从柏拉图系统到机器人教师

徐光涛

一、柏拉图系统的历史和发展

1952年，美国伊利诺伊大学制造了第一台专属于教育系统的超级计算机ILLIAC I作为教育中的探索。后来，20世纪50年代新行为主义的代表人物斯金纳发明了教学机器——程序教学机，在美国掀起了轰轰烈烈的程序教学运动，对美国中小学教育产生了广泛的影响。再后来美苏科技竞争，大学入学人数增加，亟需加大对科学和工程教育的投入，于是人们开始尝试用计算机进行大规模教育。在这个背景下，伊利诺伊大学开始了柏拉图系统（PLATO system）的研发。

柏拉图系统是伊利诺伊大学控制系统实验室的助理唐纳德·比泽尔建立的一套计算机辅助教学系统，也是世界上第一个计算机辅助教学系统。柏拉图系统第一代将显示设备、定制按键组、存储设备、幻灯片选择机（当时的幻灯片在视听教学中大量使用）连接至ILLIAC计算机。1961年，柏拉图系统第二代在第一代的基础上进行了升级，加入交换机控制，支持两人同时使用这个系统。1963年到1966年间，柏拉图系统第三代的中央计算机更加强大，最多可支持20个终端同时使用，普通教师借助TUTOR语言能编写自己的课程，课程资源逐渐丰富起来，并且支持多门学科教学。1972年，柏拉图系统第四代具备了橙色背光的等离子显示屏，并且是触摸显示屏，支持连接外部设备，如音乐合成器、语言合成器等，依托数据控制公司（CDC）提供的网络大型机，已经能供一千多名用户同时使用。柏拉图系统第四代通过CDC运作推动了商业化，到1979年，柏拉图系统运行终端超过了千万台，主要推向了大学和一些社区学校。

二、柏拉图系统体现的教学应用价值

柏拉图系统最大的价值在于运用到教学、科学研究和通信。柏拉图系统体现的教学应用价值主要围绕三个方面。

1.基于计算机柏拉图系统专门为学生设计大量交互式、自定进度的教学。这个思想与斯金纳教学理念一脉相承——个性化的、适合学生的、能够和机器进行交互的模式，这是斯金纳美国程序教学的初衷。

2.学生通过与类似打字机键盘的特殊键组进行交互，在做了正确行为时会得到及时的强化，而遇到困难时则得到及时帮助。由于缺乏足够的设备、时间和实验条件，许多重要概念发展过程中的关键实验学生没有办法进行，使用计算机模拟可以更好地理解这些概念。例如一节有关振荡的物理课，为了帮助学生理解振荡系统，系统会显示振荡运动的动画，并允许学生改变参数，设置初始位置。学生在系统上做实验，做到自己认为理解这个知识点之后，该程序会通过一些有关振荡系统的问题来测试，必要时系统会提供帮助。学生得到帮助后，必须继续回答这些题目，但是题目的参数会发生变化。最后测试的题目是从前面几个测试题中随机挑选的，并且改变了参数，测试时不能再求助。在这节课中，如果学生六个题中错了两个题，则必须重新进行整个测试。这也算信息技术历史中最老的一种虚拟实验应用。

3.学生有机会学习自己设计的系统，并用一种特殊的语言对计算机进行编程，那样可以得到即时的结果图。例如在化学课程中，学生设计实验，选择化合物和反应条件，然后收集实验数据，进行教学分析，总结从实验中得出的结论。计算机可以根据实验结果的算法快速计算给定物质的反应结果，这些结果可能超出学生的实验技能和可用的实验设施。学生要完成将给定的起始化合物合成目的化合物的任务，就要为实验转化的每一步选择一种试剂。由于起始化合物有多重途径生成目的化合物，因此计算机在学生选好化合物后，会执行反应，并将生成物的结构与目的化合物的结构进行比较。

三、柏拉图系统的教学应用方法与策略

柏拉图系统教学应用方法和策略有三个。

1.要想成功地将柏拉图系统运用于实际教学中，需要将实际问题和可能的辅导序列与必要的理论框架相结合，从而更好地帮助学生理解。柏拉图系统中提供的一些实验，在实际教学中想要产生好的教学效果需要跟教师的教学结合起来，要考虑到教师需要提前准备的知识内容和可操作的时间点，从而更好地帮助学生理解。

2.使学生灵活地学习和使用特定课程的一个简单方法是提供课程索引，以便轻松访问任何部分，这是最早的超链接概念。

3.课程应尝试根据学生的学习情况进行调整。通过制定标准，了解课程难度与学生能力相匹配的情况。这个标准可以是学生在第一次答题时回答课程中问题的百分比，教师看到学生的学习情况后能够进行简单的教学调整，这是早期的学习策略。对这样的学习系统，学生也可以选择题目进行答题。

四、柏拉图系统的主要教学应用场景

1.日常教学辅助

柏拉图系统中的课程有三个主要组成部分，分别是教学课、家庭作业和在线成绩册。课程完成数据和家庭作业成绩会自动登记到在线成绩册。教师也会将其他成绩输到本成绩册，如考试成绩和实验室报告成绩。这种机制的一个重要好处是，教师可以根据学生学习成绩的最新情况来调整课堂活动，还可以快速准确地了解落后学生的情况。

2.平时练习、复习、检测

在柏拉图系统的课程中，不仅学生能进行练习，教师也可以通过即时反馈的测试，检测学生是否了解课程中提出的概念。这些课程材料也能用于复习。

3.模拟实验

由于时间、设施和实验技能的限制，学生无法在实验室做的实验，可通过柏拉图系统中的模拟实验来补充。

4.辅助数据处理

柏拉图系统能够成为研究实验的通用计算工具，是因为它提供的TUTOR语言使编写程序进行计算分析数据变得更容易，另外，特殊的绘图命令加上完整的图形显示有助于精确構建图形。大家熟悉的佩伯特发明的LOGO语言主要用于图形的制作，而这里的TUTOR语言更准确是一种通用语言，既可以用来画图，也可以进行科学计算。从外部的实验设备引入实验数据可以通过终端上的连接器完成，该连接器允许计算机系统和外围设备之间进行双向通信，这就实现了外部的驱动。实现了外部的驱动就可以读取数据、计算，这算是计算机系统突破性的进步。

五、柏拉图系统的教学应用效果和功能总结

柏拉图系统运用到学校进行教学实验后有三点结论。

1.与不使用柏拉图系统的课程相比，学生在以柏拉图系统为基础的科学课程中表现相近或更好。

2.学生喜欢以柏拉图系统为基础的科学教学，这在正式问卷和访谈中都得到了验证。学生认为柏拉图系统的教学有助于学习。

3.有机会在课程中使用柏拉图系统中教材的教师表示，他们和学生都觉得这些教材很有用。就这个结果而言，该教学系统软件算是获得了不错的结果。

柏拉图系统第四代配置了显示屏和触摸屏，可支持图片、文字等多种媒体形式的教学，可以追踪、记录学习者的学习过程和提交的答案，是第一个“可提供广泛领域课程的个别化教学系统”。利用柏拉图系统，学习者可以自定步调学习个性化的课程，及时得到针对所学课程的反馈，任何使用柏拉图系统的用户相互之间都可以进行在线交流。柏拉图系统具有几个特点：1.具备宽松的自主化学习环境。2.方便交流和共享信息。3.开发门槛低、教学资源丰富。4.记录学习者学习过程以方便教师分析。

六、柏拉图系统的没落和新时代技术的发展

柏拉图系统开启了远程教育的新时代，开启了可以交互和反馈的教学模式。在柏拉图系统上几乎能找到所有大中小学课程的学习资源，它的广泛普及一定程度上解决了偏远地区师资力量不足的问题。柏拉图系统中的功能也塑造了多种网络应用形态。例如，柏拉图便条是BBS、网络论坛的雏形，个人便条是Email的雏形，Talkmatic是网络聊天室的雏形，Term-talk是即时通信软件（QQ、微信）的雏形。

柏拉图系统消失于20世纪80年代中期，由于成本问题，早期的柏拉图系统与终端绑定，普通人无法负担一台终端的费用，而且电话联网也产生了高额的费用，优质课件的开发成本变得非常高。另外，柏拉图系统由多个不同的组织机构管理，而不同网络之间无法实现实时数据的交换。但是柏拉图系统组成的远程网络已经初步具备了后来互联网的雏形，90年代后逐渐被互联网所取代。

20世纪90年代，微软操作系统开始升级，多媒体设備开始普及，就此进入多媒体软件时代。我国当时的“九五”科技攻关—计算机辅助教学软件研制开发应用项目（简称96750项目），开发设计了很多的多媒体课件。进入网络课程时代，国家要求高校建设精品课程，这对高校教师了解与借鉴其他学校课程起到了很大的帮助。现在网络课程成为学校一种最重要的教学资源，慕课也由此基础上发展开来，成为一种开放的资源。

七、学习软件的研究现状与未来展望

网络时代的发展，教育App助力教与学的创新。如钉钉、希沃班级大师、洋葱学园、有道云笔记等。学习软件的开发已经不再局限于教育技术领域，而是所有软件在制作时都会考虑到教育价值和教学应用，很多商业大鳄开始进入教育市场。

我所在的团队联合另外18个团队共同了申报国家重点研发计划专项“多模态自然交互的虚实融合开放式实验教学环境”，从科学实验探究学习环境进行了大量调研。通过大量的国内外相关学科探究学习环境的调研，建立了基于Web3D的探究式实验平台，这个平台实现了实验前、实验中、实验后的全过程行为记录与评价反馈引导，开展了五个探究式虚拟实验（摩擦力、盐的溶解、PH值的测定、酸碱中和实验、空间认知实验）以及四个真实实验（稀盐酸与铁丝反应、固体药品取用、蜡烛燃烧的探究、明矾与氢氧化钠的反应），两个虚实融合实验（稀硫酸的化学性质探究、饱和水的反应）的评价。

平台能够导入真实实验是基于中山大学的视频识别和分析技术，这个技术基于视频进行行为序列的识别和判断，也就是可以通过视频录制学生实验过程，对学生行为进行判断。中山大学把学生实验的行为流通过可交换的格式发送给我所在的团队，我们的实验行为评价数据库读取行为流后进行分析，把评价的结果再反馈到学生的屏幕上，这样就实现了对真实实验的打分。

我所在团队与同济大学、济南大学合作完成了虚实融合实验的打分和评价。例如带上AR眼镜后能看到虚拟的实验磁场，模拟的磁感线也能真实再现。平台在一些学校进行了推广和示范，学生反馈效果不错。

我个人认为，未来学习软件的概念将不复存在，人工智能将无处不在，更多是人机共处、人机协同的模式，学习将是情景化、沉浸式的真实参与过程。

（本文根据技术促进教育高质量发展青年论坛专家报告整理，有删节）