Wolfram Alpha開啟自適應知識學習新時空

王保衛+劉黨生

2009年，正當我們的學生在地球的這一端，以獨立設計的搜索引擎一舉奪得上海市當年的英特爾科技創新大賽一等獎的時候，在美國也誕生了一個全新的可計算的搜索引擎——Wolfram Alpha。如果說，前者以其語句簡潔、結果精準而讓科技界（不僅是教育界）為之驚嘆的話，那么后者類似于私人專家顧問的表現形式，則讓教育界（然后才是科技界）刷新了認知的空間。這里，兩者除了在搜索引擎領域各有斬獲之外，另一個共同的特點就是“跨界”。

多年后，我們的學生畢業后繼續在科學探究的世界不斷汲取和釋放，而Wolfram Alpha也經歷了十年磨一劍的不斷優化和自我重構，讓我們有機會借此而孵化出一個全新的知識學習形態——自適應知識學習新時空。

● 與眾不同的Wolfram Alpha搜索引擎

Wolfram Alpha（縮寫WA），是由Wolfram Research公司推出的一款在線自動問答系統（在美國 Popular Science雜志的投票評選中獲得2009年度最偉大的科技創新產品的榮譽）。Wolfram Alpha系統自帶10萬億條信息的數據庫，還存有5萬多種算法和模型，能對需要搜索的內容進行計算，給出具體答案而不是提供相關鏈接。這款自動問答系統的特色是可以直接向用戶反饋答案，而不是像其他搜索引擎一樣提供一系列可能含有用戶所需答案的相關網頁。

Wolfram Alpha是基于Wolfram的另一個旗艦產品Mathematica開發的，且Wolfram Alpha的底層運算和數據處理工作就是通過在后臺運行的Mathematica實現的。由于Mathematica支持幾何、數值以及符號式計算，并且具有強大的數學以及科技圖形圖像的可視化功能，所以Wolfram Alpha能夠回答多種多樣的數學問題，并將答案以清晰美觀的圖形化方式顯示給用戶。另外，在反饋給用戶答案的過程中，Wolfram Alpha也集成了Wolfram Research另一個重要產品webMathematica的某些功能，以便能夠更好地完成任務。用戶在一個文本框中提交查詢命令和計算要求，Wolfram Alpha根據內置的由精選結構數據組成的知識庫計算并提供答案，返回相關的可視化圖形。傳統的語義檢索對各種答案添加索引，并嘗試將問題與可能的答案匹配，其所給出的各種相關信息，讓提問者從這些信息中再花時間尋求可能不完整（甚至是誤導）的回答，Wolfram Alpha則不同。

按照發明者Stephen Wolfram的說法，這個網站其實是一個計算知識引擎，而不是搜索引擎。其真正的創新之處在于，能夠馬上理解問題，并給出答案。例如，在被問到“珠穆朗瑪峰有多高”之類的問題時，Wolfram Alpha不僅能告訴你海拔高度，還能告訴你這座世界第一高峰的地理位置、附近有什么城鎮以及一系列圖表。這完全是一位全科的教師（至少在理科方面），可以回答學生的任何教學問題，并給出完整詳細的回答。因此，國內對這個平臺的理解，很長時間都停留在“學生在搜索框中輸入他的習題題目后，WA給出的就是完整的解答，是完全符合教師作業要求的解答”。

● Wolfram Alpha作為后臺支撐著怎樣的知識系統

Wolfram Alpha被稱為“Google終結者”，這種提法并不確切，因為Wolfram Alpha并沒有直接采用語義網技術，它有自己的內部知識庫，以及大量自有的內部語義及本體。事實上，將其稱為搜索引擎都是一個誤解，Wolfram更樂意用“computational knowledge engine”這個名稱。Alpha不是搜索網絡獲取信息，而是通過公共和授權資源獲取大量的經過組織的數據，并利用高級的自然語言處理算法進行計算，得出結果。例如，如果使用Google搜索“uncles uncles brothers son（堂叔的舅父的哥哥的兒子）”，很明顯，Google不懂基本的血緣關系；但Alpha可以提供一份家譜，包括血緣關系系數等信息。由此可以看出，與其說Wolfram Alpha是模擬人類的人工智能，不如說它是一項工程產品。它的有些部分，尤其是語言理解方面或許跟人類相似。但它的主要目標是進行導向性計算，而不是提供一般性的智能。Wolfram Alpha運用已建立的科學模型或其他模型作為計算的基礎。每當進行新的計算時，它都會有效地得出新的結論。

Wolfram Alpha里有數以T計的數據元素，它們借助于大量的提要（feed）而不斷增長。事實上，那些經核審的數據目前只能被Wolfram Alpha所用，其中的大部分數據是在多個數據來源的基礎上經計算得出的。在Wolfram Alpha的結果頁面底部，有一個“來源信息”按鈕，點擊它可以看到數據來源與參考資料列表；盡管數據來自許多不同來源，但都經過團隊的合并與核審。為了核查數據，Wolfram Alpha采用了一系列自動化與手工的方法，包括統計、可視化、源交叉檢查以及專家評審等；有些數據已經是可以直接為Mathematica用戶所用（作為按需加載的計算數據）。此外，一個讓用戶從Wolfram Alpha得到原始數據的API也正在開發中。

Wolfram Alpha旨在把專家級的知識與能力賦予盡可能廣泛的人們，無論這些人是什么專業或教育水平。我們的目標是有這樣一種知識引擎：它可以根據自由形式的輸入，產生強大的結果，并以最清晰的方式展現這些結果。Wolfram Alpha則不僅可以產生計算結果，而且可以給用戶提供各種數據信息的圖表分析，而不是通過搜索羅列出有數據的文章。

按照我們的常識，如果一個人能夠理解一個領域的各種知識原理，那他就可以充當傳播知識的角色，如教師。如果人工智能可以解題，那它同樣可以像教師一樣“講課”，它的“業務”水平一旦達到我們的要求，將被允許進入教學環節，它的擴張或者普及不會被“師資培訓”這樣的問題困擾。相信在不超過十年的時間里，中學生通過與計算機（人工智能）的互動學習知識會成為學習的主要方式。

當下，Alpha通常是以免費方式推出，但同時也提供付費版，它將為用戶提供數據下載和上傳。專業用戶將不僅能夠查看圖表，還可以下載生成這些圖表的數據，并可以在自己的電腦上或Mathematica 中使用；用戶不僅能在自己的頁面上嵌入Wolfram Alpha搜索框，還能在網站上嵌入搜索結果以及定制的Alpha的接口。此外，當結果變化時，用戶還可以收到電郵通知。

● 為什么說Wolfram Alpha比可汗學院更理想

2006年誕生的可汗學院，是由孟加拉裔美國人薩爾曼·可汗創立的一個教育性非營利組織，其主旨是利用網絡影片進行免費授課，其使命是加快各年齡段學生的學習速度。現有關于數學、歷史、金融、物理、化學、生物、天文學等科目的內容，教學影片超過2000段，通過在線圖書館收藏了3500多部可汗老師的教學視頻，向世界各地的人們提供免費的高品質教育。

然而，可汗學院成功的主要原因不是因為免費，而是知識模塊化，即把學科知識分割成相互關聯卻相對獨立的模塊。對于目前各國的基礎教育來說，把紛繁復雜的學科知識整理成模塊，是需要高超的技巧的，可汗做到了，再加上已經具備的網絡傳播技術，計算機輔助教學的第一個里程碑式的工作就這樣誕生了。

計算機輔助學習能帶給我們什么呢？

第一，把個性化的課堂標準化。對于教師來說，個性化意味著他在講授規定內容的同時，增加了個人經歷和更符合學生需要的內容；對于學生來說，個性化是指個人的需求得到盡可能多的照顧和發揮，他的學習要求得到了最大限度的滿足。但是學生學習效果的檢驗，只能通過考試，這是一種比較片面的方式，為了應對這樣的情況，很多人發展出了很多的方法，如單純地記憶，或者有些邏輯地記憶等，然而在應付了考試以后，學習的內容會很快被忘掉（我們甚至大部分人也認為記憶就是“學會了”），這也是個性化。這些個性化都受到條件的限制：既沒有足夠大的教室讓一位（我們認為足夠好的）教師給所有的學生講一門課，也沒有一個足夠好的考試或者練習方式來檢驗所有學生的學習效果。

第二，學習活動以學生為中心，這也是計算機輔助學習最重要的特點。計算機的輔助學習能力取決于后臺的軟件和網絡。對于每一位學生來說，這幾乎是沒有差別的，相當于每位學生都有一個全天候的教師群體，在學習的資源上達到高度一致。現在通過計算機和網絡，知識的學習過程可以在計算機上實現，讓課堂不再局限在一間間教室內，也讓學生不再因為時間和空間的限制而得不到統一的指導，他們所有的學習和練習都通過與計算機的交互完成。當然，這需要計算機通曉我們所需要學習的知識體系，并可以在任何時候，回答任何與此知識體系相關的問題，且保持一致。

第三，邏輯表達的嚴謹化。數學是一個邏輯體系，它是人類為了解決問題而發明的一套方法，是閉合的，也是有標準的。但由于課堂的分割，不同教師的習慣（授課、練習和考試）會帶來或多或少的偏差，在與計算機這個“唯一”的教師的交流中，一定要最大限度地消除這個偏差。對于人機對話方式的學習，學生的表達是必須的，而不是像傳統課堂上，一直到他的學習過程結束，都不表達他的疑問。

第四，知識體系的完整性。隨著計算機學習的發展，不同學科之間的分割，以及現實情況造成的不同學科之間的不平衡也會消除。每位教師都會以自己的方式和熱情去完成教學，學生的知識體系取決于他的所有的任課教師。

● Wolfram Alpha更適用于智優生的“小灶”式學習

有了Mathematica那5000多個函數的植入，再加上Wolfram Alpha高度結構化、關聯化的知識庫的支持，Wolfram可以用符號化的方式對世界進行數學建模。其結果是用Wolfram語言來處理問題顯得異常簡單和自然。

我們不得不承認，為了保證最佳學習效果，適合中國學生和家長的習慣的學習方式仍然是面授，可汗學院這樣的形式對中國學生學習習慣的實際影響遠遠低于美國學生。新東方的個性化學習系統，跟中國學生的學習習慣很好地結合了在一起，采取的變通是開發私播課（SPOC），這是一種小規模的私人在線課程，也取得了一些成果。

我們也承認，Wolfram模式只對一部分學生特別有效，而非全體。因此，在列舉了計算機輔助教學的優點后，我們也需要考慮另一個問題：它會有什么副作用？

第一，會不會降低學生的思維水平？

以Wolfram為代表的計算搜索引擎已經把我們最擅長的公式推導計算解決了，很快這些計算會與計算器一樣方便。人類在廣泛使用計算器以后，并沒有降低人的智力水平，那么公式推導是不是也同樣呢？以地理計算為例，在沒有龐大的數據庫支持的情況下，這幾乎是不可能完成的事情，而現在幾乎像做一道普通數學題目一樣簡單。

其實，計算機在近三十年里已經潛移默化地將我們的能力提高了幾倍甚至幾十倍，特別是一些綜合性工作，如機械制圖等，而三維模型的繪制和計算，在計算機問世之前是做不到的。大概在二十年前，一個大分子的三維模型，需要小型計算機專用的軟件才能實現，而現在這已經成為很簡單的事情了。

第二，當那些考驗腦力水平的邏輯和龐雜的知識體系不再是一個苦差事的時候，教師會做什么？

學生的學習是一個綜合的活動，不僅要按照一定的順序和規范學會系統性的知識，還要在學習的同時，關注自身的成長和與同齡人的交往，人類社會近幾百年的進步是社會協作與知識增長共同作用的結果，僅僅有知識是做不到如此巨大的進步的。我們可以假設一種情況：如果一個有足夠多現代知識的人穿越到1000年前的社會中，他是無法輕易把知識轉化成力量，成為一個強有力的領導者，推動社會進步的，他只有通過協作，有足夠的社會關系，才可能把知識轉化成力量。

第三，對學校有什么意義？

我們評價一所學校往往會先關注有多少特級教師、高級教師，而Wolfram Alpha能提供大部分經驗豐富的教師多年積累的學習經驗和教學實踐，從而降低師資培訓的費用和對名師的依賴。對于需要輔導的學生來說，這絕對是提高效率的最好方法。在我們領略了Wolfram強大的計算能力以后，我們不禁要問：用它做什么？將來還有什么工作可以做？

首先，正如Reddit提到的 Wolfram Alpha發展計劃，“未來Wolfram Alpha將持續探索更多的理論、模型以及算法”。“我們找到了如何將這些線索以及所開發的技術利用起來，去創造一個全新的不同等級的新事物的東西”。——而這個東西就是Wolfram Language。沃爾夫勒姆稱這是一種全新的程序語言，和搜索引擎Wolfram Alpha一樣，它是以知識為中心的，以統一的方式來描述圖片、代數公式、時間序列、地理位置、用戶界面、文檔、代碼等。Wolfram Language最核心的特點是“自動化”，高度靈活，算法與數據之間沒有鴻溝，可以直接調用。它不但體現了高度的人工智能，還包括了極為簡單的開發模式。使用“自然語言”，就足以讓 Wolfram Language自動開發相關的應用。當然，能夠做到這一點也已經十分了不起，如果想讓Wolfram Language實現更強大的功能，語法還是有必要的。

其次，計算思維將會是未來的一個標志性特征，讓學生們認識到這一點非常重要。一直以來，社會各界對如何訓練學生的數學思維有廣泛關注。但是放眼未來，對學生計算思維的教育，其重要性和影響則更為深遠，因為計算思維將被用于方方面面，擅長于此將是幾乎所有未來職業成功的關鍵。Wolfram 語言，特別是Mathematica形式的，促生了無數重要的發明和創新。在這個語言中，每一個可能的知識領域都是內置和自動化的。令人興奮的是，現在我們已經在很多領域做到了這一點，足以支持各種計算思維。

最后，我們怎樣做才能使學生們為這種未來做好準備呢？令人耳目一新且至關重要的是，必須摒棄傳統的教學模式，徹底改用“深度學習”的全新生態，以幫助有志者尋求個性化（自適應）的學習資源、學習平臺和學習實操檢驗系統。以地理計算為例，Wolfram語言具有完全集成的功能，能用于創建高度自定義的地圖，以及關于世界各地的詳細內置地理信息。基于強大的數據庫功能，整個地球的任何一個位置都能被數據庫定義；基于地球上地理位置的計算已經成為可能，可以完成地球上任意兩個或者多個位置的計算，也可以計算出任何基于一個位置的地理特征參數。當然，根據你的需求繪制出地圖更是易如反掌。在這里，唯一“限制”的就是你對問題的發現、觀察和基于問題的表達。

綜上所述，我們可以確認，Wolfram Alpha乃至Wolfram Language，是一種全新的知識學習系統，特別是對于學有余力、希望另辟蹊徑、期待個性學習環境、尋求自適應學術生態的學習者來說，這無疑是天大的機緣。然而，這種應用的前提是“你要學”，要能自我控制地汲取非推送的知識學習單元，要有打破砂鍋問到底的執拗和鉆研勁頭……而這，一定不是所有學生都具備的，因此，在相當長的階段里，Wolfram Alpha（包括Wolfram Language），都只能是智優生的拐杖和抓手。