獨立的、科學的批判能力。馬克思不是說過他最喜歡的格言是“懷疑一切”？因為“懷疑一切”是科學批判精神的精髓，也是創新的出發點。二是教給學生科學的方法，提高他們獨立分析問題和解決問題的能力，以應對今后工作上和生活上所面臨的問題。三是培養科學的作風，即嚴謹、實事求是的科學作風。從科學素質的培養來看，我國當前的中小學教育（基礎教育）究竟發揮著什么樣的作用？哪些是好的應該繼續發揚，哪些是不好的應該注意改進呢？面對信息爆炸、知識快速增長的現代社會，中小學教育應該如何面對呢？在這方面我們與西方國家教育思想的差異還比較大，我們比較重視核心科學知識的傳授，而他們更重視通過核心科學知識的傳授，讓學生建立起科學精神，掌握好科學方法，樹立起科學作風。

現在回到機器人教育在基礎教育中的作用問題。我贊成把生態學、地球科學和計算機科學列入當今中小學教育的核心科學（Core Science），因此我贊成把計算機科學列入中小學的必修課。但是我不贊成把機器人、人工智能等列入必修課程里，因為基礎教育的時間有限，我們不可能把所有的科學內容都列入中小學必修課程。基礎教育的正式課程中，所傳授的科學知識應該屬于相當穩定，已經形成體系，且具有普適意義的基礎科學知識。我們剛才說過，傳授科學知識的主要目的是提高學生的科學素養，因此不是科學知識傳授的越多越好。但我認為機器人可以作為選修的內容設計在課程體系中，因為機器人是目前很熱門的領域，許多青少年對此感興趣，因此學生可按照興趣來選修、選學。機器人教育的目標應該是，培養學生對科學的興趣與熱愛。機器人課程應該重視實踐，通過它還可以培養學生的動手能力。

二、中小學機器人課程和教材要注重互動性

訪談者：您剛剛從提高國民科學素養的視角和高度，為我們闡釋了基礎教育階段進行機器人教育的一個基本前提和目標。讓我們理解到從科學家、科學觀的角度來看待，基礎教育對于培養人的科學素養的重要意義。知識的增加只是外顯的行為上的變化，知識不斷更新換代，知識學習是無法窮盡的，學校教育也很難跟上科技知識的更新速度，那么您給出了我們如何更好應對的“道”，就是關注對人的科學素養、素質上的培養，通過科學的精神和作風去對待，用科學的方法去獲取和判斷。那么如果從這個基本認知的前提出發，在基礎教育階段開設機器人課程，應該如何定位呢？

張院士：我覺得我國的基礎教育與國外的差異，主要不是體現在教材上，我們的教材內容通常比國外的更多和更深，而是體現在教學方法或者教育思想上。我們重視知識傳授，大多數是灌輸式的滿堂灌，課堂很不活躍。相反，國外的教學則是互動式的，學生踴躍參與，對任何的科學結論都可以有自己的看法，都可以提出質疑，老師積極鼓勵學生這樣去做，因此教學的效果很不相同。下面是美國一所私立小學對5年級優秀（班上唯一獲得A+）學生的獎狀（評語），從中可以看出他們怎么看待“優秀生”。

******（姓名）

Is presented with this award for being an Educated Achiever

Demonstrates critical thinking，problem solving and proficient writing.Have a knowledge that exceeds state academic standards.Working independently and cooperatively with peers.Understanding and engage in all areas of the curriculum across Science，Technology，Engineering，Arts and Math.

Upper School Director*****（簽名）

Oct.24.2018

其中提到：批判性思維，獨立工作能力，與他人合作精神，具有超過國家知識標準的知識，參與并理解所有課程包括科學、技術、工程、藝術和數學等（即全面發展）。

我在美國看到一位老師帶領一群4-5歲小孩看畫展，印象深刻。在國內看畫展的場景一般是這樣的，觀眾跟著講解員一路走一路聽下去。設想一下，如果這些聽眾是4-5歲小孩，情況會是怎樣？孩子們無法耐心聽下去，到處亂跑，或者心不在焉。而我看到的場景卻是這樣：老師帶著一群小孩圍坐在一副畫前，孩子們爭相舉手發表意見，老師趁勢進行講解，這是一個師生參與的完全互動的過程，非常活躍。

機器人教育不只是給孩子們普及一點相關的知識，重要的是要利用學生的好奇心，引導他們熱愛科學，從中學到科學知識。因機器人課程的教學過程也必須是互動的，生動的，特別要把動手制作與知識學習結合起來。

三、機器人課程中的編程是為了更好的思維和理解

訪談者：我們課題組有這樣一個初心，因為孩子天生是愛玩的，學習本來就是要吃苦的，那么我們能不能將機器人作為一個學習科學、學習計算機科學的載體，把這些相關的知識“裝”進去，以此來提高孩子對抽象知識的興趣，并通過知識的學習同時培養他們的科學素養呢？

張院士：我知道您的意思。您說的很對，必須提高學生對學習的興趣。這也是我們現在中小學教育的最大弊病，我們的課堂很嚴肅，很沉悶，只有老師在講。相反，他們的課堂很活躍，能夠喚起孩子對學習的興趣，滿足他們對知識的渴望。為什么他們能做到這一點？主要是依靠啟發式和互動式的教學理念與方法。舉一個簡單的例子，我記得我在小學時上的“圖畫課”，是老師先在黑板上畫一只蘋果，大家照著畫，誰畫得像，誰的成績好（不知道現在是不是這樣）。他們的繪畫課完全不同，老師出一道題目叫“Spring”（春天），讓學生作畫。結果每個學生都非常有興趣，充分展開想象力，有畫一輪升起的太陽，有地上長出的一枝嫩芽，土里爬出的一只小蟲，五花八門，每個學生畫的都不一樣。顯然，二者的教育思想很不相用，一個是培養繪畫技巧，一個是培養想象力與創造性。說明二者設立繪畫課的目的是不一樣的，因為基礎教育不同于專業教育，學生進入藝術學院學繪畫，其目的要把繪畫作為職業，繪畫技巧自然對他們很重要。而基礎教育中的繪畫教育，不是要培養學生成為畫家，而是為了提高他們的藝術素養。這同樣適用于中小學階段的機器人教育，它不是培養未來從事機器人研制與應用的工程師，而是通過它培養學生的科學素質。

訪談者：在小學的科學課程標準里，其中有一個單元，叫技術與工程。在這個領域里就涉及了計算機、機械等。這樣的話，其實是給機器人作為一個小載體，提供了一定的前提條件。

張院士：把機器人作為學習“技術與工程”這門課的載體，這個想法很好，能夠充分體現機器人在基礎教育中的作用。“技術與工程”課程設置的目的是要培養學生的動手能力，通過機器人這個載體，完全可以達到這個目的，而且“機器人”更能引起學生的學習興趣。

訪談者：張院士，剛才您說的那些觀點，我都非常贊同。我在做教育教學實踐、教師培訓的過程中，其實一直都踐行今天您剛剛談到的批判性思維、創新精神，我覺得這在中小學也特別值得提倡的。但在理念落地的過程中，也就是在中小學開展機器人、人工智能教育，現在大家還特別迷茫。例如編程，我們中小學究竟應該給孩子教什么，小學教什么，初中教什么，高中教什么。所以在這個過程中，我探究了20多年。其實在小學階段，關于從哪個年級開始開課，我就經過了長達10多年的實驗探究。我發現從四年級開始開課教編程還是可以的，因為孩子的數學知識、語文知識都建構了一定的基礎;然后到了高年級講代碼。我就想向您請教，機器人、人工智能中間搭橋的是不是這個編程？

張院士：如果認為計算機科學是21世紀的核心科學，那么計算機科學進入中小學必修課程則勢在必然。編程是學習計算機原理的重要途徑，因為通過編程我們會了解到計算機是如何工作，它是怎樣地去解決實際問題的。至于從何時開始學習，學到怎樣的深度，這是需要認真研究的，我不好發表意見。我覺得考慮這個問題的出發點應該是：中小學生為什么要學習編程，它的目的是什么。這就要回到基礎教育的目的上來。因為我們不是專業教育，我們教中小學生編程不是為了他們將來成為程序員，而是通過它讓學生掌握計算機科學的基本原理與知識。當然機器人和人工智能都可以作為學習編程的載體，但目的還是不變的，即通過編程學習計算機科學的基本原理，通過它提高學生科學分析的能力和創新的能力。

四、研究型大學的本科教育應寬口徑、重基礎

訪談者：根據您剛才講的，如果從學生發展的時間維度來看的話，基礎教育一定要學核心的知識、核心的科學。那學生隨著年齡的增長，從基礎教育到高等教育，他學的知識是越來越精、越來越專的嗎？

張院士：這要看他們進入那一類型的高等學校。美國大概有3000多所大學，其中研究型大學大概也就100所200所。中國也有大學3000多所（包括大專），其中研究型大學大概不到10%，應用型本科和研究型本科有不同的定位，應用型大學偏重于專業教育，由于專業相對比較窄，因此學習的內容相對專一些。研究型大學實際上是側重于素質教育，或者叫通識教育，雖然有不同學科的劃分，但學科比較寬。以工科為例，它通常分為電機、機械、土木、建筑和計算機科學等門類，專業的口徑很寬，也就是說這些門類的基礎基本相同，不同只是后面的少數專業課。學校教學的重點在于基礎教育，這樣做的好處是，由于基礎打得寬，適應性就比較強。既能適應不同類型的工作，也能適應科學發展帶來的技術更新與變化。比如，一位電機專業畢業的學生，可以適應多方面的工作，如電力、通訊、計算機工程等。

訪談者：您說的這個觀點，我特別贊同，尤其是理工科的專業基礎課非常多，以后確實不會都用到，但是人的職業生涯往往只能從這棵樹上剪下一到幾支，但需要你學習新知時，你幾乎所有的脈絡和思維管道都是打通的，是成體系的，這就頗有不同了。

五、人工智能在冷與熱中逐步推進

訪談者：現在對于人工智能和機器人教育，不同學科領域和媒體對他的理解與解釋都不盡相同，機器人教育也已經存在了一段時間。想請您談談，目前人工智能是不是一種“虛火”？人工智能對機器人教育的影響是什么？

張院士：應該看到人工智能在近20多年有巨大的進展，它帶來許多出乎人們預想不到的應用，如人臉識別、語音識別等等。這也是近年來人工智能掀起熱潮的重要原因，人工智能的高潮也帶來機器人的熱潮。目前看來，為了防止過熱，需要注意以下兩點：一是目前人工智能還是處在發展的初期，深度學習只是人工智能中的一個小領域，人工智能中還有大量的問題還沒有解決，如常識表示、不確定性推理等等;二是目前深度學習能夠解決的問題還十分有限，而且理論與技術本身還有三個巨大缺陷，即不可解釋性、脆弱性和不具備理解能力等。上述問題如果不能得到及時解決，人工智能就有可能陷入困難，其發展就有可能受阻。這一點我們必須清醒地看到，加強基礎研究防患于未然，才能防止陷入盲目性。機器人也可以看作是人工智能的一個分領域，我的意見是，目前人工智能還不宜于作為一個學科在研究型大學的本科進行培養。可以在應用型的大學（或大專）里設置相應的專業作為試點，但也不宜全面鋪開，因為人工智能還處在發展的初期，尚未形成成熟的學科。

六、教育自信與省思是未來發展的基本態度

訪談者：最后，想請您再從人才培養，尤其是現在國際上、國內都非常重視的創造性來談談，給我們一些建議。

張院士：我只能從我身邊接觸的年青教師和博士生來談一點體會，應該說我所接觸的這些年輕人，是我國目前培養的最高水平的人才。與發達國家（如美國）的同齡人相比，應該說已經沒有什么差距了。但是，大家可能要問，那我們國家的科技創新能力卻不如他們，而且差距還很大？我認為這還需要時間，因為我們目前只是在少數地方，極少數年青人中達到這個水平。一個國家要具備高度的創新能力，不僅需要成長一批宏大的高素質的科技隊伍，還要形成高度開放和寬松的創新環境，吸引全世界的優秀人才與我們共同努力才能達到這個目標。因此我們離這個目標還有很長的路要走。