2022年年底ChatGPT的橫空出世、2024年2月發(fā)布的火爆全球的Sora以及2024年5月ChatGPT 4.0的發(fā)布，標志著人類已經(jīng)步入智能化時代，給人類經(jīng)驗的所有領(lǐng)域帶來沖擊和變革。沖擊和變革最終將發(fā)生在人類理解世界的方式上，以及人類在世界中扮演的角色上。人類過去從來沒有受到如此巨大的威脅，甚至擔(dān)心將被自己創(chuàng)造的力量操控。全世界的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)都有可能面臨重塑，人類社會將面臨顛覆性變革。人們可以預(yù)見的趨勢包括可約定的事、相對穩(wěn)定的事、能標準化的事，都會被AI替代。
這強大的智能化使得未來教育面臨巨大的沖擊和挑戰(zhàn)，教育已成為智能化時代背景下變革的核心。黨的二十大強調(diào)要推動人工智能和教育深度融合，促進教育變革創(chuàng)新。AI將在什么樣的廣度和深度上影響教育？未來的教育將是什么樣的？教育工作者將如何迎接挑戰(zhàn)、適應(yīng)變革?這些都是當下需要重點關(guān)注和研究的課題。
前部長陳寶生在《ChatGPT: 教育的未來和未來的教育》一文中認為未來教育因為強大的智能化將面臨巨大沖擊，未來教育要堅定對人之為人的本質(zhì)規(guī)律認識，未來教育要解答智能化給人類帶來的時代之問；教育是傳道的，各種學(xué)科都是講道的，講的都是自然演進的道，是社會發(fā)展的道，是工具理性的道，是文化傳承的道。無論時代如何變遷，技術(shù)如何發(fā)展，人類的教育教學(xué)之道是橫亙不變的。那么，教育教學(xué)之道又是什么呢？
為學(xué)日益，為道日損。損之又損，以至于無為，無為而無不為。（《道德經(jīng)》第四十八章）。老子認為學(xué)習(xí)是積累知識、提升自我的過程；而修道則是凈化心靈、回歸本真的過程。通過不斷的學(xué)習(xí)和修道，人們可以逐漸提升自己的境界和能力，達到無為而無不為的高度。在智能化時代，人類更應(yīng)該順應(yīng)自然、洞察先機，從而在行事中表現(xiàn)出高度的智慧和效能。于教育學(xué)科而言，真正的有效教育既非灌輸浩如煙海的知識，也非追求教學(xué)手段的形式創(chuàng)新，而是在抽絲剝繭后回歸人類學(xué)習(xí)的自然之道，即學(xué)習(xí)的本質(zhì)是解決問題，這里的問題包括科學(xué)、社會、個人心性成長和生活工作中的各種問題。
錢學(xué)森之問還沒有得到有效回答，我國大學(xué)生仍然普遍缺乏解決問題的能力和創(chuàng)新能力，其癥結(jié)就在于普通教育階段延續(xù)至大學(xué)，在學(xué)生大腦中形成的知識邏輯認知模式。這種認知模式，使得學(xué)生更關(guān)注以成績?yōu)楸碚鞯闹�識積累，忽略了人類學(xué)習(xí)的本質(zhì)是為了解決問題。學(xué)生所掌握的大部分知識僅僅停留在書本和卷面上，是概念、公式、原理、案例或道理。知識不一定能給我們帶來認知能力，而認知能力必然包含有效的知識，這部分有效的知識能幫助我們判斷、選擇、行動、改變和解決問題。在智能化時代下，當幾千年積累的知識已經(jīng)被大模型記住的時候，人類最需要改變的就是對知識的渴望與崇拜，更應(yīng)該去提升洞察世界的思維、智慧和能力。
教育面向大眾，傳統(tǒng)教育的重心是讓更多的人能夠獲得知識，有能力去解決日常問題，只有少數(shù)人能夠參與創(chuàng)新與創(chuàng)造，即傳統(tǒng)教育目標的重心是知識 能力。然而，大數(shù)據(jù)、元宇宙、AI等新技術(shù)的發(fā)展，特別是GPT系列模型、訊飛星火、通義千問、文心一言等大語言模型的問世，使人類進入了知識貶值、創(chuàng)新升值的時代。人類對于事實性、概念性和程序性知識的獲取越來越容易，對于已有問題也能快速得到求解方法。面對新技術(shù)和AI的發(fā)展對教育帶來的巨大挑戰(zhàn)，教育目標必須發(fā)生改變，才能不落后于時代的發(fā)展。當幾乎所有人都可以很容易獲得知識的時候，教育目標的重心就自然向更高層偏移，即向能力 認知偏移，改變和提升認知以實現(xiàn)創(chuàng)新將成為智能化時代教育的主要目標。
本書是基于上述對智能化時代教育目標的認知編寫的新形態(tài)教材。智能化時代下的教育，創(chuàng)新是主題。作者研究了傳統(tǒng)的以知識傳遞為主要教學(xué)目標的教學(xué)過程，提出了傳統(tǒng)教學(xué)構(gòu)建的是學(xué)生的知識邏輯認知模式，由于直接告訴結(jié)果，存在缺少知識聯(lián)系生活、理論聯(lián)系實際的先天缺陷，很難培養(yǎng)出學(xué)生的應(yīng)用之道，更不用說創(chuàng)新之道。高等教育要培養(yǎng)能夠探索未知、解決問題的創(chuàng)新性人才。從腦科學(xué)的視角出發(fā)，就必須要將某種不同于傳統(tǒng)的模型植入學(xué)生最深層的大腦中，使之成為學(xué)生認識世界、探索未知的一種認知模式，我們將其命名為問題邏輯認知模式。這種認知模式包括如何應(yīng)用已有知識、如何探索解決問題的實踐性知識以及如何發(fā)現(xiàn)新知識等綜合能力，而它的形成必須通過大量問題導(dǎo)向的訓(xùn)練才可以獲得。因此，提出了基于問題邏輯認知模式的成果導(dǎo)向教育（Outcome Based Education of Problem Oriented Thinking，POT�睴BE），通過為解決問題和探索未知而進行的一系列學(xué)習(xí)活動，在構(gòu)建學(xué)生問題邏輯認知模式的過程中，使他們逐步具備能夠探索未知、解決問題的能力和創(chuàng)新能力，有能力去應(yīng)對智能化時代的各種挑戰(zhàn)。
智能化時代的最大特點是學(xué)科融合，將新技術(shù)與傳統(tǒng)學(xué)科融合，從新的視角發(fā)現(xiàn)和解決各領(lǐng)域中的問題，AI和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的運用已經(jīng)成為人才的標配。雖然四新專業(yè)已經(jīng)提出了很多年，但無論教師還是學(xué)生都沒有充分做好準備，我國很多高校仍然存在這類課程教師開課難和學(xué)生學(xué)習(xí)難的問題。因此，作者特地編寫了兩本滿足此類需求的通識基礎(chǔ)教材，《Python程序設(shè)計基礎(chǔ)思維、認知和創(chuàng)新》和《數(shù)據(jù)分析入門思維、認知與創(chuàng)新》，并同步建設(shè)了兩門課程，為讀者在智能化時代步入應(yīng)用新技術(shù)解決問題和創(chuàng)新的大門提供必要的敲門磚，做好能力和認知的準備，構(gòu)建起創(chuàng)新與AI之橋。
兩本教材的統(tǒng)一特色如下:
(1) 迎接AI挑戰(zhàn)。聚焦智能化時代下解決問題、探索未知、創(chuàng)新思維的認知模式養(yǎng)成。
(2) 非系統(tǒng)的學(xué)科知識的積累邏輯。基于POT�睴BE教育理念，聚焦探索的全過程，通過從發(fā)現(xiàn)問題到求解問題全過程的探索路徑，不但完成問題的求解，還學(xué)習(xí)、掌握并能運用知識和方法。
(3) 對教師、學(xué)生和AI進行了角色定位。
● 教師是編劇和導(dǎo)演，確定教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式；
● 學(xué)生是主演，圍繞創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)和解決問題進行自主學(xué)習(xí)；
● AI工具是劇務(wù)，始終陪伴師生并隨時提供幫助。幫助學(xué)生養(yǎng)成在AI工具陪伴下學(xué)習(xí)、解決問題并進行創(chuàng)新的習(xí)慣。
(4) 教材與課程同步: 同步建設(shè)了課程及教材以外的資源，滿足當下高校對課程及教材的需要:
● 教師容易開課。理念創(chuàng)新、資源完整、思維升級、聚焦引領(lǐng)、兩性一度。
● 學(xué)生容易學(xué)習(xí)。問題驅(qū)動、平臺支撐、認知覺醒、聚焦能力、內(nèi)化創(chuàng)新。
本書圍繞探索完成易于學(xué)生理解的兩個數(shù)據(jù)分析任務(wù)進行: 第一個任務(wù)是聚焦描述性數(shù)據(jù)分析的案例數(shù)據(jù)分析師崗位情況分析；第二個任務(wù)是綜合數(shù)據(jù)分析案例氣候變化對生物多樣性的影響分析。讀者參與共同完成兩個數(shù)據(jù)分析任務(wù)的探索之旅，在探索完成案例任務(wù)時，通過對一個個子任務(wù)提出需要解決的問題、探索問題本質(zhì)、學(xué)習(xí)解決問題的方法、對問題進行實際求解、對求解情況進行評價和反思5個環(huán)節(jié)（5E教學(xué)范式），使讀者始終浸潤在為解決問題而進行學(xué)習(xí)和探索的氛圍中，構(gòu)建讀者基于問題探索的思維和認知，并為未來深入學(xué)習(xí)和使用數(shù)據(jù)分析、解決問題打下基礎(chǔ)。
本書共分10章，具體內(nèi)容如下:
第1章介紹理念、目標與要完成的任務(wù)，使讀者了解數(shù)據(jù)分析的基本步驟和方法，初步具有應(yīng)用AI工具輔助學(xué)習(xí)和工作的意識。
第2章了解在數(shù)據(jù)分析中如何明確分析目的，完成數(shù)據(jù)分析師崗位情況分析案例的第一步明確分析目的、提升批判性地使用AI工具的意識。
第3章了解在數(shù)據(jù)分析之前如何進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，完成數(shù)據(jù)分析師崗位情況分析案例的第二步數(shù)據(jù)預(yù)處理。
第4章明確描述性數(shù)據(jù)分析要做什么以及怎么做，并完成數(shù)據(jù)分析師崗位情況分析案例的第三步描述性數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)可視化。
第5章通過分析氣候變化對生物多樣性的影響分析案例的分析目的，進一步掌握明確分析目的的方法，完成氣候變化對生物多樣性的影響分析案例的第一步明確分析目的、采集分析數(shù)據(jù)。
第6章根據(jù)特征工程的思想對原始數(shù)據(jù)開展一系列的數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，完成氣候變化對生物多樣性的影響分析案例的第二步預(yù)處理數(shù)據(jù)。
第7章明確探索性數(shù)據(jù)分析要做什么以及怎么做，完成氣候變化對生物多樣性的影響分析案例的第三步探索數(shù)據(jù)相關(guān)性與分布情況。
第8章了解和初步掌握常用的幾種機器學(xué)習(xí)模型及其構(gòu)建方法，完成氣候變化對生物多樣性的影響分析案例的第四步預(yù)測性分析。
第9章了解和初步掌握一種時間序列預(yù)測模型及其構(gòu)建方法，完成氣候變化對生物多樣性的影響分析案例的第五步指導(dǎo)性分析。
第10章了解和初步掌握根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果撰寫數(shù)據(jù)分析報告的基本方法，完成氣候變化對生物多樣性的影響分析案例的第六步撰寫數(shù)據(jù)分析報告。
同步建設(shè)的課程在南開大學(xué)已經(jīng)面向工商和經(jīng)管類學(xué)生進行了一個學(xué)期的教學(xué)實踐。在教學(xué)過程中，直接使用了有統(tǒng)一的編程環(huán)境、計算資源和支撐教學(xué)管理的和鯨（ModelWhale)平臺，將學(xué)生從安裝Python環(huán)境和資源包的工作中抽離出來，聚焦解決問題思維和能力的訓(xùn)練。選課學(xué)生普遍認為: 課程使他們形成了一種不同以往的思維方式，提升了解決實際問題能力、團隊協(xié)作能力和表達能力；他們切身感覺到知識不只是應(yīng)對考試，更是解決生活中難題的鑰匙；課程的教學(xué)過程讓他們能夠更清晰、更有邏輯地思考問題，追本溯源，不再被復(fù)雜的現(xiàn)象所迷惑。
本書作者來自南開大學(xué)計算機學(xué)院，趙宏教授和閆曉玉老師編寫了全書的初稿；李妍老師對全書進行了文字校對；高裴裴副教授和李妍老師負責(zé)書中二維碼虛擬人教學(xué)視頻的錄制；閆曉玉老師對全書代碼進行了測試和驗證；助教張括和研究生董吉旺參與了部分問題的設(shè)計和代碼初稿的編寫并制作了PPT初稿；趙宏教授對全書進行了系統(tǒng)編撰和統(tǒng)稿。本書還得到了清華大學(xué)出版社張瑞慶編審的大力支持，在此表示真誠感謝。
面對AI對教育、教學(xué)和課堂的沖擊和挑戰(zhàn)，積極擁抱AI，主動尋變是本書的宗旨。由于作者對AI背景下教育教學(xué)問題的認識和把握還存在偏差，加之自身能力的限制，書中會有不足甚至錯誤之處，請讀者指正。

作者2024年5月于南開園