設(shè)計一個模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理的不插電游戲

本文針對小學(xué)生對抽象難懂的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概念不易理解的問題，設(shè)計了一個“不插電”游戲，即利用游戲化教學(xué)幫助學(xué)生形象理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理機(jī)制。其核心設(shè)計是將神經(jīng)元類比為“皮卡丘”，學(xué)生扮演輸入層、隱藏層和輸出層角色。該游戲基于一個真實訓(xùn)練的二分類模型（矩形坐標(biāo)分類），讓學(xué)生通過傳遞寫有真實模型參數(shù)（權(quán)重、偏置）的紙條，模擬神經(jīng)元的“加權(quán)求和”與“閾值判斷”過程。實踐表明，該游戲有效揭示了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)算法的區(qū)別，能夠幫助學(xué)生理解神經(jīng)元計算原理、激活函數(shù)作用和參數(shù)意義，感悟“數(shù)據(jù)、算法、算力”作為人工智能技術(shù)基礎(chǔ)的價值。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是中小學(xué)人工智能通識教育的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，但神經(jīng)元的工作原理、激活函數(shù)的作用、參數(shù)和偏置等，都是較為抽象的跨學(xué)科概念，學(xué)生不容易理解。為了能夠幫助小學(xué)生理解神經(jīng)元的“計算”原理，筆者特意設(shè)計了一個模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理的不插電游戲。

設(shè)計分析：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理

深度學(xué)習(xí)的底層是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的靈感來源于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。人腦中擁有800多萬個神經(jīng)元，它們相互連接、協(xié)同工作，由此形成知識、記憶和思維。科學(xué)家們參考神經(jīng)元的“加權(quán)求和”和“閾值判斷”的機(jī)制，構(gòu)建了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，讓機(jī)器也能像人類一樣學(xué)習(xí)、思考、決策（如圖1）。

圖1 生物神經(jīng)元和人工神經(jīng)元

小學(xué)生如何理解神經(jīng)元？其實只需要將神經(jīng)元類比為“皮卡丘”就可以了，這個“皮卡丘”平時很安靜，只有收到足夠多的信息才會“放電”，就像皮卡丘感受到威脅時才會釋放電流一樣。這里的“放電”是指神經(jīng)元會根據(jù)收到的信息做出“決定”，并把這個“決定”以信號的形式傳給下一個小伙伴（下一個人工神經(jīng)元）。當(dāng)很多皮卡丘手拉手時，就形成了一個大大的網(wǎng)絡(luò)。每一個皮卡丘都會根據(jù)自己的“感覺”（接收到的數(shù)據(jù)和閾值）來決定要不要“放電”，以及要放出多強(qiáng)的“電”。

顯然，只要讓學(xué)生來充當(dāng)皮卡丘，即模擬神經(jīng)元，就可設(shè)計出不插電的推理游戲。按照輸入層、隱藏層、輸出層，可以將游戲角色分為三類，每一個皮卡丘都擁有一張小紙條，記錄了與其他皮卡丘的連接參數(shù)（權(quán)重）以及偏置值（bias）。當(dāng)然，輸入層的皮卡丘是沒有“偏置”的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)看起來像有點復(fù)雜，實際上對于一個最小的二分類任務(wù)（兩個特征）來說，僅僅需要5個神經(jīng)元（皮卡丘）就能完成，計算量并不大（如圖2）。

圖2 用五個“皮卡丘”來模擬二分類問題

準(zhǔn)備工作：訓(xùn)練一個最簡分類模型

設(shè)計這個不插電游戲的規(guī)則沒有任何難度，關(guān)鍵在于提供與任務(wù)相應(yīng)的連接參數(shù)和偏置值等數(shù)據(jù)。即使定位為游戲，筆者依然希望其提供的數(shù)據(jù)是來自真實世界的一個任務(wù)，即是從真實模型中讀取而得到。這樣一來，學(xué)生在游戲中會得到真實的感悟：原來人工智能真的是這樣工作的！為此，筆者將任務(wù)定位為解決矩形坐標(biāo)的二分類問題，即用對角線將矩形分為藍(lán)色和橙色兩類（如圖3）。

圖3 矩形坐標(biāo)的二分類問題

訓(xùn)練這個模型并不難。首先，編寫代碼生成100條（-1，1）之間的坐標(biāo)，然后按照對角線的表達(dá)式進(jìn)行判斷，將標(biāo)簽設(shè)置為“0”“1”兩類。之后，用BaseDT將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和驗證集。接下來，使用BaseNN搭建一個結(jié)構(gòu)為“（2，1，2）”的全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，激活函數(shù)選擇“Relu”。模型的訓(xùn)練代碼如圖4所示。當(dāng)然，為了讓后期的計算更加簡單，筆者在最后一層省略了常見的softmax函數(shù)。因為是最簡模型，所以訓(xùn)練速度比較快，且模型的分類效果也很好。

圖4 訓(xùn)練代碼

游戲?qū)嵤耗M推理在教學(xué)中的應(yīng)用

當(dāng)有了這個模型后，只要讀出模型中的參數(shù)和偏置值，打印在紙條上分給學(xué)生，就可以開展不插電游戲了。筆者設(shè)置了如下幾條游戲規(guī)則：

①每一個皮卡丘（角色）是一個神經(jīng)元，根據(jù)手里的紙條信息，在計算數(shù)字后傳給下一層。

②除了輸入層和輸出層外，中間層（隱藏層）的皮卡丘需要判斷大于0才傳遞數(shù)據(jù)到下一層。

這個游戲適合在初學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時候使用。游戲的具體過程如下：

①教師將矩形中某個點的坐標(biāo)（x，y）分別交給輸入層的角色“1-1”和“1-2”。“1-1”和“1-2”根據(jù)手里的紙條（參數(shù)），相乘后將結(jié)果傳給下一層的角色，即2-1。

②角色“2-1”將收到的兩個數(shù)字相加，再加上手里紙條上的偏置，如果結(jié)果小于等于0，游戲結(jié)束，大于0則分別乘以和角色“3-1”“3-2”連接的參數(shù)，將結(jié)果交給“3-1”和“3-2”。

③角色“3-1”和“3-2”在收到數(shù)字后，分別加上各自的偏置值。如果“3-1”比“3-2”的數(shù)字大，則該點在藍(lán)色區(qū)域（分類0），否則在橙色區(qū)域（分類1）。

每一次在實施這個游戲時，學(xué)生的最初反饋是疑惑的：為什么要這樣計算？為什么不直接判斷坐標(biāo)的位置？為什么這樣也能得到分類的結(jié)果？教師則要告訴學(xué)生，這就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的秘密，鼓勵有興趣的學(xué)生可以去找“M-P模型”發(fā)現(xiàn)過程的資料，激發(fā)他們對人工智能的興趣，增加跟隨科學(xué)家探索未知領(lǐng)域的勇氣。

反饋總結(jié)：“真實”是游戲的核心價值

設(shè)計這個不插電游戲的目標(biāo)是讓學(xué)生理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和傳統(tǒng)算法的區(qū)別。筆者認(rèn)為，游戲的核心價值不在于體驗一次計算，而是在于其并非簡單的“模擬”，而幫助理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的真正運行規(guī)則，是“真實”的學(xué)習(xí)，因而結(jié)合真實問題訓(xùn)練模型并讀取參數(shù)是要點所在。通過游戲?qū)W生會發(fā)現(xiàn)，1個神經(jīng)元（隱藏層）可以解決所有的線性分類問題，只要提供數(shù)據(jù)，算法就能從數(shù)據(jù)中訓(xùn)練出參數(shù)，從而獲得“智能”。隨著分類復(fù)雜度的增加，則需要更多神經(jīng)元和隱藏層，3個神經(jīng)元可以近似解決圓形分類問題（如圖5）。學(xué)生將會體驗到，所謂人工智能就是用計算機(jī)模擬人類的思考行為，并進(jìn)一步感悟到“數(shù)據(jù)、算法、算力何以成為人工智能的三大技術(shù)基礎(chǔ)”。

圖5 用神經(jīng)元近似解決圓形分類問題

為了方便演示，筆者建議為這個游戲再設(shè)計一些輔助工具。例如，筆者借助大模型編寫了一個數(shù)據(jù)生成工具。打開網(wǎng)頁，將矩陣的某些部分涂成橙色，然后即可導(dǎo)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，隱藏層只有1個神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)模型只能解決最簡單的線性問題，如果分類不是線性的，則需要增加更多的神經(jīng)元。另外，還可以將模型訓(xùn)練整合在交互網(wǎng)頁中，從數(shù)據(jù)生成到模型搭建和訓(xùn)練，最后到讀取權(quán)重生成游戲規(guī)則，給學(xué)生以“真實”的參與感——數(shù)據(jù)是自己做的，模型是自己訓(xùn)練的，推理也是真正能用的。

本文作者：

謝作如

浙江省溫州科技高級中學(xué)

文章刊登于《中國信息技術(shù)教育》

2025年第13期

引用請注明參考文獻(xiàn)：

謝作如.設(shè)計一個模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理的不插電游戲[J].中國信息技術(shù)教育，2025（13）：81-83.

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