初探中小学教育中的人工智能思维

    马利荣

    

    

    

    [摘? ?要]思维的发展已被证明是促进学生学习的重要目的。在中小学人工智能教育阶段，如何界定人工智能思维（即AI思维），如何让中小学生的AI思维得到发展，还面临着巨大挑战。研究者通过文献法、归纳法，阐明了AI思维的概念，并逐步建立了以促进社会发展为中心的中小学生AI思维学习模型，以帮助教师清晰地把握中小学人工智能教育的核心，为有效促进学生AI思维的发展奠定基础。

    [关键词]人工智能;AI思维;智能主体;中小学生;学习模型

    一、AI教育概述

    《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》（以下简称课标）把人工智能初步纳入了信息技术选择性必修的学习模块，包括“人工智能基础”“简单人工智能应用模块开发”“人工智能技术的发展与应用”三部分内容[1]。从课程内容的结构看，侧重的是信息素养下人工智能（亦简称AI）的应用。本文认为，在中小学阶段，AI教育就发生在应用AI技术的过程中，学生信息素养发展的核心要素是AI思维。

    AI思维是人工智能主体（以下简称“智能主体”）立足于促进社会发展，借助人工智能技术，模仿人或其他生物学习（编码、存储、推理）与思维（概念、判断、推理）的基本形式，在获取大量信息的基础上，经过表征学习、运算判断、推理表达的过程来反映事物的本质特征与内部联系。

    在中小学阶段，学生AI思维能力的发展，本质上是学生学习AI的过程中分析[2]、综合[3]、比较[4]、抽象[5]、概括[6]、归纳[7]、演绎[8]、类比[9]等思维的发展。即要提高学生面对现实问题时主动思考、提出问题、分析问题进而解决问题的能力。

    二、人工智能及智能主体

    1.何为人工智能

    要进一步明确AI思维，需要知道什么是AI及智能主体。约翰·麦卡锡从人工智能与科学工程的角度提出：人工智能是制造智能机器的科学与工程，尤其是智能计算机程序。它与使用计算机去理解人类智能的类似任务有关，但并不必将自己局限于生物学上可观察的方法[10]。斯图尔特·罗素和皮特·诺威格从智能主体的角度将人工智能定义为：对从环境中感知信息并执行行动的主体的研究[11]。史蒂芬·卢奇和丹尼·科佩克从智能主体组成的角度提出：人工智能是由人类、想法、方法、机器和结果组成的[12]。拉斐尔从人工智能学科属性的角度指出：人工智能是一门科学，这门科学让机器做人类依靠智能才能完成的事[13]。郑南宁从智能主体作用的角度指出：人工智能不是人的智能，但能像人那样思考，也可能超过人的智能[14]。

    以上关于人工智能的观点有以下相同之处：一是人工智能属于应用性技术科学;二是人工智能可以延伸和扩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体具有人或其他生物的智能，并能解决实际问题。

    综上所述，本文认为，人工智能是研究、开发能够模拟、延伸和扩展人类或其他生物智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学;其研究目的是促使智能主体具有人或者其他生物的智能，会感触、会听、会看、会说、会思考、会学习、会行动等。

    2.何为智能主体

    人工智能通过智能主体发挥作用。斯图尔特·罗素和皮特·诺威格认为：智能主体可以被视为通过感受器感知其環境并通过执行器对所处环境产生影响[15]。王文敏认为：智能主体能够感知外部环境，经过一定的思维加工，再作用于外部环境的事物[16]。郑南宁认为：一般而言，人工智能是指以机器（智能主体）为载体，模拟、延伸和扩展人类或其他生物的智能，使机器能胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作[17]。以上观点的共同之处在于：智能主体可以感知外部环境;智能主体经过一定的思维加工;经过思维加工的智能主体进而能够影响所处的环境。

    因此，从AI思维产生的机理可得出以下观点：智能主体通过模仿人或其他生物学习与思维的基本形式，感知外部环境;智能主体能模仿人或其他生物学习与思维的基本形式，如表征、判断、推理等，进行思维加工;经过思维加工后的智能主体，反过来能够反映事物的本质特征与内部联系，进而影响所处的环境。

    三、AI思维

    AI思维就是智能主体模仿人或其他生物学习与思维的基本形式，经过表征学习、运算判断、推理表达的思维形式来反映事物的本质特征与内部联系。在此，将从中西方文化比较、认知神经科学、心理学的角度进行阐述。

    1.智能主体的发展遵循自然法则

    智能主体作为一种新兴的应用技术科学——人工智能的载体，应该遵循事物发展的自然法则。文化比较学的研究发现：西方文化认为天人二分，存在天人对立、相争的思想[18]。西方文化崇尚“物竞天择，适者生存”的自然法则。中国文化则认为天人合一，天和人是一个整体，自然界和人是一个整体[19]。因此，中国人更崇尚天人合一、和谐相处的自然法则。虽然中西方文化的思想根源不同，所崇尚的法则不同，但都认为事物的发展遵循自然法则。因此，具有事物特征的智能主体的发展也遵循事物发展的自然规律和法则。

    2.智能主体的发展遵循社会法则

    智能主体作为人工智能的载体，也应该遵循事物发展的社会法则。古希腊哲学家苏格拉底说过，事物的最终原因是“善”，这就是事物的目的性。中国古代思想家老子说“上善若水”。河上公注释为：上善之人，如水之性[20]。人心的“善”就像水一样容纳万物。说文解字中解释：善，吉也。也即美好的意思。善，对应英语中的good，解释为“合乎道德的，正直的”。由此，中西方文化价值观的终极追求都是“善”，即社会的发展遵循“向善”的社会法则。总之，在自然法则和社会法则范围内创新地解决实际问题，“向善”地促进人类社会发展是中西方文化追求的共同价值观。

    因此，作为科学技术产物的智能主体也应遵循人类社会科学技术的发展规律。不同时期的科学技术造就不同的技术科学，但是无论技术发展到什么程度，其终极目标都是推动人类社会的发展。同理，智能主体的发展始终是为了促进社会“向善”的发展，要在遵循自然法则和社会法则的前提下不断发展，最终目的是促进人类社会的发展。

    3.AI思维认知神经科学的学习模型

    认知神经科学中的学习与记忆理论认为：学习与记忆可以划分为三个主要阶段。一是编码（encoding），即对输入信息的处理与储存，包括获取与巩固。获取（acquisition）是对感觉通路和感觉分析阶段的输入信息进行登记;巩固（consolidation）是生成一个随着时间的推移而增强的表征。二是存储（storage），这是获取和巩固的结果，代表信息的长久记录。三是提取（retrieval），是通过利用所存储的信息创建意识表征或执行习得的行为，如自动化动作[21]。

    智能主体的学习与记忆是模仿人或其他生物的学习与记忆，因此可以假设为表征学习、运算判断和推理表达三个主要阶段。其中，智能主体的表征学习（representative learning）遵循信息获取与巩固的规律，然后在智能主体中形成特有的模型。智能主体的运算判断（operational judgement）类似存储，在智能主体通过表征学习习得的知识中建立模型，并进行运算判断。智能主体的推理表达（reasoning expression）相当于提取，通过利用所存储的信息创建意识表征或执行习得的行为。因此，智能主体的学习是为了促进社会的发展，模仿人类或其他生物的学习与记忆过程，在获取大量信息的基础上，通过表征学习、运算判断、推理表达，进而反映事物的本质特征与内部联系的过程（见图1）。

    4.AI思维的心理学模型

    心理学认为：思维是人脑借助言语、表象或动作实现的、对客观现实的概括和间接的反映。思维反映的是事物的本质特征和事物之间的内在联系，它具有概括性和间接性两个基本特征。在思维过程中，人只有在获取大量感性材料的基础上，才能在头脑中对事物进行分析与综合、抽象与概括，并通过概念、判断、推理等思维形式把握事物的本质特征与内部联系[22]。

    人的思维有三种基本形式，即概念、判断、推理。概念是人脑反映客观事物本质特征的思维形式[23]。判断是人脑借助语言对客观事物的特性或客观事物之间的联系进行分析与综合，从而对事物做出肯定或否定的认识[24]。推理是人在头脑中由具体事物归纳出一般规律，或根据已有的判断推出新的结论的思维形式[25]。可见，人的思维通过概念、判断和推理等基本形式反映客观事物的本质特征和内部联系，与认知神经科学中学习与记忆理论提出的编码、存储、提取相辅相成。

    AI思维是智能主体模仿人类或其他生物智能的思维形式。因此，可将AI思维归纳出三种基本形式：表征学习、运算判断和推理表达。其中，AI思维的表征学习对应思维基本形式中的概念。表征学习是智能主体通过对信息的获取，建立对事物认知的范围和概念形成的过程。AI思维的运算判断对应思维基本形式中的判断。运算判断是智能主体及其技术语言对客观事物的特性或客观事物之间的联系进行运算，从而对事物做出判断。AI思维的推理表达对应思维基本形式中的推理。推理表达是智能主体由具体事物归纳出一般规律，或根据已有的判断推出新的结论，然后用技术语言来表达的过程。因此，AI思维在心理学层面指的就是智能主体模仿人类或其他生物的思维，在获取大量信息的基础上，通过表征学习、运算判断和推理表达来反映事物的本质特征与内部联系。

    综上所述，AI思维是智能主体围绕着社会发展，借助人工智能技术，模仿人或其他生物学习（编码、存储、提取）与思维（概念、判断、推理）的基本形式，在获取大量信息的基础上，经过表征学习、运算判断、推理表达的过程来反映事物的本质特征与内部联系（见图2）。

    四、AI思维学习模型

    心理学认为，思维过程是思维活动中一系列复杂的认知操作，它包括分析、综合、比较、抽象、概括等。在思维过程中，人通过这些操作对反映事物外部特征的感知觉材料进行加工，并通过概念、判断、推理等思维形式把握和揭露事物的本质特征和内部规律[26]。

    那么，中小学阶段学生AI思维的发展就是借助智能主体以社会发展为核心，在表征学习中建立概念，在运算判断中理解事物，在推理表达中形成结论。中小学生的AI思维学习模型应在其学习过程中围绕社会发展，运用学生已有经验，在此基础上感知事物，形成概念，通过比较、分析、综合、抽象、概括判断事物，通过演绎、归纳、类比推理得出结论，进而揭示事物的本质特征和内部规律。因此，中小学生AI思维的发展需要在感知的基础上循序渐进地提升学生的比较、分析、综合、抽象、概括、演绎、归纳、类比等思维能力（见图3）。

    简而言之，中小学生AI思维发展的本质就是借助智能主体面对现实问题学会思考，在表征学习、运算判断和推理表达的思维过程中提升學生提出问题、分析问题和解决问题的能力（见图4）。

    参考文献

    [1]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：26

    [2][3][4][5][6][7][8][9][22][23][24][25][26]林崇德，杨治良，黄希庭.心理学大辞典[M].上海：上海教育出版社，2003.

    [10][16]王文敏.人工智能原理[M].北京：高等教育出版社，2019.

    [11][15]Stuart J. Russell，Peter Norvig.人工智能：一种现代的方法（第3版）[M].殷建平，祝恩，刘越，译.北京：清华大学出版社，2013.

    [12][13]Stephen lucci，Danny Kopec.人工智能（第2版）[M].林赐，译.北京：人民邮电出版社，2018.

    [14][17]郑南宁.人工智能本科专业知识体系与课程设置[M].北京：清华大学出版社.2019.

    [18][19]辜正坤.中西文化比较导论[M].北京：北京大学出版社，2007.

    [20]陈鼓应.老子注释与评介[M].北京：中华书局，2009：86.

    [21]Michael S. Gazzaniga，Richard B. lvry，George R. Mangun.认知神经科学：关于心智的生物学[M].周晓林，高定国，译.北京：中国轻工业出版社，2011：272.

    （责任编辑? ?郭向和）