計算可持續性的AI：實驗室指南/前言
長期星球可持續性需要智慧地使用智慧計算系統，至少如果我們接受改變星球的技術和人口過剩將繼續存在，這給人類智慧規劃和長遠考慮帶來了挑戰。這需要具有社會參與意識的計算思維者，他們能夠構建和評估智慧系統技術，並以可持續性應用為依據，能夠跨學科工作。
Jeannette Wing（2006）[1] 首次提出了計算思維的概念，並且這個概念一直在發展。AI，即關注決策非確定性管理的計算領域，是任何具有社會相關性的計算思維課程的核心（Fisher，2008）[2]，尤其是在社會和環境可持續性方面。
要讓計算機專業的學生參與可持續性問題，不僅僅需要AI教育，然後寄希望於他們日後能夠意識到其與可持續性的相關性並採取行動，而是當這些聯絡被明確指出時，才能最好地建立聯絡，否則這些知識可能會在學生心中處於休眠狀態（Bransford 等人，1990）[3]，即使在看似需要的情況下也無法獲得。使聯絡清晰也可能吸引對可持續性問題感興趣的學生和從業者進入計算機領域，否則他們可能不會選擇學習計算機。
本文的動機是希望增加和維持參與環境和社會可持續性的計算機社群的人數和多樣性，特別是將可持續性內容引入本科AI課程。不斷發展中的教科書的理想特性是：
- 可移植性，作為本科AI課程中使用的任何主要教科書和其他資源的補充；
- 線上且免費獲取，用於世界範圍內的課程，以及研究團隊/專案在更廣泛的影響計劃中使用（NSF，2007[4]）；
- 模組化，分為獨立的部分和練習，使教師能夠輕鬆地“剪輯”教科書的部分內容用於他們的課程；
- 與AI相關的維基百科文章、教科書（例如，Poole 和 Mackworth，2010；[5] Wikibooks 社群，2012[6]）、線上課程和講座（例如，Ng，2011[7]）、線上研究論文和其他資源（例如，RadioLab[8]，AAAI [9]）互聯；以及
- 社群開發，隨著AI與可持續性交叉領域中的專案、作業和解釋性材料被寫入文字而不斷發展。
該專案與計算可持續性[10]方面更大的努力相一致，預計這項工作將為該社群現有的教育工作做出貢獻，突出並鼓勵知識從研究到教育和公眾推廣的流動。
除了總體描述AI和可持續性實驗室文字外，本章還討論了該專案對研究與教育整合以及向公眾傳播科學的影響；並重點介紹了該專案的社群性質，以及希望該專案透過AI、可持續性和社群來幫助吸引年輕人學習計算機。
Wikibooks是維基百科的姊妹專案，旨在支援集體建立正規和非正規教育的教科書。與維基百科一樣，Wikibooks的基礎設施支援知識演變，例如允許分配學分和回滾的編輯歷史；以及支援討論範圍和修訂的機制，包括小分歧以及文章合併和拆分的大型計劃。Wikibooks屬於知識共享署名-相同方式共享許可，允許複製和重新分發實驗室手冊的全部或部分內容，需署名，到另一個平臺，甚至可能到主要的AI教科書，這將是理想的結果。Wikibooks允許在書籍演變過程中建立穩定的pdf版本。使用Wikibooks還有更廣泛的影響，這在很大程度上源於它與維基百科的關係。
使用Wikibooks最重要的更廣泛影響之一是，有可能讓更多學者參與到維基百科中，並向公眾傳播科學和技術。維基百科作為學生和許多其他人（包括教師，儘管通常不是在他們的專業領域）的資料來源的普及性，使得在該媒介中準確完整地傳播科學知識變得更加重要。例如，美國心理科學協會維基百科倡議（APS，2012）[11]呼籲其成員直接或透過他們的學生為維基百科做出貢獻，以更好地確保完整性和準確性，同時訓練這些科學家及其同事掌握向公眾傳播科學的關鍵技能。事實上，有很多“維基專案”（http://en.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:WikiProject）旨在確保相應內容領域文章的質量。
對維基百科上與AI相關的文章進行的非正式調查表明，其覆蓋範圍不足，與其說是錯誤，不如說是嚴重不完整，尤其是在深度方面。例如，通常涵蓋無監督學習（最顯著的是聚類）的文章主要由經典統計資料聚類材料組成，對獨特的機器學習和AI視角的覆蓋非常有限。甚至關於計算可持續性本身的文章也只是一個存根。此外，對本科和研究生CS學生的非正式詢問表明，學生作為維基百科編輯者的參與率接近0%。此外，正式研究（Lam 等人，2011）[12]表明，女性作為維基百科編輯者的比例仍然非常低。
我們可以希望並期待Wikibooks上的可持續性文字將成為其貢獻者（主要是在很大程度上自願選擇關心教育和公眾推廣）的墊腳石，以更廣泛地參與到維基百科上關於AI的文章中。其中一些新的貢獻者將是學生。
還有一些與正規教學法相關的重要的更廣泛影響。學生提交作業是為了獲得分數，但當他們勞動的成果要呈現給Light（2001）[13] 和其他人所說的“真實受眾”時，他們更有動力去做高質量的工作。當為真實受眾工作時，許多學生會提高他們的工作水平，因為他們認為這項工作與他們息息相關，而且實際上也是如此（Bruff，2011）。[14]理想情況下，作為維基百科編輯者參與的學生會認為他們的努力有助於全球教學法，無論它與可持續性還是AI相關，這將有助於他們樹立自己的形象，讓他們成為能夠在社會上有所作為的人，很大程度上是透過社群合作來實現的。
更廣泛地說，大學正面臨著如何最好地利用世界上免費提供的教育資源來改善校內教育的重要問題——理想情況下，這種教育能夠培養對場所的承諾，而這是對可持續發展承諾的重要先決條件。同樣重要的是，也許更重要的是，如何為世界教育資源做出貢獻的問題。因此，實驗室文字的一個重要動機是為教師提供真實的受眾，以及學生；為所有人提供一個媒介，讓他們為世界免費提供的教育資源做出貢獻，這既是為了世界和科學公民的福祉，也是為了在日益全球化的環境中保持他們作為教育者的活力。
在這個階段，實驗室文字主要透過人工智慧主題進行索引，並透過可持續發展主題進行二級索引和訪問。
文字內容最終將反映流行的人工智慧教科書（例如，Russell 和 Norvig，2010；[15] Poole 和 Mackworth，2010；[5] Luger，2009[16]），以包含以下方面的材料
- 搜尋（無資訊和啟發式），
- 基於約束的推理和最佳化，
- 確定性命題和一階推理，
- 確定性規劃，
- 不確定性下的推理和規劃，
- 機器學習（例如，監督、無監督、強化），
- 多代理系統、基於代理的建模，
- 認知代理架構，
等等。在大量人工智慧文字中，識別常見的內容單元並不困難。理想情況下，這種索引將有助於鼓勵將可持續發展內容納入主要的人工智慧教科書本身，並在修訂和出版新文字時進行。此外，基於人工智慧主題的主要組織將有助於突出具有相似問題結構但可能處於不同可持續發展領域的可持續發展相關問題，從而鼓勵學生進行抽象和概括，並防止惰性知識。
實驗室文字的各個部分應包含足夠的解釋性和說明性材料，以引導讀者瞭解可持續發展內容和應用。由於文字的主要組織是基於人工智慧主題，因此這可能會導致跨越人工智慧主題的可持續發展應用描述中的冗餘。在一段時間內，這種冗餘可能是可以接受的，甚至是有益的，但編輯者可能會在某些情況下合併此類處理，並且可能會拆分在一個部分中涵蓋過多人工智慧練習的內容。在每個可持續發展主題的配套解釋性文字中，將有各種人工智慧模型作業[17]，範圍各不相同，在每種情況下都與可持續發展主題相關
- 持續數週到一個學期的程式設計和/或論文專案；
- 持續一週左右的程式設計和書面作業；以及
- 從幾分鐘到幾小時不等的課堂或其他短期練習。
在整個材料中，將有指向源材料和其他外部參考的指標。
除了主要基於人工智慧的導向之外，實驗室文字的最後一章還概述了可持續發展問題，而沒有或僅限於參考人工智慧概念本身。這裡的目的是使學生能夠，也許作為正式專案的一部分，識別與人工智慧相關的方法，而不會使他們對這些方法應該是什麼產生偏見。
有很多關於人工智慧用於可持續發展方面的例子可以放入實驗室手冊中。許多機器學習應用適合翻譯成教育環境，包括生物多樣性 (Dietterich，2009)[18]、氣候跟蹤 (Monteleoni、Schmidt & Saroha，2010)[19]、電力使用 (Gupta 等人，2010)[20] 和分配 (Gross 等人，2006)[21] 監控。
與機器學習一樣，更普遍的最佳化也是人工智慧中具有許多教學機會的領域。例如，Brunskill 和 Lesh (2010)[22] 使用最佳化來尋找發展中國家醫療工作者的路線，他們每天必須步行數十英里才能到達偏遠的村莊。
另一個推動最佳化的應用是走廊設計。Conrad 等人 (2010)[23] 描述了一種在預算約束下最佳化的全新正規化，這種正規化對於計算機科學學生來說非常直觀。作者將他們的方法應用於灰熊走廊設計，找到現有的受保護生態保護區之間的路徑，以允許熊種群流動並增加遺傳多樣性的可能性。論文字身的大部分內容都可以在高年級計算機科學學生的能力範圍內，並且是計算機科學專業高年級特殊主題課程“計算與環境”的必讀書籍。如論文中所述，該問題邀請使用不同的方法進行實驗。一名學生的學期末專案實施了 Williams 和 Snyder (2005)[24] 中相關的走廊最佳化策略，複製了論文的實驗結果。
經驗表明，走廊設計對本科生具有吸引力，並且可以建立資料集和環境來進行引人入勝的專案和作業。保護區設計遊戲 (Rochester 和 Possingham，2008)[25] 和切薩皮克灣遊戲[26] 是可以整合到該領域實驗室文字中的其他教學材料的示例。
重要的是，這些人工智慧用於可持續發展的例子僅僅是一些例子——如果可以放入此文字中的專案、作業和練習與人工智慧主題領域和可持續發展問題領域的“交叉產品”一樣廣泛，我們也不應該感到驚訝！
有一些課程，其中一些在網路上提供了不同的材料，特別關注人工智慧和可持續發展，或計算和可持續發展（例如，布林莫爾學院的“可持續發展與輔助計算”http://cs.brynmawr.edu/Courses/cs380/fall2010/；卡內基梅隆大學的“人工智慧用於健康與可持續發展”http://www.cs.cmu.edu/~ebrun/spring2012_ai.pdf；範德比爾特大學的“計算與環境”http://www.vuse.vanderbilt.edu/~dfisher/socially-engaged-computational-thinkers/ComputingEnvironment.pdf）。
與可持續發展主題課程的非常積極的趨勢相比，本實驗室手冊是將可持續發展材料深度融合到非可持續發展主題課程中的一個例子。實際上，這項工作的目的不是從人工智慧課程中取代任何人工智慧內容，而是為了方便教師輕鬆採用可用於激發人工智慧方法和概念的可持續發展問題，並在過程中傳遞可持續發展知識。沒有理由這種深度融合策略不能用於其他計算課程，從計算機體系結構到資料庫，僅舉兩個例子。
通常，教學材料的靈感可以來自解決可持續發展問題的 AI 研究論文；這些論文通常會花費大量時間向更廣泛的可持續發展受眾解釋人工智慧的相關性。Conrad 等人 (2010)[23] 僅僅是一個人工智慧和最佳化領域本身感興趣的研究例子，但為了讓非人工智慧受眾受益，其呈現方式採用了多個直覺和形式化層次。
人工智慧在可持續發展研究論文中，因為它們針對更廣泛的受眾，並且通常針對特定的應用，因此是將研究轉化為教學材料的理想起點。計算可持續發展研究所 (ICS，2012)[27] 有一些很有希望的例子，其中一些在本手冊中進行了重點介紹。
理想情況下，沿著這條道路的研究人員和教育工作者將不斷地為 Wikibooks 實驗室文字做出貢獻。此外，我們希望不斷發展的實驗室文字將成為研究專案（例如，NSF 提案和獎勵）更廣泛的影響和教育計劃的資源，這在很大程度上是因為將宣傳這種機會，甚至可能在實驗室書籍網站上提供此類活動的模板，以及關於 Wikibooks 編輯的虛擬會議教程。這將是鼓勵參與可持續發展實驗室文字專案的一種半正式方式。
理想的設計是一個由社群編寫和編輯的實驗教材，一方面補充人工智慧本科課程，另一方面補充現有的計算可持續性方面的努力。該教材旨在成為一種將可持續性融入人工智慧課程和教材的機制，是將計算可持續性更廣泛地融入計算機課程的更大目標的開始。它也有一些重要的更廣泛的影響動機，特別是促進研究和教育的融合，更好地向公眾傳播科學，以及為學生和教師提供機會，在全球範圍內以社群的形式做出貢獻。這本實驗教材任何人都可以編輯，而且沒有哪個領域比社會和環境可持續性更需要社群的參與了。
- ↑ Wing, J. (2006) Communications of the ACM，2006年3月，第49卷，第3期，第33-35頁，摘自 http://www.cs.cmu.edu/afs/cs/usr/wing/www/publications/Wing06.pdf 2012年2月17日
- ↑ Fisher, D. (2008) 人工智慧與培養社會參與型計算思維者。在AAAI春季研討會“利用人工智慧激發更多人參與計算機科學”中。摘自 http://www.vuse.vanderbilt.edu/~dfisher/socially-engaged-computational-thinkers/
- ↑ Bransford, J. D., Sherwood, R. D., Hasselbring, T. S., Kinzer, C. K., & Williams, S. M (1990)。錨定式教學：我們為什麼需要它以及技術如何提供幫助。在C. Nix & R. Spiro（編輯），認知、教育和多媒體：探索高科技中的思想（第115-141頁）。新澤西州希爾斯代爾：勞倫斯·厄爾鮑姆聯合公司。
- ↑ NSF (2007)。績效評估更廣泛的影響標準：代表性活動，http://www.nsf.gov/pubs/gpg/broaderimpacts.pdf
- ↑ a b Poole, D. 和 Mackworth, A. 人工智慧：計算代理的基礎，劍橋大學出版社，可在網路上免費獲取(http://artint.info/index.html)
- ↑ 華夏公益教科書，人工智慧，2012年2月17日從 https://wikibook.tw/wiki/Artificial_Intelligence 檢索
- ↑ Ng, A. 2011。機器學習影片講座。摘自 http://www.ml-class.org/course/video/preview_list
- ↑ RadioLab播客，例如 http://www.radiolab.org/2011/may/31/
- ↑ AAAI教育工作者資源，摘自 http://aaai.org/AITopics/EducatorResources
- ↑ Gomes, Carla。2009。“計算可持續性：用於可持續環境、經濟和社會的計算方法。”《橋》39(4)：5-13。
- ↑ APS (2012)。心理學科學協會維基百科計劃：2012年2月從 http://www.psychologicalscience.org/index.php/members/aps-wikipedia-initiative 檢索
- ↑ Lam, S.K.；Uduwage, A.；Dong, Z.；Sen, S.；Musicant, D.R.；Terveen, L.；Riedl, J.，WP：Clubhouse？對維基百科性別失衡的探索。2011年維基百科研討會，加利福尼亞州山景城，2011年10月
- ↑ Light, R. (2001)。充分利用大學：學生暢所欲言，馬薩諸塞州劍橋：哈佛大學出版社
- ↑ Bruff, D. (2011)。社交網路可以成為學習網路 http://chronicle.com/article/A-Social-Network-Can-Be-a/129609
- ↑ Russell, S. & Norvig, P. (2010)。人工智慧：一種現代方法（第三版）。新澤西州普倫蒂斯·霍爾
- ↑ Luger, G. (2009) 人工智慧：複雜問題解決的結構和策略，第6版。艾迪生-韋斯利
- ↑ EAAI模型作業（2012），摘自 http://modelai.gettysburg.edu/
- ↑ Dietterich,T. (2009)。機器學習在生態系統資訊學和可持續性中的應用，國際人工智慧聯合會議，也可訪問 http://videolectures.net/ijcai09_dietterich_mleis/
- ↑ Monteleoni, C., Schmidt, G. A., Saroha, S. (2010)。跟蹤氣候模型。CIDU，第1-15頁
- ↑ Gupta, S., Reynolds, M.S., 和 Patel, S.N. “ElectriSense：使用EMI進行單點感測，用於家庭中電氣事件檢測和分類，”《普適計算會議論文集》（UbiComp），ACM出版社，2010年，第139-148頁。
- ↑ Gross, P.，等，“使用機器學習易感性分析預測配電饋線故障，”《第18屆人工智慧創新應用會議論文集》（IAAI06），AAAI出版社，2006年，第1705-1711頁。
- ↑ Brunskill, E. 和 Lesh, N. (2010)。農村健康路線：最佳化社群衛生工作者探訪計劃。在2010年3月加利福尼亞州帕洛阿爾託舉行的AAAI春季研討會“人工智慧與發展”上
- ↑ a b Conrad, J., Gomes, C., van Hoeve, W., Sabharwal, A., 和 SuterConrad, J. 將經濟和生態資訊融入野生動物廊道的最佳化設計中，計算與資訊科學技術報告，URI：http://hdl.handle.net/1813/17053。紐約州伊薩卡康奈爾大學，2010年
- ↑ Williams, J. C., 和 Snyder, S. A. 2005。使用最佳化和滲流模型在支離破碎的景觀中恢復棲息地廊道。《環境建模與評估》。10(3)：239-250
- ↑ Rochester, W. 和 Possingham, H. (2008)。保護區設計遊戲。http://www.uq.edu.au/marxan/resgame/index.html#intro
- ↑ Learmonth, G., Smith, D. E., Sherman, W. H., White, M. A., 和 Plank, J. (2011)。“一種解決環境可持續性複雜問題的實用方法：弗吉尼亞大學海灣遊戲，”《創新期刊：公共部門創新期刊》16(1) http://www.innovation.cc/scholarly-style/learmonth_sustain_inviroment_v16i1a4.pdf
- ↑ ICS (2012)。計算可持續性研究所，2012年2月從 http://www.cis.cornell.edu/ics/projects/overview.php 檢索