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科技 教育情报资料第十一期(2004)

阅读: 时间: 2004-11-15 编辑:

科技教育情报资料(2004第九期)
《2001—2005中国青少年科技活动指导纲要》实施项目总课题组
上海市青少年科技教育中心      编印
(上海岳阳路45号    邮编200031)

 

开展青少年智能信息处理教育活动的思考

 

随着社会信息技术应用水平的提升和青少年信息科技教育的发展,以人工智能为主的智能信息处理技术的不断成熟以及信息社会对学生信息素养要求的不断提高,它正在渐渐地走进青少年信息科技教育活动中。

 

    一、智能信息处理教育对于信息素养培养的重要作用

 

近年来,世界各国都普遍重视青少年学生信息素养的培养,我国《基础教育课程改革纲要(试行)》中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。作为上海市教委新一轮中学课程改革的《上海市中小学信息科技课程标准》,提出信息科技课程以信息素养的形成为主线,以全面提高所有学生的信息素养为根本目标。

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。通过学习,要求青少年学生应该能够达到以下四个方面的要求

·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。

·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。

·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。

·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。可以分为五个不同的层次: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。

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。

在校内设置信息技术课程和在校外开展信息科技活动,进行信息科技方面的教育教学活动,是信息素养培育的最主要手段。应当针对信息素养的具体要求,结合青少年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,使青少年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育教学目标,必须科学地选择青少年信息技术课程和校外信息科技教育教学活动的内容。

作为智能信息处理主要内容的人工智能(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。例如,咨询、诊断、预测、规划等决策性问题。人工智能是一门涉及数学、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。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。

 

综上所述,作为信息科技一个不可缺少的重要组成部分,智能信息处理技术的有关内容在青少年信息技术课程中不能不专门提及,在课外和校外信息科技活动中要加以开展和发展。在校内,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,在校外,许多青少年科技创新项目类类涉及人工智能的内容。因此,十分有必要在校内信息技术课程中专门设立人工智能选修课,在校外开展与智能信息处理(人工智能)有关的信息教育活动。在青少年学生中开设人智能信息处理课程和开展智能信息处理活动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,在中小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。

把智能信息处理(人工智能)有关技术内容引入到青少年信息科技教育活动中,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,对计算机解决问题的方法的多样性的了解,从而培养学生的多种思维方式,达到提高信息素养的目的。

 

2)体验人类专家解决复杂问题的思路,学生分析与判断能力得到培养

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。

专家系统外壳、在线专家系统等网络资源为学生的创造能力的发展提供了广阔的空间。自己亲手建构简单的专家系统,其好处在于让学生专注于学习,用自己的思维方式将原本零碎的知识条理化,并对其进行深层思考,有利于长久记忆。著名的建构主义专家David H. Jonassen认为,学习者建造自己的现实,至少是基于以往的经验来解释现实的。因此,一个人的知识是在个人经验、思维结构以及对事物的不断摸索的基础上形成的,建造自己的专家系统就是这样一种集三者于一体的有效的探究方式。这种积极、开放的学习方式避免了死记硬背,隐含着知识的创造,同时培养了学生的协作能力、探索精神和责任心。

 

3)了解信息技术发展的前沿和我国的成就,激发对信息技术未来的追求

 

在已获得国家最高科技奖的七名院士中有两人的研究领域与人工智能有关。其中,2000年度(首届)国家最高科技奖获得者吴文俊院士获得的成果属于人工智能的机器证明领域,他发明的几何定理机械化证明(国际上称吴方法)把非机械化的定理求证归结为机械化的方程求解。2001年度国家最高科技奖获得者王选致力的文字、图形和图像的计算机处理研究也涉及智能信息处理。

此外,我国科技工作者在人工智能领域的理论研究方面还有许多突破性进展。例如,广义智能信息系统论、信息知识智能转换理论、全信息论、泛逻辑学、可拓学等具有创新特色的理论和方法,为人工智能理论的发展提供了新的理论体系。在人工智能的应用技术开发方面,开发了中医专家系统、农业专家系统、汉字和汉英识别系统、汉英机器互译系统等具有中国特色的人工智能应用技术和产品,等等。这说明我国人工智能研究的地位,但尚有许多待研发领域高峰需要有志的青少年去攀登。

    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,青少年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,激发对信息技术美好未来的追求,从而为今后进入高校或走向社会奠定良好的基础。

 

    二、青少年智能信息处理教育现状

 

国内有关青少年智能信息处理的教育教学,无论是校内的课程设置还是校外的活动竞赛,都处于刚起步阶段。

1、在校内人工智能刚列为信息科技课程内容

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。如美国,在现阶段的中学信息技术教育课程中就有包括自动化系统、机器人、虚拟现实技术等内容的人工智能概论。其目的使学生认识人工智能的产生与发展可能对人类社会造成的各种影响。

在我国,由于师资、设备等条件的制约,在校内,用于高中的《人工智能初步》教材在编写,中学的专门的人工智能课程尚未开设。但随着科教兴国与教育信息化步伐的加快,近年来我国有关方面愈来愈重视青少年智能信息处理(人工智能)知识的启蒙教育以及相关活动。

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。

2003年中小学教师继续教育网络课程——20位院士的《自然科学前沿介绍》共20讲中的第十五讲《人工智能科学前沿简介》,由清华大学智能技术与系统国家重点实验室主任张钹院士从人工智能的角度介绍了计算机科学的前沿热点问题,并对中小学教师提出了希望。

2003年4月由国家教育部制定的《普通高中技术课程标准》的信息技术部分第一次增加了《人工智能初步》的选修模块,并要求各地“要制定规划,逐步克服经费、师资、场地、设备等因素的制约,开出包括《人工智能初步》在内的所有选修模块。”

2、在校外已有信息科技活动和项目涉及智能信息处理(人工智能)

在校外,虽然有一些涉及智能信息处理(人工智能)的青少年信息科技活动,如信息学中的人工智能搜索、智能机器人控制等,但远还没有形成具规模的、成系列的教育活动。值得注意的是,国际国内的青少年科技创新大赛中,在优秀项目中涉及智能信息处理的占有相当大比例,尤其在计算机和工程类项目中,用到智能信息处理技术解决问题将是一个发展趋势。

 

3、网上为学习人工智能提供了丰富的资源

因特网上丰富的人工智能教育资源为青少年智能信息处理(人工智能)教育的开展提供了一个强有力的知识支持。虽然目前大多以国外网站居多,但若能结合我国本地区实际情况和学生的特点对其合理利用,使之本土化、校本化,无疑能促进智能信息处理(人工智能)教育和活动的顺利开展。

以下列举几个网站供启发参考。

“在家里寻找外星人”([email protected]):作为利用人工智能的神经网络和网格计算思想的一个成功案例,[email protected]Search for Extra Terrestrial Intelligence at Home的缩写意为在家里寻找外星文明。该项目由美国行星学会和美国加州大学伯克利分校于1999517开始启动,它利用特定的PC机屏幕保护程序,来调用全球上网的个人计算机的闲置能力,分析世界上最大的射电望远镜获得的数据,帮助科学家探索外星生物。可让青少年学生亲身参与体验这一全世界的智能信息处理活动。类似的还有“搜索最大的梅森质数”、“加入研究全球气象变化”等可直接参与的一类网上活动。

此外,还有符号运算网站、专家系统网站、网上再线机器翻译、网上OCR等可供参考利用。

 

    三、 青少年智能信息处理教育活动的基本思路和内容

 

    智能信息处理(人工智能)具有很强的理论性,涉及多方面的学科知识,然而其应用项目却又往往带有趣味性。通过趣味性的实例引导青少年进行探究活动这就是智能信息处理(人工智能)教育活动的教育功能特点所在。

    人工智能作为青少年的信息科技教育活动内容,确定该活动的教学内容的基本思路应当是:

    ●必须充分考虑到青少年各年龄段学生的认知特点,选择那些与青少年学生学习、生活关系密切的,有趣味的,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与活动。

    ●作为青少年学生(尤其是低年级段)人工智能教育活动目标的基本点应该是了解和体验。通过教育教学活动,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、符号运算等现有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。

    ●在智能信息处理(人工智能)的教育教学活动中,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,直接通过因特网运行各种应用软件,既可节约大量的软件购置成本。

    ●智能信息处理(人工智能)的教育教学活动中,要注意发现有特长的青少年学生并对他们进行针对性教学,并引导让他们朝智能信息处理有关问题作深入探究。

 

    具体来说,青少年智能信息处理(人工智能)教育教学活动内容,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 (初级)

    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智能游戏策略设计和编程游戏(初、中)

    了解游戏的智能与策略,会用改变参量的方法进行策略设计;根据游戏给定的接口和程序设计语言进行编程调试。

    (3知识表示与机器学习 (初、中)

    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。

    (4)推理与专家系统 (初、中)

    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外壳开发工具建造简单的专家系统。

    (5)问题求解初步 (初、中)

    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。

    (6)符号运算 (初)

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。

   7 智能机器人控制(初、中)

   主要指机器人智能控制软件的开发与调试。

 

在普及教育的基础上,可以组织适当的青少年智能信息处理竞赛活动,以进一步推动这一教育活动的开展。这些竞赛内容可以包括:

l          人工智能创意竞赛 

以合理的符合人工智能科学的智能信息处理创意思路为竞赛内容,不一定需要具体加以真实实现。

l          智能游戏策略设计和编程游戏竞赛

    可以提供一种实现智能创意的平台,以相对简单的编程方式来实现策略,最终以一种可视化的图形界面反映出成果,最好要有符合青少年兴趣的激烈竞争场面。这一类的如“机器人星球大战”、“赛车比赛”等编程游戏。

l          科技创新项目比赛

作为智能信息处理(人工智能)的应用其高层次竞赛是国际国内的科技创新大赛。这些智能信息处理(人工智能)的应用项目多半与计算机科学有关,但也可以与其它类项目相结合。


 

摘自《关于人工智能教育的思考》,《电化教育研究》2003

     国家教育部《普通高中技术课程标准》人民教育出版社 2003

     国家教育部《基础教育课程改革纲要 (试行)》,200

 

 

 

 

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