Wolfram Alpha开启自适应知识学习新时空 参考论文

2009年，正当我们的学生在地球的这一端，以独立设计的搜索引擎一举夺得上海市当年的英特尔科技创新大赛一等奖的时候，在美国也诞生了一个全新的可计算的搜索引擎——Wolfram Alpha。如果说，前者以其语句简洁、结果精准而让科技界（不仅是教育界）为之惊叹的话，那么后者类似于私人专家顾问的表现形式，则让教育界（然后才是科技界）刷新了认知的空间。这里，两者除了在搜索引擎领域各有斩获之外，另一个共同的特点就是“跨界”。

多年后，我们的学生毕业后继续在科学探究的世界不断汲取和释放，而Wolfram Alpha也经历了十年磨一剑的不断优化和自我重构，让我们有机会借此而孵化出一个全新的知识学习形态——自适应知识学习新时空。

● 与众不同的Wolfram Alpha搜索引擎

Wolfram Alpha（缩写WA），是由Wolfram Research公司推出的一款在线自动问答系统（在美国 Popular Science杂志的投票评选中获得2009年度最伟大的科技创新产品的荣誉）。Wolfram Alpha系统自带10万亿条信息的数据库，还存有5万多种算法和模型，能对需要搜索的内容进行计算，给出具体答案而不是提供相关链接。这款自动问答系统的特色是可以直接向用户反馈答案，而不是像其他搜索引擎一样提供一系列可能含有用户所需答案的相关网页。

Wolfram Alpha是基于Wolfram的另一个旗舰产品Mathematica开发的，且Wolfram Alpha的底层运算和数据处理工作就是通过在后台运行的Mathematica实现的。由于Mathematica支持几何、数值以及符号式计算，并且具有强大的数学以及科技图形图像的可视化功能，所以Wolfram Alpha能够回答多种多样的数学问题，并将答案以清晰美观的图形化方式显示给用户。另外，在反馈给用户答案的过程中，Wolfram Alpha也集成了Wolfram Research另一个重要产品webMathematica的某些功能，以便能够更好地完成任务。用户在一个文本框中提交查询命令和计算要求，Wolfram Alpha根据内置的由精选结构数据组成的知识库计算并提供答案，返回相关的可视化图形。传统的语义检索对各种答案添加索引，并尝试将问题与可能的答案匹配，其所给出的各种相关信息，让提问者从这些信息中再花时间寻求可能不完整（甚至是误导）的回答，Wolfram Alpha则不同。

按照发明者Stephen Wolfram的说法，这个网站其实是一个计算知识引擎，而不是搜索引擎。其真正的创新之处在于，能够马上理解问题，并给出答案。例如，在被问到“珠穆朗玛峰有多高”之类的问题时，Wolfram Alpha不仅能告诉你海拔高度，还能告诉你这座世界第一高峰的地理位置、附近有什么城镇以及一系列图表。这完全是一位全科的教师（至少在理科方面），可以回答学生的任何教学问题，并给出完整详细的回答。因此，国内对这个平台的理解，很长时间都停留在“学生在搜索框中输入他的习题题目后，WA给出的就是完整的解答，是完全符合教师作业要求的解答”。

● Wolfram Alpha作为后台支撑着怎样的知识系统

Wolfram Alpha被称为“Google终结者”，这种提法并不确切，因为Wolfram Alpha并没有直接采用语义网技术，它有自己的内部知识库，以及大量自有的内部语义及本体。事实上，将其称为搜索引擎都是一个误解，Wolfram更乐意用“computational knowledge engine”这个名称。Alpha不是搜索网络获取信息，而是通过公共和授权资源获取大量的经过组织的数据，并利用高级的自然语言处理算法进行计算，得出结果。例如，如果使用Google搜索“uncle’s uncle’s brother’s son（堂叔的舅父的哥哥的儿子）”，很明显，Google不懂基本的血缘关系；但Alpha可以提供一份家谱，包括血缘关系系数等信息。由此可以看出，与其说Wolfram Alpha是模拟人类的人工智能，不如说它是一项工程产品。它的有些部分，尤其是语言理解方面或许跟人类相似。但它的主要目标是进行导向性计算，而不是提供一般性的智能。Wolfram Alpha运用已建立的科学模型或其他模型作为计算的基础。每当进行新的计算时，它都会有效地得出新的结论。

Wolfram Alpha里有数以T计的数据元素，它们借助于大量的提要（feed）而不断增长。事实上，那些经核审的数据目前只能被Wolfram Alpha所用，其中的大部分数据是在多個数据来源的基础上经计算得出的。在Wolfram Alpha的结果页面底部，有一个“来源信息”按钮，点击它可以看到数据来源与参考资料列表；尽管数据来自许多不同来源，但都经过团队的合并与核审。为了核查数据，Wolfram Alpha采用了一系列自动化与手工的方法，包括统计、可视化、源交叉检查以及专家评审等；有些数据已经是可以直接为Mathematica用户所用（作为按需加载的计算数据）。此外，一个让用户从Wolfram Alpha得到原始数据的API也正在开发中。

Wolfram Alpha旨在把专家级的知识与能力赋予尽可能广泛的人们，无论这些人是什么专业或教育水平。我们的目标是有这样一种知识引擎：它可以根据自由形式的输入，产生强大的结果，并以最清晰的方式展现这些结果。Wolfram Alpha则不仅可以产生计算结果，而且可以给用户提供各种数据信息的图表分析，而不是通过搜索罗列出有数据的文章。

按照我们的常识，如果一个人能够理解一个领域的各种知识原理，那他就可以充当传播知识的角色，如教师。如果人工智能可以解题，那它同样可以像教师一样“讲课”，它的“业务”水平一旦达到我们的要求，将被允许进入教学环节，它的扩张或者普及不会被“师资培训”这样的问题困扰。相信在不超过十年的时间里，中学生通过与计算机（人工智能）的互动学习知识会成为学习的主要方式。

当下，Alpha通常是以免费方式推出，但同时也提供付费版，它将为用户提供数据下载和上传。专业用户将不仅能够查看图表，还可以下载生成这些图表的数据，并可以在自己的电脑上或Mathematica 中使用；用户不仅能在自己的页面上嵌入Wolfram Alpha搜索框，还能在网站上嵌入搜索结果以及定制的Alpha的接口。此外，当结果变化时，用户还可以收到电邮通知。

● 为什么说Wolfram Alpha比可汗学院更理想

2006年诞生的可汗学院，是由孟加拉裔美国人萨尔曼·可汗创立的一个教育性非营利组织，其主旨是利用网络影片进行免费授课，其使命是加快各年龄段学生的学习速度。现有关于数学、历史、金融、物理、化学、生物、天文学等科目的内容，教学影片超过2000段，通过在线图书馆收藏了3500多部可汗老师的教学视频，向世界各地的人们提供免费的高品质教育。

然而，可汗学院成功的主要原因不是因为免费，而是知识模块化，即把学科知识分割成相互关联却相对独立的模块。对于目前各国的基础教育来说，把纷繁复杂的学科知识整理成模块，是需要高超的技巧的，可汗做到了，再加上已经具备的网络传播技术，计算机辅助教学的第一个里程碑式的工作就这样诞生了。

计算机辅助学习能带给我们什么呢？

第一，把个性化的课堂标准化。对于教师来说，个性化意味着他在讲授规定内容的同时，增加了个人经历和更符合学生需要的内容；对于学生来说，个性化是指个人的需求得到尽可能多的照顾和发挥，他的学习要求得到了最大限度的满足。但是学生学习效果的检验，只能通过考试，这是一种比较片面的方式，为了应对这样的情况，很多人发展出了很多的方法，如单纯地记忆，或者有些逻辑地记忆等，然而在应付了考试以后，学习的内容会很快被忘掉（我们甚至大部分人也认为记忆就是“学会了”），这也是个性化。这些个性化都受到条件的限制：既没有足够大的教室让一位（我们认为足够好的）教师给所有的学生讲一门课，也没有一个足够好的考试或者练习方式来检验所有学生的学习效果。

第二，学习活动以学生为中心，这也是计算机辅助学习最重要的特点。计算机的辅助学习能力取决于后台的软件和网络。对于每一位学生来说，这几乎是没有差别的，相当于每位学生都有一个全天候的教师群体，在学习的资源上达到高度一致。现在通过计算机和网络，知识的学习过程可以在计算机上实现，让课堂不再局限在一间间教室内，也让学生不再因为时间和空间的限制而得不到统一的指导，他们所有的学习和练习都通过与计算机的交互完成。当然，这需要计算机通晓我们所需要学习的知识体系，并可以在任何时候，回答任何与此知识体系相关的问题，且保持一致。

第三，逻辑表达的严谨化。数学是一个逻辑体系，它是人类为了解决问题而发明的一套方法，是闭合的，也是有标准的。但由于课堂的分割，不同教师的习惯（授课、练习和考试）会带来或多或少的偏差，在与计算机这个“唯一”的教师的交流中，一定要最大限度地消除这个偏差。對于人机对话方式的学习，学生的表达是必须的，而不是像传统课堂上，一直到他的学习过程结束，都不表达他的疑问。

第四，知识体系的完整性。随着计算机学习的发展，不同学科之间的分割，以及现实情况造成的不同学科之间的不平衡也会消除。每位教师都会以自己的方式和热情去完成教学，学生的知识体系取决于他的所有的任课教师。

● Wolfram Alpha更适用于智优生的“小灶”式学习

有了Mathematica那5000多个函数的植入，再加上Wolfram Alpha高度结构化、关联化的知识库的支持，Wolfram可以用符号化的方式对世界进行数学建模。其结果是用Wolfram语言来处理问题显得异常简单和自然。

我们不得不承认，为了保证最佳学习效果，适合中国学生和家长的习惯的学习方式仍然是面授，可汗学院这样的形式对中国学生学习习惯的实际影响远远低于美国学生。新东方的个性化学习系统，跟中国学生的学习习惯很好地结合了在一起，采取的变通是开发私播课（SPOC），这是一种小规模的私人在线课程，也取得了一些成果。

我们也承认，Wolfram模式只对一部分学生特别有效，而非全体。因此，在列举了计算机辅助教学的优点后，我们也需要考虑另一个问题：它会有什么副作用？

第一，会不会降低学生的思维水平？

以Wolfram为代表的计算搜索引擎已经把我们最擅长的公式推导计算解决了，很快这些计算会与计算器一样方便。人类在广泛使用计算器以后，并没有降低人的智力水平，那么公式推导是不是也同样呢？以地理计算为例，在没有庞大的数据库支持的情况下，这几乎是不可能完成的事情，而现在几乎像做一道普通数学题目一样简单。

其实，计算机在近三十年里已经潜移默化地将我们的能力提高了几倍甚至几十倍，特别是一些综合性工作，如机械制图等，而三维模型的绘制和计算，在计算机问世之前是做不到的。大概在二十年前，一个大分子的三维模型，需要小型计算机专用的软件才能实现，而现在这已经成为很简单的事情了。

第二，当那些考验脑力水平的逻辑和庞杂的知识体系不再是一个苦差事的时候，教师会做什么？

学生的学习是一个综合的活动，不仅要按照一定的顺序和规范学会系统性的知识，还要在学习的同时，关注自身的成长和与同龄人的交往，人类社会近几百年的进步是社会协作与知识增长共同作用的结果，仅仅有知识是做不到如此巨大的进步的。我们可以假设一种情况：如果一个有足够多现代知识的人穿越到1000年前的社会中，他是无法轻易把知识转化成力量，成为一个强有力的领导者，推动社会进步的，他只有通过协作，有足够的社会关系，才可能把知识转化成力量。

第三，对学校有什么意义？

我们评价一所学校往往会先关注有多少特级教师、高级教师，而Wolfram Alpha能提供大部分经验丰富的教师多年积累的学习经验和教学实践，从而降低师资培训的费用和对名师的依赖。对于需要辅导的学生来说，这绝对是提高效率的最好方法。在我们领略了Wolfram强大的计算能力以后，我们不禁要问：用它做什么？将来还有什么工作可以做？

首先，正如Reddit提到的 Wolfram Alpha发展计划，“未来Wolfram Alpha将持续探索更多的理论、模型以及算法”。“我们找到了如何将这些线索以及所开发的技术利用起来，去创造一个全新的不同等级的新事物的东西”。——而这个东西就是Wolfram Language。沃尔夫勒姆称这是一种全新的程序语言，和搜索引擎Wolfram Alpha一样，它是以知识为中心的，以统一的方式来描述图片、代数公式、时间序列、地理位置、用户界面、文档、代码等。Wolfram Language最核心的特点是“自动化”，高度灵活，算法与数据之间没有鸿沟，可以直接调用。它不但体现了高度的人工智能，还包括了极为简单的开发模式。使用“自然语言”，就足以让 Wolfram Language自动开发相关的应用。当然，能够做到这一点也已经十分了不起，如果想让Wolfram Language实现HCVZmLmAxAC7qthiO6IGYQ==更强大的功能，语法还是有必要的。

其次，计算思维将会是未来的一个标志性特征，让学生们认识到这一点非常重要。一直以来，社会各界对如何训练学生的数学思维有广泛关注。但是放眼未来，对学生计算思维的教育，其重要性和影响则更为深远，因为计算思维将被用于方方面面，擅长于此将是几乎所有未来职业成功的关键。Wolfram 语言，特别是Mathematica形式的，促生了无数重要的发明和创新。在这个語言中，每一个可能的知识领域都是内置和自动化的。令人兴奋的是，现在我们已经在很多领域做到了这一点，足以支持各种计算思维。参考论文

最后，我们怎样做才能使学生们为这种未来做好准备呢？令人耳目一新且至关重要的是，必须摒弃传统的教学模式，彻底改用“深度学习”的全新生态，以帮助有志者寻求个性化（自适应）的学习资源、学习平台和学习实操检验系统。以地理计算为例，Wolfram语言具有完全集成的功能，能用于创建高度自定义的地图，以及关于世界各地的详细内置地理信息。基于强大的数据库功能，整个地球的任何一个位置都能被数据库定义；基于地球上地理位置的计算已经成为可能，可以完成地球上任意两个或者多个位置的计算，也可以计算出任何基于一个位置的地理特征参数。当然，根据你的需求绘制出地图更是易如反掌。在这里，唯一“限制”的就是你对问题的发现、观察和基于问题的表达。

综上所述，我们可以确认，Wolfram Alpha乃至Wolfram Language，是一种全新的知识学习系统，特别是对于学有余力、希望另辟蹊径、期待个性学习环境、寻求自适应学术生态的学习者来说，这无疑是天大的机缘。然而，这种应用的前提是“你要学”，要能自我控制地汲取非推送的知识学习单元，要有打破砂锅问到底的执拗和钻研劲头……而这，一定不是所有学生都具备的，因此，在相当长的阶段里，Wolfram Alpha（包括Wolfram Language），都只能是智优生的拐杖和抓手。

参考资料；http:///index.php?c=show&id=2200