初探中小學(xué)教育中的人工智能思維

馬利榮

[摘? ?要]思維的發(fā)展已被證明是促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的重要目的。在中小學(xué)人工智能教育階段，如何界定人工智能思維（即AI思維），如何讓中小學(xué)生的AI思維得到發(fā)展，還面臨著巨大挑戰(zhàn)。研究者通過文獻(xiàn)法、歸納法，闡明了AI思維的概念，并逐步建立了以促進(jìn)社會(huì)發(fā)展為中心的中小學(xué)生AI思維學(xué)習(xí)模型，以幫助教師清晰地把握中小學(xué)人工智能教育的核心，為有效促進(jìn)學(xué)生AI思維的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]人工智能;AI思維;智能主體;中小學(xué)生;學(xué)習(xí)模型

一、AI教育概述

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱課標(biāo)）把人工智能初步納入了信息技術(shù)選擇性必修的學(xué)習(xí)模塊，包括“人工智能基礎(chǔ)”“簡(jiǎn)單人工智能應(yīng)用模塊開發(fā)”“人工智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用”三部分內(nèi)容[1]。從課程內(nèi)容的結(jié)構(gòu)看，側(cè)重的是信息素養(yǎng)下人工智能（亦簡(jiǎn)稱AI）的應(yīng)用。本文認(rèn)為，在中小學(xué)階段，AI教育就發(fā)生在應(yīng)用AI技術(shù)的過程中，學(xué)生信息素養(yǎng)發(fā)展的核心要素是AI思維。

AI思維是人工智能主體（以下簡(jiǎn)稱“智能主體”）立足于促進(jìn)社會(huì)發(fā)展，借助人工智能技術(shù)，模仿人或其他生物學(xué)習(xí)（編碼、存儲(chǔ)、推理）與思維（概念、判斷、推理）的基本形式，在獲取大量信息的基礎(chǔ)上，經(jīng)過表征學(xué)習(xí)、運(yùn)算判斷、推理表達(dá)的過程來反映事物的本質(zhì)特征與內(nèi)部聯(lián)系。

在中小學(xué)階段，學(xué)生AI思維能力的發(fā)展，本質(zhì)上是學(xué)生學(xué)習(xí)AI的過程中分析[2]、綜合[3]、比較[4]、抽象[5]、概括[6]、歸納[7]、演繹[8]、類比[9]等思維的發(fā)展。即要提高學(xué)生面對(duì)現(xiàn)實(shí)問題時(shí)主動(dòng)思考、提出問題、分析問題進(jìn)而解決問題的能力。

二、人工智能及智能主體

1.何為人工智能

要進(jìn)一步明確AI思維，需要知道什么是AI及智能主體。約翰·麥卡錫從人工智能與科學(xué)工程的角度提出：人工智能是制造智能機(jī)器的科學(xué)與工程，尤其是智能計(jì)算機(jī)程序。它與使用計(jì)算機(jī)去理解人類智能的類似任務(wù)有關(guān)，但并不必將自己局限于生物學(xué)上可觀察的方法[10]。斯圖爾特·羅素和皮特·諾威格從智能主體的角度將人工智能定義為：對(duì)從環(huán)境中感知信息并執(zhí)行行動(dòng)的主體的研究[11]。史蒂芬·盧奇和丹尼·科佩克從智能主體組成的角度提出：人工智能是由人類、想法、方法、機(jī)器和結(jié)果組成的[12]。拉斐爾從人工智能學(xué)科屬性的角度指出：人工智能是一門科學(xué)，這門科學(xué)讓機(jī)器做人類依靠智能才能完成的事[13]。鄭南寧從智能主體作用的角度指出：人工智能不是人的智能，但能像人那樣思考，也可能超過人的智能[14]。

以上關(guān)于人工智能的觀點(diǎn)有以下相同之處：一是人工智能屬于應(yīng)用性技術(shù)科學(xué);二是人工智能可以延伸和擴(kuò)展人或其他生物的智能;三是研究人工智能的目的是使智能主體具有人或其他生物的智能，并能解決實(shí)際問題。

綜上所述，本文認(rèn)為，人工智能是研究、開發(fā)能夠模擬、延伸和擴(kuò)展人類或其他生物智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué);其研究目的是促使智能主體具有人或者其他生物的智能，會(huì)感觸、會(huì)聽、會(huì)看、會(huì)說、會(huì)思考、會(huì)學(xué)習(xí)、會(huì)行動(dòng)等。

2.何為智能主體

人工智能通過智能主體發(fā)揮作用。斯圖爾特·羅素和皮特·諾威格認(rèn)為：智能主體可以被視為通過感受器感知其環(huán)境并通過執(zhí)行器對(duì)所處環(huán)境產(chǎn)生影響[15]。王文敏認(rèn)為：智能主體能夠感知外部環(huán)境，經(jīng)過一定的思維加工，再作用于外部環(huán)境的事物[16]。鄭南寧認(rèn)為：一般而言，人工智能是指以機(jī)器（智能主體）為載體，模擬、延伸和擴(kuò)展人類或其他生物的智能，使機(jī)器能勝任一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜工作[17]。以上觀點(diǎn)的共同之處在于：智能主體可以感知外部環(huán)境;智能主體經(jīng)過一定的思維加工;經(jīng)過思維加工的智能主體進(jìn)而能夠影響所處的環(huán)境。

因此，從AI思維產(chǎn)生的機(jī)理可得出以下觀點(diǎn)：智能主體通過模仿人或其他生物學(xué)習(xí)與思維的基本形式，感知外部環(huán)境;智能主體能模仿人或其他生物學(xué)習(xí)與思維的基本形式，如表征、判斷、推理等，進(jìn)行思維加工;經(jīng)過思維加工后的智能主體，反過來能夠反映事物的本質(zhì)特征與內(nèi)部聯(lián)系，進(jìn)而影響所處的環(huán)境。

三、AI思維

AI思維就是智能主體模仿人或其他生物學(xué)習(xí)與思維的基本形式，經(jīng)過表征學(xué)習(xí)、運(yùn)算判斷、推理表達(dá)的思維形式來反映事物的本質(zhì)特征與內(nèi)部聯(lián)系。在此，將從中西方文化比較、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)的角度進(jìn)行闡述。

1.智能主體的發(fā)展遵循自然法則

智能主體作為一種新興的應(yīng)用技術(shù)科學(xué)——人工智能的載體，應(yīng)該遵循事物發(fā)展的自然法則。文化比較學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)：西方文化認(rèn)為天人二分，存在天人對(duì)立、相爭(zhēng)的思想[18]。西方文化崇尚“物競(jìng)天擇，適者生存”的自然法則。中國文化則認(rèn)為天人合一，天和人是一個(gè)整體，自然界和人是一個(gè)整體[19]。因此，中國人更崇尚天人合一、和諧相處的自然法則。雖然中西方文化的思想根源不同，所崇尚的法則不同，但都認(rèn)為事物的發(fā)展遵循自然法則。因此，具有事物特征的智能主體的發(fā)展也遵循事物發(fā)展的自然規(guī)律和法則。

2.智能主體的發(fā)展遵循社會(huì)法則

智能主體作為人工智能的載體，也應(yīng)該遵循事物發(fā)展的社會(huì)法則。古希臘哲學(xué)家蘇格拉底說過，事物的最終原因是“善”，這就是事物的目的性。中國古代思想家老子說“上善若水”。河上公注釋為：上善之人，如水之性[20]。人心的“善”就像水一樣容納萬物。說文解字中解釋：善，吉也。也即美好的意思。善，對(duì)應(yīng)英語中的good，解釋為“合乎道德的，正直的”。由此，中西方文化價(jià)值觀的終極追求都是“善”，即社會(huì)的發(fā)展遵循“向善”的社會(huì)法則。總之，在自然法則和社會(huì)法則范圍內(nèi)創(chuàng)新地解決實(shí)際問題，“向善”地促進(jìn)人類社會(huì)發(fā)展是中西方文化追求的共同價(jià)值觀。

因此，作為科學(xué)技術(shù)產(chǎn)物的智能主體也應(yīng)遵循人類社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展規(guī)律。不同時(shí)期的科學(xué)技術(shù)造就不同的技術(shù)科學(xué)，但是無論技術(shù)發(fā)展到什么程度，其終極目標(biāo)都是推動(dòng)人類社會(huì)的發(fā)展。同理，智能主體的發(fā)展始終是為了促進(jìn)社會(huì)“向善”的發(fā)展，要在遵循自然法則和社會(huì)法則的前提下不斷發(fā)展，最終目的是促進(jìn)人類社會(huì)的發(fā)展。

3.AI思維認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的學(xué)習(xí)模型

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中的學(xué)習(xí)與記憶理論認(rèn)為：學(xué)習(xí)與記憶可以劃分為三個(gè)主要階段。一是編碼（encoding），即對(duì)輸入信息的處理與儲(chǔ)存，包括獲取與鞏固。獲取（acquisition）是對(duì)感覺通路和感覺分析階段的輸入信息進(jìn)行登記;鞏固（consolidation）是生成一個(gè)隨著時(shí)間的推移而增強(qiáng)的表征。二是存儲(chǔ)（storage），這是獲取和鞏固的結(jié)果，代表信息的長久記錄。三是提取（retrieval），是通過利用所存儲(chǔ)的信息創(chuàng)建意識(shí)表征或執(zhí)行習(xí)得的行為，如自動(dòng)化動(dòng)作[21]。

智能主體的學(xué)習(xí)與記憶是模仿人或其他生物的學(xué)習(xí)與記憶，因此可以假設(shè)為表征學(xué)習(xí)、運(yùn)算判斷和推理表達(dá)三個(gè)主要階段。其中，智能主體的表征學(xué)習(xí)（representative learning）遵循信息獲取與鞏固的規(guī)律，然后在智能主體中形成特有的模型。智能主體的運(yùn)算判斷（operational judgement）類似存儲(chǔ)，在智能主體通過表征學(xué)習(xí)習(xí)得的知識(shí)中建立模型，并進(jìn)行運(yùn)算判斷。智能主體的推理表達(dá)（reasoning expression）相當(dāng)于提取，通過利用所存儲(chǔ)的信息創(chuàng)建意識(shí)表征或執(zhí)行習(xí)得的行為。因此，智能主體的學(xué)習(xí)是為了促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展，模仿人類或其他生物的學(xué)習(xí)與記憶過程，在獲取大量信息的基礎(chǔ)上，通過表征學(xué)習(xí)、運(yùn)算判斷、推理表達(dá)，進(jìn)而反映事物的本質(zhì)特征與內(nèi)部聯(lián)系的過程（見圖1）。

4.AI思維的心理學(xué)模型

心理學(xué)認(rèn)為：思維是人腦借助言語、表象或動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的、對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)的概括和間接的反映。思維反映的是事物的本質(zhì)特征和事物之間的內(nèi)在聯(lián)系，它具有概括性和間接性兩個(gè)基本特征。在思維過程中，人只有在獲取大量感性材料的基礎(chǔ)上，才能在頭腦中對(duì)事物進(jìn)行分析與綜合、抽象與概括，并通過概念、判斷、推理等思維形式把握事物的本質(zhì)特征與內(nèi)部聯(lián)系[22]。

人的思維有三種基本形式，即概念、判斷、推理。概念是人腦反映客觀事物本質(zhì)特征的思維形式[23]。判斷是人腦借助語言對(duì)客觀事物的特性或客觀事物之間的聯(lián)系進(jìn)行分析與綜合，從而對(duì)事物做出肯定或否定的認(rèn)識(shí)[24]。推理是人在頭腦中由具體事物歸納出一般規(guī)律，或根據(jù)已有的判斷推出新的結(jié)論的思維形式[25]。可見，人的思維通過概念、判斷和推理等基本形式反映客觀事物的本質(zhì)特征和內(nèi)部聯(lián)系，與認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中學(xué)習(xí)與記憶理論提出的編碼、存儲(chǔ)、提取相輔相成。

AI思維是智能主體模仿人類或其他生物智能的思維形式。因此，可將AI思維歸納出三種基本形式：表征學(xué)習(xí)、運(yùn)算判斷和推理表達(dá)。其中，AI思維的表征學(xué)習(xí)對(duì)應(yīng)思維基本形式中的概念。表征學(xué)習(xí)是智能主體通過對(duì)信息的獲取，建立對(duì)事物認(rèn)知的范圍和概念形成的過程。AI思維的運(yùn)算判斷對(duì)應(yīng)思維基本形式中的判斷。運(yùn)算判斷是智能主體及其技術(shù)語言對(duì)客觀事物的特性或客觀事物之間的聯(lián)系進(jìn)行運(yùn)算，從而對(duì)事物做出判斷。AI思維的推理表達(dá)對(duì)應(yīng)思維基本形式中的推理。推理表達(dá)是智能主體由具體事物歸納出一般規(guī)律，或根據(jù)已有的判斷推出新的結(jié)論，然后用技術(shù)語言來表達(dá)的過程。因此，AI思維在心理學(xué)層面指的就是智能主體模仿人類或其他生物的思維，在獲取大量信息的基礎(chǔ)上，通過表征學(xué)習(xí)、運(yùn)算判斷和推理表達(dá)來反映事物的本質(zhì)特征與內(nèi)部聯(lián)系。

綜上所述，AI思維是智能主體圍繞著社會(huì)發(fā)展，借助人工智能技術(shù)，模仿人或其他生物學(xué)習(xí)（編碼、存儲(chǔ)、提取）與思維（概念、判斷、推理）的基本形式，在獲取大量信息的基礎(chǔ)上，經(jīng)過表征學(xué)習(xí)、運(yùn)算判斷、推理表達(dá)的過程來反映事物的本質(zhì)特征與內(nèi)部聯(lián)系（見圖2）。

四、AI思維學(xué)習(xí)模型

心理學(xué)認(rèn)為，思維過程是思維活動(dòng)中一系列復(fù)雜的認(rèn)知操作，它包括分析、綜合、比較、抽象、概括等。在思維過程中，人通過這些操作對(duì)反映事物外部特征的感知覺材料進(jìn)行加工，并通過概念、判斷、推理等思維形式把握和揭露事物的本質(zhì)特征和內(nèi)部規(guī)律[26]。

那么，中小學(xué)階段學(xué)生AI思維的發(fā)展就是借助智能主體以社會(huì)發(fā)展為核心，在表征學(xué)習(xí)中建立概念，在運(yùn)算判斷中理解事物，在推理表達(dá)中形成結(jié)論。中小學(xué)生的AI思維學(xué)習(xí)模型應(yīng)在其學(xué)習(xí)過程中圍繞社會(huì)發(fā)展，運(yùn)用學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上感知事物，形成概念，通過比較、分析、綜合、抽象、概括判斷事物，通過演繹、歸納、類比推理得出結(jié)論，進(jìn)而揭示事物的本質(zhì)特征和內(nèi)部規(guī)律。因此，中小學(xué)生AI思維的發(fā)展需要在感知的基礎(chǔ)上循序漸進(jìn)地提升學(xué)生的比較、分析、綜合、抽象、概括、演繹、歸納、類比等思維能力（見圖3）。

簡(jiǎn)而言之，中小學(xué)生AI思維發(fā)展的本質(zhì)就是借助智能主體面對(duì)現(xiàn)實(shí)問題學(xué)會(huì)思考，在表征學(xué)習(xí)、運(yùn)算判斷和推理表達(dá)的思維過程中提升學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力（見圖4）。

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（責(zé)任編輯? ?郭向和）