اهمیت آموزش هوش مصنوعی در سالهای اولیه تحصیل

هوش مصنوعی (AI) به‌عنوان “علم و مهندسی ساخت ماشین‌های هوشمند” تعریف شده است. هوش مصنوعی شاخه‌ای از علوم کامپیوتر است که یادگیری ماشین، توسعه الگوریتم‌ها و پردازش زبان طبیعی را ترکیب می‌کند. اهمیت توسعه هوش مصنوعی بیشتر در آموزش متوسطه و عالی مورد تأکید قرار گرفته است، اما کمتر به سال‌های اولیه تحصیل پرداخته شده است. در حالی که نسل جدید در خانه‌های خود ربات‌ها عوامل هوشمند دارند، کودکان در سال‌های اولیه زندگی با تبلت‌ها و اسباب‌بازی‌هایی تعامل دارند که قدرت محاسباتی بسیار بیشتری نسبت به رایانه‌های شخصی یک دهه پیش دارند.

اخیراً مطالعات در زمینه آموزش هوش مصنوعی در دوران ابتدایی افزایش یافته است. به‌عنوان مثال، کودکان می‌توانند مفاهیم هوش مصنوعی را از طریق ابزارهایی مانند PopBots، سیستم‌های مبتنی بر دانش، یادگیری ماشینی نظارت‌شده و هوش مصنوعی تولیدی یاد بگیرند. با این حال، تحقیقات موجود در زمینه برنامه‌های درسی هوش مصنوعی برای سال‌های اولیه تحصیل همچنان ناکافی است.

آموزش هوش مصنوعی در سال‌های اولیه تحصیل با آموزش آن در سطوح متوسطه و عالی بسیار متفاوت است. در این مقطع، آموزش بیشتر بر مفاهیم ساده و فعالیت‌های ابتدایی هوش مصنوعی مانند رسم نقشه‌های مفهومی و چارچوب‌بندی هوش مصنوعی متمرکز است. در حالی که در آموزش متوسطه و عالی، تمرکز بیشتر بر برنامه‌نویسی و مفاهیم پیچیده‌تر مانند Scratch و Google Teachable Machine است.

آموزش هوش مصنوعی برای کودکان در سال‌های اولیه تحصیل ضروری است و مزایای زیادی دارد. برای مثال، کودکان از طریق فعالیت‌های مرتبط با هوش مصنوعی، مهارت‌های تفکر محاسباتی و حل مسئله خود را تقویت می‌کنند و دانش آن‌ها در زمینه هوش مصنوعی افزایش می‌یابد. علاوه بر این، بازی با ربات‌های هوش مصنوعی به بهبود مهارت‌های سواد پرسشی مانند خلاقیت، هوش هیجانی و همکاری در کودکان کمک می‌کند. بنابراین، به‌شدت توصیه می‌شود که کودکان در سال‌های اولیه تحصیل آموزش هوش مصنوعی را تجربه کنند.

آموزش هوش مصنوعی به کودکان در سال‌های اولیه تحصیل از اهمیت بالایی برخوردار است. اصطلاح برنامه درسی به مجموعه‌ای از تمام تجربیات مستقیم و غیرمستقیم، فعالیت‌ها و رویدادهایی اشاره دارد که در محیطی طراحی شده‌اند تا یادگیری و رشد کودکان را تقویت کنند. برنامه درسی را می‌توان به چهار بعد اصلی تقسیم کرد: اهداف، محتوا، روش‌ها و ارزیابی.

تحقیقات متعددی نشان داده‌اند که آموزش باکیفیت در دوران کودکی تأثیر مثبتی بر موفقیت تحصیلی و روابط کودک-معلم دارد. برای تضمین این کیفیت، دولت‌ها و سیاست‌گذاران در سراسر جهان تلاش کرده‌اند تا مهارت‌های تفکر محاسباتی را از سال‌های اولیه تحصیل در برنامه درسی ادغام کنند. مطالعات نشان می‌دهند که استفاده از برنامه‌ها و ابزارهای کدنویسی می‌تواند به تقویت مهارت‌های تفکر محاسباتی کودکان کمک کرده و توانایی آن‌ها را در استدلال و ارتباط در دنیای دیجیتال گسترش دهد.

در این زمینه، دانش‌آموزان نه تنها برای کدنویسی بلکه برای خلق بازی‌ها، داستان‌ها و انیمیشن‌ها شرکت می‌کنند و در جوامع برنامه‌نویسی مشارکت دارند. این رویکرد، علاوه بر گسترش توانمندی‌های شناختی، چالش‌هایی در زمینه استفاده اخلاقی و عملی از برنامه‌نویسی نیز ایجاد کرده است. همچنین کودکان از صفحه‌نمایش‌های ثابت به استفاده از ابزارها، اسباب‌بازی‌ها و منسوجات قابل‌برنامه‌ریزی حرکت کرده‌اند.

اگرچه مطالعات اولیه درباره هوش مصنوعی برای کودکان از نظر شناختی، فکری و اجتماعی سودمند بوده است، اما هنوز استراتژی مشخصی برای آموزش هوش مصنوعی به کودکان طراحی نشده است. ما پیشنهاد می‌کنیم از یادگیری مبتنی بر مسئله به‌عنوان یک استراتژی آموزشی در پروژه‌های گروهی استفاده شود. این روش می‌تواند مهارت‌های تفکر انتقادی، حل مسئله و همکاری را در کودکان تقویت کند. بنابراین، نیاز فوری به طراحی سیستماتیک برنامه درسی هوش مصنوعی، روش‌های تدریس، پیشنهادهای ارزیابی و تعیین مسیرهای آینده احساس می‌شود.

با گسترش نفوذ هوش مصنوعی (AI) در جامعه، تقاضا برای نیروهای کار آشنا با مفاهیم هوش مصنوعی در آینده افزایش خواهد یافت. همچنین، با مواجهه جامعه با مسائل کلان سیاست‌گذاری عمومی که شامل فناوری‌های AI می‌شود، شهروندانی آگاه نیاز است تا اصول اولیه این حوزه را درک کنند. برای آماده‌سازی کودکان با مهارت‌های لازم جهت رویارویی با جهان متحول‌شده و مبتنی بر فناوری و تضمین قابلیت اشتغال و توسعه حرفه‌ای آن‌ها در آینده، ضروری است که آموزش مناسبی برای کار با هوش مصنوعی ببینند.

برخی کشورها از جمله چین، بریتانیا، تایلند، کره جنوبی و اتحادیه اروپا در حال پیشرفت در آموزش AI هستند تا استانداردهایی برای محتوای آموزشی در سطوح مختلف تعیین کنند. گروه‌های مختلفی معیارهایی برای تدریس هوش مصنوعی به دانش‌آموزان در پایه‌های مختلف طراحی کرده‌اند. در این راستا، انجمن پیشرفت هوش مصنوعی (AAAI) و انجمن معلمان علوم کامپیوتر (CSTA) در سال 2018 گروهی کاری مشترک برای تدوین دستورالعمل‌های ملی آموزش هوش مصنوعی به دانش‌آموزان پایه‌های ابتدایی تا متوسطه تشکیل دادند.

توصیه‌های AI4K12 شامل چارچوب “پنج ایده بزرگ” است که مفاهیمی همچون ادراک، بازنمایی و استدلال، یادگیری، تعامل طبیعی و تأثیرات اجتماعی را پوشش می‌دهد و آن را برای معلمان قابل‌فهم‌تر می‌کند. این چارچوب نه تنها تعاریف و مثال‌هایی برای هر اصل ارائه می‌دهد، بلکه جزئیاتی درباره فعالیت‌هایی که دانش‌آموزان در هر دسته‌بندی باید انجام دهند نیز در اختیار قرار می‌دهد.

برای مثال، مفهوم “ادراک” شامل فرایند استخراج معنا از ورودی‌های حسی است و مواردی همچون شناسایی گفتار، بینایی کامپیوتر (مانند تشخیص اشیا، شناسایی چهره، خواندن پلاک خودروها و درک صحنه‌ها)، و دیگر اشکال ادراک (مانند شناسایی موسیقی یا تفسیر داده‌های سونار، رادار یا لیدار) را در بر می‌گیرد.

این چارچوب فعالیت‌های متناسب با هر پایه تحصیلی را تعریف کرده است:

• در پایه‌های اول تا دوم، دانش‌آموزان با حسگرهای رایانه، روبات‌ها و دستگاه‌های هوشمند آشنا شده و با عوامل هوشمندی مانند الکسا یا سیری تعامل دارند.

• در پایه‌های سوم تا پنجم، باید نحوه تبدیل ورودی‌های حسگر به سیگنال‌های آنالوگ یا دیجیتال را توضیح دهند و محدودیت‌های ادراک رایانه را به نمایش بگذارند.

• در پایه‌های ششم تا هشتم، باید محدودیت‌های حسگرها و نقش آن‌ها در سیستم‌های ادراک را توضیح دهند و برنامه‌ای طراحی کنند که از حسگرها و اشکال مختلف ادراک استفاده کند.

• در پایه‌های نهم تا دوازدهم، باید دانش دامنه‌ای مرتبط با انواع ادراک رایانه‌ای را توضیح دهند و چالش‌های شناسایی گفتار را بررسی کنند.

برنامه درسی هوش مصنوعی برای سال‌های اولیه تحصیل

آموزش هوش مصنوعی فراتر از تفکر محاسباتی است و به بررسی چگونگی احساس، تفکر، عملکرد، یادگیری، تصمیم‌گیری، خلق، ادراک و تفسیر توسط کامپیوترها می‌پردازد. کودکان در سال‌های اولیه تحصیل که معمولاً تفکر عینی دارند و یادگیرندگان فعال محسوب می‌شوند، به‌ویژه از روش‌های عملی در یادگیری علوم، فناوری، مهندسی و ریاضی (STEM) بهره‌مند می‌شوند.

باور بر این است که یادگیری هوش مصنوعی می‌تواند از سن سه‌سالگی با رویکردی ساده و پایه‌ای آغاز شود. کودکان به دلیل کنجکاوی و سرعت بالای یادگیری، می‌توانند از آموزش‌های هوش مصنوعی به شکلی سرگرم‌کننده و سودمند بهره‌مند شوند، البته به شرطی که منابع و روش‌های مناسب در اختیارشان قرار گیرد.

برای تجهیز کودکان در سال‌های اولیه تحصیل به سواد هوش مصنوعی، توسعه برنامه درسی برای آموزش آنان از سه دیدگاه بررسی شده است:

1. کمک به کودکان برای شناسایی فناوری‌های AI در زندگی روزمره‌شان.
2. تجهیز کودکان به مهارت‌های برنامه‌نویسی برای استفاده از این فناوری‌ها در موقعیت‌های واقعی.
3. آگاهی از مسائل اخلاقی مرتبط با استفاده از فناوری‌های AI.

از این دیدگاه، سه شایستگی اصلی برای دستیابی به سواد هوش مصنوعی تعریف شده است:

1. دانش هوش مصنوعی

این شایستگی هدفش کمک به دانش‌آموزان برای درک اصول بنیادین هوش مصنوعی است. این شایستگی به پنج خوشه تقسیم می‌شود:
o تعاریف و انواع هوش مصنوعی: شامل شناخت ویژگی‌هایی که سیستم‌های مبتنی بر AI را از سیستم‌های مبتنی بر الگوریتم متمایز می‌کند.
o حل مسئله و جستجو: آشنایی با تکنیک‌های جستجو.
o استدلال: مطالعه استفاده از مدل‌های محاسباتی برای شبیه‌سازی فرایندهای استدلال منطقی انسانی.
o داده‌ها و یادگیری ماشین: درک الگوریتم‌های یادگیری ماشین که الگوها را در داده‌ها شناسایی می‌کنند.
o کاربردها: شامل دانش در زمینه‌های مختلف کاربردی AI مانند بینایی کامپیوتر، شناسایی گفتار و ترجمه ماشینی.
فعالیت‌های مرتبط با “کاربردها” به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که شرکت‌کنندگان بتوانند فناوری‌های AI رایج مانند شناسایی گفتار و تشخیص متون اپتیکی را تجربه کنند و با مشاهده آن‌ها در موقعیت‌های واقعی، از این فناوری‌ها استفاده کنند.

مهارت‌های هوش مصنوعی (AI Skill)

دانش‌آموزانی که شایستگی مهارت‌های هوش مصنوعی را دارند، می‌توانند بر اساس توانایی‌های برنامه‌نویسی خود به شیوه‌ای محاسباتی فکر کنند. این شایستگی شامل دو بخش است:

1. استفاده از ابزارهای هوش مصنوعی: به معنای توانایی حل مسائل با استفاده از ابزارهای مناسب هوش مصنوعی.
2. تفکر محاسباتی و برنامه‌نویسی: به معنای توانایی ساخت برنامه‌های ساده هوش مصنوعی با هدف بهبود تفکر محاسباتی دانش‌آموزان.
چارچوب شایستگی هوش مصنوعی ReadyAI برای ارتقای تفکر محاسباتی و برنامه‌نویسی طراحی شده است. تفکر محاسباتی به توانایی دانش‌آموز برای حل مسائل، ساخت سیستم‌ها و درک رفتار انسانی بر اساس علوم کامپیوتر اشاره دارد.
تفکر محاسباتی بر تفکر در سطوح متعدد انتزاع تأکید دارد تا مهارت‌های تحلیلی و انتقادی دانش‌آموزان را در جهانی که کامپیوترها همه‌جا حضور دارند، توسعه دهد. از آنجایی که علوم کامپیوتر شامل هوش مصنوعی می‌شود، تفکر محاسباتی به عنوان یک مهارت ضروری برای دستیابی به سواد هوش مصنوعی در نظر گرفته می‌شود.

نگرش نسبت به هوش مصنوعی (AI Attitude)

شایستگی نگرش نسبت به هوش مصنوعی توانایی دانش‌آموزان را برای در نظر گرفتن تمام جنبه‌های هوش مصنوعی در جامعه به‌طور کلی بهبود می‌بخشد. این شایستگی شامل دو بخش است:

1. تأثیر اجتماعی: اشاره به توانایی شناسایی اثرات مثبت و منفی هوش مصنوعی بر جامعه دارد.
2. همکاری با هوش مصنوعی: به توانایی همکاری با هوش مصنوعی در موقعیت‌های مختلف اشاره می‌کند.

شایستگی نگرش نسبت به هوش مصنوعی توانایی دانش‌آموزان را برای تشخیص اثرات مثبت و منفی هوش مصنوعی بر جامعه و همچنین دیدگاه انتقادی آنها نسبت به استفاده از هوش مصنوعی ارزیابی می‌کند. شهروندانی که از سواد هوش مصنوعی برخوردارند باید قادر به استفاده از هوش مصنوعی برای منافع عمومی باشند.

در حالی که هوش مصنوعی یک نیروی محرکه برای نوآوری است، همچنین تهدیدی برای حقوق کودکان از جمله حریم خصوصی، ایمنی و امنیت آنها محسوب می‌شود. با این حال، کودکان تنها به‌طور مختصر در بیشتر ابتکارات و راهنماهای هوش مصنوعی ذکر شده‌اند و تأثیر سیستم‌های هوش مصنوعی بر کودکان و حقوق آنها کمتر مورد توجه قرار می‌گیرد. این موضوع به‌ویژه نگران‌کننده است زیرا کودکان قادر نیستند به‌طور کامل پیامدهای فناوری هوش مصنوعی را درک کنند و معمولاً از ابزارهای لازم برای ابراز دیدگاه‌های خود یا از حمایت‌های لازم برای دفاع از حقوق خود بی‌بهره‌اند.

کودکان اغلب فاقد منابع لازم برای واکنش به وقایع تبعیض‌آمیز یا اصلاح هرگونه تفسیر نادرست داده‌ها هستند. همچنین، وارد شدن هوش مصنوعی به فرآیند تصمیم‌گیری انسانی مسائل اخلاقی در مورد کاربرد آن را مطرح می‌کند، از جمله یک طبقه‌بند صورت با تعصب جنسی تجاری و کلمات با تعصبات نژادی.

برای اینکه دانش‌آموزان بتوانند به خود بیندیشند و دیدگاه‌های مختلف را شناسایی کنند، نیاز به یک دیدگاه متوازن نسبت به مسائل اخلاقی متضاد هوش مصنوعی وجود دارد. در این راستا، شایستگی‌های سواد هوش مصنوعی باید اطمینان حاصل کنند که دانش‌آموزان درک روشنی از هوش مصنوعی داشته باشند.

برای ارتقای توانایی دانش‌آموزان و مربیان در مقاطع ابتدایی تا دوازدهم، آنها را به استفاده از ابزارهای کمکی برای درک مفاهیم پایه‌ای هوش مصنوعی تشویق می‌کنند. در سال‌های اخیر، ابزارها و تکنیک‌های متعددی ایجاد شده است که هوش مصنوعی را برای دانش‌آموزان جوان قابل دسترس‌تر می‌کند. تعدادی از این ابزارها و منابع مفید که برای دانش‌آموزان و معلمان در زمینه آموزش هوش مصنوعی مناسب هستند، به شرح زیر است:

• Cognimates یک افزونه برای برنامه اسکرچ است که به کاربران دسترسی به APIها برای تولید صدا، شناسایی گفتار، طبقه‌بندی متن، شناسایی اشیاء و کنترل ربات را فراهم می‌آورد.
• eCraft2Learn افزونه‌هایی مشابه برای زبان Snap! که یک نسخه از اسکرچ است، ارائه می‌دهد.
• Machine Learning for Kids یک وب‌سایت است که نمایشی آنلاین ارائه می‌دهد که در آن کودکان می‌توانند مدل‌های طبقه‌بندی‌کننده را با استفاده از برنامه‌های وب یا افزونه‌های اسکرچ آموزش دهند.
• ربات Cozmo یک دستیار متحرک کم‌هزینه است که دارای بینایی کامپیوتری با قابلیت شناسایی اشیاء و شناسایی چهره، شناسایی اشیاء، برنامه‌ریزی مسیر و تولید صدا می‌باشد.
• Calypso for Cozmo یک زبان برنامه‌نویسی بصری مبتنی بر قواعد است که برای ربات Cozmo طراحی شده و قابلیت‌های شناسایی گفتار، ناوبری مبتنی بر نشانه‌ها، نقشه جهانی قابل مشاهده و برنامه‌نویسی با ماشین وضعیت را دارا می‌باشد.
• تجربیات هوش مصنوعی گوگل شامل مجموعه‌ای از آزمایش‌های رایگان است که شامل “Teachable Machine” و “QuickDraw” می‌شود که از شبکه عصبی برای شناسایی آنچه که رسم می‌کنید استفاده می‌کند.
• کیت‌های AIY گوگل که برای شناسایی تصویر و صدا با استفاده از Raspberry Pi Zero طراحی شده‌اند، به صورت کم‌هزینه‌ای امکان شناسایی صدا و تصویر را فراهم می‌آورند.
• TensorFlow Playground یک برنامه گرافیکی است که به دانش‌آموزان مقطع دبیرستان و دانشجویان کارشناسی این امکان را می‌دهد که با شبکه‌های عصبی و یادگیری بازگشتی آزمایش کنند.

علاوه بر این ابزارها و پلتفرم‌ها، برخی منابع دیگر شامل فعالیت‌های آموزشی در ریاضیات و علوم، موجودی مفاهیم و استانداردهای موجود، و مصاحبه با ریاضی‌دانان و دانشمندان به عنوان بخشی از یک طبقه‌بندی برای تفکر محاسباتی در ریاضیات و علوم استفاده شده‌اند.

این مطالعه به منابع و ابزارهای مفیدی اشاره کرده است که نه تنها به تقویت رابطه متقابل بین تفکر محاسباتی و حوزه‌های ریاضی و علمی کمک می‌کند بلکه به مسائل عملی در این زمینه‌ها نیز پرداخته است.

با توجه به این که تحقیقات پیشین بیشتر بر روی ابزارهای عمومی برای یادگیری هوش مصنوعی، استفاده از هوش مصنوعی برای آموزش موضوعات خاص و استفاده از ابزارهای برنامه‌نویسی در آموزش متوسطه تمرکز داشته‌اند، این مطالعه قصد دارد شکاف‌های موجود در طراحی و پیاده‌سازی برنامه‌های درسی هوش مصنوعی در آموزش کودکان را پر کند و روش‌های بهبود برنامه‌های درسی هوش مصنوعی را در این زمینه‌ها ارائه دهد.

برنامه‌درسی اولیه هوش مصنوعی: چشم‌اندازهای آینده

برنامه‌درسی هوش مصنوعی در دوران ابتدایی یک موضوع نوپاست و بیشتر مطالعات مرتبط با این موضوع به آموزش در مقاطع متوسطه و دانشگاهی پرداخته‌اند. با این حال، آموزش هوش مصنوعی در دوران ابتدایی یک حوزه بالقوه است که می‌تواند فرصت‌های زیادی برای توسعه فراهم آورد. در این زمینه، چندین جهت‌گیری برای پژوهشگران و معلمان پیشنهاد می‌شود:

1. انتخاب ابزارها و پلتفرم‌های مناسب برای یادگیری الکترونیکی: یکی از پیشنهادات این است که پژوهشگران یا معلمان ابزارها و پلتفرم‌های مناسب یادگیری الکترونیکی را به عنوان مواد آموزشی انتخاب کنند. به عنوان مثال، پلتفرم‌های یادگیری الکترونیکی مانند “Reading Battle” می‌توانند تاثیر مثبتی بر عملکرد تحصیلی و عادات یادگیری و علاقه‌مندی کودکان داشته باشند.
2. آموزش معلمان هوش مصنوعی در دوران ابتدایی: آموزش هوش مصنوعی به عنوان یک موضوع مستقل در سطح ابتدایی و متوسطه نیاز به آموزش رسمی معلمان دارد. تحقیق در زمینه چگونگی آموزش مربیان پیش‌دبستانی و سایر معلمان برای تدریس هوش مصنوعی بسیار حائز اهمیت است. این تحقیقات می‌تواند به طراحی دوره‌های آموزشی ویژه برای معلمان پیش‌دبستانی کمک کند.
3. ارتباط بین هوش مصنوعی و مهارت‌های قرن 21: پژوهش در زمینه این که آیا دوره‌های هوش مصنوعی می‌توانند مهارت‌های قرن 21 را در کودکان بهبود دهند نیز اهمیت دارد. این مهارت‌ها شامل خلاقیت، تفکر انتقادی، حل مسئله، مهارت‌های همکاری، مهارت‌های فناوری اطلاعات و انواع جدید سواد، و آگاهی اجتماعی، فرهنگی و متاکognitive هستند.
4. تأثیر وضعیت اجتماعی-اقتصادی (SES) بر یادگیری هوش مصنوعی: همچنین پژوهش در این زمینه که آیا وضعیت اجتماعی-اقتصادی بر یادگیری هوش مصنوعی کودکان تأثیر می‌گذارد، از اهمیت بالایی برخوردار است. برخی از پژوهش‌ها نشان داده‌اند که وضعیت اجتماعی-اقتصادی می‌تواند بر درک کودکان از مفاهیم هوش مصنوعی تأثیرگذار باشد، به طوری که کودکان از خانواده‌های با وضعیت اجتماعی-اقتصادی بالا مفاهیم هوش مصنوعی را بهتر درک می‌کنند.