萧山花边艺术馆:关于人工智能教育的思考 --绪明教学研究1

关于人工智能教育的思考

张剑平

（浙江师范大学 教育科学与技术学院，金华 321004）

 [摘要] 人工智能理论和技术在一定程度上代表着信息技术的前沿，应当在现有的中学信息技术课程体系中增加人工智能课程，以便更全面地培养学生的信息素养。本文结合作者参加教育部高中信息技术课程标准研制的实践，讨论了人工智能课程在高中信息素养教育中的作用、分析了国内外中学人工智能教育现状，对人工智能课程的内容确定及其相关问题进行了较为深入的探讨。

 [关键词] 信息素养；信息技术；人工智能；高中课程

一、信息素养培养与中学信息技术教育

在全国中小学信息技术教育工作会议上，教育部决定从2001年起用5到10年左右时间在全国中小学普及信息技术教育，这对于科教兴国战略的实施具有十分深远的战略意义。在信息技术教育的各个环节中，学生利用信息的态度、途径、方法即学生的信息素养，在很大程度上关系到信息技术教育的成败。近年来，世界各国都普遍重视学生信息素养的培养，我国《基础教育课程改革纲要（试行）》中也渗透了把培养学生信息素养作为我国中小学信息技术课程开展重要内容的观点[1]。当前，我国教育部正在进行新一轮中学课程改革，其中高中信息技术课程的一个重要目标就是对高中生进行信息素养教育。

我们知道，信息素养是一种可以通过教育所培养的，在信息社会中获得信息、利用信息、开发信息方面的修养与能力。信息素养目前尚无一致的定义，通常认为应当包含以下四个方面的内容[2]：

1、信息意识与情感  具有使用计算机和其他信息技术来解决工作、生活中问题的意识，具有使用信息技术的积极态度与浓厚兴趣。这里包括了敢用与敢想两个方面。

2、信息伦理道德修养  能够遵循信息应用人员的伦理道德规范，不从事非法的信息活动，知道如何保护计算机系统的安全，知道如何防范计算机病毒和其他计算机犯罪活动。

3、信息科学技术常识  具有一定的信息科学与信息技术常识，能够阅读信息技术的通俗文章和参与有关的讨论。作为更高层次的要求，还应当了解信息技术发展历史与发展趋势。

4、信息能力  能够利用信息技术获取、评价和分析所需的信息。能够且开发、利用和传播信息，这里可以分为几个不同的层次。从使用信息技术系统的能力角度看，信息能力主要包括5个方面：信息系统的基本操作能力；应用软件的使用能力；信息资源的利用能力；信息资源的开发能力；信息系统的开发能力。

可见，信息素养包含了技术和人文两个层面的意义。在技术层面上，信息素养反映的是人们搜索、鉴别、筛选、利用信息的处理技能。从人文层面上看，信息素养反映了人们对于信息的情感、态度和价值观，它建立在技术层面的基础之上，涉及到独立学习、协同工作，个人和社会责任等各个方面的内容。

设置信息技术课程，进行信息技术方面的学科教学，是信息素养培育的最主要手段[2]。应当针对信息素养的具体要求，结合高中学生的认知发展水平、知识经验和情感需求开展信息技术教育，使学生了解常用信息技术的基本原理，掌握基本方法与技能，具有较强的信息意识，知道信息技术的发展情况及其对人类社会的影响，自觉按照法律和道德规范进行信息活动。为了有效达到上述教学目标，必须科学、审慎地选择高中信息技术课程的教学内容。

二、人工智能教育对于信息素养培养的重要作用

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是计算机科学的一个分支，是一门研究运用计算机模拟和延伸人脑功能的综合性学科。换言之，它研究如何用计算机模仿人脑所从事的推理、证明、识别、理解、设计、学习、思考、规划以及问题求解等思维活动，来解决需要人类专家才能处理的复杂问题[3]。例如，咨询、诊断、预测、规划等决策性问题。人工智能也是一门涉及数学、计算机科学、控制论、信息学、心理学、哲学等学科的交叉和边缘学科。与一般的信息处理技术相比，人工智能技术在求解策略和处理手段上都有其独特的风格。

人工智能研究处于信息技术的前沿，它的研究、应用和发展在一定程度上决定着计算机技术的发展方向[5]。同时，信息技术的广泛应用也对人工智能技术的发展提出了急切的需求。今天，人工智能的不少研究领域如自然语言理解、模式识别、机器学习、数据挖掘、智能检索、机器人技术、人工神经网络等都走在了信息技术的前沿，有许多研究成果已经进入人们的生活、学习和工作中，并对人类的发展产生了重要影响。

综上，作为信息技术一个不可缺少的重要组成部分，人工智能的基本内容在中学信息技术课程中是不能不专门提及的。而且，以往的某些教材中用一、两页篇幅作个简单介绍的方法也根本不足以反映人工智能学科的全貌。因此，十分有必要在高中阶段的信息技术课程中专门设立人工智能选修课。我们认为，高中阶段开设人工智能课程可以在以下几个方面对学生的信息素养培养产生积极作用：

1）对多种思维方式的培养和信息素养的综合锻炼

现实世界的问题可以按照结构化程度划分成三个层次：结构化问题，是能用形式化（或称公式化）方法描述和求解的一类问题；非结构化问题难以用确定的形式来描述，主要根据经验来求解；半结构化问题则介于上述两者之间。一般说来，中学阶段开设的传统意义上的信息技术课程中所介绍的信息技术，例如多媒体技术、网络技术、数据库技术、算法与程序设计等，都是求解结构化问题的基本技术，而人工智能技术则是解决非结构化、半结构化问题的一类有效技术。

把人工智能课程引入我国现行的高中信息技术教育，可以让学生在体验、认识人工智能知识与技术的过程中获得对非结构化、半结构化问题解决过程的了解，从而培养学生的多种思维方式[4]，达到提高信息素养的目的。通过人工智能课程的学习，学生还将了解人工智能语言的基本特征，学到智能化问题求解的最为基本的策略。

2）体验人类专家解决复杂问题的思路，提高学生的逻辑思维能力

这里以人工智能学科中“专家系统”技术的体验、学习与应用过程为例进行说明。

在专家系统的应用过程中，一个实际的专家系统不仅能够为用户给出相关领域的专家水平建议或决策，而且能够通过解释机制，以用户容易理解的方式解释专家系统的具体推理过程。学生可以向专家系统提出诸如“为什么(Why)”“如何(How)”“如果……会怎么样”等问题，系统接受用户的问题指令后，可以根据推理的逻辑进程，即时将答案呈现给用户。整个过程如同教师与学生在进行面对面的教学，在该过程中，学生可以充分体验人类专家的求解思路和推理风格，有助于提高他（她）们的分析、思维与判断能力。

另一方面，在专家系统的教学过程中，可以要求学生自行构建由产生式规则组成的知识库，或进一步利用工具软件来开发简单的实用型专家系统。为了完成该项工作，学生一开始就要编制开发规划、制定知识获取策略，并具体付诸实施，这是一个不断深化的过程。学生还得明确与系统有关的所有变量或相关的因素，并且将这些变量和因素转化为问题求解，得出相应的结论。在进行一系列问题求解分析之后，运用产生式规则来表示知识，以此建立起来专家系统还可以让其他的学生去运用和体验，具有一定的实用价值。

由于专家系统中的知识组织与推理过程是对人类专家思维方式的一种模拟，因此上述知识库的组织和系统的推理过程能够较好地体现学生的思维过程。在建造知识库过程中，学生需要将原来零碎的未成型的知识概念化、形式化和条理化，从而内化为学生自己的东西。所以，建造知识库的过程不但能反映学生的学习过程，而且有助于学生对该类领域知识的深层思考并有利于长久记忆，同时也学会了专家系统的基本开发技术。正如美国著名的学习论专家Jonassen所指出的：那些自行设计专家系统的学生将会在这种活动中受益匪浅，因为这是一个对所学知识进行深度加工的过程[6]。

3）了解信息技术发展的前沿，激发对信息技术未来的追求

人工智能技术在一定程度上代表着信息技术的前沿，通过人工智能知识、技术的学习与体验，高中学生能够对信息技术发展的前沿知识有一定程度的了解，这样有助于他（她）们开阔视野，培养兴趣，激发对于信息技术美好未来的追求，从而为今后进入大学或走向社会奠定良好的基础。

三、中学人工智能教育现状

就总体而言，国外包括人工智能教育在内的中学信息技术教育呈现多样化发展的格局。以美国为例，现阶段的中学信息技术教育课程的开设大致分为以下几类[7]：

学校除在科学课程中的某些部分讲授信息技术知识之外，还开设专门的信息技术必修或选修课程，这类课程包括计算机应用、程序设计语言、人工智能等；

学校未开设完整的信息技术课程，仅在数学或物理等自然科学课程中介绍一些信息技术方面的知识。

在美国现行的高中阶段信息技术课程中，其内容包括以下两个部分：

（1）旨在培养学生信息技术技能与意识的内容。这方面的知识主要有：

信息加工与应用。使学生学会使用各种进行信息资源(包括文本、数据、图像、声音等信息)处理与应用的计算机软件和工具；

信息技术系统概论。从包括计算机在内的各种信息技术产品的软件和硬件介绍起，使学生对信息技术系统组成有一个全面完整的认识．对日常工作和生活中使用的各种信息技术产品的组成和功能有所了解．并初步掌握其使用方法。

人工智能概论。使学生认识人工智能的意义及其应用，并介绍自动化系统、机器人、虚拟现实技术等。使学生认识信息技术的大量运用以及人工智能的产生与发展可能对人类社会造成的各种影响。

（2）计算机程序设计的内容。通过学习计算机语言，编写程序，使学生学会使用计算机等信息技术产品完成一定的任务，培养逻辑运算和抽象思维能力。

在我国，由于师资、设备等条件的制约，目前尚未在中学开设专门的人工智能课程。随着科教兴国与教育信息化步伐的加快，近年来我国愈来愈重视青少年人工智能知识的启蒙教育。例如：1997年出版的由教育部长陈至立任编委会名誉主任、清华大学出版社出版的计算机科普教育丛书《计算机与信息科学十万个为什么》（全套共12本）中，就包括了《人工智能》一书。由清华大学李衍达院士主编、清华大学出版社2000年出版的青少年科学教育丛书信息科学与技术系列一套8本中，也包含有《人类智慧与人工智能》一书。

随着Internet技术与应用的迅速发展，在西方发达国家，大量的网上资源已经成为不可缺少的人工智能教育资源。例如，下面是两个可供中学生学习、体验人工智能知识与技术的典型站点：

专家系统网站 http://www.expertise2go.com/。该网站除了专家系统知识介绍、专家系统工具的下载外，还有许多实际的小型专家系统可供用户在线使用。例如，“PC机配置顾问（Desktop PC Product Advisor）”专家系统，可以通过人－机对话方式为用户需添置的PC机提供合理的硬、软件配置规划。中小学生可以通过它来感受专家系统解决问题的思路与过程，增加对人工智能知识学习的兴趣。

符号运算网站http://www.wolfram.com/。“Mathematica”是一个著名的符号运算软件，该网站中提供了大量的用Mathematica解决实际问题的演示程序，中学生可以通过该网站来在线运行相应的符号运算软件，进行多项式相乘、除，因式分解等符号运算。事实上，在中学数学、物理、化学、生物等学科中，可以利用上述符号运算软件来解决大量的符号运算问题。

总体来说，Internet上人工智能的中文信息资源十分贫乏。但在某些领域的研究与应用方面，也有一些不错的网站资源。例如，在机器翻译领域，“看世界”（http://www.readworld.com/tran/index.html）和“鲁能信息港网译中心”（http://www.luneng.com/translate/livetrans.htm）就是两个较为典型的在线翻译网站。该网站提供有在线方式的英－汉、汉－英文本翻译、网站即时英－汉翻译、邮件翻译等功能，十分适宜于中学生进行机器翻译的学习与体验。

我国不久前推出了由张景中院士主持开发的“Z+Z”智能教育软件[8]。这是一个多功能、交互式的工具型智能教育软件系列，其中包括初中代数、三角函数、解析几何、立体几何、初中物理、初中化学等多个软件。该软件的基本功能是能够智能解题、人机交互、自动推理和动态作图。以《立体几何》为例，其具体功能包括：题目构成与自动求解，提供自动求解、交互求解、手工求解等三种解题方式；动态作图，能绘制、编辑各种具有动态智能性的几何图形和几何关系，并可通过菜单添加结论以构成证明题或计算题；空间图形测量与计算：对所作图形中的长度、角度、面积、体积等几何量可进行空间动态测量。Z+Z智能教育软件已经通过审定并作为教育部推荐软件列入中小学教材图书目录。从而为人工智能技术在我国中小学教育的应用迈出了可喜的一大步。

2001年12月，中国人工智能学会正式成立了教育工作委员会，并将于2002年10月在北京召开“第一届全国人工智能教育学术研讨会”，会议主题为“信息时代的智能教育”。该会议的内容将包括：国内外人工智能教育的现状及我国人工智能教育改革的思考、在普通高等学校中开展人工智能基础教育的问题、关于试办人工智能本科专业的讨论等一系列与人工智能教育相关的问题。这意味着我国的人工智能教育已经走出大学计算机专业的象牙塔，将在大众化、普及化层面跃上一个新的台阶。

四、中学人工智能教育的基本思路

我们认为，高中人工智能作为高中信息技术系列课程中的任意选修课程，确定该课程的教学内容的基本思路应当是：

必须充分考虑到高中阶段学生的认知特点，选择那些与中学生学习、生活关系密切的，学生们看得见、摸的着的人工智能实际应用问题作为案例展开教学。

高中人工智能课程目标的基本点应该是了解和体验。通过该课程的教学活动，使学生了解人工智能的基本概念与基本特点，能够用专家系统、符号运算等人工智能技术去解决简单的应用问题；体验人工智能技术的丰富魅力，感受人工智能技术对人类学习、生活的重要作用；获得对包含人工智能在内的信息技术前沿应用的初步了解；激发对信息技术发展与未来生活的追求。

人工智能作为一门独立的课程，其最基本的工具人工智能语言的介绍是不可缺少的，但必须考虑中学生的特点安排教学，只介绍它的主要特征和最为简单的应用方法。例如，了解一种常用的人工智能语言（如 Prolog），能用递归方法编写简单程序求解问题。

随着我国中小学“校校通”网络工程的发展，利用Internet开展高中信息技术课程教学将成为可能。在人工智能课程的教学活动中，必须充分发挥网上信息资源和网上软件资源的作用。例如，利用相应的网站可以在线（Online）进行专家系统、符号运算、机器翻译等内容的教学与实验，直接通过Internet运行各种应用软件，既可节约大量的软件购置成本，又可降低应用软件安装与维护的技术难度。

具体来说，高中人工智能课程的教学内容，可以选择人工智能领域的以下几个基本部分展开：

1．基本概念

了解结构化问题、半结构化问题、非结构化问题的基本概念，知道问题的结构化程度是相对的，它可以随着人们对问题的认识深度而转化；了解人工智能的基本概念，知道人工智能的产生、发展及其主要应用领域；了解几种典型的人工智能技术（例如，指纹识别、机器翻译等）基本原理和应用领域；理解人工智能技术随着计算机硬、软件发展和社会需求的推动而向前发展的客观规律。

2．知识表示与机器学习

了解知识的基本概念，会用常用的方法表示知识；了解人工神经网络的基本概念与应用领域，知道人工神经网络学习的基本思想；了解机器学习的基本概念与及其学习策略。

3．推理与专家系统

感受用专家系统解决问题的基本过程，了解专家系统的基本结构与工作原理；了解专家系统正向、反向推理的基本原理，知道不精确推理的基本原理；了解专家系统解释机制的基本概念及其它在专家系统中的重要作用；能够利用常用的产生式专家系统开发工具建造简单的专家系统。

4．问题求解初步

了解人工智能语言的主要特征，能用一种常用的人工智能语言解决最简单的问题；了解递归的基本思想，能够用递归方法编写简单程序求解问题；学会将简单的问题求解定义为状态空间搜索问题的基本方法；了解用盲目搜索技术进行状态空间搜索的思想与缺点；知道采用启发式搜索的必要性，以及它的基本原理。

5．符号运算

了解符号运算的基本工作原理，体验符号运算的优点;能够使用一个常用的符号运算软件求解中学课程中相关的符号运算问题。

五、需要进一步探讨的问题

在高中人工智能课程的设置与实施过程中，还有以下问题需要进一步探讨与研究：

1．课程知识覆盖面与深度问题。高中人工智能作为一门选修课程，如何根据我国人口众多、教育发展不平衡的实际情况，在教学内容、知识深度等方面做出一个科学、合理且又切实可行的方案？如何针对高中学生的知识基础和开课学校师资、设备、软件的实际情况开展教学？

2．课程名称的确定问题。例如，考虑到高中信息技术课程体系现状以及课程所涵盖知识面的需求，可以考虑将该课程定名为《智能信息处理》。这样，课程内容中除了包括上述人工智能概念、技术与应用，还可以包括信息技术的其他前沿内容的简单介绍。

3．课程教学过程设计问题。在课程的教学中如何让学生通过实例演示或实际应用，体验常见的人工智能技术的应用过程、知道其基本的工作原理？如何结合Internet信息资源检索与利用的活动实践，以任务驱动的方式开展人工智能教学？例如，在专家系统的教学中可以设计如下的教学活动：通过一个简单专家系统的使用，体验用专家系统求解问题的基本过程。进一步，采用一个常用的专家系统外壳，以小组合作方式设计、建造一个简单、实用的小型专家系统。

 [参考文献]

 [1] 教育部. 基础教育课程改革纲要(试行)[Z]，2001.7  http://www.edu.cn/20010926/3002911.shtml

 [2] 王吉庆. 信息素养论（第2版）[M]. 上海：上海教育出版社，2001.7.

[3] 王士同、陈慧萍等. 人工智能教程[M]. 北京：电子工业出版社，2001.5.

[4] 祝智庭. 信息技术教育展望[M]. 上海：华东师大出版社，2002.2.

 [5] 史忠植. 走近人工智能[J]. 微电脑世界, 2001,(16). http://www.pcworld.com.cn/2001/back_issues/2116/1608a.asp

 [6] David H.Jonassen, ect. Learning With Technology: A Constructivist Perspective[M]. Prentice-Hall,Inc. 1999

 [7] 郑少艾. 美国中学信息技术课程[J]. 中国基础教育网, http://www.cbe21.com/cai/tashanzshi/000.htm

 [8]  Z+Z智能教育软件[J]，http://www.zplusz.ws/ 或

http://www.pep.com.cn/ZHONGXUESHUXUE/xxjstd/z+zjz.htm

该文刊登在《电化教育研究》2003年第1期P24～28上