ＬＯＧ０思想與教育信息化（上）

　　心路歷程
　　
　　我是從20世紀80年代出現計算機時，進入教育技術領域的。當時國際與國內電化教育、聲像視聽教學已經有相當大的發展，計算機對于教育的作用必須超過原有技術所產生的價值，才有前途。我覺得聲像對于教學當然有巨大的作用，不可輕視，但聲像教學顯然不是教育的全部，更有較大的局限。這涉及左右腦的關系，但是如何說得全面、恰當，需要很好地進行思考。進入21世紀，特別是在全國中小學信息技術教育工作會議后，學校普遍增設信息技術課程，對于信息技術一般限于傳遞與靜態的表示，看來比計算機教育涵義要廣，但是最能體現計算機特色的編程訓練，卻有所淡化；體現計算機動態的處理加工特征，沒有為大家所理解；特別是提出用教育信息化來推動教育現代化，實現跨越式發展的提法，這種提法也許是從工業領域的提法類推過來，但工業比較偏于技術，信息化容易被大家接受，而教育涉及人類思維智能的發展，信息化一般理解是屬于技術層面的，機械的技術又如何能夠使得教育現代化呢?我覺得這非常需要從理論上深入科學地闡明，不然也可以導致這樣的理解，信息化就是建立信息技術環境，人人使用著計算機，使用計算機當然就現代化了，這種形式表面上的理解，是很有市場的，然而也是沒有效果的。而現代化應是把教育的功能與效率，實質地提高到新時代的新高度。那么信息化有沒有這樣的能力，為什么信息化有這樣的能力呢?這需要科學的論證。
　　我主修的是數學，建國后多次教改，我都經歷了。每次都提出要廢除教師一課本一教室三中心，建立學生一實踐一生活為中心，可是每次改革最后都退回原地。我想過教學模式可能與環境條件有關，在技術條件很差的情況下，傳統的教師一課本一教室很難改變，先進的理念很難站住腳。所以，就轉而關心技術的使用。數學首先是數學知識表示的創新，在20世紀80年代出現Maple、Mathematica軟件包，給人們很大的啟發，推動著數學教學的革新。在20世紀80年代末，來自貴州的符美瑜老師找到我，介紹她十多年的努力，在西部對于數學教學有明顯的效果，而且形成一套很有創造性的教學方法，對于我印象深刻。接著我到國外，通過MIT的網站鏈接，看到許多有關LOGO語言，LOGO教學的介紹，特別是看到美國麻省理工學院馬文·明斯基教授的文章，感到LOGO不只是語言技術，而是有著深刻哲學思考的背景，于是我就沿這個方向不斷思考，我感到目前從生理學、心理學，然后到教育學的思路來討論，這樣在微觀層面是比較有科學的根據，是完全必要的，而且也是國內所缺少的，但是生理學(腦科學)、心理學是實驗性的，有許多也還是帶有猜想的成分，而常常在教育學宏觀成分上，流干瑣碎，抓不住要害。而哲學(教育哲學)有幾千年歷史，經過長期實踐的考驗，特別是邏輯在計算機出現后有巨大的發展，如果結合腦科學與心理學，會更快抓住要領，得出清晰的結論，更有指導性。我斗膽進行思考，方法可能有些另類，但結論可能更清楚。認知有多種策略，都一樣能解決問題，但有高低之分，搭積木的隱喻，微世界的知識表示，學習平臺的設計，教室內的高效取得反饋信息，從模型案例進行創意的改進，效果都很明顯。
　　我認為信息化之所以有此威力，是因為信息化不只是技術層面，而是一種有普適意義的方法論，是信息時代的方法論。首先應用于概念層面，可以形成許多定性的理論與定量的模型，從而進行優化的思考。同樣的方法論一直到可以細化到具體的層面，就會出現技術層面的虛擬信息系統，這為教育軟件的開發指明方向。
　　MIT是工程性突出的大學，但重視哲學的思考，說明哲學思考與工程創新是同一問題的不同層次。當時教育技術出現LOGO語言的創新，是很有創意的。20年后，又再出現CDIO(創意-設計-執行-操作)的工程教改方案，我認為是當年LOGO思想的現代延伸，是很有啟發的。近年在國外對于信息有許多部門信息學的形成，進而發展出各信息學的交叉研究，轉而出現統一信息科學的追求。信息容易被簡單理解為傳遞，所以這里改用LOGO思想。在國內，上海師范大學的黎加厚教授及其群體多年前提出積件的思想，在廣州大學的蔡文教授提出可拓學科的新領域，有很多的追隨者，有許多成果，實際上都認為信息化具有方法論的價值。西北師范大學的南國農先生還提出信息教育學，人民教育出版社曾出版孫紹榮的教育信息學一書。我希望在原有基礎上提出成型文章，拋磚引玉，便于大家深入研討這一思想的價值與局限，希望對于教育現代化有所推進。
　　
　　LOGO思想與教育信息化
　　為了便于大家閱讀，我在這里。把全文的組織做一個介紹。全文共分三篇，擬定于第10～12期起陸續刊發。
　　上篇是想介紹LOGO思想的本身。分兩部分，前一部分介紹LOGO思想是什么?LOGO思想是一種教育哲學，是邏輯，是動態的邏輯，是一種方法論。它包含要素分析、綜合建構。又分析，又綜合，就是重組。生成與重組是正面的組合推進，而問題求解要有目標，生成還要進行反饋測試，合格就是解決了問題。接著我舉例來說明這個方法論有著普遍的意義，包含客觀的存在，與概念的領域，而且復雜的結構概念，可以用符號表示，符號的編碼可以指向復雜的具體事物，這樣把形象思維與邏輯思維的關系可能說得更清楚，也為中國八卦的傳統哲學做了較好的闡明與聯系。后一部分，則涉及LOGO思想發展的歷史。先回顧數學的歷史發展脈絡，計算機的史前歷史，從歐氏幾何到解釋幾何的進步，是把要素進一步向下分析到更為基本層次的結果這種趨勢直到集合論的誕生，成為整個數學的基石，但集合論的算的概念，還比較局限。又經過若干年到圖靈對于算做出更為廣泛的定義，才為計算機出現打下基礎。計算機出現后，由于數與算分解達到最基本的或原子的成分，出現巨大的表達的能力，有了驚人的廣泛的應用。為了解釋與引導這些現象，出現了三論(系統論，信息論，拉制論)出現各種部門信息學。也出現在教育上的應用，出現了教育信息學。最后，舉例用于教育的應用，對于認知的策略，有優化的效果。LOGO思想——要素分析、綜合建構、重組測試、逆向求解、對比簡單的記憶，是—種高級有效的認知策略。
　　中篇是應用篇，LOGO思想在教育上的應用是全文關注所在。作為方法論，感到到處都在向現代的教育學滲透，不過是在概念層面。有了模型，可以進行優化的思考。接著可以再深入到技術層面，就是編程，可以將概念層面的優化過的思想在技術上實現，就可以更好支持教育與教學。所以教育技術既是本體的，是教育在一定抽象層面的模擬，又是技術的，在技術上可以發揮快速計算的工具。所以，教育技術需先在本體層面論證清楚，再在技術層面進行設計。下面分部分把重要的應用分別敘述：(1)早期兒童的信息技術教育。搭積木是信息技術的精華——LOGO思想(要素分析、綜合建構、重組測試、逆向求解)的體現，是高層次思維同時又是比較簡單的設計。LOGO思想是編程的核心思想，這樣就不會使編程變成純粹的技巧。(2)知識表示與多種學習方式的分析。學習學的是知識，知識表示的好壞是學習的關鍵。知識有多種表示的一面與建構性的一面，相當于知識間的層次關系，先進的表示形式是微世界，是可以操作的模擬仿真。學習從宏觀層面來看，接受間接知識應是主要的，但有重要缺陷，應由探試性學習與合作性學習來補充。(3)學習與工作平臺的分析與設計。用字處理與幾何畫版來作為例子分析，這種學習是基于做中學的。做中學是自主性學習的有力支持，這種設計是人類多年學習經驗的總結，有了前人指導的成分。(4)但即使如此，課堂還是重要的，教師積累了豐富的經驗，并且每次都進行創造性的教學設計。引進技術——主要是在通常的多媒體計算機基礎上加上反饋系統與交互白板，就可以大大活躍教室氣氛，出現很好落實新理念的情況。有可能提高教學效果。(5)對于網絡，首先應用于教師，教師易于學會上網，教師的專業發展首先應該立足干課堂教學經驗的反思與積累，及應該通過同行的交流。同專家一起建造學習共同體，這里面應該善于從案例中汲取營養，得到創意進行修改。這些都體現了LOGO思想的作用。(6)探討LOGO思想尚沒有解決的問題。在人類的思維中，有不可言傳的知識成分，是否都能夠言傳身教，有待探討。
　　下篇是具體到每個學科領域的整合問題。學科很多，我們只能先挑基本的，第一是新增設的信息技術教育課程，LOGO思想應是其核心部分我們認為他對課程的整合應該起引領作用，據此來設計這個課程，在淺層的信息技術素養的培育基礎上，應該注意引向高層的信息素養，包含編程。其次是作為帶有工具學科性質的作用的數學與語文課程，對于課程的整合，不是僅是技術的應用，由于LOGO思想的方法論性質，而是帶有本質指導思想的作用。LOGO思想使得對于數學學科有新的模式科學的看法，從而可以把數學的學習與編程適當結合起來。符美瑜老師的LOGO學數學是很有創意的創新。進到語文類的學習，利用成分分解的想法，可以把語文分為音形義知識表示一維，與字詞句段篇章建構的另一維，語文的對話交流功能，首先要理解對方的話語，然后相應地表達，理解與表達可以看成基于成分的問題求解。進行更有效的學習。我們以兩門工具性的學科為例，適當展開，而把其他學科留給大家，一起討論。
　　
　　基礎篇——LOGO思想
　　
　　LOGO思想的確切涵義
　　信息觀點可以看成是當今的方法論，它強調對于事物進行分析基本成分，進行基于成分結構的描述，在此結構基礎上另一方向可進行綜合、操作與建構。數學的長期歷史發展過程中推進了計算機的誕生，再在計算機廣泛應用的基礎上形成現代方法論。由于LOGO在教育界有一定的知名度，我們就用LOGO思想來稱呼。其確切涵義是什么呢?我們認為：
　　LOGO思想是一種教育哲學。LOGO來自希臘文Logos，原意是事物的結構、邏輯，是靜態的名詞。我們這里的LOGO思想所指的是方法論一在靜態的結構上，再強調加上分析、綜合與建構的動態操作，引申為動態的動詞成分。
　　其簡要意思是：“把學習、研究的對象分解為基本成分(元素)，在這些成分基礎上再進行綜合，成為不同層次的結構、模型、模式(數學領域用語)或語義(語文領域用語)。從極其簡單的成分可以逐步構成非常復雜的虛擬信息世界。”
　　對象相當于客觀存在，包括物質的與概念的，多種多樣復雜性的存在。成分當然也是多種多樣，有物質的實體、數字的、符號的、文字的概念形式，還可能有形象形式的成分。有簡單的基本元素，也有可以再分解的復雜構造。模型、模式相當于結構、邏輯，語義也是一種基于成分的模式、模型。新的對象可以有復雜的結構，可以給以名字，形成概念、詞語。概念比所代表的復雜語義簡單，但可以指向復雜的意義(語義)。
　　從基本成分可以反復綜合，也就是建構概念的本意。“分解為基本成分”與“綜合成模式、模型”常交替進行。又分解，又綜合也就是結構的重組。
　　進一步解釋描述：
　　事物的基本成分首先是對象、屬性與關系。各種對象及其間的各種相互關系組成各種結構。結構又可以看成對象再組成多層次的結構。各種對象的內涵，由不同屬性的不同值表示而區別。關系，結構又可以有各自屬性而加以區別。
　　還有一種重要成分叫操作。對象的整體或部分可以通過各種操作而連接生成為結構或變換原有的結構，包括更復雜的——重組，都是廣義的操作。操作、變換都可以看成對于原有結構的重組。一串操作組合成為算法，一個算法又可以看成一個操作。
　　我們要重視結構與建構的區別：結構是靜態的，而建構則是動態的。建構與重組是正向的生成，而問題解決則是增加了目標，。看生成的事物是否合乎目標要求，是逆向的。在語言中，由語句成分組合來表示事物，也是一種逆向的問題解決。由于這個方法論的運用，從而構成事物多樣的邏輯，結構。
　　我們通過下面幾個簡單例子。來初步體會LOGO思想的普適方法論的意義
　　物質是由基本粒子、電子、中子、質子、原子、分子、超分子等眾多層次組成。
　　由超分子到蛋白質再到細胞，出現生命現象；到有遺傳基因傳遞的生物種群的繁衍；再到具有能思考的大腦與語言通信能力的高級智能生命組成的人類社會。
　　普通話的語音可以由分解為聲母、韻母、聲調等成分，再由之進行各種組合而得。
　　語言文字是由字、詞、短語、句、段、篇章等不同層次的成分組合建構而成。
　　幾何畫板可以看做是幾何圖形加上能夠保持圖形結構的變換，再與函數對應概念諸成分組成一種先進的知識表示方式—微世界。
　　形象思維可以看成是對視聽表象的分析與綜合、轉換而得的想象創新的過程。
　　氣味的遠程傳遞，可以通過分析出所有氣味的基本成分，進行編碼。只要雙方有基本成分的共同協議，建立產生器，就可以只傳遞編碼，而在遠程地方重組出該氣味。
　　古代易經：太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦，是說把宇宙對象不斷分解為成分，八卦符號是其騙碼，而卦像是其成分。把編碼與卦像再進行組合，可得萬事萬物。所以八卦是LOGO方法論的早期感悟與描述體現。
　　分析綜合方法論要區別“編碼”與所指向的“要素”成分，或區別“數”與“相”。“數”(能指)是抽象的，而“相”(所指)可以是很具體的。兩者間有聯系，但有區別。
　　為什么我們這里特別強調方法論這種動詞的含義?強調方法論的動態性，也即強調分析與綜合，操作、算法與建構，這更有利于研究事物的生成、過程、發展與其動因。這導致了哲學從重視思辨到重視實際建構的進步。
　　以上例子有的呈現事物本來的邏輯，有的是反映在人腦中概念的邏輯(概念圖)，動態的方法論促進邏輯的拓廣與創新(思維)，而又成為許多人設計創新的邏輯。
　　
　　更廣視角的方法論意義
　　從更廣的歷史長河背景來審視LOGO思想的重要意義
　　綜觀數學長期發展的歷史，可以看到存在著從大量實際空間知識不斷追求尋找基本成分(概念，規則)從而可以推出、生成、得到大量事實的努力的趨勢。這是原始LOGO思想的體現，是計算機的史前階段。
　　從歐幾里得公理系統，笛卡兒坐標法，命題邏輯，謂詞邏輯，集合論(擴展到無窮對象的描述，因而成為現代數學知識表示的基礎)，這種持續追求基本成分的趨勢與數學應用領域蓬勃發展并存，構成數學的實際歷史。同時理解到成分分解愈細，愈低級，愈基本，組合起來就愈豐富、多樣，生成力、表達力就愈強。
　　又過了幾十年，到達計算模型，對“算”概念有更好的理解。其計算概念比集合論中的計算含義要廣泛得多(相當于現代信息科學中的處理加工概念)，到達了數學概念“數與算”的最基本原子成分。不久就出現功能巨大可稱為萬能的通用計算機。通用計算機的出現不是偶然的，是這種對于“算”與“數”的基本成分追求長期堅持的結晶。“算”與“數”的基本成分分解好，先進的學者就理解到他的巨大威力。確實開始了強勁的綜合過程，不斷綜合建構成更高層次的模式，出現了馮·諾依曼模型計算機——計算機硬件，然后從機器碼，匯編語言，程序庫，高級語言，到現代數學軟件包，已經可以把整個大學水平的數學知識重新構造出來。Mathematica，Maple等數學軟件包出現，還包含形象的圖形圖像的表示，就是富有說服力的例子。他給人們巨大的啟發。簡單成分結構的不斷操作、演算，可能生成極其復雜的模型。近年又發展到知識工程與本體論，有更強的表達能力。
　　由機器碼，匯編語言，程序庫，到高級語言，經過多個層次，每層都有其基本元素與算法規則。它相當于語言基本成分，用于編寫程序，原則都可以實現任何任務，但是程序量大不一樣。我們通常用低一級的通用語言，寫指定領域的語言基本成分的解釋程序。指定領域的基本成分再組成高一層的語言，適用于該指定領域，有很強的表達力。可是與低一層語言相比，面貌大不一樣，要簡潔容易理解。有了低一層語言的支持，高一層語言雖比較簡潔，方便使用，但仍可以運行。這實際對于簡化認知給以巨大的支持，大大體現LOGO思想在認知上的巨大價值。
　　推動信息科學的形成
　　計算機的快速發展，可以進行極高速的處理，推動著方法論無所不在的滲透與應用。促進普遍的信息概念應運而生，成為物質、能量之外宇宙間第三個無所不在的極端重要成分。“信息”一詞的涵義有以下幾個來源。(1)通訊的來源。結繩記事、鴻雁傳書、超越時空傳遞消息，有非常古老的歷史。但直至電報、電話現代技術出現，才大大促進信息傳遞的現代概念與實踐，因而形成信息的通訊理論——信息論與通信科學。(2)成分結構理論的來源。信息指事物的屬性狀態，屬性關系的組合可以形成結構，這與系統論的出現相關聯。與LOGO思想很接近。(3)進一步從認知角度看，人類的認知就是信息的獲得、傳遞、存儲、表示、處理和評價等成分的結合。成分的不斷組合生成與不斷測試驗證構成認識的基本循環，人類的思維就是信息的處理加工，在人類智慧中占據非常重要的位置。
　　信息概念是三者的交織。信息傳遞到目的地后要求仍能被辯識，信息的處理加工概念，是算法的發展，是分析綜合概念的概括與發展。信息的價值是由三者的結合來體現的，不能只從通信傳遞的角度理解信息。
　　計算機的快速發展推動LOGO思想更加迅速、明確而自覺地滲透應用到幾乎所有的學科，促進了計算機在各領域的應用。所謂信息觀點、系統觀點、信息分析或三論(信息論、系統論、控制論)觀點，在不同場合有不同名稱，意思都相近，形成信息時代的方法論。這種方法論，按中華文化傳統可遠溯到周易八卦思想，而西方傳來的時髦說法，就是建構主義。而這種方法論在信息技術，特別在軟件編程設計、建立信息系統中特別流行，有用。分析相當于自頂向下，而綜合相當于自底向上，信息科學的重要方法論特點就向傳統的科學廣泛滲透，而產生大量的某某信息學這樣的交叉新學科。
　　從計算機的人造的信息工具體系到追求宇宙本原信息的理解。導致人類追求統一的信息概念，統一的信息科學。在此，信息科學也可以看成一種新時代強有力的方法論學科。
　　現在信息觀點滲透到幾乎所有學科。也包括心理學與教育學。教育信息化就是在這樣的背景下提出的，信息觀念與教育學的交叉，現在正在形成一門叫教育信息科學(或信息化教育)的學科。他涉及人類能力與高新技術的交互發展，人類智慧推動著信息技術的前進，成功模擬人類的各種智能。而先進的教育技術又促進提高了人類的認知能力，這種人機互相合作共生的研究。對于推動信息社會的發展是特別有意義的。
　　在認知策略上的價值
　　塞蒙教授在《人類的認知》一書中，以解“河內塔問題”為例，闡明解同一個問題，可以有不同的策略，都一樣能解出，卻有不同效率與評價。這里提出了尋找高效的認知策略的課題。
　　取兩種極端的策略類型。一種極端的是，對解過的問題，詳細記住其情境、步驟，以后遇到同樣的問題，就可照此辦理，無須多少思考。但這種策略需要大量的記憶，如果情況有出入就束手無策。這可算是經驗主義的辦法。另一個極端的是，當處理完問題后，總努力進行分析思考、條理化，認清基本特征，找到幾條規則，這樣記憶量較少，再遇到問題，需要一定的思考，這里是用思維即信息處理的時間換取記憶空間的大量節省。特別重要的是，對許多過去沒遇到的問題，也不用害怕，有信心解決，大大增加了靈活應變的能力。當然大多數人的情況，是處于兩種極端的中間。
　　計算理論表明，算法與數據量兩者需要權衡，算法簡單，則數據量大。而如要節省存儲，需以算法復雜化為代價。思維相當于對知識的處理與計算。經過條理化與規則化處理，知識數據量可減少，解決問題時則需要一定的思考(即計算推理)，但大大增加了應變能力。兩種策略相比較，顯然增加了知識處理的后者要優越，其核心特色就是要素分析，綜合建構、重組測試、逆向求解所描述的LOGO思想。這里體現LOGO方法論在一般認知上的重要作用，給出高效認知策略的路子。
　　而且顯然學習數學的與受過教育較多的偏向于后者，這說明后者經過思維的訓練，顯示思維訓練的重要性。抽象概括、分析，又具體建構、綜合。在不斷思考中對知識愈來愈條理化，解決問題能力愈來愈強。也說明數學的學習可能對思維能力進行訓練的價值通過編程，可以進行最基本LOGO素養的訓練，這是深層次的信息素養。我認為首先這是數學課程應該承擔的價值。同樣地，可以說明信息技術課程的核心價值所