打開(kāi)技術(shù)“黑箱”，讓思維走向深刻

陳勇

計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，包括抽象、分解、建模、評(píng)估等內(nèi)涵。思維的深刻性，又稱(chēng)邏輯性，它是指思維過(guò)程或智力活動(dòng)的抽象程度、對(duì)事物的規(guī)律和本質(zhì)的反映能力。思維的深刻性對(duì)培養(yǎng)計(jì)算思維的關(guān)鍵內(nèi)涵“抽象”至關(guān)重要。思維的深刻性體現(xiàn)在掌握和運(yùn)用分析、比較、綜合、概括等思維方法的程度。教學(xué)中打開(kāi)技術(shù)“黑箱”，讓學(xué)生經(jīng)歷對(duì)問(wèn)題的抽象、設(shè)計(jì)技術(shù)方案以及解決問(wèn)題的過(guò)程，可以培養(yǎng)學(xué)生的思維深刻性。下面，筆者以初中“走進(jìn)圖像識(shí)別”為例，闡述如何層層遞進(jìn)，在打開(kāi)技術(shù)“黑箱”的過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生思維的深刻性。

● 問(wèn)題引領(lǐng)，增強(qiáng)分析能力

學(xué)生在之前的課程中已經(jīng)掌握調(diào)試Python語(yǔ)言，也可以進(jìn)行適度的程序改寫(xiě)，并且初步接觸了圖像識(shí)別及其應(yīng)用。但是，圖像識(shí)別原理是理論性、專(zhuān)業(yè)性都很強(qiáng)的概念，信息從輸入到輸出識(shí)別結(jié)果之間究竟發(fā)生了什么？這是不可見(jiàn)的技術(shù)“黑箱”。由于不可見(jiàn)，學(xué)生就會(huì)對(duì)圖像識(shí)別原理的學(xué)習(xí)缺乏興趣結(jié)果，結(jié)果造成思維困難，難以理解學(xué)習(xí)內(nèi)容。因此，讓學(xué)生在圖像識(shí)別原理“黑箱”可見(jiàn)、可想象的情境下學(xué)習(xí)，可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)圖像識(shí)別的思考與理解。

本課的問(wèn)題情境就從阿里AI獲第三屆世界圖像識(shí)別競(jìng)賽冠軍的新聞引入，教師介紹阿里能夠以超級(jí)速度對(duì)海量圖片進(jìn)行分類(lèi)。由此提出問(wèn)題：“阿里這么厲害，但阿里的淘寶為什么找不到學(xué)校吉祥物‘世外熊？如何才能找到？”引導(dǎo)學(xué)生在感受中國(guó)在圖像識(shí)別領(lǐng)域取得的進(jìn)步的同時(shí)，嘗試站在技術(shù)設(shè)計(jì)者的角度，思考圖像是怎么進(jìn)行識(shí)別的，提高深入探究圖像識(shí)別原理的興趣，增強(qiáng)對(duì)問(wèn)題的分析能力。本課選擇貼近現(xiàn)實(shí)且與學(xué)生校園生活相關(guān)的探究性問(wèn)題引入，問(wèn)題指向具體、清晰，有一定的思維容量和思維強(qiáng)度，讓學(xué)生基于問(wèn)題分析展開(kāi)圖像識(shí)別原理的探究性學(xué)習(xí)，可以助推學(xué)生思維的發(fā)展。

● 設(shè)計(jì)方案，增進(jìn)比較能力

對(duì)于“為什么找不到學(xué)校吉祥物‘世外熊”的問(wèn)題，學(xué)生大多能回答出“因?yàn)榘⒗锏膸?kù)（數(shù)據(jù)庫(kù)）里沒(méi)有”，但是對(duì)于學(xué)生而言，計(jì)算機(jī)是如何找的是技術(shù)的“黑箱”，初中生已有知識(shí)儲(chǔ)備是無(wú)法想象的。因此，本環(huán)節(jié)類(lèi)比生活中區(qū)分“世外熊”和“其他熊”的方法，以此鼓勵(lì)學(xué)生大膽提出自己的“假設(shè)”技術(shù)方案，假設(shè)計(jì)算機(jī)中區(qū)分“世外熊”和“其他熊”的方法，以鍛煉學(xué)生思維的邏輯性。

“假設(shè)”技術(shù)方案主要是通過(guò)活動(dòng)一完成，活動(dòng)一請(qǐng)學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)單上，用一根長(zhǎng)直線手動(dòng)分類(lèi)六組“世外熊”和“其他熊”的高度大小數(shù)據(jù)（如下頁(yè)圖1），學(xué)生完成后，分別在小組內(nèi)和全班討論對(duì)比第幾幅圖大家的分界線會(huì)較一致，學(xué)生們會(huì)發(fā)現(xiàn)：到第六組時(shí)大家的結(jié)果基本一致，而之前的幾幅圖大家畫(huà)的線角度方向各不相同。這樣通過(guò)將手動(dòng)分類(lèi)最簡(jiǎn)單的圖像特征與計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別類(lèi)比，可以幫助學(xué)生大膽提出自己的“假設(shè)”技術(shù)方案：計(jì)算機(jī)主要是通過(guò)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取并識(shí)別圖像特征信息的特點(diǎn)。學(xué)生對(duì)類(lèi)比并提出“假設(shè)”技術(shù)方案很感興趣，思維也積極展開(kāi)，這樣不僅訓(xùn)練了學(xué)生的比較能力，而且也能培養(yǎng)他們?cè)O(shè)計(jì)解決問(wèn)題方案的能力。

● 技術(shù)實(shí)踐，提升綜合能力

在學(xué)生提出“假設(shè)”技術(shù)方案后，進(jìn)入體驗(yàn)圖像識(shí)別特點(diǎn)的技術(shù)實(shí)踐環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要由兩個(gè)活動(dòng)組成，這兩個(gè)活動(dòng)都是打開(kāi)Jupyter，分步運(yùn)行“手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別程序.ipynb”，這個(gè)手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別程序是使用PyTorch搭建的一個(gè)簡(jiǎn)易深度學(xué)習(xí)模型，使用兩層卷積層和池化層來(lái)搭建簡(jiǎn)易的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。以學(xué)習(xí)單為學(xué)習(xí)支架，觀察運(yùn)行結(jié)果?；顒?dòng)二是運(yùn)行手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別程序的前兩段程序，觀察并記錄“處理輸入的圖像”（如圖2）和“提取特征并識(shí)別處理”（如圖3）的運(yùn)行結(jié)果，如訓(xùn)練的圖片數(shù)量、訓(xùn)練正確率等。學(xué)生跑兩段程序時(shí)，能近距離地觀察圖像識(shí)別過(guò)程，了解圖像識(shí)別在計(jì)算機(jī)內(nèi)的基本處理過(guò)程。

活動(dòng)三是運(yùn)行手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別程序的第三段程序，觀察圖像識(shí)別技術(shù)如何提取特征、提取到的特征有什么特點(diǎn)等運(yùn)行結(jié)果（如下頁(yè)圖4）。設(shè)計(jì)的目的是將抽象的深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行形象的表達(dá)，回避卷積、池化、全連接層等陌生而抽象的概念，讓學(xué)生見(jiàn)到計(jì)算機(jī)內(nèi)部特征識(shí)別的簡(jiǎn)單過(guò)程，在對(duì)計(jì)算機(jī)具有自動(dòng)學(xué)習(xí)特征并識(shí)別有了更深刻思考的同時(shí)，體會(huì)到圖像識(shí)別的方法和過(guò)程，以及影響圖像識(shí)別技術(shù)的主要因素有大數(shù)據(jù)、算法、計(jì)算能力。

教師把編程作為一個(gè)解剖技術(shù)“黑箱”的工具，通過(guò)跑程序、讀程序、改程序的方式，讓學(xué)生在兩個(gè)活動(dòng)的技術(shù)體驗(yàn)中獲得圖像識(shí)別原理的知識(shí)。學(xué)生在活動(dòng)體驗(yàn)中，通過(guò)猜測(cè)程序功能、嘗試修改部分程序數(shù)據(jù)，舉一反三，觸類(lèi)旁通，能適度看到圖像識(shí)別技術(shù)“黑箱”的內(nèi)容，思維由此而深入，跑、讀、改程序的體驗(yàn)，大大提高了技術(shù)應(yīng)用的綜合能力。

● 技術(shù)評(píng)價(jià)，提高概括能力

本環(huán)節(jié)主要引導(dǎo)學(xué)生討論兩個(gè)問(wèn)題：圖像識(shí)別技術(shù)常用的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？計(jì)算機(jī)在圖像識(shí)別中有可能犯錯(cuò)嗎？?jī)蓚€(gè)問(wèn)題的討論，指向?qū)W生對(duì)技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合和可改進(jìn)空間的思考，這些可改進(jìn)的空間恰恰就是技術(shù)創(chuàng)新的新起點(diǎn)。再回到本課初始問(wèn)題“阿里的淘寶為什么找不到學(xué)校吉祥物‘世外熊？如何才能找到？”，對(duì)于如何才能找到的解決問(wèn)題方案，學(xué)生會(huì)有阿里可以基于數(shù)據(jù)和算法改進(jìn)技術(shù)的思考和建議，并意識(shí)到要學(xué)好基礎(chǔ)學(xué)科為科技強(qiáng)國(guó)而努力。

從對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象，到設(shè)計(jì)技術(shù)方案以及解決問(wèn)題，再到對(duì)整個(gè)問(wèn)題能抽象概括，學(xué)生能辯證思考圖像識(shí)別技術(shù)的兩面性，并將所學(xué)圖像識(shí)別原理應(yīng)用于遷移規(guī)律，能概括出技術(shù)應(yīng)用的新思考。本環(huán)節(jié)雖然所占課時(shí)不多，但卻很重要，是通向本課學(xué)習(xí)思考的橋梁。概括本課學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別原理，并將理解應(yīng)用于生活中更廣泛的技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，辯證看待技術(shù)的特點(diǎn)，有助于學(xué)生對(duì)技術(shù)本質(zhì)的思考。

● 結(jié)語(yǔ)

整節(jié)課結(jié)束后，學(xué)生對(duì)圖像識(shí)別產(chǎn)生了濃厚的興趣，并且能夠思考與適當(dāng)理解圖像識(shí)別的基本原理。教師在課中還提到了兩個(gè)方面的內(nèi)容，一方面是關(guān)于人工智能在機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程中的不確定性，也就是人工智能的不可解釋性，也讓學(xué)生對(duì)未來(lái)人工智能的發(fā)展有一種期待和責(zé)任;另一方面在課中提到了關(guān)于圖像識(shí)別技術(shù)涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)，其實(shí)就是從初中的一元一次方程開(kāi)始的，這也充分體現(xiàn)了基礎(chǔ)學(xué)科的重要性，學(xué)生也知道了高深的技術(shù)背后還是今天學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)學(xué)科的知識(shí)，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)學(xué)科積極性的深度思考。

無(wú)論是圖像識(shí)別這類(lèi)的人工智能新技術(shù)學(xué)習(xí)內(nèi)容，還是相對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容，都需要教師不斷學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)，堅(jiān)持對(duì)技術(shù)背后科學(xué)原理開(kāi)展教學(xué)探索，嘗試打開(kāi)技術(shù)的“黑箱”，在體驗(yàn)活動(dòng)過(guò)程中幫助學(xué)生“深入”用技術(shù)解決問(wèn)題，從具體到抽象，讓技術(shù)思想方法“淺出”，形成對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的思考與理解，發(fā)展學(xué)生的人文底蘊(yùn)和科學(xué)精神。