论人工智能与教育的内在统一性

刘峡壁

摘要： 将人工智能引入教育的价值是多重的。在中小学开展人工智能教育，不仅能为学生适应人工智能时代的生产和生活储备知识与技能，还是推动人类教育走向更高阶段的必然需要。人工智能与教育的内在统一性在于二者都是为了人类更好地认识和完善自己。在基础教育阶段，教师可通过“人工智能+教育”与“教育+人工智能”两种模式开展人工智能教育，帮助学生更好地认识与完善自己。

关键词：人工智能；基础教育；AI教育；教育AI；智慧教育

近年来，人工智能教育在基础教育中得到了快速发展。这在很大程度上是政策驱动的结果，但更深层次的原因是科学技术发展的趋势使然。人类发展科学技术的目的是拓展人认识世界和改造世界的能力。目前，拓展人体力的技术已发展到相当高的程度，其进一步的发展只会体现为量的增长，而无法引起质的飞跃。能让人类认识世界和改造世界能力产生质的飞跃的，则是拓展人智力的技术。因此，承担这一使命的人工智能技术成为当今科学技术发展的必然趋势。这种趋势首先体现在，科幻电影大多以人工智能为主题，或者以高度发展的人工智能作为其叙事背景，“科幻电影中的场景变成现实”是人们对人工智能的一种朴素认识。这种趋势还体现在人工智能向各技术分支越来越宽广和深入的渗透上。目前，很多学科均以人工智能作为未来进一步发展的突破口，或者将人工智能作为引起未来技术突破的必要工具。除此之外，笔者认为人工智能教育的快速发展还源自教育本身。在基础教育阶段引入人工智能教育，不仅能为人工智能产业的兴起培育技术人才，还可以为人们适应人工智能时代的生产和生活储备知识与技能。更重要的是，发展人工智能教育是推动人类教育走向更高阶段的必然需要。这是因为发展人工智能与发展教育的内在是统一的。

一、人工智能与教育具有内在统一性

为何人工智能与教育具有内在统一性？这要从人工智能与教育各自的使命说起。

就字面意思来理解，人工智能是“人工”+“智能”的组合，即“在认识与理解智能的基础上，对其加以人工的实现”。不难看出，人工智能的关键是智能。如果人类能够理解智能的本质，那么人工实现它是顺理成章的事情。因此，人工智能的未来将是智能学。而何为智能？就我们已知的世界来说，这个世界上真正具有高级智能的只有我们人类。拥有高级智能，正是人类区别于世间万物的根本特征。因此，要理解和实现高级智能，就需要理解人类自身。这使得人工智能从根本上来说，是认识人自身的学问，即所谓“认识你自己”（know yourself）。

再说到教育，何为教育？教育的终极目标是“使每个人成为更好的自己”。人是物质性的，也是精神性的。作为物质性的人，我们需要在这个世界上生存；作为精神性的人，我们需要在这个世界上探索自身的价值和意义。无论是作为物质性的人，还是作为精神性的人，我们都需要通过教育来使自己变得更好，以更好地适应和改变环境与社会，从而有更多的精神性追求。歸根结底，教育是每个个体能够改变先天不公平的最主要手段，是帮助个体适应并改造环境与社会的重要途径。而做到这些，最关键的一点还是“认识你自己”。每个人都有自己的特质，都有最适合自己的发展道路。帮助每个人正确地认识自己，并在此基础上更好地完善自己，正是教育的最高境界。

综合上述两方面的认识，人工智能与教育具有内在统一性，换句话说，二者有着共同的根本任务，那就是“认识自己”。在认识自己的基础上，一个人可以通过人工智能技术来完善自己，也可以通过教育提高自身能力来完善自己。从认识与完善自己的角度来看，人工智能与教育是相辅相成的。基于此，教师可通过两种模式更好地开展人工智能教育。第一种模式，从人工智能的视角入手，是为“人工智能+教育”，简称AI教育；第二种模式，从教育的视角入手，是为“教育+人工智能”，简称教育AI，通常也称作智慧教育。

二、AI教育：人工智能+教育

从人工智能的视角来看，AI教育是在基础教育阶段教好人工智能技术。基于人工智能与教育的内在统一性，好的AI教育应该不仅使学生学好人工智能技术，更要帮助他们建构“认识自己”的意识、兴趣与思维方式。

（一）从认识自己出发

人类智能的外在表现包括感知能力、行为能力、推理能力、问题求解能力、语言能力、学习能力、社交能力和创造能力。人工智能首先是对这些人类智能外在表现的模拟，由此形成四种实现途径：行为智能（模拟人类智能的感知能力、行为能力）、符号智能（模拟人类智能的推理能力、问题求解能力、语言能力）、机器学习（模拟人类智能的学习能力）、群智能（模拟人类智能的社交能力）。创造能力作为人类智能中最神秘的部分，目前还没有有效的模拟技术。

除此之外，人们通过人工智能技术也试图模拟人类智能外在表现背后的基础，由此形成另外两种实现途径：人工神经网络（对人类大脑结构的模拟）和进化计算（对人类智能起源的模拟）。图1呈现了上述六大实现途径与人类智能的关系。

那么，学校对人工智能的教学，就应该让学生系统地了解这六种实现途径。教师应从人类智能的外在表现入手，使学生带着对自己的认识与了解，去学习人工智能技术背后的思想与方法，形成对人工智能技术系统、全面和正确的认知。这样的教学，既能让学生学习人工智能的核心内容，不与编程、机器人等关联内容混淆，又避免了教师在教学中只讲深度学习等流行技术，忽视了学生面向未来的知识与能力储备。

（二）再回到认识自己

通过对以上人工智能思想与方法的系统性认知，学生不仅能了解人工智能技术，更能了解人工智能与人类智能的联系，知晓自身智能表现背后的原理与机制，从而自觉地把握与人类智能有关的规律。比如，在学习AlphaGo围棋程序的工作原理时，学生可以清楚地认识和描述自身解决博弈问题的基本思维方式，从而让自己的思维更加规范和有效，以更好地解决生活和工作中面临的同类问题。这种学习就使得学生有意识地认识和完善自己成为可能，人工智能与人类智能就能形成相互的正反馈。换句话说，通过人工智能的学习，学生越了解自己便越能进步，越进步便越想了解自己。

当学生“认识自己”的兴趣被激活以后，他们会清晰地认识到，语言、数学、物理、生物、化学等基础学科在“认识自己”这一路途中必不可少的价值。事实上，人工智能作为应用学科的集大成者，是建构在基础学科的根基之上的。甚至可以说，人类各种学问的终极目标都是为了回答“人是什么”这一根本问题。因此，当学生具备一定的知识基础时，教师还可开展人工智能与基础学科的融合教学。如，在数学课程中讲述人工智能中的数学，在物理课程中讲述人工智能计算的物理基础、人工神经网络电路，在生物课程中讲述进化计算的生物学原理等。这种跨学科学习的设计，能激发学生对基础学科浓厚的学习兴趣，从而取得更好的学习效果。学生对于人工智能的学习也会有更稳固的根基，达到人工智能与基础学科教育相互促进的效果。

三、教育AI：教育+人工智能

从教育的视角来看，教育AI是在基础教育阶段用好人工智能技术，为更好地教与学服务。教师可通过综合应用模式识别、计算机视觉、自然语言理解、大数据挖掘等人工智能技术，从规律、工具、环境三个层面展开教学研究并综合研究成果，形成人工智能辅助下的新型教育模式，从而提升学生认识与完善自己的能力。

（一）在规律层面，挖掘教育规律，提高教育质量

在基础教育阶段，借助人工智能和大数据技术，教师能够挖掘出更多有关教育教学的规律。教师应结合教育学知识与人工智能手段，发现学习过程中影响学生能力（尤其是阅读理解、运算、推理等基础能力）发展的关键因素、关键过程，以及行之有效的干预策略，为开发有效的教育教学方法与工具提供依据。人工智能技术可以辅助教师实现对两类教育规律的挖掘：一是群体性规律，二是个体性规律。

群体性规律挖掘是指从教育大数据中发现普遍的教育规律，或者对于某类群体适用的学习规律，为教育政策、教学方法的制订以及在此基础上的教学创新提供科学支撑。例如，分析学生人口统计学特征与学业成绩的关系，以探究评估学业的最佳指标、影响学业成败的潜在因素等。又如，分析学生阅读全过程的数据，确定影响学生阅读理解能力发展的认知、心理关键因素。

个体性规律是指从学习者个人数据中发现的特定学习规律，以支撑个性化教育。例如，采用眼球追踪技术，检测学生的注意力水平、视觉注意力和学习习惯。又如，利用皮肤电反应、皮肤温度、心率等多模态信息，推断学生的认知负荷。

（二）在工具层面，提供智能辅助学习工具，开展个性化教学

在学生一侧，智能辅助学习工具不仅可帮助学生提高学习兴趣，还能让学生发现学习中存在的问题，更充分地认识到自身的优势与不足，从而改变学习习惯与方式，提高学习效率与成果，实现个性化发展。在教师一侧，智能辅助学习工具可帮助教师发现学生学习中的难点和教学实施中出现的问题，从而有针对性地改进教学内容、方案、教具等。利用智能辅助学习工具，教师还可以发现不同学生的不同特点，在尊重个体差异的基础上实施个性化教学。智能辅助学习工具的典型代表有教育机器人和智能辅导系统。

教育机器人可作为学生的导师或学习伙伴，调动学生的学习积极性，增强学生的学习体验。教育机器人不知疲倦，并且学生与教育机器人互动时不会有太大的心理负担，有助于他们更好地获取知识，提高操作技能。例如，人形教育机器人可以作为学生的学习导师，向小学生传递科学知识和概念；在英语学习中，智能聊天机器人可以通过对话引导学生，锻炼和提升学生的口语表达能力。

智能辅导系统能够根据学生对知识的理解和掌握情况，为他们选择合适的教学策略，并在一定程度上模拟真实教学专家的教学活动。智能辅导系统还可以根据学生的学习历程，为他们推荐合适的学习路径，并根据学生的学习过程与所达到的水平，为他们推荐适当的学习任务与资源，等等。

（三）在环境层面，丰富学习场景，实现泛在学习

人工智能技术的应用，使得學习场景从单一的课堂场景向家庭场景、虚拟场景、增强现实场景、混合场景延展。众多的学习场景为学生提供无处不在的泛在学习服务，从而使学生能充分利用最适合他们学习的时间、空间氛围与工具，显著提高学习成效。智能学习环境会根据学生的个人需求以及学生所处的学习空间，为他们提供即时和适应性的支持。支撑智能学习环境构建的基础设施主要包括虚拟现实、增强现实与物联网。

1.虚拟现实（VR）

虚拟现实，即通过计算机生成可交互的三维环境，向使用者提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟，从而让人产生身临其境之感。虚拟现实具有沉浸性、交互性等特征，允许学生通过不同的输入、输出设备与计算机实时交互，能有效改善学生的学习体验，增强学生的学习动机。其应用场景案例有：基于VR游戏开展的英语移动学习；使用沉浸式VR技术星际旅行，并降落到某个星球上开展“实地”考察；使用VR技术远程访问实验室；使用VR手势交互，术前传授手术程序和概念；等等。

2.增强现实（AR）

增强现实，即通过智能设备将虚拟与真实场景融合起来，以一种更吸引人、更互动的方式增强学生的学习体验。例如，教师建立古建筑的三维模型，并提供历史资料，在此基础上通过增强现实之旅提升学生学习历史的兴趣；采用交互式增强现实技术，为学生英语阅读学习提供更适宜的环境；等等。增强现实技术通过结合真实世界、真实图像和虚拟图像，激发学生的想象力，提高他们学习的欲望和动力。

3.物联网（IoT）

物联网可为学生提供互联在一起的各种传感器和可穿戴式跟踪器，能够对学生复杂的学习过程进行精细建模，从而实现及时的自适应反馈。例如，教师可通过物联网将普通教室转变为能够感知教学上下文的智能教室，用于支持学习、教学和管理等各类教育活动；使用空气质量、光、温度、湿度、声学、辐射等传感器，构建自适应物理学习环境。物联网应用到课堂上，还可以基于行为分析和情绪识别，实时向主讲人提出建议，提升其演讲质量；通过检测学生的疲劳水平，建议适当的学习策略。

四、结论

从“认识自己”这一共同的根本任务出发，人工智能与教育是内在统一的。大力发展人工智能教育，对于教育而言具有重要意义。借助人工智能，教师可使用两种模式更好地开展教育：一是从人工智能角度切入，讲好人工智能技术，培养学生认识自己的意识、兴趣与思维方式；二是从教育角度切入，用好人工智能技术，辅助学生更好地认识与完善自己。目前，人工智能与教育的融合方兴未艾，在以上两个方面已经开展了大量工作，但还有很多根本性问题有待解决，需要集合人工智能专家、教育专家、大中小学教师、教育管理者等各方面力量共同努力，开展广泛而深入的交流与探索。

参考文献

[1] 中华人民共和国国务院.新一代人工智能发展规划[EB/OL].（2017-07-20）[2022-12-24].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[2] 陈桂生.“教育学视界”辨析[M].上海：华东师范大学出版社， 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.

（作者系北京理工大学计算机学院教授、博士生导师）

责任编辑：牟艳娜