【先睹为快】李德毅 马楠：智能植根于教育

作者简介：李德毅，中国工程院院士，欧亚科学院院士，中国人工智能学会理事长，军事科学院研究员，清华大学、国防大学博士生导师，北京联合大学机器人学院院长。马楠，通讯作者，北京联合大学机器人学院副院长、副教授、博士。

基金项目：教育部“新工科”研究与实践项目“智能时代的新工科人才培养创新与实践”；北京社科基金重大项目“动态匹配视角下人工智能对北京市就业的影响与应对研究”（18ZDA09）。

原文即将刊载于《高等工程教育研究》2019年第六期，敬请关注！

摘  要：人类智能与其它高等生物智能的最大区别在于发明了教育，并与时俱进地改革教育，使教育带有强制性和引导性。面对以人工智能、大数据等前沿技术为代表的新一轮科技革命和产业变革，以及人类逐步进入智能时代，教育也需要相应的变革，如何传授知识并培养能力，使传承学习和自主学习相辅相成，弱化学校的“时空围墙”，通过课堂教育实现人类知识和文明的传承，使教师在交互认知中再学习，这都将对建设具有中国特色一流本科的一流大学具有深远的影响，并对深入实施“六卓越一拔尖”计划2.0，一流专业建设“双万计划”，创新创业教育改革燎原计划具有积极推动作用。

关键词：智能时代 传授知识 培养能力 传承学习 自主学习 时空围墙

以人工智能、大数据等前沿技术为代表的新一轮科技革命和产业变革正深刻改变着人类的社会生活、改变世界，我国不断出台政策推进人工智能教育的发展。2018年4月，教育部研究制定《高等学校引领人工智能创新行动计划》^[1]，引导高校瞄准世界科技前沿，强化基础研究，实现前瞻性基础研究和引领性原创成果的重大突破，进一步提升高校人工智能领域科技创新、人才培养和服务国家需求的能力。2019年3月，教育部印发了《教育部关于公布2018年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知》^[2]，允许高校建设人工智能相关专业，为我国新一代人工智能教育发展提供战略支撑。

一、我们对智能时代仍然知之不多

人工智能是新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量，给人类带来深远的影响和美好前景，我们正处在从信息时代走向智能时代的过渡期，过去未去，未来已来。在这种趋势下，信息化依然如雷贯耳，未来智能的想象空间还很大，如纳米机器人植入人体、人群和机器人群构成新的群体智能，甚至“我是谁？谁是我？”都难以区分，而在智能时代最具挑战的科学问题就是人脑认知、群体智慧的产生。此外，我们更多地关注了当前人工智能发展，而对长远的人工智能发展还估计不足。

图1  信息时代和智能时代交叠期

如今，我们正处于信息化时代与智能时代的交叠时期。信息化时代的5个重要驱动力分别是电子、微电子与光电子工程^[3]，通信工程^[4]，计算机科学与技术^[5]，控制科学与工程^[6]和智能科学与技术^[7]。信息化时代智能科学与技术与前4个驱动力相比，虽不足以强大，但有赋能的作用，与电子、微电子与光电子工程的交叉形成“智能芯片”，与通信工程的交叉形成“智能网联”，与计算机科学和技术的交叉形成“智能计算”，与控制科学与工程的交叉形成“智能控制”。智能科学与技术跟随着智能时代的到来将成为推动未来社会发展最主要的动力。

人类可用的资源有物质、能量和智能。已有的科学技术发展史几乎就是人类认识物质和能量的拓展史，是人类劳动工具的发展史。从过去未去的信息时代，到未来已来的智能时代，人类已把更多兴趣转向人类自身智能，发明计算机、软件、互联网、手机、云计算等，以拓展人类智力的工具为主，利用数据、信息、知识和智能，未来的科学技术发展史将是人类智力工具的发展史。可以展望脑科学成果和人工智能将对人类智能的延伸和人类文明具有更大影响，而智能时代的教育也才刚刚开始。

人类正在开辟一个新的时代，高校培养的人才要融入能用机器人来体外延伸人类智力并渗透进动力工具的时代。当上百辆无人驾驶的重型卡车编队在高速公路上奔驰而过，上千条无人船在海植场上繁忙劳作，上万架无人机在广袤棉田上空夜以继日地喷洒，每个人身边都会有这样那样的机器人时时刻刻在为你服务！人类发展史就是人类用智慧逐步征服自然的历史。凡是物力透不进去的地方，智能可以先透进去；智能进去之后，物质和能量也就会跟着进去，这就打破了智能和机器的边界。早期的工业革命把人变成机器，新一代人工智能正在把机器变成机器人。如果到2070年会学习的自动驾驶轮式机器人将主导整个世界的交通运输，如果人工智能可望规模化复制包括标杆驾驶员、外科手术医生等在内的人类能工巧匠的智能，甚至有望弥补情绪失控下人的智能缺失，机器人作为“新人类”处处与人共舞，智能时代的人类一定会更加优雅、更加尊严、更加智慧地生活。

二、智能时代驱动教育变革

智能时代，我们需要重新认识教育的本源。教育的本源是要培养学生主动的、积极的、持续地获取知识的能力，以及面向特定问题的决策能力和解决复杂问题的创新能力^[8]，使之成为具有鉴赏力、判断力和有思想的随时代同行的弄潮儿。^[9]

1. 与智能同行——传授知识和培养能力。

教学活动通常包括教师传授知识、学生掌握知识以及教师对学生测试进行的评价。死记硬背，大量做题，机器做得比人好，各科高考机器人迟早胜过考生，教育遭遇了人工智能带来的极大挑战。对学生的能力培养包括获取知识的能力、决策的能力和创新的能力。知识的获取应该是主动的、积极的、终身的。决策的能力和创新的能力集中表现在鉴赏力、判断力、思想力。当然，决定未来的并不仅是能力，更重要的还有选择和思想，因此教育的目的是要培养和孕育人类创新的内生动力。

在智能时代，我们要激发学生的创造力，培养未来多元化、创新型卓越工程人才。^[9]创新思维的基本特征包括以下四方面：创新需要有认知的基础，使已有知识的积累与理解深入到潜意识之中；创新常常源于交叉学科之间的知识整合和突破；创新未必是一个逻辑推理的过程，常常是直觉；形成创新需要特定场景的触发，甚至需要情感的伴随。爱因斯坦就曾经说过：“我反对把学校看作应直接传授专门知识和在以后的生活中直接用到的技能的那种观点，学校始终要把发展独立思考和独立判断的一般能力放在首位”。^[10]诚然，学校有传承民族文化和社会文明的职责，有传授知识的重要任务，但还应始终发展学生的自主学习能力，即独立思考和独立判断的能力，并形成创新思维。

2. 传承学习、自主学习相辅相成。

学习包括传承学习和自主学习。传承学习是培养接受知识和运用知识的能力，运用显知识，适应生态文明，由上而下，带有强制性和引导性，教育中的天文、地理、历史、法律商学、医学、数学、军事、物理、化学、农学、宗教等更强调传承学习。人6岁之前的学前教育、6年小学教育、6年中学教育和4年本科教育，累计22年的教育经历均以传承学习为主，并奠定了终身学习的能力。自主学习是通过自己实践生成经验、技巧和知识的能力，运用隐知识，反复实践，成为本能，由下而上，具有主体性，如文学、表演、语言、体操、书法、手术、营销、美术、舞蹈、社交等更强调自主学习。以轮式机器人为例，传承学习是适应生态环境，由上而下，涉及公理、常识，如车辆靠右行驶、礼让斑马线；涉及规则，如红灯停、绿灯行、路口行驶宁停三分、不抢一秒；涉及约束，如工作日期间北京三环公交车道上午7点到9点、下午5点到7点，其他车辆不得占用。上述问题不解决，无人驾驶难上路。开车过程中驾驶员有很多体会，如超车并道、路边侧方停车、狭路会车、爆胎应对、路权抢占、雪地开车、步步尾随、省油诀窍、插入车队、漂移入位、侧翻防范等。自主学习使反复实践成为本能，由下而上，靠经验、体会；靠技巧、技能；靠灵性、悟性。

图2  传承学习与自主学习的关系

传承学习是积累知识的过程，自主学习是积累能力的过程，相互激励。

3. 智能时代弱化了学校的“时空围墙”。

几百年来，固定时间、固定地点、固定人员、相对固定内容的学校课堂教育形态，正在演变为任何时间、任何地点、任何人员、任何内容的泛在网络的教与学，弱化了学校的时空围墙，网络虚拟课堂的规模，可超大，也可超小，淘汰了“水课”，涌现出“金课”，普及了“微课”，网络边缘侧的人、设备、或者机器人，亦或可教，亦或可学，能者就是老师，学生学习的兴趣和自主选择权大大增加。

学校是青年人群传承学习的理想场所，学校学习将为每个人的终身学习打好基础。但是，学校教育对于绝大多数人而言是在25岁前的年龄段，即使在这个年龄段，他们教育中的很大部分也会发生在校外，故智能时代弱化了学校的“时空围墙”。

三、机器学习对人类教育活动的启发

智能时代的机器学习会不断对人类的教育活动进行启发，使教育和教学效率有所提高，同时深度学习的应用也助力教育教学的智能化。深度学习起始于一个较为通用的多层次特征提取的卷积神经网络分类模型，依靠足够多经过标注的样本数据，通过随机梯度下降方法，正反向反复迭代，确定大量的可调参变量——权值，把高维复杂非线性问题近似为足够多通过参变量限制的较低维非线性问题的叠加，把整体高阶转为多局部低阶。这样形成的数学形态，能够和整个样本数据有最优的拟合，但也会需要太多经过标注的样本数据、也可能产生对样本数据的过渡拟合和对图像变化的过渡敏感。

课堂教育本质上是人类知识和文明的一次次传承，教学能够功能性地重组人脑。形为教，重在育，形为学，重在习，智能时代的每一节课，传承学习和自主学习之间的翻转迭代越来越明显，课程是一次次脑认知的情景学习和塑造。

四、教师在交互认知中再学习

智能时代，教师不仅是拥有知识和向学生教授知识，而是在一个个设定场景中，触发自身记忆认知，向学生传承必要的人类已有知识，培育学生的认知能力。今后的教师更像教练，培养学生的自主学习能力，启发学生形成问题解决方案。在和学生的互动中，自己也获得愉悦和新的认知；在学生传承学习的同时，教师实践着自身的终身学习，从教“书”、到教“学”、到教“育”。

人类对物质和能量已经有了足够的认知积累，智能时代转向认识自身智能，并用人工方法实现人类智能。教育要与时俱进，学校和教师要从以传承学习、传授知识为主，拓展到培养人脑认知能力。智能时代的教育，包括了学生在校学习、培养终身学习能力、提升人类认知水平，乃至驾驭机器人“新人类”的问题。

结束语

我国新一代人工智能总体上已经进入世界第一方阵，人工智能学院如雨后春笋，人工智能人才总量位于世界前列。高等教育正处于深刻的根本性变革时代，人工智能对教育的挑战就不单是一个学科、一个专业的问题，而是全方位、全新、持久过程的挑战^[9]，且人工智能可反作用于人，从而提升人的智能。我们更加关注人类高级的群体认知——教育，更加崇尚教育，构建新的超越时空的带强制性的教育工程，将个人基因和社会环境结合起来，将传承学习和自主学习结合起来，将硅基智能和碳基智能互动起来，增强人类的经验知识和记忆认知，增强人类的沟通与交互能力，弥补人类自己的失误、偏见和局限，使得人类更具新的创造性。智能时代中国的教育变革要先行，我们有困惑，更充满期待，希望本文能够为我国智能教育发展做出贡献。

（致谢：感谢清华大学戴琼海院士，北京联合大学韩宪洲、李学伟、鲍泓、杨鹏、张建成、程光、杨奇红、齐在前、何勤、杜煜、刘元盛、张殿恩、周华丽教授、中国人工智能学会教育工委会主任王万森教授，《高等工程教育研究》常务副主编余东升教授等对本文提出修改意见，北京联合大学吴祉璇、商秋娜、陈丽参与论文资料整理。）

参考文献

[1]《高等学校人工智能创新行动计划》.[2018-04-11]. http://www.cac.gov. cn/2018-04/11/c_1122663790.htm.

[2] 《教育部关于公布2018年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知》.[2019-03-25].http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_1034/s4930/201903/t20190329_376012 .html.

[3] WANG L, LU Y, YANG H, et al. Application of optoelectronicsensing technology in smart grid[C]// Power and Energy Society General Meeting.IEEE, 2011:1-4.

[4] MULLA A, BAVISKAR J, KHARE S, et al. The Wireless Technologiesfor Smart Grid Communication: A Review[C]//Fifth  International Conference on Communication Systems & Network Technologies. IEEE, 2015:442-447.

[5] KRAJNC E, KNOLL M, NIEDERL F, et al. doIT — An approach to comprehendinformation technologies and computer science[C]// International Conference onInteractive Collaborative Learning. IEEE, 2012:1-4.

[6] DJAFERIS T E. Automatic control: a theme for first-year engineering study[C]//In proceedings of the 38th IEEE Conference on Decision and Control，1999：1266-1271 vol.2.

[7] LI Q. The Exploration and Practice of the Specialty ofIntelligent Science and Technology[J]. 2010 Second International Workshop on Education Technology and Computer Science，2010,1:817-820.

[8] 李德毅, 马楠. 智能时代新工科——人工智能推动教育改革的实践[J]. 高等工程教育研究, 2017(5):8-12.

[9] 李德毅，马楠，秦昆. 智能时代的教育[J]. 高等工程教育研究, 2018, 172(5):11-16.

[10]爱因斯坦：忘掉了在学校学到的所有东西，剩下来的就是教育[R/OL]. [2018-01-19]. http://www.sohu.com/a/217738524_166435.

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