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智慧教育时代我国人工智能教育应用的发展路径探究——美国《规划未来,迎接人工智能时代》报告解读及启示

时间:2018-01-22 19:34来源:www.010lunwen.com 作者:jingju 点击:
本文为教育职称论文,笔者认为人工智能已被视为推动现代社会进步的主要核心技术力量之一。本文结合我国人工智能教育的发展现状,提出了我国人工智能教育应用的发展建议,以期为相关研究
一、引言

 

随着信息技术的飞速发展,教育信息化也进入了一个新的发展阶段——智慧教育。研究者提出了一系列以智慧教育为核心的全新教育理念:智慧校园、智慧课堂、智慧教学、智慧学习、智慧学习环境、智慧学习资源、教育机器人等。从目前的教育发展,以及研究者关注的焦点可以看出,现在的教育正朝着智能化、个性化、精准化、泛在化的方向发展。在所有“智慧”理念的背后,都离不开“智能”技术的支撑。离开了“智能”,也就没有了所谓的“智慧”。可以说,人工智能技术是智慧教育时代发展的核心力量。
人工智能技术的发展,自1956年提出以来,历经最开始的盲目追捧,到20世纪七八十年代遭遇发展瓶颈、备受冷落,再到90年代的缓慢发展等几个阶段的起伏,近几年重新引起了人们的重视。特别是2016年谷歌公司的基于深度学习的AlphaGo战胜了围棋世界冠军,又一次引爆了人们对人工智能的热情。现在,人工智能已被视为推动现代社会进步的主要核心技术力量之一。目前,人工智能已经开始服务于工业、经济、农业、环境、医疗、教育等众多领域,切实推动了社会的进步。人们纷纷预言,虽然通用的智能系统在未来10年内很难超过人类智能,但在越来越多的特定领域内,智能系统的问题解决能力可以达到甚至超过人类的智能水平。
面对人工智能的飞速发展,为更好应对未来人工智能可能给社会发展带来的影响和变化,2016年10月美国总统行政办公室(Executive Office of thePresident)联合美国国家科学技术委员会(NSTC,National Science and Technology Council Committee onTechnology)共同发布了《规划未来,迎接人工智能时代》(Preparing For The Future of Artificial Intelligence)报告(以下简称《报告》)[4]。该《报告》针对当前人工智能发展和应用现状、目前存在的问题,为美国政府及相关机构更好地应对未来人工智能的发展,提出了若干建议和对策。该《报告》虽是针对人工智能整个社会应用领域的,但对于人工智能的教育应用,对未来智慧教育的更好发展,都极具参考价值。本文首先对该《报告》的核心内容进行了解读,并结合我国教育发展现状,为我国未来智慧教育中的人工智能教育应用提出了发展建议。

 

二、报告发布背景

 

近几年,人工智能研究有了令人瞩目的飞速发展。人工智能技术为人类社会的进步开辟了新的途径与机遇。在工业、能源、环境、经济、教育、医疗等各个领域,人工智能都扮演着重要的角色,目前已成为了推动社会各领域前进的主要力量。特别是近几年,在一些特定领域(例如图像识别、语音识别等领域),智能系统的问题解决能力甚至超过了人类。专家预测,尽管在未来10年,智能系统在通用智能领域仍无法与人类智能相提并论,但人工智能在特定领域解决特定问题的能力仍将飞速发展,并可能会在更多领域超过人类。
人工智能可以帮助解决很多人类面临的巨大挑战以及一些无法解决的问题。例如,智能交通工具每年可以挽救成百上千条生命,同时还可以帮助行动不便的残疾人和老年人;智能建筑能够节约能源,减少二氧化碳排放;智能政府则可以更快、更好地服务大众;智能教育则可以帮助教师为每个孩子提供个性化的学习资源,为每个孩子打开属于自己的通往世界的大门。
在人工智能为社会带来福利的同时,人们也意识到在其发展过程中出现的一些新问题。例如,政府在人工智能发展过程中应担当怎样的角色?部分行业自动化后对社会经济会产生怎样的影响?如何规避智能可能带来的风险等。目前,美国已经站在了人工智能基础研究、应用研究的前沿。同时,他们也意识到,为更好地迎接智能时代的到来,必须未雨绸缪,为如何引领人工智能发展、应对发展过程中可能出现的问题和挑战作好规划。
为此,美国总统行政办公室联合美国国家科学技术委员会共同发布了这个报告。报告从AI(人工智能,Artificial Intelligent,简称AI)概述;AI在社会公共事业中的应用;AI与联邦政府;AI与监管;AI研究与劳动力构成;AI、自动化与经济;公平、人类安全与控制;全球化思考与社会安全等方面进行了全面阐述,以期为美国和世界各国的人工智能发展提供指导。

 

三、报告核心内容解读

 

本文在对《报告》进行全面分析的基础上,从为教育领域提供借鉴的视角出发,主要从人工智能在社会各领域中的应用、发展中存在的问题及对策建议等方面,对报告的核心内容进行解读。

 

(一)人工智能在社会各领域的应用
现在,人工智能已经开始进入社会各个领域,如医疗、交通、环境、司法等多个领域,并正在发挥其应有的作用,造福人类。目前,世界各地的医院已经陆续开始实施数字化病例和数字化健康记录。利用产生的大量病例和健康数据,人工智能技术势必在疾病预测、精准施药、癌症研究等医疗领域发挥巨大作用。在交通领域,无人驾驶交通工具的应用,将大大降低交通事故发生概率,并为残疾人或行动不便的老人带来更大的便利。
此外,已有研究表明,基于人工智能的智能交通管理能够缩短人们的等待时间,节省能源,降低排放。例如,目前城市已广泛使用智能软件进行叫车服务。智能软件通过动态调度与路线规划,为人们提供了快捷、方便、廉价的出行服务。
也有研究者将人工智能技术应用于对动物迁徙的追踪。通过获取旅行者在社交网络上发布的大量动物图片,并进行分类,分析图片上的地址信息,建立动物迁徙的数据库。目前,美国科学技术政策局(OSTP)的社会公益人工智能研究组已经发布了“互联网海龟”项目,采用上述方法对鲸鱼、非洲大型动物等进行跟踪。此外,有研究者将人工智能技术应用于反偷猎,合理创建动物保护栖息地等,以保证濒临灭绝物种的最大化分布。
在人类环境保护与监测方面,将配备复杂感应装置的无人驾驶船艇应用于海洋巡逻,用以收集海洋的数据信息,获悉海洋生态系统的变化。这种无人驾驶船艇的成本要远远低于人工驾驶,而且大大降低了风险系数。在未来,可能会将这种技术应用于天气预警、气候监控,以及监控非法捕猎等。
人工智能技术也被应用到刑事司法系统中,在大量数据分析基础上,更公正地进行案件的审判、犯人的保释以及假释申请的审批等。在应对当前社会和经济发展中面临的一些挑战方面,人工智能同样在发挥着重要的作用。例如,有研究机构使用计算机博弈理论、机器学习、自动规划、多代理推理等技术,处理失业、辍学、无家可归人员的安置,以及全球最需要帮助的贫困地区的识别问题等。
政府部门应用人工智能技术,能进一步改善服务使人民受惠。
美国国防部高级研究计划局的“教育优先(Education Dominance)”项目就是一个应用人工智能提高效率的典型例子。美国国防部高级研究计划局为缩短海军新兵的技能培训时间,投资开发了智能导师系统。使用智能导师系统,可以将海军新手到专家的培训时间由几年缩短到几个月。实验结果表明,在知识测试和真实环境的问题解决过程中,由智能导师系统将新兵培训成为IT系统管理者后,其表现优于具有7~10年经验的海军专家。也有研究表明,使用智能导师系统对工人进行培训,可以使他们获得更高的工资收入。

 

(二)发展中面临的问题及对策建议
1.加强传统行业与AI研究机构的合作,寻找AI与各行业的契合点
从事社会公共事业的专业人员,较少有机会接触先进的人工智能技术,很难形成应用人工智能技术进行变革创新的意识。人工智能技术人员虽然掌握着相关技术,但他们对具体行业缺乏了解与深刻认识,很难发掘出人工智能技术与各行业的契合点。因此,为更好发挥人工智能技术对社会发展的推动与促进作用,应加强行业专业人员与人工智能研究者、相关研究机构的合作。只有在多方人员的共同配合下,才能切实发掘AI与行业的契合点,充分发挥人工智能对各行业的推动作用。
2.开放行业数据与构建数据标准,为人工智能应用提供基础数据
现在,人们越来越深刻地意识到,大数据中蕴含着大量以往很难凭主观经验探究到的有价值的信息。但是利用大数据的前提,是具有大量的、有统一标准的数据。在信息化广泛应用的今天,各个行业大多已积累了大量的数据。但这些数据大多是封闭的、结构各异的,这给应用造成了很大的障碍。政府机构应发起“为AI开放数据”的倡议,强调开放数据、建立统一行业数据标准的重要性,并开放大量政府部门的相关数据,用以促进AI研究发展。鼓励使用公开的数据标准,便于进行政府、研究机构,以及私营机构的数据整合。此外,在数据的收集方面,应确保收集数据具有较全面的覆盖性。若收集的数据是片面的,具有较大偏差,那么基于数据制定的决策就会存在偏差,得出的结论的准确性与可靠性就可能大打折扣。
3.构建及培养人工智能的研究、设计、开发及应用等多层次人才梯队
若使AI技术能被社会广泛认可与接受,最终促进社会的发展,必须要形成以AI为核心的、具有一定规模的从业人员。这些从业人员包括致力于AI的研究者(AI技术与方法的研究)、信赖并熟悉AI的各领域专家(提出行业痛点,设计AI应用解决方案),相关领域的AI应用者(应用AI产品进行工作)。此外,对在校学生进行相关的计算机、数据科学教育也是促进AI与社会融合的关键要素之一。
无论是政府机构,还是学校,都要承担重要的责任。政府要资助AI研究的顺利进行,包括与AI相关的各个学科——计算机科学、统计学、数据库与软件开发,以及数据科学等相关领域的研究。同时,应注意对企业员工进行相关的AI培训。这些人员是未来AI技术的应用者,只有他们了解了AI,才能够更好地应用AI。
4.组建高层次技术专家队伍,制定智能产品监管规范
随着AI应用的逐渐深入,会产生很多具有智能的产品,例如,无人驾驶飞机、无人驾驶汽车、能够完成智能设计的机器人等。对这些智能产品进行有效监管,对于保证人类自身安全、维护社会伦理道德,以及世界经济的公平竞争与发展,都具有非常重要的意义。对智能产品进行监管,首先要有针对“智能”的评判标准,也就是将人工智能技术整合到产品后应该降低的危险指数,以及可能增加的风险。但在制定监管标准的同时,需要考虑若为了符合“智能”监管标准反而导致成本增加、发展速度减缓,或者创新收益降低,那么要及时调整监管标准,为AI产品的创新与发展提供一定的空间。
目前很多专家的共识是,在现有阶段还不建议推行普适性的AI研究与应用规范,可以在各专业领域现有规范基础上进行调整,在已有监管机制中添加“智能”规范,将其作为要素之一。这样既可以保证产品原有既定目标不变,同时也为AI在各专业领域的发展与创新提供了发展空间。制定“智能”产品的监管规范,需要各专业领域顶尖专家、AI专家的指导与协同参与。此外,还需要现有规范的制定者、规范的执行者的支持与参与。只有多方人员的协同工作,才能确保智能产品监管的有效性、安全性。
5.明确政府职责,确保人工智能技术的稳步发展
政府在人工智能的发展进程中起着举足轻重的作用。政府政策的导向与支持,资金的投入,都直接决定着AI的发展速度与进程。为了更好促进AI发展,政府在制定政策与进行实践时应包括以下内容:投入资金支持AI的基础性与应用性研究和项目开发;政府应鼓励各行业与AI的融合,并应成为AI应用的早期客户;支持试点项目并创建真实环境下的实验基地;公开数据支持AI研究与应用;设置奖励基金;识别并确立AI发展进程中的重大机遇与挑战,为AI研究指明方向;资助构建AI应用的严格评价体系,以评判其对社会的影响以及其相应的成本效益;在保证公众安全的前提下鼓励创新,为创新创建一个有政策支持、法律保护、合理监管的环境。
政府部门应鼓励并充分挖掘AI高级研究机构(例如美国国防部高级研究计划局)的科研优势,并应资助基础性的、长期的AI研究,以及高风险的,特别是一些私有机构不太可能投资但却有重要意义的AI研究,确保AI整体研究的稳步增长。
6.学校设置相关课程,为学生具备相关素养打下基础
AI技术的快速发展,需要人们具备相应的知识与技能,以适应时代的发展变化。当前的时代要求人们具备数字素养,成为具备数字素养的公民,即能够基于数据分析进行读、使用、解释与交流。因此,有必要在各级各类学校开设相关课程,为学生具备相关素养夯实基础。学校要加强STEM课程、计算机、AI课程、机器学习、数据科学等课程的内容建设,培养学生的数字素养和AI应用意识。倡导各年级学生都要学习编程,培养学生的计算思维能力。同时,课程内容还应包括信息时代应具备的伦理道德、个人隐私、网络安全等相关内容,为学生更好地应对AI做好准备。

 

四、反思与启示

 

从这个《报告》可以看出,美国已将人工智能作为推动美国未来经济发展、社会前进的主要动力,并在国家战略层面引起了高度的重视,包括资金和AI人才的投入、政府相关政策的引导,以及对AI教育的大力支持等。从报告中提到的AI应用所覆盖的领域可知,AI已经开始融入美国社会的各个领域,AI正在发挥其特有功效以造福美国民众。
就近几十年技术发展与传统行业的融入态势来看,相对于其他行业而言,技术与教育的融合速度相对较慢。我国的教育领域亦是如此。但是,我们已经能够认识到,人工智能势必成为整个社会,包括教育行业发展的核心动力之一。未来教育的变革,特别是智慧教育中倡导的个性化、精准性、自适应性、普适性等,都以人工智能作为核心技术。
在我国,目前大数据等一些人工智能技术,已经开始引起了教育研究者的关注。例如2016年11月召开了首届中国教育大数据发展论坛,同时也有相关的研究论文发表。但从整体来看尚处于起步阶段。在上述《报告》分析的基础上,对当前我国人工智能教育应用提出以下建议。

 

1.高度重视人工智能教育应用的发展,给予资金和政策支持
现在人们对教育提出了新的需求,要求教育更加个性化、精准化。要求对学生的教育,不再是工业化的批量生产,而应是农业的精耕细作。而在大众化、全民教育的今天,利用人工智能技术,是实现个性化、精准化教育的根本途径。目前我国的人工智能教育应用还处于起步阶段,尚未引起各级政府机构、教育管理部门的高度重视。对于其能够带来的巨大潜能仍缺少充分的认识。因此,各级政府,特别是教育部门的管理者、教育政策的制定者首先应重视人工智能的教育应用,将人工智能促进教育发展,作为未来我国教育信息化发展的主要任务之一。在国家层面进行顶层设计,全局引领发展AI教育应用。同时,应加大资金的投入力度,制定相应政策,吸引更多的人工智能技术专业人员与教育研究者投入到AI教育应用的研究与实践中来。

 

2.加强人工智能专业技术人员与教育领域专家的合作,寻找与定位人工智能与教育的契合点
实现AI与教育的融合,仅依靠教育工作者是远远不够的。目前我国的教育从业人员,大多对人工智能技术知之甚少,或者一知半解。在不了解AI技术本身,以及其可能具有的功能情况下,很难找出两者的契合点。目前我国应用机器学习、深度学习技术支持教育发展的研究还非常少,主要原因可归结为当前教育研究者对相关的技术不了解,未能找出合适的结合点。在大数据教育应用领域,当前现状多为面对一堆数据,但不知道能用这些数据做什么。即使进行了分析,也是有了数据才去思考能用这些数据做什么,即现有的应用并非来源于现实需求。我们应该是先提出教育需求,提出要解决的教育问题是什么,然后再考虑需要哪些数据作怎样的分析。究其原因,是当前的教育工作者大多不懂AI,不知道AI能做什么,也就很难提出现实需求。因此,在现阶段,应加强AI专业人员与教育工作者的合作,合理定位人工智能与教育的契合点。

 

3.制定教育数据规范与标准,适当公开数据,为人工智能与教育的融合提供数据基础
当前以大数据分析、机器学习、深度学习为核心的人工智能,其发挥作用的前提是具有大量的有效数据。巧妇难为无米之炊。没有数据的人工智能,根本无法发挥作用。因此,数据之于人工智能,就好比是子弹之于枪。数据是人工智能运行的根本。随着计算机性能的不断提高,互联网以及移动互联设备的普及,大量学习资源、教学资源的出现,在线教育公司的纷纷崛起,目前已经拥有了大量的教育数据。在我国,教育数据主要有三种类型:人口学方面的统计数据;在线教学的相关数据;在线学习的相关数据。这些数据分别存储在各地政府教育管理部门、学校,以及各个在线教育公司的服务器上。
数据存储的目的不同,格式与标准也各有差异。教育管理部门、学校的数据多为人口学方面的统计数据,以及学生的学习成绩数据,其目的主要用于教育管理。我国发达地区很多学校在基于移动设备进行教学时,收集了很多在线教学的相关数据。数据存储在学校或公司的服务器上,与特定的在线教学系统绑定。而在线教育公司,例如MOOC学习平台,则可收集到学生在线学习过程中的学习行为数据。
所有这些数据,并无统一的标准与规范,而且几乎不对外公开。这样就给人工智能的教育应用和相关研究造成了一定的障碍。因此,制定相应的数据标准迫在眉睫。建议教育管理部门尽早制定教育数据存储标准,以便于数据共享。同时,建议政府在保证学生个人隐私与网络安全的前提下,适当公开部分数据,为人工智能的教育应用研究提供方便与支持。

 

4.加强教师及相关教育管理者的人工智能培训,培养其人工智能应用意识
教师最了解教学过程中存在的实际问题,最清楚学生学习过程中存在哪些障碍。但现在的教师对AI技术鲜有接触,不知道AI能够实现什么功能,或者说能用AI做什么。在现有状况下,教师很难提出基于AI的教育需求。因此,在进行教师培训时,应增加人工智能模块。向一线教师介绍AI的相关知识,特别是AI教育应用的实际案例,或者相关领域中AI应用的具体事例,便于教师了解能够用AI做什么。在进行AI相关技术和应用案例学习的同时,培养教师的AI应用意识。只有这样,教师才能够真正意识到AI对于教育的重要性,并挖潜出AI与教学的契合点,促进AI与教学的深度融合。对于教育管理者而言,同样需要AI的相关知识。让他们了解可以使用AI辅助进行各层级教育政策、教育法规的制定,以及可以利用AI协调教育资源的优化配置等问题。

 

5.积极发展STEM教育和信息技术课程,提高学生的信息意识和计算思维能力
未来的人工智能时代,对人的素养提出了更高的要求。STEM教育是培养学生科学素养,满足未来时代发展的有效途径。目前,STEM教育已经引起了各国教育者的广泛关注,并在国家层面得到了高度的重视,纷纷制定了国家STEM教育的发展战略。我国教育研究者也在积极探索如何更好地发展STEM教育,如何将STEM教育理念与创客教育、各学科教学进行整合等等。智能时代的发展要求学生具备相应的信息意识和计算思维能力。
目前我国的信息技术课程标准中已将信息意识和计算思维作为其学科的核心素养之一,以期借助信息技术课程培养学生的信息意识和计算思维。可视化编程是培养学生计算思维,特别是培养中小学生计算思维能力的有效途径。与传统的代码编程不同,可视化编程通过拖拽方式代替手工代码输入,不仅操作简单,摒弃了传统代码编程语言中的门槛高、语法要求严格等缺陷,使学生将更多精力集中在编程思想的思考,而非编程语法的学习与纠错上。近两年我国研究者正在探索基于MIT的APPInventor,以进行中小学生的计算思维能力培养,并取得了较好的效果。与此同时,应该意识到计算思维作为一种思维方式,不仅可以通过计算机编程进行培养,还应与其他学科进行融合,在完成相关学科学习的同时,促进计算思维发展。

 

五、结语

 

未来的时代是智能时代。无论是政府管理机构,还是各级教育部门,都应为迎接智能时代的到来做好充分的准备。美国政府发布的《规划未来,迎接人工智能时代》研究报告,不仅引领了美国社会未来的发展方向,同时也为我国的人工智能教育应用提供了很好的启示与借鉴。为此,本文呼吁我国教育主管部门能够重视人工智能的教育应用,意识到人工智能对我国未来教育发展的重要意义。加大资金的投入和政策引领,将人工智能教育应用作为未来我国教育发展的核心内容之一。此外,为更好地找到人工智能与教育的契合点,应促进人工智能技术人员与教师的合作,提高教育管理者和教师的数据素养,培养学生的计算思维能力,为更好地应对未来时代的发展做好准备。
目前存在的问题等进行了调研,并对美国政府及相关机构提出了相应的发展建议和对策。智慧教育等理念已成为教育研究者关注的焦点。“智慧”的背后,除了需要先进的教育教学理念,更是离不开人工智能技术的支撑。本文在对上述报告的核心部分进行解读的基础上,结合我国人工智能教育的发展现状,提出了我国人工智能教育应用的发展建议,以期为相关研究提供有益的借鉴和参考。

 

参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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