学习科学的拓荒者 ——Seymour Papert

Conan Xin
11 min readMar 20, 2018

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众所周知,美国麻省理工学院的媒体实验室是一个具有传奇色彩的地方,而Seymour Papert则是其中最富有传奇经历的一位学者,作为Logo语言发明人、人工智能的四大先驱之一、著名的哲学家和数学教育家、计算机教育应用的教父级人物、麻省理工学院媒体实验室的创始人之一,他学术道路的每一步都被迷人的思想光环所包围,后来年轻一代的学习科学家们 把他奉为学习科学这一新生领域的拓荒者和精神导师。Seymour Papert并不是地道的美国人,他1928年出生于南非,早年在南非接受教育,于1949年在威特斯兰德大学(University of Witwatersrand)获文学学士学位,1952年获数学博士学位,而后转赴英国剑桥大学继续进行深造,1959年获得了他的第二个数学博士学位。年轻的Seymour Papert曾积极参与各种社会活动,1950年在伦敦围绕《社会主义评论杂志》而形成的革命的社会主义者圈子里,Seymour Papert是一位响当当的领军人物。他早年曾在很多个教育和研究机构中从事过研究工作,其中包括剑桥的圣约翰学院、巴黎大学的庞加莱研究所、瑞士日内瓦大学和位于伦敦的物理国家实验室等。

如果不是遇到了皮亚杰,Seymour Papert完全有可能成为一位优秀的数学家。正是在日内瓦大学治学期间,Seymour Papert遇到了著名教育家和儿童心理学家皮亚杰并在其门下学艺。皮亚杰曾说:“从来没有人能够像Seymour Papert那样理解我的思想”。正是这段经历和皮亚杰的热情鼓励,才促使其开始思考如何利用数学去理解和解释学习者的学习与思维,让他的学术生涯发生了重大转折,并对日后的人工智能和教育实践产生了深远影响。1963年,Seyour Papert转赴美国,在麻省理工学院担任助理研究员,1967年晋升为应用数学专业的教授,并担任麻省理工学院人工智能实验室的主任直到1981年为止。在此期间,Seyour Papert一方面致力于人工智能这一新领域的开拓,成为人工智能领域的四大先驱之一;另一方面,他时刻不忘当年皮亚杰的教诲,始终对教育保持着热切的关注,在1974–1981年间还担任了麻省理工学院的Cecil & Ida Green教育学讲席教授。自1960年代以来,他对学习理论的研究对20世纪80年代之后的教育实践产生了深刻的影响,尤其广为人知的是他在新技术对学习的影响上所作的开创性工作,其中主要包括建构主义、Logo语言这两个主要方面。

1960年,伴随着世界范围内的课程与教学改革运动,重新回到学校和课堂来研究学习的呼声此起彼伏。此时,一批有远见的人工智能与认知科学家们充当了新一轮革新的先锋与旗手,对现行的学校教育和学习研究提出了尖锐的批评,并开创了学习科学这一新的研究领域。Seymour Papert就是其中最杰出的一位先行者。历经近20年的学术积淀和实践探索,Seymour Papert 1980年在其出版的《头脑风暴:儿童、计算机及充满活力的创意》 (Mindstorms: Children,Computers,and Powerful Ideas)一书中,首次系统阐述了自己在教育和学习研究上的建构主义观点 — — “在制作中学习”(Learning by making)。他认为当孩子们在制作一些对自己有意义的作品时,如做小机器、编故事、编程序或是作歌谣时,孩子们就正处于学习知识的最佳状态。这种“在制作中学习”的思想与杜威当年提倡的“做中学”(Learning by Doing)既有异曲同工之处,又有着微妙而本质的区别,可谓是和而不同。在Seymour Papert看来,好的教育不是如何让老师教得更好,而是如何提供充分的空间和机会让学习者去构建自己的知识体系,而过去以灌输为主要特征的“指导主义”的传统教育做不到这一点,只有“建构主义”的教育观才有可能。他还进一步以“授人以鱼,不如授之以渔”的古老格言形象地阐述了“指导主义”和“建构主义”这两种教育观和学习观之间的区别。他说,指导主义的教育给了学生一条鱼,只能解决一时的生活所需,但并不能解决学生一辈子的生活问题;而建构主义教学生如何去捕鱼,并且还给学生配上了一个好的鱼杆(如Logo语言就是一个好“鱼杆”),这样自然可以使其一辈子衣食无忧。

然而,要开创这样一种“授之以渔”的学校教育新传统,既有的学习研究显然难以胜任。Seymour Papert把既有的认知科学对学习的研究视为保守的指导主义教育传统的帮凶,认为尽管认知主义是对行为主义的一种超越,但二者在对待教育的问题上并无实质差别,行为主义把学生当成动物,而认知主义则把学生当成机器,二者都固守着自然科学研究的传统,都没有真正把学生视为活生生的人看待。因此从某种意义上讲,认知科学在科学上的贡献远远大于其在教育上的贡献,它在事实上对改变“指导主义”的教育传统并无甚大帮助,学习研究的范式转向此时显然已经不可避免。作为皮亚杰的得意门生和忠实信徒,Syemour Papert坚信,只要给学习者创造一个好的有利于发现新知识的环境,并给他们提供有效的发现知识的工具,创造性的学习自然就会发生,教学并不是学习发生的必要条件,更不是学习发生的充要条件。在这种思想的指引下,未来的新的学习研究就不仅要研究学习的基本机制,探索学习的基本规律,给学习者提供一整套完整的关于如何“钓鱼”的知识,还要致力于利用先进的技术手段为学习者创造各种有效的环境和工具,为学习者的“钓鱼”提供一个好鱼杆。Seymour Papert的这一思想后来成为学习科学研究的基本思路,奠定了学习科学要直面学习实践中存在的现实问题,既要积极探索学习的基本规律,又要投身于提升学习绩效的实践这一学科基本定位,确立了学习科学是一门“由应用激发的基础研究”这样一种位于“巴斯德象限”内的科学研究新类型。Seymour Papert也正因此而被后来的学习科学家们奉为学习科学的先驱。

在系统阐述建构主义教育理念的同时,Seymour Papert对如何在学校教育中实践这种理念也进行了大量的探索,Logo语言就是这一努力的结晶。Logo语言的创始可以追溯到1968年,当时是Seymour Papert主持的一项由美国国家科学基金会资助的专项研究课题,大部分工作都是在麻省理工学院的人工智能实验室完成的。Logo源自希腊文,原意即为思想。这一创意最初源于Seymour Papert偶然之间的灵感突现。他在一个假日中出外散步时,偶然间看到一个像海龟的机械装置,这触发了他的灵感,使之以其深厚的学术功底、广博的专业知识及出色的聪明才智最终完成了Logo语言的设计。当时,他领导的研发小组开发的Logo头脑风暴可编程式机器人在教育科学研究和学校教育实践领域内掀起了一场席卷全球的风暴,将20世纪70–80年代的学习研究推向了一个新高潮。计算机的出现及其广泛普及,让计算机素养成为人们必须具备的一种重要素养,而计算机编程正是计算机素养中的一个重要组成部分,它不仅有助于学习者对计算机本身的认识和理解,而且还可以有效地训练他们的思维。现在,全世界有许多中小学都开设了这门有趣的语言,而他自己也一直致力于通过Logo语言帮助儿童成为他们自己“智力发展”的主体。Logo语言具有较强的针对性,对儿童来说 ,“画画”比“文字处理”更具有活力,他们能更加充分地发挥自己的想象进行创作,而文字处理比较枯燥和单调。Logo主要是用“图画”来创作,并且采用了“海龟绘图”的方式,适合儿童的特点,能引起他们的兴趣和学习该门语言的积极性,有助于激发和保持学习动机,从而达到“寓教于乐”的目的。绘图是Logo语言中最主要功能,Seymour Papert就是希望能通过绘图的方式来培养学生学习电脑的兴趣和正确的学习观念。最初流行的Logo语言环境所涉及的“海龟”,本来是一个爬在电脑屏幕上,能够通过输入电脑命令而直接控制它走动的机器人。不久以后,“海龟”就被迁移到计算机屏幕上。在这里,它有位置与指向两个重要参数,“海龟”按程序中的Logo指令或用户的操作命令在屏幕上执行一定的动作,可以用它来画形状、设计作品、图画。在Logo语言中,它的作图方式与现在所用的作图软件不一样,主要区别就在于Logo语言的基本作图方法可以不采用坐标方式,而是通过向前、后退、向左转、向右转、回家等儿童易于理解的语言和命令,这非常适合儿童的知识水平,使这些还未接触鼠标的儿童更容易上手。在用Logo语言作图时,需要学习者对一些常见的几何特性进行理解,了解常用的距离、角度和度数的概念。对儿童学习计算机编程而言,Logo语言之所以能够成为一种最好的语言,就是因为它是针对儿童而制作的,不仅可以让儿童掌握计算机编程本身,还能使他们的认知与技能上得到迅速的发展。

Logo编程语言作为一种被设计用来从事学习的工具,其特征主要体现为模块化、延伸性、互动性及灵活性等。Logo语言非常容易掌握,就连年幼的孩子都可以进行学习,但它同时又能支持经验丰富的用户开展深入的探索及复杂项目的学习。对大多数人来说,学习Logo语言本身并不是重点,重点在于用它来进行编程活动,并通过编程来训练思维发展智力。从这样一种基本立场出发,Seymour Papert进一步把计算机作为帮助学习者形成算法、解决问题并在此过程中学习和锻炼智力的强有力工具。他倡导将Logo作为年幼儿童的编程语言,让学习者在计算机上进行画图、编歌曲、玩游戏等活动,并提倡儿童利用Logo进行制作和解决问题。他的思路是首先引导学习者形成制作某种几何图形的算法,然后利用计算机验证这些算法,其中的关键是学习者利用程序控制计算机做成某种动作,而在先前的程序教学、计算机辅助教学中,都是由计算机运行编制好的程序来控制计算机的。正是在这一系列操作中,学习者才能够在计算机上真正实现“在制作中学习”的目标。现在,Logo语言的编程活动已经应用到了数学、语言、音乐、机器人技术、电信和科学等学科,被广泛应用于创建多媒体演示和发展建模技术等多种任务之中。

Logo语言在20世纪70年代末开始被普遍应用于个人电脑。全世界成千上万的教师被Logo语言的智能性和潜在的创造性所震撼,他们的热情使Logo语言在20世纪80年代初进入了繁荣期,新版本的Logo被翻译成12多种语言,包括苹果电脑、德州仪器和IBM公司在内的众多主流计算机制造商都对其给予了大力支持。而Logo也因不同软硬件载体的特性而产生了多样化的变型,最终形成了一个庞大的Logo家族。“微世界”(Microworlds)就是其中最典型的代表。“微世界”系列软件是Seymour Papert亲自创建的Logo计算机系统有限公司开发的新一代系列Logo语言平台,它通过引导和支持开展有关微观世界的研究性学习活动来发展学习者的问题解决能力和批判思维能力。现在的Logo计算机系统有限公司已经发展成为一家在构建和提供建构主义教育技术环境方面居全球领先地位的机构。

1980年还出现了动态海龟(又称“蜘蛛”),可通过程序实现动画效果(如小鸟振动翅膀等),德州仪器公司在一些便携式计算机(如Texas Instruments TI99/4型)上就采用了动态海龟。后来随着操作系统技术的发展,人们又开发出可在Windows环境下运行的“PC Logo for Windows”。而随着互联网的出现,Logo又与Java语言联姻,开发出了可在互联网上运行的绘图插件Turtle Graphics in Java等。2003年美国西北大学推出的Net Logo,就是一个用JAVA语言编写的跨平台软件,它可以为学习者提供模拟自然现象和社会现象的可编程的建模环境。2004年,麻省理工学院推出了研究分散系统运行机制的建模环境Star Logo 2.1。StarLogo是一种特殊的Logo语言,它容许并行地控制上千个小海龟,并为这些小海龟设定了不同的行为模式。使用StarLogo,用户可以对许多现实世界中的复杂现象其运动(如鸟群和蚂蚁的活动、交通状况的发展变化、市场经济的运行等)进行建模和研究。到这时,Logo已经超越了教育与学习而扩展到了辅助科学研究等更加广泛的领域。

无论是Logo的最初版本,还是其后续生发出来的版本,其主要应用目的依然是引导学习者利用信息技术解决问题,其基本流程是:“思考问题 — 确定算法 — 编程实现 — 通过控制(仿真)机器人的动作外化问题解决结果 — 根据问题解决结果反思问题解决的思路与过程”。通过这一过程来激发学习者的深层次思维和对相关问题的深度研究,而利用信息技术激发和支持学习者的深层次思维,正是未来最具潜力的信息技术应用方式之一,也是学习科学家们一直以来肩负的最重要的学科使命。

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