查看原文
其他

锻炼神经网络

冯光能 技术史读书笔记 2023-08-24

在我读研究生期间,一度沉迷于神经科学,究其原因,其实是一系列基于经验的类比和推理。


小时候,我的身体很弱,有鼻炎,天冷就难受,不得已要用各种方式锻炼身体,比如跑步、练拳、做俯卧撑、举哑铃……在这个过程中,我逐渐认识到了两条朴实的道理:

  1. 我可以通过锻炼,让身体变好。比如,最初我做10个俯卧撑就累得不行,然后第二天肌肉酸痛。期间间断训练,量力而行,适度突破极限。过了几周,恢复了之后,我竟然可以轻松做15个俯卧撑了。

  2. 锻炼的效果是泛化的,虽然我是跑步(锻炼大腿)、做俯卧撑(锻炼手臂),没有直接锻炼鼻子,但我的鼻炎症状会因为锻炼身体而减轻。


为什么我明明没有像海狮一样用鼻子顶着皮球锻炼鼻子,但是鼻炎的症状却减轻了呢?


这个问题似乎并不复杂:难道我跑步的时候不呼吸吗?——进而,对这个问题的思考让我意识到了一条具备普遍性的原理:其实任何活动都有全身的参与,所以任何锻炼的效果必然是泛化的。而之所以我会下意识地认为跑步是锻炼大腿,是由于不同的活动依赖和调动的身体区域不同。如果构造一个身体模型,用赤橙黄绿青蓝紫来表示不同身体区域的运动强度,赤色最高,那么跑步的时候,跟腱的地方可能是赤色,大腿和肺部是橙色,鼻子是绿色,头皮上的毛孔是蓝色,眼睛是紫色。


说实话,锻炼身体,最开始总是一个很累的事情。初一的时候,第一次下晚自习后跑步的我喘得跟狗一样;不过,锻炼身体后得到的成长,同样让我感到无比愉悦。


这种成长的经验和对“泛化性”的信念,让我在成长过程中,对爬山、游泳、健身、长跑、舞蹈、瑜伽等涉及身体修炼的活动都非常感兴趣。


研究生期间,我也是带着这种兴趣在阅读神经科学的书籍。


神经科学家往往通过病理学研究反推神经的功能。比如,神经科学家观察到,一个患者额头被钢管洞穿后,说话就会颠三倒四,整个人失去了逻辑能力。那么他们就会推测:大脑中的额叶部分是用来负责逻辑分析和语言表达等高阶认知功能的区域。如果不是这样,那么如何解释额叶受损导致逻辑表达出现问题呢?毫无疑问,额叶的完好存在与逻辑功能维持正常乃是同一个事情的两个方面。


通过这样的方式,神经科学家认识到,靠近耳朵的颞叶负责听觉,天灵盖附近的顶叶与空间、音乐有关,离眼睛最远的枕叶反而与视觉息息相关……


伴随研究的深入,神经科学家可以通过一张图表,建立起诸多功能和结构的对应关系,身体的每个部分,比如手、肘、腰、眼、耳、鼻……都可以在大脑中找到对应的映射区域,一旦大脑中某个区域受到刺激,对应的肢体就会有反应。


让我感到灵光闪现的地方在于:神经网络区域的大小并与肢体的大小成正比!


观察这张图片,我们可以发现,神经网络区域是与肢体所具有的功能的复杂性成正比。比如与手指相关的神经网络的体积比与胳膊相关的神经网络的体积还大。



类似这样的相关性在我看来无比美妙,从这种相关性出发,结合自己的日常生活经验,我作出了如下推理:

  1. 由于身体和大脑都是由血肉等基本质料组成的,一具完美的身体应该对应着完美的大脑。如果大脑不完美,身体也就不完美——所谓“完美”,其实只是一种非常理想的状态。毫无疑问,现实中的我们都总是面对着形形色色的缺陷,可是,我们之所以能认识自己的缺陷,恰恰是由于我们对“更完善的自己”有了先行的领会。

  2. 对1的论证补强,由于大脑也是身体的一部分,而任何锻炼的效果都是泛化的,所以大脑结构必然会随着锻炼而发生变化,只不过对于不同的锻炼活动,不同脑区得到的强化程度不一样。我们并不是躺在床上就能不断自我完善各个方面的能力,而是需要在各种各样的场合中活动,在活动中遭遇阻碍,觉察到自己的缺陷,才能领会到“更完善的自己”。

  3. 锻炼身体与锻炼大脑其实是一个事情的两个方面。

  4. 那么,就像举铁可以锻炼肱二头肌一样,逻辑分析也可以锻炼额叶。

  5. 第4条推理是可以普遍化的,即任何学习活动,都会有针对性地锻炼大脑中对应的区域,即使这个区域的位置我并不知道,但它一定存在;同时,由于泛化原理,除了对应脑区,其余脑区也会有相应的变化。

  6. 既然我们可以通过锻炼让身材变好,那么,我们也可以通过锻炼让大脑变好,可以让明天的大脑比今天的大脑更加完善,可以让神经网络的规模和结构变得更加精致、更加有秩序,可以让脑沟、脑回更加有活力。

  7. 与其说第6点是一条朴实的结论,不如说它是一条坚不可摧的信念。


有那么一瞬间,我的心灵中充满了感动。


在那一瞬间,我意识到,人生在世的一切,都可以被看作修炼,比如:拉屎活动之所以可能,必然有与拉屎活动相关的器官组织与神经网络,认真对待每一次拉屎,养成好的拉屎习惯,那么对应的器官组织与神经网络也会同步得到发展,而如果相应的神经网络得到发展和完善,并且持续保持活力,那么我们也就可以不受便秘困扰。这样,我们就可以不再受便秘所困,继续探索身体的其它进化可能性。


同时,计算机给了我更多的启发。大脑的神经网络结构与规模就像硬件,大脑中的血液循环、神经网络的运作模式就像软件。为什么会便秘呢?可能是相关的硬件和软件出了些问题。要修理这些问题,就需要认真拉屎,在认真拉屎的过程中,让大脑经历正确的运作路线,让神经网络形成正确的结构。


拉屎活动中都存在修炼完善的空间,还有什么是不可以修炼的?


这种心态让我意识到,真正重要的是:学会认真面对每一个实际的困境,学会用心解决每一个具体的困惑。每解决一个学习上的困惑,意味着大脑额叶中某个神经网络区域的重组;每训练一个新的动作,意味着小脑与运动脑区孕育出新的结构,或者说在原有的结构中,有了新的运作方式;每经历一段事情,都意味着海马体中有了新的沉淀,意味着海马体与诸多脑区形成了新的关系。


学习的意义在于完善神经网络,也即完善生命。完善神经网络、完善身体、完善思维、完善习惯、完善生命……这些都是对同一件事情的不同表达方式。


由于学习的意义在于对生命进行完善,所以真正的教育应该是对学生进行启发


教育的拉丁文是educare,educe是“引出,拿出来”的意思,care是“关心、照料”的意思。也就是说,在较为早期的西方世界,教育的含义就是“引出眼前的人内心深处的东西,关心眼前的人,照料眼前的人”。《论语》也提到,不愤不启,不悱不发。说的是要让学生经过深思熟虑,最终形成自己的观点,而不是接受现成的结论。


无论是引出、关心、照料,还是启发、激发,其实本质上都是让学生认识到自身的缺陷、直面自身的缺陷,最终通过对缺陷的直观和反思,领会到更理想的存在方式。


结合神经网络,我的理解是这样的:比如,提出一个问题,学生感到困惑,可能右侧的脑区就开始活跃,同时前额叶的神经网络大规模地激活、重组,最终,在思考问题的过程中,学生的神经网络得到了充分而灵性的发展。


仅仅就物理学习而言,启发也有不同的层次。(1)最具体的层次是针对题目条件的启发,比如问学生,你从物体处于静止状态读出了什么?学生可能就会意识到,此时物体速度为0,处于受力平衡状态,动能为0,动量为0……(2)略为宽泛的层次是针对解题方法的启发,比如学生需要使用动能定理,就问学生,使用动能定理的时候需要注意什么?学生就可能会想到要分析合外力做功,要明确运动的初末状态。(3)更为宽泛的层次是针对解题思想背景的启发,比如直接问学生:“你要研究谁?”这时,学生就可能注意到自己可以选择的研究对象,然后通过分析,选择合适的研究对象。(4)再宽泛一些的层次是针对做题习惯的启发,比如问学生“你这道题之所以做错,是因为哪个条件没读明白?”这时,学生就可能意识到,自己要重视读题。(5)再宽泛一些的层次是针对学习习惯的启发,比如问学生,“你复习得怎么样啦?”学生就可能想起来,学习不仅仅是做题,还需要关注预习、知识整合、复习、反思、提炼。……


在不同的场合、不同的教学实践情境中,启发的方式也不同。在某种意义上,启发有时也并非这么按部就班,而需要依赖我对“时机”的感知与把握。但无论是按部就班的启发,还是基于对时机的把握的启发,都可以给我带来快乐和满足。


同样,从神经网络的角度来看,不同的启发方式,都必然以不同的方式完善学生的神经网络,即使这个完善的过程我看不见、摸不着,但它必然存在,必然发生,就像我通过跑步锻炼身体,能够缓解鼻炎的症状一样。


反过来,讲解了一个结论,学生的颞叶激活了,同时调动了海马体,把这个知识点塞了进去,然后考试的时候通过模式识别进行套用——这也是一种锻炼神经网络的方式,但却太过机械,天长日久,学生的海马体也不堪重负。


出于这样的领会,在教学生的过程中,我的内心是充满恐惧的。


我害怕,我害怕把我的学生变成一个做题机器——那样会让我回想起自己的初中时的经历,每天所有时间被课表排满,重复、机械地做题,不断提高熟练度,就像《摩登时代》里的卓别林一样。


我所感到的这种恐惧其实是“双重的”:(1)如果此时我刻板地带学生做题,学生此时是在用机械的方式学习;(2)学生用机械的方式学习不断强化机械化的神经网络,学生逐渐把机械地学习当成一种习惯。


用权威的语气宣告一个知识点,然后讲几个例题很容易,引导学生去经历知识生发的过程很难,让学生意识到知识的复杂性并且从更严格的角度对知识进行理解和论证更是难上加难,尤其是班级授课制这种一个人面对多数学生的场景。


但这并非不可解决的问题,只要我多投入一些时间,利用课间,找学生面对面地对话,也就可以了解他们的情况,针对性地对他们进行启发。

一边,是一条被大多数人走过的道路,很平稳,充满了确定性,只是一眼就能看到头。

另一边,是永无止境的追寻,很累,也很充实,有时也未必能够得到身边人的理解与认同。


作为有限的人,我只能用自己的视角去理解自己工作的意义:(1)如果我此时的工作,是在用在我看来正确的方式帮助眼前的学生完善现有的神经网络,是在努力帮助他们追寻更好的自我,那么,我此时的工作是真实而有意义的,虽然不完美,但是我可以不断积累经验,我的教学技艺是可以不断完善的。(2)如果我此时的工作掺杂了一些别的方面的因素,那么我就远离了自己的理念,虽然这是不可避免的,但我需要竭力抵制。


有的学生,在教的过程中,我能感到自己越教越轻松,因为他本身的思想在变得丰富而完善,对越来越多的细节能够依赖自己的方式进行识别和判断。最初,他的神经网络就像干涸的河床;但是他很勇敢,愿意不断提问,把自己的困惑说出来;而在他直面困惑,深入思考的过程中,这个干涸的河床中慢慢有了水的流动,逐渐变得充盈起来。经过时间的沉淀,他的灵魂从枯竭变得丰盈。这在我看来,是最为愉快的事情。


反过来,如果仅仅是不断地教学生现成的知识和结论,代替学生去思考,在我看来,其实是在消耗学生的潜能,涸泽而渔。如果这么做,我就会想起自己初中时经历过的机械训练,想到那种老师把莫名其妙的结论强行灌输到脑袋中的痛苦,想到那种自我本真的生命被放逐和被遗忘的处境,然后本能地排斥、愤怒、恐惧。


我恐惧,发自内心的恐惧。

您可能也对以下帖子感兴趣

文章有问题?点此查看未经处理的缓存