Математическое мышление

Недавно я работала в Стэнфорде над одним исследованием вместе с Кэрол Дуэк, Грегом Уолтоном, Кариссой Ромеро и Дэйвом Паунеску. Именно они предложили множество приемов, которые улучшают мышление учеников и усиливают их чувство принадлежности к школе^[9]. В ходе исследования мы провели сеанс воздействия на мышление учителей, объяснив им значение ошибок и ряд идей по поводу преподавания, о которых идет речь в данной главе. Мы быстро выяснили, что у учителей, которые были подвергнуты воздействию, гораздо более развито мышление роста и более положительное отношение к ошибкам в математике. Вдобавок они сообщили о том, что используют во время уроков разные идеи по поводу поощрения ошибок. Есть и другие важные изменения, которые учителя могут внести в свои уроки; они рассмотрены в следующих главах. Пока хочу отметить, что одно из самых важных изменений, которое могут без труда внедрить учителя или родители (и оно принесет ученикам огромную пользу), – корректировка обратной связи об ошибках. В следующей главе я расскажу, как важно изменить сам подход к математике. Необходимо показать ученикам, что истинная математика – не нечто неизменное и основанное на процедурах; это открытый и творческий предмет, суть которого сводится к установлению связей, обучению и развитию.

Глава 3. Творчество и красота в математике

Что же такое математика на самом деле? И почему многие ученики либо ненавидят, либо боятся ее – а то и всё вместе? Математика отличается от других предметов не тем, что в ней, как утверждают многие, могут быть только правильные или неправильные ответы, а тем, что методы ее преподавания отличаются от методов преподавания других предметов и у многих есть предубеждение к ней. Если вы спросите учеников, что они думают о своей задаче на уроках математики, большинство скажут: правильно отвечать на вопросы. Немногие считают, что на уроках математики они могут оценить ее красоту, задать глубокие вопросы, изучать богатый набор связей, которые описывает эта дисциплина, или даже научиться применять ее на практике. Как правило, ученики считают, что на уроках математики они должны только добиваться требуемого результата. Так, шестилетний сын одной из моих коллег (ее зовут Рейчел Ламберт) как-то, придя из школы, заявил, что не любит математику. Когда Рейчел спросила, в чем причина, он ответил: «На уроках мы только отвечаем на вопросы и мало учимся». Вот что чувствуют сами дети с раннего возраста.

Эта проблема во многом обусловлена сформировавшейся в США системой тестирования, которая особенно распространена в математике. Когда в первый же день учебного года ученики шестого класса средней школы местного округа пришли домой и заявили, что у них был тест, речь шла только об одном предмете: математике. Большинство учеников и родителей принимают это. Одна девочка сказала мне так: «Ну, учительница просто выясняла, что мы знаем». Но почему такое происходит только в математике? Почему учителя не считают нужным в первый же школьный день определять уровень знаний учеников по другим предметам? И почему некоторые педагоги не осознают, что постоянное тестирование учеников не только позволяет проверять уровень знаний (что само по себе сопряжено со множеством проблем), но и заставляет учеников думать, будто именно в этом и состоит суть математики: поиске коротких ответов на узкие вопросы в условиях стресса? Неудивительно, что многие ученики решают, будто математика «не для них».

Есть и другие признаки того, что математика отличается от всех прочих дисциплин. Когда мы спрашиваем учеников, что такое математика, они обычно дают описание, которое отличается от описания специалистов. Как правило, ученики говорят, что суть предмета сводится к вычислениям, процедурам или правилам. А вот когда мы спрашиваем математиков, в чем суть их предмета, они говорят, что это изучение закономерностей, эстетичная, творческая и красивая дисциплина (Devlin, 1997). Откуда такая разница? Когда мы спрашиваем людей, изучающих английскую литературу, что представляет собой эта дисциплина, они дают почти то же описание, что и преподаватели.

Мариам Мирзахани – математик из Стэнфордского университета, получившая недавно Филдсовскую премию, высшую награду в области математики. Эта удивительная женщина изучает гиперболические пространства и не так давно разработала теорию, получившую статус теории десятилетия. В статьях о работе Мариам всегда приводятся фотографии, где она делает наброски идей на большом листе бумаги на кухонном столе: ведь почти вся работа Мариам носит визуальный характер. Не так давно я была председателем комиссии по защите докторской диссертации одной из студенток Мариам. Это финальный экзамен для докторантов: они защищают работы, над которыми трудились несколько лет, перед профессорами, входящими в состав специальной комиссии. Мне было интересно, как пройдет защита диссертации, на которой мне предстояло выполнять функции председателя комиссии. Мероприятие проходило в небольшой аудитории, окна которой выходили на бульвар Палм-драйв, ведущий к университету. Там собрались математики, студенты и профессора, которые пришли понаблюдать за защитой диссертации или дать ей оценку. Студенткой Мариам была молодая женщина по имени Женя Сепир. В тот день она ходила по аудитории, увешанной ее рисунками, иллюстрировавшими предположения о взаимосвязях между прямыми и кривыми, и рассказывала о них. Она описывала область, в которой важную роль играют визуальное отображение, творческий подход и связи и которой свойственна неопределенность (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Некоторые идеи из докторской диссертации Жени Сепир по математике

Публикуется с разрешения Жени Сепир.

Во время защиты диссертации профессора три или четыре раза задавали вопросы, на которые уверенная в себе молодая женщина отвечала: «Я не знаю». Часто профессор прибавлял, что он тоже не знает. Было необычно слышать «не знаю» на защите докторской диссертации. Некоторые профессора отнеслись бы к этому с неодобрением. Но истинная математика – дисциплина, которой свойственна неопределенность. Ее суть сводится к исследованиям, гипотезам и интерпретациям, а не однозначным ответам. Присутствовавшие на защите профессора сочли вполне обоснованным то, что Женя не знала ответов на некоторые вопросы, поскольку ее работа вступала в область неизведанного. Женя Сепир блестяще защитила диссертацию.

Все это не значит, что математика не дает ответов на вопросы. Многие математические факты известны, и ученикам важно изучить их. Однако по каким-то причинам школьная математика оказалась настолько далека от математики истинной, что если бы в тот день я привела школьников на защиту диссертации, то они не поняли бы, о чем речь. Именно большой разрыв между истинной математикой и школьным предметом стал основой проблем с этой дисциплиной в сфере образования. Я глубоко убеждена, что если бы во время школьных уроков математики учителя раскрывали истинную суть этого предмета, то не было бы ни всеобщей неприязни к нему, ни низкой успеваемости.

Математика – культурный феномен. Это совокупность идей, связей и соотношений, позволяющая человеку осмыслить мир. По сути, это наука о закономерностях. Если взглянуть на мир сквозь призму математики, можно найти закономерности повсюду. И их понимание, полученное в рамках изучения математики, обеспечивает создание новых, эффективных знаний. Выдающийся математик Кит Девлин посвятил книгу этой теме. В своей работе «Математика: наука о закономерностях» он пишет следующее.

Поскольку математика – наука об абстрактных закономерностях, практически не существует аспектов нашей жизни, на которые она не влияет. Ведь абстрактные закономерности определяют суть мышления, коммуникации, вычислений, общества и самой жизни (Devlin, 1997).

Знание математических закономерностей помогает людям покорять океаны, прокладывать маршруты космических полетов, разрабатывать технологии для мобильных телефонов и социальных сетей, а также создавать новые научные и медицинские знания. Однако многие ученики считают, что математика – мертвая наука, не имеющая отношения к их будущему.

Чтобы понять суть математики, следует рассмотреть ее закономерности в реальном мире. Закономерности в океане и дикой природе, архитектуре и осадках, поведении животных и социальных сетях вызывают у математиков восхищение. Последовательность Фибоначчи, пожалуй, самая известная из них. Фибоначчи – итальянский математик, опубликовавший в 1202 году в Италии работу о закономерности, названной в его честь. Сейчас известно, что она появилась несколькими столетиями ранее, еще в 200 году до н. э., в Индии. Вот как выглядит последовательность Фибоначчи:

1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55…

Первые два числа – 1 и 1, а каждое следующее представляет собой сумму двух предыдущих.

Попробуйте приглядеться к снежинкам. Каждая из них уникальна, но их объединяет одна закономерность. Все снежинки имеют шестиугольную структуру, поэтому у них всегда шесть концов (рис. 3.2 и 3.3).

Рис. 3.2. Математика в снежинках

Рис. 3.3. Молекулы воды

Во время онлайн-курса для учеников, изучающих математику, в котором поучаствовало более 100 тысяч слушателей, я показала, как математику используют животные. Аудитория заинтересовалась этим. Например, дельфины находят друг друга в воде с помощью звуков (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Общение между дельфинами

Дельфин издает характерные щелкающие звуки, которые отражаются от различных объектов и возвращаются к нему. Затем по времени прохождения и характеристикам звукового сигнала животное определяет, где находятся его друзья. Он интуитивно вычисляет скорость, то есть находит ответ на тот самый вопрос о скорости, который задают ученикам на уроках алгебры (во многих случаях он никак не связан с реальной жизнью). Во время онлайн-курса я в шутку сказала слушателям, что, если бы дельфины могли разговаривать на человеческом языке, они стали бы учителями алгебры!

Во время исследований для онлайн-курса моя студентка Микаэла обнаружила, что пауки – настоящие эксперты по спиралям. Когда паук создает паутину, он сначала плетет фигуру в форме звезды между двумя прочными вертикальными опорами, например ветвями дерева. Затем паук закручивает спираль. Ему нужно построить ее как можно быстрее, чтобы закрепить звезду, поэтому он выбирает логарифмическую спираль. В ней расстояние между следующими друг за другом витками вокруг центра увеличивается в одинаковое количество раз (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Паутина

Получается, чем больше спираль, тем быстрее она расширяется. Но при этом в паутине образуются большие промежутки, поэтому паук начинает строить еще одну, более плотную спираль, одновременно отцепляя первую. Новая спираль – арифметическая, в ней расстояние между витками постоянно. Плетение второй спирали занимает гораздо больше времени, поскольку приходится делать больше кругов вокруг центра звезды. Но это помогает пауку поймать больше насекомых, поскольку в сети не остается крупных промежутков. Такую поразительную инженерную конструкцию можно было бы построить с помощью вычислений, но паук интуитивно использует математику при разработке и применении своего алгоритма. Другие примеры использования математики животными можно найти в работах Кита Девлина (Devlin, 2006).

Когда я демонстрировала все эти идеи слушателям своего онлайн-курса, некоторые из них не соглашались со мной, заявляя, что математика в природе и мире животных – это не математика. Эти люди признавали только область чисел и вычислений. Я хотела подтолкнуть слушателей к более широкому восприятию предмета. И достигла своей цели. К концу курса среди слушателей был проведен опрос, в ходе которого 70 % респондентов сказали, что изменили свои представления о том, что такое математика. При этом 75 % слушателей убедили себя, что они могут добиться успеха в математике.

Математика есть повсюду в природе и искусстве, и все же большинство школьников даже не слышали о золотом сечении и не воспринимают математику как науку о закономерностях. Если мы не откроем ученикам эту дисциплину во всем ее многообразии, то лишим их возможности ощутить волшебство математики.

Не я одна считаю, что школьная математика не имеет ничего общего с математикой истинной. В 1999 году Рубен Херш написал замечательную книгу под названием «Что же такое математика?» (Hersh, 1999). Он утверждает, что математику представляют на уроках в искаженном виде. Большинство учеников воспринимают ее как совокупность ответов на вопросы, которых никто не ставит. Но Херш отмечает следующее.

Речь о вопросах, которые стимулируют развитие математики. Решение задач и постановка новых – основа этой науки. Если математику представить в отрыве от жизни, она действительно покажется мертвой.

Научные исследования (Silver, 1994) показали: когда ученикам дают возможность сформулировать математическую задачу, проанализировать ситуацию и придумать вопрос к ней (в этом и состоит суть истинной математики), это повышает их вовлеченность и успеваемость. Но это редкость. Помните, в известном фильме 2001 года «Игры разума» Джон Нэш (которого играет Рассел Кроу) изо всех сил пытается найти интересный вопрос? Это и есть крайне важный первый этап математической работы. На школьных уроках математики у учеников нет возможности выполнить это важное действие; они тратят время на вопросы, которые кажутся им не имеющими отношения к жизни и которых они не ставили.

В своей книге «При чем тут математика?» я описываю подход к организации урока математики, основанный на постановке вопросов (Boaler, 2015a). Преподаватель Ник Фиори создавал для учеников математические ситуации с участием таких предметов, как сосновые шишки, игральные карты, цветные бусины, кости, различные детали, и предлагал сформулировать свои вопросы. Поначалу ученикам было трудно выполнять это задание, но постепенно они заинтересовались и научились использовать свои идеи, проводить математические изыскания и осваивать новые методы.

Много лет школьная дисциплина теряла связь с наукой, которую используют ученые, и с математической жизнью. Ученики тратили тысячи часов на изучение процедур и правил, которые им никогда не пригодятся. Конрад Вольфрам – директор Wolfram-Alpha, одной из важнейших математических компаний во всем мире – резко критикует традиционный подход к преподаванию математики и категорически заявляет, что суть ее не сводится к вычислениям. В своем выступлении на конференции TED^[10], которое посмотрели более миллиона людей, Вольфрам предложил, чтобы занятия математикой состояли из четырех этапов.

1. Постановка вопроса.

2. Переход от реального мира к математической модели.

3. Выполнение вычислений.

4. Возврат от модели к реальному миру, чтобы определить, получен ли ответ на исходный вопрос.

Первый этап подразумевает постановку продуманного вопроса по поводу определенных данных или ситуации. Это первое математическое действие, которое необходимо выполнить на рабочем месте. В США самая востребованная профессия – аналитик, или специалист по обработке больших данных, имеющихся в распоряжении каждой компании, и постановке важных вопросов по поводу этих данных. Второй этап, о котором говорит Вольфрам, – создание модели, позволяющей найти ответ на поставленный вопрос; третий – вычисления, а четвертый – возврат от модели к реальному миру, чтобы определить, точен ли ответ. Вольфрам отмечает, что 80 % времени на уроках математики в школе тратится на третий этап (вычисления вручную). При этом способность работников делать вычисления не нужна работодателям: это могут делать калькуляторы или компьютеры. Вольфрам предлагает, чтобы вместо третьего этапа школьники уделяли больше времени этапам 1, 2 и 4.

Вольфрам утверждает, что в наше время работодателям необходимы люди, которые умеют задавать верные вопросы, разрабатывать модели, анализировать результаты и интерпретировать ответы, а не быстро выполнять вычисления, как раньше.

В список Fortune 500 входят 500 крупнейших компаний США. Когда в 1970 году руководителей этих компаний спросили, какие качества новых сотрудников представляют для них самую большую ценность, ответы выглядели так (табл. 3.1).

Таблица 3.1. Самые ценные качества сотрудников компаний из списка Fortune 500, по состоянию на 1970 год

Навыки вычислений занимали второе место в списке. В 1999 году список выглядел так, как показано в таблице 3.2.

Таблица 3.2. Самые ценные качества сотрудников компаний из списка Fortune 500, по состоянию на 1999 год

Навыки вычислений опустились на предпоследнее место в списке, а первые места заняли умение работать в команде и навыки решения задач.

Часто родители не видят нужды в строгости, которая составляет суть математики. Многие спрашивали меня: зачем ребенку объяснять свою работу, если он может получить верное решение? Мой ответ неизменен: объяснение называется в математике рассуждением, а рассуждение – обязательное условие математической строгости. Специалисты по естественным наукам доказывают или опровергают теории путем поиска реальных ситуаций, в которых эти теории работают или не работают. Математики доказывают теории в рамках обоснования. Им необходимо привести аргументы, которые убедят других, тщательно выстраивая цепочку рассуждений от одной идеи к другой с помощью логических связей. Математика – сугубо социальная наука, поскольку доказательство возникает только тогда, когда математики могут убедить коллег в наличии логических связей.

Многие работы по математике – плод совместного труда. Леоне Бертон изучала работу математиков и пришла к выводу, что более половины их публикаций подготовлены в соавторстве (Burton, 1999). Но на многих уроках математики ученики в полной тишине заполняют листы с заданиями. В то время как очень важно обсуждать задачи в группах или всем классом. Это самый эффективный инструмент осмысления материала (ученики редко усваивают идеи, не обсудив их); оно делает предмет интереснее и вовлекает детей в процесс обучения. Кроме того, во время обсуждения школьники учатся рассуждать логически и критиковать мнения друг друга, а оба этих качества очень востребованы в современных компаниях. В мире высоких технологий почти все новые профессии подразумевают работу с большими объемами данных, постановку вопросов и поиск способов достижения целей на основе логических рассуждений. Конрад Вольфрам сказал мне, что любой, кто не способен делать математические умозаключения, не сможет эффективно выполнять свои обязанности на рабочем месте. Когда сотрудники рассуждают и обсуждают математические способы решения проблем, их коллеги могут сформулировать новые идеи на основе этих способов, а также определить, нет ли здесь ошибки. Командная работа, которую так высоко ценят работодатели, основана на математическом рассуждении. Люди, которые просто выдают результаты вычислений, не приносят пользы; они должны уметь обосновывать полученные результаты.

Кроме того, необходимо, чтобы ученики рассуждали на уроках математики, поскольку сам акт осмысления задачи и анализа рассуждений другого человека вызывает интерес. Ученики и взрослые гораздо активнее участвуют в работе, когда им дают открытые задачи и разрешают предлагать свои методы и пути решения, чем в работе над задачами, требующими вычислений и ответа. В главе 5 представлено много содержательных математических задач, требующих логических рассуждений, а также показаны некоторые способы их составления.

В сфере обучения математике часто возникает и другая проблема: люди убеждены в том, что эта дисциплина сводится к вычислениям, а лучшие математические умы – люди, которые умеют быстро вычислять. Более того, некоторые считают, что успешно заниматься математикой может только тот, кто умеет быстро думать. Но многие математики, которых можно считать весьма одаренными людьми, выполняют вычисления медленно, потому что их рассуждения очень тщательны и глубоки.

Лоран Шварц получил Филдсовскую премию и был одним из величайших математиков своего времени. Однако в школе он решал математические задачи медленнее всех одноклассников. В автобиографии «Математик, преодолевающий трудности своего столетия», опубликованной в 2001 году, Шварц вспоминает свои школьные годы и говорит, что он чувствовал себя глупым, поскольку в его школе ценилась способность быстро думать, а он размышлял медленно и глубоко.

Я никогда не был уверен в своих способностях и считал, что я не наделен интеллектом. Я всегда думал и до сих пор думаю медленно. Мне нужно время, чтобы уловить смысл происходящего, поскольку мне необходимо понять все до конца. К концу одиннадцатого класса я в глубине души считал себя тупым. Это долго меня беспокоило.

Я до сих пор думаю медленно… В конце одиннадцатого класса я проанализировал ситуацию и пришел к выводу, что скорость мышления не имеет прямого отношения к интеллекту. Гораздо важнее глубоко понимать суть вещей и их взаимосвязи. Вот в чем заключается интеллект. Скорость размышлений не важна (Schwartz, 2001).

 

Шварц, как и многие другие математики, пишет об искажении дисциплины на уроках, а также о том, что суть математики в действительности сводится к определению связей и глубоким размышлениям. Многие школьники думают точно так же медленно и глубоко, но не верят в себя. Сама необходимость быстрых вычислений отталкивает многих детей, особенно девочек (подробнее см. главу 4 и главу 7), но по-прежнему в ходу тесты, флеш-карточки и математические приложения с ограничением времени на выполнение заданий. Национальные лидеры, например экс-президент Национального совета преподавателей математики (National Council of Teachers of Mathematics, NCTM) Кэти Сили, стараются опровергнуть это мнение, предлагая новый способ эффективного изучения предмета (см. Seeley, 2009, 2014), чтобы люди, которым свойственно медленное и глубокое мышление (Boaler, 2002b), прекратили думать, будто они не созданы для математики. В следующей главе показан подход, при котором ценится глубина, а не скорость мышления, который помогает развить связи в головном мозге и пробуждает интерес у гораздо большего количества учеников.

Резюме

В начале этой главы шла речь о том, что математика отличается от других дисциплин. Но это связано не с ее природой, как считают многие, а с серьезными и распространенными заблуждениями по поводу этой дисциплины: будто она основана на правилах и процедурах; будто успешно заниматься ею может только тот, кто умеет быстро думать; будто главное в математике – определенность и правильные и неправильные ответы, и суть ее сводится к числам. Такие ошибочные представления – одна из причин того, что до сих пор в преподавании математики используются традиционные, неправильные и неэффективные методы. Многие родители ненавидели этот предмет в школе, но все равно выступают в поддержку традиционного подхода, полагая, что так и должно быть, что отталкивающие методы преподавания, которые они познали на своем опыте, обусловлены природой самой математики. Многим учителям начальной школы также пришлось пережить в свое время ужасные испытания при изучении математики; им трудно преподавать ее, поскольку и для них она выглядит как формальный набор процедур. Когда я показываю таким учителям, что математика – нечто иное и не нужно подвергать своих учеников тем же тяготам, через которые прошли они сами, у них возникает подлинное чувство освобождения и даже эйфории, как показано в главе 5. Если мы проанализируем, сколько заблуждений встречается на уроках математики, нам будет легче понять масштаб проблем в ее преподавании по всему миру, а также (что еще важнее) сделать вывод о том, что неудач в математике и тревог в связи с этим предметом вполне можно избежать.

Взглянув на математику, которая присутствует в окружающем мире и которую используют специалисты, мы увидим, что это творческая, наглядная, связная, живая дисциплина. Но многие ученики воспринимают ее как набор бесполезных методов и процедур, которые нужно зачем-то запоминать; как сотни ответов на вопросы, которых они никогда не задавали. Когда людей спрашивают о применении математики в реальном мире, они, как правило, думают о числах и вычислениях (как рассчитать ипотечный кредит или цену продажи). Но математическое мышление не сводится только к этому. Мы применяем математику, когда рассуждаем, как провести время, сколько событий и заданий можно запланировать на день, какая площадь нужна для установки оборудования или разворота автомобиля, сколько событий может произойти. Математика помогает понять, как распространяются твиты и сколько людей могут их получить. Мир с уважением относится к людям, которые быстро выполняют вычисления, но некоторые люди при этом не способны достичь важных целей с их помощью, зато другие, хотя и размышляют очень медленно и совершают много ошибок, могут сотворить с помощью математики нечто удивительное. В современном мире вычисления полностью автоматизированы, привычны и ни у кого не вызывают удивления. Сильные мыслители теперь – люди, которые устанавливают связи, рассуждают логически и творчески используют пространство, данные и числа.

Нельзя винить учителей в том, что во многих школах преподается ограниченная и выхолощенная версия математики. Учителям обычно дают длинные списки тем, которые они должны объяснить, вместе с сотнями описаний. Но на глубокое изучение конкретных идей времени не предусмотрено. Когда учителям дают списки тем для преподавания, они видят предмет, разделенный на составляющие – как разобранный на части велосипед, превратившийся в груду деталей, которые ученикам предстоит чистить и полировать весь год. В списки тем не включены связи; дисциплина в них представлена так, будто связей вообще не существует. Я не хочу, чтобы ученики целый день полировали отдельные детали велосипеда! Я хочу, чтобы они свободно ездили на велосипедах, получая удовольствие от математики, испытывая радость от установления связей и впадая в эйфорию от истинного математического мышления. Когда мы раскроем суть математики и будем преподавать ту широкую, наглядную, творческую математику, о которой идет речь в этой книге, она станет предметом, который может чему-то научить. Ученикам трудно развить мышление роста, если они должны только давать правильные ответы на четкие вопросы. Такие вопросы сами по себе способствуют формированию фиксированного мышления. Когда мы преподаем математику (истинную науку о глубинных связях), это расширяет возможности для формирования мышления роста и обучения, а в классах появляется много счастливых, воодушевленных и увлеченных учеников. В следующих пяти главах представлено много идей, как добиться этого, а также приведены результаты исследований, подтверждающие эти идеи.