打開技術“黑箱”，讓思維走向深刻

陳勇

計算思維是信息技術學科核心素養之一，包括抽象、分解、建模、評估等內涵。思維的深刻性，又稱邏輯性，它是指思維過程或智力活動的抽象程度、對事物的規律和本質的反映能力。思維的深刻性對培養計算思維的關鍵內涵“抽象”至關重要。思維的深刻性體現在掌握和運用分析、比較、綜合、概括等思維方法的程度。教學中打開技術“黑箱”，讓學生經歷對問題的抽象、設計技術方案以及解決問題的過程，可以培養學生的思維深刻性。下面，筆者以初中“走進圖像識別”為例，闡述如何層層遞進，在打開技術“黑箱”的過程中，培養學生思維的深刻性。

● 問題引領，增強分析能力

學生在之前的課程中已經掌握調試Python語言，也可以進行適度的程序改寫，并且初步接觸了圖像識別及其應用。但是，圖像識別原理是理論性、專業性都很強的概念，信息從輸入到輸出識別結果之間究竟發生了什么？這是不可見的技術“黑箱”。由于不可見，學生就會對圖像識別原理的學習缺乏興趣結果，結果造成思維困難，難以理解學習內容。因此，讓學生在圖像識別原理“黑箱”可見、可想象的情境下學習，可以促進學生對圖像識別的思考與理解。

本課的問題情境就從阿里AI獲第三屆世界圖像識別競賽冠軍的新聞引入，教師介紹阿里能夠以超級速度對海量圖片進行分類。由此提出問題：“阿里這么厲害，但阿里的淘寶為什么找不到學校吉祥物‘世外熊？如何才能找到？”引導學生在感受中國在圖像識別領域取得的進步的同時，嘗試站在技術設計者的角度，思考圖像是怎么進行識別的，提高深入探究圖像識別原理的興趣，增強對問題的分析能力。本課選擇貼近現實且與學生校園生活相關的探究性問題引入，問題指向具體、清晰，有一定的思維容量和思維強度，讓學生基于問題分析展開圖像識別原理的探究性學習，可以助推學生思維的發展。

● 設計方案，增進比較能力

對于“為什么找不到學校吉祥物‘世外熊”的問題，學生大多能回答出“因為阿里的庫（數據庫）里沒有”，但是對于學生而言，計算機是如何找的是技術的“黑箱”，初中生已有知識儲備是無法想象的。因此，本環節類比生活中區分“世外熊”和“其他熊”的方法，以此鼓勵學生大膽提出自己的“假設”技術方案，假設計算機中區分“世外熊”和“其他熊”的方法，以鍛煉學生思維的邏輯性。

“假設”技術方案主要是通過活動一完成，活動一請學生們在學習單上，用一根長直線手動分類六組“世外熊”和“其他熊”的高度大小數據（如下頁圖1），學生完成后，分別在小組內和全班討論對比第幾幅圖大家的分界線會較一致，學生們會發現：到第六組時大家的結果基本一致，而之前的幾幅圖大家畫的線角度方向各不相同。這樣通過將手動分類最簡單的圖像特征與計算機圖像識別類比，可以幫助學生大膽提出自己的“假設”技術方案：計算機主要是通過學習數據自動獲取并識別圖像特征信息的特點。學生對類比并提出“假設”技術方案很感興趣，思維也積極展開，這樣不僅訓練了學生的比較能力，而且也能培養他們設計解決問題方案的能力。

● 技術實踐，提升綜合能力

在學生提出“假設”技術方案后，進入體驗圖像識別特點的技術實踐環節。本環節主要由兩個活動組成，這兩個活動都是打開Jupyter，分步運行“手寫數字識別程序.ipynb”，這個手寫數字識別程序是使用PyTorch搭建的一個簡易深度學習模型，使用兩層卷積層和池化層來搭建簡易的卷積神經網絡。以學習單為學習支架，觀察運行結果。活動二是運行手寫數字識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“提取特征并識別處理”（如圖3）的運行結果，如訓練的圖片數量、訓練正確率等。學生跑兩段程序時，能近距離地觀察圖像識別過程，了解圖像識別在計算機內的基本處理過程。

活動三是運行手寫數字識別程序的第三段程序，觀察圖像識別技術如何提取特征、提取到的特征有什么特點等運行結果（如下頁圖4）。設計的目的是將抽象的深度學習技術進行形象的表達，回避卷積、池化、全連接層等陌生而抽象的概念，讓學生見到計算機內部特征識別的簡單過程，在對計算機具有自動學習特征并識別有了更深刻思考的同時，體會到圖像識別的方法和過程，以及影響圖像識別技術的主要因素有大數據、算法、計算能力。

教師把編程作為一個解剖技術“黑箱”的工具，通過跑程序、讀程序、改程序的方式，讓學生在兩個活動的技術體驗中獲得圖像識別原理的知識。學生在活動體驗中，通過猜測程序功能、嘗試修改部分程序數據，舉一反三，觸類旁通，能適度看到圖像識別技術“黑箱”的內容，思維由此而深入，跑、讀、改程序的體驗，大大提高了技術應用的綜合能力。

● 技術評價，提高概括能力

本環節主要引導學生討論兩個問題：圖像識別技術常用的應用領域有哪些？計算機在圖像識別中有可能犯錯嗎？兩個問題的討論，指向學生對技術特點、應用場合和可改進空間的思考，這些可改進的空間恰恰就是技術創新的新起點。再回到本課初始問題“阿里的淘寶為什么找不到學校吉祥物‘世外熊？如何才能找到？”，對于如何才能找到的解決問題方案，學生會有阿里可以基于數據和算法改進技術的思考和建議，并意識到要學好基礎學科為科技強國而努力。

從對問題進行抽象，到設計技術方案以及解決問題，再到對整個問題能抽象概括，學生能辯證思考圖像識別技術的兩面性，并將所學圖像識別原理應用于遷移規律，能概括出技術應用的新思考。本環節雖然所占課時不多，但卻很重要，是通向本課學習思考的橋梁。概括本課學習的圖像識別原理，并將理解應用于生活中更廣泛的技術應用場合，辯證看待技術的特點，有助于學生對技術本質的思考。

● 結語

整節課結束后，學生對圖像識別產生了濃厚的興趣，并且能夠思考與適當理解圖像識別的基本原理。教師在課中還提到了兩個方面的內容，一方面是關于人工智能在機器學習過程中的不確定性，也就是人工智能的不可解釋性，也讓學生對未來人工智能的發展有一種期待和責任;另一方面在課中提到了關于圖像識別技術涉及的數學知識，其實就是從初中的一元一次方程開始的，這也充分體現了基礎學科的重要性，學生也知道了高深的技術背后還是今天學習的基礎學科的知識，從而促進學生對學習基礎學科積極性的深度思考。

無論是圖像識別這類的人工智能新技術學習內容，還是相對傳統的教學內容，都需要教師不斷學習相關理論知識，堅持對技術背后科學原理開展教學探索，嘗試打開技術的“黑箱”，在體驗活動過程中幫助學生“深入”用技術解決問題，從具體到抽象，讓技術思想方法“淺出”，形成對計算機科學的思考與理解，發展學生的人文底蘊和科學精神。