人工智能教學：探索學習新前沿（簡體書）

《人工智能教學――探索學習新前沿》關注的是在人工智能時代學校如何培養學生以適應未來的需要，AI給教育帶來了哪些挑戰，以及作為教育工作者如何應對這些問題。作者以全球化的視角，通過大量翔實的資料、與世界各地人工智能領域的專家以及教育專家的對話和豐富的AI應用案例，向我們展示了AI在教育中應用的場景、內容、方法和策略，並探討了如何對學習者進行AI教育，如何教會學生應用AI與周圍的環境進行互動並從中學習，以及如何運用人工智能進行設計思維的培養和開展STEAM教育等。本書在大中小學開展人工智能教學、促進人工智能與學科教學的融合創新、提高教師的人工智能素養以及培養學生運用人工智能解決問題的能力等方面具有重要的參考價值。

作者簡介
米歇爾•齊默爾曼（Michelle Zimmerman）是華盛頓大學教育學院學習科學與人類發展專業博士，微軟創新教育專家，她曾擔任美國倫頓基督教預備學校校長，致力於把學科科學研究成果運用到混合式真實學習環境下的教學實踐中，使學生在這種環境中學習成長為有經驗的教師和研究者。該校自2015年以來就被微軟公司遴選為示範學校，並於2018年9月被評選為全美首家K-12微軟旗艦學校。她積極與教育工作者、管理者和決策者交流與對話，探索人工智能對教育領域的影響，並在實踐中利用人工智能作為提升教學的強大工具，開發有效的學習策略，為教育工作者和學生們提供強有力的支持

譯者簡介
柴少明，教育技術學博士，教授，華南師範大學阿伯丁數據科學與人工智能學院副院長，加拿大多倫多大學安大略教育研究院訪問學者。研究方向為信息化教育、學習科學與技術、知識建構和人工智能教育應用等。主持和參與多項國家級、省部級等研究課題。在國內外核心期刊上發表三十多篇學術論文，在科學出版社出版學術專著兩部，在華東師範大學出版社出版譯著一部。主持一門國家級和兩門省級線上線下混合式一流課程建設。曾獲“華南師範大學教學名師” 等榮譽稱號。

ChatGPT的出現發出了一個信號，人工智能已經離我們很近了，其真正融入我們的生活和教育中，可能只需很短暫的時間。未來的教育形態一定是“人工智能＋教育”，這已經被廣泛認可。對於這樣的未來，教師要做的不是去擔憂是否會被人工智能取代，而是如何培養學生使其更好地生活在充滿人工智能的世界，以及如何運用人工智能進行更智能而不是更努力的教學。本書通過展示已有的AI在教學中的運用，幫助教育工作者理解如何使用人工智能來增強教學能力、支持學生的學習，以及在使用人工智能時，應考慮的倫理道德和安全問題。
本書為米歇爾·齊默爾曼博士應國際教育技術協會邀請而作。

譯者序
本書是關於人工智能的發展及其在教育教學中的應用的專著，從英文版問世到中文版即將出版，已經過去四年。其間人工智能技術的發展可謂是日新月異，甚至出現了具有革命性影響的技術產品。美國人工智能公司OpenAI於2022年11月30日發佈了一款人工智能技術驅動的自然語言處理工具——全新的聊天機器人模型ChatGPT。該工具一經發佈便在互聯網上掀起了一場風暴，幾乎一夜之間引起了全世界的關注。ChatGPT的活躍用戶在其發佈的1個月內便達到了1億人，這使其成為史上用戶增長最快的消費者應用程序。而這個記錄國際版抖音（TikTok）用了9個月，臉書（Facebook）用了54個月，推特（Twitter）則用了長達60個月。ChatGPT作為一種基於大規模語言模型的人工智能技術驅動的聊天工具，能夠模擬人類的語言行為，與用戶進行自然的交互。它能夠通過理解和學習人類的語言來進行對話，並能根據聊天的上下文進行互動，真正像人類一樣來聊天交流。它甚至還可以完成撰寫郵件、視頻腳本、文案、代碼，以及翻譯和寫論文等任務。比爾·蓋茨評價ChatGPT稱，這種人工智能技術出現的重大歷史意義，不亞於互聯網和個人電腦的誕生，它是人工智能技術領域的一次真正革命。相關研究顯示，ChatGPT具有人類心智，這也標誌著人類將進入到認知智能階段。因此，以ChatGPT為代表的人工智能技術將會給社會各領域帶來巨大的變化，引領新一輪的互聯網革命。OpenAI公司首席執行官山姆·奧特曼(Sam Altman)則聲稱，未來幾十年裡所有重複性的工作，只要是不需要兩人之間有深度情感交流的工作，都會被AI做得更好、更快，並且成本更低，因此他相信AI將有可能取代所有的白領工作。AI也是變革教育的重要力量，人工智能與教育教學的深度融合，是新時代教育信息化最重要的特徵之一。未來的教育形態一定是“人工智能+教育”，這已經被廣泛認可。自ChatGPT推出之後，連續有人在《大西洋月刊》（The Atlantic）上撰文指出這種人工智能給學校教育工作者帶來了巨大的挑戰，而“人們還沒有為人工智能將如何改變學術界做好準備”。那麼，AI將會給教育帶來怎樣的挑戰和機遇呢？教師將如何應對AI時代的教育？教師如何將AI技術應用於教學中，以培養學生適應未來社會的能力？這都是每一個教育工作者應該關注的問題。本書著眼於探討這些問題，重點闡述了什麼是人工智能，它是如何工作的，對未來的教育有哪些影響，並通過案例和故事等生動而立體地展示了教育工作者如何運用人工智能來幫助學生更好地為適應與日俱增的人機互動世界做好準備。
作者米歇爾·齊默爾曼（Michelle Zimmerman）是美國華盛頓大學學習科學與人類發展博士，倫頓基督教預備學校的校長。她長期關注信息技術，特別是人工智能在教育教學中的運用，並把自己的研究應用於混合式真實學習環境下的教學實踐中，引導學生在這種環境中學習，進而成長為有經驗的教師和研究者。自2015年起，她領導的學校就被微軟公司遴選為信息技術教育創新應用示範學校，並於2018年9月被評選為全美首家K12微軟旗艦學校。同時，她本人也是是微軟創新教育專家，曾獲得微軟最有價值專家稱號。在本書中，作者以全球化的視角，通過大量翔實的資料、與世界各地人工智能領域專家以及教育專家的對話，以及豐富的AI教育應用案例，向我們展示了AI在教育中應用的場景、內容、方法和策略，並探討了如何對學生進行AI教育以及如何教會學生應用AI與周圍環境進行互動和學習。同時，本書還幫助教育工作者深入理解如何使用人工智能來增強人類的能力。
本書作者首先關注的一個重要問題是，在AI時代我們應該如何培養學生才能使他們適應未來，AI給教育帶來了哪些挑戰以及作為教育工作者要如何應對這些問題。作者以國際教育技術協會所制定的學生標準為依據，提出AI時代應該培養學生成為賦能學習者、數字公民、知識建構者、創新設計者、計算思維者、創意傳播者和全球合作者。這些標準旨在為學生參與人工智能實踐奠定堅實的基礎，並為教育教學指明方向。人工智能可能會取代許多重複性的、機械性的工作，具有認知智能的技術還有很大可能取代許多白領工作，但是人工智能在可見的未來不會取代那些需要批判性和創造性的工作。人類所從事的包含思維的靈活性和創意性的工作，如藝術、文學、音樂等工作，是人工智能所無法替代的。同時人性中所具有的善良、同理心和愛心也是人工智能或機器人所不具備的，這是未來教育教學的核心所在。作者列出了支持學生未來職業所需的學習能力，重點包括批判性思維、問題解決能力、溝通與協作能力、創造力、自我認識和管理能力、情緒智能等。美國教育專家、東北大學校長約瑟夫·奧恩(Joseph Aoun)也提出，我們有責任讓學生思考如何為即將到來的智能機器時代做好準備，以及如何改變角色以適應未來的工作。為此，他提出了一門新的學科——“Humanics”（人類學），旨在培養學生的數據素養、技術素養和人文素養，以使他們具備在未來勞動力市場中與智能機器協同合作的能力。奧恩認為，當AI世界開啟，計算機能夠自己編程時，教育工作者要集中精力教授那些機器人永遠無法學會的技能，如批判性思維和系統性思維，最重要的是創造力。這與本書作者提出的能力有很多相似之處。毫無疑問，人工智能時代，教育工作者需要重新思考教育的目標，重構課程和教學內容，重建教學和評價模式，更需新的教育理念和方法，以培養學生的這些能力與素養，為將來做好充分的準備。
作者探討的第二個問題是教師如何應用人工智能進行教學。其核心理念是把AI融入到課程教學中，這和我國《教育信息化2.0行動計劃》所倡導的信息技術與學科深度融合的理念一致。將人工智能整合到課程教學中，首先要設定額外的、高階的教學目標，關注學生高階思維的發展和核心素養的培養。這裡的教學目標就是國際教育技術協會提出的學生標準，同時也要考慮奧恩提出的素養和能力。教育部于2022年4月印發《義務教育課程方案和課程標準(2022年版)》，提出了要培養學生的學科核心素養。人工智能與學科教學融合就是要培養學生的核心素養，包括教師如何引導學生運用AI解決真實的、複雜的問題，發展學生的批判性思維和創造性思維等，幫助學生樹立正確的價值觀。具體到教學方法，書中提到，有專家建議“將技術融入課堂始于教師使用技術，以有意義和相關的方式準備課程，使用技術來支持課程，而不是主導課程”。作者通過案例探討了如何運用人工智能進行設計思維的培養、開展STEAM教育和基於項目的學習活動。這為我們教師運用人工智能技術開展創新型教學提供了參考。作者也鼓勵教師根據實際情況，運用恰當的人工智能技術開發合適的教學方法。需要注意的是，教師需要轉變對AI角色的認識，技術不是用來輔助教師的教學，也不是用來替代教師的教學，而是作為教師協同工作的夥伴，充當教學助手和虛擬導師，發揮其獨特的作用，與教師自身獨特的優勢結合起來，共同指導學生的學習。人工智能技術還可以通過分析大量數據，為教師提供更加有針對性的教學方法，並使得學生更加投入學習。此外，人工智能技術能幫助學生發掘興趣愛好，並為學生提供有意義的學習體驗。教師應該把AI工具交給學生，將其作為學生學習的夥伴，讓學生應用智能工具進行自主、合作和探究學習。同時，教師也應該與學生在一起，給予他們指導、鼓勵和溫暖，鼓勵他們接受失敗和挫折，並超越機器人。ChatGPT作為智能聊天機器人，能夠模擬人類的語言行為，與用戶進行自然的交互。教師可以與它合作開展對話教學，也可以將它作為個性化的教學工具，引導學生與它進行對話學習。人工智能使得教學變得更加個性化。因此，有專家建議“學校應該深思熟慮地將ChatGPT作為一種教學輔助工具，一種可以釋放學生創造力、提供個性化輔導，並讓學生準備好成年後與AI系統一起工作的輔助工具”。這無疑為人工智能在教學中的創新應用提供了新的思路和方法。
作者探討的第三個問題是人工智能如何支持學生的學習。這個問題的關鍵之一是要弄清楚要支持什麼樣的學習，即對學習本質的理解。作者指出學習是一個社會與文化的過程，這是指學習的社會屬性，同時學習也是一個心理的認知過程。學習科學方面的研究成果表明，學習是一個發展性的、建構性的過程。因此要運用AI來支持學生進行自主的、協作探究性的學習，讓學生在AI所創設的情境中解決問題，建構新知識，並發展思維。教師指導學生運用AI進行創造性的學習，目的是要培養他們的高階思維和核心素養，而不是像傳統教學那樣灌輸大量的知識，讓學生通過死記硬背和刷題等強化訓練來提高成績。有研究指出，大多數所謂的人工智能在教學中的應用都十分關注於內容呈現和理解測試。此類人工智能應用通常採取行為主義的學習模式，即呈現—測試—反饋。這使得人工智能工具只起到強化知識記憶和技能訓練的作用，並沒有達成高階思維培養的目標。清華大學錢穎一教授在2018年的一次演講中指出，“未來的人工智能會讓在我們的教育制度下培養的學生的優勢蕩然無存”。像ChatGPT這樣的人工智能技術最擅長的就是考試和訓練，在ChatGPT發佈僅4個月後，即北京時間2023年3月15日，OpenAI發佈GPT-4。GPT-4在GRE數學考試中可以考163分（滿分170分），超過80%的考生；在GRE英語（閱讀與填空）考試中，GPT-4可以考169分（滿分170分），超過99%的考生。因此，在傳授知識和訓練技能方面，AI技術可以完全替代教師，但它卻無法代替教師指導學生進行個性化學習，培養學生的高階思維，以及訓練大腦的思考。作者通過案例介紹了AI支持學生的個性化學習、差異化教學和STEAM教育，從而培養學生的設計思維和系統思維等能力。在這一點上，新的具有認知智能的技術可以作為學生的學習夥伴或助手，支持學生的個性化學習、協作探究性學習。同時，學生可以運用AI來評估自己的學習進度，並通過自適應學習來提高自己的學習效率。教師要引導學生創造性、批判性和研究性地使用AI，並確保學生道德性地使用AI，最後一點正是本書作者在第六章所討論的問題。
作者關注的第四個問題是教師和學生在使用AI中的倫理道德以及安全問題，主要包括失控、隱私泄漏、網絡欺淩和網絡攻擊等。這就要求教師不但在使用AI中關注這些問題，還要引導學生注意保護自己的隱私，正確判斷並避免網絡欺淩和網絡攻擊等，同時要有道德地、富有同理心地使用AI。蘋果公司首席執行官蒂姆·庫克(Tim Cook)在麻省理工學院2017年的畢業典禮上發表演講時曾指出：“我所擔心的並不是人工智能能夠像人一樣思考，我更擔心的是人們像計算機一樣思考，沒有價值觀，沒有同理心，沒有對結果的敬畏之心。”就在GPT-3.5發佈兩個多月後的2023年2月14日，美國密歇根州立大學發生了3人死亡、5人受傷的嚴重校園槍擊案。而該學校發佈的哀悼電子郵件竟然是由機器人代寫的，這立刻引起了師生的強烈反感，他們認為本該由人類進行的思考和該由人類表達的悼念，竟然被一篇由AI寫成的毫無感情、陳詞濫調的文章所代替了，這反映了學校管理者的草率、冷漠和無情。隨後該學校的負責人向媒體道歉說，她“對密歇根州立大學的人員傷亡深感悲痛”，並“深感不安，因為我們學校在這個悲痛的時刻並沒有表現出同理心”。可見符合道德地使用AI也要成為學校教育的內容。機器人是沒有同理心的，只有人類才有。作者也在書中指出，我們不能忽視道德、原因和後果。要關注這些問題，我們就需要教授同情心和換位思考。有意思的是，當人們問ChatGPT“如果你能以一種方式改變世界你會怎麼做？”時，它的回答是：“如果我能以一種方式改變世界，我會努力促進更多的人與人之間的理解和同理心。我相信，如果我們能夠學會從他人的角度看世界，並以同情和尊重的態度對待彼此，我們今天面臨的許多問題，如衝突、不平等和歧視都可以減少甚至消除。”
人工智能在教學中應用的另一個需要關注的問題是作弊和剽竊問題。有調查表明，89%的美國大學生用ChatGPT寫作業。紐約大學的教授警告說，使用AI完成作業就是剽竊。為此，紐約大學在其課程教學大綱的“學術誠信”部分已經明確規定把使用AI完成作業視為作弊行為，且明令禁止。有專家指出，ChatGPT已經開始衝擊全球教育業，並可能帶來法律、安全、倫理風險，甚至滋生犯罪。有的教育工作者甚至認為ChatGPT成為了抄襲和作弊的利器，因此有些國家和地區的大學禁止使用ChatGPT進行寫作和考試，如美國一些學校禁止在學校設備和互聯網上使用該工具，理由是擔心濫用。但有的國家則採取積極的態度，如新加坡政府公開表示支持在其教育系統中使用ChatGPT，並計劃將ChatGPT的使用逐步納入學校和高等教育的教學中。同時，強調教師在新時代引導學生“發掘、提取、判斷”信息的重要性。芬蘭則將ChatGPT視為“大學教學變化的機會”。作為教師和學生，應該積極擁抱人工智能技術，有效地、創造性地將其運用到教學中，作為助手、導師、探究工具與知識建構工具來支持和促進學生有意義的、面向高階思維與核心素養的學習。同時，國家也要出臺相關的管理和監督制度，教師也應該積極引導學生在使用時形成良好的道德，既要符合倫理道德和學術規範，也要主動保護自己的安全和隱私，讓人工智能在教育中最大限度地發揮其作用。
當我想把這本書翻譯成中文介紹給中國讀者時，我試著與本書作者聯繫，我在網上查找到了她的社交媒體聯繫方式，並多次給她留言，但一直沒有得到回復。後來好不容易查到她的郵箱，我立即給她寫了郵件，表達了想要把她的書翻譯成中文的願望。經過一段時間的等待，我終於收到了她的回復，才得知她在社交媒體上一直沒有回復的原因，原來是在新冠病毒肆虐時，為了預防感染該病毒，她接種了新冠病毒疫苗，但產生了嚴重的副作用，導致她的視覺受到嚴重損傷，中樞神經也受損了，影響了語言中樞，因此她講話比較困難。但她表示很高興這本書能夠在中國出版，並十分願意為本書寫中文版序。在此過程中，她克服了語言障礙，借助人工智能的語音轉文本以及計算機視覺工具，終於寫完了序言。一方面，我們向齊默爾曼博士表達深深的感謝和敬佩之情，她在身體不便的情況下仍然堅持完成了序言的寫作；同時，我們也可以看到人工智能給有特殊需要的人提供了多麼重要的幫助。很難想像，如果沒有人工智能的支持，她是否能夠完成這樣的讀寫任務。AI工具在她的視覺和語音康復中發揮了不可替代的作用，我們祝願她早日康復。
為了能引起中國讀者的共鳴，齊默爾曼博士專門在中文版序中以李白的《靜夜思》為引子。同時，她也想借此表達雖然我們進入了人工智能時代，但詩歌中所表達的人類所特有的情感，如思鄉、孤獨，是人工智能、機器人所沒有的。人工智能沒有意識，沒有溫度，更沒有同理心，而我們的教育則需要培養學生的愛心和同理心，幫助學生吸收傳統文化，引導學生積極向善。作者希望作為教育工作者，我們應該思考教育的目標是什麼，希望學生能夠做什麼，能夠成為什麼樣的人。這些是我們教育工作者在人工智能時代所需要深思的問題，也需要我們在實踐中用創新的理念和方法來回答這些問題。
在本書的翻譯中，參加我教授的2021級的教育技術專業“博士專業英語”課程的博士生舒文蘭、王姝莉、鮑婷婷、陳浩、吳劍南承擔了部分章節的翻譯和校對。我的博士生李作錕、碩士生陳佳藝和曹冰雪校對了部分章節，在此一併感謝。
要特別感謝華東師範大學出版社教育心理分社彭呈軍社長的大力支持，從書的版權取得、翻譯指導到排版等，彭社長都給予了專業的指導。出版社責任編輯王丹丹老師非常認真地校對了整個文稿，並提出了許多寶貴的建議和意見。在整個出版流程中，她確保每一個細節都得到了妥善的處理，使得本書得以順利出版，以饗讀者。
限於譯者的水平，翻譯不盡符合中文習慣，難免有錯誤和不妥之處，懇請讀者批評指正，以便修訂和完善。

柴少明
2023年4月20日

目 錄

緒 論
本書為誰而作？
如果你是AI新手
如果你有豐富的人工智能經驗
為什麼你應該讀這本書？
視角
方法
國際教育技術協會（ISTE）學生標準
公平和道德
你可以期望從本書中發現什麼

第一章 人工智能是什麼？
探尋人機交互
AI是什麼？不是什麼？
個人助理
聊天機器人
語言翻譯器
面部識別
可訪問性
自動駕駛汽車
AI創新應用
AI以及它對人類意味著什麼
AI歷史
在自己的遊戲中擊敗人類
當前的AI季節：如何使用AI
AI與醫學領域跨學科團隊
IBM沃森
米婭學習

第二章 為學生的未來做準備
與專家對話
比較人類學習與AI
AI機器學習是如何工作的
使機器學習更複雜
AI應用對未來職業的影響
皮克斯動畫工作室
材料科學和工程
國防領域
美國國防部先進研究項目局教育項目
生物醫學進步帶來的通達性
道德考慮
ISTE學生和教師標準

第三章 運用AI的教學方法
茶道與設計思維
AI融合在現有課程中
將我們所知的AI知識應用於教育中
AI語言和詞匯
靈活性
道德
文化
在一個快速發展的領域中教學
“高接觸和高科技”學習
設計思維
設計中的發散思維
視覺思維：在機器學習中支持設計思維的策略
STEAM與藝術
STEM學習情境下的AI教學
STEM和用種子講故事
如何看待這一單元中的STEM
展示ISTE學生標準
下一代科學標準
基於項目的學習
我從哪裡開始？
總之：不要相信任何人的話

第四章 人工智能如何支持學生學習
用故事講述和AI開拓視野
人機交互和STEM學習的基礎
學習是一個社會和文化的過程
故事講述和為AI做準備
個性化學習
差異化教學
機器人技術
STEM職業中的多樣性和性別平等
人人適合STEM
反思STEM職業中的多樣性
STEM職業中的頭髮和多樣性

第五章 AI如何支持教師
智能工作，而不是努力工作
設置自動化任務以解放教育工作者的時間
在社會文化學習中起重要作用的人類視角
數據挖掘
評價
人工智能、機器學習和人機交互的增強支持的成功
制定更智能的而不是更努力的路線圖
藝術、音樂和AI
音樂課堂的混合型工具
藝術評價的作品集工具
數字時代的學徒制
AI增強支持教育工作者
教師可以為AI增強添加什麼
教師的重要性：AI增強體育課的教學案例
開發聊天機器人
全球教育工作者如何看待自己在AI教育中的角色
正頭英和（日本）
普提·拉戈帕拉（南非）
南青吳（越南）
安傑利基-帕帕（希臘）

第六章 道德考量
一個生病的嬰兒和那個沒有躲在報紙後面的男孩
AI人性的一面
失去控制
失去隱私
在線隱私
面部和語音識別
網絡欺淩
網絡攻擊
法律和法律制度
遊戲和流氓AI
就業市場的變化

結論 我們可以提供什麼：求真務實
缺陷和失敗

術語表
參考文獻
2016年國際教育技術協會學生標準