学习科学

高效学习之道

预备知识

《科学哲学与人类学习》中,我们了解了人类学习的基本原理。人类学习,与科学发现类似,是一个在大脑中建立心理模型(理论),并通过预测和反馈,不断改进这个心理模型(理论)的过程。人类学习曲线,也像科学理论的发展那样,并不总是线性上升,而是提升区和平台区交替出现,体现出间断平衡的特点。

《大脑编程指南》中,我们对学习曲线为什么会呈现这样的间断平衡特征给出了解释。这是因为,在学习过程中,心理模型在慢系统中形成,然后通过不断的训练,逐渐转化为快系统中运行。正是这个机制,让学习曲线体现出了建立,发展,稳定这样三个阶段。

这个机制,也让我们了解到了技能固化的原因,也提示了进一步提高的路径:通过将注意力拉回到心理模型本身,让心理模型重新回到慢系统中运行,就能够将技能“活化”,进入下一个周期的提升,让技能水平到达一个更高的平台。

在本篇文章中,我们将以游泳技能为例,探讨在这个理论指导下的高效学习之道。

最简技能学习

最简技能,是指那些无法继续分解的技能,简单到仅仅是一个简单的输入和输出,比如在游泳这项运动中,一次憋气,一次上肢划水,一次腿部打水,都可以看成是一种最简技能。最简技能,是技能心理模型的最小组成单元,我们就从这个最小单元入手,了解最简技能的高效学习方法。

建立心理模型

在技能学习之初,首先要在大脑的慢系统中建立心理模型。 心理模型是由什么构成的?我们又是用什么工具建模的呢?

1. 心理模型的构成-感觉材料

心理模型,是存在于大脑中的构造,它的构造材料,是外部世界在我们大脑中的投影,也就是各种感觉。当你能回忆一个人的长相,那这个心理模型主要是由视觉构成。当你能回忆一道美味佳肴,那这个心理模型除了视觉之外,还包括嗅觉和味觉,甚至有嘴部或舌头的触觉。当你回忆你在做某个运动时,这个心理模型的主要构成,叫做本体感。

本体感是一种很特别的感觉,当你闭上眼睛,身体做出某种姿势,这时你虽然看不到你自己,但你却会知道你的身体是什么姿势。这说明,我们不需要视觉,就可以凭某种感觉知道这一点。这种感觉,就叫做本体感。

同样的道理,当我们运动的时候,也能够凭借这种感觉,知道自己的身体在如何运动。这种运动的感觉,可以叫做动觉。在涉及到身体运动的技能学习中,动觉扮演了一个非常关键的角色。这是因为,其他的感觉都是一种输入,而动觉,可以用来输出,我们在记忆了某个运动的动觉之后,可以将这个动觉输出为实际的身体运动。

在大多数情况下,心理模型是一种由多种感觉材料所构成的复合体。

在学习游泳的时候,心理模型主要包括身体姿态的本体感,身体运动的动觉,肌肉的紧张与松弛,皮肤所感受到的水流(触觉),还有位于内耳的平衡器官所感受到的平衡感,等等。当你认真回忆你的游泳过程时,这些感觉会重现在你的大脑中,这就是你体会到的,游泳技能的心理模型,它的构成材料,就是你在真实的游泳过程中体会到的那些感觉。

2. 建立模型的工具-注意力

当我们实际地去完成某个技能的时候,会有很多感觉从外界传入我们的大脑。这里面可能包括视觉,触觉,还可能包括嗅觉,味觉,最重要的,在涉及到身体运动的时候,我们还会感受到身体的姿态和运动,也就是本体感和动觉。

如果这个过程不断重复,这些相关的感觉会被我们的大脑记住,并形成一个由这些感觉组成的心理模型。然而,这个过程不是一帆风顺的,为了让这个心理模型能够更快地建立,让这个心理模型的质量更高,我们需要了解建模的原理。

我们用三维扫描仪的原理图来帮助我们理解这个建模过程。

三维扫描仪会发射出激光,对物体表面进行扫描,将每个扫描点的位置和颜色记录到电脑中,最终还原出物体的三维模型。

在建立心理模型的时候,我们所依赖的,是注意力,当我们实际地进行某种运动时候,把注意力集中到某种感觉上,就能够让这个感觉更快地进入我们的大脑,形成大脑中的投影。注意力越集中,这个过程就会越快,所形成的心理模型的质量也会更好。

在学习游泳的时候,如果你没有将你的注意力放在这些感觉上,那么你在事后,会很难回忆出这些感觉,也就是说,很难形成心理模型。如果你在一次打水,一次呼吸的时候,都非常地关注此刻的相关感觉,比如呼吸时的感觉,身体的运动感觉,水流作用于身体的感觉,并且在这种感觉还未消退的时候,认真地回忆以加深印象,就会更快更好地形成心理模型,学习的效率就会大幅度提高。

反馈与修改

1. 学习中的反馈

当心理模型刚开始建立的时候,它不一定适合实际的需要,按照这个心理模型去行动,未必能通过实践的检验。接下来我们要做的事情,就是在实践中检验这个心理模型,当心理模型不符合要求的时候,进行调整与修改。

反馈是学习中非常重要的要素,没有反馈,我们就没法知道动作是否达到了要求,完成的质量怎么样?首先,反馈要及时,一旦完成某个动作,就要能够立即知道完成得如何,这样可以马上就行调整。其次,反馈要尽可能地精确,这样调整起来就更有目的性。

在学习游泳的时候,每个基本动作,最好由有经验的教练进行反馈,这样能马上知道动作做得怎么样,随后立即进行调整,直到达到教练的要求,而不是等到以后实际地游起来才知道调整。在没有教练指导的情况下,可以用辅助录像的方式帮助自己对比和标准动作的差别。有时候我们没有这些条件,也完全可以靠自身感觉的反馈,留意自己的姿势是否达到了基本要求。

2. 调整与修改

反馈是为了对心理模型进行调整与修改,我们用来调整与修改的心理工具,一样是注意力。

我们注意到,当心理模型开始建立时,它位于我们大脑的慢系统中。这时候,心理模型的运行,是需要注意力去控制的。换一句话来说,我们的注意力,集中在了这个心理模型的运行控制上。有了这样的条件,我们就可以使用注意力这个心理工具,对心理模型进行调整和修改。

在学习游泳的时候,如果要对基本动作进行调整,我们会留意到之前的感觉,也会留意到调整之后的感觉,我们可以用注意力,有意识地改变运动方式。比如打水时腿部弯曲程度,划水的方向和力度,呼吸的深度和节奏,在这个阶段,我们都是可以用注意力进行有意的控制和调整的。

从生疏到熟练

当心理模型在大脑的慢系统中运行时,我们叫做控制过程,这时候,需要集中注意力来控制心理模型的运转,否则就没法完成。技能学习的目标,就是让心理模型转化为在大脑的快系统中运行,这时候,耗费的注意力很少,心理模型可以自动运行,动作熟练且稳定。

在这个过程中,注意力依然起到了很重要的作用。

首先,如果没有将注意力集中在所要转化的动作上,你的动作可能会走形变样,如果你一直漫不经心地重复做这些走形了的动作,这些动作也会逐渐转化,但最后在快系统中运行的心理模型,就未必正确了。

其次,实践证明,注意力越集中,这个转化的速度会越快。有人做一个月也不熟练的动作,另一些人可以在一天之内熟练掌握,这就是注意力的加速作用。

当我们的技能达到熟练的程度之后,我们会觉得,此时不再需要高度的注意力控制,就能够很好,很稳定地完成这个动作。这是因为,这个心理模型,之前在大脑的慢系统中运行,现在已经基本转化为了在快系统中运行,就像一台自动机械,只要按下按钮启动,剩下的工作就可以自动完成了。

在学习游泳的时候,一旦我们通过教练或其他的帮助纠正了动作,依然需要把注意力集中在所完成的动作上,努力保持动作不要走形,然后重复练习。这里我们推荐一个叫做“体验-想象-运用”的练习模式,体验就是努力地捕捉各种感觉,想象就是在脑子里重复这个感觉,运用就是按照这个感觉来指导下一次的动作。有了这样明确的练习模式,我们可以更好地完成练习。

进入新一轮技能提升

如果你熟练地掌握了一种技能,一种基本动作,这意味着你的技能达到了某个水平。如果你对这个水平仍然不满意,那就需要进入新一轮的技能提升。按照我们以往的经验,新一轮技能提升是一件很困难的事情,甚至比学会一种技能更加困难。这是为什么呢?

在游泳学习中,当我们学会了游泳,达到了熟练程度之后,如果再想显著提高技能水平,似乎变得越来越难。我们即使投入大量的时间重复练习,水平似乎也只有微微的上升。达到游泳高手那个级别,似乎成了可望而不可及的奢望。

1. 技能曲线的平台区

我们在技能曲线上,会看到,在技能不断提高之后,会进入一个平台区。平台区的出现,是因为心理模型从建立,发展到稳定,转化为无需意识控制的自动化运行状态,在大脑的快系统中运行。

从好的方面讲,这表示技能已经学成,心理模型的运行无需过多的意识控制,动作也很成熟稳定。从不好的方面讲,技能水平也固化下来了。在这个阶段,由于大量的操作已经可以无意识自动运行,即使一遍又一遍地重复,也很难再进行修改和调整了。

在游泳学习中,当我们达到平台区之后,由于无需过多的注意力去关注具体的动作,就可以开始享受游泳所带来的快乐,自由地在水中嬉戏了。与此同时,你的游泳水平也就基本停留在这里,很难再继续提高了。做为业余爱好者,我们完全可以满足于当前的水平,不再寻求进一步的提高。

2. 成熟技能的活化

我们已经了解,技能的固化,是因为这个心理模型的运行已经自动化了,失去了调整和修改的可能。我们如果重新让注意力回到这个心理模型上,让心理模型重新回到慢系统中运行,就可以像之前一样,对这个心理模型进行调整和修改了。这就叫做成熟技能的活化。

在成熟技能的活化过程中,有一个值得关注的现象,那就是,在技能重新活化之后,由于需要高度的注意力去控制一些细节,摸索更好地完成技能的方式,这个期间的运动水平可能会出现下降。如果不知道这个原理,在下降之后很可能又会回到之前的固化状态,没法提高。这个短暂下降,是良性的正常现象,无需过多地担忧。

在游泳学习中,在达到了熟练之后,如果我们不满足于当前的水平,就需要重新让游泳变得“不熟练”,重新让注意力去关注动作的细节。这样才能进行调整和修改。当然,这时候的调整和修改,需要有更高水平的教练指导,或者更加精细地按照教学手册上的要求去做,让心理模型达到更高的质量。

3. 走向更高的平台

让注意力重新回到动作的执行过程,让心理模型重新回到慢系统中运行,进行注意力控制下的调整和修改。在这之后,随着不断的练习,这个更好的心理模型,也会逐渐转化为在快系统中运行,技能水平向着更高的平台稳步前进。

复杂技能学习

学习上的困难

对于复杂技能的学习,我们常常有望而生畏的感觉,眼前的目标高高在上,不知道如何才能到达。这种学习上的困难,是真实存在的,主要的原因,在于以下两个方面。

1. 注意力资源

注意力是一种非常宝贵的资源,日常经验告诉我们,注意力不能集中到过多的感觉上,也很难持续很长时间。

在进行复杂技能的学习时,相关的感觉非常多,要执行的动作也很复杂,这时候,我们很难把注意力集中在这么多目标上,造成了建模的困难。

对于游泳的初学者来说,如果没有人帮助,在入水之后,很难同时进行上肢下肢躯干的正确运动,同时保持呼吸节奏,又能让自己漂浮在水面上,这种动作配合,对于初学者来说,需要让注意力同时高度关注很多感觉,是一个几乎不可能完成的任务,即使勉强能做,动作的质量也会非常低,常常处于顾此失彼的状态。

2. 多参数优化

在心理模型建立起来之后,我们要不断地优化这个模型。方法是通过练习,在实践中不断地预测,检验,如果和预期不同,那就进行参数的调整。

对于复杂的心理模型,需要调整的参数非常多,在预期和事实不符的时候,很难确定要调整哪些参数。而对于最简心理模型来说,这个参数往往就只有一个到两个,很容易进行调整和修正。

在学习游泳的过程中,如果出现了问题需要纠正,比如要提高游泳的速度,你不知道到底是呼吸节奏的问题,还是上肢动作的问题,还是下肢动作的问题,还是纯粹因为体力问题。在练习中盲目地尝试改变这么多参数,很难找到更好的解决方案。

心理模型的分解

一种技能,通常是综合性的,对应着一个包含了多种感觉材料在内的复杂心理模型。由于上文所述的学习上的困难,我们很难直接按照最简技能的学习方法来学习。这时候,我们采取的方法是,把它分解为最简技能的组合,这对应着心理模型的分解。

这种分解,有时候是技能学习者在自学过程中自己进行的,比如一套广播体操,由一系列连续的身体运动构成,学习者会分成一个一个动作学习。这种序列动作的分解比较简单。

有时候,这种分解看起来很难,比如游泳,需要上肢下肢躯干以及呼吸的配合,这几个动作是同时进行的,分解就有一定的难度。

还有的时候,我们很难意识到一种技能是由哪些基本要素所构成,比如语言的学习。

在分解学习有困难的时候,我们会借助于他人总结的经验,有时候是一个学习课程,有时候是有经验的教练。

在游泳练习中,我们可以求助于有经验的教练或者教学手册,按照某个教学体系进行训练。这些教学体系,都提供了很丰富的分解技能练习,相当于把复杂心理模型,分解为了相对简单很多的子模型。这些分解技能练习包括呼吸、划水、打水等各个方面。

心理模型的组合

分解之后的最简心理模型,在练习之初,位于大脑的慢系统,在进行了修改优化之后,通过大量的重复练习,让这个最简心理模型的运行,从意识关注下的控制过程,逐渐转化为无需意识控制的自动化过程,最后能够在大脑的快系统中自动运行。

在几个有关的最简心理模型都转化为自动化运行模式之后,我们就可以开始将其组合为更复杂的心理模型。这时候,由于最简心理模型的自动运行,不会过多占用注意力资源,我们就可以把宝贵的注意力资源腾出来,放在心理模型的组合上。

在游泳练习中,我们可以分开练习呼吸,上肢的划水,下肢的打水,在这几项都能够熟练完成之后,再尝试将这几个技能组合在一起。在实际的练习过程中,我们最容易犯的错误就是冒进,有时候,在熟练度不够的时候强行组合,往往会导致动作变形或失败,这是由于我们的注意力资源还没有充分释放出来用于组合。

反馈与修改

对于组合而成的复杂心理模型,我们依然要在实践中进行检验和测试,并且进行修改和优化。如果心理模型的预期和实际不一致,或者没有达到相应的指标,我们就要进行诊断和调试了。

这时候,一样要寻找专业的教练或者教学手册的帮助,在这些教学体系中,会把复杂的心理模型,分解为多个子模型,每个子模型都有明确的指标,可以通过反馈单独优化和调整。在这些子模型达到了优化状态之后,再组合为复杂的心理模型,这样才能避免前面所说的多参数优化的问题,让整体的心理模型达到更优。

在游泳练习中,为了提高水平,我们就要在专业教练或者教学手册的帮助下,认真地练习各种分解技能,比如打水,划水,呼吸,看看这些分解技能有没有问题,然后再将这些分解技能逐渐组合起来,看看组合有没有问题。只有这样分解诊断,调试,才能让游泳水平更上一层楼。

总结

在日常的工作和生活中,我们无时无刻不在使用各种各样的技能。如果我们能够腾出一点点注意力,来观察我们的技能增长过程,有意识地运用本文所提到的方法,就能一点点地改善我们的工作和生活质量,享受这个改进的过程,走向更美好的未来,而不是束缚在无能为力的现实中。

学而时习之,不亦乐乎?

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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大脑编程指南

第一部分:快系统与慢系统

当我们把注意力投向自己的大脑,就会发现,那里并不是一个由“我”掌控一切的世界。从2000多年前柏拉图的战车隐喻,到现代心理学家乔纳森•海特提出的象与骑象人,都揭示出:这个理性的自我,在驾驭我们的意志和欲望时所面临的巨大困难。当一个正因减肥而饥肠辘辘的你,看到了向往已久的美食,你会立刻明白,谁才是这个大脑中真正的话事人。当你忍不住大快朵颐的时候,也不必有太多的负罪感,因为心理学家们早有结论:当目标背道而驰的时候,输掉的总是那个理性的自我。

2002年诺贝尔经济学奖获得者卡尼曼,实际上是一位心理学家。他的一本畅销书《思考,快与慢》,为我们描绘了大脑中的两个系统,名字很好记,一个叫做系统一,另一个叫做系统二。这张表格,对比性地列出了系统一和系统二的特征。为了方便记忆,我们后面统一用“快系统”代表系统一,用“慢系统”代表系统二。慢系统就是我们能够意识到其运作的,比如你知道从家出发怎么到达最近的公交车站。你知道要网购一件商品需要怎么操作,等等。快系统就是可以在我们意识不到的情况下自动运行的,比如开车时方向盘和油门刹车的配合,走路时突然脚下一空时的反应。

这种大脑运作机制,能够令人信服地地解释人类学习的过程。

用一个形象的比喻,慢系统,我们能够意识到的部分,好比海面上的冰山一角,而快系统则非常庞大,是海面之下的冰山主体。为了能够理解这一点,我们想一下自己走路的运动方式。走路并不是我们天生就会的技能,而是在婴幼儿时期花费了很大代价才学会的,一个简简单单的能意识到的“往前走”,就包含了无意识中复杂的运动过程,这张图中就列出了这个复杂过程的一些细节。

我们用走路来体验一下快系统和慢系统的特点。第一:慢系统是有意识的,而快系统是无意识的,当我们意识到要“往前走”的时候,快系统会向身体发出一系列极其复杂的指令,是没有被意识注意到的。第二:慢系统很慢,而快系统很快,试想在走路的时候,如果需要意识控制自己的身体做出如此复杂的配合,那走路也就成了一个很难完成的任务。第三:慢系统是很费力的,而快系统是可以自动完成的。正因为走路所需要的一系列复杂动作可以自动完成,我们才可以在走路的时候胡思乱想而不会导致摔跤。

我们以编程的角度来看待两个系统之间的关系。往前走这样一个功能,也就是function,是靠快系统实现的。慢系统通过简单地调用这样一个功能模块,就很容易地实现了复杂的功能。这和编程语言中的函数所起到的作用是一样的。而函数这个术语,恰好也是function的对应翻译。我们就此引出本篇文章的核心隐喻,汽车与驾驶员的隐喻。

想象你在驾驶一辆汽车,你扮演的就是大脑中的意识,也就是慢系统,而你所控制的这辆车,它的发动机和车身,各种配合运动的零件,是无意识部分,也就是快系统。对于意识来说,无需了解汽车内部的复杂操作,只需要简单调用几个功能模块,比如油门,刹车,方向盘,就可以完成对庞大而复杂的快系统的控制。

我们日常所完成的各项活动,都是由大量的无意识自动化过程,和少量的有意识控制过程配合完成。我们通过学习得到的各种技能,也是如此。我们在“科学哲学与人类学习”一文中所提到的心理模型,主要是指无意识的自动化过程,相当于图中的这辆汽车。这个心理模型,建立在快系统之中,将行动的复杂性封装起来,并用一个简洁的接口,供慢系统,也就是我们的意识来调用和控制。从无到有获得一项技能的过程,就是这样一个心理模型的构建过程。

第二部分:学习过程的三阶段

我们将构建心理模型的过程划分为三个阶段:心理模型的建立;心理模型的发展;心理模型的稳定。这分别对应于技能曲线的不同阶段。

这张图描述了心理模型刚刚建立时的状态,它位于慢系统中,缓慢,费力,需要意识的控制才能运行,此时技能水平处于非常初级的状态。

此时你会觉得注意力不够用,什么都要管,动作容易变形,很容易分心,这都是因为慢系统处于主导地位所带来的。

这张图描述了一个正在发展中的心理模型,通过在高度集中注意力时的不断重复运用,心理模型就逐渐转化为自动化运行机制。此时的表现是,技能水平处于很迅速的上升阶段,学习兴趣也是最浓厚的。

这里我们需要关注两个重点:调整和转化。

在进行转化之前,我们先要确保心理模型的正确性,确保它能够做出正确的预测。方法是按照预测行动,得到反馈。如果预测和事实不一致,就说明心理模型有问题,需要进行意识控制下的调整。在调整好了之后,在注意力关注下多次重复,这个心理模型就逐渐转化为无需意识控制的,自动运行的状态。你会觉得完成技能越来越轻松,水平也提高得很快。

这张图描述了一个已经成熟,变得稳定的心理模型。它主要位于快系统中,而意识通过一个简洁的功能接口调用这个心理模型。此时不再需要高度的注意力,心理模型就可以自动运行。

此时你会觉得只需要少量的注意力就可以自动完成,反应很迅速,也很熟练,一致性很好,水平稳定。所以,这个区间又叫做舒适区。

我们把这三个阶段的图摆在一起做一总结。看一下黄色的轮廓线,这条线代表了快系统和慢系统的分界线。下面深色的是快系统,上面浅色的是慢系统。在慢系统之中的,是意识控制下运行的心理模型,而在快系统之中的,是无意识控制时自动运行的心理模型。这个学习的三阶段,就是心理模型不断从慢系统中运行,变成在快系统中运行的过程。在这个过程中,心理模型变得越来越成熟和稳定。

第三部分:技能的平台期

心理模型从建立,发展到稳定,转化为无需意识控制的自动化运行状态。在最后一个阶段,心理模型就稳定下来了。从好的方面来讲,这表示技能已经学成,因而也叫做舒适区。不好的方面讲,技能水平也固化下来了,进入了平台期,平台期的含义就是,你即使花很多时间去重复,也很难像之前那样快速提高了。

为什么心理模型稳定之后会进入平台期呢?很简单,这时候大量的操作已经可以无意识自动运行,你所需要的就是调用一个简单的接口,不必再去关注动作的具体细节。即使你一遍又一遍地重复,也无非是启动这些已经很稳定的功能模块,不会再进行修改和调整了。设想你打造了一辆汽车,如果并不关注车内各个部件的配合,运转状况,不加以任何调整,只是重复地控制油门,刹车,方向盘在道路上开,那么不论重复多少次,也不会对汽车的性能有什么影响。

现在的人工智能,已经能够对人的步态进行识别,这依赖于每个人步行方式的稳定性。当人们在儿童时期学会走路之后,这个技能就进入了一个漫长的平台期,成年人即使走再多,由于那些复杂的运动已经成为无意识的自动化过程,不会得到修改,这让每个人独特的步态特征得以持续保留下来。

我们的语言技能,是同样的道理。学会说话是一个很困难的过程,当我们学会母语之后,口音特征,发音缺陷,还有说话的腔调,遣词造句的方式,也都进入了一个漫长的平台期。支撑着语言技能的那些复杂过程,也就永远地封装在无意识模块里了。我们学习母语之外的第二语言,也因此面临着极大的困难。

技能的固化:

不论心理模型的好坏,也不论技能水平的高低,心理模型逐渐成熟的过程,也是技能的固化过程。从好的方面看,技能更加熟练,水平在提高,从不好的方面看,技能也就逐渐固化下来了。当心理模型全部在快系统中运行,技能就完全固定下来了。

技能的活化:

如果我们让心理模型重新回到意识的关注中,这就叫做技能的活化。意识一旦重新关注到了心理模型运行的细节,就为进一步的调整提供了可能。

如何突破平台期:

技能的活化,是突破平台期的前提。只有将心理模型的运行重新拉回到意识的关注范围,并且根据反馈进行有意识地调整,才能够重新进入一个新的发展期。此后,经过修改变得更加优秀的心理模型,会再次变得稳定,技能水平也随之进入了一个更高的平台期。

技能从建立,发展到稳定,进入平台期,然后重新活化,修改后的心理模型重新变得成熟,技能会进入一个更高水平的稳定期。这条曲线,就是技能发展的全貌。这一根曲线的形态,是由于意识控制过程和无意识自动化过程交替占据主导地位而形成的。

不同的学习者,学习效率可谓是天差地别。我们以往会把这些差别归结为天赋,比如智商。这或许有一定的道理。但我们同样也发现,同样的学习者,在不同的训练方案指导下,学习效率也可以截然不同。我们一旦掌握了心理模型的运行机制,就可以理解这些学习效率的差别。在面临学习过程中的各种现象时,能知道背后又是什么原因。更进一步,我们还可以在理论指导下,改进学习方法,解决学习障碍,让我们的学习过程变得更加高效,让技能更容易达到很高的水平。这就是我下一篇文章的主题:高效学习之道

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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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