湯濤：智慧教育最終目的是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)

王湘蓉 王楠

人工智能已經(jīng)滲透到人們生產(chǎn)生活，逐步應(yīng)用于教育、醫(yī)療、養(yǎng)老、環(huán)境保護(hù)、城市運(yùn)行、司法服務(wù)等領(lǐng)域。近些年，我國(guó)高度重視發(fā)展人工智能。2017年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，面向2030年對(duì)我國(guó)人工智能發(fā)展進(jìn)行了戰(zhàn)略性部署，統(tǒng)籌推進(jìn)新一代人工智能在社會(huì)各領(lǐng)域的研究及應(yīng)用。我國(guó)人工智能產(chǎn)業(yè)迎來了朝氣蓬勃的春天。

人工智能是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等多學(xué)科交叉的復(fù)雜系統(tǒng)，目前，很多人工智能產(chǎn)品的研發(fā)很少有自主的核心算法，多是依靠、使用開源算法，再進(jìn)行針對(duì)性的二次開發(fā)，最終形成一套外表光亮的應(yīng)用產(chǎn)品。基于網(wǎng)上共享代碼大量使用的現(xiàn)狀，也不免讓人擔(dān)心這些代碼是否能夠支撐起我國(guó)人工智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。眾所周知，我們離真正人工智能還有很長(zhǎng)的路要走，人工智能的應(yīng)用研究呼喚更多的科研工作者，尤其是數(shù)學(xué)家腳踏實(shí)地投入其中，數(shù)學(xué)將為科技的發(fā)展及突破提供堅(jiān)實(shí)的支撐?，F(xiàn)在人工智能花團(tuán)錦簇固然是好現(xiàn)象，但熱繁榮的背后還需要冷思考，更需要扎實(shí)做好底層核心算法的架構(gòu)，一步一個(gè)腳印地推動(dòng)人工智能產(chǎn)業(yè)走下去。

在教育領(lǐng)域，人工智能也在悄悄地改變著教育形態(tài)，智能識(shí)別系統(tǒng)在校園隨處可見，人工智能技術(shù)深度融入了“教與學(xué)”。我們常說，技術(shù)是雙刃劍，取決于如何使用，所以更需要冷靜對(duì)待。關(guān)于人工智能與教育，我們專訪了中國(guó)科學(xué)院院士、北京師范大學(xué)-香港浸會(huì)大學(xué)聯(lián)合國(guó)際學(xué)院校長(zhǎng)湯濤。湯濤院士是國(guó)際知名的計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)家，在科學(xué)計(jì)算的重要領(lǐng)域做出系統(tǒng)和原創(chuàng)的研究，在高精度和自適應(yīng)計(jì)算方法研究領(lǐng)域有突出學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)。同時(shí)，他密切關(guān)注人工智能在教育的應(yīng)用，對(duì)中小學(xué)人工智能教育有持續(xù)的探索。就記者提出的人工智能在教育領(lǐng)域發(fā)展方向在哪？如何實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作的智慧教育？怎樣讓青少年理解并學(xué)習(xí)人工智能等問題，他給出了自己的思考。

從物質(zhì)準(zhǔn)備方面來說，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)在智慧教育方面會(huì)起到非常大的作用。

《教育家》：湯院士，智能時(shí)代已經(jīng)到來，我國(guó)的許多地方也在推動(dòng)智慧城市建設(shè)。我們想厘清下概念，請(qǐng)問智能和智慧有什么本質(zhì)的區(qū)別？

湯濤：智能與智慧的定義、內(nèi)容都有所不同。智能比較多元化，一是智能設(shè)計(jì)上，包括對(duì)機(jī)器的設(shè)計(jì)，需要比較深的數(shù)學(xué)原理。二是智能上最凸顯的是機(jī)器學(xué)習(xí)，人工智能的類腦計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建是這幾年我認(rèn)為非常重要的一個(gè)方面。

智能不只是你學(xué)會(huì)操作機(jī)器，而是要考慮機(jī)器對(duì)人的習(xí)慣、方法等方面的學(xué)習(xí)，比如下圍棋，圍棋水平低的人寫的棋譜，很容易被其他人贏。而經(jīng)過訓(xùn)練擁有深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能“圍棋高手”，體現(xiàn)開發(fā)者的智力，能推演出更多步以后的局勢(shì)。假如人只能想到5步棋，但機(jī)器可以想到7步棋，水平再高的人也下不過機(jī)器。

智慧是一個(gè)系統(tǒng)。比如，城市智慧照明燈，人來了自動(dòng)打開，人離開自動(dòng)關(guān)掉，還有智慧養(yǎng)老服務(wù)系統(tǒng)等等以智慧化手段解決人類需求。因此某些程度上說智能比智慧難度大得多。

當(dāng)下，在教育方面，即便是人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛，但是，離智能教育還有不小的距離，用智慧教育來描述可能更為準(zhǔn)確。智慧教育是在信息化基礎(chǔ)上，當(dāng)然還包括人工智能技術(shù)的支撐，建構(gòu)信息時(shí)代的教育新秩序，形成信息時(shí)代的教育新形態(tài)，以及教育的新常態(tài)。我們把信息化元素、人工智能技術(shù)充分融入教育以后，信息化+教育，人工智能+教育在“時(shí)代的催化劑”的催化下，產(chǎn)生智慧教育。從物質(zhì)準(zhǔn)備方面來說，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)在智慧教育方面會(huì)起到非常大的作用。小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)、繼續(xù)教育等都可以通過互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)教育發(fā)展和升華。

智慧教育現(xiàn)在非常熱門，到底怎么做，怎么做得好，實(shí)際上是一個(gè)非常有吸引力的話題，也是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)的課題。

《教育家》：那么，如何構(gòu)建智慧教育體系？

湯濤：智慧教育現(xiàn)在非常熱門，到底怎么做，怎么做得好，實(shí)際上是一個(gè)非常有吸引力的話題，也是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)的課題。我認(rèn)為，智慧教育體系包括智慧教師、智慧管理、智慧學(xué)習(xí)者，以及智慧學(xué)習(xí)、智慧課程、智慧教學(xué)和智慧教育資源等等。智慧教育的重點(diǎn)在課堂，排排坐的課堂并不利于交流，信息化促進(jìn)了課堂的演變，將改變以往一排排桌椅的傳統(tǒng)課堂設(shè)置?，F(xiàn)在，我們通過虛擬技術(shù)，讓大家的互動(dòng)機(jī)會(huì)更多，看似是教室的變化，其實(shí)質(zhì)價(jià)值在于使課堂可以利用數(shù)據(jù)和觀點(diǎn)，以及利用開放式的學(xué)習(xí)工具對(duì)資源社區(qū)進(jìn)行管理，降低成本，提高可靠性、利用性和產(chǎn)出。

智慧教育的發(fā)展可能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)字鴻溝，使我們的教育不平衡，最重要的一點(diǎn)，我覺得人工智能的科研工作者應(yīng)該和高校、中小學(xué)合作，共同做一些教育內(nèi)容來填平鴻溝，努力構(gòu)建一個(gè)更加開放、平衡的智慧教育生態(tài)系統(tǒng)。

教育每天都在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析可以把教育往更高的層次推進(jìn)。

《教育家》：您剛剛提到智慧教育體系包括智慧學(xué)習(xí)，技術(shù)如何促進(jìn)學(xué)習(xí)？

湯濤：人工智能技術(shù)可以做許多事，比如人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、聲紋識(shí)別等，但對(duì)于學(xué)習(xí)還是需要繼續(xù)往前走。教育每天都在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析可以把教育往更高的層次推進(jìn)。

比如一個(gè)班有60多個(gè)學(xué)生，老師很難照顧到所有人。可能有一半的學(xué)生跟得上進(jìn)度，有的學(xué)生“吃不飽”，還有的學(xué)生完全跟不上。從整個(gè)班級(jí)來說，每個(gè)人回答老師提出的問題，老師不可能分析全班60多個(gè)人，而如果交給機(jī)器來做，它馬上就能分析出結(jié)果。根據(jù)學(xué)生的回答，機(jī)器能夠判斷出這個(gè)知識(shí)點(diǎn)太簡(jiǎn)單大家很容易學(xué)會(huì)，或者是太難了大家都不理解。還有個(gè)別學(xué)生需要額外的輔導(dǎo)以跟上教學(xué)進(jìn)度，“吃不飽”的學(xué)生則需要更多更深的東西，這些都能通過大數(shù)據(jù)判斷，機(jī)器分析后反饋給教學(xué)。智慧教育實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化教學(xué)，更凸顯了知識(shí)的可靠性。

數(shù)據(jù)分析、智能推送、評(píng)價(jià)系統(tǒng)整個(gè)一套下來，某種意義上可以代替老師的很多作用，尤其可以彌補(bǔ)貧困地區(qū)師資力量的不足。

《教育家》：中國(guó)現(xiàn)有1700萬教師，這是一個(gè)非常龐大的群體，但農(nóng)村地區(qū)仍然還有師資短缺現(xiàn)象，如何破解？

湯濤：對(duì)中小學(xué)生來說，學(xué)科學(xué)習(xí)最為重要，這也考量著各個(gè)地區(qū)老師的教育、教學(xué)能力，而利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠幫助學(xué)生提高成績(jī)，但互聯(lián)網(wǎng)教育必須要有好的材料，老師理所當(dāng)然地成為互聯(lián)網(wǎng)資源的整合者、應(yīng)用者和提供者。當(dāng)前我們國(guó)家可能有一半地區(qū)語言類的老師稀缺，質(zhì)量也不太高。數(shù)學(xué)老師也是如此，大城市的數(shù)學(xué)老師專業(yè)能力強(qiáng)，教學(xué)有深度，但很多地方達(dá)不到這種水平，我覺得互聯(lián)網(wǎng)教育可以部分解決師資力量短缺的問題。

以語言互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)為例，現(xiàn)在市面上出現(xiàn)了一些比較成熟的語言學(xué)習(xí)軟件，學(xué)生可以跟著機(jī)器上的老師發(fā)音，讀單詞和句子，還可以通過提速、降速把文章讀下來。這些語言學(xué)習(xí)軟件自帶評(píng)價(jià)系統(tǒng)，學(xué)生讀完后系統(tǒng)可以打分，這樣就激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，從而改進(jìn)學(xué)習(xí)。機(jī)器還會(huì)提示學(xué)生的語言水平到達(dá)了什么程度，可以繼續(xù)學(xué)接下來的課程，這等于有人在指導(dǎo)你。

再比如像俄語、韓語等小語種教學(xué)，可能你某天也想學(xué)一門語言，不需要達(dá)到非常專業(yè)的水平，但是足夠滿足出國(guó)旅游的基本交流。比如有些中國(guó)學(xué)生從零開始通過機(jī)器學(xué)韓語，半年后韓語能考出很不錯(cuò)的分?jǐn)?shù)，到國(guó)外留學(xué)完全沒有問題。因此針對(duì)小語種學(xué)習(xí)的互聯(lián)網(wǎng)教育產(chǎn)品，對(duì)于很多學(xué)生，包括成人教育都十分有用。現(xiàn)在很難培養(yǎng)大批的語言型老師，大部分培養(yǎng)出來的是剛需的英語老師，培養(yǎng)韓語、日語、俄語等小語種老師需要大量的時(shí)間。在國(guó)家開放一帶一路以后，我們需要培養(yǎng)一些小語種的人，小語種的互聯(lián)網(wǎng)知識(shí)平臺(tái)，應(yīng)該是大有可為的。

現(xiàn)在學(xué)校的硬件設(shè)施都很完善，直接安裝軟件就行了。剛開始可能需要進(jìn)行軟件使用的培訓(xùn)，之后就可以熟練運(yùn)用軟件開展教學(xué)活動(dòng)。數(shù)據(jù)分析、智能推送、評(píng)價(jià)系統(tǒng)整個(gè)一套下來，某種意義上可以代替老師的很多作用，尤其可以彌補(bǔ)貧困地區(qū)師資力量的不足。

在機(jī)器與老師進(jìn)行融合教學(xué)的過程中，我們應(yīng)該訓(xùn)練機(jī)器知道老師教的怎么樣，學(xué)生學(xué)習(xí)的效果怎么樣。

《教育家》：您剛剛舉例的小語種教學(xué)，機(jī)器就發(fā)揮了教師的作用。人工智能時(shí)代，根據(jù)您的判斷，未來課堂上機(jī)器人教師和人類教師如何更好地融合教學(xué)？

湯濤：這樣的小語種互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)產(chǎn)品幾乎相當(dāng)于機(jī)器人教師了。最簡(jiǎn)單的是讀一個(gè)句子，機(jī)器的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)會(huì)告訴你發(fā)音準(zhǔn)不準(zhǔn)，是不是需要再改進(jìn)。我小時(shí)候曾經(jīng)在農(nóng)村待過兩年，教英語的老師還帶著口音，發(fā)音非常不標(biāo)準(zhǔn)，所以對(duì)于欠發(fā)達(dá)地區(qū)尤其是師資力量不足的地方，這是很重要的一步跨越。

現(xiàn)在信息超載，問題也越來越復(fù)雜，一定是有一部分要給交機(jī)器做的，人可以訓(xùn)練機(jī)器，讓機(jī)器將事情一步一步理順，人只要知道機(jī)器做的對(duì)就行。在我看來，教師是永遠(yuǎn)無法被代替的，教育也不能完全是機(jī)器做，教育信息技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用需要人的聰明才智，只有將人與技術(shù)深度融合才能做得好。老師的力量加上人工智能的力量，會(huì)讓教育向個(gè)性化、均衡化、深度化的方向發(fā)展。

在機(jī)器與老師進(jìn)行融合教學(xué)的過程中，我們應(yīng)該訓(xùn)練機(jī)器知道老師教的怎么樣，學(xué)生學(xué)習(xí)的效果怎么樣。同時(shí)也需要發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性，從教學(xué)活動(dòng)的角度，人工智能教學(xué)需要依靠老師的經(jīng)驗(yàn)，要針對(duì)老師教學(xué)的優(yōu)勢(shì)和弱勢(shì)，通過機(jī)器保留優(yōu)勢(shì)、改進(jìn)弱勢(shì)。

搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完全可以用數(shù)學(xué)的語言實(shí)現(xiàn)，可以教學(xué)生搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而理解語音識(shí)別、圖像識(shí)別、對(duì)話系統(tǒng)和決策對(duì)策等人工智能。

《教育家》：人工智能浪潮蓬勃發(fā)展，影響著未來人才培養(yǎng)的趨勢(shì)。不少高校紛紛設(shè)立人工智能學(xué)院，創(chuàng)設(shè)人工智能專業(yè)，基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的人工智能教育也引起重視，如何培養(yǎng)中小學(xué)生這方面的能力？

湯濤：理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)學(xué)習(xí)人工智能尤為重要，比如我認(rèn)識(shí)一個(gè)人，第一次見面我可能記得不太清楚，第二次見面慢慢就有印象，第三次我肯定能記住。很多的記憶力和分辨能力都是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)逐步加深。搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完全能用數(shù)學(xué)的語言實(shí)現(xiàn)，可以教學(xué)生搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而理解語音識(shí)別、圖像識(shí)別、對(duì)話系統(tǒng)和決策對(duì)策等人工智能。

如何通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)語言告訴學(xué)生學(xué)習(xí)AI不是困難的？舉個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的例子，1234567890手寫數(shù)字，比如寫個(gè)“2”，打出很多方格，每個(gè)方格都記上一些記號(hào)就給出一個(gè)矩陣，我找100個(gè)人來寫各種的“2”字以后，就把矩陣數(shù)據(jù)擬合，這個(gè)人的“2”有這樣的特點(diǎn)，那個(gè)人的“2”有那樣的特點(diǎn)，全部擬合完，任何人寫“2”字和這100個(gè)人寫的“2”不會(huì)相差太多，因此我們就可以從概率判斷出來。最后我們可以訓(xùn)練機(jī)器，任何一個(gè)人寫的數(shù)字拿過來以后都可以被機(jī)器認(rèn)出。

寫個(gè)亂七八糟的“1”，機(jī)器就能理解并輸出1。ABC的A，進(jìn)行機(jī)器訓(xùn)練完了以后，出現(xiàn)一個(gè)正確的A，都可以被識(shí)別。這件事通過20行到30行的一個(gè)代碼寫出的程序就可以做到。我們教給學(xué)生這些代碼，把每一個(gè)代碼是干什么的講清楚，學(xué)生通過學(xué)習(xí)這個(gè)程序，把字識(shí)別出來，他們會(huì)很有成就感。數(shù)字、漢字，或者26個(gè)英文字母，學(xué)生通過學(xué)習(xí)這些代碼，可以完成字的識(shí)別。他們學(xué)會(huì)之后可以做很多事情，我們只是教他們一些基本的方法。

我們要告訴一個(gè)中學(xué)生一輛汽車是怎么造的，講清楚造車的原理再知道怎么開車將非常困難。但是給我一輛車，告訴中學(xué)生怎么開這輛車，實(shí)際上不是很困難的一件事。關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，我們現(xiàn)在要做的就是向中學(xué)老師講清楚人工智能的數(shù)學(xué)原理，他們能夠理解以后，再訓(xùn)練學(xué)生如何操作，如何體驗(yàn)。

最后再總結(jié)一下，智慧教育，實(shí)際上我們要做的事情，就是把數(shù)據(jù)拿出來，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科方法，通過AI進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、分析，體驗(yàn)出一些真正的內(nèi)在聯(lián)系。比如提出一種可解釋的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，理解學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)的潛在多層次因素，如數(shù)學(xué)自信心、內(nèi)在動(dòng)機(jī)、外在動(dòng)機(jī)、數(shù)學(xué)焦慮和家庭影響等，我們把很多因素分析出來，就可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化的教學(xué)。再通過教學(xué)評(píng)估的測(cè)量方式，把傳統(tǒng)的心理測(cè)量法、統(tǒng)計(jì)學(xué)等評(píng)估方法轉(zhuǎn)變到現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能上來，為每位學(xué)習(xí)者提供不同于別人的學(xué)習(xí)策略和學(xué)習(xí)方法，最終實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)。