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(xué)制造了第一臺專屬于教育系統(tǒng)的超級計算機(jī)ILLIAC I作為教育中的探索。后來，20世紀(jì)50年代新行為主義的代表人物斯金納發(fā)明了教學(xué)機(jī)器——程序教學(xué)機(jī)，在美國掀起了轟轟烈烈的程序教學(xué)運(yùn)動，對美國中小學(xué)教育產(chǎn)生了廣泛的影響。再后來美蘇科技競爭，大學(xué)入學(xué)人數(shù)增加，亟需加大對科學(xué)和工程教育的投入，于是人們開始嘗試用計算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模教育。在這個背景下，伊利諾伊大學(xué)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(xué)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(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)，也是世界上第一個計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)。柏拉圖系統(tǒng)第一代將顯示設(shè)備、定制按鍵組、存儲設(shè)備、幻燈片選擇機(jī)（當(dāng)時的幻燈片在視聽教學(xué)中大量使用）連接至ILLIAC計算機(jī)。1961年，柏拉圖系統(tǒng)第二代在第一代的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級，加入交換機(jī)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(jī)更加強(qiáng)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(xué)科教學(xué)。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(shè)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(luò)大型機(jī)，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(yùn)作推動了商業(yè)化，到1979年，柏拉圖系統(tǒng)運(yùn)行終端超過了千萬臺，主要推向了大學(xué)和一些社區(qū)學(xué)校。

二、柏拉圖系統(tǒng)體現(xiàn)的教學(xué)應(yīng)用價值

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

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

2.學(xué)生通過與類似打字機(jī)鍵盤的特殊鍵組進(jìn)行交互，在做了正確行為時會得到及時的強(qiáng)化，而遇到困難時則得到及時幫助。由于缺乏足夠的設(shè)備、時間和實驗條件，許多重要概念發(fā)展過程中的關(guān)鍵實驗學(xué)生沒有辦法進(jìn)行，使用計算機(jī)模擬可以更好地理解這些概念。例如一節(jié)有關(guān)振蕩的物理課，為了幫助學(xué)生理解振蕩系統(tǒng)，系統(tǒng)會顯示振蕩運(yùn)動的動畫，并允許學(xué)生改變參數(shù)，設(shè)置初始位置。學(xué)生在系統(tǒng)上做實驗，做到自己認(rèn)為理解這個知識點之后，該程序會通過一些有關(guān)振蕩系統(tǒng)的問題來測試，必要時系統(tǒng)會提供幫助。學(xué)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(jī)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(xué)生六個題中錯了兩個題，則必須重新進(jìn)行整個測試。這也算信息技術(shù)歷史中最老的一種虛擬實驗應(yīng)用。

3.學(xué)生有機(jī)會學(xué)習(xí)自己設(shè)計的系統(tǒng)，并用一種特殊的語言對計算機(jī)進(jìn)行編程，那樣可以得到即時的結(jié)果圖。例如在化學(xué)課程中，學(xué)生設(shè)計實驗，選擇化合物和反應(yīng)條件，然后收集實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行教學(xué)分析，總結(jié)從實驗中得出的結(jié)論。計算機(jī)可以根據(jù)實驗結(jié)果的算法快速計算給定物質(zhì)的反應(yīng)結(jié)果，這些結(jié)果可能超出學(xué)生的實驗技能和可用的實驗設(shè)施。學(xué)生要完成將給定的起始化合物合成目的化合物的任務(wù)，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(jī)在學(xué)生選好化合物后，會執(zhí)行反應(yīng)，并將生成物的結(jié)構(gòu)與目的化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。

三、柏拉圖系統(tǒng)的教學(xué)應(yīng)用方法與策略

柏拉圖系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)用方法和策略有三個。

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

2.使學(xué)生靈活地學(xué)習(xí)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(yīng)嘗試根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行調(diào)整。通過制定標(biāo)準(zhǔn)，了解課程難度與學(xué)生能力相匹配的情況。這個標(biāo)準(zhǔn)可以是學(xué)生在第一次答題時回答課程中問題的百分比，教師看到學(xué)生的學(xué)習(xí)情況后能夠進(jìn)行簡單的教學(xué)調(diào)整，這是早期的學(xué)習(xí)策略。對這樣的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，學(xué)生也可以選擇題目進(jìn)行答題。

四、柏拉圖系統(tǒng)的主要教學(xué)應(yīng)用場景

1.日常教學(xué)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(xué)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)奖境煽儍裕缈荚嚦煽兒蛯嶒炇覉蟾娉煽?。這種機(jī)制的一個重要好處是，教師可以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)成績的最新情況來調(diào)整課堂活動，還可以快速準(zhǔn)確地了解落后學(xué)生的情況。

2.平時練習(xí)、復(fù)習(xí)、檢測

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

3.模擬實驗

由于時間、設(shè)施和實驗技能的限制，學(xué)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(bǔ)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(jìn)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(gòu)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(zhǔn)確是一種通用語言，既可以用來畫圖，也可以進(jìn)行科學(xué)計算。從外部的實驗設(shè)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(jī)系統(tǒng)和外圍設(shè)備之間進(jìn)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(jī)系統(tǒng)突破性的進(jìn)步。

五、柏拉圖系統(tǒng)的教學(xué)應(yīng)用效果和功能總結(jié)

柏拉圖系統(tǒng)運(yùn)用到學(xué)校進(jìn)行教學(xué)實驗后有三點結(jié)論。

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

2.學(xué)生喜歡以柏拉圖系統(tǒng)為基礎(chǔ)的科學(xué)教學(xué)，這在正式問卷和訪談中都得到了驗證。學(xué)生認(rèn)為柏拉圖系統(tǒng)的教學(xué)有助于學(xué)習(xí)。

3.有機(jī)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(xué)生都覺得這些教材很有用。就這個結(jié)果而言，該教學(xué)系統(tǒng)軟件算是獲得了不錯的結(jié)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(xué)，可以追蹤、記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程和提交的答案，是第一個“可提供廣泛領(lǐng)域課程的個別化教學(xué)系統(tǒng)”。利用柏拉圖系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者可以自定步調(diào)學(xué)習(xí)個性化的課程，及時得到針對所學(xué)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(jìn)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(xué)習(xí)環(huán)境。2.方便交流和共享信息。3.開發(fā)門檻低、教學(xué)資源豐富。4.記錄學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)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(shù)的發(fā)展

柏拉圖系統(tǒng)開啟了遠(yuǎn)程教育的新時代，開啟了可以交互和反饋的教學(xué)模式。在柏拉圖系統(tǒng)上幾乎能找到所有大中小學(xué)課程的學(xué)習(xí)資源，它的廣泛普及一定程度上解決了偏遠(yuǎn)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(luò)應(yīng)用形態(tài)。例如，柏拉圖便條是BBS、網(wǎng)絡(luò)論壇的雛形，個人便條是Email的雛形，Talkmatic是網(wǎng)絡(luò)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(jì)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(fù)擔(dān)一臺終端的費(fèi)用，而且電話聯(lián)網(wǎng)也產(chǎn)生了高額的費(fèi)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(jī)構(gòu)管理，而不同網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)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(jì)90年代，微軟操作系統(tǒng)開始升級，多媒體設(shè)備開始普及，就此進(jìn)入多媒體軟件時代。我國當(dāng)時的“九五”科技攻關(guān)—計算機(jī)輔助教學(xué)軟件研制開發(fā)應(yīng)用項目（簡稱96750項目），開發(fā)設(shè)計了很多的多媒體課件。進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)課程時代，國家要求高校建設(shè)精品課程，這對高校教師了解與借鑒其他學(xué)校課程起到了很大的幫助?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)課程成為學(xué)校一種最重要的教學(xué)資源，慕課也由此基礎(chǔ)上發(fā)展開來，成為一種開放的資源。

七、學(xué)習(xí)軟件的研究現(xiàn)狀與未來展望

網(wǎng)絡(luò)時代的發(fā)展，教育App助力教與學(xué)的創(chuàng)新。如釘釘、希沃班級大師、洋蔥學(xué)園、有道云筆記等。學(xué)習(xí)軟件的開發(fā)已經(jīng)不再局限于教育技術(shù)領(lǐng)域，而是所有軟件在制作時都會考慮到教育價值和教學(xué)應(yīng)用，很多商業(yè)大鱷開始進(jìn)入教育市場。

我所在的團(tuán)隊聯(lián)合另外18個團(tuán)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(xué)環(huán)境”，從科學(xué)實驗探究學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行了大量調(diào)研。通過大量的國內(nèi)外相關(guān)學(xué)科探究學(xué)習(xí)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(dǎo)，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(rèn)知實驗）以及四個真實實驗（稀鹽酸與鐵絲反應(yīng)、固體藥品取用、蠟燭燃燒的探究、明礬與氫氧化鈉的反應(yīng)），兩個虛實融合實驗（稀硫酸的化學(xué)性質(zhì)探究、飽和水的反應(yīng)）的評價。

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

我所在團(tuán)隊與同濟(jì)大學(xué)、濟(jì)南大學(xué)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(xué)校進(jìn)行了推廣和示范，學(xué)生反饋效果不錯。

我個人認(rèn)為，未來學(xué)習(xí)軟件的概念將不復(fù)存在，人工智能將無處不在，更多是人機(jī)共處、人機(jī)協(xié)同的模式，學(xué)習(xí)將是情景化、沉浸式的真實參與過程。

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