圖片來源:攝圖網(wǎng)
2017年7月,國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》,明確提出應(yīng)逐步開展全民智能教育項(xiàng)目,在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程,并建立新一代人工智能基礎(chǔ)理論體系。
2018年4月28日,華東師范大學(xué)逸夫樓的禮堂里座無虛席,隨著舞臺(tái)上的“書”被翻開,全球首本面向中學(xué)生的人工智能教材《人工智能基礎(chǔ)(高中版)》宣告問世。
這本教材究竟是怎么誕生的?艱深的人工智能知識(shí),該通過怎樣的課程內(nèi)容教給高中生?作為一門全新的課程,學(xué)生和老師們又對(duì)此作何感想呢?芥末堆在拿到教材后,對(duì)上述問題做了探討。
九個(gè)章節(jié)都講了什么?
這本教材的主要目標(biāo),就是讓高中生有機(jī)會(huì)對(duì)人工智能這一前沿技術(shù)初窺芳容。據(jù)執(zhí)行主編林達(dá)華透露,該教材著重于AI的基本思想、基礎(chǔ)知識(shí)以及常用算法和工具的講授,通過學(xué)習(xí),中學(xué)學(xué)生可以具備AI應(yīng)用的基本能力。
圖片來源:商湯科技
AI這門學(xué)科包含了數(shù)學(xué)、物理等多學(xué)科知識(shí),如何讓零基礎(chǔ)的高中生上手呢?
《人工智能基礎(chǔ)(高中版)》在章節(jié)設(shè)計(jì)上,共有“人工智能:新時(shí)代的開啟”、“牛刀小試:察異辨花”、“別具慧眼:識(shí)圖認(rèn)物”、“耳聽八方:析賞音樂”等九章,一步步讓學(xué)生了解AI的基本原理。
簡(jiǎn)單來說,九個(gè)章節(jié)的主線就是AI從監(jiān)督學(xué)習(xí)到無監(jiān)督學(xué)習(xí)、再到強(qiáng)化學(xué)習(xí)的過程,在難度和深度上循序漸進(jìn)。監(jiān)督學(xué)習(xí)指AI需要人類先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注,才能區(qū)分事物類別;無監(jiān)督學(xué)習(xí)則更“聰明”,AI不需要人類標(biāo)注信息,通過算法就能自動(dòng)分類。
教材第一章從未來生活圖景的開始,介紹了AI發(fā)展簡(jiǎn)史、在各行業(yè)中的應(yīng)用與機(jī)器學(xué)習(xí)的基本概念;第二章介紹了AI對(duì)事物進(jìn)行分類的機(jī)制;第三、四、五章分別介紹了AI識(shí)別圖像、音頻、視頻的原理。以上章節(jié)主要側(cè)重AI的監(jiān)督學(xué)習(xí),第六章開始引入AI無監(jiān)督學(xué)習(xí)的概念,講述了AI利用K均值算法來達(dá)到無師自通的效果;第七、八章則介紹了主題模型、生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)這另外兩種無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法;最后一章則在AI自我學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步,利用AI圍棋程序阿爾法元介紹了強(qiáng)化學(xué)習(xí)的概念。
通過鳶尾花理解AI“腦回路”
那么,這本教材是如何介紹人工智能原理的呢?我們以書中AI識(shí)別鳶尾花為例子來一探究竟。
鳶尾花(iris)的兩個(gè)品種變色鳶尾(iris versicolor)和山鳶尾(iris setosa)有著形狀和色彩相似的花瓣和萼片,一般來說,變色鳶尾花瓣較大,而山鳶尾花瓣較小。
(示例圖片均來自教材)
AI識(shí)別兩種鳶尾花,首先需要提取花的特征,然后再將特征數(shù)值輸入訓(xùn)練好的分類器中,分類器根據(jù)特征做出預(yù)測(cè),輸出鳶尾花的品種。
首先,我們引入特征(feature)的概念,特征是指可以對(duì)事物某些方面特點(diǎn)進(jìn)行刻畫的數(shù)字或?qū)傩?。因?yàn)樽兩S尾和山鳶尾形狀色彩相似但花瓣大小不一,所以我們利用其花瓣長度和寬度特征來區(qū)分品種。
測(cè)量出的花瓣的長度和寬度,用x1,x2分別表示,(x1,x2)這組數(shù)據(jù)在數(shù)學(xué)中就是向量。把描述一個(gè)事物的特征數(shù)值組織在一起,就形成了特征向量(feature vector)。一朵鳶尾花的長度為1.1厘米,寬度為0.1厘米,這朵鳶尾花的特征就用(1.1,0.1)表示。
把特征向量在坐標(biāo)系中標(biāo)出,這些點(diǎn)被稱為特征點(diǎn)(feature point),共同構(gòu)成特征空間(feature space)。至此,我們完成了AI識(shí)別的第一步特征提取。
從特征向量到最終預(yù)測(cè)類別,AI還需要一個(gè)函數(shù),這個(gè)函數(shù)就叫分類器。我們用+1和-1分別代表變色鳶尾和山鳶尾,再用一條直線0.5x1+x2-2=0來劃分坐標(biāo)系中的兩個(gè)區(qū)域。
特征點(diǎn)(x1,x2)落在右上區(qū)域輸出+1,代表變色鳶尾,落在左下區(qū)域輸出-1,代表山鳶尾。這個(gè)規(guī)則代表的分類器可以用以下函數(shù)表示:
以上這一分類器被成為線性分類器(linear classifier)。訓(xùn)練線性分類器有兩種常見的算法:感知器和支持向量機(jī)。
感知器(perceptron)通過被誤分類的訓(xùn)練數(shù)據(jù)調(diào)整現(xiàn)有分類器的參數(shù),不斷減少誤分類:
如下圖所示,兩條分類直線都能區(qū)分兩種鳶尾花,誰更準(zhǔn)確呢?
橙色陰影區(qū)域更寬,能區(qū)分更多的特征點(diǎn),所以準(zhǔn)確度更高。而支持向量機(jī)(support vector machine,SVM)就是指特征空間上分類間隔最大的分類器。
分類器通過兩種算法訓(xùn)練之后,還需要進(jìn)行測(cè)試。統(tǒng)計(jì)分類器分類正確的樣本數(shù)與總數(shù),可以得到一個(gè)分類準(zhǔn)確率,準(zhǔn)確率最高的分類器就是最優(yōu)的分類器。
通過測(cè)試這一階段,AI就能在人類輸入鳶尾花花瓣長度和寬度的條件下,給出準(zhǔn)確的分類結(jié)果。
我們用一個(gè)分類函數(shù)解決了二分類問題,除了區(qū)分一種類別中的兩個(gè)分支,生活中我們還需要對(duì)多種類別進(jìn)行分類,比如區(qū)分牡丹、荷花、梅花等。
在區(qū)分三種花的二分類函數(shù)f1,f2,f3基礎(chǔ)上,教材還引入歸一化指數(shù)函數(shù)的概念,將輸出轉(zhuǎn)化為概率。借此,分類器不僅能告訴我們這是牡丹還是梅花,還能告訴我們有多大的概率它是牡丹或梅花。
通過以上這個(gè)AI識(shí)別花朵的例子,我們可以了解到AI對(duì)事物的分類過程,分為特征提取、分類器的訓(xùn)練和測(cè)試應(yīng)用三部分。AI的這個(gè)判斷邏輯,在我們生活中已有許多實(shí)際應(yīng)用的例子,比如相機(jī)中的人臉檢測(cè)、醫(yī)學(xué)中的癌細(xì)胞檢測(cè)等。
教材難嗎?高中生這么說
讀到這里,想必讀者對(duì)這本教材的內(nèi)容和難度有了自己的感受,那么高中生又是怎么想的呢?
記者隨機(jī)收集了十幾位學(xué)生對(duì)AI教材的看法。在收集中,多數(shù)學(xué)生表示沒聽說過這本教材,學(xué)校也尚未開設(shè)相關(guān)課程。
在翻閱了AI教材之后,大部分受訪學(xué)生表示難度還能接受。清華附中一名高二學(xué)生說,“畢竟數(shù)學(xué)的東西不是很多,更多的是文字性的概念描述;而且它作為選修課,難度太大也不行。”北京一七一中學(xué)一名學(xué)生表示,“教材總體難度感覺還行,不過學(xué)好它也不容易,里面有涉及一些大學(xué)階段才學(xué)到的知識(shí)?!?/p>
但也有部分學(xué)生表示這本教材有一定挑戰(zhàn)性。一名清華附中的學(xué)生認(rèn)為,“乍一看看不太懂,還是有點(diǎn)高深,自學(xué)的話額外成本會(huì)比較高,需要老師的輔導(dǎo)。”北京二中一名學(xué)生粗略地瀏覽完教材后說,“我感覺我看不太懂,即便有老師輔導(dǎo)也不簡(jiǎn)單,不過我還是很有興趣去學(xué)?!?/p>
教材截圖
談及AI教材,學(xué)生們基本持肯定態(tài)度,表示如果開設(shè)這門課程選修者應(yīng)該不在少數(shù)。清華附中一名正自學(xué)人工智能的高一學(xué)生說,“將來如果學(xué)習(xí)人工智能的話,我想在現(xiàn)階段先學(xué)點(diǎn)基礎(chǔ),然后在大學(xué)系統(tǒng)性地學(xué)習(xí),現(xiàn)在能提供一個(gè)機(jī)會(huì)還是挺好的?!?/p>
對(duì)于該門教材的教學(xué),一名受訪學(xué)生將之與學(xué)校開設(shè)的信息選修課做了對(duì)比:“我們學(xué)校信息課一般不用教材,學(xué)VB、Java時(shí)都是老師先把課件做好,再給我們講。類似地,我想AI的課上老師們也會(huì)發(fā)揮出自己的教學(xué)特色?!庇捎贏I是一門全新的課程,學(xué)生們均表示老師首先要接受一定的培訓(xùn),然后再帶學(xué)生一起學(xué)。
“要探索在標(biāo)準(zhǔn)之外,學(xué)生能走多遠(yuǎn)”
關(guān)于教材的難度,記者還咨詢了一位對(duì)AI有一定了解的程序員。該程序員認(rèn)為,該教材缺乏前置知識(shí)介紹,直接上手的話對(duì)高中老師的要求比較高;其次,教材中的很多知識(shí)大學(xué)才能學(xué)到,對(duì)普通學(xué)生來說還是有一定的難度。
在編寫之初,編者在難度把控方面就有過爭(zhēng)論:如果介紹AI的運(yùn)作原理,似乎過于艱深;只是科普性的介紹而不涉及數(shù)學(xué)和算法,又顯得太淺。后來,編者達(dá)成了共識(shí),將教材目標(biāo)定位為傳遞人工智能的基本思想和理念,興趣與知識(shí)并重,并以實(shí)踐為導(dǎo)向。
對(duì)此,記者收集了編者之一、上海交大附中彭禹老師。彭禹表示,“原理并非一定就很難,而概念介紹也不一定簡(jiǎn)單;概念學(xué)習(xí)是所有學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),概念理解也有深淺之分,一定程度上也依賴?yán)蠋熑绾稳リU釋?!?br/>
對(duì)于教材部分內(nèi)容超綱的問題,彭禹解釋道,“實(shí)際上,國家課程標(biāo)準(zhǔn)這個(gè)‘綱’,只是最低的要求,不能因?yàn)槌V就不學(xué)習(xí)了。作為一名教育者,還要探索在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之外,學(xué)生還能走多遠(yuǎn)?!?/p>
彭禹認(rèn)為,“教材中涉及到一些高等數(shù)學(xué)的知識(shí),但區(qū)分‘高中知識(shí)’和‘大學(xué)知識(shí)’并沒有多大的意義,知識(shí)沒有高中大學(xué)之分。實(shí)際上,學(xué)生只要有初高中的代數(shù)知識(shí)和語文基礎(chǔ),就能讀這本書,加上老師的輔導(dǎo),我想弄懂它是不成問題的?!?/p>
中國主要在兩個(gè)階段講授人工智能課程,一是入門科普介紹,二是研究生時(shí)期專業(yè)化學(xué)習(xí),中間缺少一個(gè)奠基和進(jìn)階。彭禹表示,這本教材的主要優(yōu)點(diǎn),就是以深入淺出的方式彌補(bǔ)了這一空缺;由于還未推廣落地開來,談其缺點(diǎn)還言之尚早。
一堂“手腦結(jié)合”的AI課
將來逐漸開設(shè)的人工智能課堂,會(huì)是怎樣一番授課場(chǎng)景呢?
首先,人工智能概念的講授是必不可少的根基。對(duì)基礎(chǔ)較為薄弱的高中生來說,弄懂各種概念并不容易。為了便于學(xué)生理解,這本教材中加入了大量具體的例子和圖表,形象地描述概念知識(shí)。教材在編寫之初就定下規(guī)矩:“每一段話都必須自己撰寫,每一幅教學(xué)示意圖都必須自己設(shè)計(jì)。”
計(jì)算機(jī)將小格子對(duì)應(yīng)的顏色轉(zhuǎn)化為數(shù)字矩陣
像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)化為光流圖
其次,教材穿插了大量的補(bǔ)充介紹知識(shí)點(diǎn),比如向量的基本運(yùn)算、簡(jiǎn)單概率、和初級(jí)的優(yōu)化思想等,便于學(xué)生學(xué)習(xí)。執(zhí)行主編林達(dá)華表示,學(xué)習(xí)本書的概念和知識(shí)并不需要很深的數(shù)學(xué),通過數(shù)學(xué)知識(shí)點(diǎn)的補(bǔ)充,能夠滿足中學(xué)教學(xué)的需求。
向量間的卷積運(yùn)算
感知器學(xué)習(xí)算法
最后,通過思考討論題和實(shí)驗(yàn)題,加深學(xué)生的理解。由于AI這門學(xué)科應(yīng)用性非常強(qiáng),與其他傳統(tǒng)教材不同,AI教材以“手腦結(jié)合”為主要學(xué)習(xí)方式,每一章都有一個(gè)主線任務(wù),引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)的同時(shí),讓學(xué)生通過思考、討論、實(shí)驗(yàn)練習(xí),達(dá)到學(xué)以致用的效果。
教材里的實(shí)驗(yàn)題
為配合全書22套實(shí)驗(yàn),商湯科技還開發(fā)了一個(gè)人工智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)選用在AI領(lǐng)域使用最廣泛的Python語言,支持深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練和算法的定制擴(kuò)展。學(xué)生可利用該平臺(tái)完成各種課堂實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、競(jìng)賽及自主創(chuàng)新項(xiàng)目。
編者彭禹表示,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不是單純?yōu)榱俗鰧?shí)驗(yàn),也不是培養(yǎng)搭積木般的動(dòng)手能力,而是讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)了解AI背后一套復(fù)雜的原理機(jī)制。學(xué)生可以通過科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫿Y(jié)構(gòu),明白AI不是故弄玄虛的事物。
在教學(xué)形式上,AI的課堂主要還是以PBL(Project-Based Learning,基于項(xiàng)目學(xué)習(xí))的方式來教學(xué),學(xué)生AI項(xiàng)目的設(shè)計(jì)邏輯、完成度都可以作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
未來人工智能教學(xué)體系第一塊磚
據(jù)商湯科技介紹,人工智能教學(xué)體系涵蓋《人工智能基礎(chǔ)》教材、教輔材料、教師培訓(xùn)與認(rèn)證、教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、人工智能實(shí)驗(yàn)室和全國中小學(xué)生人工智能大賽六大模塊。
未來三年,商湯科技希望和全國一、二線城市的50%以上的示范性高中,以《人工智能基礎(chǔ)》為標(biāo)準(zhǔn)教材,開授人工智能課程。同時(shí)還將面向?qū)W校提供的培訓(xùn)服務(wù),包括人工智能基礎(chǔ)課程教師培訓(xùn)、人工智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教師培訓(xùn)、智能機(jī)器人教師培訓(xùn)等。商湯科技還將結(jié)合教材中的知識(shí)點(diǎn),與華東師范大學(xué)、商務(wù)印書館一道,在中小學(xué)開展人工智能教師培訓(xùn)、中小學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、智慧校園建設(shè)等多個(gè)場(chǎng)景,對(duì)教育行業(yè)進(jìn)行賦能。
目前,上海市市西中學(xué)已經(jīng)開始基于AI教材內(nèi)容對(duì)學(xué)生進(jìn)行授課。而素有全球青少年科學(xué)競(jìng)賽“世界杯”之美譽(yù)的國際科學(xué)與工程大獎(jiǎng)賽(ISEF),目前已經(jīng)被人工智能這一學(xué)科占據(jù)了40%??梢钥吹?,雖然AI教材離全面普及還有很長的路要走,但AI一定是未來的發(fā)展方向,AI課程也將會(huì)遍地開花。這本教材,或許是構(gòu)建未來人工智能教學(xué)體系的第一塊磚。
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