Искусственный интеллект как компонент инновационного содержания общего образования: анализ мирового опыта и отечественные перспективы

Полный текст

Постановка проблемы. В настоящее время дидактические элементы из области искусственного интеллекта (ИИ) не нашли своего отражения в образовательных стандартах федерального уровня для всех ступеней общего образования в нашей стране. В то же время ИИ, являющийся важным направлением теоретических и прикладных разработок в области информатики, существенно преобразует условия труда и жизнь современного человека. Поскольку процессы интеграции технологий ИИ в различные области деятельности человека уже совсем скоро потребуют от специалистов любых профессий компетенций, связанных с ИИ, то необходимо найти подходы к включению ИИ в содержание образования школьников. Для решения обозначенной проблемы необходимо определить концептуальные основы обучения школьников в области ИИ, адаптировать содержание учебного материала к возрастным особенностям учащихся и нормативам учебного времени, определить фундаментальные системообразующие знания и умения, выявить и реализовать межпредметные и внутрипредметные связи, описать процесс формирования обобщенных способов информационной деятельности при обучении основам ИИ [1]. ИИ является динамично развивающимся научным направлением, отличающимся большим числом составляющих, среди которых анализ данных, представление знаний, приобретение знаний, моделирование рассуждений, машинное обучение, принятия решений, управление процессами и системами, интеллектуальные системы и т. д. В России важность развития индустрии ИИ подчеркивается на государственном уровне, основным условием такого развития признается образование в области ИИ [2]. Для выявления возможных подходов к обучению основам ИИ в российских школах рассмотрим опыт преподавания ИИ в ведущих странах мира. Если в нашей стране обучение элементам ИИ в школах берет свое начало еще в прошлом веке, то в школах США преподавание ИИ как одной из составляющих дисциплины computer science (компьютерные науки) ранее не предусматривалось. Сегодня же элементы ИИ в американских школах могут изучаться в старших классах, но по выбору в рамках междисциплинарного курса. Следует отметить, что американская школьная модель обучения элементам ИИ предусматривает акцент на практическую деятельность школьника в свете педагогической теории Дж. Дьюи. В последнее время в американских школах возрос интерес к изучению робототехники и программирования как платформы изучения ИИ, а средства ИИ используются для мотивации к изучению компьютерных наук. По мнению американских исследователей, это позволяет дать представление школьникам об условиях социальной и профессиональной деятельности в современном мире, формировать у учащихся умение адекватно использовать средства ИИ, обсуждать с учащимися этические аспекты их применения. В 2018 году Ассоциацией по развитию ИИ (AAAI) и Ассоциацией учителей информатики США (CSTA) была сформирована рабочая группа AI4K12, которая сформулировала требования к содержанию подготовки выпускника школы, указав такие основные направления деятельности школьника, как инженерия знаний и Data Mining, большие массивы данных и обучение нейросетей [3; 4]. В 2019 году в школах Китая были введены уроки по обучению ИИ. Для этого была подготовлена серия учебников (10 томов) по ИИ, в которых рассматривается история развития ИИ, различные технологии ИИ, в том числе интеллектуальные средства для распознавания лиц людей, автономного вождения, общественной безопасности и др. В рамках уроков планируется проводить практические занятия, направленные на формирование предметных знаний и реализацию творческих способностей у учащихся [5]. Согласно экспертному мнению, школы Англии характеризуются невысоким уровнем преподавания в области информатики, и учащиеся не имеют представление об основах взаимодействия с ИИ. По мнению представителей парламентского Комитета по науке и технологиям, образовательной системе Великобритании необходимо оперативно перестроиться и подготовиться к реалиям современного мира. Они считают, что в центре внимания должно быть освоение умений, востребованных не только в современной науке и производстве, но и в будущем. Особое внимание предлагается уделять совместным проектам школьников в области робототехники [6]. Единого подхода к формированию содержания обучения в школах Германии не существует, поскольку каждая федеральная земля может предлагать свой перечень школьных дисциплин и их содержание. Например, в 5-7 классах дисциплина «Основы информационных технологий» может изучаться как обязательная, а в 8-12 классах предмет «Информатика» предлагается на выбор школьникам [7-9]. Отметим, что в Германии вся система школьного образования ориентирована на будущую профессиональную деятельность, начиная с 5 класса, и изучение ИИ в явном виде не предусмотрено. В школах Израиля предлагаются различные курсы, направленные на подготовку школьников в области языков и систем программирования, программной инженерии и технологий ИИ [10]. Старшеклассники обучаются разработке программного обеспечения, что включает в себя рассмотрение вопросов, связанных с искусственным интеллектом, в том числе машинным обучением. Такое обучение реализуется посредством решения комплекса алгоритмических задач (слепой поиск, поиск «деревьев игр», машинное обучение) с использованием языка функционального программирования Racket. Изучение элементов ИИ в школах России берет свое начало еще в XX веке, но именно сегодня оно обрело особую актуальность в связи с новыми требованиями в области информационных технологий и систем к выпускнику общеобразовательной школы, а также с уровнем и перспективами развития технологии ИИ, ее средств. Поскольку основой реализации экспертных систем служит создание баз данных и знаний, а одним из способов реализации базы знаний может служить логическое программирование, то первоначально обучение основам ИИ исследователи в этом направлении (С.Г. Григорьев, Е.А. Ерохина, В.А. Каймин, Н.Д. Угринович, А.Г. Щеголев и др.) связывали с рассмотрением экспертных систем и языка логического программирования «Пролог». М.П. Лапчик так же отмечал возможности изучения ИИ в базовом курсе информатики [11]. Сегодня обучение элементам ИИ в школах нашей страны не является обязательным и осуществляется чаще всего в старших классах в рамках обучения в области информатики на углубленном уровне. В качестве примера может служить учебно-методический комплекс (УМК) для учащихся 11 класса, предлагаемый авторами И.А. Калининым и Н.Н. Самылкиной [12]. Основной акцент у различных российских авторов образовательных программ и учебных пособий делается на изучении представления знаний в интеллектуальных системах, конкретных алгоритмов и на их математическом обосновании. Примером служит элективный курс «Искусственный интеллект» Л.Н. Ясницкого [13]. Сегодня в образовательном пространстве страны стали появляться проекты по ИИ для школьников, в рамках которых становится возможным узнать об устройстве роботов, машинном обучении и нейронных сетях, выяснить, каким образом школьные знания физики, математики, информатики и биологии связаны с искусственным интеллектом, какие новые профессии появятся в скором времени, а какие уйдут в прошлое. Так, благодаря образовательному электронному ресурсу «Академия искусственного интеллекта» [14] проводится обучение и организуются соревнования для школьников с целью стимулирования интереса к цифровым технологиям, в том числе к освоению технологий искусственного интеллекта, машинного обучения, анализа больших данных и программирования. В Московском педагогическом государственном университете реализован проект «Детский университет МПГУ», одно из направлений которого представлено в виде кружка по информатике для учащихся 7-11 классов. В рамках работы кружка учащимися на углубленном уровне изучаются современные информационные технологии - от робототехники до систем ИИ [15]. В то же время продвижение идеи обучения в российских школах элементам искусственного интеллекта является уделом отдельных инициативных учителей, обладающих высокой мотивацией к инновациям в образовании. Это подтверждает и анализ ресурсов библиотеки Московской электронной школы (МЭШ), в которой можно найти лишь несколько сценариев уроков, посвященных обучению элементам ИИ. Таким образом, изменения требований к выпускникам школ из-за широкого внедрения технологий ИИ в различные области деятельности человека инициируют поиск подходов к обучению школьников в области ИИ. Причем в отечественной системе общего образования не делается упор лишь на формирование практических умений обучающихся по использованию средств ИИ, обучение носит более академический и фундаментальный характер. Методы исследования. Авторами исследования был осуществлен анализ целого ряда статей, школьных учебников, учебно-методических пособий, образовательных электронных ресурсов и интернет-источников на предмет выявления особенностей обучения элементам искусственного интеллекта в школах различных стран мира. К числу использованных методов можно отнести сравнительно-педагогический анализ, определяющий уровень теоретической и практической разработки проблемы включения в содержание образования дидактических единиц из области ИИ, а также уровень овладения учащимися умениями использования знаний при решении задач для формирования обобщенных способов деятельности, полноценной социально-личностной реализации [16; 17]. Результаты и обсуждение. Проведенное исследование позволяет сделать вывод, что вопрос обучения ИИ в системе российского образования недостаточно исследован и освещен в учебно-методической литературе. Одновременно с этим имеется осознание значимости внедрения ИИ в различные виды деятельности общеобразовательной системы, например, в урочную и внеурочную, проектную и исследовательскую деятельность. Интеграция в школьное образование технологии ИИ возможна благодаря не только практическому применению соответствующих современных технологий в образовательной деятельности, но и освоению теоретических основ такого применения, что инициирует нахождение подходов к обучению основам ИИ в рамках общеобразовательного курса информатики. Сегодня имеется возможность проектировать различные образовательные траектории школьников благодаря вариативному образованию. При проектировании содержания школьного образования в области ИИ необходимо реализовывать системно-деятельностный, фундаментальный и межпредметный подходы для овладения школьниками умения учиться через активную учебно-познавательную деятельность, формирования их готовности к систематическому образованию, активного использования внутрипредметных и межпредметных связей курса информатики. Кроме этого, необходимо наполнять учебный материала гуманитарной составляющей, раскрывать социально-этические аспекты интеллектуальной деятельности [18]. Вариативность общего образования позволяет, учитывая подготовку в области информатики и математики, предложить обучение основам ИИ учащимся основной школы на основе интеграции урочной и внеурочной деятельности по информатике [19]. Формирование содержания обучения основам искусственного интеллекта должно быть осуществлено посредством идеи перехода от интеллектуальной деятельности человека к ее автоматизации с помощью искусственного интеллекта. С этой позиции необходимо рассматривать дидактические элементы общеобразовательного курса информатики и определять их связи с обучением основам искусственного интеллекта. Упорядочивание дидактических единиц должно быть выполнено с учетом причинно-следственных внутрипредметных связей информатики и обученностью школьников в области информатики. Содержание обучения основам искусственного интеллекта школьников должно стать логическим продолжением рассмотрения таких вопросов общеобразовательного курса информатики, как информация и информационные процессы, представление и кодирование информации, формализация и моделирование, алгоритмизация и программирование, аппаратное и программное обеспечение компьютера, автоматизация и социальные аспекты информационной деятельности. Следует подчеркнуть, что обучение школьников основам информационных технологий, в том числе технологиям искусственного интеллекта, целесообразно реализовывать в рамках общеобразовательного курса информатики, целью которого является формирование информационной культуры (включая цифровую грамотность), системно-информационной картины мира, обобщенных способов информационной деятельности, универсальных учебных действий для работы с информацией, инвариантных умений и навыков для работы с технологиями будущего. Заключение. Показано, что обучение ИИ в школах мира находится на начальной ступени своего развития и осуществляется на основе различных подходов. Выявлено, что сегодня ИИ чаще всего рассматривается в школах как средство, а не как объект изучения. Результаты проведенного исследования позволяют предложить подходы к обучению школьников основам ИИ в рамках урочной и внеурочной деятельности по информатике. Реализация предложенных подходов позволяет адаптировать содержание учебного материала к возрастным особенностям школьников, определить системообразующие знания и умения, повысить эффективность профессиональной деятельности учителя информатики общеобразовательной школы. Подчеркнем, что сегодняшних школьников необходимо и возможно обучать основам ИИ в рамках общеобразовательного курса информатики, поскольку процессы интеграции технологий искусственного интеллекта в различные области деятельности человека совсем скоро потребуют от специалистов любых профессий компетенций, связанных с искусственным интеллектом.

Об авторах

Альбина Рифовна Садыкова

Московский городской педагогический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: albsad2008@yandex.ru

доктор педагогических наук, профессор кафедры информатики и прикладной математики

Российская Федерация, 127521, Москва, ул. Шереметьевская, 29

Ирина Витальевна Левченко

Московский городской педагогический университет

Email: ira-lev@yandex.ru

доктор педагогических наук, профессор, профессор кафедры информатики и прикладной математики

Российская Федерация, 127521, Москва, ул. Шереметьевская, 29

Список литературы