光过玻璃是一件多么神奇的事情啊

上课做了一个实验之后,学生说:这个实验以及您提出来的问题迫使我们做深入的批判性的思考,但是,从这个思考的结果看起来,我们之前对于光过一片玻璃,而不仅仅是这个实验中为了展示神奇之处用的三篇玻璃,的理解,也是有问题的啊,因为一个好的理解应该能够解释所有的这些现象啊。是的,说得很好。这个例子也会找时间写出来。今天我再举一个光过玻璃的例子。这个例子来自于Feynman的《光和物质的奇异性》。

大家都见过相机镜头。你会发现一般来说镜头是有颜色的。这个颜色来自于镀膜——给相机玻璃上增加一层其他材料。其主要目的是增加透光率。有的时候是所有颜色的光的透光率,有的时候是为了增加某些颜色的光的透光率。现在,问题来了,为什么增加了一层膜之后,会增加透光率呢?

GlassReflect

按照我们日常的体验,或者中学学过的光的反射和透射,我们知道每增加一个界面光就会发生反射。于是,我们粗糙地假设每一个界面\(4\%\)的光会被反射走。那么,能够通过第一个界面的光就是\(96\%\)。接着,这个\(96\%\)的光会通过下一个界面,继续发生反射,大约又会有\(4\%\)的光被反射走。于是,经过一个玻璃或者膜的两面之后,通过率会差不多等于\(92\%\)。按照这个图景,增加的膜越多,则透过的光越少:你看,就像一个小球打过来,每次都要反射走一部分啊。或者说,这个图景实际上是把光看做一个个服从概率理论(具体指的是独立事件的乘法——如果一件事情有前后两件独立的事情组成则这件事情的概率是那两件事情的概率的乘法,和互斥事件的加法——如果一件事情有两种完全排斥的可能发生的方式则这件事情的概率等于这两个方式的概率相加)的小球。这样的服从概率论的经典小球的模型你是深有体会的。那么,这样的模型能不能用来理解光过玻璃呢?不行。如果这样的话,通过镀膜增加界面是不可能增加透光率的。那怎么办?

为了更清楚地展示这个模型的困境,我们来看如果一个一个小球打过来,会怎样。任何时刻,我们保证整个空间只有一个小球。这是做得到的,通过使用一个叫做单光子光源的仪器。现在,我们来看这一个小球。先到达第一个界面,假设被弹走了,故事结束。这个可能性是\(4\%\)。假设透过了第一个界面(这个可能是\(96\%\)),现在来看这个小球到达第二个界面时候的情况。这个时候还是有两种可能,透过了,故事结束。这个可能是\(96\%\times 96\%\approx 92\%\)。如果弹走了(这个可能是\(96\%\times 4\%\)),则故事差不多结束。这里“差不多”的含义是实际上,我们还应该考虑多次的反射。不过为了简单性计,就不再计算了。

经典波动光学是这样来解释的:把一束光看作是好多好多小球合起来构成的,或者是介质上的振动形成的。我们先来看好多好多小球合起来的视角。说,到达一个界面的时候,我们把小球们分做两部分,一部分弹走,一部分进入玻璃。对于进入玻璃的那一部分,在第二个界面还是会分成两份,一部分透过整个玻璃,一部分回弹到第一个界面。对于回弹到第一个界面的那部分,其中的大多数小球会透过第一个界面出去,和那些第一次就被弹走的小球们合在一起。当合在一起的时候,不知道什么样的原因,这两部分小球就会有相互干扰,例如相消,于是,整体反射光减少。所以,能够只能通过透射光出去,于是透光率增加了。在这里,神奇的地方就在于:你如何让两束光里面的小球们相互影响?光的这些小球们很独立的,基本上不发生相互作用。因此,这个很多个小球的模型不是一个好的模型。

再来看介质上的振动的视角。介质上的点的振动之间确实时会发生影响的:一个点的振动会带动附近的其他点的振动,并且如果有两个振动源的效果传到了同一个点上,则这个点的振动应该是传过来的两个效果的矢量叠加。为什么是矢量叠加?因为这两个点的振动传播过来的方式符合牛顿第二定律,而这个定律是矢量形式的:哪个方向上有里的作用则那个方向上产生运动的改变。这样来看,我们可以很好地理解前面的这个透光率增加的事情。实际上,这个现象有一个名字,叫做光的干涉。具体来说,是这样的。一束光在第一个界面分开成两束,反射和投射。反射的光就好像是从界面上的反射点开始的一个往玻璃外面的空间传播的介质波。透射光呢就是往玻璃内部传播的介质波。接着,透射光遇到第二个界面。这个时候,再次分成两束。第二次投射的那部分不用管了,故事结束。在第二个界面上发生反射的那部分的那部分光就会回到第一个界面,而且其中的大部分会透射到玻璃外面,和第一次反射的光可能会到达同一个地点。这个时候,在这个同一个目的地上,就会发生来自于牛顿第二定律的矢量叠加,于是,发生相消(或者相长)的事情。可是,这个解释有一个很大的问题,光子不是介质波,其背后没有牛顿第二定律,没有矢量性。怎么办?

我们已经看到了,经典单个小球的模型不能解释增加透过率这个事情,经典多小球模型也不行,经典介质波模型也不行。我们再来看看量子力学又怎么解释这件事情。

量子力学是这样来解释这个问题的。还是假设我们每次在整个空间中只有一份光的能量,称为光子。量子力学问,光子反射回去这件事情有集中发生的可能啊?第一种,第一个界面就发生反射。第二种先在第一个界面发生透射,然后在第二个界面发生反射,接着回到第一个界面发生透射。无脑量子力学说,凡是这样的一件事情有两种“不可区分”(大概来说就是问,如果你在玻璃的第一个界面的外面观测到一个光子,你能够知道是第一种还是第二种方式来的吗?不能就是不可区分。实际上,精确含义更加复杂)的方式发生,则需要把这两种方式(的概率幅,而不是概率)做直接相加。这个时候,你只需要算一个相加得到的概率幅对应的概率,自然就得到既可以相消也可以相长的结果。

但是,你仔细想,这个事情还是很神奇啊,还是有问题啊。你看,只有一个光子的情况下,第一个界面就反射走的光子,有怎么会“遇到”并且“影响”,那个先透射再反射再透射的光子呢?整个空间只有一个光子啊!于是,只要第一次被反射走了,那么,后面的事情就不可能发生了,那怎么相互影响相互遇到啊!如果说,第一次没有被反射走,则整个空间的唯一的光子也就只会发生后面的两种可能啊,不可能再和那个从来没发生过的第一次就被反射的光子来相互影响啊!怎么办?

然而,量子力学的神奇之处就在这里:只要一件事情有两种发生的可能,这两种可能还不可区分,则整个事情的概率幅等于两种方式的概率幅相加,接着概率相当于概率幅的绝对值的平方。通过这个先相加后做绝对值的平方,我们就能够得到和经典介质波数学上一样的矢量叠加的形式。

下面的公式就表示了这个意思,尽管根本没希望读者们真的看懂:
\begin{align}
\rho^{c} = p_{1} \left|1\right\rangle\left\langle 1\right| + p_{2} \left|2\right\rangle\left\langle 2\right| \\
\rho^{q} = \left(\sqrt{p_{1}} \left|1\right\rangle + \sqrt{p_{2}} \left|2\right\rangle\right)\left(\sqrt{p_{1}} \left\langle 1\right| + \sqrt{p_{2}} \left\langle 2\right|\right) \\
= p_{1} \left|1\right\rangle\left\langle 1\right| + p_{2} \left|2\right\rangle\left\langle 2\right| + \sqrt{p_{1}p_{2}}\left(\left|1\right\rangle\left\langle 2\right| + \left|2\right\rangle\left\langle 1\right|\right)
\end{align}
前者表示\(1,2\)两种方式按照各自的经典概率\(p_{1},p_{2}\)来相加,后者表示这两种方式按照其概率幅(大约可以看做其开平方\(\sqrt{p_{1}},\sqrt{p_{2}}\))来相加,然后再求其绝对值平方。这样就会多出来最后那个括号里面的额外的项,而它们就是那些导致相消或者相长的部分。

通过这个例子,我想体现——哦,这个任务交给读者。记得去使用WHWM,问传达什么信息,如何传达,为什么这个信息,为什么这样传达,对我有意义的我喜欢吗,这几个问题。同时也可以去看前一个帖子“能看到光是多么神奇的事情啊”的总结。

GlassLight

能看到光是多么神奇的事情啊

今天上课,讲了无介质波的叠加原理——z方向向上态和z方向向下态可以加起来变成x方向向上态,或者说x偏振和y偏振可以加起来变成某个角度的偏振光,而不是一会儿x一会儿y偏振的组合。忽然想起来,其实,我们能够看到光,这件事情是多么的神奇啊。例如,Einstein就曾经特别想不通这件事情。

白炽灯的光,我们天天见,从来不觉得神奇。连多想一下都不会去想,如何神奇呢?待我慢慢道来,来挑战你的思考。

先看水面的波:扔一个石头(假设石头特别小,看做一个点),水波沿着水面扩散。如果在某个地方有一个观测者——例如一个浮漂,则过一段时间,水波传播到了那个地方,浮漂就会动,也就是观测者看到和水波。这个时候,基本上可以预测,沿着某个圆圈(石头入水处为中心经过这个浮漂的一个圆)的其他地方都可以观测到水波。这个水波很好理解——很好理解可以解释为原则上可以通过牛顿定律来计算。

再来看灯泡发出来的不神奇的光:假设灯丝特别小,看做一个点,则我们会看到和水波一样的事情——当某个地方的观测者看到光的时候,我们可以推测,同样大圆(这时候是大球)的地方的其他观测者也会看到光。当然,由于光的传播速度很快,有可能我们的日常生活体验会告诉我们说,只要一个地方有光任何地方都会有光。

为了解决这个问题,我们需要做两件事情:走的比较远,以及让灯丝每个时间段里面仅仅发出一个光的能量单元,或者一个批次的光的能量单元。这样的一个实验装置是有的,而且这样做好像很无辜啊,没什么特殊之处。现在,我们沿着这个无辜的思路来看看特殊之处。

在这个对于把光看做是水波的第一阶段的认识,我们发现,实际上,我们是把光相当于看做是通过某种介质往外传播的东西。这样,我们就有了一个光和光的传播的心智模型——介质上的振动,和水波类似,只不过沿球面向外传播。这个看起来好像很有道理,也一点都不奇怪。

当然,实际上,我们知道光的传播不需要介质,也不可能有介质。这个需要做个实验来证实,例如第一个让光在真空中传播一下,第二个做一下著名的迈克尔逊-莫雷实验。我们在这里就先承认光的传播不需要介质。这时候,我们再来看,白炽灯的灯光在某处被一只眼睛接收到这件事情。

那先这样看:试试豌豆射手射向四面八方的豆子的模型。灯泡光发出来的光,可以看做是由去往四面八方的一个个光子构成的一群光子合起来的效果。针对这个模型,眼睛能够接收到光也一点都不奇怪,就好像有一个圆形的弹幕,其上任何一点都可能接收到豌豆射手射出来的豌豆。为了看到这样的一个解释的不足,我们来调整一下光源——让光源在任何一个时刻只能射出去一个光的能量单位(称为光子),就好像豌豆射手在任意一个时刻(中间可以特意做成某个时间的间隔)仅仅射出去一个豌豆一样。这样的单光子光源的调整真的是实验上能够做到的。如果要让现象差不多一样,则需要豌豆或者光子的出射方向是某种意义上的随机的方向。

这个时候的随机有两种形式:一种是,任意一个时刻出射的光子都可能向着任意的一个方向,也就是一个所有的方向都具有同样大小的概率密度的概率分布函数;另一种是,任意一个方向上都具有概率密度幅的,整体上表现为所有的这样的概率密度幅加起来的某种分布函数(量子力学的语言,称这样的密度幅的“分布函数”为密度矩阵)。大概来说,相当于
\begin{align}
\rho^{c} = \frac{1}{Z}\int d\Omega \left|\theta, \phi\rangle\langle \theta, \phi\right| \\
\rho^{q} = \frac{1}{Z}\left(\int d\Omega \left|\theta, \phi\right\rangle\right)\left(\int d\Omega \left\langle \theta, \phi\right|\right)
\end{align}
这些公式都是示意公式,仅仅表示前者是概率相加,后者是概率幅相加的意思。现在,我们来看这两种解释哪一种比较有道理,如果我们用它们来理解眼睛看到光的时候的光的状态这件事情。

我们先来看第一种——概率组合。首先,某个方向上的眼睛能够看到光这件事情在这个模型下,很好理解:正好那个随机的光子跑向了那边,于是就刚好被探测到了。这个时候,在这个时间间隔内,其他任何地方都不会探测到光子。注意,在这里,由于经典随机性的存在——例如当我们观测一个随机的硬币发现是正面的时候,就是因为刚好看到了正面,我们不用去担心那反面的几率上哪里去了,怎么会消失了的这件事情——我们不需要担心其他地方的光子跑到哪里去了的问题:那些地方仅仅是有光子到达的可能,而不是真的有光子跑到了那些方向去了,然后由于某个方向上实际探测到光子,这些其他方向的光子又需要从其他方向消失,或者说相当于“塌缩”到正好被观测到的方向的问题。

注意,这个时候,回到水波的模型。如果水波上,我们也看到了类似的现象——一个石头扔进去以后,在某个方向发现了水波,但是其他任何方向没有水波——则,肯定需要问上面那个问题:其他方向的水波难道就真的“塌缩”到了刚好被观测到的方向吗?因此,我们就发现,由于有这个物质波而非介质波的效果——能够控制一个个光子来传播,而不需要介质来产生振动来传播,实际上,介质波的理解是有问题的:真的需要解决瞬间“塌缩”如何发生的问题。所以,初始的用水波来当做光波的心智模型的尝试是不对的。

上面已经提到了,把介质波改成概率波,可以解决这个瞬间“塌缩”的问题。那么,是不是概率波就是对的呢?这个需要做一个叫做双缝干涉或者Which-way实验来证明概率波模型也是错的。如果是概率波,假设我们仅仅取整个空间中的两个方向来做实验——在这两个方向上各自开一个缝,其他的方向上都挡住。先测量仅仅打开一个缝的情况,得到一个经过这个缝到达屏幕的一个实验结果——一个光子达到屏幕的分布函数。这样得到两个分布函数。然后,在考虑概率叠加原理,当一个事情有两种互斥的方式发生的时候,整体的结果等于两个结果的概率相加,于是,我们就得到了打开两个缝的实验结果——应该是分别打开的情况下的概率相加。然而,实验结果发现,不是概率相加,同时具有相长和相消的效果。相消的效果是不能够用概率相加来解释的,如果一定的概率妈妈给孩子五块钱,一定的概率爸爸给孩子十块钱,则平均来看孩子的钱肯定在五块到十块之间。但是,量子的实验告诉我们,有可能得到两块钱,或者二十块钱。这个仅仅在做矢量叠加的时候才有可能,在概率相加的时候是不可能的。

这样,我们就被逼又回到了光子的各个方向概率幅相加的心智模型。可是,这个模型的数学形式和介质上的波很像——在那里,振动方向可以做矢量叠加,于是也就会出现不在五块到十块之间的情况。

问题又来了,如果确实像介质波,那么,我们就又要问,如何来理解瞬间“塌缩”的问题:在某个方向上看到光子之后,整个空间就没有其他光子了,这个看起来,相当于,把观测值钱的其他各个方向上都具有探测到光子的可能性,全部都“塌缩”到了观测到光子的那个方向了。如果确实是这样,将会是大问题:我们可以离光源很远很远,几百万光年,于是,其他方向的光子完全不可能用任何方式传播或者说“塌缩”到观测到光子的方向上去。这怎么办?

其实,这还是用了介质波来理解概率幅波。几率幅波真的没有表示有真的光子传过去的意思,因此,也就不需要在探测到光子的那个时刻,把其他方向上的光子传回来的这个步骤。如果是介质波,就需要这一步。因此,在介质波上也就看不到这样的现象:仅在某个方向上探测的光子,其他方向完全没有探测到光子。

在这个思考中,针对不同情况的实验结果,我们尝试了光的介质波模型、概率波模型、几率幅波模型的介质波理解、几率幅波的几率幅理解。我们发现,只有后者能够解释眼睛看到光这件看起来如此简单的事情。当然,我们还有一个隐藏的要求:不管哪个光子的实验,其结果,都可以用统一的理论来计算和理解。

通过这个例子,在知识上,我希望能够促进对几率幅波的理解,能够促进对什么是科学以及科学和数学的关系的理解——科学就是一个系统化的能够得到和实验现象相符的可计算分析的心智模型的集合;在思维方式上,能够学会不断地层层递进地做批判性思维和对比性系联性思考。同时,我也想通过这个例子说明:学习就是学会一双眼睛,从平凡中看到神奇,从神奇中复又看到平凡或者平凡和神奇的共存。学习是为了理解世界。

LightDetection

做个各向同性的球?

在ORCS国里面,很多人都长成球的形状。在ORCS国每年一度的选美比赛里面,选手们主要比较的就是谁有一个完美的球样:是不是各向同性——从中心到身体各个部位的距离都是相同的一个值。这个值叫做球半径\(r\)。然后每一个点到这个中心的距离的统计差别——据说就是通过下面这个ig公式计算的,叫做ig典型性,\(ig=\frac{1}{r}\int_{\Omega} d\vec{p} |r_{\vec{p}}-r|\)。曾经有长得不太像球的一群人怀疑过这个公式的合理性,问到底那个中心点是如何定义的。由于ORCS国里面没重力,对了我们地球上的人都知道,如果有重力,则就不可能长成一个个各向同性的球样,所以,中心确实不好定义啊。当然,后来一个先知解决了这个问题。只不过,分析原理和详细的定义被ORCS国的皇族藏起来了。每年比赛的时候皇族们会拿出来一个仪器来给每一个选手测量一下,先告诉选手们的中心的位置,然后给每个选手计算出来ig值。其实,我是地球人,我知道只要做一个积分就可以得到,但是,我没敢说,甚至都没敢把这个公式推出来,尽管我认为,我只要十个地球分钟的时间就可以完成这个计算。如果凑巧我的这个帖子被地球上的兄弟看到了,请帮我完成这个计算,验证一下,是不是只要做一个积分就可以。

自从我偶然来到ORCS国以后,我就不太敢出门,不太敢说话了。当时救了我的Melon一家人——尽管我觉得他们长得南瓜,会说话的南瓜,或者是更像那传说中的特立独行的猪——给我做了一件球形衣(所以,Melon一家的恩情我是怎么也还不完的),基本上我时时刻刻都穿着那衣服而且不希望人们注意到我。但是,我始终是一个各向异性的身上长角的基本上是圆柱形的动物——我非常担心,ORCS居民们会不会把我算成“人”——一个会微积分会Newton方程甚至Schroedinger方程的动物,很多时候,我忍不住要插嘴。例如当他们说ORCS人的思维可以影响光子的行为的时候,我真想上去说一句“瞎扯你个蛋,我算给你看!”。

另外,忘了说,我的语言天赋也很好,到ORCS国的第二天,我一开口说话,就能够比较流利地说ORCS语了。当然,老是有一点点口音——他们不知道那是我在地球上的时候在一个叫做兰溪的地方住的太久学会了一种鸟语的缘故,而ORCS语和那种鸟语又实在有点像。当然,我也很快学会了ORCS的文字,尽管这个帖子我是用地球语写的。也许你觉得我的地球语有点别扭,其实,我是为了使得这个帖子在ORCS人看来也是有自己的意思的,只不过就是讨论风花雪月的事情而已。我比较不习惯的就是他们的数学比较差。我经常忍不住要把我的数学物理连同数学符号——你看\(e^{i2\pi}=1\)和\(\rho\left(t\right) = e^{-i\hat{H}t}\rho\left(0\right)e^{i\hat{H}t}\)多么美妙啊——一起传授给ORCS人。我真心的认为那样会促进ORCS科学的进步。不过,说实话,这关我什么事情呢,我又不是ORCS的皇族。可是,可是,有的时候,我还是觉得ORCS的科学进步关我点事,绝对不是地球人经常说的“关我屁事”。

我来了这里以后,交了好几个ORCS的好朋友了。按咱们故乡的说法,都已经是喝酒打屁勾肩搭背的水平了。当然,除了Melon一家,他们都认为我是长得比较奇特和丑陋的ORCS人而已。再加上Melon一家本来就长得不态匀称,他们大概就把我默认成Melon家的远房亲戚了。还好,ORCS上没有基因检验,也没有户口本的事情。每次胡吃海喝之后,这些狐朋狗友们就会劝我“去锻炼一下身体,这样好长得比较匀称”,“选美是没戏了,没准能够找个媳妇,生出来一个将来还能选美的”。有一件事情我比较奇怪,好像ORCS人的生活中心就是选美,说着说着就会往选美上靠。我在地球上的时候是科学家来着,我只想我喜欢想的问题,尽管有的时候要申请一下经费的时候瞎扯点这些想法的应用价值。

说起来科学,根据我这些年的观察和暗地里的实验,其实ORCS的物理学和地球上差不多,甚至有微重力。不过,这不奇怪,我在地球上的时候就知道,物理学不会因为在地球外就不能用了,方程还是哪些方程,概念还是那些概念,计算也还是那些计算,仅仅是某些参数值变化了而已。其实我很想发表这个微重力的发现。倒不是优先权的问题,而是这样就可以让人知道,随着时间的推移,ORCS人变得越来越扁平是自然的,不管年轻的时候多么像个各项同性的球。但是,我没敢。我甚至怀疑这些年来,我在变得越来越像一个各向同性的球,其中就有这个微重力的贡献。你想,我原来是圆柱形的,高远远大于宽,随着微重力效果,我的高度在下降,慢慢就更加接近球了。这一点可以从我穿上球形衣以后越来越合身看出来。当然,也有可能,我越来越像一个各向同性的球是因为我默默地不自觉地接受了或者喜欢了向一个球的转变?

在地球上的时候,曾经有一个石头国的姑娘——尽管又臭又硬,告诉我,“人是由他身上的角来定义的,他们是这个社会中珍贵的推动进步的少数”。我一直很喜欢这句话,很同意,也在践行——毕竟,科学家就是靠角吃饭的。难道我来了ORCS以后思想上其实已经发生了转变?那天,Melon太太的远房亲戚来串门,看到我了,并且看到了我身上的角。非得说,这个这么帅的后辈——她还是把我看做Melon家的人了——只要把身上的角拿个刀子磨磨,说以前就有很多人悄悄磨过角——插一句,我甚至怀疑所有人其实都曾经有角没有角的都是磨过的——肯定能够找到合适的媳妇生下来能参加选美的下一代。甚至,Melon家族的下一代就得靠我了。我没有同意。一方面,我怕疼;一方面,我还是很欣赏我的角;另一方面,我不得不怀疑,难道除了角,我真的已经接近ORCS完美人了吗?

昨天晚上,Melon太太说要给我做一件新的球形衣了,甚至,可能都不太需要那样一件衣服了。对于这个我很担心,除了数学公式物理定律,这个圆柱形的身体,是我唯一还能够表明地球人身份的东西了。我决定去锻炼身体,锻炼出来八块腹肌,把身体上的肥油去掉,这样肯定能够更接近一个圆柱,或者地球上的选美冠军那样的长杆的形状,而不是球形。我还打算加快我研究ORCS上的量子力学的进度,并且打算什么时候公开我的研究。在ORCS国里面,听说真的有人能够同时在家里睡觉和在健身房锻炼——这个宏观物体的量子性正好适合我研究。在地球上要找这样的宏观量子态来研究可是不容易呢。

不过,今天早上,我起来的时候,我发现,其实,我还想睡一会,我还想去胡吃海喝、聊天打屁,我甚至想找一个能够生下来选美冠军的媳妇。我现在开始怀疑,其实,我就想做一个各向同性的球?难道之前的决心和决定,是在梦里面做的?这一点,我还不是特别确定。我大多数时候确定我确实不想做一个各向同性的球。我迷糊的时候我甚至怀疑,其实还有其他穿着球形衣的人。我去找他们试探一下,或者索性直接问问得了,还是我继续在做一个球和长更多的角之间,在清醒和迷糊之间徘徊呢?

数学怎么教一例:4个盘子里各放一颗红豆或黑豆的放法的数量

今天早上,心儿问我一个问题:爸爸,基因有几种,每个人的基因都不一样吗?我不知道具体心儿问这个问题的缘起是什么,但是这是一个很好的问题。考虑到每个人的基因大约确实不一样,并且不同的基因只有四种,这是一个有意思的问题:确实只有四种,每一个地方可以放四种之一,但是架不住有很多的这样的地方啊,于是一排列组合就很多。为了给心儿体验一下这个排列组合问题,我说:我去查查人类基因总共多少种,但是我知道基本的基因只有四种,人类有很多,而且差不多每个人都不一样,尽管亲人之间相似的地方多一些;这个四种和很多种的关系可以考虑下面的问题来体验一下——一个盒子里面可以放一颗红豆或者黑豆,有几种不同的放法;两个盒子的每一个可以放一颗红豆或者黑豆,有几种不同的放法;三个盒子呢?

大约是这个“几种放法”的说法没听懂,孩子就瞎蒙了几个答案,一个盒子两种,两个盒子四种,三个盒子六种。这时候我注意到我的问题没出好(换成三种豆子就更好了),导致前两个答案不反映背后的思考。尝试了一下换一种表达,还是没明白,孩子就去上学去了。放学回来以后,我拿出来一堆豆子,几个盒子。让心儿先玩。玩了以后画图,记录下来每一种放的方法。玩到三个盒子的时候发现了规律,四个盒子的时候验证了规律。我问:那到底规律是什么,为什么?心儿回答,每多一个盒子乘以2(我还是没有改题目,其实应该改成三种豆子的),至于为什么说不清楚。我就让心儿继续玩,继续对比她画出来的图,直到最后搞清楚那个为什么。她说的那个为什么过程比较多,这里,我给出来我的。当然,说清楚为什么有很多种不同的方法,每一种背后的思维都不一样。其中一种可以是这样的:每增加一个盒子,这个盒子里面可以放红豆或者黑豆;当是红豆的时候,前面已经有的盒子的放法不会被改变,因此就有了之前那么多种;同样的当是黑豆的时候,也有之前的那么多种;因此,合起来就是两个前面的那么多种。注意这里我没有用乘法,用的是加法,甚至仅仅是加法的精神。

对于一个学过排列组合的人来说,可能下面的理由是过得去的:每一个盒子有两种放的方式,因此,所有的\(N\)个盒子合起来就是\(2^{N}\)中放法。对于解决这个问题本身来说,这个答案更快,更不容易出错。挺好。但是,从获取面对现象、提出问题和解决问题的经验来说,前面那个“提出问题、玩(或者两个顺序倒过来)、猜测、检验、思考为什么”的过程好很多。排列组合不用教,只要明白是什么,为什么,自然就会了。那,其实,所有的知识都应该这样来学习:不教而教。这就是我在“信息时代教什么怎么教?”还有“机器人能够取得高考好成绩意味着什么?”里面提到的,教什么怎么教的例子。

只要有心,一个日常生活的例子,或者一个教材中需要教的知识,也可以变成一个可以体验的,可以让学生从中获得提出和解决问题经验的,体验深入思考为什么的问题。在这个细节处理的基础上,这个时候,再加上对整个学科的理解和内容选择,也就是围绕学科大图景——典型对象、典型问题、典型思维方式、典型分析方法、和其他学科以及世界的关系——来选择教什么,就可以实现“教的更少,学得更多”,就可以做到学会学习和思考,学会和喜欢创造。

很多很多时候,当掌握一个学科的大图景之后,学习新概念新知识,只需要从一个问题或者一个实验开始就够了,其他的,只要明白了,自己就能独立地,或者在老师的少量帮助下,构建起来。当然,选择哪些知识来构造,还要靠老师的设计。

信息时代教什么怎么教?

昨天“机器人能够取得高考好成绩意味着什么?”的帖子引发了老师们的讨论。问,那到底要教什么,怎么教呢?事实性知识我们学不过AI,甚至连AI的设计者学不过AI,程序性计算分析的知识我们也比不过专门的软件,我们到底学什么?

帖子里面说了,面对现象、提出问题(把问题变成自然语言,然后更进一步变成数学语言或者某个学科的语言的形式)、解决问题是学习的目标。事实性知识本身不是学习的目标。除非,其被用于面对问题、提出问题和解决问题。那么,到底如何来教大家面对问题、提出问题和解决问题呢?甚至有老师问,如果没有事实性知识当基础如何来解决问题呢?

关于事实性知识是不是应该有的问题,请参考“你能够倒背《史记》如流吗”的讨论。不是说事实性知识就是毒药,而是说,如果学习的目标就是事实性知识那么,就是毒药,起到的是限制你思考的作用。我说过有的人认为“面对问题、提出问题和解决问题”是第六个馒头,“事实性知识”是前五个馒头,不吃前五个,第六个没法直接吃,也不能吃饱。这是完全错误的。如果我们上来就围绕着这个第六个馒头来设计教学,尽管没准还是要铺垫一个馒头,但是至少不会需要先连吃五个——早就吃腻了,吃吐了。就这样一个简单的逻辑,我不知道为什么就有人非得说前五个馒头很重要。真的,它们不重要,除非它们正好可以来帮助你吃好和消化好第六个馒头。那么,教学中的第六个馒头到底是什么,怎么教?

从馒头这个目标来说,就是每一门课程的大图景:典型研究对象、典型问题、典型思维方式、典型分析方法、和其他学科以及世界的关系。从吃馒头的过程来说,就是需要让学生来体验面对问题、提出问题和解决问题的经验。其实也就是下面这几个关键词:学科大图景、理解型学习、系联性思考、批判性思维、做中学、以项目或者问题为基础的教学。

有老师说,让我举个例子。在课程设计上的例子,可以看例如我们的科学和科学教育的课程设计“学会学习和思考”的课程设计原则。也可以看下面的一张概念地图:Sci&SciEduModule

在具体怎么教环节的例子,可以看在“你能够倒背《史记》如流吗”两个例子的对比:六个馒头的问题和钢琴的八度之间有几个黑键。

在第一个例子中,孩子没有学过除法,甚至连减法也没有正式学习过。这个时候,当我问,六个馒头,每天早上吃掉三个,可以吃几天的时候,孩子就是通过思考这个过程来解决的:竖起来六个手指,然后每次摁掉两个,问摁了几次,发现三次。而且更加宝贵的事情是,第一次思考了很长时间以后,给了答案,却告诉我,“我忘了怎么想的了”。这说明,肯定是当场想起来怎么解决的,而不是之前就会了的。如果仅仅从答案是否正确的角度来说,当然,学习了除法就更快更准确。但是,学习数学是为了学会用数学来思考,而不是学会做四则运算!这是学科大图景的问题。把问题转化成一个数学问题,然后在尝试解决。甚至转化这一步比解决还要重要。而这样的东西,如果先交计算,再企图让孩子明白计算的用法,就完全学不到了。而且,更加悲惨的事情是,这个过程不可逆,一旦被教过计算,那这个用计算的含义自己来构建这个计算和计算的规则的过程就没有了,于是,也就失去了学会面对问题、提出问题的机会。

在第二个例子中,孩子除了依靠对钢琴的记忆,然后数数之外,基本上就不可能做到理解型学习。具体的这个问题的理解型学习的困难见“你能够倒背《史记》如流吗”。

当然,如果选择目前还真的没有答案的问题,一起来面对和研究,是最好的。但是,第一,没这么多合适难度的没解决的还适合学生的问题;第二,也不能对老师的要求这么高。那怎么办?我们可以把学科中的一些重要概念当例子,回到这个概念在提出来之前的情景,必要的时候给学生一点点启发,然后让学生体会这个概念提出的过程,让学生去痛苦,去失败,去成功,去快乐,去获得提出和解决问题的体验和信心。甚至,我们可以帮孩子们准备好求解问题的设备(例如AI、电脑、数学软件、google等等)或者直接帮孩子们求解问题,只要问题明确以后。这样,强迫孩子们把注意力放在面对现象、提出问题和提出大概的解决思路上,而不是实现解决过程。

这个过程其实不难,如果你有心的话,你可以把大量的知识的学习都变成这样的一个体验的过程,一个经历痛苦快乐失败成功的过程,一个需要创造性地运用学习者的思维的过程,而不是知识的灌输。有一个老师说,

有时候,没有“有意识”的心,就根本迈不进去。
有时候,迈了进去,没有“发现”的敏感心,就白走一样。
进去了,有了敏感的心,没有团队,就越走越孤单。
越走越孤单的时候,没有强大的内心世界,就等不到好结果的一刻。

说得很好。这样的实践者肯定不容易,肯定不如拿起一本书一本教材一套习题集来教的老师容易。但是,这个世界上绝大多数突破不都是要忍得住孤独的心、强大的内心世界、合适的方向、适合的能力,再加上不懈的努力来完成的啊。像“教学”这么重要的事情,其突破那更加就应该如此了。

这也是为什么会有这个公众号WeChatPub,有老师们的微信讨论群,有《学会学习和思考》的课程,有《教的更少,学得更多》这本书。