学习之道
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为什么数学和科学知识会更难对付

利用专注思维模式来处理数学和科学问题,通常会比处理语言和人际交往相关问题费劲得多。根据2012年的全美学生参与度调查,工程学学生花在学习上的时间最多。四年级的工程学学生平均每周花18个小时,同年级教育学学生的平均时间是15个小时,而商科学生则是14个小时。《纽约时报》上的一篇文章题目是“为什么科学专业改变他们的大脑(那东西难得吓人)”,退休的工程学名誉教授戴维E.古德伯格强调,高强度的微积分,以及物理学和化学学习需求会启动“数学-科学死亡行军”,会不断淘汰学生(Drew 2011)。这也许是因为上千年来,人类操控数学概念的能力并没有进化,并且数学概念往往比传统语言问题更加抽象隐晦。关于数学思维演变的讨论,可以看Geary 2005, chap.6.当然,许多简写的术语和数学没关系。然而,却有惊人数量的这些简写符号和情绪相关。我们虽然不能亲眼看到这些术语,但我们可以感知它们,至少可以感知它们的重要方面。《符号生物》(The Symbolic Species)的作者特伦斯·迪肯强调了数学中加密和解密问题的固有复杂性:回想一下你第一次遇到某种全新的数学概念,例如递归减法(也就是除法)。通常情况下,这个概念的教法都是让孩子记住一套数字和符号的运算法则,然后利用这些法则一遍一遍地计算不同的数字,以期望他们可以“看出”这些对应的确切物理关系。学习过程最初要靠死记硬背(用我的话说就是“索引学习过程”),当他们可以漫不经心地完成这些任务,我们会希望他们能够看出这些运算和物理世界中发生的过程有什么关系。在某种程度上,如果进展顺利,孩子会“了解”符号和公式“背后”的共同点。于是,他们会根据更高级的记忆法--关于组合优化的可能性与他们所运算事物间的抽象联系,重新组织他们死记硬背下的知识。这一抽象化过程对于许多孩子来说非常困难。但是要考虑到,如果想要理解微积分,这一过程,甚至是对更抽象概念的理解都必不可少。微分就是递归除法,积分就是递归乘法,每种无限算下去的计算,都可以得到无穷小的数值(这是有可能的,因为它们是收敛的,可以推断而得,而非直接观察)。这种投射出无限算式细节的能力,解决了奇诺悖论,它通过描述看是根本不可能的。但问题不仅如此,(我们今天使用的)莱布尼茨的形式主义将无限递归缩减为一个单独的符号(或是说“积分符号”),因为一个人不可能永远运算下去。这使得微积分的符号计算与物理现实之间的联系更难以形象化。因此,用计算方式表达的构成实际上是双重加密的。是的,我们大脑演化出的是处理物理事物的能力,所以对此当然会觉得很难。而数学是一种“加密形式”,不止是在表达方式上,解密本质上也是个艰难的过程,因为它呈现出的组合困难。这就是为什么加密能使人难以重获沟通中的引用内容。我想表达的是“这就是数学的本质”,与我们演化出的能力并不相关。出于相同的原因,解密编码信息也一样困难。令我惊讶的是,我们明明都知道数学方程是加密了的信息,你要知道秘钥才能解开编码,了解它在说什么。可我们还在疑惑为何高等数学很难教,并将其归咎于教育系统和糟糕的教师。在我看来,这和归咎于能力演化的做法并无二致。(与作者的私下交流,July 11, 2013。)显然,我们还是可以思考数学和科学的难题,它只是在抽象和隐晦的程度上更高一筹。好吧,有时候那复杂程度可不止高出一点。

抽象是指什么?这样说吧,你可以指着一头正在草原上反刍的活牛,然后把它和纸上的“牛”字等同起来。但你没办法找到一个活的加号来理解“+”的意思,因为加号背后的概念更加抽象。至于隐晦,我是指一个符号可以代表不止一种的运算或概念,就像乘号可以代表重复相加。回到我们那个弹球的类比,数学的抽象性和隐晦性会让橡胶弹柱变得软绵绵,你需要额外练习才能增加它们的硬度,这样才能让小球恰到好处地弹出去。这就是为什么克服拖延对学习数学和科学格外重要(当然,这对学什么都很重要)。我们之后会再讲这一点。

还有另外一个挑战与数学、科学难题相关,它就是思维的定式效应(类似一叶障目)。在这种效应里,你脑海中已有的,或是最初的想法,会阻碍你产生更好的想法或答案。我们在专注模式的弹球图片里看到过,其中思维弹球最初的走向是图中大脑的上半部分,但是解决问题的办法实际却在图中偏下的部位。[定式(einstellung)一词原为德语,意思是“装置”,基本上你可以理解为先入为主的概念,它会变成未来思维旅途上“装置”好的路障。]

Bilali et al. 2008.

在科学领域中,人们很容易陷入这种错误的思考方式,因为你经常会被直觉误导。在学习新东西的时候,你必须得让错误的旧观点“改过自新”。Geary 2011。还可以参考里程碑式的文献《私人宇宙》(A Private Universe),可以在这里找到资源http://www.learner.org/resources/series28.html? pop=yes&pid=9,它引发了很多关于“科学理解上的误解”的研究。

定式效应往往会成为学生的绊脚石。需要得到再训练的不只是你的自身直觉——更不用说你在做作业的时候,有时甚至连找到头绪都难上加难。思维小球费力地撞来撞去,却总是离正确答案很远——因为在专注模式下,拥挤的橡胶弹柱阻碍了你的思维飞跃到新的位置,而那里可能才是答案所在。

这就是学数学和科学的学生常犯的一个显著错误:还没学会走就开始跑。Alan Schoenfeld在1992年的研究曾收集了“超过100份大学和高中学生做不熟悉的练习题的录像,其中大约60%的人的解决方式都是‘阅读,快速做决定,管它行不行得通’”。你可以把它视为专注模式最糟糕的情况。换句话说,他们没读教材,没上课,没看在线课程,甚至都没问过那些会的人,就开始盲目地做作业了。这种行为简直是自暴自弃。这跟闭着眼睛不看答案在哪儿,就随机拉下推杆弹出小球有什么区别呢?

了解如何获得真正的解决办法非常重要,不仅对数学和科学问题是如此,生活中亦然。比如,稍微做些研究,稍微多一点自我认知或是自我验证,都能让你离那些靠伪造的科学依据来打广告的产品远一点,免得钱包空空,甚至连健康都赔了进去。Goldacre 2010.储备点数学的相关知识,还能帮你避免拖欠贷款——欠款不还可绝对是人生中的一段黑历史。Gerardi et al. 2013.