科学哲学与人类学习

科学哲学

科学哲学是20世纪兴起的一个哲学分支,关注科学的基础、方法和含义,主要研究科学的本性、科学理论的结构、科学解释、科学检验、科学观察与理论的关系、科学理论的选择等。(本段来自维基百科)

科学哲学的思想渊源来自科学和哲学不分家的古希腊时代,但它做为一个现代哲学流派,是由卡尔.波普尔,托马斯.库恩,拉卡托斯等人开创的。卡尔.波普以证伪理论闻名,托马斯.库恩则以《科学革命的结构》一书奠定了他的地位,拉卡托斯则继承性地提出了更加具体细致的精致证伪主义。

下面我们从最基本的问题开始。

科学理论是干嘛的?

从大多数人的认识来看,科学理论可以告诉我们,这个世界是什么样子,是如何运转的。科学能满足人们的好奇心,指导各种技术发明,创造前所未有的财富。在所有这些作用中,只有一条是最基本的,没有这一条,其他的用处都无从谈起。这就是科学理论的预测能力,它能让我们在行动之前,就能提前预知行动的后果。

二战期间,多少位原子能专家日以继夜地工作,就是因为通过科学理论,提前预知了原子弹的威力。科学理论是否成立,要看它的预测是否与事实相符。如果原子弹爆炸之后并未产生预期的能量,那么爱因斯坦的质能转化公式就会受到质疑。一个科学理论最有力的证据,来自于极端反常识的预测,原子弹爆炸成功,不仅所有的质疑烟消云散,连街头的普通人也不得不信服。

下面我将用一个非常简化的模型,来说明科学理论的发展过程。

这里有一个篮球,我们想提前知道,当这个篮球在某个位置,以某个方位发出的时候,球的初始速度是多少,才能够准确地命中篮筐?

1 建立理论模型

现实世界是非常复杂的,篮球有大小,有质地,篮筐有金属的,有塑料的,不仅如此,场地,环境,日期,天气甚至当时的星象,都是现实世界中存在的要素。如果你的模型要把这些全部包括进来,不仅不可能,而且违背了预测原则。比如一个理论说,必须某个日期某个时刻某个特定的篮球在某个特殊的场地,那才可能预测,那这个理论就只能预测一次,日子一过就作废,这显然不是一个好的模型。好的模型恰恰是要简单,简单的含义就是它的相关因素更少,能预测的事实就更多。

我们可以把这个科学理论看作一个对现实的模拟器,是一个从复杂世界中,抽取关键要素所构成的模拟。你需要预测时,就把相关条件输入这个模型,然后这个模型会输出预测结果。随后这个预测结果将在现实世界中得到检验。

2 科学理论的可证伪性

卡尔.波普尔提出,可证伪性是科学理论的标准,一下子就抓住了科学理论的根本特征。一个科学理论,就必须能够不断进行新的预测,接受事实的检验。在这个过程中,如果事实与理论预测结果不符,理论就被“证伪”,所以我们称科学理论是“可证伪的”。如果一个理论不可证伪,那就不是一个科学理论。

在这个简化版本中,我们对科学理论的要求是,计算出在某个位置和方向,需要用多大的速度,才能将篮球送入这个框。

如果一个科学理论说:篮球或者能进去,或者进不去。那么这个理论虽然永远是对的,但却没有一点预测能力,无法证伪,也就毫无用处。按照我们的标准,这不是一个科学理论。

如果一个科学理论说,不管进去还是不进去,我可以给你一个非常满意的解释。那这个不是科学理论。只解释不预测的理论无法证伪,也不是科学理论。

真正有用的科学理论会告诉你,在某个位置,以某个角度出发的球,需要以什么样的速度出发,可以正好进入这个框。这才是一个有效的预测。如果发现与事实不符,这个理论就会被证伪。这使得理论有了可证伪性,因而是一个符合标准的科学理论。

可证伪性告诉我们,科学理论必须面临预测失败的风险。更进一步,如果这个风险越大,越违背常识和通常预期,那么这个理论就越有价值。从这一点上看,和炒股,投机,赌博并无区别,也是俗话所说富贵险中求的道理。

在拉卡托斯的精致证伪主义中,证伪的过程没有那么简单粗暴,当理论预测与事实不符的时候,人们为了维护理论,会检查预测和验证的各个环节,有时候发现数据采集有问题,有时候修改一些有问题的推理,在原有理论的基础之上解决预测问题。在这些方法无法解决问题的时候,才会被最终证伪并放弃。这当然更符合现实情况,也和卡尔.波普尔所说的基本原理不矛盾。

3 科学革命

当一个理论出现了越来越多的预测失败,就不得不进行各种修改,来保持预测的准确性。这好比一栋老房子不断地出现问题,当问题多到一定程度,或者问题严重到危及根基的时候,这栋房子就需要推倒重建了。此时,人们会尝试提出一个新理论来代替旧的理论。这就叫做科学革命。

对这个过程的描述,就是托马斯.库恩的杰出贡献。他告诉我们,科学理论的发展路径不是渐进的,而是旧理论不断被新理论代替的结果。在这个过程中,所使用的理论框架,术语体系,测量和实验方法,都会发生系统性的变化,这就叫做范式转换。

总结:科学的发展过程

科学理论的根本特性是可证伪性,它总是冒着被证伪的风险,不断地做出预测,并在现实中得到检验。一旦预期与现实不符,科学理论会进行调整,修改,使得它的预期和现实相符,然后继续做出新的预测。在预测失败严重到无法在理论的基本框架中进行修正时,新理论就会代替旧理论,然后开始新的预测与验证过程。

这里我们可以看出,科学的发展过程并不是线性增长的。如果我们以预测能力做为衡量指标的话,它会像如下这一条曲线。

在橙色部分,也就是科学革命的阶段,是新理论的快速发展期,一旦理论成熟,进入了蓝色区间,预测能力的提升就越来越有限了。如果碰到了无法预测的新事实,就又将被一个新的理论所代替。我从进化论那里拿来一个术语,叫做间断平衡,这个术语很好地描绘了科学发展的特征。人们对世界的认知边界,就是在这样的间断平衡中不断扩大。

人类学习

科学哲学是如何与人类学习扯上关系的呢?

上面那个简单的篮球运动模型,我们转换一个思路,就成了一种运动技能。如下图所示,给你一个篮球,你以某个方位投出这个篮球的时候,如何才能够投入指定的篮筐?

我们设想两种不同的情形,一种是篮筐比较近,另一种是篮筐比较远。当你距离篮筐较远的时候,你投掷的力度会更大一些,球出手的速度也会更快一些。问题在于:你是怎么知道这个的?

因为我们有生活经验,出手速度快会让球飞得更远些。这个生活经验在这里起到的作用是什么?是不是对现实的预测?它能够在我们行动之前就预知行动的后果。你知道如果篮筐离远了,你还不用力,那球就飞不到篮框里去了。

在我们的大脑中,同样有可以进行现实模拟和预测的功能。大脑中的这种功能模块,我们叫做“心理模型”。这个心理模型,可以看作是存在于我们大脑中的“科学理论”。这个”科学理论”,可以在我们出手之前,计算出力度的大小,然后我们用计算结果指导我们的行动,才能得到预期的结果。

大脑中的心理模型,与科学理论的功能一样,都是预测。而心理模型的建立和发展,也和科学理论一样遵循同样的规律。

1 建立心理模型

为了能够进行预测,并且根据预测行动。我们需要在自己的大脑中建立心理模型。这个心理模型,是由各种感觉材料构成的,与科学理论一样,心理模型也不是照搬现实世界,而是只包含了相关要素。注意力,正是我们的大脑将模型简化的方法,只有注意到的感觉材料,才会进入大脑,成为构造心理模型的组成部分。在这个例子中,我们会专注于篮筐的位置,球的位置,出手的力度,不会把篮球是什么颜色,场地是室内还是露天这种无关因素纳入到心理模型中。

2 心理模型的可证伪性

心理模型和科学理论一样,也要不断地进行预测,并接受现实的检验。这在学习理论中,称为反馈。在投篮的时候,投得进去,投不进去,投远了,投近了,都是反馈。学校里的小测验和各种考试,老师判卷子给你打分,告诉你哪道题作对了哪道题做错了,这也是反馈。

反馈在学习中是非常重要的,因为,如果没有反馈,我们投篮之后也不知道进了没有,做完题之后也不知道对还是错了,那就没法对我们原先的心理模型进行调整和修正。我们的技能也就无法进步。在技能训练中,及时反馈是提高训练质量的关键要素。

在拉卡托斯的精致证伪主义中,理论如果碰到了和现实不符的情况,首先会调整参数,进行局部修正,以使得预测越来越符合现实。这正是我们学习过程的写照。我们头脑中的心理模型,从建立开始,也要通过不断地预测和修正,逐渐完善,具有越来越精确的预测能力。在这个简单案例中的表现就是,投篮在这个过程中变得越来越准确。

3 心理模型的革命

如果这个模型不仅是参数的修正,而是模型本身发生了变化。比如引入了一个新的因素,你想在静止时和运动中都能够准确地投中篮筐。那么你自身的速度也要纳入心理模型。这对于心理模型来说,是一个不小的变化。你要在旧的模型基础上添加新的要素,并且通过不断试错,让心理模型调整到能准确预测为止。

这与科学理论的发展相对照,虽然不像库恩所说的“科学革命”那样,是把这个理论推倒重来,但由于模型发生了一个较大的变化,可以看作一个小型的科学革命。

在另一些时候,如果一项运动技能的业余爱好者,要在专业教练的指导下,开始进行真正专业级别的训练时,就是一场真正的“科学革命”了。业余爱好者自学所建立的心理模型,在专业教练那里看来,不仅不是学习的基础,反而是学习的障碍,是需要彻底铲除的对象。所有的基本功都要重新来过,所有的反应都要重新建立。代替旧心理模型的,是教练在理论指导下,通过多年经验所得到的优秀心理模型。只有这样,才能让技能水平走上专业的进步通道。

总结:心理模型的发展过程

心理模型和科学理论一样,它也总是冒着被证伪的风险,不断地做出预测,并在现实中得到检验。一旦预期与现实不符,心理模型会进行调整,修改,使得它的预期和现实相符,然后继续做出新的预测。在预测失败严重到无法在原有心理模型的基本框架中进行修正时,新模型就会代替旧模型,然后开始新的预测与验证过程。

在这个过程中,心理模型的预测能力会不断提高,所对应的外在表现就是,人所表现出来的技能水平也会不断提高。

同样的道理,心理模型的发展曲线(人的技能水平),也是一个间断平衡的发展过程。

在橙色部分,是心理模型的快速发展期,一旦成熟,进入了蓝色区间,预测能力的提升就越来越有限了,技能就进入了平台期。在平台期,如果能够对心理模型重新进行大的优化和调整,技能水平又会进入一个快速上升阶段。这个技能发展曲线,同样也体现出了间断平衡的特点。

在下一篇文章里,我们将把重点放在心理模型的建立以及技能水平发展曲线上,为大家详细揭示学习的秘密:大脑编程指南

学习科学系列:

  1. 科学哲学与人类学习
  2. 大脑编程指南
  3. 高效学习之道

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