從機器人比賽熱看人工智能教育生態(tài)

陳捷

近日，Robo Genius 2019全球青少年機器人挑戰(zhàn)賽總決賽落幕，覆蓋中小學(xué)生6000余人;已舉辦19屆的中國青少年機器人競賽，每年能吸引全國25000多名中小學(xué)生參加各省選拔賽……目前，我國國內(nèi)機器人賽事多達10余種，機器人比賽的熱潮引發(fā)人們思考：機器人教育與人工智能教育有何關(guān)聯(lián)？機器人比賽能否成為人工智能教育落地的主要方式？對于人工智能教育生態(tài)的建立有何啟發(fā)？

2017年國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》首次指出：在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和推廣。隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，其對于時代的影響也越來越深刻，在未來社會人們將需要與各類智能設(shè)備進行溝通與合作，人工智能技術(shù)將與人類生活產(chǎn)生更為緊密的聯(lián)系。為使未來公民能夠適應(yīng)未來社會，在中小學(xué)進行人工智能教育已勢在必行。

如何提升學(xué)生的人工智能素養(yǎng)，提升學(xué)生駕馭智能設(shè)備的能力，是目前教育領(lǐng)域的研究熱點，但并未形成成熟的方案，仍處于探索階段。在這一階段，眾多科技企業(yè)將具備一定人工智能功能（如特定圖像識別、語音識別等）的機器人帶入校園，并用機器人課程進行人工智能教育，會造成機器人教育與人工智能教育界線不清的情況。

其實，機器人教育與人工智能教育在教育目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容上均有諸多不同，以企業(yè)產(chǎn)品為主導(dǎo)的機器人教育難以承載人工智能教育的功能。我們需要從教育本位視角重新審視機器人教育、人工智能教育以及人工智能教育生態(tài)之間的關(guān)系。需要厘清的是，在這一過程中，企業(yè)產(chǎn)品應(yīng)始終處于教育輔助地位，而非主導(dǎo)地位。

機器人課程：教育目標(biāo)需厘清

作為一個科技產(chǎn)品，機器人本身就是多學(xué)科綜合交叉的產(chǎn)物，包括電子、機械、生物、計算機科學(xué)與工程、人工智能等學(xué)科，一般由計算機控制部分、電子控制部分、機械執(zhí)行部分組成。機器人本身的復(fù)雜性也決定了機器人教育的復(fù)雜性。

以中小學(xué)機器人課程中較常見的“尋線小車”的制作為例，其教學(xué)內(nèi)容一般包括：對小車的搭建（包括機械傳動知識、電動控制知識）、程序設(shè)計（包括編程語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序結(jié)構(gòu)設(shè)計、算法等方面的知識）、整車調(diào)試（包括問題診斷、調(diào)試工具等方面的知識）。從中可以發(fā)現(xiàn)，教師和學(xué)生需要掌握的知識與教師和學(xué)生已有的知識之間存在巨大的鴻溝。教師需要經(jīng)過專門的培養(yǎng)才能具備相應(yīng)的教學(xué)能力，而學(xué)生也需要在課外掌握大量機器人專業(yè)知識（與義務(wù)教育階段的基礎(chǔ)知識間聯(lián)系并不緊密），同時還需投入大量的時間與精力。因而機器人課程在中小學(xué)階段較難廣泛開展，長期以來只是在課外小組、興趣班及社團中開展。機器人課程的內(nèi)容也沒有統(tǒng)一的界定，其實施往往是企業(yè)有什么產(chǎn)品，學(xué)校就開設(shè)什么樣的課程。

隨著關(guān)于中小學(xué)機器人課程研究的深入，我們發(fā)現(xiàn)機器人課程之所以難以開展，除了師資問題外，主要在于機器人課程的教育目標(biāo)不清。機器人專業(yè)知識并不屬于義務(wù)教育階段應(yīng)掌握的基礎(chǔ)知識，對于義務(wù)教育階段的中小學(xué)生來說，學(xué)習(xí)機器人專業(yè)知識并不符合他們的認知水平，教師應(yīng)將機器人看作一個載體，封裝機器人專業(yè)知識（機器人模塊化）。

機器人教育的教育目標(biāo)應(yīng)聚焦于以下兩個方面：其一，利用機器人解決基礎(chǔ)教育階段難以進行基礎(chǔ)知識運用，以至于無法深入理解基礎(chǔ)知識的問題。通過機器人的制作，學(xué)生需要用到各學(xué)科的基礎(chǔ)知識，如在解決如何控制機器人運動速度的問題中，會用到物理基本知識中的齒輪傳動知識。其二，提升學(xué)生綜合利用知識解決問題的能力，關(guān)注機器人對實際生活問題的解決。例如：學(xué)生可通過項目學(xué)習(xí)的方式，尋找現(xiàn)實生活中需要解決的問題，設(shè)計機器人解決方案并通過實驗加以驗證。在此過程中，由于不易解決的機械、電子、控制等專業(yè)問題，可以通過相應(yīng)的封裝模塊解決，中小學(xué)生利用機器人解決實際問題成為可能。

Robo Genius 2019全球青少年機器人挑戰(zhàn)賽帶來新一輪的機器人比賽熱潮，其中人工智能技術(shù)的運用也帶來了對于使用機器人進行人工智能教育的熱議。從其定位來看，將教育機器人作為人工智能技術(shù)應(yīng)用的載體，是一個合理的選擇。其目標(biāo)是，通過在機器人上運用人工智能技術(shù)，學(xué)生能更好地理解人工智能技術(shù)原理，提升人工智能素養(yǎng)。

但應(yīng)注意的是，在通過教育機器人進行人工智能教育時，需形成一個整體的實踐方案——針對不同學(xué)段學(xué)生的認知水平、人工智能知識的掌握層次，確定封裝的程度，使人工智能技術(shù)原理可通過教育機器人（文中指的是在機器人課上搭建的機器人）體現(xiàn)，同時增強學(xué)生對人工智能技術(shù)的體驗感，并為學(xué)生完成人工智能技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用提供平臺。

提升人工智能素養(yǎng)應(yīng)是題中之義

中小學(xué)開設(shè)人工智能相關(guān)課程已成為國家人工智能教育戰(zhàn)略中的一個重要組成部分，隨著人工智能技術(shù)的突飛猛進，其重要性越來越凸顯。在中小學(xué)開設(shè)人工智能課程，其主要目標(biāo)是提升學(xué)生的人工智能素養(yǎng)，提高學(xué)生對未來智能化社會的適應(yīng)能力，因此其課程內(nèi)容需緊扣這一目標(biāo)進行設(shè)計。

人工智能素養(yǎng)的提升一般涉及以下幾個方面：其一，了解人工智能前沿技術(shù)，即通過學(xué)習(xí)人工智能相關(guān)知識，了解人工智能是什么、能做什么、有什么危險性等，這是合理使用人工智能技術(shù)的前提。其二，使用人工智能技術(shù)，即運用人工智能技術(shù)解決生活中的實際問題，學(xué)習(xí)如何利用人工智能技術(shù)改善工作與生活質(zhì)量，最終讓人工智能技術(shù)為人類服務(wù)。其三，創(chuàng)新人工智能技術(shù)及使用。人工智能技術(shù)是一個全新的、不斷發(fā)展的技術(shù)，如果學(xué)生通過學(xué)習(xí)能夠創(chuàng)新性地使用人工智能技術(shù)，甚至形成新的人工智能技術(shù)（如新算法、新應(yīng)用等），對適應(yīng)未來社會有較大幫助。

在學(xué)校教育中，提升學(xué)生的人工智能素養(yǎng)，需要通過相關(guān)課程來實現(xiàn)。目前各中小學(xué)校已有部分人工智能課程處于實驗過程中，且實驗性課程的形成大致可分為兩類：其一，由各綜合大學(xué)人工智能專業(yè)的教授牽頭，形成課程框架和內(nèi)容;其二，由一些掌握人工智能技術(shù)的企業(yè)直接提供課程。第一類課程的架構(gòu)一般與大學(xué)人工智能相關(guān)專業(yè)的架構(gòu)相一致，比較注意知識結(jié)構(gòu)的完整性;第二類課程往往與企業(yè)所掌握的人工智能技術(shù)相關(guān)，包括教育機器人，比較注重企業(yè)所具備優(yōu)勢的人工智能技術(shù)在課程中的體現(xiàn)。這兩類課程各有優(yōu)勢，所教授的人工智能知識具備前沿性特征，但不足之處也十分明顯，即與中小學(xué)生的認知特征及學(xué)習(xí)需求并不十分相符，很難真正幫助學(xué)生提升人工智能素養(yǎng)。我們希望承擔(dān)人工智能課程的教師能夠進一步提升其人工智能素養(yǎng)，從而融合第一、二類課程的優(yōu)勢，形成真正適合學(xué)生認知特征與學(xué)習(xí)需求的人工智能課程。

目前中小學(xué)人工智能課程的內(nèi)容，主要包括人工智能發(fā)展、人工智能基礎(chǔ)知識（知識圖譜、機器學(xué)習(xí)等）、人工智能典型應(yīng)用（圖像識別、語音識別等）等，基本能夠覆蓋人工智能的前沿技術(shù)。

從課程設(shè)置情況看，無論小學(xué)、初中、高中的教學(xué)目標(biāo)，均應(yīng)以了解、掌握、運用人工智能技術(shù)為目標(biāo)，只是層次高低不同而已。我們以較低、中等、較高三個層次來劃分，可得如下各學(xué)段人工智能掌握程度表。

學(xué)段 了解人工智能技術(shù) 掌握人工智能技術(shù) 運用人工智能技術(shù)

小學(xué) 中等 較低 較低

初中 較高 中等 中等

高中 較高 較高 較高

警惕以比賽為目標(biāo)的人工智能教育

人工智能教育在中小學(xué)校落地是一個較為復(fù)雜的問題，受到許多因素的影響，如技術(shù)的前沿性、智能化學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建的多樣性、師資組成的多元化、課程框架與內(nèi)容的不確定性等。各相關(guān)因素相互聯(lián)系、影響，構(gòu)成人工智能的教育生態(tài)。

營造適合學(xué)生發(fā)展的人工智能教育生態(tài)，是提升人工智能教育質(zhì)量的關(guān)鍵所在。機器人比賽作為教師進行人工智能教育的手段之一，是人工智能教育生態(tài)的組成部分。但過于強調(diào)“以賽帶學(xué)”不利于人工智能教育生態(tài)的和諧發(fā)展。機器人比賽中所強調(diào)的學(xué)生對人工智能知識的創(chuàng)新性應(yīng)用，雖有利于加強學(xué)生對人工智能知識的理解，但從人工智能知識的掌握層次上看，其屬于較高層次的人工智能素養(yǎng)，并不適用于所有學(xué)段。故以比賽為目標(biāo)進行學(xué)習(xí)，將使大部分中小學(xué)生無法達成學(xué)習(xí)目標(biāo)，造成人工智能教育在結(jié)構(gòu)與邏輯上的混亂，使人工智能課程陷入困境。

在機器人比賽熱潮來臨之際，我們依然應(yīng)葆有清醒的頭腦，只有人工智能教育生態(tài)中各相關(guān)因素和諧共生、協(xié)調(diào)發(fā)展，中小學(xué)的人工智能教育，才會真正對學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能知識、提升人工智能素養(yǎng)有所幫助。

（作者系北京教育學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)教育學(xué)院副教授;課題支持：2018北京教育學(xué)院重大課題“人工智能與學(xué)科教學(xué)改進研究”，課題編號2018ZD01）

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