陳勇

計算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，包括抽象、分解、建模、評估等內(nèi)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(guī)律和本質(zhì)的反映能力。思維的深刻性對培養(yǎng)計算思維的關(guān)鍵內(nèi)涵“抽象”至關(guān)重要。思維的深刻性體現(xiàn)在掌握和運用分析、比較、綜合、概括等思維方法的程度。教學(xué)中打開技術(shù)“黑箱”，讓學(xué)生經(jīng)歷對問題的抽象、設(shè)計技術(shù)方案以及解決問題的過程，可以培養(yǎng)學(xué)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(shù)“黑箱”的過程中，培養(yǎng)學(xué)生思維的深刻性。

● 問題引領(lǐng)，增強分析能力

學(xué)生在之前的課程中已經(jīng)掌握調(diào)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(yīng)用。但是，圖像識別原理是理論性、專業(yè)性都很強的概念，信息從輸入到輸出識別結(jié)果之間究竟發(fā)生了什么？這是不可見的技術(shù)“黑箱”。由于不可見，學(xué)生就會對圖像識別原理的學(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)生在圖像識別原理“黑箱”可見、可想象的情境下學(xué)習(xí)，可以促進學(xué)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(xué)校吉祥物‘世外熊？如何才能找到？”引導(dǎo)學(xué)生在感受中國在圖像識別領(lǐng)域取得的進步的同時，嘗試站在技術(shù)設(shè)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(xiàn)實且與學(xué)生校園生活相關(guān)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(xué)生基于問題分析展開圖像識別原理的探究性學(xué)習(xí)，可以助推學(xué)生思維的發(fā)展。

● 設(shè)計方案，增進比較能力

對于“為什么找不到學(xué)校吉祥物‘世外熊”的問題，學(xué)生大多能回答出“因為阿里的庫（數(shù)據(jù)庫）里沒有”，但是對于學(xué)生而言，計算機是如何找的是技術(shù)的“黑箱”，初中生已有知識儲備是無法想象的。因此，本環(huán)節(jié)類比生活中區(qū)分“世外熊”和“其他熊”的方法，以此鼓勵學(xué)生大膽提出自己的“假設(shè)”技術(shù)方案，假設(shè)計算機中區(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)方案主要是通過活動一完成，活動一請學(xué)生們在學(xué)習(xí)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(shù)據(jù)（如下頁圖1），學(xué)生完成后，分別在小組內(nèi)和全班討論對比第幾幅圖大家的分界線會較一致，學(xué)生們會發(fā)現(xiàn)：到第六組時大家的結(jié)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(xué)生大膽提出自己的“假設(shè)”技術(shù)方案：計算機主要是通過學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)自動獲取并識別圖像特征信息的特點。學(xué)生對類比并提出“假設(shè)”技術(shù)方案很感興趣，思維也積極展開，這樣不僅訓(xùn)練了學(xué)生的比較能力，而且也能培養(yǎng)他們設(shè)計解決問題方案的能力。

● 技術(shù)實踐，提升綜合能力

在學(xué)生提出“假設(shè)”技術(shù)方案后，進入體驗圖像識別特點的技術(shù)實踐環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)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(shù)字識別程序.ipynb”，這個手寫數(shù)字識別程序是使用PyTorch搭建的一個簡易深度學(xué)習(xí)模型，使用兩層卷積層和池化層來搭建簡易的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。以學(xué)習(xí)單為學(xué)習(xí)支架，觀察運行結(jié)果。活動二是運行手寫數(shù)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(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，能近距離地觀察圖像識別過程，了解圖像識別在計算機內(nèi)的基本處理過程。

活動三是運行手寫數(shù)字識別程序的第三段程序，觀察圖像識別技術(shù)如何提取特征、提取到的特征有什么特點等運行結(jié)果（如下頁圖4）。設(shè)計的目的是將抽象的深度學(xué)習(xí)技術(shù)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(xué)生見到計算機內(nèi)部特征識別的簡單過程，在對計算機具有自動學(xué)習(xí)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(shù)的主要因素有大數(shù)據(jù)、算法、計算能力。

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

● 技術(shù)評價，提高概括能力

本環(huán)節(jié)主要引導(dǎo)學(xué)生討論兩個問題：圖像識別技術(shù)常用的應(yīng)用領(lǐng)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?qū)W生對技術(shù)特點、應(yīng)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(shù)創(chuàng)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(xué)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(xué)生會有阿里可以基于數(shù)據(jù)和算法改進技術(shù)的思考和建議，并意識到要學(xué)好基礎(chǔ)學(xué)科為科技強國而努力。

從對問題進行抽象，到設(shè)計技術(shù)方案以及解決問題，再到對整個問題能抽象概括，學(xué)生能辯證思考圖像識別技術(shù)的兩面性，并將所學(xué)圖像識別原理應(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)用場合，辯證看待技術(shù)的特點，有助于學(xué)生對技術(shù)本質(zhì)的思考。

● 結(jié)語

整節(jié)課結(jié)束后，學(xué)生對圖像識別產(chǎn)生了濃厚的興趣，并且能夠思考與適當(dāng)理解圖像識別的基本原理。教師在課中還提到了兩個方面的內(nèi)容，一方面是關(guān)于人工智能在機器學(xué)習(xí)過程中的不確定性，也就是人工智能的不可解釋性，也讓學(xué)生對未來人工智能的發(fā)展有一種期待和責(zé)任;另一方面在課中提到了關(guān)于圖像識別技術(shù)涉及的數(shù)學(xué)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(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，從而促進學(xué)生對學(xué)習(xí)基礎(chǔ)學(xué)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(shù)學(xué)習(xí)內(nèi)容，還是相對傳統(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，堅持對技術(shù)背后科學(xué)原理開展教學(xué)探索，嘗試打開技術(shù)的“黑箱”，在體驗活動過程中幫助學(xué)生“深入”用技術(shù)解決問題，從具體到抽象，讓技術(shù)思想方法“淺出”，形成對計算機科學(xué)的思考與理解，發(fā)展學(xué)生的人文底蘊和科學(xué)精神。