論人工智能與教育的內在統一性

劉峽壁

摘要： 將人工智能引入教育的價值是多重的。在中小學開展人工智能教育，不僅能為學生適應人工智能時代的生產和生活儲備知識與技能，還是推動人類教育走向更高階段的必然需要。人工智能與教育的內在統一性在于二者都是為了人類更好地認識和完善自己。在基礎教育階段，教師可通過“人工智能+教育”與“教育+人工智能”兩種模式開展人工智能教育，幫助學生更好地認識與完善自己。

關鍵詞：人工智能；基礎教育；AI教育；教育AI；智慧教育

近年來，人工智能教育在基礎教育中得到了快速發展。這在很大程度上是政策驅動的結果，但更深層次的原因是科學技術發展的趨勢使然。人類發展科學技術的目的是拓展人認識世界和改造世界的能力。目前，拓展人體力的技術已發展到相當高的程度，其進一步的發展只會體現為量的增長，而無法引起質的飛躍。能讓人類認識世界和改造世界能力產生質的飛躍的，則是拓展人智力的技術。因此，承擔這一使命的人工智能技術成為當今科學技術發展的必然趨勢。這種趨勢首先體現在，科幻電影大多以人工智能為主題，或者以高度發展的人工智能作為其敘事背景，“科幻電影中的場景變成現實”是人們對人工智能的一種樸素認識。這種趨勢還體現在人工智能向各技術分支越來越寬廣和深入的滲透上。目前，很多學科均以人工智能作為未來進一步發展的突破口，或者將人工智能作為引起未來技術突破的必要工具。除此之外，筆者認為人工智能教育的快速發展還源自教育本身。在基礎教育階段引入人工智能教育，不僅能為人工智能產業的興起培育技術人才，還可以為人們適應人工智能時代的生產和生活儲備知識與技能。更重要的是，發展人工智能教育是推動人類教育走向更高階段的必然需要。這是因為發展人工智能與發展教育的內在是統一的。

一、人工智能與教育具有內在統一性

為何人工智能與教育具有內在統一性？這要從人工智能與教育各自的使命說起。

就字面意思來理解，人工智能是“人工”+“智能”的組合，即“在認識與理解智能的基礎上，對其加以人工的實現”。不難看出，人工智能的關鍵是智能。如果人類能夠理解智能的本質，那么人工實現它是順理成章的事情。因此，人工智能的未來將是智能學。而何為智能？就我們已知的世界來說，這個世界上真正具有高級智能的只有我們人類。擁有高級智能，正是人類區別于世間萬物的根本特征。因此，要理解和實現高級智能，就需要理解人類自身。這使得人工智能從根本上來說，是認識人自身的學問，即所謂“認識你自己”（know yourself）。

再說到教育，何為教育？教育的終極目標是“使每個人成為更好的自己”。人是物質性的，也是精神性的。作為物質性的人，我們需要在這個世界上生存；作為精神性的人，我們需要在這個世界上探索自身的價值和意義。無論是作為物質性的人，還是作為精神性的人，我們都需要通過教育來使自己變得更好，以更好地適應和改變環境與社會，從而有更多的精神性追求。歸根結底，教育是每個個體能夠改變先天不公平的最主要手段，是幫助個體適應并改造環境與社會的重要途徑。而做到這些，最關鍵的一點還是“認識你自己”。每個人都有自己的特質，都有最適合自己的發展道路。幫助每個人正確地認識自己，并在此基礎上更好地完善自己，正是教育的最高境界。

綜合上述兩方面的認識，人工智能與教育具有內在統一性，換句話說，二者有著共同的根本任務，那就是“認識自己”。在認識自己的基礎上，一個人可以通過人工智能技術來完善自己，也可以通過教育提高自身能力來完善自己。從認識與完善自己的角度來看，人工智能與教育是相輔相成的?；诖?，教師可通過兩種模式更好地開展人工智能教育。第一種模式，從人工智能的視角入手，是為“人工智能+教育”，簡稱AI教育；第二種模式，從教育的視角入手，是為“教育+人工智能”，簡稱教育AI，通常也稱作智慧教育。

二、AI教育：人工智能+教育

從人工智能的視角來看，AI教育是在基礎教育階段教好人工智能技術?；谌斯ぶ悄芘c教育的內在統一性，好的AI教育應該不僅使學生學好人工智能技術，更要幫助他們建構“認識自己”的意識、興趣與思維方式。

（一）從認識自己出發

人類智能的外在表現包括感知能力、行為能力、推理能力、問題求解能力、語言能力、學習能力、社交能力和創造能力。人工智能首先是對這些人類智能外在表現的模擬，由此形成四種實現途徑：行為智能（模擬人類智能的感知能力、行為能力）、符號智能（模擬人類智能的推理能力、問題求解能力、語言能力）、機器學習（模擬人類智能的學習能力）、群智能（模擬人類智能的社交能力）。創造能力作為人類智能中最神秘的部分，目前還沒有有效的模擬技術。

除此之外，人們通過人工智能技術也試圖模擬人類智能外在表現背后的基礎，由此形成另外兩種實現途徑：人工神經網絡（對人類大腦結構的模擬）和進化計算（對人類智能起源的模擬）。圖1呈現了上述六大實現途徑與人類智能的關系。

那么，學校對人工智能的教學，就應該讓學生系統地了解這六種實現途徑。教師應從人類智能的外在表現入手，使學生帶著對自己的認識與了解，去學習人工智能技術背后的思想與方法，形成對人工智能技術系統、全面和正確的認知。這樣的教學，既能讓學生學習人工智能的核心內容，不與編程、機器人等關聯內容混淆，又避免了教師在教學中只講深度學習等流行技術，忽視了學生面向未來的知識與能力儲備。

（二）再回到認識自己

通過對以上人工智能思想與方法的系統性認知，學生不僅能了解人工智能技術，更能了解人工智能與人類智能的聯系，知曉自身智能表現背后的原理與機制，從而自覺地把握與人類智能有關的規律。比如，在學習AlphaGo圍棋程序的工作原理時，學生可以清楚地認識和描述自身解決博弈問題的基本思維方式，從而讓自己的思維更加規范和有效，以更好地解決生活和工作中面臨的同類問題。這種學習就使得學生有意識地認識和完善自己成為可能，人工智能與人類智能就能形成相互的正反饋。換句話說，通過人工智能的學習，學生越了解自己便越能進步，越進步便越想了解自己。

當學生“認識自己”的興趣被激活以后，他們會清晰地認識到，語言、數學、物理、生物、化學等基礎學科在“認識自己”這一路途中必不可少的價值。事實上，人工智能作為應用學科的集大成者，是建構在基礎學科的根基之上的。甚至可以說，人類各種學問的終極目標都是為了回答“人是什么”這一根本問題。因此，當學生具備一定的知識基礎時，教師還可開展人工智能與基礎學科的融合教學。如，在數學課程中講述人工智能中的數學，在物理課程中講述人工智能計算的物理基礎、人工神經網絡電路，在生物課程中講述進化計算的生物學原理等。這種跨學科學習的設計，能激發學生對基礎學科濃厚的學習興趣，從而取得更好的學習效果。學生對于人工智能的學習也會有更穩固的根基，達到人工智能與基礎學科教育相互促進的效果。

三、教育AI：教育+人工智能

從教育的視角來看，教育AI是在基礎教育階段用好人工智能技術，為更好地教與學服務。教師可通過綜合應用模式識別、計算機視覺、自然語言理解、大數據挖掘等人工智能技術，從規律、工具、環境三個層面展開教學研究并綜合研究成果，形成人工智能輔助下的新型教育模式，從而提升學生認識與完善自己的能力。

（一）在規律層面，挖掘教育規律，提高教育質量

在基礎教育階段，借助人工智能和大數據技術，教師能夠挖掘出更多有關教育教學的規律。教師應結合教育學知識與人工智能手段，發現學習過程中影響學生能力（尤其是閱讀理解、運算、推理等基礎能力）發展的關鍵因素、關鍵過程，以及行之有效的干預策略，為開發有效的教育教學方法與工具提供依據。人工智能技術可以輔助教師實現對兩類教育規律的挖掘：一是群體性規律，二是個體性規律。

群體性規律挖掘是指從教育大數據中發現普遍的教育規律，或者對于某類群體適用的學習規律，為教育政策、教學方法的制訂以及在此基礎上的教學創新提供科學支撐。例如，分析學生人口統計學特征與學業成績的關系，以探究評估學業的最佳指標、影響學業成敗的潛在因素等。又如，分析學生閱讀全過程的數據，確定影響學生閱讀理解能力發展的認知、心理關鍵因素。

個體性規律是指從學習者個人數據中發現的特定學習規律，以支撐個性化教育。例如，采用眼球追蹤技術，檢測學生的注意力水平、視覺注意力和學習習慣。又如，利用皮膚電反應、皮膚溫度、心率等多模態信息，推斷學生的認知負荷。

（二）在工具層面，提供智能輔助學習工具，開展個性化教學

在學生一側，智能輔助學習工具不僅可幫助學生提高學習興趣，還能讓學生發現學習中存在的問題，更充分地認識到自身的優勢與不足，從而改變學習習慣與方式，提高學習效率與成果，實現個性化發展。在教師一側，智能輔助學習工具可幫助教師發現學生學習中的難點和教學實施中出現的問題，從而有針對性地改進教學內容、方案、教具等。利用智能輔助學習工具，教師還可以發現不同學生的不同特點，在尊重個體差異的基礎上實施個性化教學。智能輔助學習工具的典型代表有教育機器人和智能輔導系統。

教育機器人可作為學生的導師或學習伙伴，調動學生的學習積極性，增強學生的學習體驗。教育機器人不知疲倦，并且學生與教育機器人互動時不會有太大的心理負擔，有助于他們更好地獲取知識，提高操作技能。例如，人形教育機器人可以作為學生的學習導師，向小學生傳遞科學知識和概念；在英語學習中，智能聊天機器人可以通過對話引導學生，鍛煉和提升學生的口語表達能力。

智能輔導系統能夠根據學生對知識的理解和掌握情況，為他們選擇合適的教學策略，并在一定程度上模擬真實教學專家的教學活動。智能輔導系統還可以根據學生的學習歷程，為他們推薦合適的學習路徑，并根據學生的學習過程與所達到的水平，為他們推薦適當的學習任務與資源，等等。

（三）在環境層面，豐富學習場景，實現泛在學習

人工智能技術的應用，使得學習場景從單一的課堂場景向家庭場景、虛擬場景、增強現實場景、混合場景延展。眾多的學習場景為學生提供無處不在的泛在學習服務，從而使學生能充分利用最適合他們學習的時間、空間氛圍與工具，顯著提高學習成效。智能學習環境會根據學生的個人需求以及學生所處的學習空間，為他們提供即時和適應性的支持。支撐智能學習環境構建的基礎設施主要包括虛擬現實、增強現實與物聯網。

1.虛擬現實（VR）

虛擬現實，即通過計算機生成可交互的三維環境，向使用者提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，從而讓人產生身臨其境之感。虛擬現實具有沉浸性、交互性等特征，允許學生通過不同的輸入、輸出設備與計算機實時交互，能有效改善學生的學習體驗，增強學生的學習動機。其應用場景案例有：基于VR游戲開展的英語移動學習；使用沉浸式VR技術星際旅行，并降落到某個星球上開展“實地”考察；使用VR技術遠程訪問實驗室；使用VR手勢交互，術前傳授手術程序和概念；等等。

2.增強現實（AR）

增強現實，即通過智能設備將虛擬與真實場景融合起來，以一種更吸引人、更互動的方式增強學生的學習體驗。例如，教師建立古建筑的三維模型，并提供歷史資料，在此基礎上通過增強現實之旅提升學生學習歷史的興趣；采用交互式增強現實技術，為學生英語閱讀學習提供更適宜的環境；等等。增強現實技術通過結合真實世界、真實圖像和虛擬圖像，激發學生的想象力，提高他們學習的欲望和動力。

3.物聯網（IoT）

物聯網可為學生提供互聯在一起的各種傳感器和可穿戴式跟蹤器，能夠對學生復雜的學習過程進行精細建模，從而實現及時的自適應反饋。例如，教師可通過物聯網將普通教室轉變為能夠感知教學上下文的智能教室，用于支持學習、教學和管理等各類教育活動；使用空氣質量、光、溫度、濕度、聲學、輻射等傳感器，構建自適應物理學習環境。物聯網應用到課堂上，還可以基于行為分析和情緒識別，實時向主講人提出建議，提升其演講質量；通過檢測學生的疲勞水平，建議適當的學習策略。

四、結論

從“認識自己”這一共同的根本任務出發，人工智能與教育是內在統一的。大力發展人工智能教育，對于教育而言具有重要意義。借助人工智能，教師可使用兩種模式更好地開展教育：一是從人工智能角度切入，講好人工智能技術，培養學生認識自己的意識、興趣與思維方式；二是從教育角度切入，用好人工智能技術，輔助學生更好地認識與完善自己。目前，人工智能與教育的融合方興未艾，在以上兩個方面已經開展了大量工作，但還有很多根本性問題有待解決，需要集合人工智能專家、教育專家、大中小學教師、教育管理者等各方面力量共同努力，開展廣泛而深入的交流與探索。

參考文獻

[1] 中華人民共和國國務院.新一代人工智能發展規劃[EB/OL].（2017-07-20）[2022-12-24].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[2] 陳桂生.“教育學視界”辨析[M].上海：華東師范大學出版社， 1997：4.

[3] ZHANG K， ASLAN A B. AI technologies for education： Recent research & future directions[J]. Computers and Education： Artificial Intelligence，2021（2）.

[4] YANG X Z. Accelerated Move for AI Education in China[J]. ECNU Review of Education，2019（3）：347-352.

（作者系北京理工大學計算機學院教授、博士生導師）

責任編輯：牟艷娜