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钱学森说「人就算再笨还能学不会微积分吗」,难道智力正常的人都能学会微积分吗?

还得重活
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智力正常的人都有学会的潜力。

首先要理解一点:现代公共教育的要求是在规定年限之内学完规定的内容,并通过测试。这件事和“学会”是两码事。就好比“两小时内做完高考卷”和“会做高考卷”是两码事。因为很多人花个两三天把高考卷做完并不是难事。时间限制是一个很高的要求。所以,在大学一年学会微积分,和“死前学会微积分”或“花20年学会微积分”,完全是两个难度。我们讲的“学会微积分”并不是高校要求的“一年内学会微积分”。

那么为什么很多人一辈子学不会微积分呢?其实和“一辈子学不会游泳”、“一辈子学不会骑自行车”是一样的,是最初尝试时畏难情绪过重和挫折过多,导致的心理障碍。现在的中学数学基本以代数计算能力和几何直观理解力为主,基本没有培养过学习微积分所需的前置能力,比如基本不讲极限ϵδ\epsilon-\delta 语言所需的逻辑概念,基本不讲映射集合,基本不讲无限的思想。大家在中学6年适应了一种思考模式,而微积分需要的是另一种思考模式。这种急剧的转变是大多数人难以一下子适应的。而微积分这种内容可能要分解成数十个“学会骑自行车”级别的尝试,很多人在某几个地方连续受到过多挫折,加上本来就有畏难情绪,不自信,自然就容易放弃。而放弃的人多了,就会产生各种自我安慰的借口,比如“本来这玩意儿就很难”,“你看他们也学不会”,等等。很多见不得人好的人甚至会暗中阻挠、打击别人学习的热情来安慰自己。

但如果你一开始就打着“花十年到二十年学会微积分”的想法来做全盘计划,用“学微积分就是一辈子的事”的心态来学习,那么没有哪个智力正常的人会认为自己学不会微积分。你把本来两学期的微积分课程里要学的那些知识点拆到3-4年里,然后重复学个三四遍,难道还学不会吗?

还有一个问题是如何定义“学会”。很多学校的考试题目都不自觉地向高考靠拢,出一些偏难怪题,搞文字游戏和代数技巧。这种出题方法是路径依赖了。毕竟现在的高校教师也是高考出来的做题家,不自觉的就会按中高考的出题方式来考察学生。然而从理论上来说,“学会”微积分并不需要这些东西。甚至很多积分技巧在实践应用中根本不需要人手工掌握了,完全可以交给计算机。不知道 1x(1+x6)\frac{1}{x(1+x^6)} 怎么积分,对现代科研和工作来说其实没有太大关系。现实的科研和工作中没人会要求你随时手算积分。现代的自然科学应用中,掌握积分的含义比掌握积分技巧重要得多。很多人其实已经学会了21世纪自然科学应用所需的80%的微积分内容,但接着就被过时的教材和课程带到各种偏难怪题的错误路径上去,琢磨各种早就不需要的奇技淫巧,结果以为自己“没学会”,其实他们大部分时间浪费在过时无用的“假微积分”上了。

自然科学应用级别的微积分,只是理解基本概念、基本结论和基本应用就可以了。其他的内容大致了解一下,在研究或工作中用到的时候再学就可以了。


另外想谈一点,也是我在以往的回答里谈到过的:中学数学的科举化对大学学习的害处。

中学数学并不是数学的终点。正相反的是:现代数学的根基正建立在对中学范围内的“古典数学”的反思和深挖之上。所以中学数学乃至大学本科的数学都只是一个给现代数学做“地基”的东西。我这里用“地基”其实也不恰当,更合理的比喻是中学数学乃至本科数学是一棵树,而现代数学是树上的兔子洞。你得先有了树,才能掉进树上的兔子洞。这棵“树”上兔子洞可以在任何地方出现。而数学家正是在发现了树上的兔子洞之后,深入探索,才开发出了现代数学的各个领域。

所以,中学数学乃至本科数学其实是有各种“破绽”的。对这些“破绽”的深入思考导致了现代数学的发展。最有名的比如费马大定理哥德巴赫猜想等等,都是可以基于很粗浅的知识就想到的“兔子洞”。

另一方面,数学科目作为中小学基础学科来说,需要有一个能够定量衡量学习结果、能力的普遍测试。这个普遍测试就要求中小学数学有一个自洽的框架。这就要求教育者编一个能够自洽的知识体系。这个知识体系就要求避开那些“兔子洞”。

然而,随着中国的应试教育越来越内卷,越来越科举化,很多高深知识就会被拿来作为“背景”出各种刁钻的偏难题。而当你用来出题的知识接近“兔子洞”的时候,就挡不住人家从“兔子洞”里掏出各种“武器”来应付你了——比如有名的洛必达法则。这就导致一方面中学数学不可避免地“向上扩张”,用高等数学的概念乃至思想来开发题目,另一方面要规定“禁手”,把“兔子洞”堵住,不让你借用“兔子洞”里的工具。这就回到了以往科举的模式,要求学生只能用规定范围内的知识和方法应付考试。

这种科举化导致的思维模式,对大学学习是有害的。首先,很多学生升入大学时还停留在做题家思维,认为数学乃至任何知识体系都是一个封闭的自洽体系,而通过“做题”可以反推出这些知识体系的所有知识点,从而掌握整个知识体系。这种做题家思维会导致很多学生掉进“兔子洞”而不自知,带着“填坑”的思想而不是探秘的态度进入“兔子洞”,结果被“兔子洞”的深度吓到。举例来说,一些貌似很简单的问题:

  • 什么函数可以积分?
  • 不连续的函数怎么分类?
  • \pi\mathrm{e} 构成的代数表达式是否是无理数?

很多学生会习惯性地用“解题思维”来学习,在“解题”中遇到各种“兔子洞”,结果发现做题家模式对这些“兔子洞”无效,产生巨大挫折感,不知所措。

其次,认知到数学知识的无边界性、不封闭性之后,学生就要开始懂得如何在没有边界感的情况下学习(当然大学也有考研数学,有规定的范围。但我认为考研数学只是重复中学的科举模式的一个更大的坑而已)。没有边界感,就要求由教师或者学生自己定制一个边界,定制对应的学习计划。比如学拓扑应该学到哪里为止,学线性代数应该学到哪里为止,等等。中国的大部分高校老师对这种事情并不上心,或者说没有能力帮助学生,搞出来的培养计划要么过于激进,要么过于保守,而且大多数情况下是授之以鱼而不是授之以渔,也就是说没有教学生怎么自己制定学习计划。当然,这个问题是全球性的,不仅仅是中国的问题。只是中国的学生因为中学时代养成的习惯,更难以自我调整。

最后一个就是目前中学课纲去脉络化、不平衡导致的破坏。中国高中会学导数和介值定理,但不学极限和基于极限的连续、可导概念。不学积分的定义和微积分基本定理,但又会教一些求导和积分的技巧。不学数列和级数,但又会用到一些级数收敛的思想。这就导致高中生对整个高等数学(分析学)产生一种非常扭曲的认识。你可以看到高中数学题里明目张胆地讨论infsup和supinf的区别,仿佛这是什么再基础不过的常识,另一方面学生连0.999...=1都不知道怎么论证。这种堆积在中学生脑里,无视数学内在规律和次序的“矢山”,到了大学里就是学习的阻碍。

所以,要让学生更合理更方便地学习微积分乃至一切的“高等数学”(中数数学范围以外的数学),都必须从中学开始“纠偏”,把由于各种历史原因和应试原因导致的问题消去。但显然目前乃至可预见的未来,我们还无法做到这种“纠偏”。但作为学生,意识到“偏差”的存在本身就很重要。

Snorri
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