從柏拉圖系統(tǒng)到機器人教師

徐光濤

一、柏拉圖系統(tǒng)的歷史和發(fā)展

1952年，美國伊利諾伊大學制造了第一臺專屬于教育系統(tǒng)的超級計算機ILLIAC I作為教育中的探索。后來，20世紀50年代新行為主義的代表人物斯金納發(fā)明了教學機器——程序教學機，在美國掀起了轟轟烈烈的程序教學運動，對美國中小學教育產(chǎn)生了廣泛的影響。再后來美蘇科技競爭，大學入學人數(shù)增加，亟需加大對科學和工程教育的投入，于是人們開始嘗試用計算機進行大規(guī)模教育。在這個背景下，伊利諾伊大學開始了柏拉圖系統(tǒng)（PLATO system）的研發(fā)。

柏拉圖系統(tǒng)是伊利諾伊大學控制系統(tǒng)實驗室的助理唐納德·比澤爾建立的一套計算機輔助教學系統(tǒng)，也是世界上第一個計算機輔助教學系統(tǒng)。柏拉圖系統(tǒng)第一代將顯示設備、定制按鍵組、存儲設備、幻燈片選擇機（當時的幻燈片在視聽教學中大量使用）連接至ILLIAC計算機。1961年，柏拉圖系統(tǒng)第二代在第一代的基礎上進行了升級，加入交換機控制，支持兩人同時使用這個系統(tǒng)。1963年到1966年間，柏拉圖系統(tǒng)第三代的中央計算機更加強大，最多可支持20個終端同時使用，普通教師借助TUTOR語言能編寫自己的課程，課程資源逐漸豐富起來，并且支持多門學科教學。1972年，柏拉圖系統(tǒng)第四代具備了橙色背光的等離子顯示屏，并且是觸摸顯示屏，支持連接外部設備，如音樂合成器、語言合成器等，依托數(shù)據(jù)控制公司（CDC）提供的網(wǎng)絡大型機，已經(jīng)能供一千多名用戶同時使用。柏拉圖系統(tǒng)第四代通過CDC運作推動了商業(yè)化，到1979年，柏拉圖系統(tǒng)運行終端超過了千萬臺，主要推向了大學和一些社區(qū)學校。

二、柏拉圖系統(tǒng)體現(xiàn)的教學應用價值

柏拉圖系統(tǒng)最大的價值在于運用到教學、科學研究和通信。柏拉圖系統(tǒng)體現(xiàn)的教學應用價值主要圍繞三個方面。

1.基于計算機柏拉圖系統(tǒng)專門為學生設計大量交互式、自定進度的教學。這個思想與斯金納教學理念一脈相承——個性化的、適合學生的、能夠和機器進行交互的模式，這是斯金納美國程序教學的初衷。

2.學生通過與類似打字機鍵盤的特殊鍵組進行交互，在做了正確行為時會得到及時的強化，而遇到困難時則得到及時幫助。由于缺乏足夠的設備、時間和實驗條件，許多重要概念發(fā)展過程中的關鍵實驗學生沒有辦法進行，使用計算機模擬可以更好地理解這些概念。例如一節(jié)有關振蕩的物理課，為了幫助學生理解振蕩系統(tǒng)，系統(tǒng)會顯示振蕩運動的動畫，并允許學生改變參數(shù)，設置初始位置。學生在系統(tǒng)上做實驗，做到自己認為理解這個知識點之后，該程序會通過一些有關振蕩系統(tǒng)的問題來測試，必要時系統(tǒng)會提供幫助。學生得到幫助后，必須繼續(xù)回答這些題目，但是題目的參數(shù)會發(fā)生變化。最后測試的題目是從前面幾個測試題中隨機挑選的，并且改變了參數(shù)，測試時不能再求助。在這節(jié)課中，如果學生六個題中錯了兩個題，則必須重新進行整個測試。這也算信息技術歷史中最老的一種虛擬實驗應用。

3.學生有機會學習自己設計的系統(tǒng)，并用一種特殊的語言對計算機進行編程，那樣可以得到即時的結果圖。例如在化學課程中，學生設計實驗，選擇化合物和反應條件，然后收集實驗數(shù)據(jù)，進行教學分析，總結從實驗中得出的結論。計算機可以根據(jù)實驗結果的算法快速計算給定物質(zhì)的反應結果，這些結果可能超出學生的實驗技能和可用的實驗設施。學生要完成將給定的起始化合物合成目的化合物的任務，就要為實驗轉(zhuǎn)化的每一步選擇一種試劑。由于起始化合物有多重途徑生成目的化合物，因此計算機在學生選好化合物后，會執(zhí)行反應，并將生成物的結構與目的化合物的結構進行比較。

三、柏拉圖系統(tǒng)的教學應用方法與策略

柏拉圖系統(tǒng)教學應用方法和策略有三個。

1.要想成功地將柏拉圖系統(tǒng)運用于實際教學中，需要將實際問題和可能的輔導序列與必要的理論框架相結合，從而更好地幫助學生理解。柏拉圖系統(tǒng)中提供的一些實驗，在實際教學中想要產(chǎn)生好的教學效果需要跟教師的教學結合起來，要考慮到教師需要提前準備的知識內(nèi)容和可操作的時間點，從而更好地幫助學生理解。

2.使學生靈活地學習和使用特定課程的一個簡單方法是提供課程索引，以便輕松訪問任何部分，這是最早的超鏈接概念。

3.課程應嘗試根據(jù)學生的學習情況進行調(diào)整。通過制定標準，了解課程難度與學生能力相匹配的情況。這個標準可以是學生在第一次答題時回答課程中問題的百分比，教師看到學生的學習情況后能夠進行簡單的教學調(diào)整，這是早期的學習策略。對這樣的學習系統(tǒng)，學生也可以選擇題目進行答題。

四、柏拉圖系統(tǒng)的主要教學應用場景

1.日常教學輔助

柏拉圖系統(tǒng)中的課程有三個主要組成部分，分別是教學課、家庭作業(yè)和在線成績冊。課程完成數(shù)據(jù)和家庭作業(yè)成績會自動登記到在線成績冊。教師也會將其他成績輸?shù)奖境煽儍?，如考試成績和實驗室報告成績。這種機制的一個重要好處是，教師可以根據(jù)學生學習成績的最新情況來調(diào)整課堂活動，還可以快速準確地了解落后學生的情況。

2.平時練習、復習、檢測

在柏拉圖系統(tǒng)的課程中，不僅學生能進行練習，教師也可以通過即時反饋的測試，檢測學生是否了解課程中提出的概念。這些課程材料也能用于復習。

3.模擬實驗

由于時間、設施和實驗技能的限制，學生無法在實驗室做的實驗，可通過柏拉圖系統(tǒng)中的模擬實驗來補充。

4.輔助數(shù)據(jù)處理

柏拉圖系統(tǒng)能夠成為研究實驗的通用計算工具，是因為它提供的TUTOR語言使編寫程序進行計算分析數(shù)據(jù)變得更容易，另外，特殊的繪圖命令加上完整的圖形顯示有助于精確構建圖形。大家熟悉的佩伯特發(fā)明的LOGO語言主要用于圖形的制作，而這里的TUTOR語言更準確是一種通用語言，既可以用來畫圖，也可以進行科學計算。從外部的實驗設備引入實驗數(shù)據(jù)可以通過終端上的連接器完成，該連接器允許計算機系統(tǒng)和外圍設備之間進行雙向通信，這就實現(xiàn)了外部的驅(qū)動。實現(xiàn)了外部的驅(qū)動就可以讀取數(shù)據(jù)、計算，這算是計算機系統(tǒng)突破性的進步。

五、柏拉圖系統(tǒng)的教學應用效果和功能總結

柏拉圖系統(tǒng)運用到學校進行教學實驗后有三點結論。

1.與不使用柏拉圖系統(tǒng)的課程相比，學生在以柏拉圖系統(tǒng)為基礎的科學課程中表現(xiàn)相近或更好。

2.學生喜歡以柏拉圖系統(tǒng)為基礎的科學教學，這在正式問卷和訪談中都得到了驗證。學生認為柏拉圖系統(tǒng)的教學有助于學習。

3.有機會在課程中使用柏拉圖系統(tǒng)中教材的教師表示，他們和學生都覺得這些教材很有用。就這個結果而言，該教學系統(tǒng)軟件算是獲得了不錯的結果。

柏拉圖系統(tǒng)第四代配置了顯示屏和觸摸屏，可支持圖片、文字等多種媒體形式的教學，可以追蹤、記錄學習者的學習過程和提交的答案，是第一個“可提供廣泛領域課程的個別化教學系統(tǒng)”。利用柏拉圖系統(tǒng)，學習者可以自定步調(diào)學習個性化的課程，及時得到針對所學課程的反饋，任何使用柏拉圖系統(tǒng)的用戶相互之間都可以進行在線交流。柏拉圖系統(tǒng)具有幾個特點：1.具備寬松的自主化學習環(huán)境。2.方便交流和共享信息。3.開發(fā)門檻低、教學資源豐富。4.記錄學習者學習過程以方便教師分析。

六、柏拉圖系統(tǒng)的沒落和新時代技術的發(fā)展

柏拉圖系統(tǒng)開啟了遠程教育的新時代，開啟了可以交互和反饋的教學模式。在柏拉圖系統(tǒng)上幾乎能找到所有大中小學課程的學習資源，它的廣泛普及一定程度上解決了偏遠地區(qū)師資力量不足的問題。柏拉圖系統(tǒng)中的功能也塑造了多種網(wǎng)絡應用形態(tài)。例如，柏拉圖便條是BBS、網(wǎng)絡論壇的雛形，個人便條是Email的雛形，Talkmatic是網(wǎng)絡聊天室的雛形，Term-talk是即時通信軟件（QQ、微信）的雛形。

柏拉圖系統(tǒng)消失于20世紀80年代中期，由于成本問題，早期的柏拉圖系統(tǒng)與終端綁定，普通人無法負擔一臺終端的費用，而且電話聯(lián)網(wǎng)也產(chǎn)生了高額的費用，優(yōu)質(zhì)課件的開發(fā)成本變得非常高。另外，柏拉圖系統(tǒng)由多個不同的組織機構管理，而不同網(wǎng)絡之間無法實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的交換。但是柏拉圖系統(tǒng)組成的遠程網(wǎng)絡已經(jīng)初步具備了后來互聯(lián)網(wǎng)的雛形，90年代后逐漸被互聯(lián)網(wǎng)所取代。

20世紀90年代，微軟操作系統(tǒng)開始升級，多媒體設備開始普及，就此進入多媒體軟件時代。我國當時的“九五”科技攻關—計算機輔助教學軟件研制開發(fā)應用項目（簡稱96750項目），開發(fā)設計了很多的多媒體課件。進入網(wǎng)絡課程時代，國家要求高校建設精品課程，這對高校教師了解與借鑒其他學校課程起到了很大的幫助?，F(xiàn)在網(wǎng)絡課程成為學校一種最重要的教學資源，慕課也由此基礎上發(fā)展開來，成為一種開放的資源。

七、學習軟件的研究現(xiàn)狀與未來展望

網(wǎng)絡時代的發(fā)展，教育App助力教與學的創(chuàng)新。如釘釘、希沃班級大師、洋蔥學園、有道云筆記等。學習軟件的開發(fā)已經(jīng)不再局限于教育技術領域，而是所有軟件在制作時都會考慮到教育價值和教學應用，很多商業(yè)大鱷開始進入教育市場。

我所在的團隊聯(lián)合另外18個團隊共同了申報國家重點研發(fā)計劃專項“多模態(tài)自然交互的虛實融合開放式實驗教學環(huán)境”，從科學實驗探究學習環(huán)境進行了大量調(diào)研。通過大量的國內(nèi)外相關學科探究學習環(huán)境的調(diào)研，建立了基于Web3D的探究式實驗平臺，這個平臺實現(xiàn)了實驗前、實驗中、實驗后的全過程行為記錄與評價反饋引導，開展了五個探究式虛擬實驗（摩擦力、鹽的溶解、PH值的測定、酸堿中和實驗、空間認知實驗）以及四個真實實驗（稀鹽酸與鐵絲反應、固體藥品取用、蠟燭燃燒的探究、明礬與氫氧化鈉的反應），兩個虛實融合實驗（稀硫酸的化學性質(zhì)探究、飽和水的反應）的評價。

平臺能夠?qū)胝鎸崒嶒炇腔谥猩酱髮W的視頻識別和分析技術，這個技術基于視頻進行行為序列的識別和判斷，也就是可以通過視頻錄制學生實驗過程，對學生行為進行判斷。中山大學把學生實驗的行為流通過可交換的格式發(fā)送給我所在的團隊，我們的實驗行為評價數(shù)據(jù)庫讀取行為流后進行分析，把評價的結果再反饋到學生的屏幕上，這樣就實現(xiàn)了對真實實驗的打分。

我所在團隊與同濟大學、濟南大學合作完成了虛實融合實驗的打分和評價。例如帶上AR眼鏡后能看到虛擬的實驗磁場，模擬的磁感線也能真實再現(xiàn)。平臺在一些學校進行了推廣和示范，學生反饋效果不錯。

我個人認為，未來學習軟件的概念將不復存在，人工智能將無處不在，更多是人機共處、人機協(xié)同的模式，學習將是情景化、沉浸式的真實參與過程。

（本文根據(jù)技術促進教育高質(zhì)量發(fā)展青年論壇專家報告整理，有刪節(jié)）