Imparare - Lezione 17

Riscontro dell'errore

"Bisognerebbe imparare a sbagliare di buon umore. Pensare vuol dire passare da un errore all'altro". Alain (Emile Chartier), Pensieri sull'educazione (1932)

Il valore educativo dell'errore

Nel 1940, il matematico A. Grothendieck aveva 12 anni e, all'interno del campo di concentramento di Rieucros, vide delle persone adoperare dei compassi per raffigurare delle figure geometriche sul terreno. La raffigurazione che lo suggestionò maggiormente fu il poligono che generalmente si ritrova raffigurato nei rosoni della chiese, caratterizzato da una circonferenza con sei raggi all'interno. Da quel momento si convinse che qualsiasi circonferenza corrispondesse a 6 volte il proprio raggio. Quando durante il proprio percorso di studi ebbe modo di verificare che non fosse così. Capì di essersi sbagliato per tanto tempo e rimase piacevolmente affascinato dal suo errore. L'esperienza non determinò in lui alcun senso di frustrazione, poiché, grazie a quell'evento, aveva avuto modo di apprendere e accrescere la propria consapevolezza sulle caratteristiche e le proprietà del cerchio. Questa storia ci dimostra quanto l'errore sia essenziale e funzionale all'acquisizione di conoscenze, consentendoci di comprendere per quale motivo rappresenti il terzo pilastro dell'apprendimento.

La sorpresa, il motore dell'apprendimento

Sbagliare equivale a imparare. È impossibile progredire senza fallire. Per apprendere però efficacemente, è necessario ricevere il giusto feedback, che deve in ogni caso essere tempestivo. Il principio che vede nell'errore uno dei pilastri dell'apprendimento è il seguente: è necessario provare, anche a costo di fallire, perché la direzione e la dimensione dell'errore indicano la correzione. Si pensi ad esempio agli algoritmi di apprendimento che consentono a un cacciatore di correggere il tiro o a una rete di neuroni di imparare correggendosi. Si mira, si spara, si guarda di quanto si è mancato il bersaglio e si usano queste informazioni per correggere il tiro successivo. È così che un cacciatore impara a mirare e sparare e una rete neurale artificiale riesce a regolare milioni di parametri che definiscono il suo modello interno del mondo esterno. Ma il cervello funziona così? Negli anni Settanta del Novecento si sono accumulati i dati a favore di questa ipotesi. Due ricercatori americani, Robert Rescorla e Allan Wagner, hanno avanzato l'ipotesi secondo cui il cervello impari solo quando rileva un divario tra ciò che predice e ciò che riceve e riscontra fattualmente. Nessun apprendimento è possibile in assenza di un errore: "Gli esseri viventi imparano solo quando gli eventi violano le loro aspettative".

La sorpresa, il motore dell'apprendimento

La teoria riesce a spiegare molti aspetti dell'apprendimento per condizionamento. Come nel caso dell'esperimento del cane di Pavlov, in cui un campanello, inizalmente neutro e senza effetto, finisce per innescare un riflesso condizionato di salivazione quando il cane comprende che il suono precede sistematicamente del cibo. Come spiegano questo tipo di apprendimento i due ricercatori? La regola di Rescorla-Wagner presuppone che il cervello utilizzi gli input sensoriali (il suono del campanello) per predire la probabilità che si verifichi un altro stimolo (cibo). La regola prevede che:

• il cervello crei una predizione pesando gli input sensoriali;
• calcola la differenza tra la predizione e lo stimolo effettivamente ricevuto: è l'errore di predizione che determina il grado di sorpresa associato allo stimolo;
• il cervello corregge la sua rappresentazione interna, in relazione alla forza dello stimolo e al valore dell'errore di predizione, in modo tale che la predizione successiva sia più vicina alla realtà.

La sorpresa, il motore dell'apprendimento

La teoria include i tre pilastri dell'apprendimento sinora approfonditi e postulati:l'apprendimento avviene solo se il cervello amplifica gli input sensoriali appropriati (attenzione); se li usa per produrre una predizione (impegno e coinvolgimento attivo) e se riesce a determinarne la correttezza (riscontro dell'errore). L'equazione proposta da Rescorla e Wgner è praticamente identica a quella che verrà applicata nei riguardi delle reti neurali artificiali (ANN), chiamata "regola delta". Tale regola viene applicata per l'addestramento di tutti i dispositivi di apprendimento supervisionato. Nel caso dell'allenamento e del conseguente apprendimento per rinforzo, si utilizza un'equazione simile: la rete predice la ricompensa, ed è la differenza tra la predizione e la ricompensa effettiva che determina l'entità dell'aggiornamento del modello interno del sistema intelligente. Possiamo dire oggi che i cervelli in silico eseguono calcoli secondo processi tipici dei cervelli in vivo. Il cervello umano però va ancora oltre, per estrarre quante più informazioni possibili da ogni episodio di apprendimento utilizza un linguaggio del pensiero ben più all'avanguardia e comnplesso di quello delle ANN. Tuttavia, l'idea di base di Rescorla e Wagner rimane corretta: il cervello cerca di anticipare gli input che riceve e aggiusta le proprie predizioni in base alla sorpresa, all'improbabilità e all'errore associato alle informazioni che riceve. Imparare significa ridurre l'imprevedibile.

La sorpresa, il motore dell'apprendimento

In precedenza si credeva che il cervello imparasse tramite l'associazione delle informazioni. Infatti, nel caso dell'esperimento di Pavlov, si credeva che il cane avesse semplicemente imparato ad associare il suono del campanello al cibo, ma ci si sbagliava. Il cervello non è un organo passivo che associa semplicemente le informazioni tra loro. L'apprendimento è attivo e dipende dal grado di sorpresa legato alla violazione delle nostre aspettative. Uno degli esperimenti più notevoli che demolisce la tesi sull'associatività dell'apprendimento è quello del blocco. Si danno all'animale due stimoli sensoriali - poniamo, un campanello e una luce - che predicono entrambi del cibo. Successivamente l'animale viene sottoposto a stimoli doppi, per cui sia la campanella che la luce predicono il cibo. Alla fine, si testa l'effetto del campanello da solo. Sorpresa: questo non ha alcuna effetto. L'animale non saliva, sembra non ricordare l'associazione ripetuta più volte, tra il campanello e la ricompensa. Perché? Perché è il primo apprendimento, ossia quello luce-cibo che blocca il secondo campanello-cibo. L'animale sa già che la luce predice il cibo, il suo cervello non genera alcun errore di predizione durante il test campanello+luce. Questo esperimento dimostra che l'apprendimento non si genera per associazione, poiché è necessario un errore di predizione affinché l'acquisizione di informazione si generi. Ma attenzione, il segnale di errore deve essere interno, non effettivo. Questo vuol dire che se tra due opzioni individuo subito quella giusta non apprendo? Niente affatto, perché comunque si è verificata una sorpresa, avendo inizialmente preventivato un 50% di possibilità di sbagliare, per poi verificare di aver avuto ragione rispondendo correttamente. Ciò che serve per imparare è la sorpresa, ossia lo scarto tra predizione e realtà. È questo scarto che chiamiamo errore.

La sorpresa, il motore dell'apprendimento

Senza sorpresa si ottiene poca o nessuna conoscenza, tale regola è valida per tutti i tipi di organismi, inclusi i bambini molto piccoli. Si pensi al fatto che la sorpresa è una delle prime abilità e reazioni riscontrabili nei bambini: aprono gli occhi e guardano più a lungo quando sono messi di fronte a fatti sorpendenti che violano le leggi della fisica, dell'aritmetica e delle probabilità o della psicologia. Ma il bambino non si accontenta di spalancare gli occhi: ogni volta che si sorprende, impara. La relazione intercorrente tra sorpresa e apprendimento è confermata da numerose sperimentazioni condotte da Lisa Feigenson, in cui sembra evidente che ogni volta che il bambino percepisce un evento impossibile o improbabile, l'apprendimento risulta facilitato. Così, quando vedono un oggetto attraversare misteriosamente un muro, i bambini ricordano meglio il suono che fa o il verbo che un adulto ha appena usato, e se gli viene dato in mano l'oggetto, lo esplorano per più tempo. Pertanto, da bravi scienziati, replicano ciò che hanno visto. Se hanno visto l'oggetto attraversare un muro, lo colpiscono per testarne la solidità; mentre se lo hanno visto violare le leggi della gravità, rimanendo sospeso in aria, lo fanno cadere dal tavolo, come per controllare se sia o meno in grado di lievitare. L'errore, e la sorpresa che ne deriva, governa l'apprendimento sin dall'inizio della vita.