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作者簡介：李德毅，中國工程院院士，國際歐亞科學院院士，中國人工智能學會名譽理事長，軍事科學院研究員，清華大學博士生導師；馬楠，北京工業(yè)大學教授，智能感知與自主控制教育部工程研究中心副主任，中國人工智能學會副秘書長，博士生導師。通訊作者：馬楠。

原文即將刊載于《高等工程教育研究》2023年第三期。

最近這幾年，許多教育工作者懷著極大的熱情，擁抱人工智能，討論人工智能如何賦能教育，尤其是用機器學習的成果來改善教學手段，提高學習效率，減輕教師負擔。作為人工智能領域的長期工作者，筆者想從另外一個角度，從人工智能的角度看教育，說清機器為什么能夠思維、如何思維，人類在有了智能機器（人）之后，如何推動教育與時俱進。

1.自然進化奠定了教育的生物學基礎

自然進化并沒有過分關照人類，那人類是怎么在這么短的一個時期內一下子就站到了全球的霸主地位了呢^[1]？看看魚鷹如何捕魚的，蜜蜂如何筑巢的，蟻群如何挖穴的，蜘蛛如何織網(wǎng)的，老虎如何運動和捉拿的，黑猩猩如何創(chuàng)造和使用工具的，其智能都讓人類嘆為觀止。和其他生物智能相比，人眼只能看到可見光，人耳聽不到超聲波，寵物識別主人的能力亦或超過主人識別寵物，自然進化的本質是物種的多樣性，適者生存的進化法則并沒有過分關照人類。那么，人類進化的特別之處在哪里呢？

經(jīng)歷了幾百萬年，人類進化的特別之處體現(xiàn)在三個方面：第一，人類從早期的爬行動物進化到直立行走的猿人的過程中，解放了雙手，學會制造工具并進行勞動，與其他生物相比人類有一雙靈巧的手；第二，人類的聲帶發(fā)音和耳蝸聽力精細神奇，語言能力強，還可以用復雜精致的語音區(qū)分是誰在講話；第三，人類具有復雜的大腦，首先是腦干部分，它是整個身體調節(jié)的核心，并且有意識。待進化到哺乳動物的時候，高等生物有了情感，在意識區(qū)和情感區(qū)基礎上，大腦外皮層暴長，體積約300cm³，其表面積為2200～2850cm²，含近千億個活動神經(jīng)細胞，九千億個膠質量細胞，成為獨一無二的人類認知特質，如圖1所示。自然進化給了教育的生物學基礎。人類基因中只有30億個堿基對，基因決定神經(jīng)元的連接規(guī)則或者模式，并不指定神經(jīng)元的連接強度，而人腦有大概860億個神經(jīng)元，平均每個神經(jīng)元有1000個左右的連接，因此基因沒法完全指定每個神經(jīng)元的連接方式和強度，這就為后天的可重塑留下了空間。教育，尤其是早期教育，塑造一個人的認知。和其他生物相比，自然選擇、物競天擇、適者生存^[2]，形成了復雜精致的人類大腦，代價是需要漫長時間來進化，是千萬年用生與死的世代更替，保存任何發(fā)生有利變異的個體，并毀滅在構造上有任何不合宜偏離的個體。

圖 1  教育的生物學基礎：人類進化的三個特別之處

2.人類智能始于語言，文字延伸到體外成為人工智能

人類學習的歷史幾乎與生命的歷史一樣漫長，從猴科到人族經(jīng)歷了數(shù)千萬年的進化，人腦組織結構不斷地適應人的語言能力；人類的智能、知識、文化和文明靠后天習得，靠大腦皮層的支撐，人腦組織結構的進化和后天學習成就了人類智能，如圖2所示。現(xiàn)代意義上的AI始于古典哲學家用機械符號處理的觀點解釋人類思考過程的嘗試。1956年達特茅斯會議之后，AI被正式啟用，會議上確立了人工智能的研究領域^[3]。其實，人工智能的起源可以追溯到很久很久之前，計算機之前就有算盤、計算尺等，讓思想、思維、智能離開生命體而獨立存在，始于人類發(fā)明語言和文字，用語言和文字承載人的思維和智能，反過來人工智能又促進了作為生物的人腦認知能力的進化，可用機器來模擬人的智能。

圖 2  人類智能的形成

人類智能始于語言，語言離不開語境、語用、語義和語法。文字的發(fā)明過程進一步催生人類更多的想象力，尤其是抽象、聯(lián)想和交互。200萬年前動物人科中的直立人，創(chuàng)造了石頭文化，又經(jīng)過30萬年前的智人和3萬年前的現(xiàn)代人類文字誕生的漫長演化，人類交流從模仿、姿勢、手勢、口語、圖畫，到文字。西亞出現(xiàn)最早的楔形文字^[4]，古埃及最早的文字是象形文字，大約出現(xiàn)于6000年前，象形文字是表意的，后來演化為表音象形文字。古漢語起源于3000年前，在中國商朝遺址殷墟上發(fā)現(xiàn)的甲骨文，有豐富的發(fā)音體系，區(qū)分輔音與元音。

人類和動物的最本質的區(qū)別是人類發(fā)明了文字。地球上所有物種，都是依靠自然進化的生物本能，加上自身生命期內有限的實踐經(jīng)驗^[5]。拓展智能唯有人類不同，一個人在完成了生育之后，他或她對人類這個物種智能的生物學貢獻就完成了，但實際上他或她在后來生命期內的智能，如果延伸到體外形成人工智能，對人類的智能發(fā)展的貢獻依然存在，人類通過語言文字傳承知識。語言學家估計地球上有6900多種語言文字。文字的流變有類似的源頭，過后形成不同分支。無論圖畫文字、楔形文字、象形文字、拼音文字、甲骨文字等，不斷演化，直到各個學科專業(yè)的符號文字（如數(shù)學、物理、化學和音樂），甚至發(fā)展到計算機編程的語言符號，把各種抽象概念用文字表達出來，把人類的思想、思維、見解、技巧、決策、問題求解等用文字符號表達出來，刻到介質上，印到書本里，放到機器里。生命停止了，文字還存在，特定人的智能還在，群體的智能還在，成為人工智能，成為人類文明。人工智能是人類智能的體外延伸，始于文字。文字是連續(xù)語言的離散載體，言之無文，行而不遠，行而不久。人類區(qū)別于其他生物最基本的特征是用文字表達人的思想、思維、情感，表達智能，成為我們靈魂的解釋者，文字可脫離生命體而長期存在，成為環(huán)境的一部分，成為人類文化文明的生態(tài)，成為認知空間數(shù)字化的基礎。

3.人類是地球上萬千物種中最會學習的物種

教育始于史前時代，世界上最早的學校出現(xiàn)在兩河流域的古巴比倫文明中，公元前3500年在古巴比倫蘇美爾的蘇路珀古城遺址有大量的泥板學生課本和作業(yè)，證明兩河流域已有讀、寫、算等基本訓練的“泥板書舍”，公元前2100年在兩河流域的馬里城遺址里一所由一條通道和兩個房間（分別可坐20人和45人）組成的學校，使用楔形文字教學。四大文明古國（古埃及、古巴比倫、古印度和中國）均出現(xiàn)最早的學校。公元前2500年的古埃及有宮廷學校，我國在公元前2000多年的夏朝就設有“序”“?！薄扳浴钡葘ｉT的公學，還有春秋時期孔子的私學。一個人一生的認知能力發(fā)展，尤其是學習的能力，離不開他或她所浸染的教育環(huán)境。教育的傳播性和傳承性可以把人類的智能迅速在時空擴散，這就讓人的認知和智能躍上了快車道。在地球生命的歷史上，第一次產(chǎn)生了能夠利用群體智能和社會文明，通過語言、文字和教育，向后代傳播并傳承已有的人工智能的唯一物種。

人類不僅可以用語言和文字談論具體的、實在的事物，還可以在認知空間創(chuàng)造出物理空間并不真實存在的抽象概念。人腦外皮質復雜的神經(jīng)組織的可重塑能力，形成記憶，為人在本能基礎上的二次認知擴張奠定了基礎，充滿了想象力和創(chuàng)造力，具有學習的本能，知識依靠后天習得。因此，人類是地球上萬千物種中最會學習的物種。

4.教育讓人的智能發(fā)展從“現(xiàn)在進行時”到“現(xiàn)在完成時”

人類智能形成的科學技術成為學校傳承學習的主要內容，不僅僅是有監(jiān)督學習，更是有指導的學習和學生集體的學習，還有強化學習。知識是認知力的食糧，學習培育了人類的繼承力、認知力和創(chuàng)造力。沒有哪一個物種能像人類一樣把一生四分之一的時間用來接受課堂教育，教育的優(yōu)勢是任何地方、任何民族、任何國家所取得的任何新的知識和智能，可以很快成為全人類的共同認知，知識的傳播、交流和后天灌輸效率高，無需親自實踐，學了就用，迅速共享。這些知識是在地球上生活過的一千多億人在幾萬年中形成的社會文明，通過教育把人類創(chuàng)造的累積性知識與精神財富跨代、跨多代傳承下去，擺脫了智能單純通過基因逐代進化的單一渠道，原本依靠生物進化智能的“現(xiàn)在進行時”被添加了一個新的、而且占主導地位的認知渠道，即依靠教育發(fā)展智能的“現(xiàn)在完成時”。

讀書可以改變一個人，而教育可以改變全人類，智能植根于教育。人類認知革命的起點是發(fā)明語言、文字和符號，開創(chuàng)了文化和文明，這些認知是“想象的現(xiàn)實”，使得智能可以脫離生命體而獨立存在，進而發(fā)明了教育。人類第二次認知革命是探究客觀世界、探究物質和能量，發(fā)明各種各樣的動力工具、傳感工具和智力工具。當前人類正進入到人工智能時代，即第三次認知革命，到21世紀中葉，運用腦科學研究成果，研發(fā)無意識的類腦智能，形成可交互、會學習、能進化的新一代人工智能，按照人類賦予的意圖，一以貫之地服務人類，人類發(fā)明能夠思維的機器，機器可以被教育，拓展了智能。未來的智慧人類和智能機器迭代發(fā)展，要改變環(huán)境，改造自己。人類未來也許還會有第四次認知革命，那將是認知生命，涉及到生命倫理，把人工智能反作用到自然界各類生命體之中，進而重新塑造生命，包括人類自身。

1.與時俱進的教育變革：培養(yǎng)和孕育學生創(chuàng)新的內生動力

人類何以為人類？應該說和其他物種的最大不同，是人類順應自然的人腦的進化，形成最偉大的發(fā)明——教育，并與時俱進地改革教育^[6]。文字是思維活動的載體，知識是群體智能的結晶，教育是傳承學習的手段，個體智能通過教育獲得群體智能，通過傳承學習和自主學習反復迭代個體和群體智能，積累下來，使得人類進入了高速發(fā)展的智能時代。教育包括傳承學習和自主學習，培養(yǎng)用自然語言和各種專業(yè)語言思維的能力。傳承學習是培養(yǎng)接受知識和運用知識的能力，運用顯知識，適應生態(tài)文明，由外向內，外施內效，帶強制性，帶引導性；自主學習是通過自己實踐生成經(jīng)驗、技巧和知識的能力，運用隱知識，反復實踐，成為本能，由內向外，孕育而生，形成記憶，主體性強^[6]。教育中傳承學習加自主學習，有監(jiān)督學習加無監(jiān)督學習，個體學習加集體學習，這才培育出一個個單體的通用智能，具備思考、分析、解釋、解決一般問題的方法和能力，培育了人類的繼承力、想象力和創(chuàng)造力。教書是使學生擁有知識，教學是使用知識，教育則是創(chuàng)造知識。

人類智能通過教育不斷提升、學習新知識，形成新認知。學校和教師要從以傳承學習、傳授知識為主，拓展到培養(yǎng)人腦認知能力。授人以魚，不如授人以漁，智能時代的教育，是培養(yǎng)學生學校學習、乃至終身學習能力、提升人類認知水平，駕馭機器人“新人類”的能力。在這個過程中，教師也在踐行終身學習。從教“書”到教“學”再到教“育”，實際上是從擁有知識到使用知識再到創(chuàng)造知識的過程，這是時代對教育提出的變革要求。此外，在智能時代，終身學習也會作為一種特性，賦予人類制造的機器，機器如人類一樣會不斷學習并且服務于人類，這也正是新一代人工智能的核心。學習的形態(tài)是交互；學習的核心是理解，即可解釋可證明；學習的結果是記憶，鞏固或微重構已有的記憶網(wǎng)絡；學習成為新一代人工智能解釋、解決現(xiàn)實問題的基礎。當一個個虛擬名師機器人、教練機器人參與到教育活動中，人與機器的協(xié)同發(fā)展，將有效促進社會文明的進步。

2.思維的核心是抽象、聯(lián)想和交互

教育培養(yǎng)了我們的思維，思維的核心是抽象、聯(lián)想和交互。在人的認知空間中，通過計算智能和記憶智能培養(yǎng)認知思維能力，也是我們常說的“精神”；在物理空間中，通過感知智能和行為智能，實現(xiàn)具身交互能力。物理空間與認知空間之間不斷循環(huán)往復，如圖3所示。在物理空間中包括兩個重要的感知，即時空識別和目標（模式）識別，時空識別代表位置、導航和時間同步；目標（模式）識別包括目標識別、人臉識別等，是直接感知。學習是解釋、解決預設問題的能力。預設問題是現(xiàn)實問題的一個子集，是得到公認的，當問題得到解決后就形成了知識，在學校傳承給下一代。機器可以接受指導學習，同時自主學習，把未知變?yōu)榭芍墙忉?、解決新問題的基礎，解釋、解決現(xiàn)實問題是學習的目的，兩者相互促進。只有解釋、解決預設問題后，解決、解釋現(xiàn)實問題的能力才會增強，因此要解決在哪里、怎么做、為什么、是什么這四個問題，認知空間不僅是記憶知識的倉庫，更是放飛想象力的天空。

圖 3  認知空間與物理空間的關系圖

3.機器可作為思維的載體，提升人類思維和認知的想象力

薛定諤提出活細胞的物理觀^[7]，那么如果機器作為生命，就有機器的生命觀，我們把它叫作認知的物理學。相對應地，生命的物理層對應機器的物質；生命的生化層對應機器的能量和時鐘；生命的生理層對應機器的電子電路和機器指令；生命的心理層對應機器的操作系統(tǒng)和中間件；生命的認知層對應機器的高層軟件和數(shù)據(jù)。生命賴負熵為生，機器里有物質、能量、結構和時間，時鐘依賴能量，時間依賴時鐘，秩序依賴時間，時間是機器認知的奠基石。結構和時間寄生在物質和能量上，構成硬構體，填補了物質、能量和信息（結構和時間）之間的鴻溝，使得信息和物質難舍難分；而結構和時間是認知空間中虛擬的存在，我們稱之為軟構體，軟構體是思維的要素，支撐形象思維、邏輯（語言）思維和直覺思維，體現(xiàn)人的想象力和創(chuàng)造力。機器自舉實現(xiàn)思維自動化，自我復用實現(xiàn)認知自成長，機器運行靠程序，程序靠時序，軟件靠交互，時序和交互產(chǎn)生負熵。時鐘不停，與外界交互不息，思維和認知不息。人的思維和機器的思維，在數(shù)學上是同構的，在物理上是同源的，靠能量支撐，賴負熵為生。因此，機器可以作為思維的載體。

智能機器最重要的一個長項就是暴力思維。舉一個簡單的例子，公元前200年，阿基米德把1700年前的圓周率精度從3.1提升到3.14，公元500年，祖沖之求得π值為3.141592，總計用了2400年，用圖靈可計算模型設計的計算機去算，把圓周率提升到小數(shù)點后10¹²位，僅僅用了70年，如圖4所示。機器暴力用足夠大替代無窮大，用足夠小替代無窮小，可用皮秒（10^-12秒）作為時間精度，控制時序周期，遞歸執(zhí)行，而作為生物人的大腦，只有毫秒（10^-3秒）的生理響應精度，解算指數(shù)爆炸的復雜性問題力不能及。如果一張紙可寫60行，每行寫17位，要10億張紙才能寫完，紙疊在一起，疊高要10萬米！所以，機器有超過人的算力，是很正常的，蛋白質折疊預測也好，AlphaGo圍棋程序賽過人也好，ChatGPT超強的語言理解能力也好，都沒有必要大驚小怪。由此看來，機器暴力思維可與人互補，大大幫助人類提升思維和認知的想象力。

圖 4  機器暴力思維幫助人類提升思維和認知想象力

人工智能對社會的沖擊是全方位的，但對行業(yè)的沖擊首當教育^[8]。人工智能沖擊胎教和幼兒教育，沖擊中小學教育和職業(yè)教育，沖擊所有門類專業(yè)的通識通修課程教育^[9]，沖擊工作之后的再教育，沖擊教育的全方位，無處不在、無時不在。

人工智能還沖擊教育的全要素，包括施教者、施教環(huán)境和手段、施教對象。在智能時代教育則出現(xiàn)了很大的變化，對于施教者，我們可以用虛擬名師機器人替代教師，老師不再需要為了上課來回奔波；對于施教環(huán)境和手段，課本和教室可變?yōu)樘摂M教室和個性化教學平臺，每個人可以在里面做不同的事情；至于施教對象，也發(fā)生變化，學生可以是機器人，增加了機器學生——虛擬數(shù)字人和實體機器人，怎樣培養(yǎng)機器人與時俱進，我們教育工作要不要培養(yǎng)一個銀行的機器出納員或海關的某個崗位人。如果50年之后，50%的課程都是分身的虛擬名師數(shù)字人在授課，課堂里有50%的學生和50%的機器人在聽課，其余50%的學生在線上聽課，那是什么情景??？所以，人工智能沖擊教育是全要素的。

人類認知的歷史不是直線發(fā)展的，是一個螺旋式周而復始的演進過程。人類的認知和人工智能迭代推進，協(xié)同發(fā)展，學習怎樣學習和學習怎樣思考^[10]，人類社會才被鑄成了今天的樣子。教育改變著全人類的命運，科學和技術是人類活動的第一推動力。隨著人類智能和人工智能的迭代發(fā)展，教育有了新的內涵。

語文素養(yǎng)即思維素養(yǎng)，是超學科的。人首當其沖的是語言智能，人類用語言、文字、符號等軟構體作為思維載體，讓思維脫離生命體植入機器，模擬生命體簡單但煩瑣的遞歸計算，形成歷史、精神、科技、文化和文明；在文字的錘擊下，還鍛造出哲學、宗教、法律和人權、國家與政治?？萍己腿宋耐?，把語文教學放在文科實在是一個誤解。語文承載思維，語文進步思維才提升，人人終身讀書，終身語文，拓展思維，放飛想象，知識分子尤甚。

數(shù)字名師機器人講課，教師轉為教練、輔導員。有的學科，幾十年認知進展不大，趨于成熟和穩(wěn)定；有的學科，幾位杰出人物的認知大大活躍了學科的前沿和發(fā)展。因此，幾百年來固定時間、地點、人員的學校課堂教育形態(tài)受到?jīng)_擊，各學科教材知識點可靈活裝入機器，課堂講課標準化、模塊化，虛擬機器人教師分身教學名師，弱化了學校和學科的時空圍墻，涌現(xiàn)“金課”，普及“微課”，淘汰“水課”，虛擬課堂、虛擬仿真實驗規(guī)?？沙笠部沙?，虛擬名師講課將呈現(xiàn)快速普及趨勢，一竿子插到底，節(jié)省教育成本，促進教學資源均衡化，學生學習的興趣和自主選擇權大大增加。

教機器學習，培訓機器接替人的工作崗位。以我們研究無人駕駛為例^[11,12]，有如下三個循序漸進的環(huán)節(jié)，如圖5所示。首先是駕駛員操作、機器人學習，這是有指導學習；然后是機器人作業(yè)、駕駛員干預，這是半/弱指導學習；再是機器人作業(yè)、機器人自學習，這是自主學習，且從后往前的反饋是多次反復的，轉換帶有不確定性，有時回到有指導學習，有時回到半/弱指導學習。有指導的學習包含先入為主、賦予任務、引導、釋疑、解惑、交互認知、監(jiān)督等；自主學習是把指導學習的結果轉為長期記憶的重要環(huán)節(jié)。由此可見，培訓機器接替人的工作崗位不是一個輕松的任務。前幾年無人駕駛被過分關注L0到L5的自動化等級，把自動駕駛看作是自動化工程，卻忽視了機器駕駛腦的自學習和自成長，只有不斷地學習和迭代，它才會成為好的機器駕駛員。

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考試、考核、評估的圖靈測試^[13]常態(tài)化、個性化。人工智能促進了傳統(tǒng)考試、考核、評估的模式變革，以商湯“元蘿卜”機器人為例的圖靈測試，內置了26關難度的棋力對戰(zhàn)，設有100多個殘局應對，自主觀察棋局變化，推算走棋招數(shù)，取棋落子，擁有毫米級操作精度，秒級時間響應，“手眼”協(xié)同，走法干凈，節(jié)奏緊湊，是一個非常好的對手和陪練，可用來為人類棋手評級，擁有國家體育總局中國象棋協(xié)會權威認證，支持16-13級象棋等級評測，而社會未來的各類職業(yè)資格考試，都將要發(fā)生改變，包括全民關注的高考。

人與機器互教互學，協(xié)同創(chuàng)新。思維的核心是抽象、聯(lián)想和交互，更多的是軟構體的創(chuàng)立和連接。機器越來越多地取代人類曾經(jīng)的許多智力和技巧工作。教機器學習、作業(yè)，和機器一同學習、作業(yè)，將成為人們生活和工作的常態(tài)。學習的結果是去微調機器里的長期記憶，即微調人工智痕元胞的網(wǎng)絡拓撲，自主學習是把工作記憶轉化為長期記憶的重要環(huán)節(jié)，可喜的是機器可以大批量復制，而且機器自身又可以持續(xù)學習。與機器交互，人教機器，機器教人，協(xié)同創(chuàng)新，總有一天會大范圍出現(xiàn)機器名師數(shù)字人分身人類教師，機器工程師創(chuàng)造出新材料配方，機器科學家提出新的假設，驅動產(chǎn)生新的科學發(fā)現(xiàn)。

讀書改變一個人，教育改變全人類。我們從曾經(jīng)的人工智能符號主義學派^[14]那里發(fā)展了“抽象”，從連接主義學派那里發(fā)展了“聯(lián)想”，從行為主義學派那里發(fā)展了“交互”，創(chuàng)造能思維的機器。于是，智能機器之于人類智能，如同曾經(jīng)的書籍之于思想家、望遠鏡之于天文學家、顯微鏡之于生物學家，機器用軟構體延伸和拓展了人的思維（記憶智能和計算智能），不但把人從繁重的重復性勞動中解脫出來，更好地符合相應工作崗位規(guī)范化要求（具身智能），更重要的是可以暴力思維，人與機器互教互學，人機交互協(xié)同創(chuàng)新，機器和科學家、工程師可一同做出發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，至于是不是機器做出的創(chuàng)造，人們已經(jīng)不再計較。智能時代的教育改革問題已經(jīng)很迫切地擺在全人類的面前了，讓我們迎接這場學習的革命吧！

（致謝：本文撰寫過程中, 得到教育部副部長陳杰院士，中國人工智能學會理事長戴瓊海院士，北京工業(yè)大學副校長喬俊飛教授，北京聯(lián)合大學原副校長鮑泓教授，北京聯(lián)合大學外語部主任張殿恩教授，首都師范大學原副校長周建設教授和中國人工智能學會中小學工作委員會秘書長袁中果特級教師的支持和幫助, 在此表示最誠摯的感謝。北京聯(lián)合大學汪成、吳祉璇，北京工業(yè)大學許根寶等參與論文資料整理，在此一并感謝。）

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