可計算手段助力人工智能賦能教育

當(dāng)今，我們已經(jīng)進(jìn)入數(shù)據(jù)密集型科學(xué)研究范式的時代。數(shù)據(jù)密集型科學(xué)研究范式用于教育領(lǐng)域主要有三個可思考的方向。第一個是針對教育過程的復(fù)雜性進(jìn)行建模，第二個是對教育的結(jié)果進(jìn)行由果溯因的可評測性建模，第三個是通過社會實踐推動教育基礎(chǔ)理論和基本規(guī)律的研究。

用計算的手段將教育做成自然科學(xué)意義重大。正如物理學(xué)家費曼曾說：不可造者，未能知也。也就是說，我們?nèi)绻麑逃倪^程都沒有進(jìn)行深刻的了解，那就無法用計算的手段來進(jìn)行實現(xiàn)。又如1955年發(fā)布的《關(guān)于舉辦達(dá)特茅斯人工智能夏季研究項目提案》中寫道：學(xué)習(xí)以及智能的其他方面原則上可以被精確描述出來，從而可以制造一部機(jī)器來模擬它。因此，要想研究教育，將教育做成一種自然科學(xué)研究的對象，就是要明晰它的機(jī)理，然后用計算的手段來進(jìn)行持續(xù)研究。以下我將從三個方面對可計算手段在教育中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

一、教育過程的復(fù)雜性

教育是人類社會所特有的更新性再生巨系統(tǒng)，具有教育對象的主體性、教育過程的綜合性、教育資源的多樣性以及教育成效的潛在性等特點，更為重要的是，教育本身處于復(fù)雜巨系統(tǒng)三元空間之中。那教育過程中的復(fù)雜性能否用可計算的手段來實現(xiàn)呢？

法國著名思想家、哲學(xué)家埃德加·莫蘭在2000年以法文出版了《未來教育所必需的七種復(fù)雜性經(jīng)驗》，后聯(lián)合國教科文組織將其翻譯為英文。在這個論著中，莫蘭強(qiáng)調(diào)：“對人的認(rèn)識和研究，需要用更加開放、更加多元的精神和更加綜合、更加整體的視野來打破學(xué)科的藩籬，這是教育科學(xué)的重要任務(wù)，也是教育工作的重要出發(fā)點，因為人類地位應(yīng)將成為任何教育的基本對象。通過匯總和組織分散在自然科學(xué)、人類科學(xué)、文學(xué)和哲學(xué)中的知識，重現(xiàn)人類復(fù)雜的統(tǒng)一性，并且表明在整個人類范圍內(nèi)的統(tǒng)一性和多樣性之間不可消解的關(guān)系。人是這個世界上最復(fù)雜的生命體，既是物理的、生物的，又是心理的、文化的，更是社會的、歷史的，我們要學(xué)會在散布著確定性的島嶼和不確定性的海洋中航行，最終整體把握復(fù)雜性事務(wù)的認(rèn)識模式。”圖靈獎獲得者理查德·卡普教授曾指出：自然、社會和人工系統(tǒng)都稟賦著計算屬性，計算可以表示為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的信息變換。教育這一復(fù)雜系統(tǒng)需要用計算手段建模，刻畫教育主體和個體之間合作、激勵和競爭等復(fù)雜交互行為，以更好地洞悉學(xué)習(xí)意圖和興趣偏好等涌現(xiàn)結(jié)果，全面感知教育復(fù)雜系統(tǒng)機(jī)理。教育復(fù)雜系統(tǒng)具有非線性、合作、涌現(xiàn)、人在回路等復(fù)雜性特點。

21世紀(jì)，合作行為如何演進(jìn)已經(jīng)成為亟待解決的最為重要的25個科學(xué)問題之一。以刻畫合作行為的可計算模型為例，有三個不同的可計算手段來刻畫人類合作行為的研究。最早的是“哈密爾頓法則（親緣選擇）”，這是指親緣關(guān)系越近，動物彼此合作傾向和利他行為也就越強(qiáng)烈；親緣越遠(yuǎn)，則表現(xiàn)越弱。例如，教師受其使命感和責(zé)任感的驅(qū)動教育學(xué)生，并帶來巨大的回報，那么這種付出（教育）就會有持續(xù)的動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。而后又出現(xiàn)“強(qiáng)互惠理論”，利用模型來實現(xiàn)互不相識的人進(jìn)行合作，這是一種超越或突破“經(jīng)濟(jì)人”與“理性人”假說的人類行為理論，它認(rèn)為人類行為可以超越“自利”動機(jī)，為了公平正義而不惜付出代價，甚至在預(yù)期這些個人成本得不到補(bǔ)償?shù)那闆r下也這樣做。之后又提出了“群智行為”，指可以超出部分疊加的效應(yīng)。因此，合作行為可以用計算的手段加以刻畫，進(jìn)行建模，從而將其當(dāng)作自然科學(xué)范疇來進(jìn)行研究。

二、由果溯因的可評測性

在一項研究過程中，研究人員通過大量的數(shù)據(jù)分析，得出了“讀書期限對一個人日后的收入水平有正向影響，且這一影響不是由其他因素造成的，而純粹是由教育帶來的回報”這一結(jié)論。在此過程中，研究人員設(shè)置了一個計算手段——工具變量，利用工具變量分析、推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)了美國20世紀(jì)20年代出生的孩子，其日后的收入水平受受教育時長所影響。

與其他研究方式不同的是，這個結(jié)論的得出不是依靠普通的表格調(diào)查，而是依靠一種可計算手段來進(jìn)行研究的。

三、教育實踐的實驗性

19世紀(jì)初，化學(xué)家李比希在城市化和工業(yè)化的時代背景下率先提出：“科學(xué)實驗不應(yīng)局限于實驗室里產(chǎn)生的模擬世界，需要進(jìn)入現(xiàn)實世界，更多關(guān)注科學(xué)技術(shù)在真實世界的作用與影響。”此后，實證主義哲學(xué)家、社會學(xué)的創(chuàng)始人孔德發(fā)明了“社會科學(xué)”一詞，將實驗法和其他實證研究方法引入社會科學(xué)研究，促進(jìn)了“社會實驗”概念的形成。

美國心理學(xué)家諾曼·崔普里特在1895年構(gòu)建了已知最早的社會實驗之一。當(dāng)自行車選手與其他人比賽時，蹬輪子的速度比只用鐘表計時的情況要快，也就是他人在場（例如競爭對手）對選手來說會起到激勵作用。1898年，崔普里特創(chuàng)設(shè)了一個類似于自行車競賽的場景，他請孩子們纏繞釣魚用的線軸，將孩子們獨自完成的成績和一起完成的成績進(jìn)行比較。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有觀眾在場或者有競爭時，孩子的表現(xiàn)更好。這個研究第一次用實驗的方法來考察社會依賴（例如競爭與個人努力）對運動任務(wù)完成的影響。

在社會實驗中最重要的一個計算手段叫作隨機(jī)對照實驗，就是將要計算的對象分成不同的組，對不同的組采用不同的手段，觀察不同群組產(chǎn)生的現(xiàn)象，從而分析不同手段在其中起到的作用。社會實驗是基于隨機(jī)對照實驗而進(jìn)行的研究，但并不是一種萬能的研究方法。

隨機(jī)對照實驗是對醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)中的某種療法或藥物的效果進(jìn)行檢測的一種手段。1747年5月，英國醫(yī)生林德首次用隨機(jī)對照實驗，分析出富含維生素C的飲料或水果對治療壞血病具有十分顯著的效果。

自20世紀(jì)初隨機(jī)對照實驗方法被引入教育學(xué)研究以來，教育領(lǐng)域隨機(jī)對照實驗研究取得了蓬勃發(fā)展。