陳凱

摘要：本文提出，如同抽象繪畫藝術中“抽象”一詞具有多樣性，在一個計算模型的實現(xiàn)過程中，抽象在不同的階段以不同的方式發(fā)揮作用。從了解生物的神經(jīng)元行為，到建立解釋神經(jīng)元行為的數(shù)學模型，到物理上實現(xiàn)人工模擬神經(jīng)元，再到構造神經(jīng)網(wǎng)絡，人的思維抽象過程的目的和消除物都有所不同，其中，通過消除實體的物或虛擬的物的某種屬性，來建立模型達成對某種形式系統(tǒng)的同構過程，值得加以關注，這是能夠在人的創(chuàng)新過程中體現(xiàn)人在特定情境和任務下作為規(guī)則制訂者的能動性和獨立性的重要環(huán)節(jié)。

關鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡；模擬神經(jīng)元；計算思維；抽象

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2024）11-0021-05

通過考察各類藝術流派可以發(fā)現(xiàn)，不同的抽象主義繪畫流派的作品有很大區(qū)別：畢加索將物體簡化為幾何形狀，再重新組合成畫面；康定斯基徹底擺脫了物的具象，畫中的圖案主要表達內(nèi)在情感；克萊因的“藍”是一幅僅有藍色的純色作品，不僅讓繪畫本身成為一種極致的抽象，而且將創(chuàng)作行為和觀眾的體驗過程上升為一種抽象。筆者由此得到的啟發(fā)是，“抽象”本身具有多樣性。雖然所謂的抽象都是從眾多事物屬性中抽取出共同的、本質(zhì)性的特征，而舍棄其非本質(zhì)的特征的過程，但抽象的過程涉及具體的抽象意圖以及選取非本質(zhì)舍棄物的判別標準，使得抽象的目標和過程呈現(xiàn)出多樣性?？紤]這樣的問題：從某人了解神經(jīng)元的生物學行為開始，直到構造出一個人工的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，在整個過程中，抽象思維是怎樣發(fā)揮作用的？抽象思維在解決問題的過程中發(fā)揮作用的方式有哪些不同？

再現(xiàn)神經(jīng)元特定行為特性的模擬神經(jīng)元——認知上的簡化

人如何了解神經(jīng)元的工作過程？當然，可以從生物學和化學更為本質(zhì)的角度去理解，然而也可以如行為主義的研究方法那樣，僅僅考察對神經(jīng)元的刺激以及得到的反應：刺激導致膜電位上升，超過閾值產(chǎn)生動作電位，向下一級神經(jīng)元發(fā)送信號，然后進入不應期，稍后恢復響應。這樣，人的頭腦就在撇除生物和化學細節(jié)的前提下，把握神經(jīng)元的工作過程。這其實是一種自然建模的過程，這種模型不是物理或化學模型，也不是統(tǒng)計學模型，而是一種認知上的模擬，使人能夠在一定程度上理解神經(jīng)元的行為。在抽象過程中，更本質(zhì)的內(nèi)容并未被真正消除，而是被隱藏起來，消失在人的視域中。

在教學中，可以采用軟件來模擬神經(jīng)元的“刺激——響應”過程，也可以用硬件如某種電子開發(fā)板來進行模擬。例如，可以用掌控板來模擬一個神經(jīng)元的行為：在屏幕上有一個閃動的圓圈，隨著刺激的輸入——可以用按鍵代表刺激，也可以用引腳從外部引入刺激，圓圈慢慢變大，如果短時間刺激消失，則圓圈又會恢復原來的樣子，但若圓圈變大到超過某個閾值，則顯示一個產(chǎn)生很多同心圓的動畫效果，用以向人表示動作電位的發(fā)生，同時，還通過引腳向下一級的模擬神經(jīng)元發(fā)送信號，當信號發(fā)送后，這個模擬神經(jīng)元需要一段時間的恢復才能重新回到初始狀態(tài)。這些掌控板可以相互級聯(lián)，前一級模擬神經(jīng)元的信號能傳遞到下一級，這樣就能組成神經(jīng)網(wǎng)絡來實現(xiàn)分類任務，如圖1所示，處于中間層的模擬神經(jīng)元，面向觀察者較近的那一個因閾值較低而在刺激下先產(chǎn)生動作電位，并將信號傳遞至輸出層的模擬神經(jīng)元，在圖2中，剛才產(chǎn)生動作電位的模擬神經(jīng)元進入不應期，輸出層的模擬神經(jīng)元被激發(fā)產(chǎn)生動作電位。建立這樣一種模型并不是為了了解神經(jīng)元的底層機理，而是為了方便人的認知，萊奧內(nèi)利稱之為通過智力抽象（intellectual abstracting）的方式構建黑箱式的模型，用以和其他“抽象”區(qū)別。[1]

剝離物理因果關系——形式上的簡化

在認知過程中，可以利用抽象為神經(jīng)元的工作過程提供一種便捷的解釋。繼而需要考慮的是如何借助一個模擬神經(jīng)元的行為實現(xiàn)分類任務，在實現(xiàn)的過程中，人工的模擬神經(jīng)元的工作過程不必完全對照真實神經(jīng)元的工作過程，許多地方可以進一步簡化，如輸入刺激、動作電位產(chǎn)生、不應期各個階段的時間都可以極致壓縮到無，不用再考慮“刺激——反應”中各個時間階段的具體變化，而僅僅將神經(jīng)元的行為再現(xiàn)為一種輸入和輸出的對應關系，這類似于將數(shù)字電路中部分不必要的時序邏輯消除使之簡化為組合邏輯。抽象是一種屬性消除的過程，對應于前一節(jié)所說的認知過程中的屬性消除，是一種形式系統(tǒng)構造上的屬性消除。這種形式上的屬性消除過程可以看作基于因果關系的冗余的壓縮。例如，某系統(tǒng)中需要由A傳遞值到B，由B傳遞值到C，以此類推一直到Z，但若在形式系統(tǒng)運作過程中，B、C一直到Y并未在本系統(tǒng)中產(chǎn)生作用也未和其他系統(tǒng)產(chǎn)生關聯(lián)，那么整個值的傳輸過程就可以簡化為A傳遞給Z。在神經(jīng)元的例子中，不應期的原因是鈉通道的失活，但從人工的模擬神經(jīng)元實現(xiàn)分類作用的純粹形式的過程看，鈉通道的活性這種屬性是一種冗余，因為形式系統(tǒng)中符號的變換不依賴于真實物理實體的鈉通道。于是，就可以將神經(jīng)元的“刺激——反應”行為封裝成一個簡單的形式化的閾值判斷模型，如圖3所示。這樣一來，“抽象所得的模型并沒有表征那個原始系統(tǒng)，它表征的是任何具有那些抽象特征的系統(tǒng)”。[2]

構建計算模型——形式系統(tǒng)的使能

海德格爾在《存在與時間》一書中圍繞錘子有這樣的闡述：“用錘子來錘，并不是把這個存在者當成擺在那里的物進行專題把握，這種使用也根本不曉得用具的結構本身……對錘子這物越少瞠目凝視，用它用得越起勁，對它的關系也就變得越源始，它也就越發(fā)昭然若揭地作為它所是的東西來照面，即作為用具來照面。錘本身揭示了錘子特有的‘稱手，我們稱用具的這種存在方式為上手狀態(tài)?！盵3]這里的“源始”和時間性有關，是一種自在自為的“出離自身”的本身，對應的是一種自然而然的沒有被人刻意意識到的狀態(tài)。

如果要利用神經(jīng)元組成的神經(jīng)網(wǎng)絡來解決分類問題，那么封裝好的神經(jīng)元函數(shù)就是一種用具，處于“上手”（也翻譯成“應手”）的狀態(tài)，現(xiàn)在，考慮對人工的神經(jīng)元函數(shù)“瞠目凝視”，使得神經(jīng)元的結構充分顯現(xiàn)出來，于是它轉(zhuǎn)化為一種“在手”之物，然后就能有意識地展開研究其中算法的結構和作用（即便僅僅記得函數(shù)名和參數(shù)的使用，也能夠?qū)⑷斯ど窠?jīng)元作為用具，對封裝好的函數(shù)“瞠目凝視”，或者對一個高度集成的電子設備“瞠目凝視”是起不到從上手到在手的轉(zhuǎn)化作用的，這個問題稍后會討論）。在這里，已有的算法可看成是海德格爾所說的“集置（Ge-stell）”，是一種人們按照自己的要求定制的構架，這種構架支持了技術的實現(xiàn)，但也有重大的危險，就是會將自然的生動涌現(xiàn)給遮蔽掉。

構建計算模型的方法有兩種不同的類型，一種是利用定制的架構，另一種是不利用定制架構而首先對規(guī)則本身進行架構。在構建計算模型的過程中，這兩種類型方法的運用不是非此即彼的。例如，即便不利用當前定制架構，也常常要利用更底層的定制架構；另外，即便利用定制的架構，也可以在已有規(guī)則上打破原有規(guī)則制訂者的目的而產(chǎn)生出德勒茲所說的“萌發(fā)出的飄移之線”[4]，一個常被提及的例子是，某通俗的音樂作品創(chuàng)造性地使用鼓點來模擬旋律，而鼓點本身的規(guī)則是為了產(chǎn)生節(jié)拍，于是這種創(chuàng)造首先基于規(guī)則但又逃逸出原有規(guī)則制訂者的預期。筆者在《計算思維中的抽象是一種怎樣的抽象》一文中提到的“用以實現(xiàn)形式系統(tǒng)的機械化對象”就是一種定制的架構，這種定制架構可能是一個計算機實體，也可能是一種軟件。但當有意識地去除掉已有的計算機實體或軟件后，就需要考慮如何使得“物”成為“物”（前者的“物”可能是與人無關的東西如石頭或木塊），這種使“物”成為“物”的“物性”本身是超越物質(zhì)材料或運用規(guī)則的“非——有條件”的東西[5]（這也暗示了當前人工智能的局限，因篇幅限制這里不作展開）。正因為前提條件不存在，才使得“使之成為物”需要一種思維的敞開，賦予物以各種可能的潛力?！耙粋€世界中的特定元素的意義是從更普遍的體驗中區(qū)分出來的，這些元素總是與它們的上下文處于有意義的關系中。在工作中，木匠會將放在手邊的錘子視為‘錘子和‘對釘子有用的東西，但在更具威脅性的情況下，可能會將其視為對付入侵者的武器……屬于情境的整體結構使得規(guī)則成為可能”。[6]

在計算模型的構建過程中，人們使用物的某些屬性或事件，來對抽象的形式系統(tǒng)的運作過程達成一種同構。例如，讓學生思考如何借助身邊的物來模擬形式上已作簡化的神經(jīng)元的行為，學生舉出的例子有：向放置在不平衡支架上的水桶中注水，當超過某個閾值后，水桶以某個角度翻倒，水桶中的部分水順水槽流向下一級的水桶；某長條木塊豎立在斜向放置的木板旁，木塊頂部有若干滾珠，同時，斜向放置的木板上滾下滾珠，當滾珠超過一定重量后木塊傾倒……還有一些距離學生生活情境較遠，不太容易想到的方法，如一篇文章提到用儲水的虹吸裝置來模擬數(shù)字邏輯元件[7]，同樣的方法完全可以用來構造模擬的神經(jīng)元，或者使用電壓敏感的模擬電路來模擬神經(jīng)元[8]等。在同構的過程中，需要對物的屬性進行物理上的消除，如只需要考慮滾珠是否推倒木塊，以及木塊被推倒后是否釋放出新的滾珠，至于更細節(jié)的滾珠滾動的速度、木塊倒下的角度等等物理特征并不需要精確地把握。侯世達對“同構”有著詳細的論述，他認為同構是兩個復雜系統(tǒng)的相互映射，同構能夠使得形式系統(tǒng)達成對現(xiàn)實世界中意義的獲取[9]，至于形式系統(tǒng)能否真正像人那樣獲取到意義，筆者對此仍然持懷疑的觀點（侯世達顯然不認同德雷福斯關于形式系統(tǒng)無法產(chǎn)生出如人腦中所產(chǎn)生出的意義的觀點），但沒有疑問的是形式系統(tǒng)和現(xiàn)實世界的某些屬性和事件同構這一事實本身的存在。在計算模型的構建中，形式系統(tǒng)常常用以實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的現(xiàn)象的同構，但似乎未見有人特別提出人能夠主動利用和改造物使之可以被用于同構，也就是為了形式系統(tǒng)的使能要對物的某些物理屬性進行消除，對某些屬性加以保留和利用。

這種使能的材料未必一定是在物理現(xiàn)實中存在的，材料本身也可以是一種虛擬物，虛擬物比現(xiàn)實中的材料有著更為理想化的特點，在形式系統(tǒng)的使能過程中，常常不是直接用細節(jié)豐富但加工困難的材料來實現(xiàn)復雜系統(tǒng)，而是先用它們實現(xiàn)理想化的簡單的虛擬組件，基于這些虛擬組件構建復雜系統(tǒng)。但這些虛擬組件具體的形態(tài)生成，卻是“非——有條件”的東西，沒有預先設置的規(guī)則讓人遵循，就好像許多人在見到樂高積木時，感覺它如此簡單，可能產(chǎn)生出一種自己也能設計出類似東西的感覺，但事實上卻很少有人能在樂高積木出現(xiàn)之前真正想到。

封裝神經(jīng)元——形式系統(tǒng)的層次性

當使用函數(shù)將人工模擬的神經(jīng)元進行封裝，然后將神經(jīng)元連接起來構成神經(jīng)網(wǎng)絡的時候，抽象的目標是通過模塊化來簡化復雜的系統(tǒng)。這時，抽象的人工神經(jīng)元起到了神經(jīng)網(wǎng)絡基底的作用。有時，抽象的這種作用被稱為“聚合（aggregations）”，指的是將對象之間的關系視為更高級別的對象。[10]如果將作為基底的對象暫且視作實在的物，或者將這些底層對象在元宇宙中以某種實體的形式顯現(xiàn)出來，那么這種“聚合”的過程就能看成是一種更高層次的形式系統(tǒng)的使能：將底層的“物”的某些“物理”屬性加以消除，構造出更高層次的抽象物。這里的“物”和“物理”加上引號的用意是顯然的，因為它們多半是一種虛擬物，但也不完全是，如在一個神經(jīng)網(wǎng)絡的演示模型中，借助軟件的激活函數(shù)來處理信號，但信號的來源和輸出部件卻可以是不同方向的電磁鐵，用以產(chǎn)生加強的刺激信號或減弱的抑制信號。

不過，在使用人工模擬的神經(jīng)元搭建人工神經(jīng)網(wǎng)絡的例子中，神經(jīng)元的所有行為特征可能都被用于神經(jīng)網(wǎng)絡的搭建，并沒有任何“物理”屬性被消除，那么，如果基于封裝的模擬神經(jīng)元在構建神經(jīng)網(wǎng)絡的過程中體現(xiàn)了抽象，到底有什么被消除了呢？這里所消除的，應該是人視域中的被封裝對象所有內(nèi)部的結構和行為，也就是說，內(nèi)部的結構和行為雖然都事實上存在而未被消除，但都被隱藏起來，達成了一種在人思維過程中的消除。這種思維過程中的消除和先前所說的在形式上的消除的不同之處在于，某些過程被隱藏起來而在底層實際發(fā)揮作用，和人面對自然現(xiàn)象時的認知上的抽象非常類似。

結論

從人了解神經(jīng)元開始，一直到神經(jīng)網(wǎng)絡的搭建完成，在這個過程中思維中的抽象以不同的方式產(chǎn)生作用（如上頁表）。

表中列出的第三階段——用物或虛擬物實現(xiàn)同構的形式系統(tǒng)的自動運行，其關鍵在于“同構”，也是日常教學的思維培養(yǎng)容易被忽視的環(huán)節(jié)。誠然，人們可以使用程序代碼來模擬神經(jīng)元的行為，但代碼是一種成熟的用具，其自身的獨特存在性因其可用性而消失，“器具制作得越好、越湊手，它獨特的存在就越不觸目。一件器具制造好了，這器具就脫離了創(chuàng)作……相反，藝術品一旦被創(chuàng)造出來，就獲得了自己的獨立性。這種自存自足更接近于純粹的物而非器具”。[11]這對于如何在教學中實現(xiàn)創(chuàng)新的培養(yǎng)是一種重要的啟發(fā)，現(xiàn)成的、功能強大的算法往往缺少一種自在的詩意，如果說創(chuàng)造獨特性的算法對普通學生來說要求過高，那么，可以試著將成熟的算法或解決方案先行擱置，引導學生采用各種可能的辦法來建立模型，達成對某種形式系統(tǒng)的同構，這可能是能夠體現(xiàn)人在特定情境和任務下的作為規(guī)則制訂者的能動性和獨立性的重要環(huán)節(jié)。

參考文獻：

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