基于科学素养的机器人教育与人才培养

王学男　林众等

编者按：随着2017年国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，其中明确指出应在中小学阶段设置人工智能相关课程、逐步推广编程教育、建设人工智能学科，培养复合型人才。这为从小学开始开设机器人课程，落实STEM教育理念中的跨学科教育和科学素养提供了最佳入口，由此，机器人教育再度成为教育热点。机器人教育被现代教育学家认为是培养学生创造力和想象力的有效工具，集机械、电子、编程、物理、数学、艺术设计等多学科于一体，有助于学生的逻辑思维能力、创新精神的培养和实践动手能力的培养，同时也为我国理工科人才的建设奠定基础，契合我国课程改革的趋势与需求。2017年起，以浙江为先的部分地区将信息技术（含编程）正式升级为高考项目;大学院校相继开设机器人类专业并纳入自主招生。但机器人教育的实践及其课程、教材与STEM理念、核心素养在对接的过程中，仍然面临诸多挑战，以整体的课程体系未建立和缺少国家层面的示范引领为首要问题，智能机器人课程多作为校本课程、兴趣小组或社团活动，面向个别群体，由少部分老师自发组织，或由培训机构提供有偿教育服务进行;目前学校多处于实验室等硬件建设阶段，注重环境创设，但是对核心的课程和教师专业发展并没有明确方向，缺乏能够胜任教学的老师、老师没有可教的课程内容即载体很突出;课程内容主要集中于编程的学习，以Arduino平台为基础的服务型机器人为典型，难度不适宜和学科内容孤立的问题仍然无法解决;主要采取以赛促学的形式促进该学科发展，缺乏其他形式的学习、实践和交流平台等等。基于这一前提和背景，本课题组向张钹院士请教相关问题并进行了访谈，并围绕在基础教育阶段，开展机器人课程的教育目标、课程内容和形式、人才贯通培养、人工智能的影响以及对机器人教育的相关建议，这几个主题进行了深入访谈。

张钹，清华大学计算机系教授、博士生导师、俄罗斯自然科学院外籍院士、中国科学院院士，现任清华大学人工智能研究院院长，从事人工智能理论、人工神经网络、遗传算法、分形和小波等理论研究;并把上述理论应用于模式识别、知识工程、智能机器人与智能控制等领域的应用技术研究。

张钹院士与张铃教授合作提出人工智能问题求解的商空间理论，解决不同粒度空间的问题描述、它们之间的相互转换以及复杂性分析等理论问题，并以该理论为指导，提出多层信息综合、多层规划与搜索等新的研究方法，形成新的算法。在这些领域他已发表200多篇学术论文和5篇（或章节）专著（中英文版），十多项成果分别获得国家级、部级和国际奖;他的专著获得国家教委高等学校出版社颁发的优秀学术专著特等奖;他的科研成果分别获得ICL欧洲人工智能奖、国家自然科学三等奖、国家科技进步三等奖、国家教委科技进步一、二等奖、电子工业部科技进步一等奖以及国防科工委科技进步一等奖等奖励。

关键词：科学素养;基础教育;机器人教育;课程教材;人才培养

中图分类号：G434 文献标识码：A

一、培养科学素养是基础教育的重要目标

访谈者：张院士，您好！非常感谢您在百忙之中抽出时间接受我们课题组的访谈。我们知道您多年来一直致力于计算机科学与技术的科学研究和人才培养，同时也是国内人工智能与机器人领域的知名学者。毕业后留校任教至今，到2018年已经整整六十个年头，在此期间您对计算机科学与技术、人工智能领域的研究和高层次人才培养、学科建设等均做出了巨大的贡献。我们的课题《STEM教育创新与实践：中小学机器人课程建设的研究》主要是面向基础教育，基于STEM强调的学科融合的理念，以机器人课程为载体和切入口，力求从小培养学生的计算思维、创造力等。这与高等教育阶段进行机器人教学和研究肯定存在巨大的差别，但基础教育与高等教育之问的衔接、基础教育奠定的基础作用，对机器人教育的系统性也会产生影响。请您从您的角度谈谈，在基础教育阶段，机器人教育的目标应该什么样的？

张院士：教育的问题是一个很深刻、很重要的问题，义务教育更是一个非常重要的基础性问题。你们提出的问题应该由教育家来回答，我不是教育家，所以我只是从受教育者的角度，或者从我所从事的专业角度来谈一些想法。为了回答机器人在基础教育中的作用，我们需要先搞清楚基础教育的目的和任务。我认为基础教育的目的是培养和塑造高素质的国民，那么什么是“高素质”的国民？它应该包含两大方面。一个是人文素质，包括理想、道德和文化素养等，这涉及国家、社会、家庭和个人等各个方面，涉及教育学的很多问题，今天我不谈这些。二是科学素质，是我今天要谈的主题。我在一次科协召开的关于“科学普及”的大会上，听到以下的调查统计结果，“2018年我国具备科学素质的公众比例达到了8.47%，比2015年第九次调查的6.20%提高了2.27个百分点”。但中国人的基本科学素养、科学素质仍然在世界平均水平之下。这给予我很大的震撼，并留下很深的印象。

造成这个现象的原因可能有两个方面，一方面是关于科学素养、科学素质的教育不够普及，这个“教育”是说的大教育的概念，不只是學校的教育。一般来讲发展中国家国民的科学素养、科学素质与发达国家之间有比较大的差距，这属于科学普及的问题，因为一个人科学知识缺乏，就会容易倾向于轻信。另外一方面则是学校教育本身。学校基础教育对科学素质的培养通常是通过传授核心科学（Core Sciences）知识来完成的。这个核心科学过去主要指数学、物理、化学，有时还包括生物（随着科学技术的发展，普遍认为目前中小学教育所教的核心科学，除数理化三门之外，还需增加生态学、地球科学和计算机科学），即通过核心科学知识的传授，培养学生以下三个方面的科学素养。一个是科学精神，即科学的批判精神，以建立一种独立的、科学的批判能力。马克思不是说过他最喜欢的格言是“怀疑一切”？因为“怀疑一切”是科学批判精神的精髓，也是创新的出发点。二是教给学生科学的方法，提高他们独立分析问题和解决问题的能力，以应对今后工作上和生活上所面临的问题。三是培养科学的作风，即严谨、实事求是的科学作风。从科学素质的培养来看，我国当前的中小学教育（基础教育）究竟发挥着什么样的作用？哪些是好的应该继续发扬，哪些是不好的应该注意改进呢？面对信息爆炸、知识快速增长的现代社会，中小学教育应该如何面对呢？在这方面我们与西方国家教育思想的差异还比较大，我们比较重视核心科学知识的传授，而他们更重视通过核心科学知识的传授，让学生建立起科学精神，掌握好科学方法，树立起科学作风。

现在回到机器人教育在基础教育中的作用问题。我赞成把生态学、地球科学和计算机科学列入当今中小学教育的核心科学（Core Science），因此我赞成把计算机科学列入中小学的必修课。但是我不赞成把机器人、人工智能等列入必修课程里，因为基础教育的时间有限，我们不可能把所有的科学内容都列入中小学必修课程。基础教育的正式课程中，所传授的科学知识应该属于相当稳定，已经形成体系，且具有普适意义的基础科学知识。我们刚才说过，传授科学知识的主要目的是提高学生的科学素养，因此不是科学知识传授的越多越好。但我认为机器人可以作为选修的内容设计在课程体系中，因为机器人是目前很热门的领域，许多青少年对此感兴趣，因此学生可按照兴趣来选修、选学。机器人教育的目标应该是，培养学生对科学的兴趣与热爱。机器人课程应该重视实践，通过它还可以培养学生的动手能力。

二、中小学机器人课程和教材要注重互动性

访谈者：您刚刚从提高国民科学素养的视角和高度，为我们阐释了基础教育阶段进行机器人教育的一个基本前提和目标。让我们理解到从科学家、科学观的角度来看待，基础教育对于培养人的科学素养的重要意义。知识的增加只是外显的行为上的变化，知识不断更新换代，知识学习是无法穷尽的，学校教育也很难跟上科技知识的更新速度，那么您给出了我们如何更好应对的“道”，就是关注对人的科学素养、素质上的培养，通过科学的精神和作风去对待，用科学的方法去获取和判断。那么如果从这个基本认知的前提出发，在基础教育阶段开设机器人课程，应该如何定位呢？

张院士：我觉得我国的基础教育与国外的差异，主要不是体现在教材上，我们的教材内容通常比国外的更多和更深，而是体现在教学方法或者教育思想上。我们重视知识传授，大多数是灌输式的满堂灌，课堂很不活跃。相反，国外的教学则是互动式的，学生踊跃参与，对任何的科学结论都可以有自己的看法，都可以提出质疑，老师积极鼓励学生这样去做，因此教学的效果很不相同。下面是美国一所私立小学对5年级优秀（班上唯一获得A+）学生的奖状（评语），从中可以看出他们怎么看待“优秀生”。

******（姓名）

Is presented with this award for being an Educated Achiever

Demonstrates critical thinking，problem solving and proficient writing.Have a knowledge that exceeds state academic standards.Working independently and cooperatively with peers.Understanding and engage in all areas of the curriculum across Science，Technology，Engineering，Arts and Math.

Upper School Director*****（签名）

Oct.24.2018

其中提到：批判性思维，独立工作能力，与他人合作精神，具有超过国家知识标准的知识，参与并理解所有课程包括科学、技术、工程、艺术和数学等（即全面发展）。

我在美国看到一位老师带领一群4-5岁小孩看画展，印象深刻。在国内看画展的场景一般是这样的，观众跟着讲解员一路走一路听下去。设想一下，如果这些听众是4-5岁小孩，情况会是怎样？孩子们无法耐心听下去，到处乱跑，或者心不在焉。而我看到的场景却是这样：老师帶着一群小孩围坐在一副画前，孩子们争相举手发表意见，老师趁势进行讲解，这是一个师生参与的完全互动的过程，非常活跃。

机器人教育不只是给孩子们普及一点相关的知识，重要的是要利用学生的好奇心，引导他们热爱科学，从中学到科学知识。因机器人课程的教学过程也必须是互动的，生动的，特别要把动手制作与知识学习结合起来。

三、机器人课程中的编程是为了更好的思维和理解

访谈者：我们课题组有这样一个初心，因为孩子天生是爱玩的，学习本来就是要吃苦的，那么我们能不能将机器人作为一个学习科学、学习计算机科学的载体，把这些相关的知识“装”进去，以此来提高孩子对抽象知识的兴趣，并通过知识的学习同时培养他们的科学素养呢？

张院士：我知道您的意思。您说的很对，必须提高学生对学习的兴趣。这也是我们现在中小学教育的最大弊病，我们的课堂很严肃，很沉闷，只有老师在讲。相反，他们的课堂很活跃，能够唤起孩子对学习的兴趣，满足他们对知识的渴望。为什么他们能做到这一点？主要是依靠启发式和互动式的教学理念与方法。举一个简单的例子，我记得我在小学时上的“图画课”，是老师先在黑板上画一只苹果，大家照着画，谁画得像，谁的成绩好（不知道现在是不是这样）。他们的绘画课完全不同，老师出一道题目叫“Spring”（春天），让学生作画。结果每个学生都非常有兴趣，充分展开想象力，有画一轮升起的太阳，有地上长出的一枝嫩芽，土里爬出的一只小虫，五花八门，每个学生画的都不一样。显然，二者的教育思想很不相用，一个是培养绘画技巧，一个是培养想象力与创造性。说明二者设立绘画课的目的是不一样的，因为基础教育不同于专业教育，学生进入艺术学院学绘画，其目的要把绘画作为职业，绘画技巧自然对他们很重要。而基础教育中的绘画教育，不是要培养学生成为画家，而是为了提高他们的艺术素养。这同样适用于中小学阶段的机器人教育，它不是培养未来从事机器人研制与应用的工程师，而是通过它培养学生的科学素质。

访谈者：在小学的科学课程标准里，其中有一个单元，叫技术与工程。在这个领域里就涉及了计算机、机械等。这样的话，其实是给机器人作为一个小载体，提供了一定的前提条件。

张院士：把机器人作为学习“技术与工程”这门课的载体，这个想法很好，能够充分体现机器人在基础教育中的作用。“技术与工程”课程设置的目的是要培养学生的动手能力，通过机器人这个载体，完全可以达到这个目的，而且“机器人”更能引起学生的学习兴趣。

访谈者：张院士，刚才您说的那些观点，我都非常赞同。我在做教育教学实践、教师培训的过程中，其实一直都践行今天您刚刚谈到的批判性思维、创新精神，我觉得这在中小学也特别值得提倡的。但在理念落地的过程中，也就是在中小学开展机器人、人工智能教育，现在大家还特别迷茫。例如编程，我们中小学究竟应该给孩子教什么，小学教什么，初中教什么，高中教什么。所以在这个过程中，我探究了20多年。其实在小学阶段，关于从哪个年级开始开课，我就经过了长达10多年的实验探究。我发现从四年级开始开课教编程还是可以的，因为孩子的数学知识、语文知识都建构了一定的基础;然后到了高年级讲代码。我就想向您请教，机器人、人工智能中间搭桥的是不是这个编程？

张院士：如果认为计算机科学是21世纪的核心科学，那么计算机科学进入中小学必修课程则势在必然。编程是学习计算机原理的重要途径，因为通过编程我们会了解到计算机是如何工作，它是怎样地去解决实际问题的。至于从何时开始学习，学到怎样的深度，这是需要认真研究的，我不好发表意见。我觉得考虑这个问题的出发点应该是：中小学生为什么要学习编程，它的目的是什么。这就要回到基础教育的目的上来。因为我们不是专業教育，我们教中小学生编程不是为了他们将来成为程序员，而是通过它让学生掌握计算机科学的基本原理与知识。当然机器人和人工智能都可以作为学习编程的载体，但目的还是不变的，即通过编程学习计算机科学的基本原理，通过它提高学生科学分析的能力和创新的能力。

四、研究型大学的本科教育应宽口径、重基础

访谈者：根据您刚才讲的，如果从学生发展的时间维度来看的话，基础教育一定要学核心的知识、核心的科学。那学生随着年龄的增长，从基础教育到高等教育，他学的知识是越来越精、越来越专的吗？

张院士：这要看他们进入那一类型的高等学校。美国大概有3000多所大学，其中研究型大学大概也就100所200所。中国也有大学3000多所（包括大专），其中研究型大学大概不到10%，应用型本科和研究型本科有不同的定位，应用型大学偏重于专业教育，由于专业相对比较窄，因此学习的内容相对专一些。研究型大学实际上是侧重于素质教育，或者叫通识教育，虽然有不同学科的划分，但学科比较宽。以工科为例，它通常分为电机、机械、土木、建筑和计算机科学等门类，专业的口径很宽，也就是说这些门类的基础基本相同，不同只是后面的少数专业课。学校教学的重点在于基础教育，这样做的好处是，由于基础打得宽，适应性就比较强。既能适应不同类型的工作，也能适应科学发展带来的技术更新与变化。比如，一位电机专业毕业的学生，可以适应多方面的工作，如电力、通讯、计算机工程等。

访谈者：您说的这个观点，我特别赞同，尤其是理工科的专业基础课非常多，以后确实不会都用到，但是人的职业生涯往往只能从这棵树上剪下一到几支，但需要你学习新知时，你几乎所有的脉络和思维管道都是打通的，是成体系的，这就颇有不同了。

五、人工智能在冷与热中逐步推进

访谈者：现在对于人工智能和机器人教育，不同学科领域和媒体对他的理解与解释都不尽相同，机器人教育也已经存在了一段时间。想请您谈谈，目前人工智能是不是一种“虚火”？人工智能对机器人教育的影响是什么？

张院士：应该看到人工智能在近20多年有巨大的进展，它带来许多出乎人们预想不到的应用，如人脸识别、语音识别等等。这也是近年来人工智能掀起热潮的重要原因，人工智能的高潮也带来机器人的热潮。目前看来，为了防止过热，需要注意以下两点：一是目前人工智能还是处在发展的初期，深度学习只是人工智能中的一个小领域，人工智能中还有大量的问题还没有解决，如常识表示、不确定性推理等等;二是目前深度学习能够解决的问题还十分有限，而且理论与技术本身还有三个巨大缺陷，即不可解释性、脆弱性和不具备理解能力等。上述问题如果不能得到及时解决，人工智能就有可能陷入困难，其发展就有可能受阻。这一点我们必须清醒地看到，加强基础研究防患于未然，才能防止陷入盲目性。机器人也可以看作是人工智能的一个分领域，我的意见是，目前人工智能还不宜于作为一个学科在研究型大学的本科进行培养。可以在应用型的大学（或大专）里设置相应的专业作为试点，但也不宜全面铺开，因为人工智能还处在发展的初期，尚未形成成熟的学科。

六、教育自信与省思是未来发展的基本态度

访谈者：最后，想请您再从人才培养，尤其是现在国际上、国内都非常重视的创造性来谈谈，给我们一些建议。

张院士：我只能从我身边接触的年青教师和博士生来谈一点体会，应该说我所接触的这些年轻人，是我国目前培养的最高水平的人才。与发达国家（如美国）的同龄人相比，应该说已经没有什么差距了。但是，大家可能要问，那我们国家的科技创新能力却不如他们，而且差距还很大？我认为这还需要时间，因为我们目前只是在少数地方，极少数年青人中达到这个水平。一个国家要具备高度的创新能力，不仅需要成长一批宏大的高素质的科技队伍，还要形成高度开放和宽松的创新环境，吸引全世界的优秀人才与我们共同努力才能达到这个目标。因此我们离这个目标还有很长的路要走。