陳凱

當(dāng)我們說(shuō)到“教學(xué)中構(gòu)筑真實(shí)情境”這句話(huà)的時(shí)候，需要進(jìn)一步剖析究竟何為“真實(shí)”。即便在教學(xué)場(chǎng)景的創(chuàng)設(shè)中涉及真實(shí)事件和真實(shí)的問(wèn)題，為契合特定教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，這些真實(shí)事件或問(wèn)題大多進(jìn)行了簡(jiǎn)化和改造，或只是強(qiáng)調(diào)了其中的某一個(gè)側(cè)面。用比喻的方式來(lái)說(shuō)，課堂教學(xué)場(chǎng)景中出現(xiàn)的所謂的真實(shí)事件和問(wèn)題是激發(fā)探索興趣的芳香蜜源，是可以?huà)燧d知識(shí)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框架，是可被投注情感的戲劇片段。而“真實(shí)”這個(gè)詞語(yǔ)本身的意義也并不牢固，學(xué)習(xí)者所能感受到的該詞的范疇，隨學(xué)段的增長(zhǎng)而變得越來(lái)越廣泛，但其確定性卻似乎在下降：水果數(shù)量的相加和計(jì)價(jià)是真實(shí)的、光所兼具的粒子和波的特性是真實(shí)的、事物存在本身是真實(shí)的……對(duì)于一個(gè)教學(xué)者來(lái)說(shuō)，便會(huì)面臨這樣的問(wèn)題，如果他所要闡述的詞語(yǔ)的概念是高度概括的或是抽象的（越是到高學(xué)段就越是會(huì)遇見(jiàn)這樣的概念），那么完全有這種可能，這個(gè)概念離現(xiàn)實(shí)的情境非常遙遠(yuǎn)，雖然說(shuō)用來(lái)承載概念的詞語(yǔ)本身在文本中隨處可見(jiàn)，或者說(shuō)，這個(gè)詞語(yǔ)本身也常被應(yīng)用到多種現(xiàn)實(shí)的生活情境中，但在那種情境下對(duì)于詞語(yǔ)的進(jìn)一步詮釋卻是困難的。不妨考慮“利用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別”這句話(huà)，雖然教師可以輕松構(gòu)造出對(duì)應(yīng)這句話(huà)的那些還原生活具體場(chǎng)景的所謂真實(shí)情境，如用手機(jī)拍攝照片智能判別植物，或者將人臉從各種物體的圖像中區(qū)分出來(lái)，等等。但這樣的生活具體場(chǎng)景，卻很難成為一個(gè)良好的教學(xué)情境，因?yàn)闊o(wú)論是詮釋機(jī)器學(xué)習(xí)的不同的特性，還是具體講解某幾類(lèi)機(jī)器學(xué)習(xí)的算法，學(xué)習(xí)越是深入，離開(kāi)最初那個(gè)由具體需求而來(lái)的生活情境就越是遙遠(yuǎn)。這個(gè)情境既失去了吸引學(xué)生興趣的芳香蜜源的作用，也不太能成為連接不同知識(shí)的結(jié)構(gòu)框架，在教學(xué)過(guò)程結(jié)束的時(shí)候，教師和學(xué)生大概會(huì)重新想到最初那個(gè)帶著具體需求的情境，然后假裝愉快地宣稱(chēng)已經(jīng)解決了圖像識(shí)別的問(wèn)題。但此處情感的投入，僅僅是對(duì)應(yīng)著一個(gè)現(xiàn)成的產(chǎn)品或函數(shù)的某一功能的實(shí)現(xiàn)，而不對(duì)應(yīng)著問(wèn)題的解決，顯然，在解決問(wèn)題的路徑上存在著太多不明所以的地方。

這里不妨重新審視關(guān)于真實(shí)情境中的“真實(shí)”一詞，當(dāng)情境被用于課堂中的那一刻起，其實(shí)就開(kāi)始偏離其現(xiàn)實(shí)上的真實(shí)性，教師采用種種計(jì)謀將學(xué)習(xí)者放置到創(chuàng)設(shè)出來(lái)的情境中，希望他們通過(guò)代入的方法假設(shè)性地解決現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題。盡管這樣，教師們?nèi)匀环Q(chēng)自己所創(chuàng)設(shè)的情境為真實(shí)情境，卻少有人會(huì)對(duì)其中的“真實(shí)”一詞提出質(zhì)疑，何以如此？對(duì)于虛構(gòu)文藝作品的所謂真實(shí)性的考察可以帶給我們答案：讀者情感上的共鳴是真實(shí)的，矛盾產(chǎn)生或矛盾解決的邏輯思維過(guò)程是真實(shí)的，作品中所涉及的日常經(jīng)驗(yàn)細(xì)節(jié)也是真實(shí)的，如此等等。這樣就給出了一個(gè)啟示，要把現(xiàn)實(shí)和真實(shí)兩者加以區(qū)分。在教學(xué)情境中，哪一種真實(shí)才是最需要被把握住的？筆者在對(duì)計(jì)算機(jī)的模擬和仿真的行為進(jìn)行考察后，得到了一種可能的答案：想象一下，人們可以利用計(jì)算機(jī)模擬大氣行為，計(jì)算機(jī)中的氣候環(huán)境是虛擬的，但其模擬的氣候變化和現(xiàn)實(shí)世界的現(xiàn)象是有所對(duì)應(yīng)的。人們可以利用計(jì)算機(jī)去模擬制造一臺(tái)虛擬的計(jì)算的機(jī)器，那個(gè)機(jī)器當(dāng)然不是真實(shí)的，但它解決某問(wèn)題所做的計(jì)算本身卻是真實(shí)的?？梢钥闯?，模擬計(jì)算行為實(shí)際上可以等價(jià)于計(jì)算行為本身，計(jì)算過(guò)程本身無(wú)疑是真實(shí)的，如果能夠圍繞計(jì)算行為的需求、計(jì)算過(guò)程的設(shè)計(jì)、計(jì)算效果的評(píng)估來(lái)構(gòu)建教學(xué)情境，那么，即便是一個(gè)看上去虛擬的情境，也是具有真實(shí)性的，如能將真實(shí)和現(xiàn)實(shí)區(qū)分開(kāi)來(lái)，就不必非要回溯到產(chǎn)生出這個(gè)計(jì)算需求的具體事件并將那個(gè)事件作為教學(xué)的情境。

下面用一個(gè)和簡(jiǎn)單的遺傳算法有關(guān)的教學(xué)案例來(lái)說(shuō)明問(wèn)題。如圖1所示，這是一個(gè)“機(jī)器人獲取能量”小游戲，正中間的“R1”表示1號(hào)機(jī)器人，另外還有5個(gè)機(jī)器人編號(hào)從“R2”到“R6”，機(jī)器人每一步行走，都是橫向移動(dòng)50個(gè)單位，而縱向移動(dòng)的距離，是根據(jù)文本框中設(shè)定的數(shù)值來(lái)決定的，規(guī)定機(jī)器人開(kāi)始行走后，這個(gè)數(shù)值就不能再改變了。顯然，文本框中數(shù)字越小，機(jī)器人行走的角度就越傾斜。當(dāng)機(jī)器人碰撞到墻壁時(shí)，其橫向的方向會(huì)翻轉(zhuǎn)。機(jī)器人的目標(biāo)是界面最上方的小能量塊，小能量塊是靜止不動(dòng)的，機(jī)器人行走時(shí)可能會(huì)和小能量塊重疊，重疊時(shí)間越長(zhǎng)，則機(jī)器人獲取到的能量就越多。為了增加挑戰(zhàn)性，機(jī)器人每多走一步，其自身占地面積就減少一點(diǎn)，相對(duì)就更不容易碰到能量塊。圖1中，筆者派出了第一個(gè)機(jī)器人，根據(jù)設(shè)定測(cè)試值，每橫向移動(dòng)50個(gè)單位，它就縱向移動(dòng)15個(gè)單位，從圖上看，它差一點(diǎn)就能獲取到能量了。圖1中用直線(xiàn)標(biāo)出了機(jī)器人的行進(jìn)軌跡。

那么，怎么才能快速找出能獲取到高能量的最佳縱向移動(dòng)距離呢？這就是一個(gè)和策劃具體計(jì)算過(guò)程有關(guān)的真實(shí)的問(wèn)題。例如，用枚舉所有數(shù)字一個(gè)一個(gè)嘗試的方法，當(dāng)然最終是可以找到最佳答案的，但若在課堂中組織一場(chǎng)比賽，看誰(shuí)先找出最佳答案，恐怕不會(huì)有人真的采用枚舉的方法。從三個(gè)角度看，機(jī)器人獲取能量小游戲可以成為構(gòu)建教學(xué)情境的不錯(cuò)的素材：其一，懸疑的存在和帶有競(jìng)爭(zhēng)性游戲能激發(fā)出探索熱情;其二，玩家在游戲時(shí)自然而然就運(yùn)用到了日常生活中的經(jīng)驗(yàn)，而這些經(jīng)驗(yàn)本身又可能對(duì)應(yīng)著多項(xiàng)計(jì)算機(jī)科學(xué)方面的概念，如枚舉、隨機(jī)、反饋、迭代等;其三，游戲運(yùn)行本身就能引出遺傳算法的幾個(gè)要素，對(duì)這一點(diǎn)下面重點(diǎn)加以說(shuō)明。

在游戲過(guò)程中，可以利用“隨機(jī)取值”“登記和顯示分?jǐn)?shù)”“生成新數(shù)據(jù)”這三個(gè)按鈕，以半自動(dòng)的方式尋找到最佳的答案（如圖2）。操作過(guò)程如下：先點(diǎn)“隨機(jī)取值”，這個(gè)按鈕的功能是隨機(jī)獲得0到100之間的整數(shù)值;然后就按隨機(jī)確定的移動(dòng)距離派出機(jī)器人，在完成行進(jìn)路線(xiàn)后通過(guò)“登記和顯示分?jǐn)?shù)”來(lái)記錄總共6個(gè)機(jī)器人的成績(jī)，可以看出，6個(gè)機(jī)器人的成績(jī)分別是4、0、17、16、0、0;接著點(diǎn)擊“生成新數(shù)據(jù)”，這時(shí)，游戲自動(dòng)選出導(dǎo)致機(jī)器人獲取能量值最多的兩個(gè)縱向移動(dòng)距離，并在這2個(gè)數(shù)據(jù)附近區(qū)域選取出4個(gè)數(shù)據(jù)，合并由隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生的另2個(gè)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生出新的一組共6個(gè)數(shù)據(jù)，供玩家再次測(cè)試。事實(shí)上，對(duì)于圖示中的例子，只要再玩上一輪，就能夠找出最佳答案33了。（為了便于說(shuō)明問(wèn)題，筆者選取了一組可快速找到答案的隨機(jī)數(shù)，玩家真正操作時(shí)一般需要3到4輪“生成新數(shù)據(jù)”后的測(cè)試過(guò)程，但大多數(shù)情況下速度要快于一一枚舉）

關(guān)于用何種策略，根據(jù)已有機(jī)器人的成績(jī)來(lái)生成新的測(cè)試數(shù)據(jù)，可以是課堂中討論的重點(diǎn)問(wèn)題。例如，是否需要將某一輪測(cè)試中成績(jī)最好的距離值按原樣保留下來(lái)？如果要對(duì)機(jī)器人競(jìng)賽中獲得優(yōu)秀成績(jī)的距離值做一點(diǎn)微調(diào)，用來(lái)探測(cè)是否有更好的結(jié)果，那么調(diào)整的幅度如何決定？如果有多個(gè)導(dǎo)致優(yōu)秀成績(jī)的距離值，有沒(méi)有可能結(jié)合兩個(gè)或兩個(gè)以上的距離值進(jìn)行計(jì)算，加快尋找到最佳答案的速度？為什么還有必要獲取幾個(gè)完全隨機(jī)的數(shù)值參與競(jìng)爭(zhēng)測(cè)試？以上問(wèn)題，都和如何采用不同遺傳變異策略達(dá)成較優(yōu)或最優(yōu)的結(jié)果的討論有關(guān)，顯然都是十分真實(shí)的問(wèn)題。如果要根據(jù)特定策略來(lái)實(shí)現(xiàn)或修改相關(guān)代碼，主要涉及的技能是數(shù)組數(shù)據(jù)的存取調(diào)用、搜索和排序，實(shí)現(xiàn)難度在可控范圍之內(nèi)。將游戲場(chǎng)景作為教學(xué)情境的另一個(gè)好處是，并不需要將所有的操作都做成自動(dòng)化過(guò)程，由人參與其中的半自動(dòng)化的算法實(shí)施過(guò)程，降低了程序的代碼實(shí)現(xiàn)的難度，還意外地增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的自主性和體驗(yàn)性。

如果將不同測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果的情況全部列出圖表（為此筆者自己不厭其煩地“玩”了幾十次游戲），就能夠用以顯現(xiàn)遺傳算法在解決問(wèn)題上的普遍性，圖3中，直線(xiàn)代表的是由小到大設(shè)定的縱向距離測(cè)試值，曲線(xiàn)則是該值對(duì)應(yīng)的獲取能量值的多少?？梢?jiàn)，遺傳算法在其中的作用，主要是獲取一定范圍內(nèi)函數(shù)的極值。在本欄目上一期的文章《從模型到現(xiàn)實(shí)——木星衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的分析和智能預(yù)測(cè)》中，為了更好地獲得正弦函數(shù)角速度的擬合值，就使用到了遺傳算法，這便使得這方面的教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)出了現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)然，這也同時(shí)為深入探索給出了方向，那就是如何借助專(zhuān)業(yè)的遺傳算法工具，對(duì)更大量和更高維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

筆者文中的機(jī)器人游戲當(dāng)然是由計(jì)算機(jī)模擬的，但若單純從技術(shù)方面考慮，將這個(gè)游戲裝置實(shí)體化，難度應(yīng)該也不會(huì)很大，如果市場(chǎng)上有一套允許教師進(jìn)行定制，并能在游戲過(guò)程中呈現(xiàn)出機(jī)器學(xué)習(xí)算法運(yùn)作過(guò)程的裝置，那將會(huì)是構(gòu)建人工智能教學(xué)情境的重要工具和素材。當(dāng)然，憑教師個(gè)人力量很難做到這一點(diǎn)，可惜目前市場(chǎng)上有許多自稱(chēng)可用于人工智能教學(xué)的機(jī)器人教具，往往只不過(guò)是一個(gè)無(wú)法深入展開(kāi)剖析的黑箱而已。