初探中小學教育中的人工智能思維

馬利榮

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

[關鍵詞]人工智能;AI思維;智能主體;中小學生;學習模型

一、AI教育概述

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》（以下簡稱課標）把人工智能初步納入了信息技術選擇性必修的學習模塊，包括“人工智能基礎”“簡單人工智能應用模塊開發”“人工智能技術的發展與應用”三部分內容[1]。從課程內容的結構看，側重的是信息素養下人工智能（亦簡稱AI）的應用。本文認為，在中小學階段，AI教育就發生在應用AI技術的過程中，學生信息素養發展的核心要素是AI思維。

AI思維是人工智能主體（以下簡稱“智能主體”）立足于促進社會發展，借助人工智能技術，模仿人或其他生物學習（編碼、存儲、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上，經過表征學習、運算判斷、推理表達的過程來反映事物的本質特征與內部聯系。

在中小學階段，學生AI思維能力的發展，本質上是學生學習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]等思維的發展。即要提高學生面對現實問題時主動思考、提出問題、分析問題進而解決問題的能力。

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工程的角度提出：人工智能是制造智能機器的科學與工程，尤其是智能計算機程序。它與使用計算機去理解人類智能的類似任務有關，但并不必將自己局限于生物學上可觀察的方法[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：對從環境中感知信息并執行行動的主體的研究[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、機器和結果組成的[12]。拉斐爾從人工智能學科屬性的角度指出：人工智能是一門科學，這門科學讓機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]。

以上關于人工智能的觀點有以下相同之處：一是人工智能屬于應用性技術科學;二是人工智能可以延伸和擴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，并能解決實際問題。

綜上所述，本文認為，人工智能是研究、開發能夠模擬、延伸和擴展人類或其他生物智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學;其研究目的是促使智能主體具有人或者其他生物的智能，會感觸、會聽、會看、會說、會思考、會學習、會行動等。

2.何為智能主體

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

因此，從AI思維產生的機理可得出以下觀點：智能主體通過模仿人或其他生物學習與思維的基本形式，感知外部環境;智能主體能模仿人或其他生物學習與思維的基本形式，如表征、判斷、推理等，進行思維加工;經過思維加工后的智能主體，反過來能夠反映事物的本質特征與內部聯系，進而影響所處的環境。

三、AI思維

AI思維就是智能主體模仿人或其他生物學習與思維的基本形式，經過表征學習、運算判斷、推理表達的思維形式來反映事物的本質特征與內部聯系。在此，將從中西方文化比較、認知神經科學、心理學的角度進行闡述。

1.智能主體的發展遵循自然法則

智能主體作為一種新興的應用技術科學——人工智能的載體，應該遵循事物發展的自然法則。文化比較學的研究發現：西方文化認為天人二分，存在天人對立、相爭的思想[18]。西方文化崇尚“物競天擇，適者生存”的自然法則。中國文化則認為天人合一，天和人是一個整體，自然界和人是一個整體[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，但都認為事物的發展遵循自然法則。因此，具有事物特征的智能主體的發展也遵循事物發展的自然規律和法則。

2.智能主體的發展遵循社會法則

智能主體作為人工智能的載體，也應該遵循事物發展的社會法則。古希臘哲學家蘇格拉底說過，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，對應英語中的good，解釋為“合乎道德的，正直的”。由此，中西方文化價值觀的終極追求都是“善”，即社會的發展遵循“向善”的社會法則。總之，在自然法則和社會法則范圍內創新地解決實際問題，“向善”地促進人類社會發展是中西方文化追求的共同價值觀。

因此，作為科學技術產物的智能主體也應遵循人類社會科學技術的發展規律。不同時期的科學技術造就不同的技術科學，但是無論技術發展到什么程度，其終極目標都是推動人類社會的發展。同理，智能主體的發展始終是為了促進社會“向善”的發展，要在遵循自然法則和社會法則的前提下不斷發展，最終目的是促進人類社會的發展。

3.AI思維認知神經科學的學習模型

認知神經科學中的學習與記憶理論認為：學習與記憶可以劃分為三個主要階段。一是編碼（encoding），即對輸入信息的處理與儲存，包括獲取與鞏固。獲取（acquisition）是對感覺通路和感覺分析階段的輸入信息進行登記;鞏固（consolidation）是生成一個隨著時間的推移而增強的表征。二是存儲（storage），這是獲取和鞏固的結果，代表信息的長久記錄。三是提取（retrieval），是通過利用所存儲的信息創建意識表征或執行習得的行為，如自動化動作[21]。

智能主體的學習與記憶是模仿人或其他生物的學習與記憶，因此可以假設為表征學習、運算判斷和推理表達三個主要階段。其中，智能主體的表征學習（representative learning）遵循信息獲取與鞏固的規律，然后在智能主體中形成特有的模型。智能主體的運算判斷（operational judgement）類似存儲，在智能主體通過表征學習習得的知識中建立模型，并進行運算判斷。智能主體的推理表達（reasoning expression）相當于提取，通過利用所存儲的信息創建意識表征或執行習得的行為。因此，智能主體的學習是為了促進社會的發展，模仿人類或其他生物的學習與記憶過程，在獲取大量信息的基礎上，通過表征學習、運算判斷、推理表達，進而反映事物的本質特征與內部聯系的過程（見圖1）。

4.AI思維的心理學模型

心理學認為：思維是人腦借助言語、表象或動作實現的、對客觀現實的概括和間接的反映。思維反映的是事物的本質特征和事物之間的內在聯系，它具有概括性和間接性兩個基本特征。在思維過程中，人只有在獲取大量感性材料的基礎上，才能在頭腦中對事物進行分析與綜合、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特征與內部聯系[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特征的思維形式[23]。判斷是人腦借助語言對客觀事物的特性或客觀事物之間的聯系進行分析與綜合，從而對事物做出肯定或否定的認識[24]。推理是人在頭腦中由具體事物歸納出一般規律，或根據已有的判斷推出新的結論的思維形式[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特征和內部聯系，與認知神經科學中學習與記憶理論提出的編碼、存儲、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：表征學習、運算判斷和推理表達。其中，AI思維的表征學習對應思維基本形式中的概念。表征學習是智能主體通過對信息的獲取，建立對事物認知的范圍和概念形成的過程。AI思維的運算判斷對應思維基本形式中的判斷。運算判斷是智能主體及其技術語言對客觀事物的特性或客觀事物之間的聯系進行運算，從而對事物做出判斷。AI思維的推理表達對應思維基本形式中的推理。推理表達是智能主體由具體事物歸納出一般規律，或根據已有的判斷推出新的結論，然后用技術語言來表達的過程。因此，AI思維在心理學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上，通過表征學習、運算判斷和推理表達來反映事物的本質特征與內部聯系。

綜上所述，AI思維是智能主體圍繞著社會發展，借助人工智能技術，模仿人或其他生物學習（編碼、存儲、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上，經過表征學習、運算判斷、推理表達的過程來反映事物的本質特征與內部聯系（見圖2）。

四、AI思維學習模型

心理學認為，思維過程是思維活動中一系列復雜的認知操作，它包括分析、綜合、比較、抽象、概括等。在思維過程中，人通過這些操作對反映事物外部特征的感知覺材料進行加工，并通過概念、判斷、推理等思維形式把握和揭露事物的本質特征和內部規律[26]。

那么，中小學階段學生AI思維的發展就是借助智能主體以社會發展為核心，在表征學習中建立概念，在運算判斷中理解事物，在推理表達中形成結論。中小學生的AI思維學習模型應在其學習過程中圍繞社會發展，運用學生已有經驗，在此基礎上感知事物，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、類比推理得出結論，進而揭示事物的本質特征和內部規律。因此，中小學生AI思維的發展需要在感知的基礎上循序漸進地提升學生的比較、分析、綜合、抽象、概括、演繹、歸納、類比等思維能力（見圖3）。

簡而言之，中小學生AI思維發展的本質就是借助智能主體面對現實問題學會思考，在表征學習、運算判斷和推理表達的思維過程中提升學生提出問題、分析問題和解決問題的能力（見圖4）。

參考文獻

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（責任編輯? ?郭向和）