人工智能背景下的科学教育_倪闽景.pdf

科学教育与博物馆，2023，9（2）Science Education and Museumsdoi:10.16703/ki.31-2111/n.2023.02.001倪闽景.人工智能背景下的科学教育J.科学教育与博物馆，2023（2）：1-5.人工智能背景下的科学教育倪闽景上海科技馆0引言当前，以 ChatGPT 为代表的通用人工智能技术实现突破，成为全球关注的科技前沿焦点，对教育的影响将十分深远，科学教育首当其冲。1人工智能进化史就是数字世界涌现智慧的历程1956 年夏季，美国达特茅斯学院举行了一个长达 2 个月的会议。约翰 麦卡锡（John McCarthy）、马文闵斯基（Marvin Minsky）、克劳德香农（ClaudeShannon）、艾伦 纽厄尔（Allen Newell）、赫伯特西蒙（Herbert Simon）等一批年轻科学家，在这个马拉松式的会议上，一起讨论用机器来模仿人类学习以及机器智能方面的议题时，创造了人工智能（Artifi-cial Intelligence，缩写为 AI）这个名词。此时距 1946年人类发明第一台通用电子计算机（ENIAC）和1947 年肖克利（William Shockley）、巴丁（JohmBardeen）和布拉顿（Walter HouSer Brattain）研制出一种点接触型的锗晶体管，仅仅过去了十年，人工智能的进化史由此开启。人工智能 1.0 始于 20 世纪 50 年代，基于传感技术和晶体管微处理器创造了机器的“感”和“应”，实现了机器的反应式控制。比如当洗衣机内箱水位到达预设的位置时，水位传感器会产生电信号，传递给微处理器进行逻辑判断，关闭入水口。因此，自动化控制系统是人工智能的开始。人工智能 2.0 始于 20 世纪 80 年代，随着计算机技术的快速发展，算力不断提升，计算机可以对一定范围的数据进行参数分类，机器具有了“知”和“算”的能力，实现了机器的程序性互动。1997 年IBM 科学家利用制造的超级计算机“深蓝”（DEEPBLUE）和人类对弈国际象棋，战胜了国际象棋大师卡斯帕罗夫，掀起了人工智能第一波高潮。2001 年著名导演斯皮尔伯格还拍过一部名为 人工智能 的电影，在伦理上对 AI 技术进行了催人泪下的演绎。人工智能 3.0 始于本世纪初，2006 年 8 月，Google 首席执行官埃里克 施密特（Eric Schmidt）在搜索引擎大会上首次提出了“云计算”（Cloud Com-puting）的概念，人类由此实现了通过互联网让大量超级计算机协同计算的能力。超大规模的云计算中心，甚至会有超过上百万台服务器一起运行，大大拓展了机器的算力。如果说一台计算机好比人脑中的一个神经元，云计算实现了计算机和计算机之间犹摘要ChatGPT 是一个全新的知识工具，它的出现给科学教育带来了挑战与机会。了解人工智能的进化史，把握人工智能对人类文化进化的推动作用，才能建立基于新科技观的科学教育新范式，为实现人自由而全面的发展发挥科学教育作用。关键词科学教育人工智能ChatGPT学习的本质科学大概念高层论点1-科学教育与博物馆，2023，9（2）Science Education and Museums如大脑神经元之间的协同，使人工神经网络（Artifi-cial Neural Networks，ANN）算法得以大放光彩，实现了机器的“学”和“练”，使机器智能拥有了分析能力。2016 年，Google 的 Deep Mind 公司利用深度学习工具 AlphaGo，与韩国围棋国手李世石对弈，结果 AlphaGo 以 4:1 取胜，再次掀起了人工智能新的高潮。而这次 ChatGPT 带来的人工智能 4.0，是人工智能的又一次巨大飞跃，使机器有了“觉”和“悟”，实现了机器生成式创造。2017 年起 OpenAI 公司开始运用自我注意力机制变换器模型（Transformer）进行自然语言学习训练。与以往的分析式人工智能（利用机器学习掌握海量数据，实现分类、预测等任务）相比，GPT 生成式预训练变换器（GenerativePre-trained Transformer)实现了生成式人工智能（AIGC），能在学习归纳数据分布的基础上同时学习数据产生的模式，并用自编码器创造不存在的新内容。简单地说，就是实现了人脑外的智慧和创造性。显然科学家们还不明白机器是如何突然涌现出智慧的，但如果比照人类意识是如何产生的，我们也不必太纠结，因为到现在，我们也没有掌握人类产生意识和智慧的机制。人类几十亿年的生命进化史浓缩于每个人在母亲子宫里短短的 9 个月当中，而每个人从“感”到“知”到“觉”的意识和智慧产生过程，也浓缩了地球生命神经系统的进化史。人工智能的进化史只有短短的几十年时间，但其从“感”到“知”再到“觉”的发展历程与人类智慧产生的高度相似性，应该对我们审视自身的意识涌现机制有极大的启发。2人工智能技术发展是人类文化进化的新推动力人类经历了数百年的文化进化，从直立行走到学会用工具，再到学会说话和发明文字符号，其核心就是人类对技术应用的不断发展过程。马克思说过：“手推磨带来的是封建领主的社会，蒸汽磨带来的则是工业资本家的社会”。人工智能技术对人类文化进化会产生何种推动力？2023 年 3 月 15 日，习近平总书记在北京出席中国共产党与世界政党高层对话会时指出：“现代化的最终目标是实现人自由而全面的发展”。笔者认为这是对人工智能技术未来发展最好的阐述。在远古时代，一个腿部残缺的人很难在恶劣的环境下生存；但在现代社会，其却可以凭借飞机、汽车等技术，与正常人一样周游世界。ChatGPT 实际上是一种知识工具，能够让普通人进行编程设计、撰写宏伟的小说、开展复杂的科学研究，人与人的智力差异将不再成为人不平等的原因，这个革命性的技术，为实现所有人自由而全面的发展奠定了全新的基础。人人都能创造时代的来临，对人类文化进化来说必将是一次“文化的寒武纪生命大爆发”。但是技术从来都是两面性的，其利弊空间必然同时打开。就如原子能的利用可以创造新的能源，同时又能迅速毁灭全人类一样，人工智能的发展给每个人带来创造力的同时，也带来了无法估量的毁灭性的力量。人工智能背景下科学教育的思考，必须要从多维度来考量。3人工智能背景下需要基于新科技观的科学教育无论技术如何发展，对于青少年科学教育存在3 个共识：一是学生的科学兴趣和能力是童子功，如果一个孩子在高中毕业前没有形成对于科学学习的基本能力，那么很难在以后的学习生涯中形成科学探究能力；二是科技素养培育需要手脑并用，只靠听、看、说，不可能培育出真正的科创能力，需要加大实验室建设，让学生做中学，改变以讲故事、看实验、做习题为主的科学课程教学方式；三是思维多样化是创新的本质，多样化需要给青少年更多机会、更大空间、更多碰撞，科学教育需要全社会共同支持。人工智能作为科技最前沿的技术，对人类的生产生活正在产生深远的影响，这种影响也对人们认识科学技术本身产生了微妙的变化，科普工作的重要性将进一步凸显。习近平总书记指出要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置，要求在教育“双减”中做好科学教育加法，激发青少年好奇心、想象力、探求欲，培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体。2023 年全国两会政府工作报告中把加强国家科普能力建设作为未来重要的工作。因此，科学教育的高质量发展需要有新的思路和方法。2-科学教育与博物馆，2023，9（2）Science Education and Museums新文化运动中，鲁迅和陶行知就指出科学教育的目的是：“使大多数人有科学的头脑和工艺的手”，从而“在科学的世界中创造科学的中国”。当前，普遍认为科学教育的目的是为了普及科学知识，提高公众对科学的认识和理解，促进科学与社会的交流和互动，推动科技进步和社会发展。通过科学教育，人们可以了解科学的基本概念、原理和方法，掌握科学思维和科学方法，增强科学素养和创新能力，提高科学与技术的应用水平，为人类的可持续发展和全面进步做出贡献。这个判断无疑是正确的，但也存在一个很大的问题，主要原因是把科学技术看成绝对正确的结论，科普中人们处于被动的受教育状态来接受已知的科学原理和方法，本质上说这是一种静态的科学教育观，已经不能满足人工智能时代的发展需求，迫切需要基于新科技观的科学教育与之相适应。第一，科学教育的主要目的不再是掌握科学知识的多少，而是更加突出传递科学的态度和方法。人工智能是当前科技发展的一个代表，这个时代的基本特征是信息大爆炸，每个人都可以通过各种各样的网络平台获取和发布信息，科技知识快速发展，每两年世界的知识就会翻倍，每个人一周接触到的信息量比 18 世纪一个人一辈子接触到的信息量还要多。与之相对应的是，我们每个人大脑的学习能力并没有提升，我们每个人所能拥有的学习时间也并没有增长，因此每个人的学习能力停滞不前和世界知识加速增长之间的矛盾越发突出1。特别是 ChatG-PT 等生成式人工智能技术出现后，知识的获取将更加便利，科技知识将从“冷知识”转变为“热知识”，所谓的“冷知识”就是经过沉淀和反复论证的经典科技知识；所谓的“热知识”就是在知识发生的过程中相关知识就已呈现在公众面前，在其发展方向、应用价值尚不明了的情况下，已经成为大家需要了解和运用的知识工具。“冷知识”的学习将越来越偏向于机器化，而“热知识”的学习将越发需要科学的判断力和批判能力，因此科学的态度和方法将远比科技知识本身重要。其内涵包含以下 3 个关键方面：一是要理解科技的力量具有两面性，其利弊空间是同时打开的，因此科技伦理的教育十分关键；二是要理解科学并不代表正确的结果，而是发现问题和解决问题的理性过程，科学教育中形成问题意识十分关键；三是理解现代科学并不总是证明因果关系，而更多的是描述事物之间的相关性，因为科学中到处存在着“不确定”和“混沌”，人工智能的突破在科学研究方面，将改变原来以演绎归纳为特征的“猜想实验验证”的传统研究方法，转为用相关性大数据分析和生成式机器智能来实现科学发现，学会运用新的知识工具将十分关键。第二，高质量科学教育需要超越兴趣，实现创造性学习。以往的科学教育往往以科普阅读、看科幻电影、听科普讲座，或者到科技场馆参观体验等形式为主。这种方式导致教育对象对于科技的理解往往会一直停留在兴趣层面，无法形成对科学与技术深入的理解和掌握。“我听过了，我忘记了；我看过了，我记住了；我做过了，我理解了（玛利娅 蒙台梭利，Maria Montessori，18701952 年）”。对于科技的理解和掌握，需要听和看，更需要去动手做，只有在互动中才能有更好的体验和新发现。科普的内容包含3 个非常重要的环节：一是科学现象的呈现，这个可以借用视频、虚拟现实等技术来实现，但是真实环境中的科学现象呈现显然更能打动人心；二是科学现象的解释和理解，通过课堂教学和现场讲解来满足学习者的需要，如果借用 ChatGPT 等技术，就可以即时回应众多学习者个性化的疑问，因此有必要集中力量开发和训练相关的科学知识问答的 AI 平台；三是基于科学现象的应用和新发现，这是科学教育的高级状态，只有到了这个阶段，才实现了超越兴趣，达成了科学教育的真正目的。要实现这个目的，必须充分架构家校社科普协作机制，即学校提供更多的创新实验室让青少年去动手实验；倡导建立家庭科技角，让孩子们在家里经常有机会开展基于身边材料的实验探究；作为社会力量的科技场馆、科普企业要开发更多的科技玩具、科创小工具和科学活动的空间，让孩子们能够从小有很多机会玩科技。最好的科普方式一定是实践探究，伽利略对科学真理的判断，到现在依然是科学教育最好的注解“科学的真理不应从古代圣人蒙着灰尘的书中去找，而应该在实验中和以实验为基础的理论中去找。真正的哲学是写在那本经常在我们眼前打开着的最伟大的书里面的，这本书就是宇宙，就是自然本身，人们必须去读它。”借用人工智能技术，学习者动手探3-科学教育与博物馆，2023，9（2）Science Education and Museums究的空间进一步打开，甚至可以实现