【重磅】李德毅 马楠:人工智能看教育
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​作者简介:李德毅,中国工程院院士,国际欧亚科学院院士,中国人工智能学会名誉理事长,军事科学院研究员,清华大学博士生导师;马楠,北京工业大学教授,智能感知与自主控制教育部工程研究中心副主任,中国人工智能学会副秘书长,博士生导师。通讯作者:马楠。

摘要:人类智能始于语言,人工智能始于文字,人类最伟大的智慧是发明了教育,智能植根于教育,教育让人类智能的发展从“现在进行时”变为“现在完成时”。智能机器里的物质和能量是物理层面的真实存在,结构和时间是认知层面的抽象思维。结构和时间寄生在物质和能量上,构成硬构体;机器里的信息是大量的软构体,体现了精神世界可以寄生在硬构体或者其他软构体之上,有虚有实,虚实结合,可自举和自我复用,始终至少存在下一个时间周期,使得机器能再去“想”,其秩序显示出维持自身思维和产生有序事件的能力。人的思维和机器的思维在数学上是同构的,在物理上是同源的,靠能量支撑,赖负熵为生。智能机器的诞生冲击教育的全方位、全要素,从教“书”,演进到教“学”,再进一步演进到教“育”,从如何拥有知识,演进到如何使用知识,进而演进到如何创造知识。智能时代教育的精髓是培育思维的想象力和创造力,人类思维的核心是抽象、联想和交互,机器亦然。机器用软构体延伸和拓展了人的思维,更重要的是,机器可以暴力思维,人和机器互教互学,优势互补,形成迭代的智能。智能时代的教育改革问题已经迫切地摆在全人类的面前,读书改变一个人,教育改变全人类,让我们迎接这场学习的革命吧!

关键词:软构体  具身交互智能  记忆智能  暴力思维  迭代的智能

原文即将刊载于《高等工程教育研究》2023年第三期。

最近这几年,许多教育工作者怀着极大的热情,拥抱人工智能,讨论人工智能如何赋能教育,尤其是用机器学习的成果来改善教学手段,提高学习效率,减轻教师负担。作为人工智能领域的长期工作者,作者想从另外一个角度,从人工智能的角度看教育,说清机器为什么能够思维、如何思维,人类在有了智能机器(人)之后,如何推动教育与时俱进。

一、人类最伟大的智慧是发明了教育

1.自然进化奠定了教育的生物学基础

自然进化并没有过分关照人类,那人类是怎么在这么短的一个时期内一下子就站到了全球的霸主地位了呢[1]?看看鱼鹰如何捕鱼的,蜜蜂如何筑巢的,蚁群如何挖穴的,蜘蛛如何织网的,老虎如何运动和捉拿的,黑猩猩如何创造和使用工具的,其智能都让人类叹为观止。和其他生物智能相比,人眼只能看到可见光,人耳听不到超声波,宠物识别主人的能力亦或超过主人识别宠物,自然进化的本质是物种的多样性,适者生存的进化法则并没有过分关照人类。那么,人类进化的特别之处在哪里呢?

经历了几百万年,人类进化的特别之处体现在三个方面:第一,人类从早期的爬行动物进化到直立行走的猿人的过程中,解放了双手,学会制造工具并进行劳动,与其他生物相比人类有一双灵巧的手;第二,人类的声带发音和耳蜗听力精细神奇,语言能力强,还可以用复杂精致的语音区分是谁在讲话;第三,人类具有复杂的大脑,首先是脑干部分,它是整个身体调节的核心,并且有意识。待进化到哺乳动物的时候,高等生物有了情感,在意识区和情感区基础上,大脑外皮层暴长,体积约300cm3,其表面积为2200~2850cm2,含近千亿个活动神经细胞,九千亿个胶质量细胞,成为独一无二的人类认知特质,如图1所示。自然进化给了教育的生物学基础。人类基因中只有30亿个碱基对,基因决定神经元的连接规则或者模式,并不指定神经元的连接强度,而人脑有大概860亿个神经元,平均每个神经元有1000个左右的连接,因此基因没法完全指定每个神经元的连接方式和强度,这就为后天的可重塑留下了空间。教育,尤其是早期教育,塑造一个人的认知。和其他生物相比,自然选择、物竞天择、适者生存[2],形成了复杂精致的人类大脑,代价是需要漫长时间来进化,是千万年用生与死的世代更替,保存任何发生有利变异的个体,并毁灭在构造上有任何不合宜偏离的个体。

图 1  教育的生物学基础:人类进化的三个特别之处

2.人类智能始于语言,文字延伸到体外成为人工智能

人类学习的历史几乎与生命的历史一样漫长,从猴科到人族经历了数千万年的进化,人脑组织结构不断地适应人的语言能力;人类的智能、知识、文化和文明靠后天习得,靠大脑皮层的支撑,人脑组织结构的进化和后天学习成就了人类智能,如图2所示。现代意义上的AI始于古典哲学家用机械符号处理的观点解释人类思考过程的尝试。1956年达特茅斯会议之后,AI被正式启用,会议上确立了人工智能的研究领域[3]。其实,人工智能的起源可以追溯到很久很久之前,计算机之前就有算盘、计算尺等,让思想、思维、智能离开生命体而独立存在,始于人类发明语言和文字,用语言和文字承载人的思维和智能,反过来人工智能又促进了作为生物的人脑认知能力的进化,可用机器来模拟人的智能。

图 2  人类智能的形成

人类智能始于语言,语言离不开语境、语用、语义和语法。文字的发明过程进一步催生人类更多的想象力,尤其是抽象、联想和交互。200万年前动物人科中的直立人,创造了石头文化,又经过30万年前的智人和3万年前的现代人类文字诞生的漫长演化,人类交流从模仿、姿势、手势、口语、图画,到文字。西亚出现最早的楔形文字[4],古埃及最早的文字是象形文字,大约出现于6000年前,象形文字是表意的,后来演化为表音象形文字。古汉语起源于3000年前,在中国商朝遗址殷墟上发现的甲骨文,有丰富的发音体系,区分辅音与元音。

人类和动物的最本质的区别是人类发明了文字。地球上所有物种,都是依靠自然进化的生物本能,加上自身生命期内有限的实践经验[5]。拓展智能唯有人类不同,一个人在完成了生育之后,他或她对人类这个物种智能的生物学贡献就完成了,但实际上他或她在后来生命期内的智能,如果延伸到体外形成人工智能,对人类的智能发展的贡献依然存在,人类通过语言文字传承知识。语言学家估计地球上有6900多种语言文字。文字的流变有类似的源头,过后形成不同分支。无论图画文字、楔形文字、象形文字、拼音文字、甲骨文字等,不断演化,直到各个学科专业的符号文字(如数学、物理、化学和音乐),甚至发展到计算机编程的语言符号,把各种抽象概念用文字表达出来,把人类的思想、思维、见解、技巧、决策、问题求解等用文字符号表达出来,刻到介质上,印到书本里,放到机器里。生命停止了,文字还存在,特定人的智能还在,群体的智能还在,成为人工智能,成为人类文明。人工智能是人类智能的体外延伸,始于文字。文字是连续语言的离散载体,言之无文,行而不远,行而不久。人类区别于其他生物最基本的特征是用文字表达人的思想、思维、情感,表达智能,成为我们灵魂的解释者,文字可脱离生命体而长期存在,成为环境的一部分,成为人类文化文明的生态,成为认知空间数字化的基础。

3.人类是地球上万千物种中最会学习的物种

教育始于史前时代,世界上最早的学校出现在两河流域的古巴比伦文明中,公元前3500年在古巴比伦苏美尔的苏路珀古城遗址有大量的泥板学生课本和作业,证明两河流域已有读、写、算等基本训练的“泥板书舍”,公元前2100年在两河流域的马里城遗址里一所由一条通道和两个房间(分别可坐20人和45人)组成的学校,使用楔形文字教学。四大文明古国(古埃及、古巴比伦、古印度和中国)均出现最早的学校。公元前2500年的古埃及有宫廷学校,我国在公元前2000多年的夏朝就设有“序”“校”“庠”等专门的公学,还有春秋时期孔子的私学。一个人一生的认知能力发展,尤其是学习的能力,离不开他或她所浸染的教育环境。教育的传播性和传承性可以把人类的智能迅速在时空扩散,这就让人的认知和智能跃上了快车道。在地球生命的历史上,第一次产生了能够利用群体智能和社会文明,通过语言、文字和教育,向后代传播并传承已有的人工智能的唯一物种。

人类不仅可以用语言和文字谈论具体的、实在的事物,还可以在认知空间创造出物理空间并不真实存在的抽象概念。人脑外皮质复杂的神经组织的可重塑能力,形成记忆,为人在本能基础上的二次认知扩张奠定了基础,充满了想象力和创造力,具有学习的本能,知识依靠后天习得。因此,人类是地球上万千物种中最会学习的物种。

4.教育让人的智能发展从“现在进行时”到“现在完成时”

人类智能形成的科学技术成为学校传承学习的主要内容,不仅仅是有监督学习,更是有指导的学习和学生集体的学习,还有强化学习。知识是认知力的食粮,学习培育了人类的继承力、认知力和创造力。没有哪一个物种能像人类一样把一生四分之一的时间用来接受课堂教育,教育的优势是任何地方、任何民族、任何国家所取得的任何新的知识和智能,可以很快成为全人类的共同认知,知识的传播、交流和后天灌输效率高,无需亲自实践,学了就用,迅速共享。这些知识是在地球上生活过的一千多亿人在几万年中形成的社会文明,通过教育把人类创造的累积性知识与精神财富跨代、跨多代传承下去,摆脱了智能单纯通过基因逐代进化的单一渠道,原本依靠生物进化智能的“现在进行时”被添加了一个新的、而且占主导地位的认知渠道,即依靠教育发展智能的“现在完成时”。

读书可以改变一个人,而教育可以改变全人类,智能植根于教育。人类认知革命的起点是发明语言、文字和符号,开创了文化和文明,这些认知是“想象的现实”,使得智能可以脱离生命体而独立存在,进而发明了教育。人类第二次认知革命是探究客观世界、探究物质和能量,发明各种各样的动力工具、传感工具和智力工具。当前人类正进入到人工智能时代,即第三次认知革命,到21世纪中叶,运用脑科学研究成果,研发无意识的类脑智能,形成可交互、会学习、能进化的新一代人工智能,按照人类赋予的意图,一以贯之地服务人类,人类发明能够思维的机器,机器可以被教育,拓展了智能。未来的智慧人类和智能机器迭代发展,要改变环境,改造自己。人类未来也许还会有第四次认知革命,那将是认知生命,涉及到生命伦理,把人工智能反作用到自然界各类生命体之中,进而重新塑造生命,包括人类自身。

二、教育的精髓是促进思维的想象力和创造力

1.与时俱进的教育变革:培养和孕育学生创新的内生动力

人类何以为人类?应该说和其他物种的最大不同,是人类顺应自然的人脑的进化,形成最伟大的发明——教育,并与时俱进地改革教育[6]。文字是思维活动的载体,知识是群体智能的结晶,教育是传承学习的手段,个体智能通过教育获得群体智能,通过传承学习和自主学习反复迭代个体和群体智能,积累下来,使得人类进入了高速发展的智能时代。教育包括传承学习和自主学习,培养用自然语言和各种专业语言思维的能力。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,由外向内,外施内效,带强制性,带引导性;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,由内向外,孕育而生,形成记忆,主体性强[6]。教育中传承学习加自主学习,有监督学习加无监督学习,个体学习加集体学习,这才培育出一个个单体的通用智能,具备思考、分析、解释、解决一般问题的方法和能力,培育了人类的继承力、想象力和创造力。教书是使学生拥有知识,教学是使用知识,教育则是创造知识。

人类智能通过教育不断提升、学习新知识,形成新认知。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。授人以鱼,不如授人以渔,智能时代的教育,是培养学生学校学习、乃至终身学习能力、提升人类认知水平,驾驭机器人“新人类”的能力。在这个过程中,教师也在践行终身学习。从教“书”到教“学”再到教“育”,实际上是从拥有知识到使用知识再到创造知识的过程,这是时代对教育提出的变革要求。此外,在智能时代,终身学习也会作为一种特性,赋予人类制造的机器,机器如人类一样会不断学习并且服务于人类,这也正是新一代人工智能的核心。学习的形态是交互;学习的核心是理解,即可解释可证明;学习的结果是记忆,巩固或微重构已有的记忆网络;学习成为新一代人工智能解释、解决现实问题的基础。当一个个虚拟名师机器人、教练机器人参与到教育活动中,人与机器的协同发展,将有效促进社会文明的进步。

2.思维的核心是抽象、联想和交互

教育培养了我们的思维,思维的核心是抽象、联想和交互。在人的认知空间中,通过计算智能和记忆智能培养认知思维能力,也是我们常说的“精神”;在物理空间中,通过感知智能和行为智能,实现具身交互能力。物理空间与认知空间之间不断循环往复,如图3所示。在物理空间中包括两个重要的感知,即时空识别和目标(模式)识别,时空识别代表位置、导航和时间同步;目标(模式)识别包括目标识别、人脸识别等,是直接感知。学习是解释、解决预设问题的能力。预设问题是现实问题的一个子集,是得到公认的,当问题得到解决后就形成了知识,在学校传承给下一代。机器可以接受指导学习,同时自主学习,把未知变为可知,是解释、解决新问题的基础,解释、解决现实问题是学习的目的,两者相互促进。只有解释、解决预设问题后,解决、解释现实问题的能力才会增强,因此要解决在哪里、怎么做、为什么、是什么这四个问题,认知空间不仅是记忆知识的仓库,更是放飞想象力的天空。

图 3  认知空间与物理空间的关系图

3.机器可作为思维的载体,提升人类思维和认知的想象力

薛定谔提出活细胞的物理观[7],那么如果机器作为生命,就有机器的生命观,我们把它叫作认知的物理学。相对应地,生命的物理层对应机器的物质;生命的生化层对应机器的能量和时钟;生命的生理层对应机器的电子电路和机器指令;生命的心理层对应机器的操作系统和中间件;生命的认知层对应机器的高层软件和数据。生命赖负熵为生,机器里有物质、能量、结构和时间,时钟依赖能量,时间依赖时钟,秩序依赖时间,时间是机器认知的奠基石。结构和时间寄生在物质和能量上,构成硬构体,填补了物质、能量和信息(结构和时间)之间的鸿沟,使得信息和物质难舍难分;而结构和时间是认知空间中虚拟的存在,我们称之为软构体,软构体是思维的要素,支撑形象思维、逻辑(语言)思维和直觉思维,体现人的想象力和创造力。机器自举实现思维自动化,自我复用实现认知自成长,机器运行靠程序,程序靠时序,软件靠交互,时序和交互产生负熵。时钟不停,与外界交互不息,思维和认知不息。人的思维和机器的思维,在数学上是同构的,在物理上是同源的,靠能量支撑,赖负熵为生。因此,机器可以作为思维的载体。

智能机器最重要的一个长项就是暴力思维。举一个简单的例子,公元前200年,阿基米德把1700年前的圆周率精度从3.1提升到3.14,公元500年,祖冲之求得π值为3.141592,总计用了2400年,用图灵可计算模型设计的计算机去算,把圆周率提升到小数点后1012位,仅仅用了70年,如图4所示。机器暴力用足够大替代无穷大,用足够小替代无穷小,可用皮秒(10-12秒)作为时间精度,控制时序周期,递归执行,而作为生物人的大脑,只有毫秒(10-3秒)的生理响应精度,解算指数爆炸的复杂性问题力不能及。如果一张纸可写60行,每行写17位,要10亿张纸才能写完,纸叠在一起,叠高要10万米!所以,机器有超过人的算力,是很正常的,蛋白质折叠预测也好,AlphaGo围棋程序赛过人也好,ChatGPT超强的语言理解能力也好,都没有必要大惊小怪。由此看来,机器暴力思维可与人互补,大大帮助人类提升思维和认知的想象力。

图 4  机器暴力思维帮助人类提升思维和认知想象力

三、人工智能冲击教育的全方位、全要素

人工智能对社会的冲击是全方位的,但对行业的冲击首当教育[8]。人工智能冲击胎教和幼儿教育,冲击中小学教育和职业教育,冲击所有门类专业的通识通修课程教育[9],冲击工作之后的再教育,冲击教育的全方位,无处不在、无时不在。

人工智能还冲击教育的全要素,包括施教者、施教环境和手段、施教对象。在智能时代教育则出现了很大的变化,对于施教者,我们可以用虚拟名师机器人替代教师,老师不再需要为了上课来回奔波;对于施教环境和手段,课本和教室可变为虚拟教室和个性化教学平台,每个人可以在里面做不同的事情;至于施教对象,也发生变化,学生可以是机器人,增加了机器学生——虚拟数字人和实体机器人,怎样培养机器人与时俱进,我们教育工作要不要培养一个银行的机器出纳员或海关的某个岗位人。如果50年之后,50%的课程都是分身的虚拟名师数字人在授课,课堂里有50%的学生和50%的机器人在听课,其余50%的学生在线上听课,那是什么情景啊?所以,人工智能冲击教育是全要素的。

人类认知的历史不是直线发展的,是一个螺旋式周而复始的演进过程。人类的认知和人工智能迭代推进,协同发展,学习怎样学习和学习怎样思考[10],人类社会才被铸成了今天的样子。教育改变着全人类的命运,科学和技术是人类活动的第一推动力。随着人类智能和人工智能的迭代发展,教育有了新的内涵。

语文素养即思维素养,是超学科的。人首当其冲的是语言智能,人类用语言、文字、符号等软构体作为思维载体,让思维脱离生命体植入机器,模拟生命体简单但烦琐的递归计算,形成历史、精神、科技、文化和文明;在文字的锤击下,还锻造出哲学、宗教、法律和人权、国家与政治。科技和人文同源,把语文教学放在文科实在是一个误解。语文承载思维,语文进步思维才提升,人人终身读书,终身语文,拓展思维,放飞想象,知识分子尤甚。

数字名师机器人讲课,教师转为教练、辅导员。有的学科,几十年认知进展不大,趋于成熟和稳定;有的学科,几位杰出人物的认知大大活跃了学科的前沿和发展。因此,几百年来固定时间、地点、人员的学校课堂教育形态受到冲击,各学科教材知识点可灵活装入机器,课堂讲课标准化、模块化,虚拟机器人教师分身教学名师,弱化了学校和学科的时空围墙,涌现“金课”,普及“微课”,淘汰“水课”,虚拟课堂、虚拟仿真实验规模可超大也可超小,虚拟名师讲课将呈现快速普及趋势,一竿子插到底,节省教育成本,促进教学资源均衡化,学生学习的兴趣和自主选择权大大增加。

教机器学习,培训机器接替人的工作岗位。以我们研究无人驾驶为例[11,12],有如下三个循序渐进的环节,如图5所示。首先是驾驶员操作、机器人学习,这是有指导学习;然后是机器人作业、驾驶员干预,这是半/弱指导学习;再是机器人作业、机器人自学习,这是自主学习,且从后往前的反馈是多次反复的,转换带有不确定性,有时回到有指导学习,有时回到半/弱指导学习。有指导的学习包含先入为主、赋予任务、引导、释疑、解惑、交互认知、监督等;自主学习是把指导学习的结果转为长期记忆的重要环节。由此可见,培训机器接替人的工作岗位不是一个轻松的任务。前几年无人驾驶被过分关注L0到L5的自动化等级,把自动驾驶看作是自动化工程,却忽视了机器驾驶脑的自学习和自成长,只有不断地学习和迭代,它才会成为好的机器驾驶员。

图 5  培训机器接替人的工作岗位的学习过程——以无人驾驶为例

考试、考核、评估的图灵测试[13]常态化、个性化。人工智能促进了传统考试、考核、评估的模式变革,以商汤“元萝卜”机器人为例的图灵测试,内置了26关难度的棋力对战,设有100多个残局应对,自主观察棋局变化,推算走棋招数,取棋落子,拥有毫米级操作精度,秒级时间响应,“手眼”协同,走法干净,节奏紧凑,是一个非常好的对手和陪练,可用来为人类棋手评级,拥有国家体育总局中国象棋协会权威认证,支持16-13级象棋等级评测,而社会未来的各类职业资格考试,都将要发生改变,包括全民关注的高考。

人与机器互教互学,协同创新。思维的核心是抽象、联想和交互,更多的是软构体的创立和连接。机器越来越多地取代人类曾经的许多智力和技巧工作。教机器学习、作业,和机器一同学习、作业,将成为人们生活和工作的常态。学习的结果是去微调机器里的长期记忆,即微调人工智痕元胞的网络拓扑,自主学习是把工作记忆转化为长期记忆的重要环节,可喜的是机器可以大批量复制,而且机器自身又可以持续学习。与机器交互,人教机器,机器教人,协同创新,总有一天会大范围出现机器名师数字人分身人类教师,机器工程师创造出新材料配方,机器科学家提出新的假设,驱动产生新的科学发现。

四、结论

读书改变一个人,教育改变全人类。我们从曾经的人工智能符号主义学派[14]那里发展了“抽象”,从连接主义学派那里发展了“联想”,从行为主义学派那里发展了“交互”,创造能思维的机器。于是,智能机器之于人类智能,如同曾经的书籍之于思想家、望远镜之于天文学家、显微镜之于生物学家,机器用软构体延伸和拓展了人的思维(记忆智能和计算智能),不但把人从繁重的重复性劳动中解脱出来,更好地符合相应工作岗位规范化要求(具身智能),更重要的是可以暴力思维,人与机器互教互学,人机交互协同创新,机器和科学家、工程师可一同做出发明、发现和创造,至于是不是机器做出的创造,人们已经不再计较。智能时代的教育改革问题已经很迫切地摆在全人类的面前了,让我们迎接这场学习的革命吧!

(致谢:本文撰写过程中, 得到教育部副部长陈杰院士,中国人工智能学会理事长戴琼海院士,北京工业大学副校长乔俊飞教授,北京联合大学原副校长鲍泓教授,北京联合大学外语部主任张殿恩教授,首都师范大学原副校长周建设教授和中国人工智能学会中小学工作委员会秘书长袁中果特级教师的支持和帮助, 在此表示最诚挚的感谢。北京联合大学汪成、吴祉璇,北京工业大学许根宝等参与论文资料整理,在此一并感谢。)

参考文献

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[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(5):5-10.

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[12]LI D,MA N,GAO Y.Future vehicles:learnable wheeled robots[J].Science China information sciences,2020,63(9):255-262.

[13]李德毅. Interactive Cognition——从图灵测试的漏洞谈开去[J].机器人产业,2016(5):12-22.

[14]罗素,诺维格. 人工智能:一种现代的方法(第三版)[M].殷建平,祝恩,刘越,等译.北京:清华大学出版社,2013:16-25.

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