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，甚至擔心將被自己創(chuàng)造的力量操控。全世界的產(chǎn)業(yè)結構和產(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)、適應變革?這些都是當下需要重點關注和研究的課題。
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，技術如何發(fā)展，人類的教育教學之道是橫亙不變的。那么，教育教學之道又是什么呢？
為學日益，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）。老子認為學習是積累知識、提升自我的過程；而修道則是凈化心靈、回歸本真的過程。通過不斷的學習和修道，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，人類更應該順應自然、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，也非追求教學手段的形式創(chuàng)新，而是在抽絲剝繭后回歸人類學習的自然之道，即學習的本質是解決問題，這里的問題包括科學、社會、個人心性成長和生活工作中的各種問題。
錢學森之問還沒有得到有效回答，我國大學生仍然普遍缺乏解決問題的能力和創(chuàng)新能力，其癥結就在于普通教育階段延續(xù)至大學，在學生大腦中形成的知識邏輯認知模式。這種認知模式，使得學生更關注以成績?yōu)楸碚鞯闹�識積累，忽略了人類學習的本質是為了解決問題。學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目標的教學過程，提出了傳統(tǒng)教學構建的是學生的知識邏輯認知模式，由于直接告訴結果，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)出學生的應用之道，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)的模型植入學生最深層的大腦中，使之成為學生認識世界、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向的訓練才可以獲得。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習活動，在構建學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，有能力去應對智能化時代的各種挑戰(zhàn)。
智能化時代的最大特點是學科融合，將新技術與傳統(tǒng)學科融合，從新的視角發(fā)現(xiàn)和解決各領域中的問題，AI和大數(shù)據(jù)等新技術的運用已經(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生學習難的問題。因此，作者特地編寫了兩本滿足此類需求的通識基礎教材，《Python程序設計基礎思維、認知和創(chuàng)新》和《數(shù)據(jù)分析入門思維、認知與創(chuàng)新》，并同步建設了兩門課程，為讀者在智能化時代步入應用新技術解決問題和創(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)的學科知識的積累邏輯�；�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，還學習、掌握并能運用知識和方法。
(3) 對教師、學生和AI進行了角色定位。
● 教師是編劇和導演，確定教學目標、教學內容和教學方式；
● 學生是主演，圍繞創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)和解決問題進行自主學習；
● AI工具是劇務，始終陪伴師生并隨時提供幫助。幫助學生養(yǎng)成在AI工具陪伴下學習、解決問題并進行創(chuàng)新的習慣。
(4) 教材與課程同步: 同步建設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、兩性一度。
● 學生容易學習。問題驅動、平臺支撐、認知覺醒、聚焦能力、內化創(chuàng)新。
本書圍繞探索完成易于學生理解的兩個數(shù)據(jù)分析任務進行: 第一個任務是聚焦描述性數(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)分析任務的探索之旅，在探索完成案例任務時，通過對一個個子任務提出需要解決的問題、探索問題本質、學習解決問題的方法、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教學范式），使讀者始終浸潤在為解決問題而進行學習和探索的氛圍中，構建讀者基于問題探索的思維和認知，并為未來深入學習和使用數(shù)據(jù)分析、解決問題打下基礎。
本書共分10章，具體內容如下:
第1章介紹理念、目標與要完成的任務，使讀者了解數(shù)據(jù)分析的基本步驟和方法，初步具有應用AI工具輔助學習和工作的意識。
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)預處理工作，以提高數(shù)據(jù)的質量，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)相關性與分布情況。
第8章了解和初步掌握常用的幾種機器學習模型及其構建方法，完成氣候變化對生物多樣性的影響分析案例的第四步預測性分析。
第9章了解和初步掌握一種時間序列預測模型及其構建方法，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性分析。
第10章了解和初步掌握根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果撰寫數(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。
同步建設的課程在南開大學已經(jīng)面向工商和經(jīng)管類學生進行了一個學期的教學實踐。在教學過程中，直接使用了有統(tǒng)一的編程環(huán)境、計算資源和支撐教學管理的和鯨（ModelWhale)平臺，將學生從安裝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練。選課學生普遍認為: 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對考試，更是解決生活中難題的鑰匙；課程的教學過程讓他們能夠更清晰、更有邏輯地思考問題，追本溯源，不再被復雜的現(xiàn)象所迷惑。
本書作者來自南開大學計算機學院，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書中二維碼虛擬人教學視頻的錄制；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