【老師越來越難當!】美國天才高中生展開機器學習專題研究,老師招架不住上網求解

【我們為什麼挑選這篇文章】過去台灣的高中學習歷程,基本上都圍繞在國英數社自等基礎科目,導致高中生在選擇大學科系時常常手足無措。有鑑於此,一○八課綱開始向高中生推廣「小論文寫作」,探討學生有興趣的領域。

美國也有一位高中生自己鑽研機器學習,甚至寫下了相當完整的研究計畫,然而在技術上仍有無法破解的地方,因此詢問自己的老師,沒想到這次換老師手足無措的上網求救,未來台灣教師們也將面臨相同困擾嗎?(責任編輯:何泰霖)

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作者:量子位

「現在的高中生不只在寫參考書了,已經來搶研究生的機器學習專題。」

昨天,一位美國高中老師的求助在 Reddit 廣受討論。他的一位學生正在展開有關機器學習的計畫,並向他尋求幫助。

但這完全超出他的能力範圍,因此,這位老師希望 AI 專業人士能給予這個孩子一些指導。而看過這位高中生的部落格後,不少網友都大讚他是「天才高中生」!

甚至有人高呼他的研究比不少研究生還強,未來不可限量……

美國高中生,把 AI 研究到什麼地步,能獲得「天才」的讚譽?

美國高中生の「機器學習專題」在做什麼?

這位名為 Isaac Krementsov 的高中生,就讀於美國弗蒙特州 Champlain Valley Union High School,是該州排名前幾名的公立高中。 Isaac 目前讀 12 年級,相當於我們的高三。

今年 9 月, Isaac 首次開始了關於機器學習的研究計畫,並開了專門的部落格記錄研究筆記。

3 個月來,他已經累積數萬字的筆記,不只由淺入深,邏輯連貫,從最初的確定項目領域、研究目的,到所遇到的問題、尋求專業解答等等過程都詳細記錄。

從計畫的規模和整體架構來看, Isaac 的機器學習計畫確實搞得有聲有色,他的投入、認真,以及撰文的思路,超過了普通高中生。

Reddit 上有人稱讚他的撰文基本功甚至已經超過了不少研究生。但是,文風再好,架構再清晰也無法說明研究本身的價值。

那 Isaac 到底搞了什麼項目呢?

按照他第一篇部落格中項目設定的說明,他在做的是使用 AI 對真實世界的移動物體,進行藝術化的處理再現,由此討論 AI 的創作是否能被稱為藝術。

簡單的說,就是實現影片的風格轉變。

為了達到這個目的, Isaac 計劃使用 3 個不同的算法。

  1. 第一個是模擬時序性物理過程(如水流、彈道等)的機器學習算法,其中物理過程由微分方程式建模。
  2. 第二個算法是動畫算法,用來處理運動時的光影效果。
  3. 第三是藝術風格算法,用來給結果做風格轉換。

從這些算法中,他給出了最終程式的架構圖:

以上哪一項工作都不簡單,不只涉及到微積分、計算機圖形學、流體力學等等課程,還要有相當紮實的計算機基礎和程式語言經驗,難以想像高中生能完全掌握這些技能。

從 Isaac 的敘述來看,他的確有一定的高等數學和計算機基礎,比如,他知道使用快速傅立葉轉換來求解微分方程。

但在實際運算實現時卻遇到困難,直到他發現了 SciPy 裡的 FFT 軟體工具包。

而對於程式語言, Isaac 能夠掌握最基本的技巧。但是,複雜的 CNN 、 GAN 算法原理,對於高中生來說還是超過他們的能力所及了。

到目前為止,他上手的算法,無論是 CNN 還是 GAN ,都是來自 TensorFlow 的免費課程, Isaac 的計畫主要是透過實測效果和訪問學校研究人員來弄懂算法的架構和功能模組。

至於神經網路的數學原理和建構方法,以及如何訓練,Isaac 都還不太了解。

比如,他曾經為收集模型訓練的數據而憂愁,直到大學研究員告訴他 Kaggle 上有許多可用的數據集,並且建議他使用 Google Colab,而不是用自己的筆記本來訓練模型。

真的是「天才」嗎?或許更該看見高中生的「探索精神」

相信說到這裡大家也能明白,所謂「天才高中生」其實是誇張了。

提出的研究目標很宏大,涉及的知識層面很廣,要完成這項研究的工作量,可能需要一個小組成員的努力。

但是,他本身卻缺乏相關紮實的專業知識,甚至機器學習領域的一些基本常識還不甚清楚,一次上手這麼大的項目,有些力不從心。

這也是 Isaac 最近(12 月 4 日)在一篇部落格文章中說明,自己仍在熟悉 GAN 的基本訓練方法的原因。

在這篇文章中,他發現了 GAN 在處理大像素圖像時,生成器會出現問題,因此參考輝達的方案,在網路風格轉換過程加入 GAN 來解決這個問題。

對於底層原理之上的架構部分,Isaac 下了相當大的功夫,理解也比較準確。甚至能自行對神經網路進行輕度優化。

相比他的研究成果和進展,網友更讚許的是 Isaac 本人認真嚴謹的態度,以及能從過程中提出問題,並努力尋找解決方案的探索精神。

網友們怎麼看「老師的擔憂」?

Isaac 的老師在發布的貼文中說,他毫不懷疑 Isaac 以後能在這條道路上取得成就。但他卻無法解答 Isaac 現在提出的問題,擔心無法指引他的前進方向。

除了 Isaac 在評論區贏得一片讚美,還有很多人羨慕他有這樣一個關心學生的好老師。但也有人對貼文本身提出了質疑,他們認為貼文引導過多讚譽和關注,對於學生是不利的,鼓勵年輕人追求興趣要注意一下分寸。

即使是絕地武士,也是有規則和約束的。

而對於這位老師的擔心,有網友勸導:

相比過度的擔心,不如讓學生自己去探索感興趣的課題,遇到挫折也不用緊張。老師沒有必要樹立「正確」的路徑來引導學生。

這位所謂美國「天才」中學生,他的做法值得提倡嗎?

(本文經 量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈高中生都在研究神經網絡,我這個老師力不從心了 〉;首圖來源:Pexels。)

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